秦嶺南坡森林景觀格局現(xiàn)狀與破碎化特征研究

景觀形態(tài)分析是景觀生態(tài)學(xué)研究最基本的內(nèi)容。對(duì)景觀類型的空間分布特征進(jìn)行了定量分析，是進(jìn)一步研究景觀功能和動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)。以人類活動(dòng)加劇為主因的景觀破碎化對(duì)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的影響日趨嚴(yán)重,是景觀格局研究的重要內(nèi)容。森林植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,維持和調(diào)控著地球生態(tài)環(huán)境的平衡,因此森林景觀格局及其破碎化的研究也成為景觀生態(tài)學(xué)研究中的熱點(diǎn)。秦嶺菜子坪林區(qū)位于陜西省寧陜縣境內(nèi),地處秦嶺中段南坡,是秦嶺國(guó)家級(jí)生態(tài)功能保護(hù)區(qū)的重要組成部分,也是國(guó)家南水北調(diào)中線工程的主要水源涵養(yǎng)區(qū)。在現(xiàn)有秦嶺中段南坡景觀格局的研究中,張爽等于2004年對(duì)秦嶺中段南坡景觀格局與大熊貓棲息地的關(guān)系進(jìn)行了研究;王斌等先后于2005和2010年對(duì)該區(qū)火地塘林區(qū)的景觀格局破碎度和人為干擾對(duì)景觀格局的影響作了研究,但是前者所用的數(shù)據(jù)太早(1988年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)),后者則側(cè)重于景觀格局變化的研究,而關(guān)于森林景觀格局及其破碎化特征的研究還較少。本研究以菜子坪林區(qū)2005年森林資源二類調(diào)查資料為主要數(shù)據(jù)源,在分析景觀格局總體特征的基礎(chǔ)上,對(duì)各景觀類型的邊界密度、平均分維數(shù)、平均最近鄰距離和相似鄰接比4個(gè)景觀破碎化指標(biāo)進(jìn)行了比較分析,以期闡明研究區(qū)森林景觀格局現(xiàn)狀和破碎化特征,為研究區(qū)以及秦嶺中段南坡森林資源管理、保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)參考。1土壤、植被分布特點(diǎn)菜子坪林區(qū)(東經(jīng)108°11′～108°24′、北緯33°28′～33°48′)位于陜西秦嶺中段南坡,海拔732～2964m,面積37045.78hm2,氣候?qū)倥瘻貛Ш蜐駶?rùn)氣候區(qū),垂直分異明顯。試區(qū)年平均氣溫8.0℃,年平均降水量1027mm(多集中在7、8、9月份),年無(wú)霜期80～300d,生長(zhǎng)期為190d。境內(nèi)土壤主要有黃棕壤、棕壤、暗棕壤3類,其中棕壤所占比例較大,為64.1%;黃棕壤次之,為28%;在地形、氣候、生物、母質(zhì)等成土因子的綜合作用下,3個(gè)土類呈現(xiàn)出明顯的垂直分布規(guī)律:即黃棕壤(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。試區(qū)植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)域,植物類型以落葉闊葉林、針闊混交林為主,森林植物種類繁多,組成復(fù)雜,森林覆蓋率達(dá)94%以上。試區(qū)內(nèi)有種子植物約700種,隸屬于86科,239屬,其中主要喬木樹(shù)種有油松(Pinustabulaeformis)、華山松(Pinusarmandii)、云杉(Piceaasperata)、秦嶺冷杉(Abieschensiensis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、紅樺(Betulaalbo-sinensis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)等約30種。