发生学视角下南湖风景区植物群落退化及优化

A study on degradation and optimization of plant community in Nanhu Scenic Area from a genesis perspective

摘要

目的 探索南湖风景区植物群落退化情况，对于风景区退化林和景观恢复，维护地区生态环境十分重要。 方法 本研究基于构建DTP三维评估体系，表征南湖植物群落退化情况。并通过发生学理论构建“植物群落演替发生模型”，以此提出退化林和景观恢复建议。 结果 构建发生学“原型-模型-构成”的分析框架；发现马尾松面积占南湖89%以上，占绝对优势，且处于成熟林及近熟林，郁闭度高达0.55~0.8。借助遥感，利用“DTP退化评价方法”发现，景区在近20 a内，风景区植被覆盖退化程度加剧，3个时期植被覆盖度退化区域面积明显大于改善区域面积，整体处于变化之中，稳定区域较少；2000~2010年、2010~2020年南湖风景区林地减少的幅度不断扩大，2010~2020年较2000~2010年林地转非林地转移面积逐年升高；景观格局指数逐年下降，斑块破碎化严重，景观连通性变差，林地斑块受到人为干预，形状趋于简单化。 结论 近20 a内，从南湖风景区植物群落的退化程度、退化趋势、退化格局都表明了其退化状态，建议基于宫胁法对退化的马尾松林采取近自然林更新演替方案，在时空维度缩短森林自然演替进度，快速形成风景区生态本底。

Abstract

Objective Exploring the degradation of plant communities in Nanhu Scenic Area is crucial for restoring degraded forests and landscapes，and maintaining regional ecological environments. Method This study characterized the degradation of plant communities in Nanhu Lake using the DTP three-dimensional assessment system.A "model of plant community succession" was constructed based on genetic theory to propose suggestions for restoring degraded forests and landscapes. Result An analysis framework of "prototype-model-constitution" of genetics was established.It was found that Masson's pine area accounted for more than 89% of Nanhu Lake，indicating absolute dominance.In mature and nearly mature forests， canopy density reached 0.55~0.8.With the help of remote sensing and the “DTP degradation assessment method，”the degree of vegetation cover degradation in the scenic area has intensified in the past 20 years.The area of vegetation cover degradation in three periods was significantly larger than the improvement area，and the entire area is undergoing change，with few stable areas.From 2000 to 2010 and from 2010 to 2020，the reduction of forest land in Nanhu Scenic Area increased，and the conversion area from forest land to non-forest land also increased annually from 2010 to 2020 compared with that from 2000 to 2010.The landscape pattern index decreased annually， patch fragmentation was severe， landscape connectivity became poor，andthe shape of woodland patches tended to be simplified due to human intervention. Conclusion The degradation degree，trend，and pattern of plant communities in Nanhu Scenic Area over the past 20 years indicate a degraded state.To restore the degraded forest and landscape of Nanhu Scenic Area，it is recommended to adopt a regeneration and succession scheme for Masson pine forest based on the palace stress method.This will help to expedite the natural succession progress of the forest in both spatial and temporal dimensions，and establish the ecological background of the scenic area more quickly.

Graphical abstract

关键词

发生学 / 风景名胜区 / 马尾松群落 / 景观格局 / 宫胁法

Key words

genesis / scenic area / masson pine community / landscape pattern / palace side method

森林退化是全球范围内最紧迫且普遍存在的环境问题之一^［1］，近几十年来，社会经济发展和森林资源的高强度开发利用等全球性问题，直接或间接导致了森林的退化^［2］，这也是生物多样性持续丧失的重要原因^［3］。统计资料表明，全球森林净损失为每年339万hm²，其中大部分在发展中国家^［4］。中国作为森林面积前十的国家，森林生态系统退化现象十分广泛，表现形式复杂多样，并且还有进一步退化的趋势^［5］。森林恢复是减缓（减少）森林退化的重要途径，与人类福祉息息相关^［6］。联合国粮农组织（FAO）2020年指出要在2030年前实现可持续发展目标，就必须加强全球退化森林和景观恢复工作^［7］。加强全球退化森林和景观恢复的前提和基础，在于如何准确构建退化评估体系，其构建的准确性和科学性直接影响退化林的评估与恢复策略的制定。

