郭 徵,江 洪,,陳 健,程苗苗,江子山,余樹(shù)全,李土生
(1.浙江林學(xué)院 國(guó)際空間生態(tài)與生態(tài)系統(tǒng)研究中心,浙江 臨安 311300;2.南京大學(xué) 國(guó)際地球系統(tǒng)科學(xué)研究所,江蘇 南京 210093;3.浙江省林業(yè)廳 生態(tài)中心,浙江 杭州 310020)
森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是人類和多種生物賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。它具有豐富的生物多樣性,復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和生態(tài)過(guò)程,對(duì)改變和影響區(qū)域氣候、水資源分布、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、抵御各種自然災(zāi)害,都起到重要作用[1-6]。林地作為一種重要的自然景觀組分,在城市用地規(guī)??焖倥蛎涍^(guò)程中,森林受到強(qiáng)烈的分割和轉(zhuǎn)化。近30 a以來(lái),中國(guó)長(zhǎng)江三角洲地區(qū)快速城市化過(guò)程導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化[7]??傮w變化趨勢(shì)表現(xiàn)為城市用地規(guī)模不斷擴(kuò)大,農(nóng)業(yè)和自然景觀組分類型面積不斷萎縮[8]。城郊森林作為該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,研究其景觀格局變化過(guò)程,對(duì)于保護(hù)城市化過(guò)程中城郊森林乃至整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[9]。近年來(lái),浙江省杭州市余杭區(qū)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn),城鎮(zhèn)快速發(fā)展,規(guī)模不斷擴(kuò)大,已成為中國(guó)高速城鎮(zhèn)化地區(qū)的典型代表,人為活動(dòng)對(duì)于森林景觀的破碎化影響尤為明顯。為此,本研究選定余杭區(qū)作為研究區(qū)域,運(yùn)用有效的遙感信息處理方法準(zhǔn)確地獲取研究區(qū)土地利用變化信息,并利用景觀格局指數(shù)和轉(zhuǎn)移矩陣,分析森林景觀格局的演化過(guò)程及特征,對(duì)城鎮(zhèn)化過(guò)程中城郊森林景觀格局的演變進(jìn)行探討,旨在認(rèn)識(shí)城市化過(guò)程中余杭區(qū)森林景觀的變化規(guī)律,為合理保護(hù)利用生物多樣性資源,有效發(fā)揮森林生態(tài)服務(wù)功能提供理論基礎(chǔ)。
研究區(qū)域?yàn)檎憬『贾菔斜辈坑嗪紖^(qū)(圖1),地理坐標(biāo) 30°10′~ 30°34′N,119°40′~ 120°20′E,處于杭嘉湖平原和浙西山地丘陵過(guò)渡地帶,地勢(shì)西高東低??偯娣e為1 228.8 km2,其中林業(yè)用地面積約占總面積的39.8%,全區(qū)森林覆蓋率為37.4%。氣候?qū)儆趤啛釒暇壖撅L(fēng)氣候,冬夏長(zhǎng)春秋短,光溫水配合良好,年均氣溫為16.0℃,年降水量為1 150~1 550 mm。該區(qū)森林土壤主要為紅壤,約占山地土壤面積的89.0%,另外,黃壤、巖性土、潮土和水稻土等也有分布。地帶性植被類型為常綠闊葉林,現(xiàn)有常綠闊葉林、針葉林、針闊混交林和竹林及灌木林等,竹林和松林最多,其中竹林經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高,與農(nóng)民收入緊密相關(guān)。選取本研究區(qū)域?qū)τ谘芯砍鞘谢^(guò)程中亞熱帶森林景觀格局變化具有典型的代表意義。
