谷云鵬，董靈波，，劉兆剛，，陳 瑩，王 濤

（東北林業(yè)大學(xué) a. 林學(xué)院；b. 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林景觀是指由幾個(gè)不同的森林群落在某一地理區(qū)域內(nèi)組成的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是一種以森林生態(tài)系統(tǒng)為主體的景觀，其發(fā)展情況直接影響著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。景觀格局是不同景觀要素在地理空間位置上的分布和組成情況，可以反映各景觀要素在空間上的分布特征和不同景觀要素之間的相對(duì)關(guān)系，直接影響著森林景觀的社會(huì)供給、生態(tài)調(diào)節(jié)和保護(hù)生物多樣性等功能[2-3]?？臻g異質(zhì)性作為森林景觀的一個(gè)顯著屬性，是形成景觀格局的主要原因，在不同的時(shí)間和空間尺度上森林景觀異質(zhì)性變化不同[4]。景觀格局的變化受到自然環(huán)境和人類活動(dòng)等因素的共同作用，研究區(qū)域景觀格局的動(dòng)態(tài)變化有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)各驅(qū)動(dòng)因素的作用和不同要素之間的相互關(guān)系，對(duì)森林資源的保護(hù)和可持續(xù)經(jīng)營(yíng)有重要意義[5]。森林景觀格局演變及其驅(qū)動(dòng)力分析是研究區(qū)域自然環(huán)境、預(yù)測(cè)景觀變化以及森林經(jīng)營(yíng)與恢復(fù)效果的基礎(chǔ)，也是林學(xué)和生態(tài)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[6]。當(dāng)前研究?jī)?nèi)容主要包括景觀格局特征和動(dòng)態(tài)演變、驅(qū)動(dòng)因素分析及模型預(yù)測(cè)等方面[7]，研究方法主要包括面積轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)及數(shù)學(xué)模型分析等。在國(guó)際上，歐美各國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了不同尺度上森林景觀格局動(dòng)態(tài)變化的分析，時(shí)間跨度從幾年到幾十年不等[2,8]；在國(guó)內(nèi)，相關(guān)學(xué)者也從景觀格局優(yōu)化、生態(tài)功能評(píng)價(jià)及森林經(jīng)營(yíng)規(guī)劃等方面進(jìn)行了許多研究，有效地促進(jìn)了森林景觀研究的發(fā)展與進(jìn)步[9-10]。然而以跨度相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間多期的調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行的森林景觀格局動(dòng)態(tài)研究并不常見(jiàn)。

帽兒山林場(chǎng)地處黑龍江省東南部，是東北林業(yè)大學(xué)所屬實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，區(qū)域內(nèi)原生地帶性頂級(jí)群落是以紅松為主的闊葉紅松林，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，20 世紀(jì)對(duì)帽兒山地區(qū)進(jìn)行了近百年的過(guò)度采伐，區(qū)域內(nèi)森林資源已經(jīng)退化成典型的天然次生林，森林景觀的結(jié)構(gòu)和功能也發(fā)生了明顯的退化[11]。自1998年以后，帽兒山林場(chǎng)開(kāi)始禁止采伐，積極開(kāi)展人工造林、封山育林等森林經(jīng)營(yíng)措施。隨著生態(tài)文明建設(shè)的提出，森林經(jīng)營(yíng)保護(hù)方案的實(shí)行對(duì)帽兒山林場(chǎng)景觀格局產(chǎn)生了何種影響，受到了國(guó)內(nèi)許多學(xué)者及林業(yè)工作者的關(guān)注[12]。目前，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者針對(duì)帽兒山地區(qū)的森林景觀特征進(jìn)行了研究，但尚缺乏長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)演變及驅(qū)動(dòng)因素研究。因此，定量研究帽兒山林場(chǎng)景觀格局的時(shí)空演變特征，分析影響景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素及其影響大小，有助于評(píng)價(jià)現(xiàn)有經(jīng)營(yíng)保護(hù)方案的實(shí)施效果，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)的對(duì)策，對(duì)于提升帽兒山林場(chǎng)的森林質(zhì)量和景觀恢復(fù)具有積極作用，同時(shí)也可為構(gòu)建合理的森林經(jīng)營(yíng)模式提供理論指導(dǎo)。

