西北林学院学报2008,23(3) 71~75 Journal of Northwest Forestry University 无量山国家级自然保护区及其周边地区景观组分特征 卢双珍, 喻庆国, 宋劲忻, 曹顺伟 (云南省林业调查规划院,云南昆明650051) 摘 要:根据无量山国家级自然保护区及其周边地区的景观数据,采用斑块数、斑块面积、斑块周 长、多样性指数、均匀度指数、优势度指数、分离度指数和形状指数对阔叶林、针叶林、经济林、灌木 林、疏林、未成林地、草地、农地、居住地和其他景观等1O个类型的景观组分特征进行了分析,应用 马尔可夫模型对景观类型的动态进行了预测。结果表明:在10个景观类型中,阔叶林是优势景观, 疏林地、未成林地和居住地景观是劣势景观;在未来2O a内,阔叶林、针叶林、经济林、未成林地和 居住地景观将呈现增加的趋势,灌木林、疏林地、草地和农地景观将呈现减少的趋势,其他景观不 变。 关键词:景观组分特征}马尔可夫模型}动态预测;自然保护区}无量山 中图分类号:¥759.9 文献标识码:A 文章编号:1001—7461(2008)03—0071—05 Characteristic of Landscape Element in Wuliangshan National Nature Reserve and Its Adj acent Area,Yunnan Province LU Shuang-zhen,YU Qing-guo,SONG Jin-xin,CAO Shun-wei (Yunnan Institute of Forest Inventory and Planning,Kunming,Yunnan 650051,China) Abstract:Based on the landscape data obtained from the data of forest resources inventory in Wuliangshan national nature reserve and its adj acent area,characteristics of broadleaves forest landscape,coniferous forest landscape,fruit forest landscape,shrub land landscape,open forest land landscape。un—stocked for— est landscape,grassland landscape,farmland landscape,residential sites landscape and other landscape were studied using 8 landscape indexes of patch number,patch area,patch perimeter,Shannon-Wiener di— versity index,evenness index,dominance index,isolation index,patch shape index and dynamic changes of 1 0 landscapes by Markov mode1.The results showed that broadleaves forest landscape was the prepon— derant landscape,open forest land landscape,un-stocked forest landscape and residential sites landscape were the inferior landscape。the 6 other landscapes were all in between preponderant and inferior land— scape.Broadleaves forest landscape,coniferous forest landscape,fruit forest landscape,un-stocked forest landscape and residential sites landscape would be increasing,shrub land landscape,open forest land land— scape,grass landscape and farmland landscape would be decreasing,other landscape would be stable in 20 years in the future.The results from this study are in accordance with the actual situation of the study are- a. Key words:the characteristic of landscape element;Markov model;dynamic forecast;nature reserve;Wu— liangshan 景观是由不同生态系统类型组成的异质性地理 区是为了保护自然环境和自然资源,促进国民经济 的持续发展,将一定面积的陆地和水体划分出来,并 单元 ¨,是位于生态系统之上区域之下的生命系统 层次 引,是区域规划管理的适宜尺度 引。