国内外学者在退化森林评价及恢复方面已开展了一些工作，大多数研究注重于森林生态系统的退化评估及退化林恢复。森林是一种复杂生态系统，鉴于森林退化评估的实用性及可操作性，众多学者都采用实地调查、遥感监测的方法，例如Duarte等^［8］提出了一种利用陆地卫星时间序列监测退化的方法，并通过该方法研究了多米尼加共和国的松林地区退化情况，最后证实了遥感监测森林退化的有效性。Bahamondez等^［9］提出了一种可以从生产力角度定量地评估森林退化的方法，并以智利的生产林为例对该方法进行了说明，其结果表明，以林分生长衡量的森林生产力可以用来建立一个阈值，用于通知管理层以作出应对^［9］。Thompsont等^［10］通过评估森林生产力、生物多样性、异常干扰、保护功能和碳储存5项标准，并通过遥感获取这些指标，最终确定森林退化的类型和程度^{。而Sasaki等［11］从停止导致退化的原因开始，让森林自行再生，通过积极管理退化地区的自然再生来加快树木的再生和生长，结果表明采用适当的技术进行森林恢复比传统种植更有效益。王云霖［12］从景观格局、生态系统服务以及病虫害风险等方面对大湾区森林生态系统进行评估分析，识别主要生态退化空间并提出生态修复对策建议。不同的学者和国际组织由于对森林管理的目的不同对评价退化森林生态系统选取的指标和标准也不尽相同，虽然其对退化概念理解存在差异，但基本内涵一致：即森林生产力和生态服务功能的逆向改变［13］。纵观国内外学者对森林退化评估及修复的研究，发现当前研究对风景名胜区这一特殊景观属性的森林退化评估及修复未有涉及，如何更有针对性地开展风景区内植物群落优化工作，需要清楚地判断森林退化情况，结合风景名胜区不同的功能分区，用乡土植物和宫胁法修复具有重要的理论和实践意义。}

发生学基于对某个过程的认知，通过构建发生模型将过程要素与发生过程中主要的、本质的、必然的要素相联系，通过调控发生要素实现预期结果发生的预判。本研究基于发生学理论构建“群落演替发生模型”，对南湖马尾松群落运用退化程度、退化趋势、退化格局三维评估体系进行评价。从退化程度来讲，退化的生产力程度在生态管理的情况下难以评估，但可以在林分或景观水平上通过森林中数量、密度或大小等级分布随时间或距离某一确定点的距离的顺序减少来识别日益增长的种群退化^［11］。从退化趋势来讲，退化林造成的原因包括自然因素与人为因素，其中导致森林退化的主要原因是人为因素^［13］，开展退化趋势研究对森林造成强烈干扰的人类活动影响下，有益于识别森林退化的趋势变化。使用土地覆被变化图可以直观地观察到风景区土地覆被时空趋势变化情况。从退化格局来看，南湖风景区位于巴山北麓边缘的浅山丘陵地带，历经飞播造林时期以及景区初代建设时期，并将在之后继续承担区域生态生物多样性支持的主要载体^［14］，开展森林景观格局研究有益于识别区域森林生态系统功能与结构及其相互作用过程，对指导森林资源保护、综合服务功能提升意义重大^［15］。构建DTP退化评估体系，并运用此体系研究南湖风景名胜区植物群落退化状态，科学、有效地提出植物退化和景观恢复对策建议，对此类植物群落退化识别和景观恢复具有理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

汉中南湖风景名胜区位于陕西省汉中市南郑区青树镇西北侧（图1），北依秦岭，南邻巴山，风景区所在区域属于大巴山低山丘陵的一部分，海拔除大汉山主峰超过1 400 m外，其余多在600~1 000 m，相对高度为100~500 m。南郑气候属北亚热带湿润季风气候区、受地形影响，气温、降水垂直差异显著。平川丘陵北亚热带湿润气候区，包括海拔800 m以下的地区，极端最低气温-10~-6 ℃，极端最高气温36~37 ℃；年降水量 900~1 100 mm。山地暖温带常湿气候区，包括800~1 400 m的浅山地区。年平均气温在9.7~13.3 ℃；极端最低气温在-15~-11 ℃，降水量1 300~1 500 mm。南郑区土壤以黄棕壤类为主，占82.4%，其次是水稻土，占15.7%。棕壤、淤土、潮土分别占1.04%、0.5%、0.3%。

