秦岭南坡森林景观格局现状与破碎化特征研究

秦岭南坡森林景观格局现状与破碎化特征研究

景观形态分析是景观生态学研究最基本的内容。对景观类型的空间分布特征进行了定量分析，是进一步研究景观功能和动态的基础。以人类活动加剧为主因的景观破碎化对生物多样性和生态系统功能的影响日趋严重,是景观格局研究的重要内容。森林植被是陆地生态系统的主体,维持和调控着地球生态环境的平衡,因此森林景观格局及其破碎化的研究也成为景观生态学研究中的热点。秦岭菜子坪林区位于陕西省宁陕县境内,地处秦岭中段南坡,是秦岭国家级生态功能保护区的重要组成部分,也是国家南水北调中线工程的主要水源涵养区。在现有秦岭中段南坡景观格局的研究中,张爽等于2004年对秦岭中段南坡景观格局与大熊猫栖息地的关系进行了研究;王斌等先后于2005和2010年对该区火地塘林区的景观格局破碎度和人为干扰对景观格局的影响作了研究,但是前者所用的数据太早(1988年的森林资源二类调查数据),后者则侧重于景观格局变化的研究,而关于森林景观格局及其破碎化特征的研究还较少。本研究以菜子坪林区2005年森林资源二类调查资料为主要数据源,在分析景观格局总体特征的基础上,对各景观类型的边界密度、平均分维数、平均最近邻距离和相似邻接比4个景观破碎化指标进行了比较分析,以期阐明研究区森林景观格局现状和破碎化特征,为研究区以及秦岭中段南坡森林资源管理、保护和合理开发利用提供科学参考。1土壤、植被分布特点菜子坪林区(东经108°11′～108°24′、北纬33°28′～33°48′)位于陕西秦岭中段南坡,海拔732～2964m,面积37045.78hm2,气候属暖温带和湿润气候区,垂直分异明显。试区年平均气温8.0℃,年平均降水量1027mm(多集中在7、8、9月份),年无霜期80～300d,生长期为190d。境内土壤主要有黄棕壤、棕壤、暗棕壤3类,其中棕壤所占比例较大,为64.1%;黄棕壤次之,为28%;在地形、气候、生物、母质等成土因子的综合作用下,3个土类呈现出明显的垂直分布规律:即黄棕壤(海拔850～1400m)-棕壤(海拔1400～2100m)-暗棕壤(海拔2100m以上),土壤厚度多在20～40cm。试区植被属暖温带落叶阔叶林区域,植物类型以落叶阔叶林、针阔混交林为主,森林植物种类繁多,组成复杂,森林覆盖率达94%以上。试区内有种子植物约700种,隶属于86科,239属,其中主要乔木树种有油松(Pinustabulaeformis)、华山松(Pinusarmandii)、云杉(Piceaasperata)、秦岭冷杉(Abieschensiensis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)等约30种。2学习方法2.1森林景观类型根据研究区的森林植被类型,以森林小斑内优势植物群落的建群种和共建种对菜子坪林区景观类型进行命名,划分出13个森林景观类型(云杉林(T1)、冷杉林(T2)、栎林(T3)、华山松林(T4)、油松林(T5)、软阔林(T6)、桦木林(T7)、硬阔林(T8)、落叶松林(T9)、铁杉林(T10)、刺槐林(T11)、板栗林(T12)、杨树林(T13))和1个无林地景观类型(T0,包括裸地、农业用地、建筑用地、河流等非林业用地)。根据野外调查数据可知,13个森林景观类型中冷杉林包括秦岭冷杉和巴山冷杉;栎林主要包括栓皮栎、锐齿栎;桦木林主要包括红桦、牛皮桦、白桦;硬阔林包括槭树、千金榆、臭椿等;软阔林包括柳、枫杨、楸树、椴树等。2.2各景观类型斑块的测量方法以2005年菜子坪林区森林资源二类调查资料为主要数据源。运用地理信息系统软件Arcgis9.3的空间分析功能,对研究区森林景观进行分类,并对各景观类型的数据信息进行处理,再将所得的数字化森林景观图栅格化,生成像元大小为10m×10m的Grid文件,最后使用景观结构分析软件Fragstats3.3计算相关景观指数。