李際平，趙春燕，袁曉紅，蔣瓊星，鄭 柳

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

李際平，趙春燕，袁曉紅，蔣瓊星，鄭 柳

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

森林景觀斑塊之間呈現(xiàn)不同程度的邊緣效應(yīng), 不同森林景觀類型斑塊的耦合作用強(qiáng)度不同。為了滿足森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的要求，需要在景觀尺度上開展森林經(jīng)營(yíng)研究。以西洞庭湖區(qū)為例,運(yùn)用圖論的方法,把森林景觀斑塊作為節(jié)點(diǎn)、斑塊之間的耦合作用強(qiáng)度作為節(jié)點(diǎn)間邊權(quán)，從而構(gòu)建該區(qū)森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，進(jìn)一步深入分析了森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀性。

森林景觀生態(tài)系統(tǒng)；森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)；斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)；邊緣效應(yīng)；穩(wěn)定性；抗毀性

森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)要求把森林生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)開發(fā)系統(tǒng)，考慮景觀和自然區(qū)域空間尺度森林經(jīng)營(yíng)問題[1-2]。為了森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的要求，在景觀尺度上開展森林經(jīng)營(yíng)研究，追求森林生態(tài)系統(tǒng)的整體系統(tǒng)功能的最大，其關(guān)鍵在于調(diào)整森林景觀斑塊的空間結(jié)構(gòu)，通過合理配置森林斑塊，最大限度地發(fā)揮森林組成成分間相互作用效能[3]。斑塊是森林景觀尺度的組成單元，兩個(gè)斑塊長(zhǎng)期相互耦合作用形成邊緣與核心部分在林木胸徑、樹高等參數(shù)存在差異，表現(xiàn)出邊緣效應(yīng)[4]。

兩個(gè)森林景觀斑塊相互耦合作用呈現(xiàn)邊緣效應(yīng)[5]，不同森林景觀類型斑塊的耦合作用強(qiáng)度不同，本文以西洞庭湖區(qū)為例，運(yùn)用圖論的理論，森林景觀斑塊作為節(jié)點(diǎn)，斑塊之間的耦合作用強(qiáng)度為節(jié)點(diǎn)間邊權(quán)，構(gòu)建了森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論，進(jìn)一步分析森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀性。

1 研究區(qū)概況

本文的研究區(qū)域設(shè)置在西洞庭湖區(qū)，位于湖南省北部，包括常德河洑林場(chǎng)、桃源縣、漢壽縣、安鄉(xiāng)縣、澧縣、臨澧縣等地域，總面積為142.2萬hm2。地勢(shì)位于云貴高原、湘西山地向洞庭湖平原的過渡地帶。屬于濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū)，同時(shí)具有濱湖氣候和山地森林氣候的特征，全年平均氣溫16.7 ℃，降水充沛，四季分明。

西洞庭湖區(qū)林業(yè)用地面積為513 115.31 hm2，占景觀總面積的36.24%，按景觀類型劃分為闊葉類景觀、經(jīng)濟(jì)林景觀、松類景觀、杉木林景觀、竹類景觀、灌木類景觀和柏木類景觀，其面積比分 別 為：27.10%、24.37%、17.74%、13.49%、10.07%、7.23%、0.003%。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)的GIS處理方法

借助ArcGIS軟件空間分析功能，依據(jù)鄰近關(guān)系，針對(duì)西洞庭湖區(qū)2006年的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從林分小班到景觀斑塊的圖形綜合[4]，此操作同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖形合并和屬性歸并。

2.2 森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 景觀斑塊邊緣效應(yīng)強(qiáng)度

邊緣效應(yīng)強(qiáng)度(Ei)的計(jì)算采用王伯蓀等[6]確定的邊緣效應(yīng)指數(shù)，其公式為：

式中，m為測(cè)算其邊緣效應(yīng)的相鄰斑塊數(shù)量，本研究取值為2，Yi為m個(gè)斑塊形成的交錯(cuò)內(nèi)種群數(shù)量、生產(chǎn)力和物種多樣性的指標(biāo)，yij為第j個(gè)群落的第i個(gè)指標(biāo)。本研究中，指標(biāo)選取喬木平均胸徑、平均樹高和單位蓄積，物種多樣性選取辛普森指數(shù)。

邊緣效應(yīng)總強(qiáng)度采用8個(gè)指標(biāo)邊緣效應(yīng)的加權(quán)和，這8個(gè)指標(biāo)采用樣地內(nèi)喬木平均樹高、平均胸徑、蓄積、物種密度、灌木層與草本層物種豐富度、灌木層與草本層物種多樣性，在計(jì)算蓄積時(shí)采用單位面積上的蓄積量，其中加權(quán)值采用表2中采用層次總排序計(jì)算的加權(quán)結(jié)果，計(jì)算公式為：

