全 文 ： ．6 j
第19卷第4期
1999年7月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SIN1CA
vOI．19，N0．4
July．1999
关帝山林区景观要素空间分布及其动态研究
、，
郭晋平 ，阳含熙。，张芸香 多7f子．3-
(1_山西农业大学林学系，太各 030801，8．中国科学院自然资源综台考察委员会．北京 i001011
摘要：在 ARC／INFO支持下．应用 G1S技术结台景观生态学原理．从一十侧面对关帝山林区森林景观空间分布格局进行
丁分析研究，提出丁一套适用于森林景观空间格局分析的方法和指标，揭示了研究地区森林景观空间分布动志的一些基
本规律。研究结果表明，在G1S支持下．通过网格样方全景观取样 ，采用基准面积样方取值法确定样方观测值 ．分别景观
要素计算 Morisita指教或 E指标，可以对研究对象的空间分布特征做出客观的分析．并可通过对多期景观图层的分析比
较揭示景观格局动志规律 样方大小对分析结果有显著影响．原则上应尽量小．可用景观要素斑块平均面积和标准差控
制 概率分布模型拟台的方法不适用于森林景观空间格局分析。关帝 山森林景观 自50年代末以来处于恢复演替进程 中，
森林丹布范围扩大，景观质量逐步提高 ．3十时期表现出显著不同的动态特征。
关麓词：森林罱观 空 间格局1景观动态 ；样方取值法 分布型指数；关帝 山林区
Studies 0n spatial pattern and dynamics for landscape elements in
guandishan forest region，Shanxi，China
GUO Jin—Ping ，YANG Han—Xi ，ZHANG Yun—Xiang (1．Dep m n ，。 “ ，Shanxi Agricul—
rural Uni~rMty，030801·Shanzi，( }2 0 r ⋯ w Sut~ y Commite，The Chi~se Academy Sci~ es．Beijing．
100101，China)
Abstract, · ，
．
：Supported by ARC／1NFO software and using GIS technique and landscape ecological principles
and analyzed the forest landscape spatial pattern in Guandishan Forest Region of Shanxi Province，China． A
serial method and two indices are provided to fit forest landscape pattern ana[ysis．Some basic dynamic lea
tures of forest landscape pattern in study area are explored and explained in an aspect．Research results
showed that，supported by GIS，with network grid sampling in total landscape，using Standard Area M ea—
surement M ethod for the determination of investigation value in plots，landscape distribution characteristics
and spatial pattern can be objectively analyzed by Morisita Index or Executive Index in study area．Land—
scape pattern dynamic laws can also be explored and expounded by comparing these two indices which
come from multiple stages of digital landscape maps．It was also indicated that the size of network grid plot
significantly affects result of landscape pattern analysis．So，it should be as smal as possible in principle，
but it can be controlled by mean and stand且rd difference of studied landscape element patch size in practice