自然保护 经各级批准而进行特殊保护和管理的区 收稿日期:2007—08—13 修回日期:2007—09—30 作者简介:卢双珍(1966一),女,云南建水人,高级工程师,主要从事林业调查规划设计工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
72 西北林学院学报 23卷 域【4],其周边地区是指自然保护区界线以外3~5 km范围内按自然地形(山脊或山沟)区划出来的区 用遥感图像处理软件ERDAS基于数字地形图校正 1997年的LANDSAT—TM影像,然后参照保护区 周边地区的林相图,利用ArcView软件进行目视解 域[5]。自然保护区不是孤立存在的,其与周边地区 构成一个有机整体,自然保护区和周边地区的森林 在维护生态平衡同起着重要作用[6]。为了掌握 自然保护区及其周边地区景观组分特征和景观动态 变化情况,笔者以云南无量山国家级自然保护区及 译,获取1997年保护区的二类调查数据。 2.2.3景观分类 按土地利用类型和树种组类型 把研究区的景观分为阔叶林景观、针叶林景观、经济 林景观、灌木林景观、疏林景观、未成林景观、草地景 观、农地景观、居住地景观和其他景观1O个景观类 其周边地区作为一个整体,研究其景观组分特征,为 保护区的可持续发展提供理论依据。 1 研究区概况 无量山国家级自然保护区及其周边地区包括云 南省普洱市(原思茅市)的景东彝族自治县、镇沅彝 族哈尼族拉祜族自治县、大理自族自治州南涧彝族 自治县,总面积7.424万hm。。无量山国家级自然 保护区因地处无量山山脉而得名,是国家重点保护 野生动物黑冠长臂猿为代表的野生生物类型自然保 护区[ 。保护区面积3.131万hm。,占42.2 ;周 边地区面积4.293万hm2,占57.8 9/6。其中,南涧 县2.116万hm。,占28.5 ;景东县5.063万hm。, 占68.2 ;镇沅县0.245万hm。,占3.3 。由此可 见,景东县是本研究区的主体[5]。 2 材料与方法 2.1研究数据 2.1.1森林资源二类调查数据使用前后两期的 森林资源二类调查数据提取景观数据,进行景观组 分特征分析和动态预测。其中,南涧县前期二类调 查是1989年,纸质林相图,后期是2005年调查,数 字林相图;景东县前期二类调查是1997年调查,纸 质林相图,后期是2005年调查,数字林相图;镇沅县 前期二类调查是1998年,纸质林相图,后期是2005 年调查,数字林相图L5]。 2.1.2 LANDSAT—TM数据 由于1997年景东 县境内的无量山国家级自然保护区没有开展二类调 查,所以需要使用1997年的LANDSAT—TM数据, 通过目视解译后获得1997年保护区的二类调查数 据 。 2.2 方法 2.2.1 纸质林相图数字化 首先用彩色滚筒扫描 仪把纸质林相图扫描成栅格影像,然后使用遥感图 像处理软件ERDAS基于数字地形图校正栅格林相 图,最后用地理信息系统软件ArcView进行林相图 数字化,同时赋予每个小班属性值,生成数字林 相图。 2.2.2 LANDSAT—TM数据处理及目视解译 使 型,代码分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。 2.2.4景观数据库的建立 在AreView软件中, 用研究区的界线剪切其所涉及的南涧、景东和镇沅 3县的乡(镇)二类调查数字林相图,并拼接成研究 区前后两期的整幅林相图,建立包括研究区前期和 后期数字林相图的数据库[5]。在此基础上,按照景 观分类系统把数字林相图数据库中的各小班进行合 并处理,建立景观数据库。 2.2.5计算方法[8-l0J 多样性指数H一一∑P女logPK (1) 均匀度指数E一 (2) Jj max 优势度指数D=H 一H (3) 分离度指数F=( /A) /2(A /A) (4) 斑块形状指数LSI一 (5) 式中;H为Shannon-Wiener多样性指数;P女为第k 个景观类型出现的概率,通常以该景观类型的面积 占景观总面积的比例来估算; 为景观类型数;E为 景观均匀度指数;H 为Shannon-Wiener多样性指 数的最大值,H 一log ;D为景观优势度指数;啦 为景观类型 中的斑块总个数;A为研究区内景观 总面积;A 为景观类型 的面积;LSI为斑块形状 指数;L 为景观类型i的周长。 