北京山区森林景观格局及其尺度效应研究
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摘要
北京山区是北京郊区的重要组成部分，是环绕北京市的天然屏障，森林主要分布在山区，而森林质量的好坏直接影响到北京地区生态系统的平衡和稳定。本文通过对北京山区森林景观组成、结构和空间格局的定量描述以及多尺度分析，从景观角度揭示了森林类型空间结构及其空间变化的规律性和尺度效应，通过对景观破碎化、异质性和分布特征的研究，为森林景观规划、森林景观生态系统优化提供了理论参考，同时对改善北京山区森林结构，更好地实现森林空间布局的优化配置，发挥城市林业的生态功能等方面都具有重要的现实意义。
本文在查阅了大量国内外关于森林景观和景观尺度方面文献的基础上，结合研究区域的特色，选取北京山区森林景观空间格局、景观尺度下森林类型地形分异以及森林景观尺度效应三个方面作为主要研究内容，以景观生态学为理论基础，采用多期遥感影像，结合历史资料(各类森林调查数据)和样地实测资料，充分利用遥感技术、地理信息系统技术、数量化格局分析技术、空间地统计学技术等多种研究方法，对北京山区森林景观格局及其尺度效应进行了系统研究。主要研究结论如下：
(1)通过对北京山区森林景观的数量化格局分析显示：在斑块类型水平和景观水平下，北京山区针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林四类森林景观的组成、结构和空间分布格局极不均衡，空间异质性特征明显。
(2)通过北京山区森林景观格局地形因子分异研究表明：随着海拔高度和局部地形特征(坡向、坡度)变化，森林植被也随之发生有规律的变化，而且在不同地形因子分级水平下影响程度有所不同，呈明显地规律性分布。
(3)通过对怀柔和门头沟试验区进行线格局抽样及信息熵指数的计算发现：各类森林景观在不同的样线上反映出随尺度变化大体一致的变化趋势，即随着样段从小到大变化，信息熵指数值从小逐渐变大，最终达到各自的最大值；各景观组分均存在一个最大异质性表现尺度，在这个尺度之下，组分在样线上的分布是不均匀的，表现出一定的宏观异质性特征；超过这个尺度之后，这种不均匀特征作为一种细节被掩盖，组分在样线上的分布趋于均匀，表现为微观异质性特征。
(4)通过对怀柔和门头沟试验区进行网格局抽样及孔隙度指数分析发现：在不同尺度下，孔隙度指数值越高，森林景观组分空间分布的不均匀程度越高，表现为宏观异质性特征；孔隙度指数值越低，其景观组分在其研究范围内空间分布均匀，表现为微观异质性特征。
孔隙度指数的排序与在该尺度下各森林景观组分覆盖率大小排序相反，因而根据试验计算的孔隙度指数值可以研究各森林景观组分的覆盖率随空间尺度变化的情况。随着尺度逐渐变大，孔隙度指数反映景观覆盖度的精确程度随之降低。
随着分析尺度逐渐增大，各森林景观类型标准孔隙度指数均表现出减小的趋势，但不同景观组分标准孔隙度指数随尺度变化的速度是不同的，反映出不同研究区域不同森林景观类型对尺度效应的敏感性差异。
(5)通过对不同尺度下森林景观格局的空间异质性及Kriging插值(由点格局插值为面格局)研究发现：实验区森林景观多样性的空间分布具有各向异性，其空间依赖性和空间异质性水平在不同的方向上差异显著，即随着幅度增大，出现明显各向异性的步长值逐渐增大；而且在不同幅度下表现出了相似的变化趋势。不同尺度下森林景观多样性指数插值结果均能够反映景观多样性的空间分布格局，但其结果的详细和准确程度有所不同，在小尺度下不同森林景观多样性指数估计值形成的斑块非常破碎，随着尺度增加，森林景观多样性格局的复杂程度趋于简单，空间变化减少，估计值相同的区域连通性逐渐增强。表明小尺度下通常包括更多的细节，随着观测尺度的增大，在大尺度下部分细节逐渐被淹没，趋于宏观异质性。
本文创新点主要体现在三个方面：(1)应用数量化格局分析理论对北京山区的森林景观格局和空间分布进行了较全面的分析和研究。(2)采用信息熵法、孔隙度指数和空间地统计学三种尺度分析方法，分别从线格局、网格局以及由点格局插值为面格局几个不同角度和层面对北京山区森林景观格局进行尺度效应研究。(3)选择森林景观多样性指数作为区域化变量，引入地统计学方法对空间异质性及尺度效应进行探索性研究方面具有一定理论和实践意义。
Beijing mountain area is an important part of Beijing suburb and it is a natural barrier surrounding Beijing city. The forest quality has a direct impact on the balance and stability of Beijing ecological system. Based on the quantitative description and analysis of the effect scale of forest landscape composition, structure, and spatial pattern in Beijing mountain area, the thesis clarifies the mountain forest resources, reveals the spatial structure of forest types as well as the regular pattern and scale effect of spatial changes from the perspective of the landscape. It provides a theoretical reference for forest landscape planning and forest landscape ecosystems optimization. Meanwhile, it has an important significance to improve the forest structure of Beijing mountain area, realize the optimal allocation of forest spatial layout, and develop the ecological function of urban forestry.