圖1 余杭區(qū)位置示意圖Figure 1 Situation of Yuhang District,Hangzhou City,Zhejiang Province
研究區(qū)域的地形圖、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、行政圖和有關(guān)的文字資料,以及相關(guān)年份的3期遙感影像資料,包括質(zhì)量較好的1978年Landsat/MSS,1990年Landsat/TM和2003年Landsat/ETM。
以研究區(qū)域1978年的Landsat/MSS,1990年Landsat/TM和2003年的Landsat/ETM影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),圖像預(yù)處理之后,利用圖像原始信息量損失最小的立體卷積法將所有遙感圖像重采樣為30 m分辨率,同時(shí)在1∶1萬(wàn)地形圖幾何糾正基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像間的配對(duì)糾正,結(jié)合研究區(qū)域的地形圖、DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、行政圖以及有關(guān)的文字資料,在ERDAS IMAGE 9.1,ARCVIEW3.3,ARCGIS 9.2等軟件的支持下,采用決策樹(shù)方法進(jìn)行景觀分類與制圖。確定了7種景觀類型(圖2):1竹林,2經(jīng)濟(jì)林,3針葉林,4闊葉林,5建筑用地,6農(nóng)田,7水體,并編制了該區(qū)域的景觀類型圖。然后對(duì)3期遙感圖像的分類結(jié)果進(jìn)行精度檢驗(yàn)(每幅景觀類型圖中產(chǎn)生檢驗(yàn)點(diǎn)200個(gè)),Kappa系數(shù)均達(dá)到0.75以上,符合應(yīng)用要求。
圖2 1978年,1990年和2003年研究區(qū)森林景觀類型圖Figure 2 Landscape pattern of the research area in 1978,1990 and 2003
景觀指數(shù)指能反映景觀格局結(jié)構(gòu)和空間配置的定量指標(biāo),被廣泛地應(yīng)用于城市化過(guò)程中土地利用格局研究。在斑塊類型水平上,針對(duì)該研究區(qū)景觀格局和斑塊類型的特征,筆者從邊緣(斑塊數(shù)量、邊緣密度和斑塊周長(zhǎng)),形狀(聚集度指數(shù)、相似與鄰接百分比和面積加權(quán)的平均形狀指數(shù)),面積(斑塊密度和平均斑塊面積)3個(gè)方面選取不同類型的景觀指數(shù)來(lái)分析和認(rèn)識(shí)城市化過(guò)程中城郊森林的基本格局變化特征和規(guī)律[10-13]。在景觀水平上,選取如總面積、總邊界長(zhǎng)度、斑塊數(shù)等景觀固有屬性指數(shù)來(lái)分析研究區(qū)域的景觀格局特征[14-17],并且分析了該研究區(qū)的景觀異質(zhì)性情況。
轉(zhuǎn)移矩陣指通過(guò)對(duì)不同狀態(tài)的初始概率及其狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移概率的研究來(lái)確定狀態(tài)的變化趨勢(shì),從而達(dá)到對(duì)未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的[18]。轉(zhuǎn)移矩陣模擬景觀從一種狀態(tài)向另一狀態(tài)轉(zhuǎn)移的動(dòng)態(tài)過(guò)程,是一系列特定的時(shí)刻間隔下,一個(gè)亞穩(wěn)定系統(tǒng)由一個(gè)時(shí)刻狀態(tài)向下一個(gè)時(shí)刻轉(zhuǎn)化的一系列過(guò)程。無(wú)論其初始狀態(tài)如何,總存在一個(gè)由轉(zhuǎn)移概率矩陣唯一確定的穩(wěn)定狀態(tài)[19]。筆者運(yùn)用轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)研究森林景觀類型之間的相互轉(zhuǎn)化與穩(wěn)定性。
