近40 a閩江流域森林景觀格局動態變化

亓興蘭

(福建林業職業技術學院,福建 南平 353000)

森林景觀的主體是森林生態系統,其在某一地理區域內由不同的森林群落組成,在森林生態系統整體格局和功能中發揮重要作用,如各種類型的天然林、人工林、灌木林等,是一種復合生態系統,對人類社會的可持續發展有直接影響[1-2]。景觀格局由生態過程長期作用而來,直接影響景觀過程[3],具體是指不同景觀要素數量、規模、組成、形狀及其在地理空間位置上的分布與配置[4],可以反映異質景觀要素之間的相對關系,直接影響森林景觀的各種功能,如生物多樣性、社會供給和生態調節等[5-6]。森林景觀格局形成的主要原因是空間異質性?？臻g異質性也是森林景觀的顯著屬性,體現為其在不同時間和空間尺度上的變化不同[7]。景觀空間格局變化受自然環境和人類活動等多種因素相互作用,景觀斑塊的類型與空間組合影響區域生態過程和邊緣效應[8]。因此,分析區域景觀空間格局及其變化,可以綜合反映區域景觀生態狀況、生態體系與空間變異,從而促進人們更好地保護森林資源和可持續經營森林[8]。研究森林景觀格局可以預測景觀變化。研究區域內各種因素對景觀的影響規律并分析其驅動力,可以促進森林經營與恢復以及景觀資源的可持續利用,實現人與自然和諧發展[9-10]。目前,關于森林景觀的研究主要集中在景觀格局特征分析[11-18]、空間優化[19-21]、動態演變與驅動力分析[22-24]、未來演替動態模擬[25-27]等方面。國內外學者利用數學模型、面積轉移矩陣、景觀格局指數等方法,基于不同尺度,進行了景觀格局變化與優化分析、森林經營規劃與優化、生態功能評價等多角度的森林景觀研究與動態分析[28-30],但時間跨度大、區域面積大的森林景觀格局動態研究并不多見。

閩江發源于閩贛邊界的武夷山,蜿蜒于武夷山與戴云山兩大山脈之間,于南平市自西北向東南流至福州市以東,分兩支注入東海,全長577 km,流域面積達6.1萬km2,是東南沿海流域面積最大的河流。閩江流域森林覆蓋率高、資源豐富,對福建省的經濟發展發揮了重大作用。學者們對閩江流域森林景觀進行了多方面的研究。比如,亓興蘭等[31-33]基于RS和GIS,利用TM影像,開展了閩江流域土地利用結構、土地利用景觀格局及驅動力、森林景觀格局變化分析;劉健等[34-35]開展了南平市土地利用時空變化研究,以及閩江流域生態公益林景觀格局變化分析與高效空間配置研究;嚴紹裕[36]分析了閩江流域5個典型的國家級自然保護區森林喪失的時空動態演變。

1 研究區概況

閩江是福建省的第一大江與最大水系,以南平、水口為界,劃為上、中、下游[32],流域面積占福建省總面積的一半。流域地勢呈階梯狀降低,中山、低山和丘陵是主要地貌。閩江流域年平均氣溫18～20 ℃,降水豐富,年降水量多在1 600～1 800 mm,屬于溫暖濕潤的季風氣候。流域森林覆蓋率高,森林類型多為天然次生林與人工針葉林、針闊混交林等,針葉林面積大于闊葉林,原始林較少。流域森林植被類型主要有竹林、灌木林、常綠針葉林、常綠闊葉林與栽培植被等。其中,常綠闊葉林林相整齊、植被穩定,優勢樹種為喬木,空間層次分為3～4層,最上層為儲拷類;常綠針葉林優勢樹種為杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(PinusmassonianaLamb)等;竹林組成單一、結構簡單,間或在閩北地區與杉木等喬木樹種形成杉竹混交林;灌木林分布零散、面積小,主要來源于破壞退化的常綠闊葉林;栽培植被主要為經濟林。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究遙感數據為1986年、2003年、2021年3期Landsat影像數據,其他數據為福建省森林資源連續清查數據,以及福建省行政區劃圖、植被類型圖、水系圖與土地利用現狀圖、1∶1萬地形圖等。

