茂兰自然保护区森林景观格局变化探析

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　　摘要    本文以2011年和2017年的森林调查成果化数据为基础，依据不同优势树种组，采用景观格局指数法，从组成结构、斑块特征、景观异质性和空间分布等方面分析茂兰自然保护区的森林景观格局及其变化。结果表明，2011—2017年林地面积增加了654.08 hm2;森林优势树种数量从16种增加至30种;景观面积（CA）最大的均为阔叶混交树种组，增加了1 286.33 hm2;斑块平均大小（MpS）最大的均为阔叶混交树种组，增加了471.80 hm2;面积加权的平均形状指数（AWMSI）和面积加权的平均分形指数（AWMPFD）最大值均为阔叶混交树种组;景观斑块边缘密度（ED）最大值均为阔叶混交树种组;阔叶混交树种组的平均最小距离（ENN）减少。2011—2017年研究区的主要优势树种组阔叶混交树种组得以保护，这与人为干扰的减少有关。
　　关键词    茂兰自然保护区;优势树种组;景观格局;动态变化
　　中图分类号    S759.9        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）09-0131-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Abstract    Based on the forestry survey results data of the year of 2011 and 2017，this paper analyzed the forest landscape pattern and its changes in Maolan Nature Reserve from the aspects of composition structure，plaque characteristics，landscape heterogeneity and spatial distribution by the method of landscape pattern index，according to different dominant species groups.The results showed that the area of forest land increased by 654.08 hm2 from 2011 to 2017.The number of dominant tree species increased from sixteen to thirty.The largest area of landscape（CA）was broad-leaved mixed tree species group，which increased by 1 286.33 hm2.The largest size of average plaque size（MpS）was broad-leaved mixed tree species group，which increased by 471.80 hm2.The maximum value of area-weighted average shape index（AWMSI）and area-weighted average fractal index（AWMPFD）were all the broad-leaved mixed tree species group.The maximum value of landscape patch edge density（ED）was the broad-leaved mixed tree species group.The average minimum distance（ENN）of the broad-leaved mixed tree species group reduced.The main dominant tree species group of broad-leaved mixed tree species group was protected in the study area from 2011 to 2017，which was related to the reduction of human disturbance.
　　Key words    Maolan Nature Reserve;dominant tree species group;landscape pattern;dynamic change
