孙拥康　汤景明*　全永寿　林孝培

（1湖北省林业科学研究院，湖北武汉430075；2长岭岗林场，湖北建始445300）

基于GIS的长岭岗林场森林景观格局分析与优化

孙拥康1汤景明1*全永寿2林孝培2

（1湖北省林业科学研究院，湖北武汉430075；2长岭岗林场，湖北建始445300）

以建始县国有长岭岗林场森林资源二类调查数据为基本材料，在GIS技术支持下，从森林景观格局总体特征、景观斑块异质性和景观水平异质性3个层次对该林场森林景观格局特征进行定量化分析。结果表明：其森林景观存在分布极不均衡、未利用林地斑块数量多、受干扰及破碎化程度高、生态功能及效益得不到有效发挥等问题。对此，有针对性地提出了森林景观格局优化建议，指出了森林景观格局优化方向。研究结果从景观尺度为建始县国有长岭岗林场森林可持续经营提供了科学依据。

森林景观格局；景观异质性；景观破碎化；景观格局优化；长岭岗林场

森林景观格局是指性质、大小及形状各异的森林景观要素在空间上的分布和组合特征，是当今森林景观生态学研究的核心［1］。它是在一定的自然条件和人类活动综合作用下，森林景观异质性在空间上的具体表现［2］。对其进行定性、定量的描述和分析，有助于揭示景观结构与功能之间的关系、发现景观内部潜在的、有意义的变化规律和形成机制，是进一步开展景观评价、优化利用和保护、景观恢复和可持续发展等的重要基础和基本途径［3-5］。近年来，随着GIS等信息技术手段的快速发展，将现代信息科学技术广泛地应用于区域森林景观格局定量研究中，使得这一领域的研究开始变得更加深入［6-10］。

目前，我国对森林景观格局的研究相对成熟，主要集中在对森林景观格局特征、景观格局动态变化及驱动力、景观格局尺度效应等方面，这些研究对我国森林景观格局定量化研究具有积极的推动作用，为我国森林景观格局定量指标的建立、完善、测量及统计等提供了重要的科学依据和技术支撑［11-12］。建始县国有长岭岗林场森林资源丰富，是我国南方重要的速生丰产林基地，在鄂西山区占据着重要的经济、社会和生态地位。虽然已有大量文献从该场小尺度的林分水平开展相关林业科学研究，但从中、大尺度的景观水平开展的研究还较少涉及。本文研究以建始县国有长岭岗林场森林资源为研究对象，运用景观格局分析软件和GIS技术相结合的方法，从森林景观格局总体特征、景观斑块异质性和景观水平异质性3个方面出发，对全场森林景观格局进行了量化分析，并针对性的提出全场森林景观格局优化建议，以期为区域合理配置景观结构、科学规划经营方案、最大限度发挥森林综合效益，实现森林可持续经营提供科学依据。

1　研究区概况

建始县国有长岭岗林场，地处鄂西山区巫山余脉南端，林场中心位置地理坐标为30°48′N、110°03′E，海拔高度1 600～1 900m，平均坡度25°；属北亚热带季风气候，林场年均气温11.7℃，极端最高气温29℃，极端最低气温-17.2℃，无霜期203d；年降水量1 884.3mm，年蒸发量933.3mm，相对湿度85%；年日照时数1 533h；土壤主要为山地黄壤、黄棕壤，成土母质主要为石灰岩、硅质页岩等，土壤平均厚度为80cm左右，pH值5.6～6.5，呈酸性，有机质含量丰富，但氮磷含量较低。林场内森林植被丰富，除日本落叶松外，主要乡土乔木树种有檫木、漆树、鹅掌揪、光皮桦、锥栗等［13］。

2　材料与方法

2.1数据来源及预处理以建始县国有长岭岗林场2009年的森林资源二类调查数据为数据源。在Arcgis10.0平台支持下，通过对数据进行数字化处理及各矢量图层的叠加，构建了研究区具有小班属性的数字化森林景观复合图层。该复合图层属性表数据包括编号、林班号、小班号、小班面积、林种、地类、立地类型、起源、优势树种、树种组成、年龄、龄组、郁闭度、经营类型、土壤类型、土壤厚度、腐殖质厚度、海拔、坡度、坡向、坡位、权属、每公顷株数、每公顷蓄积、小班蓄积等30余个属性数据项。

