張 超，周 維，葉 俊

(1.國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙 410014；2.明德華興中學(xué)，長沙 410008)

生態(tài)脆弱性是生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)空尺度相對于外界干擾所具有的敏感反應(yīng)和自我恢復(fù)能力，是生態(tài)系統(tǒng)的固有屬性[1-3]。在“生態(tài)脆弱帶”概念被提出后，國內(nèi)開始對生態(tài)脆弱性進(jìn)行了深入研究[4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)脆弱性的研究以系統(tǒng)分析為理論基礎(chǔ)[5-8]，組建了一系列耦合系統(tǒng)來探討一定區(qū)域內(nèi)的生態(tài)脆弱分布[9-11]；更有一部分學(xué)者構(gòu)建綜合評價(jià)體系對不同環(huán)境下的生態(tài)脆弱區(qū)域進(jìn)行了探索與實(shí)證[12-14]。結(jié)合前人的研究成果，筆者根據(jù)林地的生態(tài)敏感性特征和森林景觀類型的景觀格局分布特征，構(gòu)建生態(tài)脆弱性綜合評價(jià)體系，對湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)脆弱性進(jìn)行評價(jià)，以期為湘鄉(xiāng)市的林地利用、環(huán)境演變以及資源理配置提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。探究湘鄉(xiāng)市的生態(tài)脆弱性可發(fā)現(xiàn)湘鄉(xiāng)市生態(tài)環(huán)境易遭受破壞的薄弱區(qū)域與森林景觀類型，對湘鄉(xiāng)市生態(tài)環(huán)境的保護(hù)以及發(fā)展與利用森林資源具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

湘鄉(xiāng)市位于湖南省中部，屬湘潭市管轄，總面積1 967 km2，其中林地面積82 667 hm2。湘鄉(xiāng)處于湘中丘崗向湘江河谷平原的過渡帶，西部和南部較高峻，東部和北部較平緩，海拔在41～802 m之間；主要水系為漣水，匯入的一級支流有13條；是較為典型的亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，四季分明，雨量充沛，雨熱同季，土地肥沃，溪河密布，作物生長期長，年均降雨量1 312.8 mm，全年降水集中在4-6月份。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

湘鄉(xiāng)市2014年森林資源二類清查數(shù)據(jù)與分辨率為20 m×20 m的DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以小班為最小單位，包括海拔、林分類型、齡組、坡向、坡位、坡度、土壤類型、郁閉度、森林類別等屬性信息，并參考2016年TM遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行修正處理。

2.2 研究方法

2.2.1 構(gòu)建生態(tài)脆弱性評價(jià)體系

從生態(tài)敏感性的角度選取了海拔、林分類型、齡組、坡向、坡位、坡度、土壤類型、郁閉度和森林類別9個(gè)測定因子；同時(shí)結(jié)合從景觀格局角度的斑塊密度、平均鄰近指數(shù)、相似毗鄰百分比、連接度指數(shù)、斑塊結(jié)合指數(shù)、聚合度指數(shù)、分離度指數(shù)等7個(gè)測定因子對湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性的綜合評價(jià)。

2.2.2 生態(tài)敏感性計(jì)算

參照劉青[15]的研究成果和《生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程》對各評價(jià)因子的敏感性進(jìn)行等級劃分，將湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)敏感性綜合劃分5個(gè)等級，即不敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極度敏感區(qū)；這5個(gè)等級相對應(yīng)的賦值為1，2，3，4和5，見表1。將劃分出來的5個(gè)等級用Arcgis進(jìn)行空間主成分分析[12,13]，從而計(jì)算出林地的生態(tài)敏感性指標(biāo)權(quán)重。

表1 生態(tài)敏感性等級劃分生態(tài)敏感性等級海拔/m坡位坡度/ (°)坡向土壤類型林分類型齡組郁閉度森林類別不敏感區(qū) 0～300 平地 0～15南、無坡向山地草甸土闊葉樹過熟林≥0.8重點(diǎn)公益林輕度敏感區(qū)301～600 下部、谷地16～20東南、西南紅壤、山地黃壤針葉林成熟林0.6～<0.8一般公益林中度敏感區(qū)601～900 中部21～25東、西山地黃棕壤喬木經(jīng)濟(jì)林近熟林0.4～<0.6重點(diǎn)商品林高度敏感區(qū)901～1 200全坡26～35東北、西北紫色土竹林中齡林0.2～<0.4一般商品林極度敏感區(qū)≥1 201上部、脊部≥36北黑色石灰土灌木林幼齡林<0.2———

