董淑龍,馬姜明**,辛文杰,丁蘇雅,黎 露

(1.珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點實驗室(廣西師范大學(xué)),廣西桂林 541006;2.廣西漓江流域景觀資源保育與可持續(xù)利用重點實驗室(廣西師范大學(xué)),廣西桂林 541006;3.廣西師范大學(xué)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新研究院,廣西桂林 541006)

森林在陸地生態(tài)系統(tǒng)中占主體地位,對改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)全球碳平衡[1]、保護(hù)生物多樣性[2]和保持水土等具有重要作用[3]。森林景觀格局變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)[4]。1990年以來,全球森林面積持續(xù)減少,1990-2020年全世界森林面積已損失1.78億公頃[5]。為了維持可持續(xù)的環(huán)境,森林的再生和再造已成為全球的共同任務(wù)[6]。聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)15(SDG-15)旨在保護(hù)、恢復(fù)和促進(jìn)可持續(xù)利用陸地生態(tài)系統(tǒng),并將森林監(jiān)測和森林資源的可持續(xù)管理作為首要事項。歐洲在19世紀(jì)已有較為顯著的森林景觀恢復(fù)成果[7]。近年來,一些國家相繼重視森林景觀的保護(hù)和恢復(fù),如簽訂《紐約森林宣言》,承諾到2030年將新增森林面積3.5億公頃[8]。2017年,首次以聯(lián)合國名義制定的全球森林發(fā)展戰(zhàn)略——《聯(lián)合國森林戰(zhàn)略規(guī)劃(2017-2030年)》彰顯了國際社會對林業(yè)的高度重視。森林景觀恢復(fù)是該規(guī)劃戰(zhàn)略目標(biāo)的專題之一,明確了實現(xiàn)全球森林目標(biāo)的監(jiān)測、評估和報告體系,對于我國森林景觀的評估和恢復(fù)有重要導(dǎo)向作用[9]。《“十四五”林業(yè)草原保護(hù)發(fā)展規(guī)劃綱要》提出全面推進(jìn)林業(yè)草原國家公園“三位一體”融合發(fā)展及構(gòu)建以國家公園為主體的自然保護(hù)地體系等重點任務(wù),重點開展提高森林質(zhì)量及加強(qiáng)資源保護(hù)等工作,提出到2025年我國森林覆蓋率將提升到24.1%的約束性指標(biāo)?！度珖匾鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021-2035年)》提出2035年我國森林覆蓋率達(dá)到26%的目標(biāo)。為保護(hù)綠水青山,我國實行了退耕還林還草政策。20世紀(jì)90年代以來,我國森林面積及森林蓄積量持續(xù)增長[9]。

森林景觀的空間分布特征具有動態(tài)性和復(fù)雜性等特點,衛(wèi)星遙感和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推進(jìn)了多源高分?jǐn)?shù)據(jù)在林業(yè)信息調(diào)查和動態(tài)監(jiān)測方面的應(yīng)用[10],3S技術(shù)為森林景觀管理與決策、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測等研究提供了有力的探測手段[11]。如何快速準(zhǔn)確地獲取地區(qū)森林面積及分布是森林保護(hù)得到有效開展的前提。隨著衛(wèi)星和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,30 m分辨率的FROM_GLC30[12]、GlobeLand30[13]、Global 2010 Tree Cover[14]等,25 m分辨率的PALSAR F/NF[15],10 m分辨率的FROM_GLC10[16]和ESA_World Cover 10 m[17]等高精度土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品能夠滿足用戶對空間精度的需求[18],然而這些數(shù)據(jù)產(chǎn)品存在森林二級分類較為籠統(tǒng)或數(shù)據(jù)年份跨度過短等問題。中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院發(fā)布的全球30 m精細(xì)地表覆蓋產(chǎn)品(GLC_FCS30)能夠區(qū)分森林二級分類[19],使對不同森林類型的統(tǒng)計與分析成為可能。

國外森林景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展帶動了森林景觀格局相關(guān)研究廣泛而迅速的發(fā)展,包括對森林景觀格局的空間結(jié)構(gòu)功能和質(zhì)量[20]、森林破碎化及景觀調(diào)控[21]、森林景觀時空變化[22]等相關(guān)研究。Forman[23]以美國新澤西州海平原松林荒原為研究區(qū)域,對此地區(qū)進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的森林景觀的特征、格局以及景觀組成的分析,在景觀管理與規(guī)劃方面得出重要的經(jīng)驗理論,在森林景觀生態(tài)研究中具有開創(chuàng)性意義;Dickinson等[24]使用新的遙感技術(shù)比較了美國賓夕法尼亞州不同機(jī)構(gòu)管理下的森林景觀格局和結(jié)構(gòu)模式,表明森林結(jié)構(gòu)模式的變化可能對野生動物棲息地和其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生影響;Palmero-Iniesta等[20]通過考慮森林原始景觀組成、地理位置和海拔,探討歐洲森林覆蓋率增加與景觀空間格局變化的關(guān)系,結(jié)果表明綠色景觀的變化不能完全歸因于森林的增加,還可歸因于整個海拔和地理梯度的景觀組成和位置。國外的森林景觀生態(tài)研究成果是國內(nèi)學(xué)者在森林景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域?qū)W習(xí)和交流的主要來源,郭晉平等[25]較早運(yùn)用GIS技術(shù)測度景觀要素空間關(guān)聯(lián)指數(shù),對關(guān)帝山林區(qū)森林景觀動態(tài)進(jìn)行模擬和預(yù)測,同時首次對森林景觀生態(tài)進(jìn)行了比較全面、系統(tǒng)和深入的研究,郭晉平的研究成果《森林景觀生態(tài)研究》是我國森林景觀生態(tài)研究領(lǐng)域的第一部專著。在國外景觀生態(tài)學(xué)理論引入我國之后,我國森林景觀格局研究領(lǐng)域取得了逐漸深入而顯著的研究成果,充實了景觀生態(tài)學(xué)的理論和方論體系[26]。

