景观是一个反映内陆地形地貌(如草原、森林、山脉、湖泊等)或某一地理区域的综合地形特征的地理空间单元，是由景观要素有机联系组成的复杂系统，含有等级结构，既有独立的完整结构及相应的生态学、经济学和社会学功能，又有明显的视觉特征和美学价值，是边界明确、在空间上可辨识的地理实体[1, 9]。
森林景观是以森林生态系统为主体所构成的景观，森林景观研究的目的在于通过对森林景观结构、功能、动态变化、相互影响及控制机制的研究，揭示基本规律和掌握调控手段，并通过科学的规划设计对景观实施生态保护、恢复、建设和管理[3, 10]。森林景观分类即是确定景观构成要素及其空间分布格局，是在大尺度上探讨森林生态系统整合问题的基础[7]。森林景观要素类型的划分是开展森林景观生态研究、分析景观格局结构、进行景观规划设计的基础。本文参考陆元昌基于森林资源二类调查数据的森林景观分类研究[2]，但完全基于ArcGIS9.2软件，以黄土高原黄龙山林业局蔡家川林场为例，利用GIS建立量化的、空间化的环境数据库，对该林场景观要素的斑块特征和格局进行了分析。
1 研究区概况
蔡家川林场位于延安地区黄龙山林业局中部,小南川中上游,属黄河水系。西北与小寺庄林场接壤,西南和官庄、石堡林杨毗邻,东与圪台林场连接,东北与瓦子街林场分界。地理坐标109°48′-110°02′,北纬35°45′-35°57′,总面积
该场地跨黄龙县山崾先、小寺庄、瓦子街和砖庙梁四乡,属黄土高原丘陵沟壑区。地面破碎,地形变化复杂,形成沟壑、梁峁、残原、土石质中低山等特有的黄土地形,剥蚀强烈,河谷深切。地势西南高,东北低,最高海拔（旗杆庙）
森林植被属暖温带落叶阔叶林地带，北部为落叶阔栎林亚地带。天然植被覆盖率高,森林植物种类较多，优势树种主要有油松、辽东栎、槲栎、山杨、白桦、侧柏、小叶杨等。
2 数据来源和研究方法
2．1 数据来源
研究所需原始数据有黄龙山林业局蔡家川林场1997年的森林资源二类调查资料，包括林相图、地形图以及小班因子调查数据，其内容包括编号、林班小班号、面积、地类、立地类型、优势树种、起源、树种组成、龄组、每公顷蓄积、经营类型、土壤类型、土壤质地、土壤厚度、坡度、坡向、权属、海拔等属性数据项。
2．2 研究方法
2．2．1 确定分类因子
分类因子的确定取决于其重要性和研究的尺度[11]。根据该区的实际情况，确定了1个植被因子和3个环境因子作为分类因子。植被因子为优势树种(组)，环境因子包括海拔、坡度和坡向3个与森林景观形成密切相关的因子。考虑当地的植被分布规律和分类结果不至于过分破碎的原则，将环境因子进行分级，如表1所示。所有因子均按其级别赋以相应的数值进行聚类分析。
表1 景观要素分类因子及分级列表
|
分类因子 |
分级或取值范围 |
|
|
植被因子 |
优势树种（组） |
油松、白桦、栎类、山杨、杨树、柏树、针叶混交、针阔混交 |
|
环境因子 |
海拔 坡度 坡向 |
低海拔（1071～1382m）；高海拔（1382～1694m） 平坡（<9°）；斜坡（9°～35°）；陡坡（>35°） 阴坡；阳坡；半阴坡半阳坡 |
2．2．2 建立分类数据库
在ArcGIS9.2系统的支持下，在矢量化的林相图上分别按以上确定的4个分类因子及其取值范围(表1)生成不同的因子图层。将这些图层进行叠加将全场分成若干个面积大小不等的森林景观空间基本单元，使得每个单元对各分类因子具有唯一的取值。获取各单元的分类因子值即得到景观分类的基础数据库。
2．2．3 聚类分析和景观要素定义
对切割后的景观空问基本单元按4个变量(1个植被因子和3个环境因子)的数据进行聚类分析。该过程通过ArcGIS9.2完成。根据聚类结果谱系图按一定的原则确定森林景观空间的要素类型。本研究确定景观要素的原则是：①下一层次的分类与上一层次相同，即类型不可再分时，取上一层次的分类结果；②类与类之间有明显的差异，主要因子无交叉现象；③是对森林经营有独立意义的森林类型要素。类型划分得太少，反映不出构成森林景观的内部要素结构特征；而类型划分得太多，则景观要素划分太细而不利于表现出在景观层次有独立意义和显著作用的生态系统及其相互问的关系[2]。