分別采用AHP法和主成分分析法，確定湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)敏感性參評因子的級別和權(quán)重，根據(jù)公式(1)分別計(jì)算每種森林類型的生態(tài)敏感性指數(shù)。

ESi=(∑Aij×Sij)/Si

(1)

式中：ESi為第i種森林類型的生態(tài)敏感性指數(shù)；Aij為第i種森林類型的第j個(gè)生態(tài)敏感性等級所對應(yīng)的等級值；Sij為第i種森林類型的第j個(gè)生態(tài)敏感性等級的面積；Si為第i種森林類型的總面積；i=1,2，…,5；j=1,2，…,5。

2.2.3 生態(tài)脆弱性計(jì)算

采用主成分分析法，求取湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性8個(gè)參評指標(biāo)，即斑塊密度(PD)、聚合度指數(shù)(AI)、相似毗鄰百分比(PLADJ)、連接度指數(shù)(CONNECT)、斑塊結(jié)合度指數(shù)(CONHESION)、分離度指數(shù)(DIVISION)、平均鄰近指數(shù)(MPI)和生態(tài)敏感性(ES)的權(quán)重，用于計(jì)算湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性：

Vi=PDi×a+MPIi×b+DIVISIONi×c+

CONNECTi×d+CONHESIONi×e+

ESi×f+AIi×g+PLADJi×h

(2)

式中：Vi表示各森林類型的生態(tài)脆弱性指數(shù)；i表示不同景觀類型，i=1,2,3,…,5；a,b,c, …,h為各測定因子的權(quán)重，其和為1；PDi，CONNECTi，PLADJi，DIVISIONi，CONHESIONi，AIi，MPIi和ESi為經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各森林類型測定因子的數(shù)值。

采用ArcGIS空間分析功能的fishnet工具，將湘鄉(xiāng)市林地劃分為大小相等的若干個(gè)單元格；再根據(jù)生態(tài)脆弱性指數(shù)的計(jì)算模型，把每個(gè)單元格的生態(tài)脆弱度值賦給單元格的質(zhì)心點(diǎn)，求出每個(gè)單元格的生態(tài)脆弱性值；最后通過Kriging插值法預(yù)測湘鄉(xiāng)市整個(gè)林地的森林生態(tài)脆弱性：

Am=∑Vn×Smn

(3)

式中：n為不同森林類型，n=1,2,3,…,5；m為單元格序數(shù)，m=1,2,3,…, 108；Vn為不同森林類型的生態(tài)脆弱性指數(shù)；Smn為第m個(gè)單元格中的第n個(gè)森林類型的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)脆弱性計(jì)算

根據(jù)林地生態(tài)敏感性空間分布圖以及不同生態(tài)敏感性等級的面積，計(jì)算出每種森林景觀類型的生態(tài)敏感性指數(shù)；將轉(zhuǎn)柵格后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats，選擇斑塊密度、平均鄰近指數(shù)、相似毗鄰百分比、連接度指數(shù)、斑塊結(jié)合度指數(shù)、聚合度指數(shù)、分離度指數(shù)等7個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行運(yùn)算，得到湘鄉(xiāng)市生態(tài)脆弱性測定指標(biāo)表(表2)。

由表2可以看出，闊葉林的相似毗鄰百分比和聚合度指數(shù)的值最大，說明湘鄉(xiāng)市林地闊葉林景觀類型的分布最為集中；針葉林的分離度指數(shù)最大，說明林地內(nèi)針葉林景觀類型的分布最為分散；竹林的斑塊密度和平均鄰近指數(shù)最大，說明湘鄉(xiāng)市林地竹林景觀類型的斑塊數(shù)量最多，且分布間距最?。还嗄玖值倪B接度指數(shù)、斑塊結(jié)合度指數(shù)和生態(tài)敏感系指數(shù)最高，說明灌木林景觀類型的連通性最強(qiáng)，聯(lián)系最為緊密，且對區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面干擾較為敏感，這可能與灌木林景觀類型的林分結(jié)構(gòu)較為簡單有關(guān)?？傮w來說，湘鄉(xiāng)市林地8個(gè)生態(tài)脆弱性測定指標(biāo)中除了斑塊密度和平均鄰近指數(shù)這2個(gè)指標(biāo)的數(shù)值相差較大外，其余的生態(tài)脆弱性單項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值相差較小。