2學(xué)習(xí)方法2.1森林景觀類型根據(jù)研究區(qū)的森林植被類型,以森林小斑內(nèi)優(yōu)勢(shì)植物群落的建群種和共建種對(duì)菜子坪林區(qū)景觀類型進(jìn)行命名,劃分出13個(gè)森林景觀類型(云杉林(T1)、冷杉林(T2)、櫟林(T3)、華山松林(T4)、油松林(T5)、軟闊林(T6)、樺木林(T7)、硬闊林(T8)、落葉松林(T9)、鐵杉林(T10)、刺槐林(T11)、板栗林(T12)、楊樹(shù)林(T13))和1個(gè)無(wú)林地景觀類型(T0,包括裸地、農(nóng)業(yè)用地、建筑用地、河流等非林業(yè)用地)。根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)可知,13個(gè)森林景觀類型中冷杉林包括秦嶺冷杉和巴山冷杉;櫟林主要包括栓皮櫟、銳齒櫟;樺木林主要包括紅樺、牛皮樺、白樺;硬闊林包括槭樹(shù)、千金榆、臭椿等;軟闊林包括柳、楓楊、楸樹(shù)、椴樹(shù)等。2.2各景觀類型斑塊的測(cè)量方法以2005年菜子坪林區(qū)森林資源二類調(diào)查資料為主要數(shù)據(jù)源。運(yùn)用地理信息系統(tǒng)軟件Arcgis9.3的空間分析功能,對(duì)研究區(qū)森林景觀進(jìn)行分類,并對(duì)各景觀類型的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理,再將所得的數(shù)字化森林景觀圖柵格化,生成像元大小為10m×10m的Grid文件,最后使用景觀結(jié)構(gòu)分析軟件Fragstats3.3計(jì)算相關(guān)景觀指數(shù)。本研究在計(jì)算各景觀類型周長(zhǎng)、面積和斑塊數(shù)等基本景觀格局指數(shù)的基礎(chǔ)上,選取邊界密度、平均分維數(shù)、平均最近鄰距離和相似鄰接比指數(shù),作為景觀類型破碎化程度的指標(biāo)來(lái)分析菜子坪林區(qū)森林景觀格局破碎化程度,其計(jì)算方法如下:1)邊界密度。邊界密度揭示了景觀類型被邊界分割的程度,是景觀破碎化程度的直接反映,其分為各景觀類型的邊界密度和各景觀類型在整體景觀中的邊界密度2種,計(jì)算公式如下:ED=Li/A,(1)EDi=Li/Ai。(2)式中:ED為各景觀類型在整體景觀中的邊界密度,EDi為第i類景觀類型的邊界密度,Li為第i類景觀類型的斑塊總周長(zhǎng),A為整個(gè)景觀的總面積,Ai為第i類景觀類型的斑塊面積。2)平均分維數(shù)。平均分維數(shù)可以說(shuō)明斑塊形狀的復(fù)雜程度。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為平均分維數(shù)(理論取值范圍為1.0～2.0),i為景觀斑塊類型(i=1,2,…,m),j為斑塊數(shù)目(j=1,2,…,n),Pij為景觀類型斑塊ij的周長(zhǎng),aij為景觀類型斑塊ij面積,N為景觀斑塊總數(shù)。3)平均最近鄰距離。平均最近鄰距離反映同類型斑塊間相隔距離的遠(yuǎn)近程度。EΝΝ-ΜΝ=m∑i=1n∑j=1hij/ΝENN?MN=∑i=1m∑j=1nhij/N。(4)式中:ENN-MN為平均最近鄰距離,i為景觀斑塊類型(i=1,2,…,m),j為斑塊數(shù)目(j=1,2,…,n),hij為景觀斑塊ij與其最近鄰體之間的距離,N為景觀斑塊總數(shù)。4)相似鄰接比指數(shù)。相似鄰接比指數(shù)用來(lái)描述景觀中同類型且相鄰的斑塊的比例。ΡLADJ=(m∑i=1giim∑i=1m∑j=1gij)×100%。(5)式中:PLADJ為相似鄰接比指數(shù)(理論取值為0～100%),gii表示第i類景觀類型中相似且相鄰的斑塊數(shù),gij表示第i類景觀類型與第j類景觀類型相鄰的斑塊數(shù)量。