2．2．4 生成景观要素斑块分布图
以ArcMap系统为技术支持平台，结合林班线、河流、道路等明显的生态系统分界线，在斑块不跨越分界线的原则下将景观要素类型相同的相邻单元进行合并，最后生成7类景观要素类型斑块图(图3)及相应的属性数据库。
2．2．5 景观结构分析
在景观要素分类和斑块图的基础上，进行景观要素斑块特征和景观要素结构的分析。景观要素斑块特征包括斑块的数量、形状和分布等。数量特征用斑块总面积、平均面积、最大面积、最小面积、平均年龄和蓄积量6个指标；斑块形状则用斑块形状指数Sr表示，通过计算某一斑块周长与相同面积的圆周长之比来测量其形状复杂程度。
景观结构分析包括各景观要素的内部生境面积、景观破碎化程度和景观粒级结构等特征的分析和评价。内部生境面积是斑块面积减去受边缘效应影响的边缘面积之后的面积。本研究仅就森林景观中内部生境的整体特征进行分析，采用林分平均高的5倍作为各要素边际带宽度，应用ArcGIS的缓冲区(buffer)功能生成内部生境面积。
景观破碎化程度可用斑块密度即单位面积上斑块体数目和单位面积内的斑块面积这2个指标表示。单位面积上斑块数目越多，单位面积内斑块面积越小时，景观越破碎。景观粒级结构是指景观要素的粗、细粒结构，斑块在很大程度上受自然和人为干扰因素的影响。而粒级大小又取决于整个景观研究的尺度[5]。本研究把斑块体分为5级：小斑块(<10hm2)，中斑块(10～50hm2)，大斑块(50～100hm2)，超大斑块(100～200 hm2)，巨斑块(>200hm2) [2]。
景观异质性是指斑块空间镶嵌的复杂性或者景观结构空间分布的非均匀性和随机性。Risser 认为，景观生态学就是异质性的研究。景观异质性是自然、生物和社会要素相互作用的结果，景观斑块的形状、大小、数量和空间组合影响生物物种的分布、动物的运动、径流和侵蚀等生态过程及边缘效应。景观异质性反映生态系统受干扰的程度，干扰程度越强，景观异质性越高。利用RS 和GIS 进行景观格局的研究已经成为一种行之有效且高效的方法。本文选取了景观组分比例、斑块平均大小、景观多样性指数、景观均匀度指数和景观优势度等指标对研究区森林景观空间异质性进行研究，旨在为区域森林资源可持续发展、生物多样性保护和区域生境的保护提供理论依据[14]。
2．2．6景观指标体系
（1）形状指数（Sr）用来测定斑块形状的复杂程度，主要揭示斑块的形状和面积大小之间的关系，反映了在一定的观测尺度上斑块格局的复杂程度[2]。公式如下:
式中：Z为斑块周长；A为斑块面积。当斑块形状为圆形时，Sr =1，取值最小；斑块的形状越复杂，Sr值越大[1, 11]。各景观要素的形状指数为其斑块的面积加权平均值。
（2）内部生境指数为某一景观要素类型的内部生境总面积（Ai）与该景观要素类型的总面积之比（A）[2]。公式如下:
（3）景观多样性指数(H)表示景观组分的多度和异质性程度[14]。公式如下:
Pi为景观组分i ( i = 1～m，m为景观组分类型数)的面积占景观总面积的百分比，以表示景观的组成状况。如果景观中m 个景观组分达到最大的均匀分布，这时景观多样性(H) 达到最大(即最大多样性指数Hmax)。根据公式(1)可得:
（4）景观均匀度指数(E)为景观实际多样性(H)与最大多样性(Hmax)之比，以反映景观组分分布的均匀程度[14]。公式如下:
（5）景观优势度(D)为景观实际多样性(H)与最大多样性(Hmax)之差，以反映景观组分的地位和作用，与景观均匀度呈负相关，描述景观有少数几个主要景观组分控制的程度。D 大时，表示景观中仅以少数景观组分为优势，D 小时，表示各景观组分的面积比例大致相似[14]。公式如下:
2．2．7 景观结构评价