2.2.6景观动态预测 运用马尔可夫模型进行景 观动态预测。 自然界中有些事物的变化过程仅与事物的近期 状态有关,而与事物过去的状态无关,这一特性称为 无后效性。具有这种特性的过程属于随机过程L1 , 随机过程是指事物作随机运动的变化过程[1 。马 尔可夫过程是一种特殊的随机过程,它是指系统由 某一阶段状态到另一阶段状态的转移过程,在此转 移过程中存在着转移概率构成的状态概率转移矩 阵,而状态概率转移矩阵是由目前相邻两阶段状态 的变化推算出来的。也就是说,在假设的系统发展 过程中,下阶段状态变化仅与现阶段状态有关,而与 过去的状态无关,满足此假设的系统转移过程称之 为马尔可夫过程Ll M 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 卢双珍等无量山国家级自然保护区及其周边地区景观组分特征 73 马尔可夫模型是描述随机过程的经典方法[1引, 阵,利用(4)式构建景观马尔可夫预测模型。 它通过分析随机变量现时的运动情况来预见这些变 (4)研究区前期二类调查时间的确定。动态模 量未来的运动情况。目前,马尔可夫模型在自然科 拟要使用两期景观分类数据,但是,研究区3个县前 学、工程技术、社会科学、经济研究等领域都有着广 后两期二类调查之间的时间间隔不同,镇源县是7 泛的应用L1引。 a,景东县是8 a,南涧县是16 a,用其中任何一县的 马尔可夫模型原理进行动态预测应包括以下内 时间作为前期二类调查时间都不妥。就马尔可夫预 容: 测模型来说,研究区必须有一个统一的前期二类调 (1)了解马尔可夫模型的应用条件[1 。 查时间,所以,在此使用加权法确定前期二类调查的 (2)构造马尔可夫过程状态变化转移矩阵[1 ¨]。 时间。即用3个县占研究区的面积权重乘以各县的 (3)构造马尔可夫过程状态概率转移矩阵[1 ¨]。 间隔时间,然后累计,得出研究区的前期二类调查时 (4)构造马尔可夫预测模型[1 ¨]。 间,即 (5)马尔可夫模型的预测过程n 。 7×3.3 +8×68.2%+16×28.5 =10.2(a) 景观变化是自然驱动因子和人为驱动因子综合 ≈10(a) 作用的结果[8]。景观变化过程仅与景观的近期状态 也就是说,研究区3个县前后两期二类调查的 有关,而与景观过去的状态无关。即景观要素之间 间隔时间约等于10 a,后期二类调查是2005年,则 的转移过程是无后效性的,景观变化过程属于随机 前期二类调查时间可定为1995年[ 。 过程,所以可用马尔可夫模型来描述景观未来的动 (5)景观预测值计算。根据景观马尔可夫预测 态变化情况[1 。其预测方法和步骤是: 模型,按照矩阵相乘的运算法则计算第 状态时的 (1)建立景观面积转移矩阵。用ArcView软件 预测值。 从景观数据库中生成前后两期景观类型的面积转移 数据,构造景观面积转移矩阵。 3 结果与分析 (2)构造景观概率转移矩阵。根据面积转移数 3.1景观组分特征 据,计算出景观类型间的转移百分比(即转移概率), 依据景观数据库,用ArcView软件和EXCEL 构造景观概率转移矩阵。 软件,经景观数据处理、统计和计算,得到无量山国 (3)建立景观马尔可夫预测模型。根据后期(即 家级自然保护区及其周边地区景观组分特征 初始状态)的各类景观面积数据和景观概率转移矩 (表1)。 表1 无量山国家级自然保护区及其周边地区景观组分特征① Table 1 The characteristics of landscape elements in Wuliangshan national nature reserve and its a ̄acent area 序号代码斑块数/面积周长hm2 /km 要 指数 指数 指数 指数 …数‘…一 2.023 0.125 2.O53 0.310 2.227 0.821 2.079 0.470 2.290 3.072 2.280 2.672 2.257 1.880 2.074 O.375 2.290 8.643 2.285 3.527 ①多样性指数、均匀度指数和优势度指数均按自然对数计算 从表1可以看出,斑块数最多的是阔叶林,最少 大,疏林地景观和居住地景观的最小;均匀度指数最 的是疏林地,表明阔叶林景观的斑块多样性最大,疏 大的是阔叶林,最小的是未成林地和居住地,说明阔 林地景观的最小;面积和面积比例最大的是阔叶林, 叶林景观分布相对均匀,未成林地景观和居住地景 最小的是居住地,说明阔叶林景观占优势,居住地景 观分布相对不均匀;优势度指数最大的是未成林地 观处于劣势;多样性指数最大的是阔叶林,最小的是 和居住地,最小的是阔叶林,说明阔叶林景观处于优 疏林地和居住地,说明阔叶林景观的相对多样性最 势地位,未成林地景观和居住地景观处于劣势地位; ~维普资讯 http://www.cqvip.com 74 西北林学院学报 23卷 分离度指数最大的是居住地,最小的阔叶林,说明居 住地景观最离散,破碎化严重,阔叶林景观不离散, 破碎化最轻’形状指数最大的是草地,最小的是疏林 地,说明草地景观的斑块形状最复杂,疏林地景观的 最简单。 