It was proved that Fitness Test of probability distribution models are not effective to analyze forest land—
scape spatial pattern-It was presented that，since the end of 1950s．the landscape in study area has been in
a restoring succession process，forest distribution range has being expanded gradually，and landscape quality
has being grow up，zonal distribution pattern of forest types gradually set up．The dynamic of forest type
distribution pattern in three stages presented significant different characteristics．
Key words：forest landscape；spatial pattern；landscape dynamic；measurement of sample plot；distribution
pattern index~Guandishan forest region．
文章编号 ：1000—0933(1999)04—0468—06 中围分类号：Q149 文献标识玛：A
基盒硬 目：国家 自然科学基金资助项 目(39600115)的一部分 The project supported byNSFC
收稿 日期t1 998—03—28；惨订日期t1998—11 08
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4期 郭晋平等 ：关帝山林区景观要素空间分布及其动态研究 469
景观格局是由景观中异质景观要 素的种娄、数量、规模 、形状及其空间分布模式决定的。格局分析在植
物种群生态研究中已有较多应用 卜 。甩以揭示种群空间分布特征及其与干扰状况的关系。森林景观格局
可以反映植被空间分布及其动态受环境异质性和干扰状况综合控制的基本特征 。” 。通过对景观格局成因
机制的分析，确定系统 的生产力 、稳定性、生境质量的控制 因素 ，进而有效预测景观的动态，是确立景观管
理与设计 目标 ，制定景观管理措施的基础和依据 。
景观要素空间分布随机性是景观格局的主要特征之一。由 Taylor发展的“R度量分析 tMorril和
牛文元曾应用的 点空间排布 ” ，Wiliam提出的“空间方程 ”]， 近邻分析法”及其它用于种群空间分布
格局分析的方法，都曾被甩来研究动植牺种群的空间分布规律口’”“ 。牛文元根据“引力理论”与“概率论”
的基本原理 ，提 出 E一尺度指标 ，用以判定生态系统 的空间分布模式[] 。但应用这些方法分析森林景观格
局及其动态的成果和实倒国内未见报道 ，国外也未见专门研究和论述 。本 文通过对关帝山林区森林景观空
间格局的分析 ，探讨适用于森林景观生态研究的景观要素空间分布格局分析方法 ，揭示研究地区森林景观
动态规律 ，为森林资源管理和保护提供依据 。
1 研究地区概况
研究地区位 于吕粱山脉中段的关帝 山林区．以主峰孝文山为中心，涉及庞泉沟国家级 自然保护区和周
围6个林场各一部分 ，区域总面积57200hm ，地理范围东经111。21 ～111 o37 ，北纬37 45 ～37。 9 全区最高
海拔2938．7m，最低海拔 1360m，平均海拔1927．4m，平均坡度20．8。，是典型的华北石质山地天然次生林区。
车区气候属于受季风控制的暖温带大陆性山地气候，年平均气温4．2c，年降水量852 6ram，相对湿度
70．9 ，≥0C积温约2100 C。主要土壤类型有亚高山草 甸土 、山地棕色森林土 、山地淋溶褐土、山地揭土、
粗骨性褐土及褐土性土 。院生植被斑块破碎 ．林龄偏小 主要分布有亚高 山山地灌丛 、亚高 山草甸、寒韫性
针 叶林 、山地落 叶阔叶林、温性针叶林、山地灌丛及山地草甸等植被类型。
2 研究方法
2．1 资料收集
研究资料以航空像片为主 ，林区 图面材料和资源清查材料为辅 。四期航片包括 ：①1959年1 5万的全色
片，放大 为1 2．5)7 ②1972年1：3万的全色片。@1981年1：2万的彩红外片。④ 1 992年1 5万的彩红外 片，放
太为1：2．5万 林相圉和经理调查资料，起辅助航片判读的作用。
2．2 景观要素类型划分
根据研究目的、研究对象特 和航片分辨性能，建立了以植被优势成分为主要依据的景观要素分类 系
境 本 文涉及的二圾分类系统觅表1。
2．3 景观图层的生成
采用“航片判读一转绘一核棱 清绘 数 字化 编辑 属性 数据录入”的工作程序。在 ARC／INFO 支
持下，生成四期数字景观图层及相应的拓扑数据库和属性数据库