對森林景觀格局進(jìn)行定量化研究的主要方法包括景觀格局趨勢性分析、景觀格局空間特征分析及景觀格局空間相關(guān)性分析等方面。其中,在景觀格局空間特征分析方面,景觀指數(shù)法應(yīng)用最為廣泛,本研究選擇Fragstats定量對森林景觀的空間特征進(jìn)行計算和描述,將景觀的空間特征與時間過程聯(lián)系起來揭示景觀格局變化的內(nèi)在規(guī)律和特征[27]。漓江流域中下游是中國喀斯特地貌的典型區(qū)域[28],特有的地位和脆弱的生態(tài)環(huán)境決定其需要長期重視和保護(hù)[29]。處于西南地區(qū)的漓江流域森林在20世紀(jì)末遭到過度砍伐[30],近年來隨著桂林市城市化發(fā)展和漓江旅游的深度開發(fā)不斷推進(jìn),漓江流域的森林景觀格局發(fā)生了變化[31],旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受到了威脅。隨著我國社會進(jìn)一步發(fā)展和政府對生態(tài)環(huán)境重視度的不斷提升,森林景觀資源的監(jiān)測和開發(fā)利用在發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)中凸顯價值。漓江流域是國家重點生態(tài)功能區(qū),在景觀資源保育與可持續(xù)利用的發(fā)展背景下,其森林景觀格局的時空分布特征值得探討。目前對生態(tài)環(huán)境脆弱、景觀資源突出的喀斯特地貌流域的森林景觀格局變化特征研究較少,為彌補(bǔ)當(dāng)下研究存在的不足,本研究采用定性與定量相結(jié)合的方式,分析漓江流域森林景觀格局時空變化特征及驅(qū)動因素,旨在為漓江流域森林景觀保育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漓江是珠江水系西江支流桂江上游河段的通稱,發(fā)源于桂林市興安縣貓兒山,自北向南流經(jīng)興安縣、靈川縣、桂林市區(qū)、陽朔縣和平樂縣,漓江干流全長214 km。漓江流域位于廣西東北部桂林市境內(nèi),地理位置為109°45′-110°40′E,24°18′-25°41′N,漓江流域面積約636 532 hm2,呈南北向狹長帶狀分布,以漓江為中軸線,整體地勢北高南低,北部為中低山地貌,南部為低山、丘陵和喀斯特地貌,中部為喀斯特谷地,發(fā)育有喀斯特侵蝕平原、峰叢洼地和峰林平原等地貌類型,是一個較完整的水文地質(zhì)單元。漓江流域具有世界上發(fā)育最完美、最典型的亞熱帶峰林地貌景觀,其喀斯特地貌景觀美學(xué)價值高且具有不可替代性[32]。漓江流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),降雨空間分布特征為由北向南遞減[33],流域范圍內(nèi)有廣西貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)、花坪國家級自然保護(hù)區(qū)、桂林國家級森林公園以及漓江國家重點風(fēng)景名勝區(qū)(世界自然遺產(chǎn)地)等各類自然保護(hù)地12處[32]。1978年,漓江被列為國家重點保護(hù)的13條江河之一;1982年國務(wù)院將漓江流域列入“首批國家重點風(fēng)景名勝區(qū)”之一,漓江流域旅游得到了迅速開發(fā);1985年,漓江被評為“中國十大風(fēng)景名勝”之一;1991年,在“中國旅游勝地四十佳”評選活動中,“漓江風(fēng)光”被評為以自然景觀為主的旅游勝地第二名;2013年,漓江被美國有線電視新聞網(wǎng)(Cable News Network,CNN)評為15條最值得一去的全球最美河流,是中國唯一入選的河流[34]。2014年,流域內(nèi)7萬公頃喀斯特地貌被列入世界自然遺產(chǎn)地名錄,是典型的生態(tài)重點保護(hù)區(qū)域。漓江流域以巖溶山地與平原、谷地地形地貌為主,分布眾多奇山異洞、江河湖庫、溫泉瀑布等自然風(fēng)景,旅游資源得天獨厚。同時,桂林市是首批國家歷史文化名城,流域內(nèi)保存著不同時期的舊址古跡、名人故居、民俗村落,與秀美山水景觀相得益彰[35]。漓江流域是《全國重要生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)重大工程總體規(guī)劃(2021-2035年)》提出的“三區(qū)四帶”中“南方丘陵山地帶”的重要組成部分,流域內(nèi)森林資源豐富,生物多樣性突出,作為珠江水系的重要水源涵養(yǎng)地,其生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)不僅直接影響漓江下游的大部分區(qū)域,而且關(guān)系到珠江下游珠三角地區(qū)乃至粵港澳大灣區(qū)的用水安全。

森林植被是漓江流域生態(tài)系統(tǒng)的主體,“山青、水秀、洞奇、石美”的喀斯特山水風(fēng)光是流域的特色景觀,流域景觀以森林景觀為依托和本底,森林景觀要素對“山青、水秀”產(chǎn)生作用。漓江流域森林景觀區(qū)域主要分為流域上游的水源林景觀和中下游漓江兩岸的青山。森林景觀是保護(hù)漓江流域環(huán)境的屏障,漓江流域森林景觀結(jié)構(gòu)在地貌、氣候和人為活動影響下,形成中山天然林景觀區(qū)、低山丘陵森林景觀區(qū)、漓江沿岸風(fēng)景林景觀區(qū)和谷地平原森林景觀區(qū)4個南北差異明顯的森林景觀區(qū)。漓江流域植被具有明顯的垂直地帶性,常綠闊葉林為地帶性植被,主要位于流域源頭和山地,海拔400 m以下有馬尾松(Pinusmassoniana)天然林,濕地松(P.elliottii)、杉木(Cunninghamialanceolata)和毛竹(Phyllostachysedulis)人工林等,油桐(Vemiciafordii)、油茶(Camelliaoleifera)、銀杏(Ginkgobiloba)和柑橘(Citrusreticulata)等經(jīng)濟(jì)果木林及聚居地風(fēng)景林,海拔400-800 m多為馬尾松、杉木和常綠闊葉林,海拔800-1 400 m為山地常綠闊葉林,海拔1 800 m以上為山地矮林和山地草甸[36]。在桂林市全力打造世界級旅游城市,努力創(chuàng)造宜業(yè)、宜居、宜樂、宜游良好環(huán)境的同時,研究漓江流域森林景觀格局在自然環(huán)境和人為活動影響下的變化驅(qū)動因素,因地制宜提出森林保育與發(fā)展策略,對廣西乃至中國南方喀斯特以及其他同類地區(qū)的森林景觀資源監(jiān)測和保護(hù)具有廣闊的推廣前景。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用數(shù)據(jù)的名稱與來源見表1。GLC_FCS30地表覆蓋數(shù)據(jù)從1985年至2020年每5年一期,是結(jié)合時序Landsat地表反射率數(shù)據(jù)、Sentinel-1SAR數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)地形高程數(shù)據(jù)、全球?qū)ｎ}輔助數(shù)據(jù)集以及先驗知識數(shù)據(jù)集生產(chǎn)而得的使用精細(xì)分類系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,具有較高的分類精確度[19]。本研究采用1985年、2000年和2020年3期GLC_FCS30地表覆蓋數(shù)據(jù),輔以CLCD(1990-2020年)和Globe Land 30(2000-2020年)作為同期或鄰期數(shù)據(jù)對比驗證。DEM數(shù)據(jù)由Terra衛(wèi)星上的ASTER傳感器生成,具有30 m高分辨率。通過ArcGIS 10.7將所有柵格和要素圖層的投影坐標(biāo)設(shè)為WGS_1984_UTM_ZONE_49N。柵格的空間分辨率統(tǒng)一為30 m。采用ArcGIS對柵格和要素進(jìn)行裁剪、提取和重分類等處理,使用距離分析、核密度分析等空間分析功能,結(jié)合區(qū)域制表功能將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel并進(jìn)行統(tǒng)計與制圖。流域是宏觀尺度下的主要研究對象之一,是綜合性的自然地理單元[37],基于DEM數(shù)據(jù)使用ArcSWAT對漓江流域水系進(jìn)行提取,選取匯流閾值為2 000[38],結(jié)合研究區(qū)水系和地形概況,經(jīng)不斷實驗調(diào)整得到漓江流域矢量范圍,如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)名稱與來源

圖1 漓江流域地理區(qū)位[39,40]

1.2.2 森林景觀分類

依據(jù)研究目的和數(shù)據(jù)分類系統(tǒng)進(jìn)行景觀分類系統(tǒng)的劃分。近年來關(guān)于多源土地覆被分類體系歸一化的研究得到了國際社會的高度重視,促進(jìn)了針對土地分類問題的國際計劃的實施。其中聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織開發(fā)的土地覆蓋分類體系(Land Cover Classification System,LCCS)在全球森林與土地覆被動態(tài)監(jiān)測計劃中作為標(biāo)準(zhǔn)分類體系[41]。LCCS一級分類包含16種一級土地覆蓋類型[42],與GLC_FCS30數(shù)據(jù)30種精細(xì)土地覆蓋類型的分類系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)?；诟采w研究區(qū)的GLC_FCS30的1985年、2000年和2020年3期數(shù)據(jù),使用LCCS覆蓋分類系統(tǒng),覆蓋研究區(qū)的森林景觀類型有常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠針葉林和灌木林4個類型,草地僅在2000年出現(xiàn)且面積占比在0.5%以下,且草地易與灌木景觀類型混合,相對于本研究3期數(shù)據(jù)的分析不足以具有統(tǒng)計意義,因此將草地與灌木林合并為灌木林。研究區(qū)的非森林景觀類型有旱地、灌溉農(nóng)田(農(nóng)田)、不透水表面和水體4種類型,組成以森林景觀為主要研究對象的景觀分類系統(tǒng)。