本研究選取了1983、1993、2004、2016年4期森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，首先調(diào)查了帽兒山林場(chǎng)森林景觀的構(gòu)成、分布演變，然后研究了森林景觀格局的變化，最后通過(guò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型比較各驅(qū)動(dòng)因素對(duì)森林景觀的影響，希望以此來(lái)揭示森林保護(hù)工作和人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域景觀格局演變的影響機(jī)制，為森林資源的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省哈爾濱市東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場(chǎng)（45°20′～45°25′N，127°30′～127°34′E），總面積26 496 hm2，該區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.0 ℃，年平均降水量為723.8 mm。研究區(qū)屬?gòu)垙V才嶺支脈西部的小嶺余脈，平均海拔381 m，最高峰海拔806 m，屬低山丘陵緩坡地形。區(qū)域內(nèi)主要植被為典型天然次生林，原始的天然地帶性頂級(jí)植被群落闊葉紅松林已經(jīng)消失，主要由處于不同演替階段的成分豐富的天然次生林組成，主要有水曲柳Fraxinus mandshurica、 胡桃楸Junglus mandshurica和黃檗Phellodendron amurense等珍貴闊葉樹(shù)種為主的硬闊葉混交林，白樺Betula platyphalla、山楊Populus davidiana和楓樺Betula costata為主的軟闊葉混交林，以及紅松Pinus koraiensis、落葉松Larix olgensis和樟子松Pinus sylvertrisvar.mongolica為主的針葉林等。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于帽兒山4 期森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)字林相圖，基于該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及《國(guó)家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》，在ArcGIS 軟件平臺(tái)支持下，將研究區(qū)的林地和非林地劃分為有林地、耕地、造林地、疏林地、未利用地、灌木林地、荒地、水域、采伐跡地、牧草地、苗圃地、沼澤地、其他13 種一級(jí)景觀類型；再將起源、森林類型和優(yōu)勢(shì)樹(shù)種作為二級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)，分期進(jìn)行小班數(shù)據(jù)的合并與處理，將有林地景觀進(jìn)一步劃分為軟闊葉混交林、硬闊葉混交林、針葉混交林、針闊葉混交林、柞樹(shù)林、天然白樺林、天然楊樹(shù)林、人工紅松林、人工落葉松林、人工樟子松林10 種二級(jí)景觀類型。為了方便表述景觀的動(dòng)態(tài)變化，稱1983—1993年為第Ⅰ階段，1993—2004年為第Ⅱ階段，2004—2016年為第Ⅲ階段。

2.2 研究方法

2.2.1 空間構(gòu)成及轉(zhuǎn)換

在ArcGIS 中將目標(biāo)區(qū)域相鄰時(shí)段的分析結(jié)果進(jìn)行空間疊加和統(tǒng)計(jì)分析，求出各階段內(nèi)地類景觀的轉(zhuǎn)移面積和方向。

為分析研究區(qū)景觀格局構(gòu)成的變化情況，計(jì)算各類景觀在各階段的變化幅度。變化幅度（Ci）計(jì)算公式如下：

式中：ai是研究末期第i類景觀在總景觀中的面積占比；bi是研究初期第i類景觀在總景觀中的面積占比。

2.2.2 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)高度濃縮了景觀空間格局信息，反映了其組成要素空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以有效評(píng)估優(yōu)勢(shì)景觀類型、景觀破碎程度和景觀多樣性的變化[13-14]。本研究選擇表1 中8 個(gè)指數(shù)作為指標(biāo)，將4 期森林景觀的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成分辨率為30 m的柵格數(shù)據(jù)，在軟件Fragstats4.2 中計(jì)算各個(gè)指數(shù)，對(duì)人工落葉松林、軟闊葉混交林、硬闊葉混交林和柞樹(shù)林4 種主要森林景觀進(jìn)行分析。

2.2.3 結(jié)構(gòu)方程模型

考慮本研究的時(shí)間跨度較長(zhǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人文因子對(duì)景觀格局的影響較大，可以采用定量和定性的綜合方法來(lái)分析景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)因素。以2016年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將小班作為研究單位，選擇的驅(qū)動(dòng)因素有自然因素、距離因素和人為因素3種，自然因素包括海拔、坡度、坡位和坡向，距離因素包括各小班至居民點(diǎn)、道路和河流的最近距離，人為因素是各小班的經(jīng)營(yíng)措施；將各小班經(jīng)營(yíng)期末的森林景觀類型作為響應(yīng)變量[15]。將坡度的平、緩、斜、陡、急和險(xiǎn)分別賦值1 ～6，將坡位的上、中和下分別賦值1、2 和3，坡向按照由東方向順時(shí)針轉(zhuǎn)至東北方向賦值1 ～8，經(jīng)營(yíng)措施按封山育林、撫育、造林、漸伐、皆伐和補(bǔ)植分別賦值1 ～6，森林景觀類型按針闊葉混交林、人工樟子松林、針葉混交林、人工紅松林、天然白樺林、柞樹(shù)林、人工落葉松林、天然楊樹(shù)林、硬闊葉混交林和軟闊葉混交林分別賦值1 ～10。從帽兒山林場(chǎng)管理中心獲得居民點(diǎn)、道路與河流的矢量分布圖，然后在ArcGIS 中將林相圖分別與道路圖、河流圖和居民點(diǎn)分布圖疊加后通過(guò)Spatial Analyst 工具欄中的“距離分析”工具算出3 個(gè)距離變量，各變量詳細(xì)信息見(jiàn)表2。