2．4 景观格局分折方法
2．4．1 景观格局分析空 日^1取样方法 许多景观格局分析方法来源于种群空间格局研究 。这些方法将叶、体
抽象为只具有 点”特征的事件，用某种概率统计模型或参数加以描述和分析 ’” 某些针对空间面状实体
提出的分 析方法 ，也都基 于一定的概率统计假定 因此 ，取洋方法是否合理是影响景观格局分析效果的关
键因素之一 本研究设计了两种适用于应用地理信息系统(GIS)技术进行数据库管理及空阿分析的样方取
值方法 即基准面积法和样方斑块数法。
(1)基准面积法 (SAM) 若设景观要素在景观中均匀分布于统一网格的每一个样方中 ，即景观要素斑
块由可分割的面积 单元构成 ．这些面积单元可 以任意小，以致 可看作空间中的点 。可将 均匀分布时平均每
个样方中的景观要索面积作为基准面积 ，则将样方中景观要素实际面积与基准面积之比作为样方观测值。
设景观总面积为 A，欲研究的景观要索面积为 A．，统 一网格样方面积为 n，整个景观包含 Ⅳ 个样方 。若
第i景观要素在第J样方中的面积为d 则该样方的取值为：X 一，Ⅳ71(a；iA／aA )=INT(a ／A ×Ⅳ)
(2)样方斑块数法 将统一同格第 J样方中出现第 i景观要素的斑块数作为样方取值 ‰ 。实际应用
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时，可根据分辩率确定一个面积下限，作为计数斑块最 小面积
上述两种方法都可在 GIS支持下，通过统一 襄l 景现要素分娄系镜
网格样方图层与景观 图层叠加后 ，对相应 PAT数
据库按样方汇总统计，转化生成样方数据库
2．4 2 景观要素空间格局分析 (1)分 布拟合法
(PAM) 分布拟合法通过对概率分布模型进行拟
合检验 ，分析确定研究实体 的空间分 布特征。在典
型情况下 ，能够提供实体空阿分布的细节 如用二
项分布描述均匀分布 ，用 Poisson分布描述随机分
布，用 Neyrmn分 布描 述实体以聚块形式 出现而
聚块内个体呈随机分 布的格局 。用负二项分 布(N—
binomia1)描述 由不同密集程度 的聚块进一步聚集
构成的格局 本文采用矩法估计模型参数，x 检验
确定拟合效果 ，通过 TJRJ软件包实现ll 。
(2)分布型指数法 分布型指 数法通 过计算
分 布型指数判定研究实体 的空间分布特征 在 种
群生态研究中常用扩散 系数、Taylor指数、Morisi．
ta指数、CA指数和平均拥挤度指数等 采用扩散
系数 ，即 方 差均 值 比或 称 偏离 系数 (D1)。“ ”]、
Morisita指数(MI)E ”]、CA指数(CA) 。：和 E一
指标(EI)E15] 各指数数值表征意义见表2。
3 结果分析
3、1 样方大小的确定
同群落生态研究一样 ，由于可能存在某种格
局 ，样 方大小对分析结果必然产生影响。为此 ，本
文采用3个不同样方规格 ，即：10×10hm ，8、125×
7．0097hm ，5，0×5．Ohm ，样 方 总数分 别为 572，
992和2288个，样方观测值用基 准面积法确 定。用
1992年景 观图分别计算上述各指数 并将 Morisita
指数和 E一指标计算结果绘制成图1和 图2
分析表明，Dl指数 ，MI指数和 CA指数对样
方大小都根敏感 。图1中，MI指数越大 ，表 明景观
要素的空间聚集程度越高。各景观要素空间分布
聚集程度的次序未发生变化，但都随样方面积缩
小而增大 }且样方规格越 小，不同景观 要素之间的
差别越 明显。
Table l [mndscape element classification system
一 缎分类
FJrSt【eve1
二级分类
sec0Il口 Jevd l e【
林地 C Losad foz~st(cF) 寒温性针叶林0
山地落 叶 阔叶林 0
温性 针叶林 @
人工 幼林 Artifcial ptantatlon(AP) 人工幼 林④
疏林 Open forest(oF) 疏林
灌丛 Brush(BS) 灌丛@
草旬 Meadow(MD) 亚高山草旬0
山地草旬@
采伐迹地 Slash(ss) 新连地@
老避地0
稀疏 整草丛 Thin brush(TB) 稀疏整草丛0
耕地 Farmtand(FL) 沟地0
坡耕地0
撩荒地0
河流 River(RV) 河流0
居 民区 Residential a坤a(RA) 居 民区0
其 它 Others(oT) 裸岩
矿 区0
水库0
All those abbrevlatlor~ 坤feⅡed tO an e as bellow、
①North coniferous~orest(NCF)；@Mountain broad leafod
~orest(MBF)F③Temperate coniferous f0TeSt(TCF)F④Ar—
tifieht[phmtatlon F@ Open~orest{@ Brush；⑦Sub—aptine