3.1.1 景觀結(jié)構(gòu)邊緣指數(shù)分析 由于本研究主要分析余杭區(qū)森林景觀結(jié)構(gòu)的變化,但建筑用地、農(nóng)田、水體作為該地區(qū)不可分割的景觀類型,仍然被作為重要的組成部分列出。由表1可以看出斑塊數(shù)量在1990年出現(xiàn)激烈的增長(zhǎng),是1978年的近10倍,而在2003年有所下降,但與1978年相比較仍然有不小的增長(zhǎng);從邊緣密度和斑塊周長(zhǎng)來(lái)分析,同樣可以得到與斑塊數(shù)量相似的結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn),1990年與1978年相比,該研究區(qū)的森林景觀結(jié)構(gòu)破碎化程度增大,而在2003年破碎化程度有所減小。
3.1.2 景觀結(jié)構(gòu)形狀指數(shù)分析 從表2可以看出,除了闊葉林的形狀指數(shù)在1990年下降外,其他林分均表現(xiàn)為1990年比1978年上升,在2003年又下降。這表明,在1978-1990年內(nèi)人類對(duì)于森林景觀的影響導(dǎo)致了景觀的形狀復(fù)雜化。聚集度指數(shù)表明了同種斑塊類型之間的自然銜接程度[20]。從聚集度指數(shù)來(lái)看,余杭區(qū)的景觀類型之間相互干擾較小,同種景觀類型存在較好的連接,但可以發(fā)現(xiàn),各景觀類型聚集度指數(shù)均在1990年降低而在2003年有所升高,這可以充分說(shuō)明人類干擾對(duì)于森林景觀結(jié)構(gòu)變化的影響。
表1 邊緣景觀格局指數(shù)分析Table 1 Spatial analysis of landscape edge pattern
表2 形狀景觀格局指數(shù)分析Table 2 Spatial analysis of landscape shape pattern
3.1.3 景觀結(jié)構(gòu)面積指數(shù)分析 由表3可以看出,1990年的景觀情況破碎化嚴(yán)重。首先各種景觀類型斑塊密度指數(shù)比1978年明顯增大,到2003年時(shí)有所降低,但是與1978年相比較,該指數(shù)依然較高。從平均斑塊面積指數(shù)也可以得到一致的結(jié)論,但是最大斑塊指數(shù)的變化情況較為復(fù)雜,各種林分之間沒(méi)有一致的規(guī)律性。單個(gè)林分縱向比較可以發(fā)現(xiàn),竹林和闊葉林的最大斑塊指數(shù)逐年增大,說(shuō)明這兩種林分類型所受大斑塊支配的程度逐漸加大;經(jīng)濟(jì)林的最大斑塊指數(shù)、斑塊密度和平均斑塊面積的變化趨勢(shì)一致,這更加說(shuō)明了經(jīng)濟(jì)林作為城鄉(xiāng)交界處一個(gè)活躍的景觀類型,受到人類活動(dòng)干擾最為明顯。
3.1.4 景觀水平指數(shù)分析 表4是景觀水平的指數(shù)分析,我們用另外一個(gè)指數(shù)——分維數(shù)來(lái)衡量人類活動(dòng)對(duì)于景觀結(jié)構(gòu)的影響程度,該指數(shù)越大表明該地區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。1978-1990年,分維數(shù)增大,表明該研究區(qū)內(nèi)的景觀結(jié)構(gòu)總體趨向于復(fù)雜和不規(guī)則,1990-2003年,分維數(shù)值減小表明該研究區(qū)的景觀結(jié)構(gòu)有所好轉(zhuǎn)。
3.1.5 景觀異質(zhì)性分析 對(duì)景觀異質(zhì)性指標(biāo)進(jìn)行分析(表5),1978-2003年的斑塊豐富度沒(méi)有發(fā)生變化,是由于在這一時(shí)間段內(nèi)研究區(qū)內(nèi)沒(méi)有新的景觀類型出現(xiàn)。景觀均勻度指數(shù)和景觀多樣性指數(shù)先減小后增大,并且2003年大于1978年的水平,說(shuō)明在著整個(gè)研究時(shí)間段內(nèi),余杭區(qū)的景觀優(yōu)勢(shì)度進(jìn)一步降低,破碎化程度加深,豐富程度和復(fù)雜程度加大,這說(shuō)明了人類的活動(dòng)對(duì)于景觀結(jié)構(gòu)具有深刻影響。
