基于景观镶嵌度指数的森林破碎化模式动态_以美国俄勒冈州为例_任芯雨

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随着农业与城市的快速发展， 森林破碎化现象 日益加剧， 成为全球关注的热点问题． 森林破碎化是 大块连续的森林被逐渐分割成较小的独立斑块的过 ［1 ］ 程 ， 它是人为干扰和自然因素长期作用的结 果
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林破碎化模式动态变化， 以期为促进和完善森林景 观格局分析方法做出有益探讨． 1 1. 1 研究区域与研究方法 研究区概况 研究 区 位 于 美 国 俄 勒 冈 州 （ 42° —46° 18' N，
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结合， 使时间与空间得到了互补． 2001 和 本文使用空间分辨率为 30 m 的 1992 、 2006 年美国俄勒冈州的土地覆盖数据来揭示该州 的景观， 特别是森林景观的破碎化趋势及其驱动因 素． 首先依据景观镶嵌度指数和景观镶嵌分类模型 得到 3 期景观镶嵌结构图和森林安全度结构图， 然 1992 2001 后对 和 年景观镶嵌结构图和森林安全度 结构图运用马尔科夫模型， 得到概率转移矩阵和稳 态分布， 据此模拟 2006 年景观镶嵌结构图和森林安 全度结构图， 用 2006 年实际值进行精度检验， 在上 述工作的基础上分析了该地区的土地利用变化和森
应 用 生 态 学 报 2014 年 8 月
第 25 卷
第8 期
Chinese Journal of Applied EcBaidu Nhomakorabealogy，Aug． 2014 ， 25 （ 8 ） ： 2317 － 2326
基于景观镶嵌度指数的森林破碎化模式动态 — 以美国俄勒冈州为例 * — —
任芯雨 吕莹莹 李明诗
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［13 － 14 ］ ， 究历史由来已久 但无法反映空间变化是其难 以克服的缺点． 景观镶嵌度指数与马尔科夫模型的
部向东延伸， 自然景观包括半干旱灌丛、 草原、 沙漠 和草甸． 州内大部分地区受太平洋影响， 气候温和． 中部与东部的沙漠地带人口稀少， 气候干燥． 该州有
7 2 原始森林 1． 2 × 10 hm ， 丰富的森林资源使俄勒冈
州成为美国主要的木材产区和输出区． 在过去几十 年里， 一部分地区经过大范围的城市开发 ， 已导致永 久性的林地损失． 1. 2 数据来源 本研究所用的数据包括：空间分辨率为 30 m 的 3 期美国国家土地覆盖数据库 （ National Land Cover Database，NLCD1992 、NLCD2001 和 NLCD2006 ） ． 1990 年， 美 国 地 质 调 查 局 （ USGS ） 、 环境保护局 （ EPA） 、 海洋与大气管理局 （ NOAA ） 等多个联邦部 Ｒesolution Land 门发 起 了 多 精 度 土 地 特 征 （ MultiCharacteristics Consortium， MＲLC ） 项目， 该项目致力 于国家土地覆被数据库的建立． 根据 1992 年 Landsat TM 数据、 TIGEＲ 数据库中的调查数 数字高程、 据， 采用最小距离和平均欧几里得聚类分析方法 ， 得 到 NLCD1992
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；2001 年对分类进行调整， 并完成
NLCD2001 的数据库； NLCD2006 是基于 NLCD2001 通过基于变化向量分析技术识别变化发展而来 ． 在 Anderson 分类系统上， 美国 3 期土地覆盖数据可以 直接比较并进行相关变化检测分析
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NLCD1992 包含 8 种土地覆盖类型， NLCD2001 和 NLCD2006 包含 21 种土地覆盖类型（ 图 1 ） ． 1. 3 研究方法 在一个特定的地域空间上， 各种景观相互交错、 重复出现、 嵌套分布， 就形成了一个景观镶嵌体
（ 南京林业大学，南京 210037 ）
摘 要 有效的景观模式特征评价及其变动预测是合理调控和管理森林景观 、 维持景观安全 2001 和 2006 年 ） ， 格局的基本前提． 利用 3 期美国国家土地覆盖数据库 （ 1992 、 采用景观镶嵌 度指数与马尔科夫模型相结合的方法 ， 分析了美国俄勒冈州的森林破碎化模式及森林与其他 土地利用类型空间交互特征的变化． 结果表明： 景观镶嵌度模型中， 开发主导的景观镶嵌类 型（ D） 转变为单一的开发类型（ DD ） 的概率最大， 为 0． 319 ， 说明城市化是推动区域景观格局 变化的主要动力；森林安全度模型中， 主要为农业和开发景观镶嵌类型 （ ad ） 的森林损失率最 高， 表明在城市与农业占主导的景观上森林被吞噬的可能性最大 ；稳态分布表明， 森林破碎化 趋势日益加剧， 到稳定状态时森林占总区域的面积比例不到 50% ， 空间分布趋向于混合型的 景观格局． 景观镶嵌度模型 2006 年模拟值与实际值 Kappa 系数达到 0． 82 ， 模型精度较高； 森 林安全度模型 Kappa 系数为 0． 21 ， 模型精度较差． 关键词 森林破碎化 景观镶嵌度指数 马尔科夫模型 文章编号 1001 － 9332 （ 2014 ） 08 － 2317 － 10 中图分类号 S718． 5 文献标识码 A