meadow，⑧Mountain meadow；@New Slash{@Old slash}
@Thin brush F@Bottom farmtaad F@S[ope fermland；@ A_
bandoned fermtand；@ River·@ Residemial area{@ Bear
rocky area；@Mining district F@Reservoir
衰2 各描量量位衰征意义
Table 2 Representative significance of all ln~ces
①Even distributlon~@Random distribution F③Clus—
tered dlstributloa
综上所述 ，缩小样方规格，有利于提高分析的准确性 ；但样方规格辅小 ，样方数量增加 ，相应的数据量
也成倍或十几倍地增加，对技术平台的要求提高 ，工作量加大 。一般来说 ，景观异质性越高 ，景观要素斑块
越小 ，样方面积应当越小。可用斑块平均面积( )和标准差( )，按 下式计算作为参考。样方面积 ：a=x-s／5
图2中，E一指标越小，表明景观要素聚集程度越高 由图可见 ，样方大小对 E一指标也有一定程度的影响
与其他指数不同，随样方规格的缩小各景观要素 E一指标的变化方 向不同 ，使景观要素之间的差别更明显。
3．2 基准面积法的效果分析
由图3比较两种样方取值法对1 992年数据的各指数结果可见 ，采用基准面积法确定样方观测值时，不
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4期 郭晋平等 ：关帝山林区景观要素宅间分布及其动态研究 471
仅 Dl指数、MI指数和 CA指 数对景观要 素聚集程
的指示结果一致，而 且与 EI的结果相吻合．由各指数
反映的不同景观要 素的聚集程度次序一致 。采用样方
斑块数法，各指数判定结果一致性差 ，与基准面积法所
得结果在聚集程度排序上有较大差异。因此 ，基准面积
法效果良好，样方斑块数法不适用 。
同时可以看到 ，Dl指数、MI指数和 CA 指数的表
征作用基车相同。三者之 中， DI指 数受 样方取值方
洼的影响最大。用 MI指数和 CA指数都可对景观要 素
空间聚集特征作出客观评价 。其 中MI指数受样车平均
值影响 小，且能进 行差异显著性 检验，优于 CA指数。
E一指标数值范围小 ，意义明确 ，其分析结果与前者稍响 。十样 规格Mon 指效比较分析
量 ：曼 毫 ．既 虑样 取值大小 考虑样方 F ig ．[ 。C om—par i ” ⋯
空间位置关 系的特点．是一个合适 的景观要 素空间分
布型指数
1-
0 1’
{
墨o．
12,
D·
一 - 田酮一-
匾2 3个样方规格 E一指标 比较分析
Fig．2 Comparison for E indices of the three sample plot— s
l J
I
。— ．
SAM —DI DAM —DI SAM M I PAM —M 1 SAM -CA PAM -CA E1
口林地 -凡r幼林 口疏林 口藩丛
-草甸 -采伐违地 -稀蘸灌 草丛 口农耕地
0河流 0其它 0居民区
图3 景观要棠空间分布随机性检验两种样方取值方法比较
Fig 3 Comparison for tWO methods of sample dot㈣ su nt
基准面积法 SAM：standard area method 分布拟台法 PAM：patch~mount method
3．3 景观要素空间分布型拟台
将样方数据按样方频数分组统计后 ，分 别对 Poisson分布、Neyman分布和 N binomia1分布进行拟台 ，
∞ 。
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472 生 态 学 报 19卷
并作差异显著性检验。结果见表3
由表3可见，分布拟台检验结果所提供的信
息 ，常常相互矛盾，在研 究植物种群空间分布时
也常出现这种情 况 ] 分析结 果不便于景 观要
素问的相互比较 ，不 能为阐明景观要素空间分
布特征提供必要信息；
3．4 景观要 素空间分布特征动态分析
根据上述结果 ．本文采用基准面积法，样方
大小5×5hm ．样方数2288个，在 ARC／INFO支
持下，采用 E一指标分析各景观要素空间聚集程
度的动态 结果见图4和表4。
由图4可见，各个时期景观要素聚集程度的
次序投有重大变化 。其中以林地的聚集程度 最
低 ，自1959年以来持续 下降并 已趋 向于均 匀分
布 研究显示 ．研究地区林地 面积持续增加。这
就表 明，较低海拔步林地段的森林逐步恢 复，林
地总体分布范围扩大 ，景观质量提高 港丛的聚
集程度次之 ，接近随机分布，但 自1959年以来呈
衰3 备景琨要素空间分布型拟台检验结果
Table 3 Test results for spatial distribulton pa Uern simule