表2 生態(tài)脆弱性測定指標(biāo)森林景觀類型PDMPIPLADJCONNECTCONHESIONDIVISIONAI生態(tài)敏感性闊葉林5.278 717.173 182.847 30.005 695.668 20.999 682.983 21.954 5針葉林1.247 32.563 081.412 20.009 292.517 01.000 081.737 32.656 1喬木經(jīng)濟(jì)林4.921 48.572 775.817 20.004 493.115 90.999 976.028 93.542 8竹林8.414 758.088 979.653 10.007 495.744 30.999 479.742 23.389 2灌木林2.251 434.526 381.003 20.009 896.038 20.999 581.237 24.226 4

將生態(tài)脆弱性8個(gè)測定因子的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS22.0中，進(jìn)行主成分分析，測定指標(biāo)的結(jié)果見表3-表5。

表3 初始特征值的貢獻(xiàn)率與累積方差貢獻(xiàn)率主成分初始特征值貢獻(xiàn)率累積貢獻(xiàn)率13.38842.34942.34922.72534.06576.41531.57419.67196.08540.313 3.915100.0005 4.610E-16 5.762E-15100.0006 1.980E-16 2.475E-15100.0007-4.777E-17-5.972E-16100.0008-2.808E-16-3.510E-15100.000

表4 提取特征值的貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率主成分提取特征值貢獻(xiàn)率累積貢獻(xiàn)率13.38842.34942.34922.72534.06576.41531.57419.67196.085

表5 生態(tài)脆弱性各影響因子成份矩陣生態(tài)脆弱性測定指標(biāo)主成分123斑塊密度-0.4810.6550.533平均鄰近指數(shù)0.883-0.3790.128相似毗鄰百分比0.4620.870-0.173連接度指數(shù)0.3110.5600.721斑塊結(jié)合度指數(shù)0.947-0.040-0.060分離度指數(shù)0.975-0.197-0.016聚合度指數(shù)0.4380.886-0.154生態(tài)敏感性-0.1660.507-0.834

根據(jù)表4和表5，得到生態(tài)脆弱性主成分的特征值、累計(jì)貢獻(xiàn)率和成份矩陣，從而計(jì)算出生態(tài)脆弱性綜合得分模型為：

Y= -0.261 4X1+0.479 5X2+0.250 9X3+

0.169X4+0.514 5X5+0.529 9X6+

0.238X7-0.09X8

(4)

式中：Y為生態(tài)脆弱性指數(shù)；X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7和X8是對應(yīng)生態(tài)脆弱性的8個(gè)測定因子。

對各指數(shù)權(quán)重進(jìn)行歸一化，可以得出生態(tài)脆弱性各測定因子權(quán)重，詳見表6。

表6 生態(tài)脆弱性各測定因子權(quán)重生態(tài)脆弱性測定因子權(quán)重斑塊密度0.071 2平均鄰近指數(shù)0.095 6相似毗鄰百分比0.170 5連接度指數(shù)0.197 8斑塊結(jié)合度指數(shù)0.132 0分離度指數(shù)0.119 4聚合度指數(shù)0.171 0生態(tài)敏感性0.042 4

從表6可以看出各生態(tài)脆弱性測定因子的權(quán)重大小排序?yàn)椋哼B接度指數(shù)>聚合度指數(shù)>相似毗鄰百分比>斑塊結(jié)合度指數(shù)>分離度指數(shù)>平均鄰近指數(shù)>斑塊密度>生態(tài)敏感性。根據(jù)表6結(jié)合公式(2)可以計(jì)算出各森林類型的生態(tài)脆弱性指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 各森林類型的生態(tài)脆弱性森林類型生態(tài)脆弱性指數(shù)闊葉林0.100 2針葉林0.552 5喬木經(jīng)濟(jì)林0.681 9竹林0.645 9灌木林0.799 5

