全 文 ：林业科学研究　2007, 20 (2) : 257～262
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2007) 0220257206
基于 GIS平台的公别拉河流域水源
涵养林景观格局与功能分析
孙晓娟 1 , 范文义 2 , 蔡体久 2
(1. 国家林业局调查规划设计院 ,北京　100714; 2. 东北林业大学 ,黑龙江 哈尔滨　150040)
摘要 :以增加流域内水源涵养能力这一生态功能为核心 ,借助于 GIS平台对公别拉河流域现有植被类型的地理空间
分布、林种和树种组成、景观结构进行了分析和评价 ,建立了区域水源涵养能力定量评价的直观影像数据库 ,确定了
流域内适宜的覆盖率 ,为科学合理的进行区域林业生态工程构建提供了科学的依据。
关键词 : GIS;水源涵养林 ;景观格局 ;功能分析
中图分类号 : S715 文献标识码 : A
收稿日期 : 2005205230。修改日期 : 2006204220
基金项目 : 黑龙江省区域重大项目 ( GB01DD237)
作者简介 : 孙晓娟 (1973—) ,女 ,主要从事生态信息系统管理.
Landscape Pa ttern and Function Ana lysis for the W a ter Resources
Con serva tion Forests of the Gongb iela R iver W a tershed by G IS
SUN X iao2juan1 , FAN W en2yi2 , CA I Ti2jiu2
(1. Academy of Forestry Inventory and Planning, State Forestry Adm inistration, Beijing　100714, China;
2. Northeast Forestry University, Harbin　150040, Heilongjiang, China)
Abstract: This study focused on increasing the water resource conservation ability of the Gongbiela river watershed.
By GIS techonology and available advanced high spatial resolution remote sensing image SPOT5, the landscape im2
age database was set up. According to the analyse of the spational distribution and the composing of the forest types
and forest species, The p roblem existing in the water resources conservation forests were pointed out. And all this
was p rovided to quantificationally analyse the ability of water resource conservation and to meet the demands of the
regional forestry engineering construction, constructing the forest system with coverage rate feasible, structure ration2
al and the ecologieal benefits.
Key words: GIS; water resources conservation forests; landscape pattern; function analyse
景观生态学研究的焦点就是在较大的空间和
时间尺度上研究生态系统的空间格局和生态过
程 [ 1 , 2 ] 。而现有的防护林配置与布局多以简单的
形式设计、经验型的配置为主。随着林业生态工
程建设的逐步推进 ,以生态学和系统学工程理论
为指导的功能设计、系统配置必将成为发展方
向 [ 3 , 4 ] 。G IS以其强大的空间分析、多要素综合和
动态预测能力 ,为综合各种影响因素和解释生态
系统的发展过程 ,进行水源涵养林的高效空间配
置和稳定林分结构设计以达到最佳的水源保护
功能提供了强有力的工具 [ 5 ] 。因此如何有效利
用海量的空间信息来认知、预测和调控自然生态