利用Erdas Imagine 9.2軟件對影像進行幾何精校正、鑲嵌、裁剪等處理,獲得研究區遙感影像。同時,對影像進行增強處理,以提高分類精度。利用分層分類方法[32]提取森林景觀地類。具體做法是首先分析某一類地物的光譜、時間與空間特征,然后進行典型特征波段組合,針對此類地物的遙感影像特征反映,進行專題信息提取。一種地物的專題信息提取完成后,利用圖像掩膜等處理技術,屏蔽此類地物信息。一層即一類,目標明確,問題簡單,能夠避免地物光譜信息與紋理特征的相互干擾,可為每一類地物的提取提供相對純凈的環境,從而提高各類地物提取和最終結果的精度。在獲取森林分布結果圖后,利用Fragstats 4.2軟件計算各指標,動態分析流域森林景觀格局。

2.2 研究方法

2.2.1 景觀類型劃分

森林景觀本質是一種自然景色,以森林植被為主體且在時空點視野范圍之內。目前,森林景觀類型劃分主要依據景觀尺度與斑塊體特征,以及基質形狀、大小和色調等森林景觀的外在特征,標準并不統一[18]。

一般構建兩個層次:基于林地利用類型構建一級景觀類型;在此基礎上,再利用起源、森林類型和優勢樹種構建二級景觀類型[37]。本研究基于數據資料與林業實際,結合土地利用現狀分類國家標準與國家森林資源連續清查技術規定,將研究區森林景觀分為有林地、疏林地、灌木林地、未成林造林地、無立木林地5種景觀類型。為了方便描述流域森林景觀的動態變化,本研究將1986—2003年稱為前期,2003—2021年稱為后期。

2.2.2 景觀格局指數構建

景觀格局用來描述異質景觀要素,表達其數量、形狀、空間分布模式與規模[38]。景觀格局指數是分析景觀格局的指標,可以有效評估景觀組成要素的空間結構特點,反映其特征,如優勢景觀類型、景觀破碎程度等[37,39-40]。景觀格局指數構建可分為斑塊水平、景觀要素水平和景觀水平3類尺度[2]。本研究從景觀要素斑塊特征、景觀要素空間構型與景觀異質性3個方面構建景觀格局指數,見表1。

首先將高純錫樣品加工至儀器分析要求的尺寸；用車床刨光處理樣品分析面使其待測面光滑平整(能完全遮擋住樣品盒中激發孔并保證無縫隙露出)；用硝酸和超純水配制出5%稀硝酸，將待測樣品進行泡洗后再用超純水反復清洗，之后在干凈環境用普通氬氣將其吹干。

表1 構建的景觀格局指數

3 結果與分析

3.1 景觀要素斑塊特征

經過數據處理,獲得各年度閩江流域森林景觀分布,見圖1。通過計算,得到各期景觀要素斑塊特征指標,見表2～表4。

圖1 閩江流域森林景觀分布Fig.1 Distribution of forest landscape in Minjiang valley

表2 1986年閩江流域森林景觀要素斑塊特征Tab.2 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 1986

表3 2003年閩江流域森林景觀要素斑塊特征Tab.3 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 2003

表4 2021年閩江流域森林景觀要素斑塊特征Tab.4 Characters of forest landscape element patch in Minjiang valley in 2021

由圖1可見:近40 a來,有林地一直是閩江流域的主要景觀,是該地區景觀的基質類型,且在面積及空間分布上呈上升趨勢。前期,有林地及各類型林地分布都較零散,這是由于20 a來,對森林資源的過度開發利用導致林相破碎化嚴重;后期,有林地及其他地類林相較完整,分布整齊且連接成片,其中,有林地和疏林地主要分布于閩江上游和下游,未成林造林地主要分布于閩江中游、下游,灌木林地與疏林地主要分布于閩江上游、中游。