本研究在计算各景观类型周长、面积和斑块数等基本景观格局指数的基础上,选取边界密度、平均分维数、平均最近邻距离和相似邻接比指数,作为景观类型破碎化程度的指标来分析菜子坪林区森林景观格局破碎化程度,其计算方法如下:1)边界密度。边界密度揭示了景观类型被边界分割的程度,是景观破碎化程度的直接反映,其分为各景观类型的边界密度和各景观类型在整体景观中的边界密度2种,计算公式如下:ED=Li/A,(1)EDi=Li/Ai。(2)式中:ED为各景观类型在整体景观中的边界密度,EDi为第i类景观类型的边界密度,Li为第i类景观类型的斑块总周长,A为整个景观的总面积,Ai为第i类景观类型的斑块面积。2)平均分维数。平均分维数可以说明斑块形状的复杂程度。FRAC-ΜΝ=m∑i=1m∑j=1[2ln(0.25Ρij)ln(aij)]/ΝFRAC−MN=∑i=1m∑j=1m[2ln(0.25Pij)ln(aij)]/N。(3)式中:FRAC-MN为平均分维数(理论取值范围为1.0～2.0),i为景观斑块类型(i=1,2,…,m),j为斑块数目(j=1,2,…,n),Pij为景观类型斑块ij的周长,aij为景观类型斑块ij面积,N为景观斑块总数。3)平均最近邻距离。平均最近邻距离反映同类型斑块间相隔距离的远近程度。EΝΝ-ΜΝ=m∑i=1n∑j=1hij/ΝENN−MN=∑i=1m∑j=1nhij/N。(4)式中:ENN-MN为平均最近邻距离,i为景观斑块类型(i=1,2,…,m),j为斑块数目(j=1,2,…,n),hij为景观斑块ij与其最近邻体之间的距离,N为景观斑块总数。4)相似邻接比指数。相似邻接比指数用来描述景观中同类型且相邻的斑块的比例。ΡLADJ=(m∑i=1giim∑i=1m∑j=1gij)×100%。(5)式中:PLADJ为相似邻接比指数(理论取值为0～100%),gii表示第i类景观类型中相似且相邻的斑块数,gij表示第i类景观类型与第j类景观类型相邻的斑块数量。3结果与分析3.1森林景观类型内斑块面积、总周的分布由表1可知,研究区域总面积37045.78hm2,分为14个景观类型,共1072个斑块。在各景观类型中,无林地的斑块面积仅为1125.21hm2,占研究区域总面积的3.04%,表明菜子坪林区植被覆盖率较高。各森林景观类型中,栎林、油松林和硬阔林的斑块面积、总周长均较大,斑块数也较多,三者斑块面积之和为29033.41hm2,占总面积的78.37%;总周长之和为3124730m,占研究区总周长的69.41%;斑块数之和为630个,占总斑块数的58.77%,说明以上3种景观类型为研究区的主要森林景观。相反,刺槐林、落叶松林、板栗林和杨树林4种景观类型的斑块面积、总周长均较小,斑块数也较少,对研究区森林景观主体格局的影响较小。在所有景观类型中,油松林的斑块密度明显大于其他景观类型,说明研究区内油松林分布广泛。栎林的斑块面积方差明显大于其他景观类型,说明栎林各斑块间差异最大,异质性特征强烈。3.2香坪林景观破碎化指数分析3.2.1景观类型的破碎化EDi是指某景观类型周长与该类型景观面积之比,即一个景观类型单位面积所拥有周长的度量。单位面积的周长值大,则景观类型被边界割裂的程度高;反之,景观类型保存完好连通性高。因此,该指标在一定程度上反映了景观类型的破碎化程度。由图1可知,在本研究所有景观类型中,EDi从高到低为板栗林(T12)>落叶松林(T9)>华山松林(T4)>软阔林(T6)>无林地(T0)>油松林(T5)>杨树林(T13)>云杉林(T1)>硬阔林(T8)>铁杉林(T10)>桦木林(T7)>冷杉林(T2)>刺槐林(T11)>栎林(T3),其中栎林的斑块面积和总周长均较大,而EDi最低,说明该景观类型的破碎化程度较低;板栗林、落叶松林的斑块面积和总周长均较小,EDi却均较高,表明这2种景观类型的破碎化程度较高。ED是指某景观类型周长与景观总面积之比,即景观单位面积上拥有的该景观类型的周长。