1.2.3 轉(zhuǎn)移矩陣與時空演變模型

森林與其他景觀類型的轉(zhuǎn)換揭示了人類活動和自然因素對森林的影響程度及帶來的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。為了進(jìn)一步了解漓江流域森林景觀面積的時空變化,選用轉(zhuǎn)移矩陣模型定量分析1985-2000年、2000-2020年各森林景觀類型之間及森林景觀與其他景觀類型轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)移特征[43]。轉(zhuǎn)移矩陣模型來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[43],轉(zhuǎn)移矩陣含有研究時段初期和末期各森林類型面積之間相互轉(zhuǎn)化的信息,轉(zhuǎn)移矩陣的通用公式如下:

(1)

式中,i、j分別表示研究初期與末期的森林類型,Sij代表森林類型由i級轉(zhuǎn)為j級的面積,i=j為研究時段的i森林類型面積保持不變的部分,i≠j為研究時段i森林類型覆蓋面積發(fā)生轉(zhuǎn)移的部分,n代表森林類型數(shù)目。

森林覆蓋面積的變化反映了森林景觀格局的擴(kuò)張與縮減趨勢,森林覆蓋面積與其他土地覆蓋面積變化的綜合統(tǒng)計可以反映不同景觀類型此起彼伏的消長關(guān)系。通過ArcGIS數(shù)據(jù)疊加分析,計算不同景觀類型不同時期的覆蓋面積變化。土地覆蓋變化度計算采用公式(2):

Tc=T2-T1,

(2)

式中,Tc是一定時期土地覆蓋變化柵格計算結(jié)果,表示土地覆蓋面積變化的大小,T1表示變化期初始年土地類型覆蓋面積,T2表示變化期末年土地類型覆蓋面積[43]。

反映各景觀類型在一定研究期間內(nèi)的相對變化速率可利用土地利用動態(tài)度指標(biāo)[44],本研究采用一定時期內(nèi)森林類型變化的面積與初始年份的占比作為相對變化速率。根據(jù)單一土地利用動態(tài)度[45]和景觀類型的年變化率[46]的計算方法,單一森林動態(tài)度指標(biāo)計算采用公式(3):

(3)

式中,K為單一森林動態(tài)度,Qi、Qi+1分別是第i和i+1時期區(qū)域森林類型的面積,T表示研究時段的長度(a),K反映出一段時期內(nèi)各森林類型的年際變化速度。

1.2.4 景觀指數(shù)選取與計算

景觀指數(shù)是量化景觀結(jié)構(gòu)組成及其空間位置特征的實用性指標(biāo)[47]。本研究采用Fragstats軟件[48]從斑塊類型尺度和景觀尺度對森林景觀格局進(jìn)行分析。在斑塊特征分析方面,選擇最大斑塊指數(shù)(LPI)和斑塊聚合度(AI)綜合反映各景觀斑塊的連通性,周長面積分維數(shù)(PAFRAC)和形狀指數(shù)(LSI)用于揭示斑塊形狀的復(fù)雜程度;在異質(zhì)性水平分析方面,選擇斑塊密度(PD)和聚集度指數(shù)(COHESION)反映各景觀斑塊水平的異質(zhì)性;蔓延度指數(shù)(CONTAG)、散布與并列指數(shù)(IJI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)在景觀水平衡量整個景觀的多樣性與異質(zhì)性水平[49]。景觀指數(shù)公式及含義詳見參考文獻(xiàn)[48,50]。

1.2.5 驅(qū)動因素分析方法

將1985-2020年森林景觀變化空間數(shù)據(jù)與DEM、地貌數(shù)據(jù)在GIS空間分析功能的支持下,研究以海拔、坡度、坡向和地貌為主的自然環(huán)境驅(qū)動因素對森林面積變化的影響。人文活動驅(qū)動因素上基于居民點和道路矢量數(shù)據(jù),使用ArcGIS的Spatial Analyst模塊下的歐式距離計算居民點和道路與森林變化區(qū)域的單位空間距離內(nèi)的森林面積變化[51],由于漓江流域涵蓋的區(qū)域并不是完整的區(qū)縣,而是以分水嶺為界線形成的盆域,按照前人結(jié)合各省市地區(qū)在流域面積比例統(tǒng)計流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的方法[37],統(tǒng)計漓江流域覆蓋的各區(qū)縣經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的計算公式如下:

(4)

式中,Ek為各區(qū)縣經(jīng)濟(jì)在年份k的經(jīng)濟(jì)總收入,Si指區(qū)縣i在漓江流域的面積,Wi指區(qū)縣i的行政面積,Rik指區(qū)縣i在年份k的收入。

基于漓江流域森林景觀的分類,使用時空演替模型、土地利用轉(zhuǎn)移矩陣及景觀指數(shù),明確森林景觀的空間分布、覆蓋變化及時空變化特征,從自然環(huán)境因子和人文活動因素兩個方面探討森林景觀格局變化的驅(qū)動因素,本研究技術(shù)路線如圖2。

圖2 漓江流域森林景觀格局時空變化特征及驅(qū)動因素研究路線

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀分布特征及森林景觀覆蓋變化

在對GLC_FCS30數(shù)據(jù)進(jìn)行景觀類型重分類處理的基礎(chǔ)上生成1985年、2000年和2020年3期漓江流域森林景觀分布圖(圖3)。森林景觀一直為漓江流域的主導(dǎo)景觀類型,主要分布在流域的北部越城嶺貓兒山及越城嶺與東部都龐嶺之間的海洋山等。由圖3可得出,1985年森林總面積417 928.86 hm2,森林覆蓋率65.66%;2000年森林總面積386 762.11 hm2,森林覆蓋率60.76%;2020年森林總面積382 268.44 hm2,森林覆蓋率60.05%。1985-2000年森林面積減少31 166.75 hm2,2000-2020年減少4 493.67 hm2。常綠闊葉林分布最為廣泛,落葉闊葉林大面積分布在興安縣和靈川縣的東部區(qū)域。針葉林主要分布在漓江流域的北部、桂林城區(qū)以北和以東的山區(qū)地帶。灌木林廣泛分布于漓江流域中下游的喀斯特地區(qū),石山灌木景觀顯著。

基于1985年、2000年和2020年3期森林景觀分布矢量數(shù)據(jù)對常綠闊葉林、落葉闊葉林、針葉林和灌木林的景觀類型轉(zhuǎn)移面積進(jìn)行統(tǒng)計。轉(zhuǎn)移矩陣代表初始年份對應(yīng)列的景觀要素向結(jié)束年份對應(yīng)列的景觀要素的轉(zhuǎn)變,見表2和表3。如圖4,1985-2020年期間,常綠闊葉林面積持續(xù)減少,落葉闊葉林面積持續(xù)增加,針葉林面積先在1985-2000年期間增加,后在2000-2020年期間減少,灌木林面積在1985-2020年期間增加,35年期間其他景觀類型轉(zhuǎn)變?yōu)樯州^少,其中農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯置娣e最大,1985-2000年和2000-2020年期間分別為4 170.3 hm2和1 863.89 hm2;森林轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌坝^類型面積相對更大,其中森林轉(zhuǎn)為旱地面積最大,1985-2000年和2000-2020年期間分別為46 195.38 hm2和1 214.1 hm2?？傮w上1985-2000年相對2000-2020年森林面積變化大,森林面積呈現(xiàn)較快減少到緩慢減少的趨勢,森林景觀以轉(zhuǎn)變?yōu)楹档睾筒煌杆砻鏋橹?。從林地向不透水表面的轉(zhuǎn)換可見,1985-2000年有343.32 hm2林地用于城鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點及交通道路等不透水表面的建設(shè),而2000-2020年建設(shè)面積更大(1 176.07 hm2),這一時期漓江流域居民對于林地的利用強(qiáng)度較大,且森林景觀面積減少的幅度相對1985-2000年更小。