表2 各變量的基本特征Table 2 Basic characteristics of each variable

結(jié)構(gòu)方程模型是回歸分析的拓展，其生成的路徑圖清楚地表示了各要素之間復(fù)雜的相互關(guān)系，可以充分提取原始數(shù)據(jù)的信息，也有效地克服了變量之間多重共線性的問(wèn)題[16-17]，因此本研究采用結(jié)構(gòu)方程模型來(lái)定量分析自然因素、距離因素及人為因素對(duì)森林景觀的影響。結(jié)構(gòu)方程模型分為測(cè)量模型和結(jié)構(gòu)模型，公式[18]如下：

式中：X、Y分別是外生觀察變量和內(nèi)生觀察變量；ξ、η分別是外生潛變量和內(nèi)生潛變量；ΛX是X在ξ上的因子載荷矩陣；ΛY為Y在η上的因子載荷矩陣；δ、ε是測(cè)量誤差，測(cè)量模型是反映觀察變量和潛變量之間關(guān)系的模型；B是內(nèi)生潛變量之間的作用路徑系數(shù)矩陣；Γ是外生潛變量和內(nèi)生潛變量的影響系數(shù)矩陣；ζ 是隨機(jī)干擾項(xiàng)。

結(jié)構(gòu)方程模型的構(gòu)建步驟可以分為構(gòu)建理論模型、模型假設(shè)、數(shù)據(jù)信度和效度檢驗(yàn)、模型檢驗(yàn)和模型修正5 個(gè)步驟[19-20]。

1）構(gòu)建理論模型

森林景觀演變受到各種因素的綜合作用，合理揭示各種因素對(duì)景觀的影響及其相互作用機(jī)制，可以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。以2016年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借鑒已有的研究成果[6,21]，并根據(jù)研究區(qū)的自然條件和經(jīng)營(yíng)特征，選擇自然因素、距離因素和人為因素作為潛變量，將坡度、坡位和海拔等8 個(gè)因子作為觀察變量，根據(jù)傳導(dǎo)機(jī)制建立森林驅(qū)動(dòng)因素的理論模型（圖1）。

圖1 結(jié)構(gòu)方程理論模型Fig. 1 Structural equation theory models

2）模型假設(shè)

在進(jìn)行模型分析驗(yàn)證之前，根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的研究基礎(chǔ)[22]以及研究區(qū)的景觀特征和經(jīng)營(yíng)方案，提出三個(gè)假設(shè)：自然因素對(duì)森林景觀影響不顯著；距離因素對(duì)森林景觀有負(fù)向影響；人為因素對(duì)森林景觀有正向影響。

3）數(shù)據(jù)信度和效度檢驗(yàn)

使用SPSS 26.0軟件的克朗巴哈系數(shù)（Cronbach’s Alpha，α）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信度檢驗(yàn)，使用KMO（Kaiser-Meyer-Olkin，K）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行效度檢驗(yàn)[19]。

克朗巴哈系數(shù)公式如下：

式中：k為模型中潛變量的個(gè)數(shù)；Si2是第i個(gè)潛變量所含指標(biāo)的方差；Sx2是所有潛變量所含指標(biāo)總和的方差。當(dāng)克朗巴哈系數(shù)＞0.8 時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)信度良好，位于0.5 ～0.8 之間認(rèn)為數(shù)據(jù)信度可接受。

KMO（K）的公式如下：

式中：rij指的是簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)；Pij指的是偏相關(guān)系數(shù)。當(dāng)K＞0.7 時(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)效度合格。

4）模型檢驗(yàn)

做驗(yàn)證性因子分析時(shí)，需要檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的適配度[23]。本研究選取χ2、GFI、AGFI 和絕對(duì)適配度指數(shù)χ2/df、RMSEA 對(duì)模型的適配度進(jìn)行檢驗(yàn)。絕對(duì)適配指數(shù)RMSEA 對(duì)樣本的容量沒(méi)有太高要求，對(duì)參數(shù)較少的模型有很好的適用性，當(dāng)值小于0.05時(shí)認(rèn)為模型適配度良好，χ2/df介于1～3之間時(shí)認(rèn)為模型適配度良好，GFI 和AGFI 大于0.9時(shí)認(rèn)為模型適配度良好。