森林景观生态学作为林学与景观生态学交叉的一门新兴学科，在概念框架、理论体系和技术方法上都正在发展，景观评价的内容和方法都非常丰富。在揭示对象区域森林景观结构的基本特征和对森林经营实践提供参考指导的目标下，本研究确定的森林景观评价内容和工作流程如图1所示。
图1 森林景观结构分析评价内容及工作流程图
3 结果与分析
3．1 森林景观空间基本单元数据库及聚类分析谱系图
|
景观空间基本单元 |
|
1 |
|
2 |
|
|
|
4 |
|
… |
|
|
9类 |
7类 |
3类 |
1类 |
|
|
|
1-无林地，阳坡 |
1-无林地 |
1-无林地 |
全 场 森 林 景 观 空 间 |
|
|
|
2-无林地，阴坡 |
||||
|
|
3-杨杂 |
2-杨杂 |
2-阔叶林 |
||
|
|
4-栎类 |
3-栎类 |
|||
|
|
5-慢阔，中阔 |
4-慢阔，中阔，白桦 |
|||
|
|
6-中阔，白桦 |
||||
|
|
7-油松 |
5-油松 |
3-针叶林 |
||
|
|
8-柏树 |
6-柏树 |
|||
|
|
9-针阔混交林 |
7-针阔混交林 |
|||
|
… |
|
||||
|
207 |
|
||||
|
208 |
|
||||
|
209 |
|
||||
|
210 |
|
||||
图2 从森林景观空间基本单元到不同水平景观构成要素的聚类谱系图
图中7类时为最终确定景观构成要素类型
按优势树种、海拔、坡度、坡向等4个分类因子图层将全场范围分成了210个面积大小不等的森林景观空间基本单元分布图及数据库，得到的每个森林景观空间基本单元仍然带有其对应的二类调查小班的所有属性数据，所以聚类分析理论上可以根据需要用这些因子的任意一组子集进行。对这210个基本单元按确定的4个分类变量(1个植被因子和3个环境因子)进行聚类分析，结果中从9类到1类聚合水平的类群谱系图如图2所示。
图2所示的分类体系表现出了森林景观系统同样具有向下可分、向上可组合的一般系统内在特征。将这个系统在哪个层次上划分为几个要素，是根据需要和可能做出的一种决策。
3．2 景观要素类型及其斑块分布图
根据上述3个确定景观要素原则，在9类聚合水平结果上，将1～2类及5～6类分别合并，最后将全场的森林景观空间划分为有独立经营意义的7类森林景观要素类型，每一类都是内部特征相对一致而相互间有显著区别的森林生态系统，采用所属的植被类型对其进行命名。各景观要素类型所在坡度分布见表2；各景观要素类型的名称及特征描述如下：
类型1：无林地类景观（22个），包括河流、道路、采伐迹地等。
类型2：杨杂林景观（64个），植被以杨树和杂木林为主，33个分布在低海拔地带，31个分布在高海拔地带，坡度多<35°。
类型3：栎类景观（27个），是该区内面积比例最大的景观要素类型，植被以辽东栎、栓皮栎为主，12个分布在低海拔地带，15个分布在高海拔地带。
类型4：阔叶混交和白桦林景观（35个）。植被以慢生和中生阔叶混交林和白桦林为主，17个分布在低海拔地带，18个分布在高海拔地带。
类型5：油松景观（28个）。植被油松为主，低海拔地带和高海拔地带各占一半。
类型6：柏树景观（14个），是该区内面积比例最小的景观要素类型。植被以柏树林为主，一半分布在低海拔地带，一半分布在高海拔地带。
类型7：针阔混交林景观（20个）。植被以针阔混交林为主，13个分布在低海拔地带，7个分布在高海拔地带。
表2 各景观要素类型所在坡度分布
|
景观要素类型 |
平坡（<9°）分布数 |
斜坡（9°～35°）分布数 |
陡坡（>35°）分布数 |
|
1-无林地 |
8 |
8 |
6 |
|
2-杨杂 |
30 |
20 |
14 |
|
3-栎类 |
16 |
6 |
5 |
|
4-慢阔，中阔，白桦 |
19 |
9 |
7 |
|
5-油松 |
14 |
8 |
6 |
|
6-柏树 |
8 |
6 |
/ |
|
7-针阔混交林 |
/ |
11 |
9 |
