童 媛，常 勝

(1.湖北民族學(xué)院林學(xué)園藝學(xué)院，湖北恩施445000；2.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北恩施445000)

恩施州森林景觀格局分析

童 媛1，常 勝2?

(1.湖北民族學(xué)院林學(xué)園藝學(xué)院，湖北恩施445000；2.湖北民族學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北恩施445000)

以恩施州為研究區(qū)域，以Landsat TM遙感圖像為主要信息源，以Erdas image和GIS軟件作為信息處理工具，利用生態(tài)學(xué)軟件Fragstats 4.2計算景觀百分比、斑塊類型面積、多樣性指數(shù)等指標，對恩施州地區(qū)森林景觀格局進行分析.研究結(jié)果表明:恩施州以有林地為主，非林地、灌木林、宜林地和未成林零星分布，斑塊分布聚集，斑塊數(shù)目增多，形狀較為復(fù)雜，人為干擾對森林景觀的發(fā)展呈良性影響，且景觀的結(jié)構(gòu)合理.總體上，恩施州地區(qū)的景觀異質(zhì)性高，類型豐富，應(yīng)繼續(xù)保持森林景觀的多樣性.

森林景觀；RS；景觀指數(shù)

景觀格局是指異質(zhì)景觀要素的數(shù)量、規(guī)模、形狀及其空間分布模式[1].景觀格局的變化及其變化是由自然因素和人為因素共同作用產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映.景觀的斑塊、形狀、大小、數(shù)量和空間組合是各種干擾因素的結(jié)果.對區(qū)域景觀空間格局的研究，是揭示生態(tài)狀況和空間變異情況的途徑[2].自工業(yè)革命以來，人類社會飛速發(fā)展的同時也加劇了對自然資源的索取和環(huán)境的破壞，如土地沙漠化、洪水泛濫、酸雨、全球變暖等生態(tài)問題.自20世紀以來，人類開始重視環(huán)境問題，呼吁保護自然，保護地球.森林的重要性在自然生態(tài)系統(tǒng)和人類生活環(huán)境中也得到重視.越來越多的學(xué)者開始研究森林的組分和生態(tài)功能.森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球生態(tài)環(huán)境中的功能和作用也顯得越來越重要.森林景觀是以各種類型或不同演替階段的森林生態(tài)系統(tǒng)為主體構(gòu)成的一類景觀.如由山地森林、灌叢、草地、溝谷、農(nóng)田、居民點、道路、河流等景觀要素構(gòu)成的景觀，其中以各種類型的森林群落或林分為主體，是一個較完整的功能整體[3].森林景觀格局可以說明森林植被的空間分布及動態(tài)變化受環(huán)境干擾、控制的基本特征.對景觀格局成因的分析，可以確定影響森林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、穩(wěn)定性和生境的因素，從而在一定程度上預(yù)測景觀動態(tài)，制定景觀管理的措施[4].中國科學(xué)院院著名的學(xué)者邵國凡等[5]提出了地理信息技術(shù)和森林動態(tài)模型相結(jié)合的方法，模擬森林景觀的動態(tài)，開創(chuàng)了地理信息技術(shù)在森林景觀領(lǐng)域研究的先河.郭晉平等第一次對森林景觀生態(tài)學(xué)進行了全面、系統(tǒng)和深入的研究，著作《森林景觀生態(tài)研究》是我國森林景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的首部專著.該著作對山西省關(guān)帝山林區(qū)的森林景觀進行了系統(tǒng)的研究，使森林景觀生態(tài)學(xué)的研究日漸趨于成熟.蔡小虎等[6]利用地理信息技術(shù)(3S)，通過馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣模擬了崇州國營林場干溝工區(qū)的森林景觀變化的過程，表明了馬爾柯夫模型可以預(yù)測森林景觀格局的變化，這對提高森林的綜合效益和服務(wù)功能具有重要的指導(dǎo)意義.景觀生態(tài)學(xué)軟件Fragstats為景觀格局的定量分析提供了條件.宋秀虎[7]對恩施州森林森林資源進行了旅游開發(fā)的研究，分析了恩施州森林旅游優(yōu)勢及存在的問題.李雙龍[8]通過森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)對恩施州森林資源動態(tài)變化和林業(yè)發(fā)展進行了分析和灰色預(yù)測.沈浩然[9]曾探討建立和完善恩施州森林生態(tài)效益補償機制.本文在研究方法上結(jié)合3S技術(shù)對恩施州地區(qū)的森林景觀格局進行分析.以Landsat 8和Landat 4為數(shù)據(jù)源，對恩施州的影像圖(2015年和2010年)結(jié)合RS影像處理方法，對影像圖進行處理，再導(dǎo)入Fragstats 4.2計算恩施州森林景觀斑塊類型的變化，揭示森林景觀的變化規(guī)律，通過各景觀指數(shù)的計算和分析，對恩施州的森林景觀生態(tài)功能進行了初步評價，為森林景觀生態(tài)規(guī)劃和管理提供了理論依據(jù).