3結(jié)果與分析3.1森林景觀類型內(nèi)斑塊面積、總周的分布由表1可知,研究區(qū)域總面積37045.78hm2,分為14個(gè)景觀類型,共1072個(gè)斑塊。在各景觀類型中,無(wú)林地的斑塊面積僅為1125.21hm2,占研究區(qū)域總面積的3.04%,表明菜子坪林區(qū)植被覆蓋率較高。各森林景觀類型中,櫟林、油松林和硬闊林的斑塊面積、總周長(zhǎng)均較大,斑塊數(shù)也較多,三者斑塊面積之和為29033.41hm2,占總面積的78.37%;總周長(zhǎng)之和為3124730m,占研究區(qū)總周長(zhǎng)的69.41%;斑塊數(shù)之和為630個(gè),占總斑塊數(shù)的58.77%,說(shuō)明以上3種景觀類型為研究區(qū)的主要森林景觀。相反,刺槐林、落葉松林、板栗林和楊樹(shù)林4種景觀類型的斑塊面積、總周長(zhǎng)均較小,斑塊數(shù)也較少,對(duì)研究區(qū)森林景觀主體格局的影響較小。在所有景觀類型中,油松林的斑塊密度明顯大于其他景觀類型,說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)油松林分布廣泛。櫟林的斑塊面積方差明顯大于其他景觀類型,說(shuō)明櫟林各斑塊間差異最大,異質(zhì)性特征強(qiáng)烈。3.2香坪林景觀破碎化指數(shù)分析3.2.1景觀類型的破碎化EDi是指某景觀類型周長(zhǎng)與該類型景觀面積之比,即一個(gè)景觀類型單位面積所擁有周長(zhǎng)的度量。單位面積的周長(zhǎng)值大,則景觀類型被邊界割裂的程度高;反之,景觀類型保存完好連通性高。因此,該指標(biāo)在一定程度上反映了景觀類型的破碎化程度。由圖1可知,在本研究所有景觀類型中,EDi從高到低為板栗林(T12)>落葉松林(T9)>華山松林(T4)>軟闊林(T6)>無(wú)林地(T0)>油松林(T5)>楊樹(shù)林(T13)>云杉林(T1)>硬闊林(T8)>鐵杉林(T10)>樺木林(T7)>冷杉林(T2)>刺槐林(T11)>櫟林(T3),其中櫟林的斑塊面積和總周長(zhǎng)均較大,而EDi最低,說(shuō)明該景觀類型的破碎化程度較低;板栗林、落葉松林的斑塊面積和總周長(zhǎng)均較小,EDi卻均較高,表明這2種景觀類型的破碎化程度較高。ED是指某景觀類型周長(zhǎng)與景觀總面積之比,即景觀單位面積上擁有的該景觀類型的周長(zhǎng)。因?yàn)榫坝^總面積為一個(gè)定值,所以該指標(biāo)揭示的規(guī)律與景觀類型周長(zhǎng)一致,但是該指標(biāo)給出了一個(gè)景觀類型的周長(zhǎng)在整個(gè)景觀中的平均分布比例,反映了一個(gè)景觀類型的斑塊邊界對(duì)整個(gè)景觀的影響程度。由圖2可知,在本研究區(qū)所有景觀類型中,油松林(T5)、櫟林(T3)的ED在30m/hm2左右,對(duì)整個(gè)景觀的影響最大;落葉松林(T9)、板栗林(T12)、刺槐林(T11)和楊樹(shù)林(T13)的ED均小于0.5m/hm2,對(duì)整個(gè)景觀的影響較小。3.2.2森林景觀穩(wěn)定性的綜合評(píng)價(jià)平均分維數(shù)直接反映了一定尺度上斑塊邊界形狀的復(fù)雜性及斑塊的破碎化程度。由圖3可知,研究區(qū)各景觀類型的平均分維數(shù)基本相似,均接近1.00,表明森林景觀整體穩(wěn)定性較好;刺槐林(T11)的平均分維數(shù)明顯低于其他景觀類型,從一定程度上說(shuō)明刺槐林作為人工林景觀結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定;櫟林(T3)、油松林(T5)、軟闊林(T6)的平均分維數(shù)均較高,說(shuō)明這3種景觀類型受到的干擾較強(qiáng),穩(wěn)定性相對(duì)較差。