On the basis of a great deal of domestic and international documents, combining the characteristics of the study area, selecting forest landscape spatial pattern in Beijing mountain area, forest type terrain differentiation under the landscape scale, and forest landscape scale effect these three main aspects as the research content, taking landscape ecology as the theoretical basis, using the multi-remote sensing images, together with historical data (all types of forest survey data) and plots measured data, and making full use of a variety of methods, such as remote sensing technology, geographic information system technology, quantifying pattern analysis technology, space geographic statistical technology, the thesis systematically studies the forest landscape pattern and the scale effect in Beijing mountain area. Main conclusions are as follows:
(1) With indices calculation of forest landscape spatial pattern in Beijing mountain area, and through the researches of patches type level and landscape level, it is found that: The composition,
structure and spatial distribution pattern of in Beijing mountain area is extremely uneven, and the spatial heterogeneity characteristics is significantly. These four types of forest landscape are coniferous forest, broad-leaves forest, mixed broadleaf-conifer forest and shrub forest.
(2) Through the research of terrain factor differentiation of forest landscape pattern in Beijing mountain area, it is found that: With the changes of altitude and local topographic features (aspect, slope), forest vegetation is also experiencing a regular changes, and the impacts are various from different terrain-grade level, which presents a significant distribution.
(3) Based on line pattern sampling, by the calculation of information entropy indices in Huairou and Mentougou District, it is found that: All types of forest landscape in different line transects reflect the same general trend with the changes of scale. Namely, along the changes of sample plots from small to large, the information entropy indexes were from small value gradually became larger and ultimately achieved their maximum; every landscape elements had its maxima expression scale of heterogeneous. Under the scale, elements were uneven in the distribution of line transects, which showed certain features of macroheterogeneity; exceed the scale, this uneven features were concealed as a detail, elements were even in the distribution of line transects, which showed microheterogeneity feature.
(4) Based on grid pattern sampling, by the analysis of lacunarity indices in Huairou and Mentougou District, it is found that: In different scales, the higher lacunarity indices are, the greater heterogeneity of spatial distribution for forest landscape elements is. This performance can be considered as macroheterogeneity characteristics. Oppositely, the lower lacunarity indices values are, the smaller heterogeneity of spatial distribution for forest landscape elements are. This performance can be considered as microheterogeneity characteristics.
The order of lacunarity index is contrary to the order of coverage rate of the forest landscape elements in the same scale, consequently, lacunarity indices values in experiments can help to study the coverage rate of forest landscape elements changing with the spatial scale. With gradually larger scale, the precision that lacunarity indices reflect the landscape coverage. rate is poorer.
With gradually increasing analysis scale, all standard lacunarity indices of forest landscape types show the decreasing trend. However, the changed speed of standards lacunarity indices for different landscape elements is different along scale changes, which reflect the sensitivity difference of scale
effect to different types of forest landscape in different studies areas.
(5) By the study of spatial heterogeneity in different scales of the forest landscape pattern and Kriging interpolation, it is found that: The spatial distribution of forest landscape diversity in experimental area was of anisotropy, its spatial dependence and the level of spatial heterogeneity are significant in different directions: With the increased extents, the lag interval of anisotropy gradually increased; also showed a similar trend under different ranges. Diversity index interpolation of forest landscape in different scale can reflect the spatial distribution pattern of landscape diversity; however the results are varied with different details and accuracies. In small-scale, estimated diversity indices of different forest landscape, the patches are broken. With the increased scale, the complexity of diversity pattern of forest landscape became simple, spatial variation is reduced; regional connectivity with the same estimated value of diversity index gradually strengthened. It showed that the details in small-scale is being gradually inundated in large-scale with the increasing observed scale, tended to be more macroheterogeneity.