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

恩施州位于湖北省西南地區(qū)，地處湖北、湖南和重慶的交匯處，位于108°23′12″E～110°38′08″E，29°07′10″N～31°24′13N″.西面和北面連重慶市，南面與湖南省接壤，東北連神農(nóng)架林區(qū)，東與宜昌市為鄰.恩施州享有“鄂西林?！薄ⅰ叭A中藥庫”、“煙草王國”的稱號.目前，恩施州森林茂盛，植被豐富多樣，目前的森林覆蓋率為60.48%，林木綠化率為71.5%[10].

1.2 數(shù)據(jù)來源和處理

2015年采用Landsat 8遙感圖像，2010年采用Landsat 5的圖像.成像時間分別是2015年8月4日和2010年9月22日，圖像質(zhì)量良好(遙感圖像來源于地理空間云).通過ERDAS軟件對遙感影像進行幾何校正，輻射增強處理，拼接，裁剪、監(jiān)督分類，獲得兩個時期恩施州的景觀類型矢量數(shù)據(jù)，在GIS進行重采樣，再將TIFF圖片導(dǎo)入景觀生態(tài)學(xué)軟件RAGSTATS 4.2計算.

2 研究方法

2.1 森林景觀類型的劃分

本研究依據(jù)森林資源調(diào)查方法，參考《中國資源環(huán)境宏觀調(diào)查與動態(tài)研究》，再結(jié)合遙感影像分辨率，如景觀的尺度，基質(zhì)的形狀、大小和色調(diào)[11].對恩施州土地利用類型進行景觀劃分，一級分類為林地和非林地，二級分類分別在一級分類基礎(chǔ)上，分為有林地、未成林、宜林地、灌木林和建設(shè)用地，劃分后屬性一致且地理位置鄰居的小班進行合并，得到森林景觀格局空間分布圖.

進行監(jiān)督分類時根據(jù)影像圖上的色調(diào)、肌理提取分類模板，如表去所示.分類模板建立后，對模板進行可能性矩陣評價.分析AOI訓(xùn)練區(qū)是否落在相應(yīng)的類別之中.從分類誤差總體的百分比來說，如果誤差矩陣值小于85%，分類模板的精度太低，需要重新進行分類，建立分類模板[12].本研究兩期的數(shù)據(jù)分類模板精度87.651%和88.320%，2015年森林景觀類型圖和2010年的森林景觀類型圖見圖1和圖2.

表1 遙感影像圖判讀Tab.1 Interpret remote sense image

2.2 景觀格局分析的指標與計算方法

本文采用景觀整體水平和景觀要素類型水平2個級別上常見的9個景觀指數(shù).斑塊類型面積(CA)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、總邊界長度(TE)、邊緣密度(ED)、斑塊密度(PD)、平均斑塊密度(AREAMN)、周長－面積分維數(shù)(PAFRAC)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、香濃多樣性指數(shù)(SHDI)、香濃均勻度指數(shù)(SHEI).

1)斑塊面積(CA/TA).CA數(shù)值的大小，對聚居地物種的數(shù)量、豐度、食物鏈以及生物的生長繁殖具有制約作用[13].本文選取CA指標，對未成林、有林地、灌木林、宜林地和非林地的斑塊面積進行計算與分析.在景觀水平上，即為景觀面積.aij:斑塊的面積，斑塊類型面積把某一斑塊類型的所有斑塊面積求和，除以10000轉(zhuǎn)化為hm2，它的取值范圍CA>0.當CA逐漸接近0，說明該斑塊類型在景觀中越來越少[13]；當CA＝TA(景觀面積)時，景觀由一種類型的斑塊組成[14].