环境 ,配置稳定、高效、结构合理的林业生态工程
体系 ,就成了区域林业生态构建的一个重要环
节。基于流域尺度的景观空间分布格局与生态
过程分析 ,为景观最优化管理提供了方案 ,大力
发展空间信息分析处理技术是林业生态工程发
展的必然趋势。
林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
1　研究区概况
公别拉河流域地处黑龙江省黑河市 (爱辉区 )
境内 ,地理坐标为 126°30′～127°30′E、49°40′～50°
10′N ,流域总面积 2 750 km2。公别拉河流域是以分
水岭相区别的完整的产流产沙自然单元或集水区 ,
其景观结构的优劣就决定着其主导过程水源涵养、
水土流失量的多少。近年来由于乱砍滥伐、毁林开
荒等影响 ,流域内森林资源锐减 ,生态环境受到严重
威胁 ,建立以科学经营为基础的水源涵养林健康体
系 ,保证防护林具有最佳的森林覆盖率、良好的林分
结构以起到保持水土、调洪削峰、减少淤积和泥沙入
库的作用 ,是调整其系统结构 ,增强系统功能 ,提高
水源涵养林营建和经营水平的关键 [ 6 ]。
2　研究方法
本文以 GIS为平台 ,结合 1∶5万地形图、森林资
源二类调查小班数据以及 GPS调查样点 ,借助于
2002年 7月的 SPOT5遥感影像 ,在摸清资源本底的
基础上 ,建立了景观影像数据库 ,并对现有植被类型
的地理空间分布、林种和树种组成、资源结构进行分
析和评价。利用公别拉河流域“西沟水库流域森林
对水资源调控机制及经济评价 ”中得出的土壤蓄水
能力评价值、公别拉河流域降水资料 ,计算出公别拉
河流域最佳森林覆被率 ,并得出流域水源涵养能力
分级图。具体工作流程见图 1。
图 1　技术路线
2. 1　景观斑块的分类与景观格局分析
以公别拉河流域内各支流的分水岭为界线将研
究区域划分为 : 1. 富地营子水库 ; 2. 义气罕河 ; 3. 库
纳尔河 ; 4. 洪湖吐河 ; 5. 哈拉台水库 ; 6. 宋集屯水库 ;
7. 石匠河等 7个集水区 (图 2)。
图 2　公别拉河流域 SPOT5遥感影像与集水区分区图
　　根据二类调查数据对景观嵌块体进行分类 ,将
林型划分为落叶松 (L arix gm elin i ( Rup r. ) Rup r. )、
樟子松 ( P inus sy lvestris L inn. var. m ongolica L itvin. )、
柞树 (Q uercus m ongolica Fisch. )、黑桦 (B etu la dahu2 rica Pall. )、白桦 ( B etu la pla typhylla Suk. )、山杨( Popu lus david iana Dode. )、阔叶混交林、针阔混交林 8种 ,同时特别强调了土地利用方式现状 ,因此加上了灌丛、草甸沼泽、耕地、弃耕地、水体、居民点与
852
第 2期 孙晓娟等 :基于 GIS平台的公别拉河流域水源涵养林景观格局与功能分析
祼地 ,共计 14类。各集水区景观类型组成见表 1。
表 1　各集水区景观类型面积 hm2
序号 类型
集水区
1富地营子 2义气罕河 3洪湖吐河 4库纳尔河 5哈拉台 6宋集屯 7石匠河
1 落叶松 588. 34 1 744. 33 1 362. 14 1 822. 92 283. 84 1 374. 69 409. 63
2 樟子松 445. 98 26. 82 156. 62 105. 61 658. 10 227. 81
3 柞树 3 862. 22 469. 46 918. 99 1 925. 24 15. 51 962. 21 1 484. 35
4 黑桦 451. 57 118. 49 2. 49 88. 65 693. 41 23. 30
5 白桦 12 987. 61 8 441. 08 4 528. 75 4 284. 62 1 337. 55 5 193. 39 13 619. 38
6 山杨 75. 29 11. 06 9. 47 37. 96
7 阔叶混交林 17 686. 71 5 945. 86 20 729. 98 18 506. 55 6 672. 99 14 545. 30 11 990. 43
8 针阔混交林 610. 07 551. 82 1. 80 59. 14 71. 86 1 065. 89 299. 17
9 灌丛 43. 96 49. 45 317. 35 354. 56 12. 03 290. 33 562. 34
