厦门市森林生态系统质量水平探讨

     作者：张毅                                                                                            

    本研究的目的一是找出厦门城市森林景观质量连接度的最佳景观分析阈值；二是阐明城市森林景观生态质量的时空分布格局。选择最能代表中国快速城市化过程特征的厦门市为例，通过计算森林斑块而积、形状配置、碳储量和水源涵养量对森林斑块质量属性进行赋值，使用基于图论的综合连接度指数计算斑块质量连接度，从生态系统功能与景观角度综合评价城市森林生态质量水平。本研究不仅能更全而地刻画城市森林生态系统状况，而且能用简单的指标来表征森林生态系统质量水平，为提高城市森林生态系统服务功能提供便利的参考指标。

    1研究区概况

    厦门市位于中国东南部，属南亚热带季风气候，兼具海洋性气候特征。年平均气温为21℃，相对湿度76%，年平均降雨量在1 100 mm左右：地形地貌以丘陵、台地为主，森林土壤主要为砖红壤和红壤。岛内中心区行政划分为思明和湖里区，海沧、集美区所在地为近郊区，同安、翔安区组成了远郊区。土地面积151 471.5hm2，森林覆盖率为45.60%，形成以近郊森林、远郊森林、城市公园、植物园、绿化带等为一体的森林体系。主要森林类型包括马尾松（Pinus massomana）林、湿地松(Pinus elliottii)林、杉木（Cunninghamialanceolata）林、木麻黄（Casuarina equisetifolia）林等。

    2研究方法

    2．1  数据来源及处理方法

    1988-2006年间，厦门市经历不同的城市化阶段，由城市化率为37.29%的城市化起步阶段（1988年），到1996年的42.37%，8年间上升了5.08%，期间土地利用变化程度较低。20世纪90年代中期到20世纪末21世纪初，是厦门城市化快速发展时期，人口和产业向城市迅速聚集导致城市快速扩张，土地利用变化程度迅速增强。2006年以后，可以认为是城市化发展的后期阶段，城市化水平较高，城市人口增加的比重趋缓，土地利用变化程度有所增加，但幅度不大。1996-2006年的10年间，城市化率上升了17个百分点，2000年城镇人口首次超过农村人口，城市化率超过50%．2005年已经达到68.11%。选取具有代表性的3个时期（1988、1996和2006年），利用森林资源规划调查设计资料进行分析。在ArcGIS 10.1平台上对3期森林资源分布图进行配准与矢量化，再通过林班编号属性将矢量化的图形数据与实地调查所得的小班属性文件进行连接。其中小班调查数据包括各个林班的地类、面积、优势树种、树种组成、龄组、蓄积和土壤厚度等多个属性。

    2.2生态斑块的选择

    根据地类属性剔除非林地的斑块之后，再计算每个林班的碳储量与水源涵养量。研究表明生态斑块必须拥有一定的面积才能维持生态过程，比如：分解、种子传播、授粉、动物迁移和氮循环等。根据城市森林的总体情况并参考厦门市前期研究，我们选择面积大于6 hm2的林班作为本研究的基本生态斑块。有研究记录马尾松、杉木等大部分树种的种子传播最大距离不超过1 km。

    2.3碳储量的计算

    森林植被生物量的估算采用生物量一蓄积量方程，回归方程为：

    B=ax V+b    (1)

    式(1)中，B为总生物量( t/hm2）；V为单位面积活立术蓄积(m3/hm2)；a、b为参数。由于厦门市的环境条件和群落特征属于亚热带常绿阔叶林，因此具体参数引自文献[12-13j,通过斑块属性中的树种组成、蓄积量和小班面积计算每个小班的碳密度和生物量，再按照0.5转换系数换算成每个林班的碳储量。见表1。

     2.4水源涵养量的计算

    区域尺度上森林水源涵养量依据水量平衡法计算，公式如下：

    W=∑（P-E-R）    (2)

    式(2)中，W是森林水源涵养量(m3/a)，P是降雨量，E是平均蒸散量，R是地表径流量。因为森林水源涵养主要由土壤贮水完成，土壤贮水由土壤厚度和非毛管孔隙度决定，所以每个生态斑块水源涵养量的计算依据是由采用土壤层厚度、非毛管孔隙度与林地面积组合而成的水源涵养权重决定的，该权重计算方式如下：

     式(3)中，ai为第f个森林小班的水源涵养权重，di表示第i个小班的土壤层厚度(cm)，ci表示第i个小班的非毛管孔隙度(%)，Ai为林地小班面积( hm2)．3期(1988、1996、2006)调查资料中包含了小班土壤层厚度数据，不同林地类型的非毛管孔隙度参考相关参考文献中实测数据得到。