圖3 漓江流域森林景觀分布

表2 1985-2000年漓江流域森林景觀類型變化轉(zhuǎn)移矩陣

2.2 森林景觀格局時空變化特征

根據(jù)公式(3)統(tǒng)計漓江流域各森林景觀類型面積的動態(tài)度K(圖5)。由圖5可知,1985-2000年期間,落葉闊葉林的動態(tài)度K最大,為11.78%,在統(tǒng)計的初始年份1985年面積基數(shù)較小,且落葉闊葉林在各森林類型面積中占比較小,15年來平均每年面積增長10%以上;針葉林動態(tài)度K為3.22%,面積略微增大;灌木林動態(tài)度K為9.72%,面積增大較為明顯;常綠闊葉林動態(tài)度K為-1.8%,呈現(xiàn)面積減少的趨勢。2000-2020年期間,落葉闊葉林動態(tài)度K為0.31%;灌木林動態(tài)度K為0.89%,呈現(xiàn)面積輕微變大的趨勢;常綠闊葉林和針葉林動態(tài)度K分別為-0.11%和-0.27%,呈現(xiàn)面積輕微減少的趨勢。

表3 2000-2020年漓江流域森林景觀類型變化轉(zhuǎn)移矩陣

圖4 漓江流域不同景觀面積統(tǒng)計

圖5 1985-2020年漓江流域森林景觀類型面積動態(tài)度

為使森林景觀與其他景觀的轉(zhuǎn)變空間可視化,基于森林景觀與其他景觀類型變化疊加分析得到的矢量數(shù)據(jù),在ArcGIS使用要素轉(zhuǎn)點功能進(jìn)行核密度分析。通過森林景觀時空變化核密度圖(圖6)可知,1985-2000年期間漓江流域森林面積減少的區(qū)域最為突出,森林景觀增加的面積小于減少的面積,集中體現(xiàn)在興安縣的平原和山谷地帶、靈川縣的西北部至臨桂區(qū)域及陽朔的中部地區(qū);在此期間桂林市區(qū)、靈川縣西部也有較為明顯的森林面積增多的趨勢。2000-2020年森林景觀面積減少的程度明顯變小,主要集中在漓江流域西部的臨桂區(qū)和南部的陽朔中部以及靈川縣城地帶,而興安縣的山谷地帶、靈川縣西部及陽朔縣西部的架橋嶺等區(qū)域的森林面積有所擴(kuò)大。森林面積發(fā)生縮減的地區(qū)也有森林面積增加的現(xiàn)象,此類地區(qū)林木采伐與更新種植較為頻繁。

圖6 森林景觀時空變化核密度圖

研究森林景觀空間區(qū)位分布特征選取海拔、坡度和坡向3個地形因子并進(jìn)行分級[52],將北坡、東北坡、西北坡、西坡統(tǒng)稱為陰坡,南坡、西南坡、東坡、東南坡統(tǒng)稱為陽坡[53],通過疊置分析統(tǒng)計不同空間因素對應(yīng)的森林面積[54],可見漓江流域森林景觀分布的地形因子差異性顯著(圖7)。漓江流域針葉林在海拔200 m以上中坡度(10°-40°)地區(qū)面積占比最大;灌木林由于株高較低,對采光有較高的要求,多見于東南坡,且多見于海拔較低(200-400 m)處;落葉闊葉林多見于中高海拔(400-2 000 m)地區(qū)及坡度中等(10°-40°)地區(qū),落葉闊葉林多見于非喀斯特的高山地區(qū),是垂直植被帶的重要類型;常綠闊葉林在漓江流域各地形因子等級中均具有所有森林類型的最大面積占比,在海拔較低(200-600 m)、坡度較緩(10°-30°)及坡向偏南的地區(qū)面積分布相對更大。

圖7 漓江流域森林景觀在不同海拔、坡度和坡向分布

景觀異質(zhì)性反映要素的構(gòu)成在時空上的變化和復(fù)雜程度[47]。為衡量森林景觀異質(zhì)性的時空變化特征,對1985、2000及2020年4種森林景觀類型和整體景觀進(jìn)行景觀指數(shù)計算。如圖8,在斑塊水平上,1985-2020年期間,4種類型的森林PAFRAC呈現(xiàn)平穩(wěn)變化的趨勢,PAFRAC能夠反映空間尺度范圍內(nèi)的形狀復(fù)雜性,人類活動對景觀的干擾越大,景觀越趨于規(guī)則,分維數(shù)越小,漓江流域各森林景觀類型PAFRAC保持在1.6左右,說明森林各景觀類型的受外界干擾的程度不大。PD反映景觀的空間異質(zhì)性和破碎度,LSI表征景觀形狀規(guī)則狀況和復(fù)雜程度,漓江流域各森林景觀類型PD、LSI呈現(xiàn)先增大后小幅減小的趨勢,反映了森林景觀的破碎化先增大后輕微減小的趨勢。LPI反映了最大斑塊面積占比情況,常綠闊葉林在各時期的LPI指數(shù)均達(dá)到了最大,是森林景觀類型的主體,其分布面積廣泛且景觀連通性好,具有最大的LPI,主導(dǎo)著漓江流域森林景觀格局。AI反映了一定數(shù)量的景觀要素在景觀中的相互分散性,針葉林和落葉闊葉林的AI保持穩(wěn)定的水平,空間區(qū)位的聚集程度變化小;灌木林則表現(xiàn)為1985-2000年較小,2000-2020年大幅增大的趨勢,可見2000年后灌木的分布趨于集中。針葉林、常綠闊葉林的COHESION保持恒定,COHESION是測量景觀類型的空間連接度的指標(biāo),數(shù)值越大,說明景觀斑塊面積大且連接程度越高,而落葉闊葉林在1985-2000年增大,2000-2020年穩(wěn)定;灌木林在1985-2000年保持穩(wěn)定水平,在2000-2020年增大,可見落葉闊葉林和灌木林的斑塊連接度整體上都有增大的趨勢。由森林景觀類型的斑塊指數(shù)變化可知,1985-2000年漓江流域森林破碎化程度增大,2000-2020年森林景觀異質(zhì)性水平有所降低,森林破碎化得到一定的緩解。在景觀水平上,CONTAG反映了景觀中不同斑塊類型的聚集程度或延展趨勢,由表4可知,1985-2020年漓江流域森林景觀CONTAG先明顯減小后緩慢減小,景觀類型之間的連通性和聚集程度處于一般水平;IJI能對景觀隔離和斑塊混合進(jìn)行量度,對受自然條件制約嚴(yán)重的景觀分布特征反映明顯,漓江流域森林景觀IJI先明顯增大后緩慢增大,表明森林景觀斑塊之間的其他景觀類型增多,被分割的趨勢明顯,各景觀類型形狀較為復(fù)雜且分散,同質(zhì)斑塊聚集程度較低;SHDI是比較和分析不同景觀或同一景觀不同時期多樣性和異質(zhì)性變化的敏感指標(biāo),SHEI反映景觀中不同斑塊類型面積比重的均衡度與其最大值的比值,指數(shù)計算發(fā)現(xiàn)漓江流域森林景觀SHDI和SHEI呈逐漸增大的趨勢,SHDI由1.513 4增加到1.712 4,景觀中斑塊類型數(shù)量的增加且面積比重趨向均衡,SHEI由0.688 8增加到0.779 4,保持在中等水平,不同景觀類型面積比重的均衡度較高,可見漓江流域森林景觀分布更為分散。

圖8 漓江流域森林景觀斑塊指數(shù)

2.3 森林景觀格局變化驅(qū)動機(jī)制

森林景觀時空分布變化主要來源于自然干擾、人文活動[55]和植被的內(nèi)源演替或種群[56]的影響。漓江流域森林景觀變化在諸多錯綜復(fù)雜的相關(guān)驅(qū)動因素共同作用下而產(chǎn)生[57],本研究基于宏觀尺度對森林景觀的時空變化進(jìn)行分析,因此森林種群內(nèi)源演替方面尚不在本研究范疇。