10 草甸沼泽 14 616. 35 7 067. 73 9 060. 63 11 274. 77 2 872. 63 11 184. 48 10 475. 80
11 耕地 68. 08 1 642. 12 2 875. 26 1 348. 66 1. 15 11 383. 07 12 580. 14
12 弃耕地 521. 13 383. 49 881. 61 484. 22 1. 96 120. 85 318. 34
13 水体 171. 34 64. 04 549. 59 66. 67 730. 89 363. 39
14 居民点祼地 49. 09 37. 05 82. 65 274. 57 25. 39 1 580. 62 400. 01
景观指数与格局分析采用 FRAGSTATS软件进
行计算。
2. 2　最佳森林覆被率计算方法
根据历年出现频率较大 ( 10年一遇 )暴雨量与
该区内森林土壤饱和蓄水能力值 ,求算水源涵养林
能全部蓄留该级别降水量的森林覆盖率 ,即以水源
涵养为目标的最佳防护效益的森林覆盖率。森林覆
盖率的计算公式为 :
F = (A f / S t ) ×100% (1)
式中 , A f为该流域水源涵养林蓄留 P量级降水
量所需的森林面积 , A f = ( P ×S f ) /W , Sf为防护面积 ,
W 为森林土壤饱和蓄水量 ,相应的 S t为流域总面
积 [ 7 ]。P为历年一日出现频率较大的暴雨量。根据
公别拉河流域多年的水文观测资料 ,该地区多年平
均降水量为 550 mm,年径流深 180 mm,其中降水径
流的 70%集中在汛期 6—9月。多年平均最大日降
水量为 68 mm,如以 10年一遇为标准 ,将 112 mm作
为历年一日出现频率较大的暴雨量 P值 ,若以 50年
一遇则是 1963年 7月 27日的 134. 1 mm。考虑到
长期规划 ,以 50 年一遇为标准 ,取 134. 1 mm 为
P值。
3　结果与分析
3. 1　各集水区景观指数分析
对 7个集水区的景观指数 (见表 2)分析表明 ,
景观指数可以分为 3类 :
第一类是多样性指数反映景观要素的多少及各
景观要素所占比例的变化 ,包括 : Shannon2W eaner多
样性指数、优势度指数和均匀度指数 ,在 1集水区富
地营子库区明显存在优势景观 :湿地沼泽。而 5集
水区哈拉台水库则主要是天然次生阔叶混交林优势
景观 ,多样性指数、均匀度指数相对较低 ,而对于 6
集水区宋集屯水库 ,其农地是优势景观 ,是景观基质
(matrix)。增加森林面积 ,增加林种多样性、改善林
分结构和林分质量 ,才能更好地发挥森林改善生态
环境的作用 ,使水源林建设向低耗高效方向发展。
表 2　各集水区景观指数
景观指数
集水区
1富地营子 2义气罕河 3洪湖吐河 4库纳尔河 5哈拉台 6宋集屯 7石匠河
面积 / hm2 52 130 26 954 40 786 41 140 11 467 49 845 52 940
多样性指数 1. 543 57 1. 735 72 1. 449 071 1. 571 44 1. 140 97 1. 872 21 1. 711 58
优势度指数 2. 263 785 2. 071 635 2. 156 87 2. 129 2. 443 993 2. 215 25 2. 095 775
均匀度指数 0. 495 08 0. 566 36 0. 435 86 0. 477 08 0. 353 18 0. 565 63 0. 583 73
嵌块体形状指数 3. 254 33 7. 311 940 7. 932 710 6. 527 870 18. 604 120 3. 532 200 2. 882 820
嵌块体分维数 1. 373 072 1. 452 870 1. 433 480 1. 424 070 1. 716 690 1. 354 640 1. 333 810
嵌块体密度指数 2. 448 996 6. 440 840 4. 284 280 4. 332 820 4. 107 250 4. 024 140 4. 338 060
形状破碎化指数 0. 701 595 0. 863 240 0. 797 270 0. 846 810 0. 946 248 0. 71 890 0. 653 117
数目破碎化指数 0. 017 600 0. 047 530 0. 033 320 0. 030 287 0. 030 697 0. 029 610 0. 036 790
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