    2.5景观连接度分析

    景观组分( component)是指一组互相连通的斑块，不同组分之间彼此孤立。景观组分数(number of component，NC)为景观范围内景观组分的数量，最大组分斑块数(patch number of the biggest component，PNBC)为面积最大组分的斑块数量。在不同物种搜索范围内根据NC、PNBC和斑块重要值的变化选择最佳的城市景观连接度分析尺度。

    IIC指数可以由Conefor2.6软件与ArcGIS平台相结合计算得出，其公式如下： 

    式(4)~(5)中，ai和aj分别是斑块i和斑块7的面积或别的属性，nlij是斑块i和斑块j之间的连接数，n是景观中的斑块总数，AL为景观的总面积。由于一个时期内景观总面积不会发生变化，IICnum可代替IIC值进行时间序列上的连接度比较。

    根据IIC的概念，斑块重要值可以表达为： 

    式(6)中，I是景观中所有斑块的综合连接度指数值，Iremove是去掉某个斑块后剩下的斑块的综合连接度指数。Saura等的研究表明IIC指数的重要值包括3个部分（内部连接Intra、斑块间连接Flux和垫脚石或桥梁作用的连接Connector），这种特性使得该指数能更全面的考量斑块对总体景观连接度的贡献度。本研究使用生态斑块的dIIC来表示该斑块在厦门城市森林生态网络中所占的重要程度。

    度数( degree)与中介中心度(betweenness centrality，BC)也被用来识别关键斑块节点。斑块的度数衡量该斑块与其他斑块之间的连接度，而中介中心度代表节点斑块在网络中的中心度，高中介中心度的斑块也可能拥有低度数，但它仍是连接其他斑块路径的交汇点，拥有桥梁一样的作用。斑块k的中介中心度被定义为i斑块与j斑块通过k斑块的最短路径的数量（gij(k))．除以i斑块与j斑块之间的最短路径数量，i，j为网络中任意不同的斑块（i，j≠k）。 

    2.6生态质量综合指数的构建

    选择森林斑块面积、斑块形状指数（S）、森林碳储量与水佯涵养量为评价指标，运用改进雷达图综合评价法计算森林斑块质量水平，为每个森林斑块进行质量赋值。在此基础上使用IIC指数对森林斑块质量连接性进行评价。式(8)中P为斑块周长，A是斑块面积（以圆为参照几何形状）。

     常用的综合评价方法有专家评价法、数理统计方法、层次分析法、模糊综合评价方法、雷达图法等。雷达图法根据指标数量用射线将圆形等分，射线与外圆的交点与圆心相连，并在各指标数轴上定义该指标值，连接各指标即得最早期的雷达图，是一种能够直观且定量表示多个变量的模型工具。运用改进雷达图综合评价法，克服了早期方法的缺点——特征向量（面积和，周长）随指标排列顺序不同而不同，提取新的特征向量，并重新构造评价函数。其特征向量U 'i=[A'iL 'i ]，

     式(9)中r表示标准化后的扇形的半径 ；

        A'i、L'i分别表示改进雷达图面积和周长，面积为各扇形面积之和，越大则评价对象优势越大；周长为各弧段之和，当面积相等时，圆周越小则表示对象各方面发展越均衡。根据特征向量特性构造评价函数ƒ（v'i1，v'i2)=√(V'i1V'i2)，该函数满足正则性、单调性、连续性基本要求。

     v'i1为面积评价值，v'i2为周长评价值，表示与相同面积的圆的周长的比值，其数值越大表示该评价对象均衡性越好，反之越差；评价向量面积和周长分别是综合水平和指标均衡性的增函数，且V'ij，∈[0，1]。

    3结果

    3.1最佳景观分析阈值的选择

    在不同物种搜索范围(50、100、200、400、600、800、1 000、1200、l 400、2 000、3 000、4 000 m)进行森林景观连接度的分析，确定城市森林景观连接度研究的最佳尺度。结果表明，3个时期的景观组分数随着距离的增长呈现急速下降趋势，而最大组分斑块数则急剧上升。见图1。1988年在50—1 400 m区间范围内，NC从109下降到12，PNBC从22上升到57，其面积从29 828 hm2增长为31 467 hm2．占生态斑块总面积的67.3%，在1200 m阈值以上NC与PNBC变化均趋于平缓，这表明森林景观连接结构在1200 m阈值范围外连通性较高，变化较稳定。1996年，在50～1 000m区间范围内，景观组分数从269下降到13，最大组分斑块数从43上升到322，其面积从57 662 hm2增长到70 979hm2．占生态斑块总面积的95.7%，NC与NBC数在800—1 200 m区间范围内变化趋于平缓；2006年在50～1 000 m区间范围内，景观组分数从202下降到17，最大组分斑块数从34上升到226，其面积从46 415 hm2增长为55 264 hm2，占总面积83.9%．NC与PNBC数在1 000—3 000区间范围内变化较小。 