2.2森林景观类型划分为从不同层次上全面客观地反映建始县国有长岭岗林场森林景观格局特征，本文根据研究区实际情况，在遵循植被分布规律和分类结果不至于过分破碎原则基础上，兼顾森林景观外部及内部结构差异，按照地类因子、植被因子及地形因子相结合的3级分类方法，将研究区森林景观划分为松类、杉类、速阔类、针针混交类、针阔混交类、阔叶混交类、无林地类共7类景观类型，全场森林景观要素类型分布见图1。

图1　森林景观要素类型空间分布示意

2.3景观格局指数选择景观指数能够高度浓缩景观格局的信息，是反映其结构组成和空间配置特征的定量指标，因此，选择出相关性较小且生态学意义明确的景观指数显得非常重要［14］。本文综合考虑不同指标特点、研究目的及研究内容等，主要从3方面对研究区景观格局进行了描述：（1）景观类型特征分析指标：斑块个数（NP）、斑块面积（CA）、面积百分比（PLAND）、平均面积（MPS）、斑块形状指数（PSI）；（2）景观斑块类型水平异质性指标：斑块密度（PD）、边缘密度（ED）；（3）景观水平异质性指标：蔓延度（CONTAG）、相似邻近百分比（PLADJ）、散布与并列指数（IJI）、多样性指数（SHDI）、均匀度指数（SHEI）。

3　景观格局定量分析结果

3.1景观格局总体特征从表1可以看出，建始县国有长岭岗林场7类森林景观要素类型，共有斑块数146个，总斑块面积为1 095.37hm2，平均斑块面积为7.50hm2。其中，松类景观斑块个数和斑块面积均最大，分别为99个和658.96hm2，约占全场总森林景观面积的60.16%，但其平均斑块面积和形状指数相对较小，分别为6.66hm2和2.72，说明松类景观在全场森林景观组分中占绝对优势，为研究区的基质景观类型，对研究区整体景观结构、功能及动态过程起着主导作用，但其斑块形状简单，受干扰程度和破碎化程度较大；杉类景观和针针混交林景观斑块个数分别为14个、7个，面积分别为168.02hm2、95.10hm2，两者共占全场总森林景观面积的24.02%，说明该两类景观也是研究区森林景观的重要组成部分，对维持全区森林景观多样性和稳定性发挥着重要作用；其他森林景观类型面积相对较小，但形状指数相对较大，特别是阔叶混交林，形状指数最大，为3.74，说明这些景观类型斑块形状及空间分布相对较复杂，受干扰程度相对较小。此外，无林地景观斑块个数为17个，斑块面积为131.79hm2，从面积上看仅次于松类和杉类景观的景观类型，无林地景观相对较多，在为各类型森林景观提供必要的生态廊道和基质的同时，也极大增大了各类型森林景观受干扰及分布不均衡的风险，是造成研究区森林景观异质性和破碎化的重要原因之一。

表1　景观要素类型特征指数

3.2景观斑块异质性分析景观斑块异质性反应了不同景观要素斑块之间的空间关系特征，斑块密度和边缘密度是描述景观斑块异质性的常用指标［15］。斑块密度常用来反应景观整体的分化程度，边缘密度则常用来反应景观整体的复杂程度。由表2可以看出，研究区各森林景观斑块密度和边缘密度差异性明显：斑块密度以松类景观最大，达9.04块/km2，无林地、杉类、针针混交林、速阔类景观斑块密度次之，均大于0.50块/km2，针阔混交林、阔叶混交林类景观斑块密度则较小。说明研究区森林景观异质性显著，斑块分化程度较高，特别是松类景观受经营、采伐等人为干扰因素的影响，斑块较分散，斑块破碎化程度较高；边缘密度与斑块密度基本呈现相一致的结果，以松类景观最大，达17.26m/hm2，阔叶混交林类景观最小，为0.01m/hm2，说明松类景观作为研究区基质景观类型，主导着斑块与环境、斑块与斑块之间物质、能量等信息交换的同时，森林景观类型单位面积上的周长值大，斑块边缘被分割程度较高，而阔叶混交林类景观则相反，斑块面积和周长均较小，边缘密度低，斑块相对较集中，类型保存较完整，边缘密度也间接反映了景观斑块的破碎化程度。