根據(jù)表7所示，灌木林的生態(tài)脆弱性指數(shù)最大，說明灌木林對外界干擾的反應(yīng)更為劇烈，抗干擾能力低于其他森林類型，尤其是灌木林中的灌木經(jīng)濟(jì)林因人為干擾程度大，群落結(jié)構(gòu)單一，導(dǎo)致其生態(tài)穩(wěn)定性較差；喬木經(jīng)濟(jì)林的生態(tài)脆弱性指數(shù)在各森林類型中位居第二，這表明喬木經(jīng)濟(jì)林也因?yàn)閱我坏娜郝漕愋团c高強(qiáng)度的人為干擾使得其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，受到自然因素或人為干擾的影響后容易改變原有的生態(tài)環(huán)境；竹林的生態(tài)脆弱性指數(shù)在各森林類型中位居第三，說明竹林的群落結(jié)構(gòu)較為簡單，且毛竹與雜竹的更新能力強(qiáng)，人為采伐較為頻繁，原有的生態(tài)環(huán)境也容易遭受到外界干擾而發(fā)生改變；針葉林和闊葉林的生態(tài)脆弱性指數(shù)在各森林類型中位居第四和第五，說明這兩種森林類型的生態(tài)穩(wěn)定性較強(qiáng)，且受到的人為干擾程度較低，但針葉林景觀類型大部分為同齡林，其林分的垂直結(jié)構(gòu)不如闊葉林景觀類型復(fù)雜，因而對外界的抗干擾能力不如闊葉林強(qiáng)。

3.2 空間分異探索性分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中的“多數(shù)原則”，采用ArcGIS空間分析功能的fishnet工具將湘鄉(xiāng)市林地劃分成108個(gè)面積大小為4 km×4 km的單元格，并計(jì)算每個(gè)單元格的生態(tài)脆弱性指數(shù)，再將值賦予質(zhì)心(計(jì)算見公式(3))。然后對算出的每個(gè)單元格的生態(tài)脆弱性指數(shù)的數(shù)量特征和分布特征進(jìn)行探索性分析。最后，通過Kriging插值法預(yù)測湘鄉(xiāng)市整個(gè)林地的生態(tài)脆弱性。保留后單元格的分布如圖1。

圖1 湘鄉(xiāng)市林地漁網(wǎng)分布

對算出的每個(gè)單元格的生態(tài)脆弱性指數(shù)的數(shù)量特征和分布特征進(jìn)行探索性分析，湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性的空間分異探索性結(jié)果如圖2：

1) 正態(tài)QQ圖(圖2(a))出現(xiàn)了較為明顯的左偏現(xiàn)象，這表明研究區(qū)內(nèi)處于低生態(tài)脆弱性的地區(qū)較高生態(tài)脆弱性的地區(qū)多，且各級生態(tài)脆弱性分布的數(shù)量特征趨于正態(tài)分布，這反映出湘鄉(xiāng)市林地斑塊的數(shù)量較多，且林地中森林資源較為豐富。

2) 從湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性構(gòu)成的泰森多邊形(圖2(b))可以看出：研究區(qū)有3個(gè)異質(zhì)點(diǎn)的生態(tài)脆弱性較周邊地區(qū)明顯低一到兩個(gè)級別(顏色越深表示生態(tài)脆弱性越大)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些網(wǎng)格中的闊葉林所占比例較大，且這些區(qū)域的生態(tài)敏感性也多為輕度敏感甚至是微度敏感。

圖2 生態(tài)脆弱性的探索性分析

3) 趨勢分析圖(圖2(c))顯示了湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性的空間變化特征，研究區(qū)的生態(tài)脆弱性的空間分布大致體現(xiàn)了如下規(guī)律：在自東向西的方向上表現(xiàn)為先升高后下降，即東部和西部的生態(tài)脆弱性均低于中部地區(qū)；在自北向南的方向上則表現(xiàn)為先緩慢降低后升高的趨勢，說明湘鄉(xiāng)市南部地區(qū)的生態(tài)脆弱性高于北部。

3.3 生態(tài)脆弱性空間分布特征與統(tǒng)計(jì)

對通過Kriging插值法預(yù)測后的湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)脆弱性結(jié)果，用自然斷裂法分為5個(gè)等級：微度脆弱區(qū)(0.246 1～0.342 4)、輕度脆弱區(qū)(0.342 5～0.370 4)、中度脆弱區(qū)(0.370 5～0.394 4)、高度脆弱區(qū)(0.394 5～0.433 1)和極度脆弱區(qū)(0.433 2～0.479 4)?？臻g分布方面呈現(xiàn)中部偏西地區(qū)和南部地區(qū)較高，東部、西部和北部地區(qū)較低的趨勢。