式中，N為指標(biāo)數(shù)目，本研究中N取值為8，Ei為第i個(gè)指標(biāo)的邊緣效應(yīng)值，Wi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。

2.2.2 層次分析模型

運(yùn)用層次分析法計(jì)算森林景觀斑塊中8個(gè)指標(biāo)的邊緣效應(yīng)權(quán)重。每個(gè)指標(biāo)的重要性采用林學(xué)和生態(tài)學(xué)的專家意見，對(duì)各種因素對(duì)比得出8×8的判斷矩陣，最終的權(quán)重值一致性檢驗(yàn)，符合AHP要求確定指標(biāo)權(quán)重。

2.2.3 景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法

對(duì)于由N個(gè)節(jié)點(diǎn)，E條邊構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)G=(N，E)，在森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)為一種類型的森林景觀斑塊，網(wǎng)絡(luò)中的邊為相鄰森林景觀斑塊間邊緣效應(yīng)強(qiáng)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)森林景觀斑塊特征

從表1可以得出，闊葉類景觀的斑塊數(shù)量最多，研究區(qū)域?yàn)?3 838塊，占西洞庭湖區(qū)森林景觀斑塊數(shù)的21.99%，其次為杉木林和松木類景觀，斑塊數(shù)分別為29 897塊和24 866塊，分別占19.44%和16.17%，而柏木類景觀斑塊數(shù)僅為16，斑塊數(shù)量最少。

表1 西洞庭湖區(qū)景觀斑塊特征Table 1 Landscape patch characteristics in west Dongting lake

3.2 研究區(qū)森林景觀斑塊邊緣效應(yīng)強(qiáng)度

3.2.1 邊緣效應(yīng)指標(biāo)權(quán)重

森林景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)是由于物質(zhì)、能量和信息等生態(tài)因子或系統(tǒng)屬性的差異引起森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和生物多樣性等方面的變化[7]。因此，層次分析法的目標(biāo)層為邊緣效應(yīng)總強(qiáng)度，中間層選擇生產(chǎn)力和物種多樣性指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo)體系如圖1。

圖1 邊緣效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Edge effect evaluation index system

本文采用德爾菲法對(duì)上述措施層8個(gè)指標(biāo)一一對(duì)比評(píng)判與量化。計(jì)算圖1中各指標(biāo)的權(quán)重如表2。

3.2.2 西洞庭湖區(qū)邊緣效應(yīng)強(qiáng)度

按照公式(2)，計(jì)算不同森林景觀類型的斑塊之間的邊緣效應(yīng)值見表3，E取值為0時(shí)，邊緣效應(yīng)不明顯，E取值大于0，邊緣效應(yīng)呈現(xiàn)正效應(yīng)，E取值小于0，邊緣效應(yīng)體現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)。

從表3可以看出，森林景觀斑塊的邊緣效應(yīng)強(qiáng)度大于0的比例較多，說明不同類型斑塊間大多具有正效應(yīng)。其中，從景觀類型分析，松類與闊葉類景觀斑塊之間邊緣效應(yīng)強(qiáng)度最大，且均為正效應(yīng)，其中松木幼齡林景觀與闊葉類景觀斑塊邊緣效應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到25.8%，主要因?yàn)橛g林樣地?cái)?shù)目較少的影響，松木中齡林景觀與闊葉類景觀邊緣效應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到5.3%，說明松木中齡林景觀斑塊邊緣區(qū)競(jìng)爭(zhēng)激烈。杉木幼齡林和中齡林景觀與闊葉類景觀邊緣效應(yīng)強(qiáng)度較大，分別達(dá)到14.6%和17.5%，而杉木成熟林景觀與闊葉類景觀邊緣效應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)，主要由于成熟林景觀在物種多樣性指標(biāo)的邊緣效應(yīng)呈現(xiàn)較強(qiáng)負(fù)效應(yīng)，杉木幼齡林景觀與松木類景觀斑塊的邊緣效應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)，而杉木中齡林與成熟林景觀呈現(xiàn)較弱的正效應(yīng)；從齡組分析，各種類型的中齡林景觀斑塊的邊緣效應(yīng)強(qiáng)度最大，成熟林景觀斑塊的邊緣效應(yīng)強(qiáng)度較小，而幼齡林沒有明顯規(guī)律性。

表2 邊緣效應(yīng)指標(biāo)權(quán)重Table 2 Marginal effect index weight values

表3 邊緣效應(yīng)強(qiáng)度Table 3 Edge effect intensity

3.3 研究區(qū)森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)

