全 文 ：大兴安岭林区道路网络对景观格局的影响*
李月辉1**摇 吴志丰1 摇 陈宏伟1 摇 李娜娜1,2 摇 胡远满1 摇 常摇 禹1
( 1 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 中国科学院研究生院, 北京 100049)
摘摇 要摇 在明确大兴安岭呼中林业局道路网络系统组成特征的基础上,利用主成分分析法,
将林业局内 17 个林场作为分析单元,以该林业局 1989 年景观为例,对有、无道路情况下的景
观格局分别进行定量分析,探讨了道路对森林景观格局的影响.结果表明:呼中林业局内包括
运材主、支路在内的常年运材路密度为 2. 3 m·hm-2,在各个林场内分布均匀,基本沿着河流
水系深入到各个采伐区.道路的出现使景观水平上的森林格局发生了显著变化:所有林场中,
平均斑块面积减少、数量增多、斑块间距离增大,均表现出不同程度的破碎化,但破碎化程度
与道路密度之间没有显著的相关性;道路网络对景观破碎程度的影响比对空间聚合程度的影
响更强烈.
关键词摇 道路网络摇 森林景观摇 格局摇 大兴安岭摇 主成分分析
文章编号摇 1001-9332(2012)08-2087-06摇 中图分类号摇 Q149摇 文献标识码摇 A
Impacts of road network on forest landscape pattern in Great Xing爷an Mountains of North鄄
east China. LI Yue鄄hui1, WU Zhi鄄feng1, CHEN Hong鄄wei1, LI Na鄄na1,2, HU Yuan鄄man1,
CHANG Yu1 ( 1 Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Chi鄄
na; 2Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2012,23(8): 2087-2092.
Abstract: By characterizing the composition of road network in the Huzhong Forestry Bureau in
Great Xing爷an Mountains, Northeast China, we investigated the effects of road networks on land鄄
scape pattern by quantifying 1989 landscape pattern for each of the 17 forestry farms on maps with
and without roads by principal component analysis (PCA). The results showed that road networks,
including the main and secondary timber鄄transport roads, were distributed evenly among the
observed 17 forestry farms with a density of 2郾 3 m·hm-2 and spread along the river networks
throughout each farm. The emergence of roads significantly altered the landscape pattern at the
landscape level in each farm, which was characterized by landscape fragmentation involving a de鄄
cline in patch area and an increase in patch number and distance among patches. Furthermore, no
significant correlation was found between fragmentation and road density. The road network had
more impact on fragmentation than on aggregation at the landscape level.
Key words: road network; forest landscape; pattern; Great Xing爷an Mountains; principal compo鄄
nent analysis (PCA).
*国家自然科学基金项目(40871245,31070422)和中国科学院战略
性先导科技专项(XDA05050201)资助.
**通讯作者. E鄄mail: liyh@ iae. ac. cn
2011鄄12鄄05 收稿,2012鄄06鄄12 接受.
摇 摇 随着经济与社会的发展,道路网络在全世界迅
速蔓延[1-2],其影响至少涉及到全球陆地面积的
15% ~20% [3],其中,在景观尺度上对景观空间格局
的强烈影响是道路的多重影响之一,该影响在道路
出现和增加的过程中表现最为明显.在森林景观中,
道路深入原始的、未利用的森林腹地,主要承担木材
的收集和运输功能,其廊道和屏障能力作用尤为突
出,并且在景观中形成道路网,比线型道路的生态影
响更大,因此,道路网对森林景观格局的影响倍受重
视[4] .道路网使核心森林面积减少、边界趋于直线、
边缘生境增加及景观格局破碎化,如在怀俄明州森
林,道路造成景观结构破碎化、平均斑块面积和核心
斑块面积减少、边缘密度和斑块密度增加[5] . 比较
高分辨率土地利用图和经过添加道路的景观图,发
现后者的破碎化程度增加,面积权重的平均斑块面
积比前者小 50% ~90% [6] .借助更高分辨率的数据
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 8 月摇 第 23 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2012,23(8): 2087-2092
源可知,即使只有在森林调查时才使用的小路,其不
同的密度和结构也对森林景观结构产生很大影
响[7] .在某些情况下道路对景观的影响甚至超过地
形特征的影响[8-9] .相对而言,无道路区域景观的破
碎化程度较小,随着无道路区域面积的增加,动、植
物的物种丰富度增加、火烧频率增加,并影响野生动
物生境[10] .所以,评估道路密度等空间特征对景观
格局和功能的影响仍是景观中道路影响的重要
方面.