2.3.1 自然環(huán)境驅(qū)動因素

漓江流域地形以山地為主,喀斯特地貌顯著,森林景觀變化受地形地貌驅(qū)動因素影響較大,地形地貌是漓江流域森林景觀變化的主要自然環(huán)境驅(qū)動因素。漓江流域森林景觀分布變化與海拔、坡度和坡向的關(guān)系如圖9所示。從海拔上看,森林面積變化所占比重隨海拔的增加而減少,1985-2020年森林面積增加變化集中在200-400 m海拔,此區(qū)域人類活動頻繁,海拔對森林變化的影響反映了人為活動的間接結(jié)果;2000-2020年,在400-500 m海拔之間出現(xiàn)森林增大的面積開始高于森林減少的面積的交叉點。從坡度上看,森林面積變化主要發(fā)生在坡度平緩的區(qū)域,1985-2020年森林面積變化比重在較為平緩的區(qū)域相對最大,坡度0°-30°較緩的地區(qū)土地多被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)等活動占用,易受人類活動影響,森林變化面積占比達(dá)到80%,隨著坡度變大,森林變化的面積逐漸減少,較陡峭地區(qū)難以進(jìn)行人為活動,對森林影響較少,且陡峭的石山巖壁上不易生長林木。從坡向來看,東南坡森林面積的增加量在兩個時間段均較大,北坡、東北坡和西北坡的面積變化量相對較小,森林面積的變化主要發(fā)生在東面和南面的坡向,受季風(fēng)氣候影響,偏東南方向的坡向雨熱和光照充足,植被長勢旺盛,林木更新演替相對更快。

表4 漓江流域不同年份森林景觀斑塊指數(shù)和異質(zhì)性指數(shù)

圖9 漓江流域森林景觀分布變化與海拔、坡度和坡向的關(guān)系

廣西的喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖地層主要由灰?guī)r、白云巖及其過渡巖石(白云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等)組成[58],喀斯特峰叢洼地植被自然恢復(fù)模式成土母質(zhì)為石灰?guī)r和白云巖[59]。根據(jù)地質(zhì)土壤數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)漓江流域喀斯特地貌以灰?guī)r為主,合并土壤類型得到出喀斯特和非喀斯特兩種地貌的矢量圖。統(tǒng)計得到漓江流域喀斯特地區(qū)面積為1 364.58 km2,非喀斯特地區(qū)面積為5 001.36 km2,喀斯特地區(qū)面積是非喀斯特地區(qū)面積的27.2%。

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),1985年、2000年和2020年3期喀斯特地區(qū)的森林景觀面積比例相近。由圖10可知,1985-2020年漓江流域喀斯特地區(qū)的常綠闊葉林在兩種地貌中面積均為最大,非喀斯特地區(qū)的落葉闊葉林面積比灌木林面積大;喀斯特地區(qū)的灌木林面積僅次于常綠闊葉林,比針葉林或落葉闊葉林面積都大,落葉闊葉林面積最小,喀斯特地區(qū)較為稀薄的土層相對一般地區(qū)更為不利于大喬木生長。

由于喀斯特和非喀斯特兩種地貌面積的基數(shù)不一樣大,本研究采用森林與同一景觀類型的面積轉(zhuǎn)換中不同地貌的森林增減百分比統(tǒng)計,衡量地貌對森林與其他景觀類型轉(zhuǎn)換的影響程度。由圖11可見,1985-2020年,漓江流域喀斯特地區(qū)和非喀斯特地區(qū)的森林與旱作農(nóng)田轉(zhuǎn)換的比例,和森林與灌溉農(nóng)田的轉(zhuǎn)換比例接近,森林減少的面積均相對更大;喀斯特和非喀斯特地區(qū)不透水表面轉(zhuǎn)換為森林的面積均極小,分別為5.1 hm2和8.9 hm2;森林與水體的轉(zhuǎn)變體現(xiàn)在非喀斯特地區(qū)森林的減少。總體上非喀斯特地區(qū)與其他景觀類型的面積轉(zhuǎn)換均比喀斯特地區(qū)比例更大。

圖10 漓江流域喀斯特與非喀斯特地貌不同森林景觀類型面積

圖11 漓江流域森林景觀變化與地貌的關(guān)系

2.3.2 人文活動驅(qū)動因素

從人為活動建設(shè)的空間區(qū)位因素、人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)保育政策等方面,分析人文活動對漓江流域森林景觀的影響。由圖12可知,森林面積變化的大小與距城鄉(xiāng)居民用地的距離先呈指數(shù)增加后呈指數(shù)衰減趨勢,隨著距居民點的距離增大,森林面積的變化先增大后減小,在1 000-1 400 m距離范圍達(dá)到最大值,是人為活動對森林影響最為活躍的地段,超過80%的森林面積變化發(fā)生在2 000 m以內(nèi),該區(qū)域有較好的可達(dá)性,是森林景觀面積變化的敏感區(qū)域。距離居民點較近(<200 m)的森林分布區(qū)域,由于管護(hù)措施到位,毀林現(xiàn)象不易發(fā)生,森林面積變化小,而距離居民點較遠(yuǎn)(>2 000 m)的區(qū)域,由于森林遍布的大部分山區(qū)可達(dá)性差,森林受人為干擾較小,2000-2020年在距離居民點2 300 m外,森林增加的面積大于減少的面積。同時,森林面積的變化與距道路的距離呈指數(shù)衰減趨勢,距離道路越近森林變化越劇烈,缺少便利的交通,森林砍伐運(yùn)輸木材或植樹造林的難度都在加大。隨著森林與道路距離的不斷增加,森林景觀變化面積也持續(xù)減少,1985-2020年70%森林面積的減少量都在距離道路1 000 m范圍內(nèi)。

整合流域涉及的各區(qū)縣的社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù),統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)分布的行政區(qū)面積與其自身行政面積占比如下:桂林市秀峰區(qū)、象山區(qū)、疊彩區(qū)、七星區(qū)和雁山區(qū)為100%,臨桂區(qū)為37.5%,陽朔縣為94.32%,靈川縣為92.2%,興安縣為53.0%,永?？h為5.38%,資源縣為2.32%,平樂縣為2.51%,而灌陽縣、龍勝各族自治縣、恭城瑤族自治縣和荔浦市占比在1%以下,面積過小(本研究中面積涵蓋在流域0.5%以內(nèi)的區(qū)縣)不作統(tǒng)計。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),漓江流域人口數(shù)量、產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與森林面積均呈負(fù)相關(guān)(圖13),經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了城鄉(xiāng)用地需求的增加,1985-2020年人口增加也加大了對耕地的需求,毀林開田導(dǎo)致森林景觀大規(guī)模減少。2000-2020年研究區(qū)人口迅速增長,而森林面積緩慢減少,此期間當(dāng)?shù)卣疄楸３洲r(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè),實行退耕還林還草政策,且農(nóng)村年輕人口大量轉(zhuǎn)入城市,使農(nóng)村剩余勞動人口減少,人為活動對森林的破壞也隨之減少。