森林景觀斑塊作為節(jié)點(diǎn)，斑塊之間的耦合作用強(qiáng)度為節(jié)點(diǎn)間邊權(quán)構(gòu)建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)。以西洞庭湖區(qū)的澧縣為例，構(gòu)建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)如圖2，圖中節(jié)點(diǎn)為森林景觀斑塊，節(jié)點(diǎn)之間的連線(邊)表示相鄰森林景觀斑塊的邊緣效應(yīng)，實(shí)線表示邊緣效應(yīng)值為正，呈現(xiàn)正的邊緣效應(yīng)；虛線表示邊緣效應(yīng)值為負(fù)，呈現(xiàn)負(fù)的邊緣效應(yīng)，節(jié)點(diǎn)之間的距離表示邊緣效應(yīng)強(qiáng)度絕對(duì)值。

圖2 澧縣森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Forest landscape patch coupling network for Lixian county

森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：

（1）網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)斑塊，斑塊的位置不影響網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和分析，但是盡量保持斑塊之間的相對(duì)位置關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系，在本研究中，構(gòu)建的是森林景觀斑塊的邏輯網(wǎng)絡(luò)；

（2）森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)為有權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其權(quán)重為斑塊之間耦合度，權(quán)重值與森林景觀斑塊的類型、經(jīng)營(yíng)措施等有關(guān)；

（3）網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的度表示相對(duì)應(yīng)斑塊的相鄰斑塊數(shù)目，斑塊面積越大，可能與之相鄰的斑塊數(shù)目越多，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)度越大。

（4）實(shí)線表示邊緣效應(yīng)值為正，呈現(xiàn)正的邊緣效應(yīng)；虛線表示邊緣效應(yīng)值為負(fù)，呈現(xiàn)負(fù)的邊緣效應(yīng)。

4 結(jié)論與討論

森林景觀斑塊之間呈現(xiàn)不同程度的邊緣效應(yīng)，本文運(yùn)用圖論的理論，把森林景觀斑塊作為節(jié)點(diǎn)，斑塊之間的耦合作用強(qiáng)度為節(jié)點(diǎn)間邊權(quán)構(gòu)建森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)[8-10]，該網(wǎng)絡(luò)屬于邏輯網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重、度能代表森林景觀生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)際意義，因此，可以運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的理論研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)的抗毀性和穩(wěn)定性。

為了森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)要求，需要從宏觀角度研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，本研究應(yīng)用森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)表示森林景觀生態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，能夠滿足從宏觀角度研究森林景觀生態(tài)系統(tǒng)要求。

[1] 張會(huì)儒.森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要保障[J].林業(yè)科學(xué)研究,2008,21(增刊):95-99.

[2] 謝劍斌,查 軒.試論森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)單元的時(shí)空尺度[J].林業(yè)科學(xué),2005,41(3):164-170.

[3] 趙春燕,李際平,袁曉紅,等.涉及鄰近關(guān)系的多尺度林業(yè)數(shù)據(jù)圖形綜合方法[J].林業(yè)科學(xué), 2012,48(6):159-164.

[4] 趙春燕.森林景觀斑塊邊緣效應(yīng)和耦合機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:中南林業(yè)科技大學(xué),2012.

[5] 袁曉紅,李際平,趙春燕,等.基于灌木層植物多樣性的森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(16):82-88.

[6] 王伯蓀,彭少麟.鼎湖山森林群落分析——X邊緣效應(yīng)[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào), 1986,(4):52-56.

[7] 李際平,趙春燕,袁曉紅,等.杉闊間物種多樣性影響因子灰色關(guān)聯(lián)分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(10):10-14.

[8] 呂一河,陳利頂,傅伯杰.生物多樣性資源:利用、保護(hù)與管理[J].生物多樣性, 2001,9(4):422-429.

[9] 田 超,楊新兵,劉 陽(yáng).邊緣效應(yīng)及其對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2011,22(8):2184-2192.

[10] 趙春燕,李際平,袁曉紅,等.西洞庭湖區(qū)杉木林與松類景觀斑塊間的邊緣效應(yīng)分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(9): 22-26.

Construction of forest landscape patch coupling network for west Dongting lake

LI Ji-ping, ZHAO Chun-yan, YUAN Xiao-hong, JIANG Qiong-xing, ZHENG Liu
(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to satisfy requirements of sustainable forest management, it is necessary to carry out the study of forest management from the angle of landscape scale. By taking west Dongting lake area as the example, using the method of graph theory, the forest landscape patches coupling network for the area was set up, through taking the patches as the network nodes and the coupling strength values among plaques as the inter-node edge-weight values. Further,the stability and invulnerability of the forest landscape ecology system in the area were penetratingly analyzed.

forest landscape ecology system; forest sustainable management; plaque coupling network; edge effect; stability;invulnerability

S771.5

A

1673-923X(2014)07-0001-04

2014-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30972362）

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士，研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程

[本文編校：吳 毅]