1.2 数据来源

本研究综合考虑汉中市云量、沙尘暴等天气情况及植被生长季节性差距等影响，选取2000年7月30日、2010年5月23日、2020年6月3日3个不同时期植被茂盛，云量0~10%、影像质量良好、无异常的Landsat（5/7/8）系列卫星影像数据（分辨率：30 m），数据于美国地质勘探局（United States Geological Survey，简称USGS）官网获得。2000~2020年地表覆被数据、南湖风景区行政边界图等遥感及矢量数据从中国科学院网络信息中心地理空间数据云30 m×30 mDEM数据、30 m全球地表覆盖数据GlobeLand 30数据集从陕西省林业调查规划院森林资源二类调查数据获得，其余资料来源于实地调查资料和大量文献资料。

1.3 研究方法

1.3.1 发生学方法框架

发生学方法主要特征是：把研究对象作为发展的过程进行动态考察；有分析地注重考察历史过程中主要的、本质的、必然因素^［16］。本研究借鉴“发生学”视角与研究方法，首先，将风景区植物群落演替的发生发展认定为一个动态的结构，从植物群落的原型出发，通过对原型的抽象、简化、类比等方法，将其退化的特征抽象出来构建为退化评估体系，确定、阐释其构成，以此修正、回馈群落演替的发生发展。其次，森林群落结构是随着时间的发展而发生动态变化的。通过结合不同功能分区退化情况，可通过针对性恢复措施使其实现自然更新，生物多样性显著升高，形成风景名胜区乡土天然林，满足风景名胜区发展需求，最终以“回溯”的方式实现历史与逻辑的统一（图2）。

1.3.2 退化评估体系构建

森林退化的表现为森林面积减少、结构丧失、质量降低、功能下降^［13］。本研究基于退化林的基本内涵，结合南湖风景区发展需求及南湖数据获取，遵循评价体系五大原则^［16-18］，采用遥感判读与现地调查相结合的方法，构建包含退化程度（degree）、退化趋势（trend）、退化格局（pattern）的DTP三维评价体系（表1），表明南湖植物群落退化情况。

1.3.2.1 退化程度

1） NDVI计算

利用ENVI5.3对Landsat遥感数据进行辐射定标、大气校正等预处理后，计算NDVI（归一化植被指数）。计算公式如下：

NDVI=\frac{N_{\mathrm{1}R}-R}{N_{\mathrm{1}R}+R}

式中：N_IR为Landsat5、7、8遥感影像的近红外波段值（Landsat5/7为Band 4，Landsat8为Band 5）；R为Landsat5、7、8遥感影像的红外波段值（Landsat5/7为Band 3，Landsat8为Band 4）^［20］。

2） 像元二分模型

利用NDVI与FVC（植被覆盖度）两者之间的线性关系，通过创建转换关系，建模提取区域FVC。其像元二分模型表达公式如下：

FVC=\frac{NDVI-NDV{I}_S}{NDV{I}_V-NDV{I}_S}

式中：NDVI_V 为代表纯植被NDVI像元值，NDVI_S 为代表裸地或物质被覆盖NDVI像元值。

按照植被覆盖估算理论方法分析可知，NDVI_S 与NDVI_V 取值为0与1，但是实际由于干扰因素，其数值会存在不明的小浮动。以此为依据，选取累计2%为NDVI_S，98%为NDVI_V。目前为止还没有统一的植被覆盖度的分级阈值标准，本文根据国家《土地利用现状调查技术规程》、《草场资源调查技术规程》、水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》和结合研究区植被长势独有的生态特征，对FVC进行阈值分割处理。其中FVC的阈值分割按照传统分类方法分为Ⅰ级［0，20%］、Ⅱ级［20%，30%］、Ⅲ级［30%，60%］、Ⅳ级［60%，100%］等 4 个等级，分别代表为裸地或极低（含水域）、低、中、高植被覆盖^［21］。