5）模型修正

對(duì)模型進(jìn)行系數(shù)估計(jì)后，當(dāng)理論模型與數(shù)據(jù)適配度不達(dá)標(biāo)時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行修正。常見(jiàn)的修正方式有增加或刪除模型中的觀察變量、建立潛變量之間的相互關(guān)系、建立觀察變量誤差項(xiàng)之間的相互關(guān)系等。根據(jù)AMOS 輸出結(jié)果提供的M.I.（Modification Indices）指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行修正，將修正后的模型作為新的初始模型，再次進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估，循環(huán)進(jìn)行最終得到一個(gè)合適的模型。

本研究在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)階段分別構(gòu)建模型進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)的信度和效度檢驗(yàn)在SPSS26.0 軟件中完成，模型的構(gòu)建、路徑分析、檢驗(yàn)修正在Amos23.0 軟件中完成，圖表的制作在Origin 軟件中完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 林場(chǎng)景觀現(xiàn)狀

2016年帽兒山林場(chǎng)地類景觀空間分布見(jiàn)圖2（a），帽兒山林場(chǎng)地類以有林地和耕地為主。其中有林地面積為22 953.9 hm2，占總面積的86.77%；耕地面積為2 821.65 hm2，占總面積的10.67%；其余的地類總面積為678.16 hm2，占總面積的2.56%。

圖2 2016年帽兒山地類分布（a）和森林分布（b）Fig. 2 Group distribution (a) and forest distribution (b) in Maoer Mountain in 2016

從圖2（a）可看出，有林地連續(xù)分布于林場(chǎng)全境，耕地主要分布在林場(chǎng)西南方向及道路兩側(cè)，建設(shè)用地分布在林場(chǎng)西南方向及沿道路零散分布，與耕地分布情況相似；其余的地類零散分布在居民點(diǎn)和道路附近。

森林景觀分布見(jiàn)圖2（b）。其中軟闊葉混交林面積最大，占區(qū)域總面積的44.92%，其次是硬闊葉混交林（27.38%）、人工落葉松林（5.48%）、針闊葉混交林（3.01%）、柞樹(shù)林（2.71%），共占區(qū)域總面積的81.44%；其余森林景觀占比都很小，4 期森林景觀面積見(jiàn)表3。

表3 4 期森林景觀面積匯總Table 3 Summary of the forest landscape in phase 4

從圖2（b）可看出，軟闊葉混交林在林場(chǎng)全境均勻分布，但是在東部和北部地區(qū)分布更為聚集，出現(xiàn)了許多大面積斑塊；硬闊葉混交林鑲嵌分布在軟闊葉混交林中，其在中西部地區(qū)分布更為聚集；人工落葉松林主要分布在耕地和道路附近，在北部地區(qū)出現(xiàn)了零星分布的大斑塊；針闊葉混交林以小斑塊分布在中部和南部地區(qū)，并且主要分布在道路兩側(cè)；柞樹(shù)林以小斑塊分布在南部和東部地區(qū)，并且零散地鑲嵌于軟闊葉混交林中；白樺林、楊樹(shù)林和針葉混交林以小斑塊零散分布在林場(chǎng)各處；人工樟子松林和人工紅松林基本都分布在林場(chǎng)南部邊緣地帶。

3.2 景觀變化特征

3.2.1 時(shí)空變化特征

由圖3 可知，相比1983年，2016年有林地面積增加了1 851.6 hm2，增加率為8.77%，第Ⅰ階段有林地面積減少了378.6 hm2，第Ⅱ階段面積增加了1 730.8 hm2，第Ⅲ階段面積增加了499.4 hm2，有林地景觀的面積總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，增加的區(qū)域主要在北部和西部地區(qū)并且主要在道路兩側(cè)或耕地附近，先減少后快速上升反映了復(fù)雜的變化過(guò)程及影響因素。

圖3 4 期地類景觀面積變化Fig. 3 Changing of the landscape area in phase 4

從森林景觀面積（表4）來(lái)看，相比1983年，1993年軟闊葉混交林、硬闊葉混交林、楊樹(shù)林、紅松林、針葉混交林和針闊葉混交林面積減少，減少最多的為軟闊葉混交林（2 101.3 hm2），其次為楊樹(shù)林，減少了1 628.2 hm2；其余森林景觀面積均增加，增加最多的是柞樹(shù)林（1 755.8 hm2）。相比1993年，2004年軟闊葉混交林、柞樹(shù)林、白樺林、針葉混交林和樟子松林面積減少，減少最多的仍是軟闊葉混交林（1 627.6 hm2），其次為白樺林，減少了992 hm2，柞樹(shù)林減少了687.1 hm2；增加最多的是硬闊葉混交林（3 643 hm2），其余增加不明顯。相比2004年，2016年硬闊葉混交林、楊樹(shù)林、落葉松林、柞樹(shù)林、白樺林、紅松林和樟子松林面積減少，減少最多的是柞樹(shù)林（882.65 hm2），其次為硬闊葉混交林，減少了730.03 hm2；增加最多的是軟闊葉混交林，增加了2 545.7 hm2，其余增加不明顯。