　　第二类是斑块形状指数 ,包括斑块平均形状指
数和斑块分维数 ,用于测定斑块形状的复杂程度。
第 5集水区的形状指数明显优于其他集水区 ,最接
近自然 ,而第 7集水区该区形状指数小 ,多为最简
单、最规则的形状斑块农田。
第三类为景观破碎化指数反映景观被分割的破
碎程度 ,包括斑块密度指数、斑块形状破碎化指数、
斑块数目破碎化指数 ,可以比较不同斑块类型受干
扰的程度 ,第 6、7集水区明显受人为干扰程度大而 5
集水区保留自然未受干扰状态。
对景观功能而言 ,景观基质表现为优势的控制
作用 ,一般其面积超过景观面积的 50% ,且连通性
能最高。就流域防蚀作用而言 ,在农地或裸露地不
能成为景观基质的情况下 ,当流域林草植被面积达
到此数值 ,且整体上具有连通性 ,那么 ,可以认为植
被在景观防蚀功能上起主导作用 ,可控制地表径流 ,
防止冲刷。第 6、7集水区耕地明显占优势 ,就要考
虑其植被的整体连通性 ,以增强其防止侵蚀功能。
对各个集水区的森林覆盖率、土壤非毛管孔隙
涵养水源能力与土壤侵蚀模数 [ 10 ]之间的关系进行
分析 (见表 3)。
表 3　森林覆盖率与水源涵养、土壤侵蚀的关系
项目
集水区
1富地营子 2义气罕河 3洪湖吐河 4库纳尔河 5哈拉台 6宋集屯 7石匠河
面积 / hm2 52 130 26 954 40 786 41 140 11 467 49 845 52 940
森林覆盖率 /% 46. 47 38. 69 39. 97 35. 3 45. 79 27. 58 25. 84
土壤非毛管孔隙涵养水源能力 231 219 228 224 241 188 193
平均海拔 /m 502 448 481 465 443 294 287
土壤侵蚀模数 / ( t·km - 2 ·a - 1 ) 43 49 34 42 27 191 193
从各集水区的森林覆盖率与涵养水源 ,防止侵
蚀能力来看 ,森林覆盖率高 ,土壤涵养水源能力与防
止侵蚀能力就强 ,因此 ,必须加快植树造林步伐 ,加
强和完善生态工程建设 ,提高本地区的森林覆被率 ,
增加涵养水源能力 ,使水土流失程度降到最低限。
3. 2　以涵养水源为目标确定最佳森林覆盖率
森林涵养水源能力的大小主要是由森林土壤非
毛管孔隙、土壤饱和蓄水能力、渗透系数等决定的 ,
其中土壤饱和蓄水能力是一个综合性较强的指标 ,
它不但与林下土壤水分、物理、化学特性如土壤孔隙
度、机械组成、土层厚度、有机质含量等高度相关 ,还
与森林的内涵质量、地质地貌等因子紧密相关。因
此森林土壤饱和蓄水能力是森林自身属性及地质地
貌等因子对森林生态系统在保持水土、水源涵养诸
方面的综合体现。森林土壤饱和蓄水能力完全可以
作为水源保护林水源保护功能的一个科学的评价
指标。
公别拉河流域不同森林类型的加权林地土壤饱
和蓄水量 (见表 4)。
在公别拉河流域内降水是产生侵蚀的最主要的
原动力 ,其中持续时间长、强度大、动能高的特大暴
雨侵蚀力最强 ,因此 ,根据历年出现频率较大 (10年
一遇 )暴雨量与该区内森林土壤饱和蓄水能力值 ,来
求算以水源涵养为目标的最佳防护效益的森林覆盖
率。森林土壤饱和蓄水量 W 值因林分不同而不同
(见表 4)。由表 4中不同森林类型土壤饱和蓄水量
加权平均可得该流域林地土壤平均饱和蓄水量为
231 t·hm - 2。
表 4　不同森林类型的土壤蓄水能力与相应加权值
森林类型
土壤饱和蓄水量
( t·hm - 2 ) mm
各类型所占面积
hm2 权重
土壤饱和蓄水量
加权值 / ( t·hm - 2 )
落叶松林 318. 40 31. 84 7 514 0. 031 4 10. 00
樟子松林 282. 46 28. 25 1 593 0. 016 7 1. 88
水冬瓜林 256. 50 25. 65 329 0. 001 4 0. 35
灌木林 397. 19 39. 72 1 003 0. 004 2 1. 66
黑桦林 346. 28 34. 63 1 378 0. 005 8 2. 00
白桦林 271. 91 27. 19 50 392 0. 210 7 57. 29
阔叶混交林 304. 76 30. 48 96 125 0. 401 9 122. 00
针阔混交林 458. 71 45. 87 2 660 0. 011 1 5. 10
柞木林 346. 05 34. 61 9 638 0. 040 3 13. 95
山杨林 314. 30 31. 43 134 0. 000 6 0. 18
撩荒地 45. 05 4. 50 3 468 0. 014 5 0. 65