圖12 漓江流域森林景觀分布變化與居民點和道路的距離關(guān)系

1999年,廣西壯族自治區(qū)人民政府批準(zhǔn)實施《廣西壯族自治區(qū)自然保護(hù)區(qū)發(fā)展規(guī)劃(1998-2010年)》,海洋山水源林保護(hù)區(qū)、架橋嶺水源林保護(hù)區(qū)、廣西貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)、青獅潭風(fēng)景名勝區(qū)的設(shè)立使漓江流域森林景觀資源得到了生態(tài)保育。而林業(yè)生產(chǎn)、森林自然災(zāi)害和國家耕地保護(hù)政策也不同程度地導(dǎo)致了森林面積的減少,且漓江流域履行生態(tài)保護(hù)職責(zé)導(dǎo)致一些重大項目難以落地,制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展[60]。2000年后,隨著桂林市現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和居民區(qū)的增多,漓江沿岸風(fēng)貌和水質(zhì)遭到破壞,人們逐漸意識到漓江亟需保護(hù)。2007年《漓江宣言》問世,同時形成了一份《漓江流域可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)立法建議書》,在社會上迅速引起強(qiáng)烈反響。為順應(yīng)廣大人民群眾要求,2008年廣西壯族自治區(qū)法制辦公室委托廣西律師協(xié)會起草《漓江生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》專家稿;2009年廣西壯族自治區(qū)人民政府將制定條例作為立法調(diào)研項目;2012年《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》開始實施,確立了全方位保護(hù)漓江的新機(jī)制,根據(jù)該條例要求,廣西編制了《桂林漓江生態(tài)保護(hù)和修復(fù)提升工程方案(2019-2025年)》,并建立漓江流域上下游橫向生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償試點機(jī)制,為保護(hù)漓江提供政策保障,漓江流域的桂林漓江國家級風(fēng)景名勝區(qū)(喀斯特世界自然遺產(chǎn)地)、廣西貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)(世界人與自然生物圈保護(hù)區(qū))、廣西桂林國家森林公園、廣西陽朔遇龍河峰林自治區(qū)級地質(zhì)公園、廣西海洋山自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)、廣西架橋嶺自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)和廣西青獅潭自治區(qū)級自然保護(hù)區(qū)等自然保護(hù)地內(nèi)的生態(tài)補(bǔ)償和民生補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)明顯高于其他區(qū)域。2019年桂林市通過的《桂林市漓江風(fēng)景名勝區(qū)管理條例》強(qiáng)調(diào)了漓江風(fēng)景名勝區(qū)自然資源和人文景觀的保護(hù)。為進(jìn)一步加強(qiáng)漓江流域生態(tài)保護(hù)和修復(fù),2022年廣西研究編制了《桂林漓江流域山水林田湖草沙一體化保護(hù)和修復(fù)工程實施方案》,推進(jìn)桂林漓江流域山水林田湖草沙一體化保護(hù)和修復(fù)工程建設(shè)。政策因素對漓江流域的森林變化具有直接的指導(dǎo)作用,漓江流域保育政策的制定和自然保護(hù)區(qū)的劃分在一定程度上控制了森林的縮減趨勢[61]。

圖13 漓江流域森林景觀變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系

3 討論

3.1 森林覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品與數(shù)字化監(jiān)測技術(shù)

本研究使用的GLC_FCS30數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有精細(xì)的分類系統(tǒng),相對其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品具有森林類型精細(xì)分類到二級的優(yōu)勢[12-16],可為多區(qū)域或全球應(yīng)用提供重要支持[62]。通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)1985-2020年漓江流域林地變化整體呈現(xiàn)減少的趨勢,與眾多學(xué)者對漓江流域相近時段的景觀面積變化趨勢一致[33,39,63],且通過數(shù)據(jù)驗證對照發(fā)現(xiàn)與GlobaLand30[64]和武漢大學(xué)的CLCD數(shù)據(jù)產(chǎn)品[65]各期森林面積相近。Zhang等[62]通過與FROM_GLC和GlobeLand30兩種30 m土地覆蓋產(chǎn)品定量比較,表明GLC_FCS30的總體準(zhǔn)確率相對最好。本研究與胡金龍等[66]對1986年、2001年和2016年3期遙感影像進(jìn)行解譯的林地面積逐年上升的結(jié)果不同,雖然其總體分類精度分別達(dá)到了86%以上,但其精度驗證方式有待查證。誤差或混淆矩陣被廣泛認(rèn)為是評估土地覆蓋圖準(zhǔn)確性的最佳衡量標(biāo)準(zhǔn)[67,68],測量錯分誤差的用戶準(zhǔn)確度(UA)、測量漏分誤差的生產(chǎn)者準(zhǔn)確度(PA)、總體準(zhǔn)確度(OA)和卡帕系數(shù)(Kappa coefficient)等多準(zhǔn)則綜合評估可以更為準(zhǔn)確地衡量覆蓋產(chǎn)品的性能[69]。對森林資源進(jìn)行監(jiān)測是實現(xiàn)森林資源科學(xué)管理和合理利用的首要途徑,森林植被分類提取是基于遙感技術(shù)的森林資源監(jiān)測體系中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但由于受地理環(huán)境和時相的影響,且森林植被內(nèi)部的區(qū)分度更為細(xì)微,計算機(jī)難以適應(yīng)復(fù)雜變化的數(shù)據(jù)情景,造成地物自動提取的結(jié)果會存在歧義和錯分。人機(jī)交互的方式能夠充分有效地將先驗知識或經(jīng)驗參數(shù)應(yīng)用到模型中從而獲取更加準(zhǔn)確的結(jié)果,因此針對提高地物提取精度的有效方法和模型的研究,一直是學(xué)者們研究的重點[70]。森林覆蓋分類數(shù)據(jù)主要是基于林冠層的覆蓋影像進(jìn)行解譯的,高光譜影像具有豐富的光譜與空間信息[71],普通RGB冠層影像難以區(qū)分相似樹種的冠層信息,而將高光譜圖像中的某一個像素包含的所有光譜信息組合起來,可以得到像素點所在林冠位置的近乎連續(xù)的光譜反射曲線,并使不同樹種林冠呈現(xiàn)不同的顏色[72]。然而,盡管當(dāng)前已經(jīng)有一些研究將林冠高光譜影像應(yīng)用于樹種分類[73,74],但該方法還存在著樹種分布不均勻、植物相互遮蓋的現(xiàn)象[75]。實際自然界中尤其是低緯度地區(qū)樹木種類豐富,常綠闊葉林和熱帶雨林的冠層植物隨著取樣面積擴(kuò)大可達(dá)上百種,樹種復(fù)雜分布情況對于高光譜精確區(qū)分樹種提出了挑戰(zhàn)。未來的研究需進(jìn)一步結(jié)合深度學(xué)習(xí)的方法,使用高分辨率衛(wèi)星遙感或無人機(jī)高光譜影像實現(xiàn)快速精確的樹種分類,提高遙感影像解譯數(shù)據(jù)的分類識別、空間賦值、過程反演及格局量化的針對性和高效性,通過先進(jìn)的影像高光譜分析技術(shù)實現(xiàn)森林冠層之下的森林類型劃分,使森林景觀格局分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)更為準(zhǔn)確詳實。

3.2 漓江流域森林景觀格局時空變化特征

1985-2020年,森林景觀一直是漓江流域的優(yōu)勢景觀,漓江流域森林景觀面積變化總體上呈現(xiàn)先較大程度減少后緩慢減少的趨勢,針葉林、常綠闊葉林面積有所縮減,落葉闊葉林和灌木林面積有所增加,森林景觀類型的比例趨于均衡。漓江流域植被屬于中亞熱帶典型常綠闊葉林地帶[76],植被豐富的山區(qū)分布有針闊混交林。具備30 m精度的GLC_FCS30數(shù)據(jù)可監(jiān)測長時序全球30 m土地覆蓋,彌補(bǔ)了百米級空間分辨率數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確刻畫林區(qū)類型的不足[62],而覆蓋研究區(qū)的柵格數(shù)據(jù)沒有出現(xiàn)針闊混交林,一方面我國北方高緯度山區(qū)有相對更廣闊的混交林空間分布[77];另一方面出現(xiàn)混交現(xiàn)象的林區(qū)在植物群落研究中可能被定義為混交林,而遙感反演的森林分類研究多基于林冠層遙感影像像素值信息[78],同樣存在混交現(xiàn)象的林區(qū),針葉樹種與闊葉樹種的混交密集程度對影像像素值信息的影響是不同的,因此對混交層次相對疏朗的林區(qū)可區(qū)分為闊葉林與針葉林。同時,漓江上游和下游的高山地帶分布有成片種植的毛竹人工林,GLC_FCS30的LCCS地表覆蓋系統(tǒng)將株高大于5 m的竹林歸為喬木,小于5 m的竹類歸屬于灌木[79,80],竹林屬常綠植物群落類型,在氣候區(qū)劃下典型特殊植被型中的竹林歸屬亞熱帶常綠闊葉林[81]。果園的經(jīng)濟(jì)林和苗木等同樣以株高相對于5 m高低及是否落葉劃分為灌木、常綠闊葉林和落葉闊葉林等?；贕LC_FCS30數(shù)據(jù)對基本森林景觀類型進(jìn)行的重分類處理,滿足森林景觀格局時空變化研究需求。