我国林区的道路密度尚小于林业发达国家的道
路密度[11],有机会预先避免道路密度增加时产生的
负面效应,因此需要研究在现有道路密度下森林景
观结构改变的程度,是否导致了严重的破碎化? 现
有的道路网络完全形成于长期的采伐作业,从木材
生产的角度有它的合理性,但从景观格局变化的角
度,现有的道路密度是否合理? 这些问题的解答对
于未来林区道路规划、野生动物保护都具有重要意
义[12] .同时,大兴安岭是我国的主要寒温带针叶林
区,建国以后开发利用至今,在采伐生产过程中逐渐
形成能够担负生产任务的道路网络系统,研究该网
络系统的特征及其对景观格局的影响尤为重要,也
是未来森林道路规划及森林经营的重要科学依据.
我国学者对区域尺度上道路网络特征及其影响进行
了研究[13-16],但景观尺度上对林区道路网络影响的
研究尚少.本文在明确大兴安岭呼中林业局内道路
网络系统的组成和特征的基础上,将林业局内的 17
个林场作为分析单元,利用主成分分析法,基于景观
格局指数分析了有无道路对该林业局 1989 年景观
格局的影响以及道路密度对森林景观的定量化影响
(道路的影响集中体现于道路出现和延伸的过程
中,呼中林业局 1969 年建局,20 世纪 70 年代开始
生产,即开始修建运材道路,后来随着采伐面积的增
大逐渐向森林腹地延伸,至 1989 年形成了较完善的
道路系统,并且在该年进行了森林资源的清查,因此
选择 1989 年的景观作为研究时相),为深入道路网
络特征对森林景观的影响研究提供重要基础.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
呼中林业局 ( 51毅 14忆—52毅 25忆 N, 122毅 39忆—
124毅21忆 E)位于大兴安岭伊勒呼里山北坡,呼玛河
中上游地区,总面积 770431 hm2,地貌为大兴安岭
北部石质中低山山地,山峦连绵起伏,山体浑圆,坡
度平缓,一般坡度在 15毅以下.全区地势由西南部向
东北部逐渐降低,平均海拔 812 m.该区属大陆性季
风气候,年均气温 4郾 7 益,年均降水量 511 mm,年均
蒸发量 905郾 7 mm,年均日照时数 2365郾 1 h,逸10 益
年积温 1800 ~ 2000 益 .地带性土壤类型为棕色针叶
林土.地带性植被是以兴安落叶松(Larix gmelini)为
单优势种的寒温性针叶林. 主要的针叶乔木树种有
兴安落叶松、樟子松(Pinus sylvestris var郾 mongolica)
和云杉(Picea koraiensis).主要的阔叶乔木树种有白
桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、甜
杨(P. suaveolens)和钻天柳(Chosenia arbutifolia).
该林业局 1969 年开始建局生产,至 1989 年一
直以木材生产为单一产业,包括木材的采伐、收集和
运输在内的采伐作业几乎涉及到整个研究区,同时,
研究区所在的呼玛河上游河流河道狭窄、弯曲、多浅
滩,不具备水运条件,因此,形成了与采伐作业相匹
配的道路系统,包括运材道路和防火道路,在林业生
产建设、护林防火和繁荣经济中起着重要作用.
运材道路网络包括常年运材路、冻板路、集材
主、支路.其中:1)常年运材路根据林业局的规划而
建设,以运送木材为主要功能,包括运材主路和支
路. 2)冻板路是根据冬季采伐生产需要、利用冬季
寒冷地表冻结的自然条件,从常年公路修向装车场
的临时性简易运材线路,按照单行线修筑,路面宽
3 m,无需排水,挖除路面上树根、清除倒木和障碍
物,用小杆和枝丫填平洼塘、小水沟,达到基本平坦.
一般长 2 ~ 3 km,最长可达 10 km. 3)集材主道是集
材机械深入作业区行走的路线,开始于装车场,终止
于作业区腹部,贯穿装车场吸引的所有小班,一般宽
3郾 5 ~ 4 m. 4)支道是集材机械在每个小班内行走的
路线,起始于集材主道,终止于小班腹地,宽 3 ~
3郾 5 m,在伐区内的空间分布一般遵循“百米 3 条冶
的原则,大兴安岭地区的平均树高 16郾 5 m,一条支
道能容纳侧伐倒木 33 m(16郾 5 m伊2).