圖1 恩施州2015年森林景觀類型分類圖Fig.1 2015 Forest Landscape of Enshi

圖2 恩施州2010年森林景觀類型分類圖Fig.2 2010 Forest landscape of Enshi

2)斑塊所占景觀面積比例(PLAND).景觀的組分靠斑塊所占面積(PLAND)指數(shù)度量，從斑塊上來講，與斑塊相似度植被意義相同[13].當它等于100時，景觀只有一類斑塊組成，其計算的是某一斑塊在總景觀面積中所占的比例，通過該指數(shù)可以了解景觀中的主要景觀元素，對后期景觀的優(yōu)勢種、生物多樣性有參照意義[14].本文選取該指標，計算兩個時期(2015年和2010年)恩施州五種斑塊類型所占的比例，了解兩個時期的景觀元素構(gòu)成.

原料：鱔魚肉 350 g，芝麻油 1500 g（約耗 125 g），豬肉湯100 g，白糖、濕淀粉、紹酒、醬油、醋、精鹽、甜獨蒜、蔥段、姜末適量。

aij:斑塊ij的面積；A:所有景觀總面積；

3)總邊界長度TE.TE為總邊界長度，表征景觀類型破碎化程度的主要指標之一，在類型級別上為某一類斑塊類型的總邊緣長度，景觀級別上為斑塊總邊緣長度[14].本文選取該指標，在一定程度上反映，恩施州森林景觀的整體變化.

4)邊緣密度(ED).邊緣密度(ED)表示景觀類型單位面積的周長，也可以反映景觀或某一類型斑塊的破碎化程度[15].本文選取邊緣密度(ED)分析整體景觀的空間結(jié)構(gòu)，在一定意義上作為反映人類活動對森林景觀的干擾強度.

A為總面積，eki為景觀中斑塊類型的總邊緣長度，包括該斑塊類型的景觀邊界線和背景.

5)班塊密度(PD).

景觀中某一類景觀要素的單位面積班塊數(shù)反映景觀被分割的破碎程度和景觀受干擾程度，破碎度越大，其抗干抗能越弱.

6)斑塊平均面積(AREA－MN).屬于面積指標，指某一類型斑塊的平均圖斑面積，表示每種斑塊類型的平均值[16].

8)最大斑塊指數(shù)(LPI).LPI表示景觀中最大斑塊組成的景觀占總景觀面積的百分比.其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢種、內(nèi)部種的豐度等生態(tài)特征，其值的變化可以改變干擾的強度和頻率，反映人類活動的方向和強弱[15].本文選取該指數(shù)，也是作為反映恩施州森林景觀變化過程中，人類的活動對其變化影響的參考指標.

9)香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI).SHDI是基于信息理論的測量指數(shù)，在生態(tài)學(xué)中反映景觀的異質(zhì)性，對景觀中各類型非均衡分布狀況相對敏感.在分析不同景觀或同一景觀不同時期的多樣性與異質(zhì)性變化時，SHDI可以作為一個指標.一般來說，在同一景觀中，與多樣性呈正態(tài)分布[18].SHDI的值越高，景觀的多樣性越豐富.

S表示物種的總數(shù)，pi:景觀斑塊類型i所占比率[14].

10)香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI).SHEI和SHDI一樣，研究不同的景觀或同一種景觀在不同時期變化的對比，比較不同景觀或同一景觀不同時期多樣性變化的手段.SHEI較小時，優(yōu)勢度高，反映景觀受到一種或幾種優(yōu)勢斑塊類型支配.SHEI趨近于1時，景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型且各斑塊類型在景觀中均勻分布[19].

SHDI表示香農(nóng)多樣性指數(shù)，SHDImax表示最大可能的香農(nóng)多樣性指數(shù)[14].

3 結(jié)果與分析

本文把在GIS進行重采樣后的2015年和2010年景觀分類圖(TIFF格式)導(dǎo)入生態(tài)學(xué)軟件Fragstats4.2進行計算，得到了兩期的景觀指數(shù)計算結(jié)果如表2、表3，再從類型尺度和景觀水平兩個方面分析.

3.1 景觀要素斑塊特征

由表2可知，恩施州森林景觀分為5個類型，2015年景觀面積為2476606 hm2，有林地為1739615 hm2，約占森林景觀的70.2%，其次為灌木林和宜林地，灌木林面積和所占比是289 316 hm2，約占景觀總面積的11.6%，宜林地為208749hm2，約占景觀總面積的8.4%.2010年景觀面積為2456337hm2，有林地為1201537 hm2，約占森林景觀面積的48.9%，其次為宜林地和灌木林，宜林地的面積為598 490 hm2，約占森林面積的24.4%，灌木林面積為347978hm2，約占森林面積的14.1%.由分析可知，2015年恩施州有林地面積仍然最大，其次是灌木林，宜林地次之.2010年恩施州有林地面積占比例最大，其次是宜林地和灌木林，通過計算，2010年以來，灌木林、宜林地、灌木林在減少，非林地和有林地在增加.結(jié)合有林地的最大斑塊指數(shù)(LPI)，其主要原因是，恩施州實施多年的退耕還林還草政策，如天寶工程等，部分未成林逐漸長成了有林地，城市化的發(fā)展，使得宜林地和灌木林減少，非林地面積增加.