受漓江流域的建設(shè)用地和果樹種植等侵占林地的影響,1985-2020年常綠闊葉林減少的面積遠(yuǎn)比所有森林類型增加的面積大,直接造成此期間森林總面積的減少。森林景觀的分布集中在低海拔(300-400 m)、中坡度(10°-30°)地區(qū),中高海拔地區(qū)針葉林在森林景觀中的面積占比變大,與針葉林的生長習(xí)性相關(guān)。森林景觀的分布受坡度影響不大,西北坡向針葉林較多,東南坡向闊葉林居多,這與植物對光熱的需求相關(guān),各時期森林海拔、坡度和坡向方位的占比差別較小。漓江流域中下游喀斯特地區(qū)的石山海拔多在200-400 m,是灌木林覆蓋的主要區(qū)域,形成漓江流域喀斯特地區(qū)特有的石山灌木景觀,漓江流域上游的非喀斯特地區(qū)以高山喬木森林景觀為主,是常綠闊葉林和落葉闊葉林分布的主要區(qū)域。1985-2000年森林面積的減少集中在人為活動頻繁、交通較為發(fā)達(dá)的區(qū)域,森林面積增加集中在森林曾遭受破壞以及重視綠化的區(qū)域。綜合針葉林、落葉闊葉林、常綠闊葉林和灌木林四種森林景觀類型斑塊指數(shù)的平均值,發(fā)現(xiàn)PD、LSI呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢,可見森林景觀的破碎化和異質(zhì)性水平先增大后輕微減少;LPI由7.356減小到2.175再增加到2.546,與AI一樣均呈現(xiàn)先減少后增大的趨勢,這兩個指標(biāo)反映了景觀的聚集程度,聚集程度大意味著景觀破碎度變小;COHESION逐期增大,可見森林景觀之間的連通性呈現(xiàn)加強(qiáng)的趨勢。在整體的森林景觀異質(zhì)性水平上,CONTAG逐期減小,表明森林景觀與其他景觀類型的連通性在降低,而IJI、SHDI和SHEI都在增大,可見漓江流域森林景觀與其他景觀的時空分布特征趨于勻質(zhì)化,不同景觀類型相互交叉的趨勢,在1985-2000年表現(xiàn)劇烈,在2000-2020年趨于平緩。漓江流域的森林景觀格局在1985-2000年趨于破碎化,在2000-2020年趨于完整和連通,與閉璐等[30]、林增學(xué)[33]、張軍民等[39]和向悟生等[82]對漓江流域景觀格局及土地利用類型相關(guān)的研究結(jié)論相吻合,旅游開發(fā)和土地利用強(qiáng)度的提升使森林生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性增強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)漓江流域森林景觀SHDI和SHEI在增長,與胡金龍等[66]研究發(fā)現(xiàn)1986-2016年漓江流域研究發(fā)現(xiàn)景觀類型的均勻性、異質(zhì)性降低的結(jié)果不同,其研究發(fā)現(xiàn)PDED、FRAC_AM指數(shù)先增大后減少的本身也有反映景觀破碎化的先增后減的趨勢,且本研究使用ArcSWAT基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)產(chǎn)生的流域邊界與其不同,與張軍民等[83]和Zhu等[40]生成的流域邊界一致,各景觀要素的面積不同,造成景觀格局的變化特征也不盡相同。在地貌的景觀格局時空變化特征上,喀斯特地區(qū)的森林轉(zhuǎn)出與轉(zhuǎn)入面積或比例均比非喀斯特地區(qū)小。漓江流域具有我國南方典型巖溶發(fā)育特征,其石山巖石裸露率高,喀斯特地區(qū)在基巖裸露、土層淺薄的喀斯特生境上發(fā)育的森林常形成常綠落葉闊葉混交林,且石山地區(qū)多生長灌木,與相同氣候條件下常態(tài)地貌上的地帶性植被明顯不同;非喀斯特地區(qū)闊葉林和針葉林生長茂盛、分布廣泛,常綠闊葉林是漓江流域森林組成最復(fù)雜、林分結(jié)構(gòu)最完整的一種森林植被[84],且土地更適合人類活動,非喀斯特地區(qū)的森林景觀與農(nóng)田、建設(shè)用地等變化相對更為頻繁、規(guī)模更大。

3.3 漓江流域森林景觀時空變化驅(qū)動因素

地形因子(海拔、坡度、坡向和地貌)作為自然環(huán)境驅(qū)動因素,不同程度地影響著漓江流域森林景觀的時空分布變化,隨著森林分布地帶與居民點、道路距離的增加,森林景觀面積的變化分別呈現(xiàn)先增大后減小和逐步遞減兩種趨勢。從社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與森林景觀面積的彼此消長關(guān)系可見,人口增長和經(jīng)濟(jì)建設(shè)是漓江流域森林景觀分布面積減少的主要原因。1985-2000年漓江流域景觀破碎化程度不斷增大,此期間林果種植產(chǎn)業(yè)處于起步階段,部分農(nóng)田與森林呈現(xiàn)鑲嵌分布,受旅游業(yè)、工業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)、森林自然災(zāi)害和國家耕地保護(hù)政策的影響,毀林、毀草及開墾園地的活動使漓江流域森林面積減少較為明顯[85],此期間人口增長加速,人類與土地矛盾進(jìn)一步激化[86]。改革開放后漓江流域內(nèi)城鎮(zhèn)、耕地和工業(yè)用地的擴(kuò)張以及旅游景區(qū)開發(fā)等因素加速了森林轉(zhuǎn)變?yōu)楹档睾筒煌杆砻鎇87],且早期的人為砍伐對漓江上游地區(qū)原始森林造成了不同程度的破壞。20世紀(jì)80年代以來漓江枯水期變長,與漓江上游森林覆蓋面積減少、蓄水能力下降密切相關(guān)[88]。由于當(dāng)?shù)鼐用襁^于追求短期效益而大量砍伐樹木,導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重、森林水量調(diào)節(jié)和蓄水能力急劇下降,早期漓江上游水源林區(qū)植被遭受不同程度侵蝕。受經(jīng)濟(jì)因素影響,特別是生態(tài)闊葉林補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)過低,致使漓江上游水源林區(qū)毛竹林和經(jīng)濟(jì)林面積不斷增加。各景區(qū)公路建設(shè)破壞山體植被帶來了水土流失和滑坡,漓江邊岸建筑用地侵占、環(huán)境污染破壞了森林景觀格局,興坪碼頭大體量建筑、冠巖景區(qū)的滑道、遇龍河附近的寺廟等人工斑塊或廊道的引入,破壞森林景觀的協(xié)調(diào)性,漓江流域面臨天然植被減少的風(fēng)險[89]。1998年隨著國務(wù)院全面封山禁伐令的出臺,木材生產(chǎn)廠家關(guān)閉,森林雜木禁伐,漓江上游森林縮減的步伐得到有效控制[90]。2000-2020年漓江流域森林景觀破碎化程度增大的趨勢有所減緩,受交通可達(dá)性增強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)布局不斷集聚發(fā)展以及城鄉(xiāng)一體化等因素影響,漓江流域建設(shè)用地趨于集中連片,2000年后我國城鎮(zhèn)化發(fā)展進(jìn)入結(jié)構(gòu)調(diào)整的新時期[91],保護(hù)生態(tài)環(huán)境實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展受到社會各界廣泛重視。興安漓江源區(qū)在整個漓江源區(qū)占有重要的位置,2001年率先實施國家級生態(tài)公益林補(bǔ)償工程,本研究發(fā)現(xiàn)2000-2020年興安縣相對桂林其他地區(qū)森林面積有了較大幅度的增加,貓兒山國家級自然保護(hù)區(qū)森林、漓江源區(qū)生態(tài)林等森林資源均位居漓江源區(qū)各縣之首[90]。2002年起實施的封山育林、退耕還林等植被恢復(fù)工程以及綠化彩化等措施的影響,使漓江流域森林景觀面積的縮減及破碎化的程度得到有效緩解[82]。退耕還林和石漠化治理等措施使林地面積得到一定補(bǔ)充,減緩林地的流出趨勢。2005年開展的大規(guī)模石漠化治理以及水果規(guī)?；N植等多因素推動漓江流域部分地區(qū)林地占比增大。此期間森林恢復(fù)的方式以人工林為主,而森林景觀的破碎化和異質(zhì)性水平仍有緩慢上升的趨勢。理論上大體量的森林恢復(fù)工程能帶來生態(tài)效益,但從筆者的野外觀察及文獻(xiàn)資料提煉的信息來看,退耕還林恢復(fù)的人工林樹種構(gòu)成比較簡單,全球的相關(guān)研究已證明,簡單人工林可以支撐的生物多樣性是有限的[92],而恢復(fù)天然林是提升森林景觀質(zhì)量和優(yōu)化森林景觀格局的重要方式。2012年頒布《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》后,桂林市通過水土流失和石漠化綜合治理等措施,漓江流域森林覆蓋率和水土流失治理度有所提高。2019年以來的漓江流域上下游橫向生態(tài)保護(hù)補(bǔ)償機(jī)制在流域生態(tài)保護(hù)治理、生態(tài)環(huán)境能力建設(shè)、生態(tài)環(huán)境修復(fù)等方面發(fā)揮重要作用。然而,森林火災(zāi)、蟲害等自然災(zāi)害依然不同程度地影響著森林的變化,如2022年10月,由于桂林市降雨稀少及部分村民缺少林區(qū)防火意識,引發(fā)了靈川、全州等地的森林大火,造成大面積山林毀壞。森林景觀的空間變化與氣候密切相關(guān),今后研究應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合氣象數(shù)據(jù),使驅(qū)動因素分析更適于當(dāng)?shù)靥赜械沫h(huán)境條件,使分析結(jié)果更具時效性[93]。