泽 20. 61 2. 06 10 844 0. 045 3 0. 93
草甸 68. 65 6. 87 54 090 0. 226 1 15. 40
(合计 ) 239 168 1 231. 39
根据公式 ( 1)计算 ,以目前水源保护林林地土
壤饱和蓄水量现状 ,能够蓄留历年一日出现频率较
大 (50年一遇 )暴雨量 (134. 1 mm )时的最佳森林覆
盖率为 50. 42%。但考虑到土壤前期含水量问题 ,
应将森林覆盖率适当增加为宜。而公别拉河流域现
有森林覆盖率为 35. 66% ,因此应加大流域内植树
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第 2期 孙晓娟等 :基于 GIS平台的公别拉河流域水源涵养林景观格局与功能分析
造林力度。
3. 3　涵养水源能力现状分析
利用野外调查数据和部分森林、土壤类型的定
位观测数据 ,对本区主要乔灌木树种和林分类型的
降水拦蓄功能进行排序分析 ,并将其值作为一个属
性字段加入到森林二类调查数据中 ,并以该字段的
值为属性值转化为栅格图形 (图 3) ,从而为本区水
源涵养林造林工程的树种选择 ,林分结构等造林设
计及总体布局提供直观的科学依据。
图 3中不同优势树种林分对降雨的截留能力和
蓄水能力的实测平均值 ,反映了树种间涵养水源功
能的差异性。其中 ,针阔叶混交林的土壤发育较好 ,
涵养水源能力较强 ,达到 458. 71 t·hm - 2 (表 4)。
目前 ,该流域针阔叶混交林所占的比重很小 ,应充分
利用人工天然更新方式 ,加强天然次生林的人工诱
导 ,增加针阔叶林面积。其他林型涵养水源能力也
较农田、塔头、沼泽等无林地高 ,尤其是灌木林 ,其涵
养水源能力较强。所以 ,在公别拉河流域植被管理
中 ,应加强对灌木林的保护和培育 ,以充分发挥其涵
养水源功能。建议在集水区的农用林地营造混交
林 ,尽量选用当地的针、阔叶树种 ,并保持较高的比
例 ;流域内主要入库沟道营造防护林、水库周围营造
库岸防护林、流域内无林地段 (荒地、弃耕地 )应人
工造林加快恢复植被 ,形成稳定的乔灌混交群落 ,对
低价值林分则定向培育改造 ,以较小的投入获得最
大的水源涵养功能。
图 3　土壤非毛管孔隙水源涵养能力分级图
4　小结与建议
(1)本文在基于对各林型土壤非毛管孔隙涵养
水源能力分析的基础上 ,计算出以暴雨降水量的全
部蓄留为标准的公别拉河流域最佳森林覆盖率为
50. 42%。确定水源涵养林的最佳森林覆盖率和最
优植被类型结构 ,是能动地调整其系统结构 ,增强系
统功能 ,提高水源涵养林营建和经营水平的关键。
(2)分集水区对流域整体进行景观功能分析 ,
剖析目前景观格局中存在的树种配置问题 ,以期在
此基础上 ,根据景观生态学中的结构 2功能原理 ,优
化景观功能 ,为水土保持林的高效空间配置提供数
量化依据。不足之处是没有考虑森林空间分布中其
它的因素 ,例如森林离河岸距离等。
(3)以涵养水源、改善水质和防止土壤侵蚀为
核心的水源涵养林 ,其功能是林分系统历史发育过
程中形成的 ,而且随系统结构的变化而变化。公别
拉河流域建设的重点是保护、经营好现有森林资源 ,
提高林分质量和林地生产力 ,由过去的粗放经营型
向集约型经营转变 ,在原有林种、树种的基础上 ,适
当增加优良品种的比例 ,调整林种、树种的结构 ,逐
步实现树种的优化配置以及开发相应的培育技术 ,
主要营林措施包括 : ①按适地适树原则 ,以阔叶树或
针阔叶混交配置为主 ,进行树种选择和树种配置 ,提
高森林覆被率。②根据乔、灌木树种的生长过程 ,截
留能力的变化和功能要求 ,调整林分密度和层次结
构 ,以调节林分的截留量和截留过程。③对林相残
破的疏林地及天然次生幼龄林等 ,人工诱导针阔叶
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 20卷
混交林。由于大多数天然次生林 ,其林内已很难找
到原始针叶树及其种源 ,靠天然恢复针阔混交林要
经过一段漫长的时期。因此 ,通过栽针保阔的方法
可大大加快植被恢复过程。在大面积营造针阔混交
林后 ,森林的整体景观功能会得到很大改观 ,涵养水
源能力、防止土壤侵蚀能力会大大增强 ,涵养水源的
效益也将得到大幅度提高。④依据环境条件 ,进行
森林植被类型的空间配置 ,形成多种功能互补 ,多种
效益有效结合的合理布局。使林木的生态、经济、社
会效益充分发挥出来 ,从而使其在改善流域生态环
境 ,促进区域发展中早日发挥巨大潜能。
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