斑塊密度和平均面積是最基本的景觀破碎化指數(shù)，分別從數(shù)量和面積反映景觀的破碎化程度，斑塊密度值越大，斑塊被分割情況越嚴重，破碎化程度越高[20].斑塊密度值PD在2010年和2015年時，灌木林和宜林地的數(shù)值都高于同時期非林地，有林地和未成林地，說明受灌木林和宜林地受人為干擾較多，斑塊小而且較分散.未成林2015年的斑塊密度值(PD)比2010年的明顯升高，未成林受人類活動的影響較大.有林地的斑塊密度值(PD)2015年比2010年降低，說明有林地的斑塊破碎度和異質(zhì)性程度低，斑塊類型比較集中.2010和2015年邊緣密度值(ED)有林地最大，分別為35.2055和43.1636，且2015年比2010年增高.說明有林地在向外擴展，有林地與環(huán)境及其它斑塊類型之間在物質(zhì)、能量物質(zhì)等信息的交換和流通潛力大.灌木林、未成林、有林地的邊緣密度2015年比2010年增加，宜林地和非林地的邊緣密度減小，說明滬渝高速和宜萬鐵路的修建后，恩施州綠化帶增多，使灌木林與非林地的物質(zhì)流動、信息交換較2010年提高.另外退耕還林還草等林業(yè)政策的實施，使未成林的斑塊結(jié)構(gòu)更合理，非林地總體上變化幅度相比較小，其內(nèi)部景觀結(jié)構(gòu)較合理，異質(zhì)性提高.周長面積分維數(shù)(PAFRAC)反映人類的生產(chǎn)活動對景觀的影響，分維數(shù)越接近1，斑塊的形狀越有規(guī)律，形狀也越簡單，說明受人類干擾的程度大，因為人類活動對斑塊的幾何形狀形成比較規(guī)則，也有規(guī)律.恩施州2010年分維數(shù)最低的是灌木林1.4770和有林地1.4892，而2015年分維數(shù)最低的是有林地1.5504和宜林地1.5646，灌木林的分維數(shù)1.6274比2010年略高.再結(jié)合斑塊面積指數(shù)(CA)和邊界長度(TE)的數(shù)值說明宜林地受人類活動的干擾比較大，其面積減少，邊界長度降低，斑塊密度(PD)增加，其斑塊的形狀在人類活動影響下比較簡單，分布較分散，且破碎化程度較高.非林地的分維數(shù)2015年為1.5973和1.5235，該斑塊的形狀受山地、河流等自然因素的影響較大，幾何形狀呈不規(guī)則狀.

表2 恩施州森林景觀指數(shù)、要素類型統(tǒng)計結(jié)果Tab.2 Statistics result of landscape index elements type in Enhsi

3.2 景觀水平上的指數(shù)

由表3可知，恩施州的景觀面積(TA)2015年與2010年相比變化較小，當斑塊水平上CA＝TA時，景觀的構(gòu)成較單一，表2、表3相比較，斑塊面積(CA)的值與景觀面積(TA)的值不相等，說明恩施州森林景觀不是由單一斑塊構(gòu)成.總邊界長度(TE)的值2015年比2010年稍增大，景觀破碎化程度變化不明顯.而最大斑塊LPI指數(shù)2015年比2010年增高了43.8994，人類活動對森林景觀變化的干擾相對來說較明顯.香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)的值越大，說明斑塊類型增加或各斑塊在景觀中呈非均衡化趨勢分布.香農(nóng)均勻度指數(shù)SHDI＝0，說明景觀由一種斑塊組成，無多樣性；SHDI＝1，表明各斑塊類型均勻分布，有最大多樣性[16].2010年的香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI為1.3181，2015年SHDI的值為1.0250，趨近于1，說明2015年恩施州的景觀斑塊趨于均勻分布，多樣性較穩(wěn)定.平均斑塊密度(AREA－MN)是評價景觀破碎化程度的指標，它與斑塊數(shù)量及斑塊總面積有關(guān)，與破碎化程度呈反比[18].恩施州2015年的值10.5632，比2010年的值19.2737，明顯減小，說明平均斑塊面積增加，恩施州的森林景觀的破碎化程度降低.邊緣密度(ED)和分維數(shù)(PAFRC)2015年比2010年偏高，斑塊的形狀趨于復(fù)雜，人為干擾對景觀的影響相對較低.而邊緣密度(ED)值2015年比2010年增加了4.9673，景觀整體向外擴展.