在斑块不跨越分界线的原则下将景观要素类型相同的相邻单元进行合并，最后生成7类景观要素类型斑块图及相应的斑块属性数据库(图3)，这2个结果是进行森林景观分析和评价的基础材料。
图3 7类森林景观要素类型斑块空间分布图
3．3 森林景观分析和评价
3．3．1 景观要素斑块数量特征
表3 7类景观要素斑块面积和周长等统计表①
|
景观类型 |
斑块数 |
面积/hm2 |
周长/km |
形状指数 |
平均年龄 |
蓄积量 |
||||||||
|
总面积 |
％ |
平均 |
最大 |
最小 |
总周长 |
％ |
平均 |
最大 |
最小 |
|||||
|
类1 |
22 |
3073.13 |
14.64 |
139.69 |
825.34 |
0.05 |
2537 |
16.28 |
115.32 |
519.58 |
0.36 |
12.91 |
0 |
0 |
|
类2 |
64 |
2451.76 |
11.68 |
38.31 |
512.38 |
0.001 |
1811 |
11.62 |
28.29 |
320.77 |
0.04 |
10.32 |
25.6 |
103284 |
|
类3 |
27 |
5248.2 |
25.01 |
194.38 |
1271.3 |
0.06 |
3743 |
24.02 |
138.63 |
744.76 |
0.4 |
14.58 |
40 |
224594 |
|
类4 |
35 |
3910.32 |
18.63 |
111.72 |
836.85 |
0.002 |
2879 |
18.47 |
82.26 |
485.65 |
0.05 |
12.99 |
39.1 |
299714 |
|
类5 |
28 |
4747.01 |
22.62 |
169.54 |
1275.6 |
0.05 |
3375 |
21.65 |
120.53 |
768.62 |
0.35 |
13.82 |
33.2 |
317670 |
|
类6 |
14 |
142.86 |
0.68 |
10.2 |
72.48 |
0.03 |
209.7 |
1.35 |
14.98 |
129.21 |
0.08 |
4.95 |
35.5 |
312461 |
|
类7 |
20 |
1412.61 |
6.73 |
70.63 |
663.72 |
0.11 |
1031 |
6.61 |
51.53 |
452.4 |
0.27 |
7.73 |
32.5 |
99184 |
|
合计 |
210 |
20985.9 |
100 |
99.93 |
|
|
15585 |
100 |
74.21 |
|
|
|
|
1356907 |
①下划线部分为本栏目中的最大或最小值，下同。
确定的7类景观要素斑块面积和周长统计数据如表3所示。可以看出，全林区7种景观要素类型斑块总数为210个，斑块平均面积为99.93 hm2，平均周长为
类3即栎类林具有最大的总面积、最大的平均斑块面积和斑块周长，数量上在整个景观中占绝对优势，这都与其有最大的平均年龄呈正相关，是构成该林区森林景观基质的重要要素类型。类3和类5即栎类林和油松林的斑块形状差异最大。杨杂林（类2）具有最小的平均年龄，这刚好与其是速生更新树种有关。油松林（类5）具有最大的蓄积量，而针阔混交林(类7)的蓄积量相对较小。
3．3．2 景观要素斑块形状特征
斑块形状指数反映斑块形状的复杂程度。形状指数越大，表示斑块形状越复杂。
由表3可以看出，7种类型的斑块形状指数在4.95～14.58之间。杨杂林（类2）、栎类林（类3）、慢阔中阔白桦（类4）和油松林（类5）的斑块形状指数较大，这是因为天然次生林中的一些先锋树种，对环境的适应能力较强、分布广，因此斑块形状不规则。针阔混交林(类7)次之，它保留了原始林的某些特征或是由针叶林或阔叶林转化而来，斑块形状也较不规则。而柏树林(类6)形状相对规则。
3．4 森林景观结构分析和评价
3．4．1 斑块数量及形状