3） 影像图差值比较法

为了揭示南湖风景区不同时期植被覆盖度空间变化情况，利用影像图差值比较法来计算南湖风景区不同时期植被覆盖变化量（∆FVCg），差值范围在［-1，1］。计算公式如下：

\mathrm{\Delta }FV{C}_g=\mathrm{\Delta }FV{C}_{g\_t\mathrm{2}}-\mathrm{\Delta }FV{D}_{g\_t\mathrm{1}}

式中：\mathrm{\Delta }FV{C}_{g\_t\mathrm{2}}和\mathrm{\Delta }FV{C}_{g\_t\mathrm{1}}分别为南湖风景区研究时段内不同两期对应的植被覆盖等级栅格数据，变化量划分为植被覆盖增加区（+）、减少区（-）与不变（0），其中增加区划分为极度改善区（+3），其阈值范围为（0.66>∆FVCg>1）、中度改善区（+2），其阈值范围为（0.33>∆FVC_g >0.66）、轻度改善区（+1），其阈值范围为（0>∆FVC_g >0.33），减小区划分为轻度退化区（-1），其阈值范围为（0>∆FVC_g >-0.33）、中度退化区（-2），其阈值范围为（-0.33>∆FVC_g >-0.66）、极度退化区（-3），其阈值范围为（-0.66>∆FVC_g >-1）。

1.3.2.2 退化趋势

1） 土地覆被变化

30 m全球地表覆盖数据GlobeLand30数据集包含10个主要的地表覆盖类型，其中南湖风景区包含耕地、林地、草地、水体4类。以2020年土地覆被图为基础，结合天地图、BIGEMAP、实地调研进行对比，得到南湖风景区土地覆被变化图。

2） 土地覆被转移矩阵

土地覆被转移矩阵可以有效地研究不同时期研究区内不同覆被时空变化特征，是分析景观变化的常用方法^［22］。

1.3.2.3 退化格局

景观格局分析方法是指用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法^［23-25］。本研究基于ArcGIS处理后的南湖风景区地表覆盖，利用Fragstants 4.2景观格局分析软件对整体景观及各类型在不同时期的斑块密度、散布与分列指数等11个景观评价指数进行分析。

2 结果与分析

2.1 南湖风景区植被树种构成

本文以南湖风景名胜区森林资源二类调查数据为数据源，获得研究区内优势树种为：马尾松、杉木、栎类以及其他硬阔树种等8类（图3、表2）。其中马尾松占绝对优势，其面积占比为89.41%；其他硬阔树种与栎类次之，其面积分别占比5.88%、2.9%；其余4类优势种仅占1.81%，这与飞播造林选种有关。马尾松林为近熟林及成熟林，平均胸径14.8 cm，郁闭度在0.55~0.8；其余优势种均为幼龄林及中龄林，栎类和其他硬阔树种郁闭度分别为0.4~0.6、0.3~0.6。

2.2 南湖植物群落退化程度

基于NDVI和像元二分模型，利用ENVI 5.3及ArcGIS10.4计算得出南湖风景区不同3期植被覆盖度，结合其特有的生长特性，以此为基础进行像元阈值分割，得到南湖风景区2000年、2010年、2020年不同3个时期植被覆盖度空间格局分布图（图4）。从图4中可以看出，南湖风景区整体植被以高植被覆盖类型为主，中、低植被覆盖以风景游览区及风景恢复区为中心，呈小面积零散式分布，随时间增长逐步向四周扩散。

为了进一步揭示南湖风景区2000~2020年植被覆盖度动态变化过程及特征，利用遥感影像差值比较法计算图像像元DN差值，像元DN差值为正数表示覆盖面积增加（+）、为负数表示覆盖面积减少（-）、为零表示覆盖面积不变（0）。