表4 3 個(gè)階段森林景觀面積變化及變化幅度Table 4 The variation range of the forest landscape area in phase 4

3.2.2 景觀類型轉(zhuǎn)換

從表5 的地類景觀轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看，近40年間有林地向所有地類景觀都發(fā)生了轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)出最大的是耕地，為495.71 hm2，而除了沼澤地外其余地類景觀都向有林地發(fā)生了轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)入最大的是耕地（1 776.55 hm2），其次為造林地（1 050.46 hm2）、疏林地（779.14 hm2）和未利用地（619.30 hm2），有林地的增加主要來(lái)自這4 種地類。

表5 1983—2016年地類景觀轉(zhuǎn)移矩陣?Table 5 Landscape transfer matrix of the land types from 1983 to 2016 hm2

從表6 可以看出，1993、2004、2016年相比上一期有林地與所有地類都發(fā)生了相互轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移變化主要發(fā)生在有林地與耕地、造林地、疏林地之間。研究期間，耕地、造林地、疏林地、灌木林地、荒地減少明顯，主要轉(zhuǎn)換為有林地。有林地的轉(zhuǎn)出主要轉(zhuǎn)為耕地，說(shuō)明有林地是研究區(qū)土地利用的主要來(lái)源。從森林景觀類型來(lái)看，耕地主要是由軟闊葉混交林、人工落葉松林、硬闊葉混交林轉(zhuǎn)移而來(lái)，耕地的轉(zhuǎn)出方向也以上述3種森林景觀為主。

表6 3 個(gè)階段地類景觀轉(zhuǎn)移矩陣Table 6 Landscape transfer matrix in three periods hm2

3.2.3 景觀格局指數(shù)

1）景觀類型水平上的景觀格局指數(shù)變化

1983—2016年帽兒山林場(chǎng)景觀類型水平上的景觀格局指數(shù)變化見(jiàn)圖4，由最大斑塊指數(shù)看出軟闊葉混交林是帽兒山林場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)景觀類型。軟闊葉混交林和硬闊葉混交林的斑塊數(shù)量和斑塊密度在1983—1993年間減少，在2004—2016年間增加，最大斑塊面積也減少，邊緣密度變化不大，表明在前期兩者破碎度降低，后期因?yàn)槊娣e減少，破碎度升高。人工落葉松林的斑塊數(shù)量和斑塊密度在1993—2004年間增加，在2004—2016年間減少，最大斑塊面積先減少后增加，邊緣密度趨于穩(wěn)定，表明人工落葉松林前期面積減少，破碎度升高，后期面積增加分布趨于聚集。柞樹(shù)林斑塊數(shù)量、斑塊密度和邊緣密度在1983—1993年間增加，1993—2016年間減少，最大斑塊指數(shù)也在此期間減少，表明柞樹(shù)林前期面積和破碎度都升高，后期面積減少，分布更加聚集。

圖4 1983—2016年類型水平上格局指數(shù)變化Fig. 4 Changes of pattern index at the type level from 1983 to 2016

人工紅松林、天然楊樹(shù)林的斑塊數(shù)量和斑塊密度在1983—1993年間減少，在1993—2016年間增加，最大斑塊指數(shù)和邊緣密度逐漸減少，表明兩者破碎度先降低后升高，面積逐漸降低。人工樟子松林、天然白樺林的斑塊數(shù)量和斑塊密度在1983—1993年間增加，在1993—2016年間減少，最大斑塊指數(shù)和邊緣密度先增加后減少，表明兩者破碎度先升高后降低，面積也是先增加后減少。針葉混交林的斑塊數(shù)量、斑塊密度在1983—1993年間減少，在1993—2016年間增加，最大斑塊指數(shù)和邊緣密度先減少后增加，表明其破碎度先降低后升高，面積也是先減少后增加。針闊葉混交林的斑塊數(shù)量、斑塊密度在1983—1993年間減少，在1993—2016年間增加，最大斑塊指數(shù)和邊緣密度逐漸增加，表明其破碎度先降低后升高，面積逐漸升高。