There are three innovations in the paper: (1) Analyze and compare forest landscape pattern and spatial distribution in Beijing mountain area by the application of pattern quantification analysis theory. (2) Study the different scale effect of forest landscape pattern in Beijing mountain area by the sampling of the line pattern, grid pattern and polygon pattern interpolated from point pattern, with the help of information entropy, lacunarity index and geostatistical analysis. (3) Considered forest landscape diversity index as a regionalized variables, it is carried out exploratory study of spatial heterogeneity and the scale effect by geostatistical methods, which has certain theoretical and practical significance.
本文在查阅了大量国内外关于森林景观和景观尺度方面文献的基础上，结合研究区域的特色，选取北京山区森林景观空间格局、景观尺度下森林类型地形分异以及森林景观尺度效应三个方面作为主要研究内容，以景观生态学为理论基础，采用多期遥感影像，结合历史资料(各类森林调查数据)和样地实测资料，充分利用遥感技术、地理信息系统技术、数量化格局分析技术、空间地统计学技术等多种研究方法，对北京山区森林景观格局及其尺度效应进行了系统研究。主要研究结论如下：
(1)通过对北京山区森林景观的数量化格局分析显示：在斑块类型水平和景观水平下，北京山区针叶林、阔叶林、针阔混交林和灌木林四类森林景观的组成、结构和空间分布格局极不均衡，空间异质性特征明显。
(2)通过北京山区森林景观格局地形因子分异研究表明：随着海拔高度和局部地形特征(坡向、坡度)变化，森林植被也随之发生有规律的变化，而且在不同地形因子分级水平下影响程度有所不同，呈明显地规律性分布。
(3)通过对怀柔和门头沟试验区进行线格局抽样及信息熵指数的计算发现：各类森林景观在不同的样线上反映出随尺度变化大体一致的变化趋势，即随着样段从小到大变化，信息熵指数值从小逐渐变大，最终达到各自的最大值；各景观组分均存在一个最大异质性表现尺度，在这个尺度之下，组分在样线上的分布是不均匀的，表现出一定的宏观异质性特征；超过这个尺度之后，这种不均匀特征作为一种细节被掩盖，组分在样线上的分布趋于均匀，表现为微观异质性特征。
(4)通过对怀柔和门头沟试验区进行网格局抽样及孔隙度指数分析发现：在不同尺度下，孔隙度指数值越高，森林景观组分空间分布的不均匀程度越高，表现为宏观异质性特征；孔隙度指数值越低，其景观组分在其研究范围内空间分布均匀，表现为微观异质性特征。
孔隙度指数的排序与在该尺度下各森林景观组分覆盖率大小排序相反，因而根据试验计算的孔隙度指数值可以研究各森林景观组分的覆盖率随空间尺度变化的情况。随着尺度逐渐变大，孔隙度指数反映景观覆盖度的精确程度随之降低。
随着分析尺度逐渐增大，各森林景观类型标准孔隙度指数均表现出减小的趋势，但不同景观组分标准孔隙度指数随尺度变化的速度是不同的，反映出不同研究区域不同森林景观类型对尺度效应的敏感性差异。
(5)通过对不同尺度下森林景观格局的空间异质性及Kriging插值(由点格局插值为面格局)研究发现：实验区森林景观多样性的空间分布具有各向异性，其空间依赖性和空间异质性水平在不同的方向上差异显著，即随着幅度增大，出现明显各向异性的步长值逐渐增大；而且在不同幅度下表现出了相似的变化趋势。不同尺度下森林景观多样性指数插值结果均能够反映景观多样性的空间分布格局，但其结果的详细和准确程度有所不同，在小尺度下不同森林景观多样性指数估计值形成的斑块非常破碎，随着尺度增加，森林景观多样性格局的复杂程度趋于简单，空间变化减少，估计值相同的区域连通性逐渐增强。表明小尺度下通常包括更多的细节，随着观测尺度的增大，在大尺度下部分细节逐渐被淹没，趋于宏观异质性。
本文创新点主要体现在三个方面：(1)应用数量化格局分析理论对北京山区的森林景观格局和空间分布进行了较全面的分析和研究。(2)采用信息熵法、孔隙度指数和空间地统计学三种尺度分析方法，分别从线格局、网格局以及由点格局插值为面格局几个不同角度和层面对北京山区森林景观格局进行尺度效应研究。(3)选择森林景观多样性指数作为区域化变量，引入地统计学方法对空间异质性及尺度效应进行探索性研究方面具有一定理论和实践意义。
Beijing mountain area is an important part of Beijing suburb and it is a natural barrier surrounding Beijing city. The forest quality has a direct impact on the balance and stability of Beijing ecological system. Based on the quantitative description and analysis of the effect scale of forest landscape composition, structure, and spatial pattern in Beijing mountain area, the thesis clarifies the mountain forest resources, reveals the spatial structure of forest types as well as the regular pattern and scale effect of spatial changes from the perspective of the landscape. It provides a theoretical reference for forest landscape planning and forest landscape ecosystems optimization. Meanwhile, it has an important significance to improve the forest structure of Beijing mountain area, realize the optimal allocation of forest spatial layout, and develop the ecological function of urban forestry.