防火道路包括为及时发现、扑灭火情而专门建
设的专用防火扑火道路和通往防火瞭望塔的专门塔
路.研究区内防火专线公路 47郾 7 km,专门的塔路仅
10 km,两者之和仅占全部道路的 3郾 1% [17] .
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 数据源 摇 本文数据包括研究区 1989 年森林
分类图(1 颐 100000)以及属性数据库(林业部大兴
安岭林业管理局)、1975 年地形图(1 颐 100000,中国
人民解放军总参谋部测绘局)、美国陆地资源卫星 5
(Landsat 5)TM遥感影像数据 2 期共 4 景(1987 年 5
月、1989 年 10 月,波段 1 ~ 7)和呼中林业局道路分
8802 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
布图(1 颐 500000),以及采伐道路的统计资料(大兴
安岭呼中林业局).
1郾 2郾 2 制作道路分布图摇 因为集材线和冻板路的空
间分布数据难以获得,加之专用防火公路和塔路相
对较短,本文计算道路网对森林景观的影响时,包括
运材的主线和支线,由呼中林业局道路分布图(1 颐
500000)矢量化获得.
1郾 2郾 3 制作有道路的景观类型图和无道路的景观类
型图摇 首先制作 1989 年景观类型图[18],在该类型
图中,景观类型分为 11 种,道路是其中的一种.无道
路图是为了描述没有道路影响的景观格局,将有道
路的景观类型图中位于道路两侧 90 m 的缓冲区内
小于 3 个象元的斑块合并(利用 ArcInfo 8郾 1 中的
ELIMINATE process完成),以合并由于道路的存在
所产生的大部分斑块[5],最终形成无道路影响的景
观类型图.
1郾 2郾 4 道路在各个林场中的特征指标摇 廊道密度指
数(D)指道路在单位面积内的长度,主要用来表述
道路的疏密程度,其算式为:D= L / A.其中:L 为道路
长度(km);A为道路景观面积(km2).
非均匀度(NE)可用来表述廊道景观中不同廊
道空间分布的均匀程度,通过划分格网的方法来计
算,即将研究区分成 n 个格网(根据具体情况调整
格网的大小),公式为:
NE = 1D
移
n
i = 1
(
Li
Ai
- D) 2
n - 1
式中:Li 为第 i个格网内的道路长度(km);Ai 为第 i
个格网的面积(km2) [19],本研究设定的网格大小为
1 km伊1 km.
计算每一个林场有、无道路两种情况下景观水
平上的景观格局指数,比较分析景观格局在道路出
现以后的变化.对所有的数据进行主成分分析,选择
解释变量在 75%的主成分,对两种情况下每一成分
的得分值进行比较分析. 利用 SPSS for Windows
10郾 0 和 Microsoft Excel 2007 完成主成分分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 道路网的组成及空间特征
呼中林业局的运材道路分为运材干线、运材支
岔线.其中,干线深入主沟,是连接林业局和各个林
场之间的道路,支岔线一般是从干线分出深入两侧
的小沟,是连接林场和各个采伐点之间的道路,这些
干线、支岔线构成林业生产的主要运输网络(图 1).
图 1摇 呼中林业局各林场的运材道路网分布图
Fig. 1摇 Road network in each forestry farm of Huzhong Forestry
Bureau郾
1989 年研究区常年道路长 1780 km,道路网密度
(2郾 3依0郾 1) m·hm-2(CV= 0郾 3% ,n = 17),道路分布
的非均匀度指数为 (2郾 08 依 0郾 72) (CV = 35% ,n =
17),基本上沿着河流深入到各个林场(图 1).大兴
安岭林区为我国国有林区,呼中林业局内实行统一
的森林调查、采伐规划、设计和管理,在各个林业局
之间的变化相对较小,空间上呈现比较均匀的分布.
至 2000 年,该局道路长度增加到 2152郾 6 km,道路
网密度达到 2郾 8 m·hm-2 .
作为非常年公路的冻板路,每年的使用长度与
当年的采伐量和采伐区的分布关系密切. 1998—
2000 年,每年都使用一定数量的冻板路,1993 年使
用长度最长,该年的采伐量最大.另外一种非常年使
用的道路———集材主、支路在遥感影像和森林资源
调查中难以获得,只能由采伐设计的统计数据获得,
结果表明,集材路的使用情况在不同年份有所变化,
与采伐量的大小有一定关系. 冻板路、集材主路、支
路的变化趋势基本相似,都与采伐作业量密切相关
(图 2).