　　森林景觀格局是大小和形状各异的森林景观镶嵌体在空间上的排列和组合形式[1]。森林景观是区域整体景观的重要组成部分，在生态系统和人类游憩活动中发挥着无可替代的作用，是景观生态学研究的重点和热点[2]。研究森林景观格局和空间分布特征对指导森林可持续经营、优化森林景观空间分布结构以及合理发挥生态经济效益具有重要的理论和实践意义[3]。目前，森林景观生态研究主要有景观格局指数法、3S技术分析法和景观空间点格局分析法等方法，从种群或森林斑块组成结构、异质性分析、空间结构等方面进行研究，不仅有根据几期数据进行动态的景观格局分析，也有根据参数建立模型模拟未来森林景观格局等[4-8]。 　　茂兰喀斯特森林是一种特殊的森林植被类型，其分布集中、原生性强、相对稳定及脆弱和难以恢复的特性在世界植被中占有重要地位，不仅具有重要的基础理论研究意义，而且对中国西南石质荒漠化地区，特别是对南方湿润地区森林植被的恢复与生态环境的重建具有重要的生产指导意义。本文运用景观指数法，从优势树种组的研究角度来分析2011年和2017年的森林内部景观格局及其动态变化，旨在揭示其森林景观空间结构特征，为保护区的建设和后续的森林经营管理工作提供理论参考。
　　1    研究方法
　　1.1    研究区概况
　　茂兰国家级自然保护区位于贵州省黔南布依族苗族自治州荔波县境内，地理位置为东经107°52′10″～108°45′40″、北纬25°09′20″～25°20′50″，海拔430～1 078 m，是典型的喀斯特峰丛漏斗和峰丛洼地地貌。保护区属于典型的中亚热带季风温润气候，年平均气温为15.3 ℃，气温年均差18.3 ℃，1月平均气温为5.2 ℃，7月平均气温为23.5 ℃，生长期237 d。2007年，茂兰自然保护区获联合国教科文组织审定为世界自然文化遗产，主要保护对象为喀斯特森林及珍稀动植物。自然保护区内保护植物有红豆杉（Taxus chinensis）、单性木兰（Kmeria septentrionalis）、掌叶木（Handeliodendron bodinie-ri）、小叶兜兰（Paphiopedilum barbigerum）、华南五针松（Pinus kwangtungensis）、翠柏（Calocedrus macrolepis）和榉树（Zelko-va serrata）等。
　　1.2    调查方法
　　1.2.1    数据来源和处理方法。本文以2011年荔波县林保数据化成果和2017年荔波县林地更新数據化成果、茂兰自然保护区范围为基础数据。利用Arcgis10.2对荔波县2011年和2017年森林数据化成果与茂兰自然保护区范围进行叠加分析，得到2011年和2017年茂兰自然保护区的森林数据化成果;依据优势树种组对2011年和2017年的林地小班进行融合，再进行拆分，最后得到2011年和2017年优势树种组森林景观类型分类图;选取10 m的粒度，将2011年和2017年的森林景观类型分类图分别转化成Tiff格式数据。此后，将2011年和2017年的Tiff格式数据导入到Fragatats软件中，选取合适的景观格局参数，得到2011年和2017年森林景观指数。将森林景观指数导入Excel中，对数据进行统计分析。
　　1.2.2    景观空间格局指数。景观指数是浓缩的景观格局信息，能在一定程度上反应其空间配置特征和结构组成等信息[9]。本文从景观、类型和斑块等3个层面选择了景观格局指数来分析茂兰自然保护区的景观格局。各景观指数的计算公式如下：
　　式中：CA表示类型面积，hm2;NP表示斑块个数，个;MpS表示斑块平均大小，hm2;PLAND表示斑块所占景观面积比例;AWMSI表示面积加权的平均形状因子;AWMPFD表示面积加权的平均斑块分形指数;PD表示斑块密度;ED表示边缘密度;SHDI表示Shannon多样性指数;SHEI表示Shannon均匀度指数;ENN表示平均最近距离，m;IJI表示散布与并列;CONTAG表示蔓延度;i表示景观要素的种类;j表示景观要素的斑块序号;aij表示第i类景观要素第j个斑块的面积，hm2;Pi表示第i类景观要素的总周长;A表示景观总体面积，hm2;Pij表示第i类景观要素第j个斑块的周长;ni表示第i类景观要素斑块数目;ai表示第i类景观要素的总面积，hm2;hij表示斑块i到j之间最近的同类型斑块的距离，m。
　　2    结果与分析
　　2.1    森林景观格局变化