因为景观总面积为一个定值,所以该指标揭示的规律与景观类型周长一致,但是该指标给出了一个景观类型的周长在整个景观中的平均分布比例,反映了一个景观类型的斑块边界对整个景观的影响程度。由图2可知,在本研究区所有景观类型中,油松林(T5)、栎林(T3)的ED在30m/hm2左右,对整个景观的影响最大;落叶松林(T9)、板栗林(T12)、刺槐林(T11)和杨树林(T13)的ED均小于0.5m/hm2,对整个景观的影响较小。3.2.2森林景观稳定性的综合评价平均分维数直接反映了一定尺度上斑块边界形状的复杂性及斑块的破碎化程度。由图3可知,研究区各景观类型的平均分维数基本相似,均接近1.00,表明森林景观整体稳定性较好;刺槐林(T11)的平均分维数明显低于其他景观类型,从一定程度上说明刺槐林作为人工林景观结构较为稳定;栎林(T3)、油松林(T5)、软阔林(T6)的平均分维数均较高,说明这3种景观类型受到的干扰较强,稳定性相对较差。3.2.3离的林分类型平均最近邻距离是指邻近的同种景观类型斑块之间的距离(斑块中心到中心的距离),反映了景观格局的团聚与分散程度。由图4可知,各景观类型中,平均最近邻距离从高到低依次为板栗林(T12)>落叶松林(T9)>桦木林(T7)>刺槐林(T11)>冷杉林(T2)>无林地(T0)>铁杉林(T10)>云杉林(T1)>软阔林(T6)>华山松林(T4)>硬阔林(T8)>油松林(T5)>栎林(T3)。菜子坪林区大多数景观类型的平均最近邻距离在1km以下,说明研究区森林景观的连续分布情况总体较好。板栗林(T12)、落叶松林(T9)的平均最近邻距离明显大于其他景观类型,说明这2个景观类型的破碎化程度均较高。3.2.4景观类型的分布相似邻接比指数反映了同种景观类型斑块之间的相邻频度。由图5可知,研究区各景观类型相似邻接比指数的差异不大,并且均在85以上,说明各景观类型空间分布的连续性较好。与其他景观类型相比,板栗林(T12)的相似邻接比指数明显偏低,说明其斑块分布较为零散,与其他异质景观斑块嵌合较多,破碎化程度较高。栎林(T3)、刺槐林(T11)相似邻接比指数均较高,说明这2种景观类型各自斑块之间的连接性较好,景观破碎化程度较低。4景观类型的破碎化程度在研究区域中,无林地斑块面积仅占3.04%,表明该区域植被覆盖情况较好,森林整体分布的连续性较高;此外研究区各景观类型的平均分维数均接近1.00,说明整体上这些景观类型斑块的边界褶皱程度较低,森林景观整体稳定性较好。本研究区大部分地处中低海拔,适合栎林(秦岭地区分布海拔400～2100m)的生存,因此栎林在各森林景观类型中面积最大,分布的连续性最好,破碎化程度最低,为研究区域最主要的森林景观。但由于栎林所处生境人为活动剧烈,干扰强度大,造成景观结构的稳定性相对较差。这需要人们对其加大保护力度,减少人为干扰,使栎林作为地区优势植被免遭破坏,从而保护整个地区的生态平衡。本研究各景观类型中,板栗林为人工经济林;落叶松林分布在高海拔地区,生境狭小,这导致这2种景观类型斑块数较少,斑块面积较小,分布极为零散,景观破碎化程度最高。板栗林作为人工经济林可以给当地居民带来收入,从而降低了当地居民为获得利益破坏森林植被的发生几率;研究区的落叶松林主要为太白红杉林,为我国特有树种,属国家三级保护渐危种,因此要加大对这2种景观类型的保护力度,防止其进一步破碎化。本研究中,景观类型的边界密度和相似邻接比指数所反映出的各景观类型破碎化程度类似,均为板栗林>落叶松林>华山松林>软阔林、无林地>油松林>杨树林、云杉林>硬阔林>铁杉林>桦木林>冷杉林>刺槐林>栎林,这与平均最近邻距离所反映出的各景观类型破碎化程度(板栗林>落叶松林>桦木林>刺槐林>冷杉林>无林地>铁杉林>云杉林>软阔林>华山松林>硬阔林>油松林>栎林)存在一定的差异。究其原因,可能是因为:1)油松林虽然景观斑块最多,在整个研究区域中分布广泛且较为零散,但在自身生境内分布又较为集中,所以平均最近邻距离较小,生境破碎化程度不高;2)华山松林与油松林的情况相似,也是因为在局部地区分布较为集中,所以平均最近邻距离较小;3)研究区