2郾 2摇 道路网对景观格局的影响
呼中林业局 17 个林场中,有无道路情况下景观
水平上景观指数的主成分分析结果产生了 4 个主成
分,前两个主成分总贡献率为 77郾 2% .其中,第 1 个
主成分解释变异的 58郾 3% ,与 6 个指数(平均斑块
面积、平均核心斑块面积、平均最近距离、平均分维
数、边缘密度、斑块密度)相关,代表着景观的斑块
大小、斑块密度和斑块边缘特征,综合反映了景观水
平的破碎化程度.该主成分中高分值代表更大的核
心斑块、更小的平均斑块大小以及更大核心斑块间
距离,低分数值则相反 . 第2个主成分解释变异的
98028 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李月辉等: 大兴安岭林区道路网络对景观格局的影响摇 摇 摇 摇
图 2摇 1989—1999 年呼中林业局冻板路、集材主、支路的使
用长度
Fig. 2摇 Length of the temporary timber鄄transport roads covered
by ice, main and secondary logging roads in Huzhong Forestry
Bureau during 1989-1999郾
玉:运材岔线(冻板路) The third timber鄄transport road;域:集材主路
The main logging road; 芋:集材支路 The secondary logging road郾
18郾 9% ,与 3 个指数(蔓延度、连接度、最大斑块指
数)相关,代表着景观的聚合度和连接程度,高分值
代表较高的聚合度和连接度,低分数值则相反
(表 1).
摇 摇 对前 2 个主成分,以林场编号为纵坐标、有无道
路两种情况下因子分析的得分值为横坐标作图,同
一纵坐标值的 2 个点之间的距离代表道路出现所导
致的景观变化的程度(图 3).在第 1 主成分上,道路
出现使所有林场的得分值降低,说明道路的出现导
表 1摇 景观格局指数的主成分载荷
Table 1 摇 Principal component loadings for the landscape
indices
指数
Index
主成分 Principal component
1 2 3 4
AREA_MN 0郾 961 0郾 196 -0郾 060 -0郾 025
CORE_MN 0郾 960 0郾 208 -0郾 086 -0郾 005
ENN_MN 0郾 714 0郾 283 -0郾 362 0郾 482
FRAC_MN -0郾 592 0郾 067 0郾 574 0郾 070
ED -0郾 813 -0郾 317 0郾 316 -0郾 199
PD -0郾 952 -0郾 200 0郾 044 0郾 037
CONTAG 0郾 369 0郾 709 0郾 107 0郾 425
COHESION 0郾 349 0郾 913 0郾 038 -0郾 099
LPI 0郾 040 0郾 960 -0郾 249 0郾 036
LSI -0郾 054 -0郾 082 0郾 905 -0郾 057
F 0郾 350 0郾 267 -0郾 466 0郾 690
PARA_MN -0郾 539 -0郾 172 0郾 207 0郾 718
AREA_MN:平均斑块面积 Mean patch area; CORE_MN:平均核心斑
块面积 Mean core patch area; ENN_MN: 平均最近距离 Mean nearest鄄
neighbor distance; FRAC_MN: 平均分维数 Mean fractal dimension;
ED: 边界密度 Edge density; PD: 斑块密度 Patch density; CONTAG:
蔓延度指数 Contagion index; COHESION: 连接度指数 Patch cohesion
index; LPI: 最大斑块指数 Largest patch index; LSI: 景观形状指数
Landscape shape index; F: 分布指数 Distribution index; PARA_MN:
周长面积比分布 Mean perimeter鄄area ratio distribution郾
图 3摇 各林场在有无道路情况下景观水平指数的第 1 和第 2
主成分的得分值
Fig. 3摇 Scores on the first and second principle components of
landscape indices of each forestry farm on map with and without
roads郾
音无道路 Without roads; 姻有道路 With roads郾
致景观的平均斑块面积减小和斑块密度增大,即破
碎化程度加大;不同林场之间的变化程度不同,将变
化程度与各林场的道路密度进行相关分析,两者的
相关性没有达到显著水平.在第 2 主成分上,道路出
现后 17 个林场中 13 个林场分值上升,聚集度和连
接度增加,其余 3 个林场的分值下降.道路作为一种
特殊的人工廊道,其连接度为 1,该种景观要素的出
现会增加所在景观在景观水平上的连接度和聚合程
度.在同一林场,主成分 1 得分值在有无道路之间的
差异(平均变化幅度为-26郾 5% )大于主成分 2 得分
值在有无道路之间的差异(平均变化幅度 7郾 8% ),
说明道路的出现对破碎程度的改变比对空间聚合程
度的改变更强烈.