2）景觀水平上的景觀格局指數(shù)變化

1983—2016年帽兒山林場(chǎng)景觀水平上的指數(shù)變化見(jiàn)表7。在1983—2016年間斑塊數(shù)量、斑塊密度和斑塊形狀指數(shù)下降，斑塊結(jié)合指數(shù)升高，表明研究區(qū)斑塊破碎度降低，各斑塊之間的聚合度增加；最大斑塊指數(shù)升高，表明研究區(qū)優(yōu)勢(shì)斑塊面積增加；香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)下降，表明景觀中各斑塊多樣性和均勻度下降，分布趨向聚集。

表7 1983—2016年景觀水平上的格局指數(shù)變化Table 7 Pattern index changes at the landscape level from 1983 to 2016

3.3 驅(qū)動(dòng)因素分析

首先在SPSS 26.0 軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行信度和效度檢驗(yàn)，坡向數(shù)據(jù)不滿足信度檢驗(yàn)，將坡向數(shù)據(jù)剔除后數(shù)據(jù)的克朗巴哈系數(shù)和KMO 值均滿足要求，說(shuō)明數(shù)據(jù)通過(guò)信度和效度檢驗(yàn)，可以用來(lái)構(gòu)建模型。以2016年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用剔除坡向后的觀察變量構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，運(yùn)行Amos23.0 軟件后，χ2/df 為4.315，不符合檢驗(yàn)要求；RMSEA為0.128，大于0.05，不符合檢驗(yàn)要求；GFI 和AGFI 分別為0.768 和0.813，均小于0.9。因此需要對(duì)模型進(jìn)行修正。使用Model Fit 與Modification Indices 對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)與修正，修正后的模型擬合良好。其中χ2=19.955，χ2/df=2.494，介于1 ～3之間，符合模型適配度檢驗(yàn)要求；RMSEA=0.02，其值小于0.05；GFI=0.94，AGFI=0.93，其值均大于0.9。修正后的模型如圖5 所示。

圖5 第Ⅲ階段結(jié)構(gòu)方程模型路徑Fig. 5 The path diagram of Phase Ⅲ structural equation model

通過(guò)圖5 中第Ⅲ階段結(jié)構(gòu)方程模型的路徑系數(shù)可以看出各因素對(duì)森林景觀的影響，自然因素對(duì)森林景觀的直接影響為0.11，間接影響即通過(guò)經(jīng)營(yíng)措施對(duì)森林景觀的影響為-0.000 8，總影響為0.109 2；距離因素的直接影響為0.20，間接影響為0.001 0，總影響為0.201 0；經(jīng)營(yíng)措施無(wú)間接影響，總影響為0.02；自然因素潛變量下的3 個(gè)觀察變量海拔、坡度和坡位的因子負(fù)荷分別為0.17、0.21 和0.26，距離因素潛變量下的3 個(gè)觀察變量的因子負(fù)荷分別為-0.02、0.83 和0.92。第Ⅰ階段和第Ⅱ階段各因素對(duì)森林景觀的影響見(jiàn)表8。

表8 3 個(gè)階段各因素對(duì)森林景觀的影響Table 8 Influences of each factor on forest landscape in three periods

模型的路徑系數(shù)表明，雖然研究區(qū)的海拔、坡度相對(duì)比較穩(wěn)定，但是在Ⅰ階段研究區(qū)的植被處于生長(zhǎng)恢復(fù)階段，所以自然環(huán)境對(duì)森林景觀的生長(zhǎng)分布有較大影響。從直接影響的系數(shù)可以看出，自然因素也會(huì)影響居民點(diǎn)和道路的分布進(jìn)而影響距離因素，不同的自然因素（如海拔）也對(duì)經(jīng)營(yíng)措施有一定影響；后兩階段植被的演替分布逐漸穩(wěn)定，自然因素的影響逐漸降低。距離因素在Ⅰ階段的影響和經(jīng)營(yíng)措施相近，因?yàn)楹恿骶嚯x對(duì)于一些不耐旱樹(shù)種的分布有很大影響，同時(shí)人們的經(jīng)營(yíng)措施會(huì)優(yōu)先在居民點(diǎn)和道路附近，所以距離因素通過(guò)經(jīng)營(yíng)措施對(duì)森林景觀的間接影響較大；后兩階段距離因素的影響降低，但高于自然因素和經(jīng)營(yíng)措施。經(jīng)營(yíng)措施是經(jīng)營(yíng)者對(duì)森林進(jìn)行的經(jīng)營(yíng)選擇，在第Ⅰ階段經(jīng)營(yíng)措施的影響較大，后兩階段影響減弱，一是后兩階段森林的演替分布逐漸穩(wěn)定，同時(shí)隨著近自然經(jīng)營(yíng)理念的提出，人們更加注重森林的自然恢復(fù)，對(duì)森林的干預(yù)逐漸減少，二是對(duì)一些環(huán)境比較復(fù)雜的區(qū)域?qū)嵭蟹馍接值拇胧?，有效地保證森林的自然恢復(fù)和演替。