由图3及表3可看出，7种景观要素类型斑块总数为210个，杨杂林（类2）最多，为64个，占总斑块数的30.48％；柏树林(类6)最少，为14个，占总斑块数的6.67％，斑块总面积也最小。栎类林（类3）具有最大的斑块总面积，但油松林（类5）具有最大的单个斑块面积。栎类林（类3）形状指数最大，斑块形状也最复杂。柏树林(类6)形状指数最小，形状相对简单。总体来看，油松林（类5）的分布较连续，其它六类呈交互错落分布。
3．4．2 内部生境面积及指数
内部生境面积是影响森林景观功能及其动态变化过程的重要结构特征。许多林栖生物需要足够大的森林内部生境才能满足其种群生存发展的要求。
表4 7类森林景观要素内部生境总面积统计表
|
景观要素类型 |
林分平均高/m |
斑块数 |
总面积/hm2 |
内部生境面积/hm2 |
内部生境指数/% |
|
类1 |
0.00 |
22 |
/ |
/ |
/ |
|
类2 |
7.00 |
64 |
2451.76 |
1529.34 |
62.38 |
|
类3 |
8.50 |
27 |
5248.20 |
2602.20 |
49.58 |
|
类4 |
8.00 |
35 |
3910.32 |
1717.24 |
43.92 |
|
类5 |
10.00 |
28 |
4747.01 |
1969.29 |
41.48 |
|
类6 |
8.00 |
14 |
142.86 |
14.93 |
10.45 |
|
类7 |
9.00 |
20 |
1412.61 |
21.37 |
1.51 |
|
合计 |
/ |
210 |
20985.89 |
7854.37 |
/ |
由表4可以看出，内部生境面积最大的为栎类林，其他从大到小依次为油松林、慢阔中阔白桦林、杨杂林和针阔混交林，柏树林的内部生境面积最小。杨杂林的内部生境指数最高，其他从大到小依次为栎类林、慢阔中阔白桦林、油松林、柏树林和针阔混交林。栎类林具有最大的生境面积和第二大的内部生境指数，这是因为栎类林保存相对较好，受人为干扰较小。
3．4．3 景观粒级结构
从表5可看出，7种景观要素中以小斑块比例最大，占总斑块数的65.24％，中、小和巨大斑块之和约占总斑块数的91.91％，大斑块和超大斑块占8.09％，因此该区以中、小和巨大斑块为主。就单个景观要素类型看，7种景观要素均以小斑块为主，除柏树林（类6）外，其余六类景观要素均有面积很大的巨大斑块分布，占总斑块数的15.24％，说明群落分布相对完整。
表5 各类斑块级别统计表①
|
景观要素类型 |
小斑块 |
中斑块 |
大斑块 |
超大斑块 |
巨大斑块 |
合计 |
|||||
|
块数 |
％ |
块数 |
％ |
块数 |
％ |
块数 |
％ |
块数 |
％ |
||
|
类1 |
12 |
5.71 |
0 |
0 |
3 |
1.43 |
1 |
0.48 |
6 |
2.86 |
22 |
|
类2 |
48 |
22.86 |
10 |
4.76 |
0 |
0 |
0 |
0 |
6 |
2.86 |
64 |
|
类3 |
14 |
6.67 |
3 |
1.43 |
2 |
0.95 |
3 |
1.43 |
5 |
2.38 |
27 |
|
类4 |
21 |
10.00 |
3 |
1.43 |
4 |
1.9 |
1 |
0.48 |
6 |
2.86 |
35 |
|
类5 |
15 |
7.14 |
5 |
2.38 |
2 |
0.95 |
0 |
0 |
6 |
2.86 |
28 |
|
类6 |
11 |
5.24 |
2 |
0.95 |
1 |
0.48 |
0 |
0 |
0 |
0 |
14 |
|
类7 |
16 |
7.62 |
1 |
0.48 |
0 |
0 |
0 |
0 |
3 |
1.43 |
20 |
|
合计 |
137 |
65.24 |
24 |
11.43 |
12 |
5.71 |