tion ofIII elemenb
“+ 表示符合该分布模型 ， 号表示不符台该分布模
型 + spatial distribution of the element fit the mode1．and
一 inverse。
现逐步提高的趋势 ，初期更接近均匀分布 ，在整个景观中广泛分布 ，此后聚集程度有所上升 ，直到呈随机分
布格局。这是由于林地和其它斑块扩展和斑块演替 ，使港丛分布受到分割和压缩所致。说 明由干扰格局和
环境资源格局 ，各 自控制着部分灌丛斑块 ，当人为破坏得到控制时 ，其空间分布格局趋向于受环境 资源格
局的控制 。往往由环境资源分 布格局控制的斑块稳定性高 ．而干扰斑块 的周转率高 。疏林地的空间聚集程
度变化不显著．始终接近随机分布。表明在研 究地区，疏林并非林地斑块恢 复和 形成的必经阶段 ．并且存在
着主要由干扰和环境因素控制的相对稳定的疏林地分布格局，而部分疏林斑块转化为林地的过程与整个
景观 中疏林的形成过程相 比更缓慢。农 田的聚积程度是逐步提高 的，随着居 民点的相对集 中，边远坡耕地
逐步弃耕 ，管理方便的河答农田逐步扩展 ，特别是80年代以来．由于当地交通条件改善，群众经济收入多元
化．偏远农田面积减少，河谷农田投入增加，使农田的聚积程度提高。草甸E一指标的变化反映了，由于森林
的扩展，草旬被分割破碎到后 期部分小斑块消失的过程。
特殊地类、居民点、人工幼林和稀疏港草丛都表现 出显著聚集分布特征 ，它们都是 与人类生产和生活
密切联 系的景观要素，分布于景观中有限的地域范围内。河流纵向延伸和讨技状分布特征 ，使其聚积分布
趋势不明显。迹地聚集程度很高 ，但逐步降低的趋势 ，表明采伐范围逐步扩展 ，采伐量加大的趋势明显 。
堇I
三 』 ln -I_『I们． ．
图4 各景观要素 E_指标动志分析图
Fig．4 Dynamics 0f spatial distribution E1 Df aI1 elemems
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4期 郭晋平等：关帝 山林区景观要素空间分布及其动态研 究 473
由表4可 见．3十森林植被 型的空 间聚集
程度表现 出不同的动态特点。初期 以寒 温性
针叶林的空间聚集程度最高 ，而后期 以山地
落叶 阔叶林的聚集程度最高 ，温性针 叶林 的
空间聚集程度最低 。寒温性 针 叶林的空 间聚
集程度从 1959年到1972年期间略有提 高．此
后整体表现出下降趋势。这表 明，初期 原有
衰4 3个意#擅控妻型空间分布 E一指标动态
Table 4 Dy~ lcs of El of the throe forest ty04~
斑块边缘扩展为主 ，其总体分布范围的扩展有限 。此后分 布范围持续扩大 ，并 与其它景观要 素斑块出现较
多的空间镶嵌。山地落叶阔叶林表现为相反的变化趋势 。从1959年到1972年聚集程度降低 ，此后逐步提高=
这表明．在森林恢复初期 ．阔叶林 的增加占主导地位 ，有较多新生斑块在远离原有斑块的地段形成 此后 ，
随着部分林地向针叶林转化．阔叶林向针叶林的演替超过阔叶林 的扩展 ，阔叶林的分布范围逐步被压缩 ，
聚集程度提高 。可见．闻叶林向针叶林的演替并不在整十阔叶林分 布范围内发生 ．森林演 替速率的空间分
布是不均衡的 以油松为主的温性针叶林 ，聚集程度呈现持续下降的趋势，其变化显著大于寒温性针叶林
研究期间 ，3十森林植被型的 E·指标变化幅度分 别是 ：寒温性针叶林0．1785，山地落叶阔叶林0．1248，温性
针叶林0．3647。从 1959年 到1972年．山地落 叶阔叶林和温性 针叶林 E一指 标 的变 化幅度分 别为0．0529和
0．1932。可见，温性针叶林的空间扩展速度不仅高于寒温性针叶林 ，而且也高 于山地落叶阔叶林 。
4 结论
(1)格 局分析中，网格样方大小对分析结果有明显影响。网格拌方越 ，分析结 果越准确可靠 。可用景
现要素斑块平均面积和标准差作为控制指标 。(2)拌方取值 方法是否合理对分析结 果有决定性影响 ．基准
面积法合理、可行。(3)分 布拟合法不适用于分析景现要素空间分布特征 ，不能为分析 比较景观要素空间分
布规律和动态提供有效信息 分布型指数中 Morisita指数和 E一指标优于其它指标 。(4)对关帝 山林 区景观
格局动态分析结果表明 ，自1959年以来 ，森林植被分布范围逐步扩展并趋于均匀分 布，3十森林植被型的空
间格局在各十阶段表现出不同的动态特点 。初期 以山地落叶阔叶林的迅速扩展占主导地位 ；中期 ，在森林
植被总体上进一步加速恢 复的同时．阔叶林向寒温性 针叶林 的转化过程加快 ，同时温性针叶林迅速扩展 ；
后期 ，寒温性针叶林恢复过程趋缓．温性针 叶林扩展居于主导地位 。
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