    最佳分析尺度应不仅体现较大斑块的贡献度，也能表现中小斑块的贡献度。景观斑块数1988年为160个，最大斑块面积为27 406 hm2，平均斑块面积为292hm2;1996年为375个，最大斑块面积为44 316 hm2,平均斑块面积为198 hm2；2006年为305个，最大斑块面积为25 911 hm2，平均斑块面积为216 hm2。图2反映了1988年小型生态斑块在50 m尺度下的重要值远小于中大型斑块，随着分析尺度的增加，其重要值逐渐增大，在1400 m尺度后又减小，这表明最佳分析尺度应选择1400 m较为合适。用除去各时期的超大型( >10 000 hm2)与大型斑块作图（图3和图4），1996年可以在1000 m尺度下发现类似拐点，2006年类似拐点出现在800 m尺度下，但在800—1000 m范围内景观最大组分斑块数变化剧烈，不宜选取800 m为最佳尺度，选择中小型斑块重要值开始变小的1 000 m尺度较佳。 

    3.2森林生态质量连接度的时空演变

    通过新构建的森林生态斑块质量综合评价函数，根据公式(5)采用conefor 2.6计算森林生态质量连接度IICnum，结果见图5。当分析尺度为50 m时，3个时期生态质量的连接度较为接近，随着尺度的增大，1988年的连接度缓慢增加，而1996年与2006年连接度则急剧上升，2006年的连接度在500 m尺度后小于1996年。从选择的最佳分析尺度-1988年(1 400 m)、1996和2006年(1 000 m)来看，2006年的森林生态质量连接度（IICnum =11.06）略小于1996年（IICnum=11.48），而1988年（IICnum=3.73）则远低于另外2个时期。 

    在最佳分析尺度下，对厦门3个时期的城市森林质量进行连接度分析。为排除人为主观意见，采用自然间断点分级法( Jenks)将3期斑块的度值、中心中介数以及斑块重要值分成低度I、中低度Ⅱ．中度Ⅲ、中高度Ⅳ和高度v5个等级。斑块重要值分布随时间有一定变化，1996年的斑块连接度最高。 

    图6表明，1988年城市生态斑块呈现较为明显的三大组分与较小的其余九个组分。位于城市北部的远郊森林组分由于所占面积巨大，其斑块重要值也较大（表2），其中最大的生态斑块作为连接周围其他斑块节点的主体拥有最高的斑块重要值与度值；而城市近郊与城市中心的森林生态斑块相连，拥有较高中心中介度值且面积较小的近郊森林斑块，成为提升森林生态质量连接度的重要斑块。1996年森林斑块面积有巨大的增长，新出现的斑块把远郊与近郊森林组分相互连接起来，最大斑块面积也有明显扩大，远郊森林斑块与城镇用地交界处，面积与中心中介度较大的斑块对提升连接度起一定作用；近郊与中心区的森林生态斑块连接已断升，较大面积的近郊森林斑块保持其重要作用，但中心区的森林斑块已散失其对提升整个城市森林生态质量连接度的作用。到2006年，远郊森林与城镇用地交界线已向北部推移，边界处森林斑块破碎化明显加剧，但破碎斑块仍与远郊主体森林斑块相连；由于远近郊相交处森林斑块大规模消失，近郊森林连接度与其斑块重要值也有大幅下降，中心区森林斑块与近郊森林斑块则仍然处于不相连状态，其重要值始终较低。 

    3.3  关键生态区的时空演变

    我们提出关键生态功能保护区应至少满足以下其中一条的要求：(1)斑块生态质量重要值应属于中高度或高度等级；(2)斑块节点度值大于16度；(3)斑块节点中心中介度数应属于中高度或高度等级。根据以上原则，图7展示厦门城市森林关键生态区的时空变化格局。1988年远郊巨大面积生态斑块对生态质量网络的作用不容忽视，近郊主体斑块与连接北部斑块的“垫脚石”斑块也应划人关键生态区，若森林生态质量持续恶化，应尽量保全“垫脚石”斑块。但由于随后近郊森林面积大幅增长，1996年远近郊斑块连为一体，厦门城市森林质量大幅提升，其关键生态区范围也骤然扩大。随着城市化发展逐渐起步，城镇居民用地与森林斑块之间开始出现矛盾，2006年远郊森林斑块出现破碎化趋势，虽然近郊森林斑块已退出关键生态区，但生态质量连接度只较1996年略有下降，关键生态区退居远郊。 