因此,阔叶林是斑块数最多、面积最大、面积比 度最小、最不离散的景观,是研究区最具优势的景观 类型,疏林地、未成林地和居住地是处于劣势的景观 类型。 3.2景观动态预测 从景观数据库中,提取研究区前后两期1O种景 观类型的变化情况(表2),计算景观变化面积转移 矩阵(表3),得到景观变化概率转移矩阵(表4)。 例最高、多样性最丰富、分布最均匀、最具优势、分离 表2研究区1995--2005年景观面积变化情况 Table 2 The change of landscapes from 1995 tO 2005 hm。 表3 1995--2005年景观变化面积转移矩阵 Table 3 Area transfer matrix of landscapes from 1995 tO 2005 of the study area hm0 表4 1995--2005年景观变化概率转移矩阵 Table 4 Probability transfer matrix of landscapes from 1995 tO 2005 of the study area 注t未成林地景观前期没有,而后期有,所以计算转换概率时应视为100%,否则会造成总面积错误。 根据表2中2005年的景观数据(即初始状态向 量)和表4的概率转移矩阵,预测2个时间段(以1O a为一个时间段)的动态变化情况,即忌=1时的 2015年和忌=2时的2025年的预测值。计算时,先 计算出2015的预测值,再根据2015预测值和表4 的概率转移矩阵,计算2025的预测值(表5)。- 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 卢双珍等无量山国家级自然保护区及其周边地区景观组分特征 75 表5研究区2015年和2025年景观动态预测值 Table 5 Predicted landscapes in 2015 and 2025 of the study area hm2 从表5可以看出,若研究区保持1995--2005年 的转移概率,在未来20 a内,阔叶林景观、针叶林景 [4] 国家林业局野生动植物保护司.中国自然保护区管理手册 [M].北京:中国林业出。版社,1995:413. [5]喻庆国.基于自然度的森林景观时空分异研究[D].北京;北京 林业大学林学院,2007。38—39,67,81,117,154—158. [6]喻庆国.3s技术在保护区及周边地区林地变化监测中的应用 [J].林业资源管理,2002(6){62—67. 观、经济林景观、未成林地景观和居住地景观将呈现 增加的趋势,灌木林地景观、疏林地景观、草地景观 和农地景观将呈现减少的趋势,其他景观保持不变。 在景观变化中,增加最多的是阔叶林,其次是针叶 林,最少的居住地。 [7] 喻庆国.无量山国家级自然保护区[M].昆明:云南科学技术出 版社,2004. [83傅伯杰,陈利顶,马克明,等.景观生态学原理及应用[M].北 4 结论 从森林资源二类调查资料中提取景观组分特征 和动态预测的基础数据,是比较有效的途径和方法, 在具备近期和历史二类调查数据的地区比较适用。 从景观组分特征分析结果看,在1O个景观中,阔 京:科学出版社,2001:203. [97邬建国.景观生态学——格局、过程、尺度与等级[M].北京:高 等教育出版社,2000;106. [1O]孙玉军,王雪军,张志,等.基于GIS的森林景观定量分类 [J].生态学报,2003,23(12):2540—2544. [11]董伍伦.经济信息与预测[M].广州:广东高等教育出版社, 1999l345,353. 叶林景观是优势景观,疏林地景观、未成林地景观和 居住地景观是劣势景观,其他6种景观位于优势景观 和劣势景观之间。此结果符合研究区的实际情况。 景观动态预测结果表明,利用马尔可夫模型进 行研究区景观动态变化预测,不仅可以获取研究区 [12]张波.应用随机过程[M].北京。中国人民大学出版社,2001: 54. [13]侯振挺.马尔可夫过程的Q_矩阵问题[M].长沙:湖南科学技 术出版社,1994:3. [14]张卫星.市场预测与决策[M].北京:北京工业大学出版社, 2002 224. 景观的总体变化信息,而且可以得到景观的动态转 移信息。 参考文献: [1]生态学名词审定委员会.生态学名词[M]_北京:科学出版社, 2007:93-95,97. [15]刘涛。岳彩荣,黄彬.基于“3s”的小流域土地利用变化动态监 测[刀.林业调查规划,2006,31(2);1-3. 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