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié) 論

本研究將4 期森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、林相圖和DEM 數(shù)據(jù)相結(jié)合，采用面積轉(zhuǎn)移矩陣、景觀格局指數(shù)和結(jié)構(gòu)方程模型等方法對(duì)帽兒山林場(chǎng)景觀格局的動(dòng)態(tài)變化及影響因素進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）帽兒山林場(chǎng)有林地面積占林場(chǎng)總面積的86.77%，是研究區(qū)域的基底。有林地中，優(yōu)勢(shì)景觀為軟闊葉混交林。

帽兒山林場(chǎng)的有林地景觀總面積增加了1 851.6 hm2，其中第Ⅰ階段面積減少了378.6 hm2，第Ⅱ階段增加了1 730.8 hm2，第Ⅲ階段增加了499.4 hm2，增加最明顯的是在1993—2004年。在森林景觀上，軟闊葉混交林面積在第Ⅲ階段增加了2 545.70 hm2，在第Ⅰ階段和第Ⅱ階段分別減少了2 101.30 hm2和1 627.60 hm2；硬闊葉混交林面積在第Ⅱ階段增加了3 643.00 hm2，在第Ⅰ階段和第Ⅲ階段分別減少了1 455.90 hm2和730.03 hm2；楊樹(shù)林面積從前期的1 713.5 hm2減少到后期的94.71 hm2；紅松林的面積從前期的347.4 hm2減少到后期的136.98 hm2，針闊葉混交林的面積從前期的28.6 hm2增加到后期的796.74 hm2，其余的森林景觀面積變化不大。

2）有林地主要轉(zhuǎn)出為耕地、苗圃地和其他地類，三者占了有林地面積轉(zhuǎn)移量的86.24%，主要是人類活動(dòng)造成的。1993年有573.93 hm2有林地轉(zhuǎn)為耕地，2004年和2016年分別為490.06 hm2和752.50 hm2，在第Ⅲ階段轉(zhuǎn)移面積最大，主要是人類土地開(kāi)發(fā)利用的結(jié)果。轉(zhuǎn)化為耕地的有林地主要為軟闊葉混交林、硬闊葉混交林和人工落葉松林；轉(zhuǎn)化為其他地類的有林地主要為軟闊葉混交林。有林地作為研究區(qū)景觀的基底，也是區(qū)域內(nèi)土地開(kāi)發(fā)利用的主要來(lái)源，經(jīng)營(yíng)人員需要注意對(duì)有林地的開(kāi)發(fā)和保護(hù)。

3）林場(chǎng)內(nèi)景觀格局的總體變化特征是斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊形狀指數(shù)、香農(nóng)多向性指數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)下降，最大斑塊指數(shù)和斑塊結(jié)合指數(shù)增大，表明林場(chǎng)景觀破碎度降低、整體性升高并且在空間分布上更加聚集，同時(shí)景觀中斑塊的均勻度和多樣性降低。

4）自然因素和經(jīng)營(yíng)措施在Ⅰ階段對(duì)森林景觀的影響最大，Ⅱ階段和Ⅲ階段影響逐漸降低；距離因素在三個(gè)階段對(duì)森林景觀的影響穩(wěn)定且顯著。

4.2 討 論

地類景觀中有林地面積逐漸增加，耕地面積逐漸減少，疏林地、造林地和未利用地的面積都從1983年的近千公頃減少到2016年的不足一百公頃，三者主要轉(zhuǎn)為有林地。劉兆剛等[24]對(duì)帽兒山森林資源的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，也得出了相同的結(jié)論。在森林景觀上，軟闊葉混交林面積逐漸減少，硬闊葉混交林和柞樹(shù)林的面積先增加后減少，人工落葉松林面積逐漸增加，這是因?yàn)?983—2016年間林場(chǎng)加大了人工造林的力度，提高了人工林景觀的比例，降低了天然林景觀的比例。孫云霞等[12]對(duì)帽兒山森林景觀格局進(jìn)行研究，也得出了人工林景觀比例升高，天然林景觀比例下降的結(jié)論。景觀格局指數(shù)的變化表明林場(chǎng)景觀的破碎度降低，分布更加聚集。李鑫等[21,25]的研究發(fā)現(xiàn)人類活動(dòng)在促進(jìn)森林恢復(fù)的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致更高程度的碎片化和形狀復(fù)雜性，出現(xiàn)不同結(jié)果的原因可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)以自然演替為主，輔以人工撫育，所以更好地改善了景觀格局，降低了破碎度。張蕾等[26]對(duì)涼水自然保護(hù)區(qū)森林景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，也得出了相同的結(jié)論；此外景觀斑塊多樣性和均勻度降低，可以借鑒舒蘭等人[27]對(duì)帽兒山天然次生林更新恢復(fù)的研究，在今后的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中人工補(bǔ)植針葉樹(shù)種，營(yíng)造針闊混交林，提升其多樣性。