表2　景观斑块异质性指数

3.3景观水平异质性分析景观水平异质性分析有助于更好的认识区域景观格局的空间特征［16］。本文从景观水平上，共选取蔓延度、相邻与邻近百分比、散布与并列指数、多样性指数及均匀度指数5个景观指数来表征全场森林景观异质性。由表3可知，全场森林景观要素类型蔓延度指数较高，为72.54，蔓延度反映了景观中不同斑块类型的团聚程度或延展趋势，蔓延度高说明全场森林景观主要由少数大斑块类型团聚组成，并且具有较好的连接性；全场森林景观要素类型相似邻近百分比指数及散布与并列指数也较高，分别为87.53%和57.43%，相似邻近百分比指数反映了区域斑块的聚集程度，散布与并列指数反映了全场森林景观分散与相互混杂程度，两者值均较高，说明全场森林景观斑块相对较集中，分散程度较小，且各景观斑块类型邻接程度较大；全场森林景观要素类型多样性指数较大，为1.21，而均匀度指数较小，为0.39，景观多样性和均匀度指数是反应、评价景观异质性和分布状况的重要指标，景观多样性指数大，说明全场整体景观水平多样性较高，景观组成结构复杂；而景观均匀度指数小，说明全场森林景观斑块类型分布不均衡，景观主要受一种或少数几种优势斑块类型所支配，结合全场景观格局总体特征分析结果，优势景观斑块为松类景观和杉类景观。

表3　景观水平异质性指数

4　景观格局优化建议

景观格局优化目标是调整优化景观组分、斑块的数量和空间分布格局，使各组分之间达到和谐、有序，以改善受胁受损的生态功能，提高景观总体生产力和稳定性，实现区域可持续发展［17］。根据上述分析可知，建始县国有长岭岗林场整体森林景观还存在分布极不均衡、未利用林地斑块数量多、受干扰及破碎化程度高、生态功能及效益得不到有效发挥等问题，本文从研究区实际出发，针对现状问题提出如下景观格局优化建议。

4.1立足区域定位，科学系统规划景观格局区域定位是开展景观格局优化设计的前提。建始县国有长岭岗林场地处鄂西山区巫山余脉南端，不仅是我国南方重要的速生丰产林基地，同时，该区也是我国典型的生态脆弱区，在维护区域经济、社会发展及生态安全等方面占据着重要地位。因此，开展景观格局优化必须建立在对全场整体景观格局、功能及过程的深入理解基础上，通过科学、系统地景观格局规划，将其作为一个复杂的系统分析过程，综合考虑景观格局优化的整体生态功能优先、多目标、多功能、尺度适宜性、结构合理及平衡性等原则，建立整体优化目标和标准，对各种景观类型在空间和数量上进行优化设计，进而实现全场森林景观格局整体最优化和生态综合价值的最大化［18-20］。

4.2遵循自然生境条件，合理配置植物群落建始县国有长岭岗林场地形属中高山区，地势起伏多变，环境复杂，在进行全场森林景观格局优化时不能只注重形态优美、视觉丰富，更应遵循山区地形和自然生境条件的特殊性和复杂性，注重与山地地形地貌、气候、土壤、水文等外界因素的联系，详细凋查和记录好场区每个山位的植物群落类型、土壤状况、坡度和坡向等自然生境因子，为以后的优化配置提供科学的数据基础。同时，植物群落的景观格局配置和优化是随着符合特定植物生境条件而定的，是以生态学和景观生态学为基础的拟自然处理手法，在选择和配置植物群落时应结合外界生态因素，注重从植物群落整体完整性、结构异质性、功能连续性、内部稳定性以及环境适应性等多方面、多层次进行合理优化配置［21-23］。