圖3 湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性空間分布圖

從空間分布上看(圖3)，湘鄉(xiāng)市林地的微度脆弱區(qū)和輕度脆弱區(qū)主要分布在東部、西部、東南部、西北部以及中部偏東的地區(qū)，森林類型以闊葉林和針葉林為主，且為生態(tài)公益林，生態(tài)環(huán)境受人為干擾較少，地形以平地和緩坡為主，植被生長良好，生態(tài)脆弱性較低；中度脆弱區(qū)主要分布在北部、東北部以及東南部的部分地區(qū)，其森林類型以闊葉林、針葉林和喬木經(jīng)濟(jì)林為主，坡度較大且東南部地區(qū)的林地大部分為商品林，人為干擾程度有所上升；高度脆弱區(qū)和極度脆弱區(qū)主要分布在西南部和中部偏西地區(qū)，該區(qū)的森林類別主要為商品林，且森林類型以喬木經(jīng)濟(jì)林、竹林和灌木林為主，人類活動頻繁，景觀破碎化程度大，生態(tài)環(huán)境受人為干擾強(qiáng)烈，因而生態(tài)脆弱性高。由此可見，人為干擾因素對湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性的影響大于自然因素。

根據(jù)表8所顯示的分布比例可知，湘鄉(xiāng)市范圍內(nèi)中度脆弱區(qū)的林地面積為43 694.73 hm2，占湘鄉(xiāng)市林地總面積的47.02%，是湘鄉(xiāng)市林地的主要生態(tài)脆弱等級；所占比例排名第二的脆弱等級為高度脆弱區(qū)，其面積為20 114.41 hm2占湘鄉(xiāng)市林地總面積的21.64%；輕度脆弱區(qū)的林地面積為18 191.00 hm2，占湘鄉(xiāng)市林地總面積的19.57%；極度脆弱區(qū)的林地面積為9 082.76 hm2，占湘鄉(xiāng)市林地總面積的9.77%；說明目前湘鄉(xiāng)市林地的極度脆弱區(qū)域面積還不是很大，且以輕度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)為主，湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱的整體狀況較好。

表8 湘鄉(xiāng)市林地不同生態(tài)脆弱等級區(qū)面積統(tǒng)計(jì)脆弱等級面積/hm2比例/%微度脆弱1 847.691.99輕度脆弱18 191.0019.57中度脆弱43 694.7347.02高度脆弱20 114.4121.64極度脆弱9 082.769.77

4 結(jié)論與討論

以湘鄉(xiāng)市林地為研究對象，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)、TM影像及森林資源二調(diào)數(shù)據(jù)，將湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)敏感性與森林景觀格局指數(shù)中的斑塊密度、平均鄰近指數(shù)、相似毗鄰百分比、連接度指數(shù)、斑塊結(jié)合度指數(shù)、聚合度指數(shù)、分離度指數(shù)相結(jié)合，對湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)脆弱性進(jìn)行了探索性研究。結(jié)果表明：①湘鄉(xiāng)市林地的5種森林景觀類型的生態(tài)脆弱性排序?yàn)椋汗嗄玖?喬木經(jīng)濟(jì)林>竹林>針葉林>闊葉林，說明群落結(jié)構(gòu)、人為干擾、齡組結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)對研究區(qū)內(nèi)各森林景觀類型均有較大影響；②湘鄉(xiāng)市林地的生態(tài)脆弱性結(jié)果用自然斷裂法可分為微度脆弱區(qū)、輕度脆弱區(qū)、中度脆弱區(qū)、高度脆弱區(qū)、和極度脆弱區(qū)5個(gè)等級，上述脆弱等級面積分布排序如下：中度脆弱區(qū)>高度脆弱區(qū)>輕度脆弱區(qū)>極度脆弱區(qū)>微度脆弱區(qū)；③湘鄉(xiāng)市林地生態(tài)脆弱性空間分布總體上呈現(xiàn)中部偏西地區(qū)和南部地區(qū)較高，東部、西部和北部地區(qū)較低的趨勢，主要以輕度脆弱區(qū)和中度脆弱區(qū)為主。

生態(tài)脆弱性是目前生態(tài)學(xué)、林學(xué)以及環(huán)境資源學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)，相關(guān)評價(jià)體系也種類繁多，由于各評價(jià)體系都是有相關(guān)的評價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成，且不同區(qū)域林地屬性的實(shí)際情況各不相同，類似的評價(jià)體系在不同的區(qū)域是否能取得較為理想的評價(jià)結(jié)果是本研究需要實(shí)地考察與進(jìn)行后續(xù)研究的主要內(nèi)容。