從森林景觀時(shí)空分布變化可以看出，帽兒山林場(chǎng)的原始頂級(jí)群落是闊葉紅松林，經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)的過(guò)度采伐首先形成了灌草群落，隨后白樺和山楊等先鋒樹(shù)種率先生長(zhǎng)，改善了林內(nèi)水分、光照環(huán)境，后續(xù)耐陰的楓樺和色木槭等闊葉樹(shù)種開(kāi)始出現(xiàn)形成天然次生林，經(jīng)過(guò)幾十年的撫育經(jīng)營(yíng)，現(xiàn)在演替為不同樹(shù)種組成的軟闊混交林和硬闊混交林等中期階段序列，周超凡等人[28]對(duì)東北地區(qū)天然次生林的演替規(guī)律進(jìn)行研究，也得出了相同的結(jié)論。在有紅松種源的情況下，紅松會(huì)逐漸占據(jù)主林層，與其他闊葉樹(shù)種形成闊葉紅松林。帽兒山林場(chǎng)紅松天然更新種源不足，可以借鑒王濤等人[29]對(duì)大興安嶺地區(qū)森林恢復(fù)的研究，通過(guò)補(bǔ)植作為天然更新的補(bǔ)充，更加合理地控制補(bǔ)植的位置和密度，同時(shí)可以采伐上層樹(shù)種以促進(jìn)紅松幼苗的生長(zhǎng)[30]，促進(jìn)森林演替進(jìn)入下一階段。

在第Ⅰ階段中自然因素對(duì)森林景觀的影響最大，Ⅱ、Ⅲ階段影響減弱，主要是自然環(huán)境在植被恢復(fù)的前期影響較大[31]。距離因素在三個(gè)階段中都有顯著影響：一是因?yàn)楹恿骶嚯x對(duì)植被生長(zhǎng)分布有直接的影響；二是道路距離和居民點(diǎn)距離通過(guò)經(jīng)營(yíng)措施對(duì)植被分布的間接效應(yīng)也很明顯；三是種源作為造林規(guī)劃的重要內(nèi)容，顯著影響樹(shù)木更新情況[32]。當(dāng)林場(chǎng)內(nèi)針葉樹(shù)種天然更新的種源不足時(shí)，人工補(bǔ)植是種源的有效補(bǔ)充，而人工補(bǔ)植優(yōu)先從交通便利的地方開(kāi)始。隨著交通距離的增加，種源補(bǔ)充困難會(huì)對(duì)植被恢復(fù)產(chǎn)生負(fù)面影響。Wang 等[31]對(duì)帽兒山天然樹(shù)種恢復(fù)的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行研究，也得出了相同的結(jié)論。經(jīng)營(yíng)措施的路徑系數(shù)在第Ⅰ階段比Ⅱ、Ⅲ階段更大，說(shuō)明經(jīng)營(yíng)措施在第Ⅰ階段對(duì)森林景觀的影響比Ⅱ、Ⅲ階段顯著，主要是因?yàn)楹髢呻A段隨著經(jīng)營(yíng)理念向近自然經(jīng)營(yíng)的轉(zhuǎn)變，人為干擾逐漸減弱，森林以自然恢復(fù)為主，不過(guò)從調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)看經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)森林面積的增加有積極的作用，Zhao 等[22]對(duì)四川省森林景觀動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究，也得出了森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)森林面積產(chǎn)生正向效應(yīng)的結(jié)論。

因?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，20 世紀(jì)東北地區(qū)森林經(jīng)歷了多次高強(qiáng)度的采伐，森林景觀格局也發(fā)生了劇烈的變化[33]。因?yàn)檠芯砍叨炔煌?，本研究主要關(guān)注森林景觀面積和分布的變化，森林的結(jié)構(gòu)和功能、生態(tài)服務(wù)等內(nèi)容也是森林景觀進(jìn)一步研究的方向[34]，本文未作研究。隨著近年氣候的變化，極端天氣頻繁，考慮自然干擾的作用機(jī)理，分析森林對(duì)外界干擾的響應(yīng)機(jī)制，探索更加積極科學(xué)的適應(yīng)性措施[35-36]，也是下一步需要解決的問(wèn)題。