5 |
2.38 |
32 |
15.24 |
210 |
①小斑块<10hm2,中斑块10～50hm2, 大斑块50～100hm2,超大斑块100～200hm2,巨斑块>200hm2。％为该类斑块占总斑块数的百分数。
3．4．4 景观破碎化程度
从单位面积上斑块数(表3)来看，无林地、柏树林和针阔混交林的破碎化程度较低，而其他4种类型的破碎化程度较高，且差别不大。若从单位面积内斑块面积来看，柏树林和针阔混交林的破碎化程度较高，且与其他5种类型有显著差异；5种类型中又以栎类林和油松林面积密度较高，破碎化程度较低。综合二者来看，栎类林的破碎化程度最低，其次是油松林，柏树林和针阔混交林最高。这是由于栎类林和油松林2种类型受到破坏程度较小，而栎类林则接近当地的原始群落，油松林是经过封山育林后自然更新或是人工造林引起的；而柏树林和针阔混交林则为人工营造或由针叶林或阔叶林转化而来。
3．4．5 景观异质性
表6 研究区森林景观多样性、均匀度、优势度
|
地区 |
多样性 |
均匀度 |
优势度 |
|
蔡家川林场 |
1.74 |
0.89 |
0.20 |
从表6可看出，研究区森林景观多样性指数较高，为1.74，表明本区景观组分相差比较大，类型多样，具有相对丰富的栖息地类型，为目前生存在内的野生动物提供了良好的栖息地。森林景观均匀度很高，为0.89，说明森林景观组分分布相对均匀，有利于物种繁殖、交流。景观总体优势度较低，为0.20，表明景观组分多而复杂。
4 结论及讨论
基于森林资源二类调查数据，利用GIS建立量化的、空间化的植被和环境因子数据库，选取优势树种(组)、海拔、坡度和坡向作为分类因子，将全场切割为56 672个单元，在此基础上采用聚类分析确定景观要素类型并生成斑块空间分布图及其数据库，是一种综合林分和环境因子进行森林景观生态研究的有效方法。用此方法将全场共划分为7类景观要素，其中类1、类2、类3、类4和类5占总面积的92.58％，是该区的主要森林景观要素(生态系统)类型。森林景观要素分类为景观结构分析和规划提供了基础。
景观要素斑块特征和景观结构分析表明：栎类林具有最大的面积、最大的平均斑块面积和斑块周长；斑块形状指数也较高，其斑块形状和布局较为复杂。7种景观要素中以小斑块(面积<10hm2)比例最大，占总斑块数的65.24％，中、小和巨大斑块之和约占总斑块数的91.91％，除柏树林（类6）外，巨大斑块在其它六类中均有较大面积分布且分布相对均匀。大斑块和超大斑块占8.09％，大斑块主要分布在类1、类3、类4和类5中，占全部景观范围内大斑块的91.59％，超大斑块主要分布在类3中，占全部景观范围内超大斑块的60.08％。栎类林具有最大的内部生境面积和第二大的内部生境指数。
栎类林和油松林2种类型的破碎化程度较低。大型斑块能保存更多的物种，有利于林内生物的生存和物种多样性的保护。因此，在森林经营中，应注意保护大型斑块的景观要素类型，主要是针阔混交林。景观要素类型的斑块特征和结构与其受到的人为干扰程度有关。占该区面积25.01％的栎类林和22.62％的油松林接近自然形成的景观，受人为干扰相对较小。对研究区景观异质性的研究表明本区景观组分相差比较大，类型丰富多样，分布相对均匀，为生存在内的野生动物提供了良好的栖息地。同时说明研究区的保护工作做的较好，森林景观正朝着良性的方向发展。
人为干扰以及对森林的不合理采伐，会使森林自然景观的整体结构被打破，森林内部生境面积缩小，破碎化程度增加，这些因素都影响着物种、物质、能量和信息的流通，这在森林景观的保护中尤其要加以重视，使其朝着有利的方向发展。本文应用ArcGIS一种软件而非多个软件对蔡家川林场进行图像分析，取得了很好的研究效果，结合陆元昌的基于森林资源二类调查数据的森林景观分类研究，说明利用GIS软件，结合森林资源二类调查数据，进行森林景观分类是一种有效的方法。但如何在分类和结构研究基础上进行森林景观规划和格局调控经营措施设计，仍是下一步研究的方向。