计算结果发现，南湖风景区3个时期植被覆盖度退化区域面积明显大于改善区域面积，整体处于变化之中，稳定区域较少，改善区集中在南湖风景区风景游览区并向四周扩散，其他功能区内少数散布。结合图3退化区以高植被覆盖度为主，改善区则以中、低植被覆盖度为主。从不同时段及其不同等级绝对变化程度分析可知（图5），2000~2020年间植被覆盖度减少面积明显大于增加区域面积，其中轻度退化区面积最大，远远大于轻度改善区；2010年~2020年期间植被覆盖度增加面积上升，其中轻度改善区以风景游览区及风景恢复区为主呈大面积片状式增加，同时伴随出现极度退化区增加的情况，主要分布在风景恢复区内；2000~2020年植被覆盖面积基本与2000~2010年区域一致，明显可以看到2000~2020年各功能区极度退化区、中度退化区面积增加。总体而言，南湖风景区植被覆盖退化程度加剧。

2.3 马尾松退化趋势

根据3期土地覆被（图6）运用ArcGIS经重分类、栅格计算得出南湖风景区耕地、林地、草地及水体的变化图（图7）。根据不同时段变化量来看，南湖风景区不同土地覆被类型面积总体不变，风景游览区变化较大，主要呈现为林地的变化，2个时间段林地的减少量均大于增加量，随着时间的推移，减少的幅度不断扩大，这与前期飞播造林及后期建设使用的措施相关。特别保护区有极少量增加，其余功能区内各有增减。

利用ArcGIS软件根据南湖土地覆被数据获得不同时期各类景观类型转移面积与比例（表3~4）。不同时期林地与非林地转移过程中，2010年较2000年林地转耕地比耕地转林地多近1.6%；林地转水域比水域转林地少近6.9%，但综合下来林地总体面积依然是减少的，耕地面积增加，水域面积减少，这与南湖景区人为干扰有很大的关系。2010~2020年，林地转耕地比耕地转林地多近0.6%；林地转草地比草地转林地少34.1%；林地转水域比水域转林地多4.9%，其中林地转水域面积占比最高。2010~2020年较2000~2010年林地转非林地转移面积逐年升高，2010~2020年间林地面积大幅度降低。

2.4 景观格局指数变化

以南湖风景区2000、2010、2020年3期景观类型栅格为基础数据，利用Fragstats 4.2景观格局分析软件从类型水平及景观水平2个尺度上对森林的景观格局指数进行计算。

南湖风景区景观水平上的景观格局指数如表5所示，可以看出，3期中研究区的斑块密度（PD）呈先增加后减少的趋势；蔓延度指数（Contag）呈不断减少的趋势，研究区内各类景观类型的斑块没有形成良好的连接，景观连通性逐渐变差；散布与分列指数（LJI）、景观分裂指数（Division）、分离度指数（Split）均呈先减后增的趋势，这表明了南湖风景区在2000~2010年，整体格局分布较集中，但在2010~2020年相反，景观破碎化程度有所增大；香农多样性指数（SHDI）先减后增，2000~2010年减少了0.28，2010~2020增加了0.32；香农均匀度指数（SHEI）从2000年的0.82变为2010年的0.75，指数值减少了0.07，2010~2020年由0.75变为0.85，增加了0.1，其增量为2000~2010年的1.43倍，表明了景观格局向着均匀化发展，各斑块不存在明显的优势类型。

如图9所示，从景观类型水平来看，近20 a南湖风景区林地斑块密度（PD）、有效粒度面积（MESH）、景观形态指数（LSI）均呈现先增加后降低的趋势；林地斑块2010~2020年期间受到人为干预，使得形状趋于简单。斑块凝聚度（cohesion）、景观分裂指数（division）、分离度指数（split）、聚合度指数（AI）呈先降低在增加趋势；散布与分列指数（LJI）则连年降低，这表明林地形成优势景观。