Assessing dynamic patterns of forest fragmentation based on a landscape mosaic indicator ： A case study of Oregon State ，USA． ＲEN Xinyu，L Yingying，LI Mingshi （ Nanjing Forestry University，Nanjing 210037 ，China） ． Chin． J． Appl． Ecol． ， 2014 ， 25 （ 8 ） ： 2317 － 2326． Abstract ： Effectively assessing landscape pattern characteristics and predicting their dynamics have been a basic prerequisite for more reasonably regulating and managing forest landscape ，and maintaining landscape security patterns． In this study ，based on three U． S． National Land Cover Databases （ 1992 ，2001 and 2006 ） ，the landscape mosaic indicator in combination with the Markov model was adopted to analyze forest fragmentation patterns and changes in the characteristics of spatial interactions between forests and other land use types in Oregon State ，USA． The results showed that conversion from the developmentdominated type D to the single development type DD in landscape mosaic model had the highest transition probability 0． 319 ，indicating that urbanization has been the major force responsible for the change of regional landscape patterns． In the forest security model，the highest rates of forest loss occurred in agriculture and the developed landscape mosaic type （ ad） ， showing that in the development and agriculture dominated landscapes， encroaching upon forests was at the highest likelihood． The areal percentage of forest over the total study area was less than 50% when reaching a steadystate distribution，with an accelerating rate of forest fragmentation，and the landscape spatial distribution tended to be a mixed landscape pattern． The Kappa coefficient between the simulated values and the observed values from the 2006 landscape mosaic model was estimated at 0． 82 ，indicating this model had a high precision． However，the accuracy of the forest security model was poor ，with a Kappa coefficient of 0． 21． Key words： forest fragmentation ； landscape mosaic indicator； Markov model．
2 116°28' —124°38' W ） ， 面积 251181 km ． 州内从中
． 分析森林破碎化状况， 有助于揭示一定区域
内森林破碎化正向 （ 加剧 ） 或者逆向 （ 减轻 ） 演变过 ［3 ］ 程 ， 为森林管理提供决策支持， 对阻止栖息地退 化、 增强生态系统自身调节能力具有重要意义 ． 森林破碎化实际体现了森林在景观中的分布格 局， 而景观动态又反映出森林破碎化的驱动力和演 ［4 ］ 变趋势 ． 因此， 森林破碎化的研究与景观格局密 不可分． 已有的森林景观格局研究主要是采用传统 的景观指数 （ 如景观多样性指数、 景观破碎化指数 等） 分析一定区域内景观格局变化， 其缺点是空间 含义不明确， 缺乏实用性． 近年来， 国内外学者利用 森林面密度和森林总体连接度两种指数 ， 结合土地 覆盖数据构建了森林破碎化分析模型， 将森林分为 内部、 边缘、 斑块、 穿孔和过渡森林， 明确了森林破碎 ［5 － 8 ］ ． 但以往研究只局限于森林与非 化的空间意义 森林的关系， 以景观格局为背景的森林动态模型分 Ｒiitters［4］提出了景观镶嵌度指数 析并不多见． 因此， （ landscape mosaic indicator） 这一适用于大地域景观 格局分析的破碎化指数． 它不仅可以模拟景观动态 变化中森林的净增 / 减量， 评估林地生境退化的干扰 因素， 而且可以反映景观组成、 景观多样性和景观主 ［9 － 11 ］ ， ． 海因茨中心 导因 子 用 于 生 物 多 样 性 研 究 （ Heinz Center）［12］在 2008 年的美国生态报告中， 将 景观镶嵌度指数作为评估景观格局的核心指数 ． 景观镶嵌度指数具有空间涵义， 但分析森林的 动 态 变 化 还 需 要 时 间 上 的 内 涵． 马 尔 科 夫 模 型 （ Markov model） 模拟和预测景观格局动态变化的研
DOI:10.13287/j.1001-9332.20140530.004
* 林业公益性行业科研专项（ 201304208 ） 、 425 ） 和国家自然科学基金项目（ 31270587 ） 资助． 国家林业局 948 项目（ 2014mail： nfulms@ aliyun． com ＊＊通讯作者． E20131204 收稿， 20140509 接受．