　　由表1可知，2011—2017年，研究区茂兰自然保护区的Shannon多样性指数（SHDI）、Shannon均匀度指数（SHEI）分别从0.69、0.25降至0.57、0.17，由此说明这一时段研究区景观水平森林景观的多样性有所下降;斑块平均大小（MpS）从15.98 hm2增至17.15 hm2，面积加权的平均形状因子（AWM-SI）、面积加权的平均斑块分形指数（AWMPFD）分别从13.11、1.26降至10.73、1.25，说明这一时段研究区景观形状复杂程度有所下降;景观斑块密度（PD）和景观边缘密度（ED）分别从6.26、47.99降至5.83、34.10，说明景观的边缘效应减弱;景观蔓延度（CONTAG）从85.23增至90.25，表明景观的连接性增强。
　　2.2    优势树种景观格局变化
　　从表1和表2可知，2011—2017年，研究区的总面积为21 299.96 hm2，2011年和2017年的非林地面积分别为2 836.32 hm2和2182.24 hm2，表明研究区的非林地面积减少了654.08 hm2，相应地林地面积增加了654.08 hm2;森林优势树种数量从2011年的16种增加至2017年的30种，2011年和 2017年均有的优势树种组为马尾松、阔叶混交树种组、杉木、杨梅、枫香和竹灌等6种，说明2011年和2017年优势树种组种类差异大。
　　2.2.1    优势树种的组成结构变化。由表2可知，2011年和2017年景观面积（CA）的优势树种组前四排序均为阔叶混交树种组、杂灌、马尾松、杂竹，且其值远大于其他类型的景观面积，占2011年景观面积的86.27%，占2017年景观面积的88.14%，因而这4种优势树种组构成研究区2011年和2017年的森林景观基质。 　　2011年和2017年景观面积（CA）最大的均为阔叶混交树种组，分别为17 054.69 hm2和18 341.02 hm2，2017年较2011年增加了1 286.33 hm2。由于阔叶混交树种组大多为天然更新，其面积的增加表明人为干扰减少，植被恢复逐渐增强。2011年以马尾松和杉木为主的人工林景观面积为223.51 hm2，2017年以马尾松、杉木和柏木为主的人工林景观面积为151.96 hm2，减少了71.55 hm2，说明研究区以木材为经营目标的行为减少，研究区植被得以较好的保护。
　　2011年景观数量（NP）前四排序的为杂灌、阔叶混交树种组、杂竹、马尾松，占总体景观数量的27.83%;2017年景观数量前五排序为其他软阔树种组、其他硬阔树种组、其他灌木树种、马尾松、杂竹，占总体景观数量的30.43%。
　　2.2.2    优势树种的斑块特征变化。由表2可知，从斑块大小来看，2011年和2017年的斑块平均大小（MpS）最大的均为阔叶混交树种组，且2个时段的MpS远远大于同一时期其他类型，阔叶混交树种组等大型斑块景观，有利于维持研究区生境稳定性和内部生境种的存活，有利于增加生物多样性和保护物种。MpS在一定程度上也反映了斑块的景观连接性，阔叶混交树种组2017年较2011年增加了471.79 hm2，说明2017年主要优势树种组的景观连接性优于2011年。
　　从斑块复杂性来看，面积加权的平均形状指数（AWM-SI）和面积加权的平均分形指数（AWMPFD）表达了斑块的形状复杂性以及人类行为对景观空间格局的干扰程度，其值越大斑块形状越复杂，通常形状最复杂的斑块类型AW-MPFD 的上限值为1.5[10]。从面积加权的平均形状指数来看，2011年、2017年的AWMSI指数最大值均为阔叶混交树种组，分别仅为15.50、11.90，2011年较2017年高3.60，表明2011年和2017年研究区森林景观格局复杂程度相对较低，且2017年的主要优势树种组的景观格局复杂程度有所下降。从面积加權的平均分形指数来看，2011年、2017年的AWMPFD最大值均为阔叶混交树种组，分别为1.29、1.26，说明这一时段内人为干扰对阔叶混交树种组的影响并不强烈，而其他优势树种组景观格局的AWMPFD值都较小，有一部分接近1，这说明人为干扰对这些优势树种组具有强烈影响。