3.2.3離的林分類型平均最近鄰距離是指鄰近的同種景觀類型斑塊之間的距離(斑塊中心到中心的距離),反映了景觀格局的團(tuán)聚與分散程度。由圖4可知,各景觀類型中,平均最近鄰距離從高到低依次為板栗林(T12)>落葉松林(T9)>樺木林(T7)>刺槐林(T11)>冷杉林(T2)>無(wú)林地(T0)>鐵杉林(T10)>云杉林(T1)>軟闊林(T6)>華山松林(T4)>硬闊林(T8)>油松林(T5)>櫟林(T3)。菜子坪林區(qū)大多數(shù)景觀類型的平均最近鄰距離在1km以下,說(shuō)明研究區(qū)森林景觀的連續(xù)分布情況總體較好。板栗林(T12)、落葉松林(T9)的平均最近鄰距離明顯大于其他景觀類型,說(shuō)明這2個(gè)景觀類型的破碎化程度均較高。3.2.4景觀類型的分布相似鄰接比指數(shù)反映了同種景觀類型斑塊之間的相鄰頻度。由圖5可知,研究區(qū)各景觀類型相似鄰接比指數(shù)的差異不大,并且均在85以上,說(shuō)明各景觀類型空間分布的連續(xù)性較好。與其他景觀類型相比,板栗林(T12)的相似鄰接比指數(shù)明顯偏低,說(shuō)明其斑塊分布較為零散,與其他異質(zhì)景觀斑塊嵌合較多,破碎化程度較高。櫟林(T3)、刺槐林(T11)相似鄰接比指數(shù)均較高,說(shuō)明這2種景觀類型各自斑塊之間的連接性較好,景觀破碎化程度較低。4景觀類型的破碎化程度在研究區(qū)域中,無(wú)林地斑塊面積僅占3.04%,表明該區(qū)域植被覆蓋情況較好,森林整體分布的連續(xù)性較高;此外研究區(qū)各景觀類型的平均分維數(shù)均接近1.00,說(shuō)明整體上這些景觀類型斑塊的邊界褶皺程度較低,森林景觀整體穩(wěn)定性較好。本研究區(qū)大部分地處中低海拔,適合櫟林(秦嶺地區(qū)分布海拔400～2100m)的生存,因此櫟林在各森林景觀類型中面積最大,分布的連續(xù)性最好,破碎化程度最低,為研究區(qū)域最主要的森林景觀。但由于櫟林所處生境人為活動(dòng)劇烈,干擾強(qiáng)度大,造成景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對(duì)較差。這需要人們對(duì)其加大保護(hù)力度,減少人為干擾,使櫟林作為地區(qū)優(yōu)勢(shì)植被免遭破壞,從而保護(hù)整個(gè)地區(qū)的生態(tài)平衡。本研究各景觀類型中,板栗林為人工經(jīng)濟(jì)林;落葉松林分布在高海拔地區(qū),生境狹小,這導(dǎo)致這2種景觀類型斑塊數(shù)較少,斑塊面積較小,分布極為零散,景觀破碎化程度最高。板栗林作為人工經(jīng)濟(jì)林可以給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)收入,從而降低了當(dāng)?shù)鼐用駷楂@得利益破壞森林植被的發(fā)生幾率;研究區(qū)的落葉松林主要為太白紅杉林,為我國(guó)特有樹(shù)種,屬國(guó)家三級(jí)保護(hù)漸危種,因此要加大對(duì)這2種景觀類型的保護(hù)力度,防止其進(jìn)一步破碎化。本研究中,景觀類型的邊界密度和相似鄰接比指數(shù)所反映出的各景觀類型破碎化程度類似,均為板栗林>落葉松林>華山松林>軟闊林、無(wú)林地>油松林>楊樹(shù)林、云杉林>硬闊林>鐵杉林>樺木林>冷杉林>刺槐林>櫟林,這與平均最近鄰距離所反映出的各景觀類型破碎化程度(板栗林>落葉松林>樺木林>刺槐林>冷杉林>無(wú)林地>鐵杉林>云杉林>軟闊林>華山松林>硬闊林>油松林>櫟林)存在一定的差異。究其原因,可能是因?yàn)?1)油松林雖然景觀斑塊最多,在整個(gè)研究區(qū)域中分布廣泛且較為零散,但在自身生境內(nèi)分布又較為集中,所以平均最近鄰距離較小,生境破碎化程度不高;2)華山松林與油松林的情況相似,也是因?yàn)樵诰植康貐^(qū)分布較為集中,所以平均最近鄰距離較小;3)研究區(qū)