On the basis of a great deal of domestic and international documents, combining the characteristics of the study area, selecting forest landscape spatial pattern in Beijing mountain area, forest type terrain differentiation under the landscape scale, and forest landscape scale effect these three main aspects as the research content, taking landscape ecology as the theoretical basis, using the multi-remote sensing images, together with historical data (all types of forest survey data) and plots measured data, and making full use of a variety of methods, such as remote sensing technology, geographic information system technology, quantifying pattern analysis technology, space geographic statistical technology, the thesis systematically studies the forest landscape pattern and the scale effect in Beijing mountain area. Main conclusions are as follows:
(1) With indices calculation of forest landscape spatial pattern in Beijing mountain area, and through the researches of patches type level and landscape level, it is found that: The composition,
structure and spatial distribution pattern of in Beijing mountain area is extremely uneven, and the spatial heterogeneity characteristics is significantly. These four types of forest landscape are coniferous forest, broad-leaves forest, mixed broadleaf-conifer forest and shrub forest.
(2) Through the research of terrain factor differentiation of forest landscape pattern in Beijing mountain area, it is found that: With the changes of altitude and local topographic features (aspect, slope), forest vegetation is also experiencing a regular changes, and the impacts are various from different terrain-grade level, which presents a significant distribution.
(3) Based on line pattern sampling, by the calculation of information entropy indices in Huairou and Mentougou District, it is found that: All types of forest landscape in different line transects reflect the same general trend with the changes of scale. Namely, along the changes of sample plots from small to large, the information entropy indexes were from small value gradually became larger and ultimately achieved their maximum; every landscape elements had its maxima expression scale of heterogeneous. Under the scale, elements were uneven in the distribution of line transects, which showed certain features of macroheterogeneity; exceed the scale, this uneven features were concealed as a detail, elements were even in the distribution of line transects, which showed microheterogeneity feature.
(4) Based on grid pattern sampling, by the analysis of lacunarity indices in Huairou and Mentougou District, it is found that: In different scales, the higher lacunarity indices are, the greater heterogeneity of spatial distribution for forest landscape elements is. This performance can be considered as macroheterogeneity characteristics. Oppositely, the lower lacunarity indices values are, the smaller heterogeneity of spatial distribution for forest landscape elements are. This performance can be considered as microheterogeneity characteristics.
The order of lacunarity index is contrary to the order of coverage rate of the forest landscape elements in the same scale, consequently, lacunarity indices values in experiments can help to study the coverage rate of forest landscape elements changing with the spatial scale. With gradually larger scale, the precision that lacunarity indices reflect the landscape coverage. rate is poorer.
With gradually increasing analysis scale, all standard lacunarity indices of forest landscape types show the decreasing trend. However, the changed speed of standards lacunarity indices for different landscape elements is different along scale changes, which reflect the sensitivity difference of scale
effect to different types of forest landscape in different studies areas.
(5) By the study of spatial heterogeneity in different scales of the forest landscape pattern and Kriging interpolation, it is found that: The spatial distribution of forest landscape diversity in experimental area was of anisotropy, its spatial dependence and the level of spatial heterogeneity are significant in different directions: With the increased extents, the lag interval of anisotropy gradually increased; also showed a similar trend under different ranges. Diversity index interpolation of forest landscape in different scale can reflect the spatial distribution pattern of landscape diversity; however the results are varied with different details and accuracies. In small-scale, estimated diversity indices of different forest landscape, the patches are broken. With the increased scale, the complexity of diversity pattern of forest landscape became simple, spatial variation is reduced; regional connectivity with the same estimated value of diversity index gradually strengthened. It showed that the details in small-scale is being gradually inundated in large-scale with the increasing observed scale, tended to be more macroheterogeneity.
There are three innovations in the paper: (1) Analyze and compare forest landscape pattern and spatial distribution in Beijing mountain area by the application of pattern quantification analysis theory. (2) Study the different scale effect of forest landscape pattern in Beijing mountain area by the sampling of the line pattern, grid pattern and polygon pattern interpolated from point pattern, with the help of information entropy, lacunarity index and geostatistical analysis. (3) Considered forest landscape diversity index as a regionalized variables, it is carried out exploratory study of spatial heterogeneity and the scale effect by geostatistical methods, which has certain theoretical and practical significance.
引文
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