　　2.2.3    优势树种的异质性变化。景观斑块密度（PD）反映景观整体斑块分化程度，斑块密度高，表明一定面积上异质景观要素斑块数量多、斑块规模小、景观异质性高[11]。由表3可知，2011年景观斑块密度排序前三的为杂灌、阔叶混交树种组、马尾松，其余景观类型的景观斑块密度都很小;2017年的景观斑块密度最大为阔叶混交树种组，远大于其他类型的景观斑块密度，说明2011年的杂灌和2017年阔叶混交树种组景观异质性最高。景观要素边缘密度（ED）是指研究对象单位面积上某类景观要素斑块与其相邻异质斑块之间的边缘长度，反映景观中异质性斑块之间物质、能量和信息交换的潜力及其相互影响的强度[12]。由表2可知，2011年、2017年的景观斑块边缘密度最大的均是阔叶混交树种组，分别为38.22、28.96。2011年阔叶混交树种组的景观斑块边缘密度高于2017年阔叶混交树种组的景观斑块边缘密度，说明2017年阔叶混交树种组与其他相邻优势树种组的物质、能量和信息交换强于2011年。
　　2.2.4    优势树种的空间分布变化。平均最小距离（ENN）为同质森林景观要素之间的空间关系，具体为某一类景观要素内部斑块之间或者同类景观要素的不同结构成分之间的空间关系[13]。由于2011年的桐类、板栗、桑、竹灌和银杏等，以及2017年的桐类、西南绣球、松灌、柏木、南烛、土蜜树、梨、灌木林树种组、杜茎山和绣线菊等，均只有1个景观斑块，因而不存在平均最小距离。2011年的森林景观斑块平均最小距离在100 m以内的为阔叶混交树种组、栲属和枫香，在500 m以内的为杂灌、马尾松、杂竹和桑，在1 000 m以内的为软阔类，1 000 m以上的为杉木和杨梅。2017年的森林景观斑块平均最小距离在100 m以内的为阔叶混交树种组，在500 m以内的为其他灌木树种、竹灌、马尾松、其他硬阔树种组、其他软阔树种组、山杨、火棘和桑，在1 000 m以内的为杂竹和香椿，1000米以上的为栎灌、桉类、杨梅、蔷薇类、杉木、板栗、杜仲和枫香树。2011年、2017年均是阔叶混交树种组的平均最小距离最小，而其他森林景观类型的平均最小距离大，这是由于阔叶混交树种组的斑块面积大、数量多，而其他森林景观类型的斑块面积小、数量少影响的。从时间变化上分析来看，主要优势树种组斑块阔叶混交树种组的平均最小距离从2011年的51.76减至2017年的47.50，说明阔叶混交树种组的斑块连接性有所增强;而其他森林景观类型的平均最小距离趋于变大，说明其他森林景观类型逐渐呈离散状态分布。这些与保护区的森林保护工作得以重视以及植被的自然更新恢复有一定的关系。散布与并列指数（IJI）表示异质森林景观要素之间的空间关系，其取值越小，说明与该景观类型相邻的其他类型越少。当IJI=100时，说明该类型与其他所有类型完全、等量相邻[14]。研究区2011年和2017年不同优势树种组散布与并列指数数值大多处于中等偏下水平，整体景观的斑块分布较为集中连片，2011年和2017年整体景观斑块的分布形式变化不大。
　　3    结论与讨论
　　从景观层面分析，2011—2017年，研究区茂兰自然保护区的Shannon均匀度指数（SHEI）、Shannon多样性指数（SH-DI）分别下降，表明景观水平森林景观的多样性在下降;斑块平均大小（MpS）增加，面积加权的平均形状因子（AWM-SI）、面积加权的平均斑块分形指数（AWMPFD）均下降，表明景观形状复杂程度下降;景观边缘密度（ED）和景观斑块密度（PD）均下降，表明景观的边缘效应减弱;景观蔓延度（CONTAG）增加，表明景观的连接性增强。这些与优势树种组种类数量从2011年16种增加至2017年30种、而总体斑块数量从2011年1 333个降至2017年1 242个有关。 　　从类型层面分析，2011—2017年，研究区的非林地面积减少了654.08 hm2，林地面积增加了654.08 hm2。2011年和2017年景观面积（CA）最大的均为阔叶混交树种组，其中2017年较2011年增加了1 286.33 hm2，阔叶混交树种组多为天然更新，面积的增加表明人为干扰减少，植被恢复逐渐增强。2011年和2017年阔叶混交树种组斑块平均大小（MpS）均远远大于同一时期其他类型，阔叶混交树种组等大型斑块景观，有利于维持研究区的生境稳定性和内部生境种的存活，有利于增加生物多样性、保护物种。2011年和2017年都是阔叶混交树种组的平均最小距离（ENN）最小，而其他森林景观类型的平均最小距离大，这可能是由于阔叶混交树种组的斑块面积大、数量多，而其他森林景观类型的斑块面积小、数量少。由此可见，研究区内阔叶混交树种组这种天然更新的优势树种组对于维持保护区森林植被的稳定性有着重要的控制作用。人为干扰的减少可以促进森林景观斑块面积萎缩，斑块间的连通度降低，景观破碎度减小，促进斑块内和斑块间的物种、物质、能量和信息的交换，对于研究区来说，适宜的森林经营和土地开发等人类活动对茂兰自然保护区森林景观的保护有着重要意义。
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