4.3增加景观异质性，营造和谐景观空间结构森林经营的本质是维持和促进森林景观异质性，提高景观多样性与稳定性，实现森林的可持续经营［24］。建始县长岭岗林场各类型景观斑块分布极不均衡，全场景观主要由松类和杉类等少数几个优势景观类型团聚组成，整体破碎化程度较高，且该类型景观多以单一纯林植物群落为主，整体景观空间格局及群落结构不尽合理，不利于整体景观生态系统的稳定性发展。因此，在进行景观格局优化时，除考虑特定自然生境条件外，还应注重增加景观异质性，营造植物群落之间和谐的空间结构关系。在配置和优化植物群落景观格局中，当植物群落结构比较单一情况下，相应增加植物群落种类和数量，保持植物群落结构的完整性、连通性、多样性及异质性，同时，还应注意保持植物生态廊道的完整和分散斑块之间的连接性，这样才能达到景观空间结构的多样性和异质性，丰富植物群落的景观效果，从而加强植物群落景观空间结构的稳定与和谐［25-26］。

5　结论与讨论

本研究基于景观尺度水平，通过对建始县国有长岭岗林场森林景观格局特征进行定量化分析，结果表明：该场森林景观存在分布极不均衡、未利用林地斑块数量多、受干扰及破碎化程度高、生态功能及效益得不到有效发挥等问题，在此基础上，笔者依据研究区实际，并综合考虑区域定位、生境条件、植物配置、景观结构等具体实践要求，系统总结出立足区域定位，科学系统规划景观格局、遵循自然生境条件，合理配置植物群落、增加景观异质性，营造和谐景观空间结构3条景观格局优化建议，指出了研究区景观格局优化方向。研究结果对于从整体宏观上指导建始县国有长岭岗林场进行景观空间结构调控与优化、科学经营与管理具有一定的现实意义。

国有林场是我国生态修复和建设的重要力量，是维护国家生态安全最重要的基础设施。如何有效发挥国有林场保护培育森林资源、维护国家生态安全主体责任功能，一直以来都是林业科学研究的焦点之一。近年来，随着我国景观生态学研究的不断发展和完善，将景观生态学原理运用并实践到国有林场森林经营工作中，为从整体上分析和评价森林景观结构组成、分布特征及空间配置关系，指导区域制定合理的景观生态规划、管理及保护等经营措施提供了新的理论和方法。但鉴于景观格局与生态过程之间关系的复杂性，在组织植物群落景观营造时，如何选择合适的配置造林树种，完善植物群落景观的整体性与连续性，提高植物群落景观异质性和多样性；如何减少单一植被类型景观的分布区域，降低植物群落景观的破碎化；如何因地制宜的构建符合区域实际的整体景观格局优化空间发展模式，实现景观与生态最优生态格局，还有待在具体实施过程中进一步细化和研究［27-28］。

［1］邬建国.景观生态学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［2］任婕，陈传明，侯雨峰.福建武夷山自然保护区植被景观格局研究［J］.中国农学通报，2015，31（22）：206-212.

［3］Musacchio L，Ozdenerol E，Bryant M，et al.Changing landscapes，changing disciplines：seeking to understand interdisciplinaryinlandscapeecologicalchangeresearch［J］.Landscape and Urban Planning，2005，73（4）：326-338.

［4］林巧香，何东进，洪伟，等.天宝岩国家级自然保护区森林景观格局特征变化［J］.四川农业大学学报，2010，28（3）：291-295.

［5］邱实，赵广亮，杨华，等.八达岭林场森林景观格局动态分析［J］.江西农业大学学报，2014，36（3）：594-600.

［6］陈望雄，杨新荣，黎振强.基于3S技术的东洞庭湖区域森林景观格局分析［J］.中国农学通报，2015，31（1）：1-9.

［7］周亚东，周兆德.基于GIS与Fragstats的海南岛森林景观格局研究［J］.中南林业科技大学学报，2015，35（5）：78-83.

［8］胡喜生，周沿海，黄金荣，等.基于GIS的闽江上游城区森林景观格局分析［J］.吉林师范大学学报（自然科学版），2014，（1）：130-135.

［9］岳刚，杨华，亢新刚，等.基于GIS的长白山森林景观格局分析［J］.中南林业科技大学学报，2013，33（7）：35-39.

［10］杨珍珍，白淼源.基于GIS的大兴安岭呼中森林景观格局分析［J］.东北林业大学学报，2010，38（9）：40-43.