    4讨论与结论

    城市森林作为大自然与人类活动相互影响最突出的载体，其存在形式与变化过程是现代生态学研究的热点。生态景观格局的许多研究是基于遥感影像解译所得的数据，通过分析目标景观斑块面积和形状的变化，来揭示一定生态过程。由于其获取数据速度快、范围大，遥感影像方法较传统样地模式对于区域甚至更大尺度上的研究有巨大优势，但由于缺少生态斑块结构和功能的数据，在一定程度上无法揭示生态过程变化的原凶。近年来，中国城市化进程加快，城市人口数量暴增导致生态系统退化、自然资源紧缺，水资源作为人类生存的最基本资源，其循环与储存的方式和数量是城市管理者最关心的问题之一。而森林碳汇功能作为陆地固定大气中CO2的唯一自然途径，近年来备受关注，也成为了城市管理者关注的热点。这2种森林生态服务功能构成了森林生态系统过程的主线，是城市森林最重要的2类生态服务功能，两者相辅相成，缺一不可。使用地面调查数据与森林资源分布图，通过细分到每个森林小班的斑块结构与功能数据计算该斑块的生态质量综合指数，既涵盖了森林生态功能，还包括了景观形态方面的数据，能为景观连接度的分析提供生态学意义的基础.

    景观连接度分析尺度主要取决于物种的传播距离、研究目的和景观的各种内生外生因素等，度量景观连接度，应在最合适的尺度下进行。本研究所选择的12种不同搜索范围涵盖了城市森林主要物种（杉木、马尾松等）有报道的不同有效传播距离。以斑块面积属性为基础，选择不仅能体现大型斑块的重要性，也能充分考虑中小型斑块重要性的合适分析尺度，为后续确定森林关键保护区奠定了基础。IIC指数作为综合反映生态斑块景观质量水平的载体，拥有对联通要素的出现更敏感，仅需要较少的数据，而且能够识别具有重要连接度的区域和组分等优点，依据该指数所得的斑块重要值能直观反映每个生态斑块质量对在整个森林生态质量网络连接度的贡献，本研究以此为依据来选择关键生态区。除此之外，虽然早期研究认为“垫脚石”斑块仅起到连通不同组分的作用，从物种迁徙与传播的生态学角度来看，其对个体物种的传播作用并不明显，但Saura等认为前期研究低估了垫脚石斑块在支持稀少物种长距离传播的作用，拥有一定面积的垫脚石斑块能减少大型斑块的嵌入式封锁隔离，从而持续改善景观因此，“垫脚石”斑块也应作为选择关键生态区的候选斑块。

    总之，本研究所选择的关键生态功能斑块，在拥有能够维持一定生态功能的斑块面积基础上，不是具有较高斑块重要值，就是能够支持物种长距离传播的关键斑块。从1988年到2006年．关键生态区范围变化显著，这个阶段是城市森林面积显著增加，城市森林树种组成剧烈变化的阶段。主要是由于20世纪80年代末90年代初，森林管理政策的正面影响和造林再造林活动使这一时期森林面积迅速增长，且树种组成逐渐由针叶林向阔叶林和混交林转变，早期研究已证明阔叶林较针叶林在固碳和水源涵养等生态功能方面更有优势。随着全球城市化进程的加快，人类活动的加剧，破碎化将是未来城市森林发展所面临的重要问题，通过明确关键生态区，在保护大型生态斑块的同时，注重保护中小面积核心斑块，能使城市森林管理者有的放矢，事半功倍。而关键生态功能区范围的变化，除了树种和面积的原因，也包括建筑用地的扩张、人类干扰的影响等，如何定量分析这些影响因素对生态斑块质量连接度的影响，这将是未来研究的方向。

    5摘要：

    该研究从景观角度出发结合森林斑块主要生态功能水平，使用改进雷达图综合评价法对森林生态质量进行综合评价，再结合景观综合连接度指数(nc)对城市森林景观生态质量连接度进行分析，并通过斑块重要值指数(dIIC)、斑块节点度数和中介中心度明确不同时期厦门市森林景观生态质量连接度重点保护区域，为城市生态环境的规划与调控，以及实现城市生态的可持续发展提供重要数据支持。结果表明：(1 )1988年最佳分析尺度为l 400 m，1996和2006年则为1 000 m;(2 )1988年城市森林景观连接度远低于另外2个时期，2006年的连接度在大于500 m尺度下小于1996年的连接度；(3)中心区森林斑块重要值始终较低，近郊森林斑块重要值变化剧烈，而远郊森林斑块重要值始终对景观生态质量连接度贡献最大；(4)厦门市森林景观生态质量连接度重点保护区随时间变化，逐渐由近郊退居远郊。