表3 面積景觀格局指數(shù)分析Table 3 Spatial analysis of landscape area pattern
表4 景觀水平格局指數(shù)分析Table 4 Spatial analysis of landscape-level
表5 景觀異質(zhì)性格局指數(shù)分析Table 5 Spatial analysis of landscape heterogeneity
3.2.1 景觀類型總面積變化分析 由表6可以看出,在3個(gè)不同時(shí)期,余杭區(qū)的森林覆蓋率各有不同,其中1978和1990年的森林覆蓋率基本持平并略有下降趨勢(shì),分別為35.21%和32.58%,余杭區(qū)2003年的森林覆蓋率有所上升,占到全區(qū)總面積的33.71%。這說(shuō)明隨著城市化進(jìn)程的不斷加快與人口壓力的不斷增大,余杭區(qū)森林景觀正受到人類活動(dòng)更加深入的影響??v向分析(表6)可以看出,各種森林景觀在3個(gè)不同時(shí)期內(nèi)均有變化,其中經(jīng)濟(jì)林的面積下降明顯。此外,從表6可以看出竹林在該地區(qū)的各種林分當(dāng)中占有較大的比例,這說(shuō)明了竹林在該地區(qū)屬于優(yōu)勢(shì)群落。其余各種林分景觀呈現(xiàn)了不規(guī)律的變化,這一點(diǎn)在余杭區(qū)當(dāng)年的統(tǒng)計(jì)年鑒上也得到了證實(shí)。從景觀類型的面積變化值來(lái)看,建筑用地面積處于不斷下降過(guò)程中,這可能與人類居住方式由平面化向空間立體化轉(zhuǎn)變有關(guān)。其次是針葉林和闊葉林在1978到2003的這個(gè)時(shí)間段內(nèi)面積呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì),并且經(jīng)濟(jì)林面積呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。
表6 各景觀類型面積、百分比統(tǒng)計(jì)Table 6 Area and percentage statistic of landscape types
3.2.2 景觀類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 表7為1978-1990年余杭區(qū)各景觀版塊類之間的面積變化率轉(zhuǎn)移矩陣,由表中可以看出,1978-1990年間,竹林、經(jīng)濟(jì)林、闊葉林、針葉林等4種森林景觀類型中最為穩(wěn)定的斑塊類型是竹林,保持了自身面積的54.20%沒(méi)有發(fā)生變化,并且有35.32%的經(jīng)濟(jì)林、35.37%的闊葉林、49.43%的針葉林轉(zhuǎn)化為竹林。而竹林只有0.4%面積變成了經(jīng)濟(jì)林??梢?jiàn),經(jīng)濟(jì)林與竹林的相互轉(zhuǎn)化打破了原有的平衡。從轉(zhuǎn)移矩陣中還可以看到經(jīng)濟(jì)林只有1.02%保持了原來(lái)的類型,大部分經(jīng)濟(jì)林轉(zhuǎn)化為竹林、闊葉林與針葉林,還有22.26%轉(zhuǎn)化成了農(nóng)田,結(jié)合1978-1990年的經(jīng)濟(jì)林的面積變化情況,與轉(zhuǎn)移矩陣得到的結(jié)果是一致的。針葉林與闊葉林面積變化并不是很劇烈,雖然有部分面積轉(zhuǎn)換為竹林,但其他景觀類型轉(zhuǎn)化多少?gòu)浹a(bǔ)了這一空缺。
表7 1978-1990余杭區(qū)景觀類型面積變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 7 Translation matrix of classes(1978-1990)