［11］姜艳，尹光天，孙冰，等.我国森林景观生态研究进展［J］.生态科学，2008，27（4）：283-288.

［12］白降丽，彭道黎，庾晓红，等.森林景观生态研究现状与展望［J］.生态学杂志，2005，24（8）：943-947.

［13］孙拥康，汤景明，徐红梅，等.长岭岗林场日本落叶松人工林适宜经营密度研究［J］.湖北林业科技，2014，43（3）：17-20.

［14］余新晓，李秀彬，夏兵，等.森林景观格局与土地利用/覆被变化及其生态水文响应［M］.北京：科学出版社，2010.

［15］林媚珍，冯荣光，刘妍，等.南岭国家级自然保护区典型区域森林景观格局分析［J］.林业资源管理，2014，（5）：86-91.

［16］陈彩虹，毛旭鹏，佘济云，等.宁远河流域森林景观格局分析［J］.中国农学通报，2012，28（7）：32-37.

［17］韩文权，常禹，胡远满，等.景观格局优化研究进展［J］.生态学杂志，2005，24（12）：1487-1492.

［18］贾宝全，杨洁泉.景观生态规划：概念、内容、原则与模型［J］.干旱区研究，2000，17（2）：70-77.

［19］Bettinger P.Challenges and opportunities for linking the modeling of forest dynamics with landscape planning models［J］.Landscape Urban Plan，2001，56：107-124.

［20］Grabaun R，Meyer BC.Multicriteria optimization of landscape using GIS-based functional assessments［J］.Landscape Urban Plan，1998，43：2l-34.

［21］高亚红，杨俊杰，吴玲，等.生态学原理在植物配置中的应用［J］.黑龙江农业科学，2012，（6）：90-92.

［22］李妮，陈其兵，杨玉培.近自然植物群落景观理念在园林绿化中的应用探讨［J］.西南园艺，2006，34（3）：24-26.

［23］徐高福，袁位高，卢希.生态景观林目的树种选择定量研究［J］.绿色科技，2012（3）：10-14.

［24］陈端吕，李际平，陈哲夫.森林景观“斑块耦合网络”视角下森林经营的思考［J］.西北林学院学报，2015，30（5）：268-272.

［25］周顺丽，周建华，夏磊.从景观生态学探讨山地公园植物群落景观格局的优化［J］.安徽农业科学，2011，39（12）：7228-7229，7235.

［26］黄培森.城市生态公园植物群落营造过程中的景观格局优化--以长泰县文昌公园为例［J］.安徽农学通报，2014，20（18）：113-116.

［27］葛方龙，李伟峰，陈求稳.景观格局演变及其生态效应研究进展［J］.生态环境，2008，17（6）：2511-2519.

［28］张会儒，蔡小虎.景观格局及动态研究进展［J］.西南林学院学报，2008，28（1）：23-28.

（责编：张长青）

GIS-based Analysis and Optimization of Forest Landscape Pattern in Changlinggang Forest Farm

Sun Yongkang1et al.
（1Hubei Academy of Forestry，Wuhan 430075，China）

Based on the forest resource inventory data of Changlinggang national Forest Farm in Jianshi County，the landscape patterns in the farm were quantitatively analyzed with the support of GIS from three aspects：overall landscape characteristics，landscape patch and landscape heterogeneity.The results showed that the overall forest landscape has many current problems，such as extremely imbalanced landscape distribution，a large number of unused forest patch，a higher degree of interference and fragmentation，not giving full play to ecological functions and benefits，etc.On this basis，some optimizing suggestions and directions of the forest landscape pattern were put forward in this paper.The results of the study，provided scientific basis in the aspect of landscape scale for forest sustainable management of Changlinggang forest farm in Jianshi County.

Forest landscape pattern；Landscape heterogeneity；Landscape fragmentation；Landscape pattern optimization；Changlinggang forest farm

Q948

A

1007-7731（2016）09-104-04

湖北省科技支撑计划项目：鄂西山区日本落叶松人工林高效栽培技术研发（2015BBA212）。

孙拥康（1987-），男，河北邯郸人，硕士，助理研究员，从事森林经营方面研究工作。*通讯作者

2016-04-13