摇 摇 整个呼中林业局景观水平的景观指数在有道路
与无道路两种情况下的比较结果显示(图 4),道路
出现以后,指数值明显增大的指数有周长面积比、斑
块间平均最近距离、斑块密度恶化蔓延度指数,且在
17 个林场均增大,其中,周长面积比的变化程度最
大,达到 13郾 3% ,斑块间平均最近距离变化程度次
之,为 7郾 8% ;较明显的负向变化为香农多样性指
数、平均核心斑块面积和平均斑块面积,且在17个
0902 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
图 4摇 1989 年呼中林业局在有无道路情况下景观水平上指
数的变化
Fig. 4摇 Change of landscape鄄level indices in Huzhong Forestry
Bureau with and without roads郾
带*的指数为在 17 个不同林场中变化方向不一致,不带*为变化方
向一致 Those indices with* were different in change direction in each
forestry farm and those indices without * were inverse郾 AI:聚集度指数
Aggregation index; SHEI: 辛普森多样性指数 Simpson evenness index;
SHDI: 香农多样性指数 Shannon diversity index; COHESION: 连接度
指数 Patch cohesion index; CONTAG: 蔓延度指数 Contagion index;
ENN_MN: 平均最近距离 Mean nearest鄄neighbor distance; CORE_MN:
平均核心斑块面积 Mean core patch area; PARA_MN: 周长面积比分
布 Mean perimeter鄄area ratio distribution; FRAC _MN: 平均分维数
Mean fractal dimension; AREA_MN: 平均斑块面积 Mean patch area;
LSI: 景观形状指数 Landscape shape index; ED: 边界密度 Edge den鄄
sity; TE: 总边界长度 Total edge; LPI: 最大斑块指数 Largest patch
index; PD: 斑块密度 Patch density郾
林场均减小,说明道路出现后所有林场在景观水平
上都呈破碎化趋势,整个林业局的景观也同样趋于
破碎化.由于原有景观格局以及道路分布的差别,聚
集度指数、连接度指数、平均分维数、最大斑块指数、
景观形状指数、边界密度、总边界长度的变化幅度很
小,在各个林场的变化趋势也不同,各有增减.
3摇 讨摇 摇 论
呼中林业局的道路系统相对完善,包括运材主
路、支岔线和集材主、支路以及塔路. 运材道路密度
为(2郾 3依0郾 1) m·hm-2,在各个林场内分布均匀,沿
着河流分布,深入到各个采伐区.运材岔线以及集材
主、支路的使用长度在不同年份有所变化,与采伐作
业量的大小有一定关系,但在相同采伐量下,伐区的
空间分布也影响这 3 种道路的使用情况,需要深入
分析.
道路网络的出现影响呼中林业局森林景观格
局.道路出现后,呼中林业局景观水平指数发生显著
变化:所有林场都出现不同程度的破碎化,但破碎化
程度与道路密度之间没有显著相关性;连接度和聚
集度在 13 个林场内增加,说明道路的出现对破碎程
度的改变比对空间聚合程度的改变更强烈,这与道
路对整个景观水平上指数变化的影响结论一致. 很
多研究表明,道路网密度与景观格局的破碎化呈正
相关关系[20-21],但本研究中两者没有体现出定量化
的显著相关性,可能由于道路密度在各个林场中的
差异较小.
大兴安岭运材道路网络系统包括运材主路、支
岔线和集材主、支路,由于数据难以获得等原因,本
文只研究了包括运材主路、支岔线的常年运材道路
的影响.事实上,集材路和非常年使用的冻板路也对
景观格局,尤其是动物生境的连接度等产生影
响[7],尚需深入研究.另外,道路网络与景观特征的
关系受到道路网络特征的影响,包括道路密度和构
型,很多研究认为道路构型比道路密度的影响
大[5,21-22],尤其影响动物生境格局特征[23],所以,道
路网络构型对大兴安岭森林的影响也需进一步
研究.
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作者简介摇 李月辉,女,1973年生,博士,副研究员.主要从事景
观生态学研究,发表论文 30余篇. E鄄mail: liyh@ iae. ac. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
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