表8是余杭區(qū)1990-2003年的各景觀類型斑塊之間的面積變化轉(zhuǎn)移矩陣??梢钥闯?,在竹林、經(jīng)濟(jì)林、闊葉林、針葉林等4種森林景觀類型中,竹林仍然保持了最高的穩(wěn)定性,在這一時(shí)間段內(nèi),竹林保持了43.31%的面積沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)移,并且有相當(dāng)一部分的針葉林與闊葉林轉(zhuǎn)化為竹林,但是我們可以看到,與1978-1990年這一時(shí)間段的竹林轉(zhuǎn)換相比較,1990-2003年時(shí)期竹林穩(wěn)定性有所下降。經(jīng)濟(jì)林在該時(shí)期的森林類型中仍然是最不穩(wěn)定的類型,只保留了11.56%的面積沒(méi)有發(fā)生變動(dòng),而有67.23%的面積轉(zhuǎn)化為了農(nóng)田,但由于有闊葉林與針葉林的轉(zhuǎn)入,結(jié)合面積變化分析,2003年經(jīng)濟(jì)林的面積與1990年相比較有了一定的增加。針葉林與闊林木面積穩(wěn)定性介于竹林和經(jīng)濟(jì)林之間。
表8 1990-2003余杭區(qū)景觀類型面積變化轉(zhuǎn)移矩陣Table 8 Translation matrix of classes(1990-2003)
研究區(qū)森林景觀主要由竹林、針葉林、闊葉林和經(jīng)濟(jì)林組成,屬于典型的亞熱帶植被區(qū)。在各個(gè)研究時(shí)段內(nèi),竹林面積與其他林分面積相比均為最大,說(shuō)明竹林在該研究區(qū)森林資源中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。研究區(qū)森林景觀破碎度較高。在1978-2003年,破碎度總體趨勢(shì)表現(xiàn)為先增大后減小。其中竹林、闊葉林和針葉林的斑塊數(shù)量、邊緣密度及斑塊周長(zhǎng)等景觀格局指數(shù)都呈現(xiàn)先增大后減小的過(guò)程。經(jīng)濟(jì)林的景觀指數(shù)變化情況有明顯不同。盡管經(jīng)濟(jì)林在余杭區(qū)森林景觀中的比例很小,無(wú)法直接對(duì)多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)產(chǎn)生深刻影響,而且人類活動(dòng)造成的破碎化程度的加大短期內(nèi)也不會(huì)直接影響到林種和植被結(jié)構(gòu)的變化,但是經(jīng)濟(jì)林作為城區(qū)與郊區(qū)的連接處來(lái)研究十分必要,成為該連接處最為活躍的景觀成分[20-21]。
各種林分在不同年代有不同程度的內(nèi)部轉(zhuǎn)移,但保持了總比例的基本穩(wěn)定。只有在經(jīng)濟(jì)林與農(nóng)田之間發(fā)生了森林與外部景觀類型的劇烈轉(zhuǎn)移,大面積的經(jīng)濟(jì)林向農(nóng)田轉(zhuǎn)移。這說(shuō)明,在這段時(shí)期內(nèi),城市化的進(jìn)程影響到了森林景觀的分布,并且隨著當(dāng)?shù)卣叩淖兓?,森林景觀與其他景觀類型之間的關(guān)系也在發(fā)生變化。但總體來(lái)講,在該時(shí)段內(nèi)余杭區(qū)的森林覆蓋率保持了很好的穩(wěn)定性[22]。這一點(diǎn)從余杭區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料上得到了驗(yàn)證。
本研究著重于對(duì)余杭區(qū)森林景觀的分析,由于植被光譜的相似性以及缺乏更加可靠的當(dāng)時(shí)林相圖的參考,因此存在 “混分”的現(xiàn)象,影響了分類的精度。另外,本研究對(duì)景觀格局的變化原因未作深入探討,只從定性角度提到人類活動(dòng)對(duì)研究區(qū)景觀的影響,基礎(chǔ)建設(shè)投資加大、城市擴(kuò)張、人口增加壓力等原因使當(dāng)?shù)氐纳志坝^受到了一定的影響,因此,建議當(dāng)?shù)卣谥贫òl(fā)展計(jì)劃時(shí)要對(duì)森林予以足夠的重視,保護(hù)和建設(shè)大型森林斑塊,規(guī)劃生態(tài)保護(hù)區(qū)。
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