斑塊面積與斑塊周長影響單位面積生物量和景觀要素多樣性,體現生態系統特質,是分析景觀空間格局的基礎[35]。由表2～4可見:近40 a來,閩江流域林地總面積增加,有林地一直控制著該地區的景觀。有林地面積顯著增加,疏林地面積顯著降低,其他地類的斑塊面積與周長也都有不同程度的變化。從面積占比來看,1986年、2003年、2021年3期景觀中,有林地面積的占比分別為57.02%、60.86%、68.28%;分階段來看,前期有林地面積占比增幅較小,后期增幅較大。40 a來,由于持續植樹造林及加強對森林資源的保護,大量無立木林地轉變為有林地。但前期,由于對木材的需求量較大,雖然進行了植樹造林,但有林地面積增幅不大;后期由于加大了對森林資源的保護,有林地面積增幅變大。從斑塊數看,前期流域總的斑塊數增加;后期總的斑塊數減少。由于前期人類活動對森林資源的過度干預,導致各地類景觀零散分布,森林景觀破碎化程度上升;后期通過綠化造林及對森林資源的保護,各地類景觀林相完整,分布成片,總的森林景觀破碎化程度下降。

斑塊平均面積反映某類景觀要素斑塊規模的平均水平[35]。分地類分析可知,有林地總面積增加;前期斑塊數增加,后期斑塊數減少,斑塊總數減少,平均斑塊面積增大。由于林木皆伐或擇伐,有林地轉為無立木林地、疏林地,疏林地轉為無立木林地,前期總面積增大,后期面積減少,總面積減少;前期斑塊數增大,后期減少,斑塊平均面積減少。灌木林地前期面積增大,后期面積減少,分布較零散,主要由常綠闊葉林遭受破壞退化而成;斑塊數前期增大,后期減少,斑塊總數減少,平均斑塊面積減少。未成林造林地前期面積減少,后期面積增大;斑塊總面積增大,斑塊總數增大,平均斑塊面積增大。

分析可知:有林地景觀類斑塊面積標準差和變動系數增大,斑塊規模變異程度最大;無立木林地類斑塊面積標準差和變動系數增大;其他地類類斑塊面積標準差和變動系數減小,斑塊規模都有不同程度的變異。

景觀要素邊緣密度指相鄰的非同質景觀斑塊之間的邊緣長度,反映斑塊邊緣效應及景觀的穩定性[24,35,38]。分析可知:前期,無立木林地與未成林造林地景觀要素邊緣密度減小,其他地類森林景觀均增大;后期,除灌木林地外,其他地類森林景觀均增大?？傮w來看,近40 a來,閩江流域森林景觀斑塊邊緣效應與生態功能均增強,有利于物種遷移,景觀穩定健康發展,森林效益持續發揮。

平均形狀指數可用來分析斑塊周邊曲折情況,數值越大,表明景觀斑塊越復雜,斑塊形狀曲折不規則;分維數理論上在1.0～2.0,值越大,表明斑塊周邊形狀越曲折復雜[9-10,38]。由圖2 a、b可見:有林地與未成林造林地平均形狀指數與分維數均減小,特別是有林地,后期分維數趨近于1,表明受人類活動影響大。由于人類的持續造林活動,有林地與未成林造林地大面積成片集中分布,景觀斑塊幾何形狀簡單、規則、有規律,自相似性強,斑塊邊界趨于平滑。疏林地主要由有林地采伐形成,前期由于大量采伐森林,導致疏林地分布零散,景觀斑塊形狀復雜不規則,平均形狀指數與分維數增大;后期加強了對森林資源的保護,其景觀斑塊形狀變得有規律,指數減小。由于前期大量采伐森林,無立木林地景觀斑塊分布零散不規則,平均形狀指數與分維數增大;后期由于植樹造林等森林資源保護活動,面積減少,景觀斑塊分布零散且邊界形狀復雜,指數增大。由于受人類活動干擾,灌木林地景觀斑塊破碎化,斑塊分布零散且形狀不規則,指數增大。

圖2 1986—2021年閩江流域森林景觀要素形狀Fig.2 Forest landscape elements shape in Minjiang valley 1986—2021

嵌塊體面積影響物種、能量和養分分布與生產力水平[10,20]。由圖2 c可知:有林地與未成林造林地的嵌塊體內緣比增大,邊緣效應增強;無立木林地的指數減小,邊緣效應減弱;其他地類景觀的指數也有不同程度的變化,邊緣效應也隨之變化。