通過景觀指數(shù)分析可知恩施州森林景觀較豐富，其成因有:首先是地處亞熱帶季風(fēng)氣候帶，氣候濕潤，降雨量豐富，雨熱同期，適合植被生長所需的水分和溫度；其次是恩施州以山地為主，海拔較高，處于二級階梯邊緣，地區(qū)的垂直地帶性差異較為明顯，且土壤類型多，使得植被的種類豐富，植被帶的分布呈多樣性.森林景觀面積增加的主要驅(qū)動因子是人類活動，宜林荒山荒地后，人工林逐漸成為有林地，退耕還林還草政策的延續(xù)，天寶工程等因素，使森林得到保護.鐵路和高速公路的修建，打破森林原有的群落更新速度，促進群落的更新和養(yǎng)分的流動，綠化帶的增加也使得森林斑塊之間的流通增強，整體景觀的結(jié)構(gòu)趨于合理，面積也增大.

表3 恩施州森林景觀指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果Tab.3 Enshi Forest Landscape Index Statistics

4 結(jié)論與討論

本研究以Landsat影像為數(shù)據(jù)源，運用景觀生態(tài)學(xué)原理，采用監(jiān)督分類與人工解譯結(jié)合，得出恩施州的景觀類型圖分布.2015年和2010年相比，有林地面積增加較快.景觀要素的斑塊密度和邊緣密度，指數(shù)說明森林景觀異質(zhì)性提高，有林地和灌木林增長較快.其主要原因是政府退耕還林還草，主要勞動力遷移到外省市，且恩施地區(qū)的城市綠化較好、綠地面積增長較多，鐵路和高速公路的綠化帶增長快.2010年灌木林和有林地的分維數(shù)低，2015年有林地和宜林地的分維數(shù)低，人類活動對灌木林和宜林地的影響較大，灌木林和宜林地的破碎度化程度高.

從景觀指數(shù)可以分析出，恩施州森林景觀多樣性比較豐富，斑塊類型在景觀中均勻分布.2015年有林地和灌木林，未成林邊緣密度較高，其對斑塊之間能量和物種的連通有重要作用.香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)下降，說明景觀趨于均勻.2015年斑塊的形狀比2010年趨于復(fù)雜，均勻度增高，森林景觀的破碎程度降低，結(jié)合最大斑塊指數(shù)和分維數(shù)指數(shù)變化來分析，目前階段人類生產(chǎn)活動對森林景觀的干擾比較有利于森林景觀的良性發(fā)展.說明適度的干擾有利于保持和提高景觀的異質(zhì)性.

本研究采用景觀格局指數(shù)對進行森林景觀分析，比較局限.森林景觀格局的變化和形成是在很多因素影響下形成，應(yīng)全面考慮自然因子和人為干擾因子，用時間和空間的連續(xù)數(shù)據(jù)，采用空間統(tǒng)計學(xué)方法進一步研究.另外，遙感圖的分辨率，成像時的氣候，如云層、陰雨天氣等，也對計算結(jié)果也有一定的影響.

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責任編輯:高 山

Analysis on Enshi Forest Landscape

TONG Yuan1，CHANG Sheng2?
(1.School of Forestry＆Horticulture，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China；2.College of Biological＆Technology，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

This paper based on the area of Enshi，which in the support of the Landsat TM image，with the help of Erdas image and GIS.Using Fragstats 4.2 to calculate indexes that landscape percentage，patch area，diversity index and so on，analyzing Enshi landscape pattern.The results show that there were forest land，non－foresty land，shrubbery forest，afforested forest and non－forest.The distribution of patches and shape were complex and the structure was reasonable.The human distribution had a positive effect on landscape of forest.In total，forest landscape of Enshi area is heterogenous and diverse，and keeping forest landscape′s diversity.

forest landscape；RS；landscape index

S718.55

A

1008－8423(2017)01－0101－06

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.023

2016－11－04.

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(Q20122901)；湖北民族學(xué)院博士科研啟動基金項目(MY2010B011).

童媛(1990－)，女，碩士生，主要從事3S與森林資源監(jiān)測的研究；?

常勝(1979－)，男，博士，副教授，主要從事土地資源評價與管理等的研究.