3 讨论

森林退化是一个需要迫切解决的全球环境问题，要实现可持续发展目标，就必须加强全球退化森林和景观恢复工作。然而一直以来，森林退化有多种定义，解释各不相同，不仅反映了森林结构之间的差异，还反映了不同认知、目标及价值观^［26］，因此如何科学地、准确地进行退化评估将是今后发展的方向及趋势。同时，风景名胜区是具有资源保护和利用的双重属性的区域，在强调资源保护的同时，还需充分发挥景源的综合潜力。结合以往文献，由于某些指标在获取上有一定的困难，本研究结合风景名胜区需求，选取了空间属性上的指标，从退化程度、退化趋势、退化格局三维全面地反映了风景区群落退化状况，但是也存在一些不足。对于南湖风景区植物群落退化的现状与存在的问题，我们应在以下几个方面展开深入研究及探索：1）构建风景区退化森林评估体系的长期连续观测，更为深入地对不同阶段退化过程进行长期监测、对比；2）通过对发生模型进行更深入分析，马尾松面积在南湖占比高达89.41%，占绝对优势。马尾松适应性强、耐贫瘠与干旱，是我国南方地区飞播造林的主要树种^［27-29］。陕南地区夏秋多雨，长期种植会造成林下土壤酸化、肥力下降、生物多样性降低，水土流失逐年加剧，不利于微生物活动，从而加剧土壤退化速度^［30］。整个飞播区林分稀疏，“远看绿油油，近看水土流”的现象显著^［31］，与南湖“争4A景区，强文旅产业”的发展目标诸多不协调，将遥感分析与实地调查相结合，从根本上有针对性的对不同功能分区马尾松林进行退化景观恢复工作迫在眉睫。

4 结论与建议

本文构建了DTP退化评估体系，运用此体系研究了南湖风景名胜区植物群落退化状态，并提出植物退化和景观恢复对策建议，对此类植物群落退化识别和景观恢复具有理论和实践意义。本研究对南湖马尾松群落运用退化程度、退化趋势、退化格局三维评估体系进行评价，研究结果表明：1）从退化程度来说，南湖风景区植被覆盖退化程度加剧。南湖风景区整体植被以高植被覆盖类型为主，中、低植被覆盖以风景游览区及风景恢复区为中心，呈小面积零散式分布，随时间增长逐步向四周扩散。3个时期植被覆盖度退化区域面积明显大于改善区域面积，整体处于变化之中，稳定区域较少，改善区集中在南湖风景区风景游览区并向四周扩散，其他功能区内少数散布；2）从退化趋势来看，南湖风景区林地呈现减少趋势。随着时间的推移，2000~2010年、2010~2020年南湖风景区林地减少的幅度不断扩大，这与前期飞播造林及后期建设使用的措施相关。从土地覆被转移可以看出，2010~2020年较2000~2010年林地转非林地转移面积逐年升高，2010~2020年间林地面积大幅度降低；3）从退化格局来看，景观格局逐年下降，斑块破碎化严重，无法满足现阶段风景名胜区发展要求。景观水平上，近20 a间蔓延度指数连续降低，斑块密度先增加后减少，散布与分列指数、景观分裂指数、分离度指数、香农多样性指数、香农均匀度指数先减少后增加。表明景观连通性变差，各斑块之间没有形成好的连接，中小型斑块逐渐增加，土地利用丰富，破碎化程度变高且各斑块类型分布均匀，不存在明显的优势类型。从类型水平可知，南湖风景区林地近20 a间散布与分列指数连年降低，斑块密度、有效粒度面积、景观形态指数先增加后降低，斑块凝聚度、景观分裂指数、分离度指数、聚合度指数先降低再增加。表明南湖风景区林地斑块受到人为干预，形状趋于简单化。

结合国内外森林修复相关经验，提出以下建议：

森林演替的本质是森林发展过程中优势种的变化。为适应风景名胜区观赏需求，通过对发生模型进行更深入分析，通过调控发生要素实现短期内风景区的退化林恢复。基于南湖风景名胜区现状植物群落退化分布情况，根据自然演替理论和适度干扰理论，运用宫胁法和间伐调控群落演替主要的、本质的因素，即通过对南湖占比89%以上的优势树种-马尾松进行乡土树种引进，通过改变其优势种变化，改变南湖植物群落立地条件，以实现风景区退化林和景观恢复，促进植物群落林相更新以及植物群落生物多样性恢复^［32-33］。最后，使其实现自然更新，生物多样性显著升高，形成风景名胜区乡土天然林，在时间与空间维度缩短风景区森林的自然演替进度，快速形成风景区生态本底，进而满足南湖风景名胜区的观赏需要和生态要求。

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基金资助

中央高校基本科研业务费专项资金项目(2452019203)