3.4 森林景觀保育與可持續(xù)利用策略

森林景觀格局的削減和破碎化變化會造成水土流失、生物多樣性下降及人與自然之間的矛盾日益突出等一系列生態(tài)問題[94]?；谏志坝^退化和破壞的問題,針對漓江流域的森林景觀格局變化特征和現(xiàn)狀,提出生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同發(fā)展的森林景觀保育與可持續(xù)利用策略,以期提高森林景觀的多樣性與異質(zhì)性,做到森林景觀改造與保護(hù)的有效結(jié)合。

3.4.1 健全生態(tài)公益林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制

依據(jù)《風(fēng)景名勝區(qū)條例》《廣西壯族自治區(qū)漓江流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》和《桂林市漓江風(fēng)景名勝區(qū)管理條例》等法律法規(guī),對漓江流域內(nèi)的生態(tài)公益林產(chǎn)權(quán)所有者和管護(hù)者、漓江干流沿岸居民等實現(xiàn)生態(tài)補(bǔ)償和民生補(bǔ)助全覆蓋。進(jìn)一步向禁止開發(fā)區(qū)域、重點生態(tài)功能區(qū)、江河源頭區(qū)、重要河流敏感河段等重要區(qū)域傾斜,實現(xiàn)差異化補(bǔ)償[32],健全漓江生態(tài)公益林補(bǔ)償機(jī)制,保護(hù)漓江生態(tài)公益林、水源涵養(yǎng)林,確保植被的蓄水功能。

3.4.2 森林景觀資源的適度開發(fā)與生態(tài)保護(hù)

劃定生態(tài)農(nóng)林發(fā)展區(qū),較陡坡度的區(qū)域應(yīng)實施退耕還林,限制自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)內(nèi)的人類活動,非核心區(qū)和其他保育區(qū)可適當(dāng)開展生態(tài)旅游等活動,對石漠化和山體受損嚴(yán)重的區(qū)域,根據(jù)石漠化的輕重程度和分布廣度,可按照“干擾方式+植被+土壤+地貌”的方式,對人為加速石漠化過程中的石漠化土地進(jìn)行類型劃分,適地適樹改善植被條件[95],提高漓江流域森林景觀格局的適宜性與異質(zhì)性。以水土保持為主要目標(biāo)的森林恢復(fù)項目應(yīng)恢復(fù)有益于生物多樣性的天然林。按照不同景觀區(qū)森林景觀的類型和特點、森林覆蓋率、土地利用指數(shù)、水土流失控制程度等,結(jié)合風(fēng)景美學(xué)價值,考慮經(jīng)濟(jì)效益、美學(xué)價值與生物種類的保護(hù)進(jìn)行森林景觀規(guī)劃設(shè)計[96]。漓江流域中山天然林景觀區(qū)主要是保護(hù)性開發(fā),發(fā)展科考旅游、生態(tài)觀光;低山丘陵森林景觀區(qū)可開展休閑度假、療養(yǎng)康樂項目;風(fēng)景河沿岸和谷地平原可利用風(fēng)景林發(fā)展花草觀光、林果體驗和運(yùn)動休閑等項目;城市森林景觀可構(gòu)成半自然的園林環(huán)境,發(fā)揮游憩價值。在森林經(jīng)營上從林分尺度轉(zhuǎn)變?yōu)榫坝^水平,將居民區(qū)、農(nóng)田、道路和森林作為一個整體進(jìn)行經(jīng)營[97]。

3.4.3 山水林田湖草一體化修復(fù)

通過實施桂林漓江流域山水林田湖草一體化保護(hù)和修復(fù)工程,對森林與農(nóng)田、濕地和河流等生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同保護(hù)和修復(fù)。針對過度種植的柑橘用地改種混交林,開展遇龍河地質(zhì)公園生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)修復(fù)工程,增加人工輔助植被恢復(fù)建設(shè)面積,提升區(qū)域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性。漓江城市段洲島自然生態(tài)景區(qū)對過度裸露的沙土地帶進(jìn)行生態(tài)修復(fù),恢復(fù)洲島植物的多樣性及自然生態(tài)功能,以優(yōu)化森林景觀的方式為漓江風(fēng)景名勝區(qū)漓江岸線生態(tài)保護(hù)修復(fù)工程貢獻(xiàn)策略。地形起伏較大而陡坡裸土的地帶,應(yīng)優(yōu)先復(fù)墾為林地,在森林斑塊或廊道之間,增加人工林為主的片林保持森林景觀的連續(xù)性,將零散林地連接成片,降低森林景觀破碎度[98]。

4 結(jié)論

本研究以綜合用地統(tǒng)計和空間分析的方法,應(yīng)用景觀指數(shù)與時空演替模型展現(xiàn)漓江流域不同空間因子及人為活動影響下的森林景觀時空分布與變化特征,揭示漓江流域森林景觀的時空分異規(guī)律與森林景觀格局變化的驅(qū)動機(jī)制。1985-2020年,漓江流域森林景觀破碎化和復(fù)雜化程度增加,各森林景觀類型的分布趨于勻質(zhì)化,森林景觀類型分布廣泛且保持較為合理的結(jié)構(gòu),森林為漓江流域的優(yōu)勢景觀類型,主導(dǎo)著景觀整體的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)過程。在自然和人文影響因子的雙重作用下,漓江流域森林景觀受相似的發(fā)生環(huán)境和分異的空間因素影響而具有時空變化的特征,森林生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會價值之間存在著此消彼長的權(quán)衡關(guān)系,城鎮(zhèn)擴(kuò)張、耕地拓展及旅游活動等人為活動是引起漓江流域森林景觀格局時空變化的主要影響因素。森林景觀資源直接或間接地作用于漓江流域的自然景觀資源,在各個景觀區(qū)可發(fā)展具有流域特色和喀斯特特色的森林生態(tài)旅游模式,實現(xiàn)森林景觀資源的可持續(xù)利用。漓江流域旅游業(yè)是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),流域生態(tài)保護(hù)處于突出地位,同時生態(tài)保護(hù)也應(yīng)提高到景觀層次,以維持、延續(xù)漓江流域自然景觀資源稟賦的優(yōu)越性。通過對漓江流域森林景觀可持續(xù)利用的探討,以期對流域景觀資源的開發(fā)、利用和保護(hù)提供有益的研究視角,并進(jìn)一步完善漓江流域景觀分區(qū)和開發(fā)、森林景觀保護(hù)和恢復(fù)的科學(xué)管理途徑。