3.2 景觀要素空間構型

破碎度反映景觀破碎程度,景觀分離度指數反映景觀各嵌體個體分布的分離程度,斑塊密度指單位面積的斑塊數。由圖3可知:由于持續人工造林,有林地和未成林造林地面積增加,集中連片分布,景觀破碎程度減小,各嵌體個體分布分離程度減小,破碎度和分離度指數減小,斑塊密度增大。灌木林地和疏林地主要由林木采伐形成,前期由于大量采伐林木,斑塊數增加,景觀破碎化,破碎度和分離度指數增大,各嵌體個體分布分離程度增大,斑塊密度增大;后期加強了森林資源保護和多種經營,斑塊數減少,破碎度和分離度指數減小,斑塊密度減小。無立木林地景觀破碎度和分離度指數前期增大,后期減小。斑塊密度前期減小,后期增大。

圖3 1986—2021年閩江流域森林景觀要素空間構型Fig.3 Forest landscape elements spatial configuration in Minjiang valley 1986—2021

3.3 景觀異質性

由圖4可見:閩江流域香農多樣性指數前期減小,后期增大。前期香農多樣性指數減小反映了各景觀比例分布不均,各類斑塊復雜化和變異化,生態系統穩定性降低,修復功能減弱,易受到外來物種入侵;后期香農多樣性指數增大,反映流域景觀異質性降低,生態系統穩定性和修復功能增強。優勢度指數反映優勢景觀類型對景觀格局的支配程度,與均勻度指數呈負相關[35,38],數值越大,說明優勢景觀類型控制了景觀格局,各景觀分布不均,差別大;數值越小,說明優勢景觀類型與其他景觀類型差別不大,控制景觀格局不明顯[35,38]。閩江流域森林景觀優勢度指數逐漸增大,表明由于持續的人工造林,有林地一直是該流域的優勢景觀,控制流域的森林景觀格局;均勻度指數減小,說明流域各景觀斑塊類型分布不均勻,作為優勢景觀類型,有林地比例增加,控制景觀格局。

圖4 1986—2021年閩江流域森林景觀異質性Fig.4 Forest landscape heterogeneity in Minjiang valley 1986—2021

4 結論與討論

1)有林地是閩江流域優勢景觀類型,控制著該區域的景觀格局。40 a來,閩江流域林地總面積增加,其中,以有林地增加最為顯著,1986—2003年,增加了349 134.5 hm2,2003—2021年增加了392 508.77 hm2。有林地一直控制著該地區的景觀格局,是流域的基質類型。其他地類景觀面積都有不同程度的變化。閩江流域各林地景觀面積變化的主導因素是有林地、疏林地與無立木林地的相互轉化,其驅動因素是人類活動的干擾,如砍伐森林和持續人工造林等活動。

2)閩江流域邊緣效應與景觀生態功能增強。有林地與未成林造林地景觀斑塊周長增加,其他地類景觀減小。整個林地景觀斑塊總周長增加,不同生態系統之間的邊緣比例增加,邊緣效應顯著,不同生態系統斑塊之間的影響增強,景觀生態功能增強。

3)閩江流域林地景觀總破碎度減小,生態環境質量提升。1986—2003年,林地景觀總面積增大,斑塊數增加,斑塊破碎化,生境斑塊隔離,導致斑塊內部生境損失,增大了其受到侵襲干擾的風險;2003—2021年,斑塊數減少,斑塊破碎化程度減小,生境內部物種抵抗災害能力強,有利于物種擴散。

4)閩江流域優勢度指數與香農多樣性指數增大,均勻度指數減小。由此說明,優勢景觀有林地對整個流域空間格局的控制作用增大,景觀穩定性增強,異質性降低。同時,也揭示了由于受到人類活動的有利和不利干擾,各景觀要素發生了向好變化。

5)由于人類采伐等活動的干擾作用,閩江流域森林景觀格局發生了總體向好的變化。由于資料限制,以及研究技術與研究尺度的影響,本研究主要關注了森林景觀面積、斑塊形狀與空間分布的變化,而森林結構調整、功能實現與生態服務等也是森林景觀的重要組成部分,也是未來的研究方向,需要進一步研究。同時,森林景觀對于人類活動、氣候變化等外界干擾的響應機制及科學應對措施等也將成為研究的熱點。