英山縣古樹資源及其空間分布特征

王曉, 李小雨, 吳靜, 付翠林, 汪洋

(湖北生態工程職業技術學院 園林建工學院,湖北武漢430200)

古樹是珍貴的自然和文化遺產,也是區域生物多樣性的重要組成,具有重要的社會、文化和生態價值[1]。因此,古樹具有科研、歷史、社會、文化和景觀等多元價值特征[2]。同時,由于古樹有長久的自然生活史,是研究古代地理、氣候、植物區系和物種種源的重要載體[3]。

古樹由于生長年代長,相比于普通林木,其形態結構及生理功能在自然生長中,由于風折、雪壓、雷擊、病蟲害,以及人為因素的不利影響必然會出現生理和生長的衰退,生存機制比壯年林木脆弱,對環境資源的依賴程度增強[4]?！皩χ匾鷳B系統和物種資源實施強制性保護,切實保護珍稀瀕危野生動植物、古樹名木及自然生境”已經成為國家生態文明戰略構成[5]。

古樹分布特征提供了有關歷史氣候事件和文化價值的重要信息,現有古樹分布研究對生物多樣性和文化遺產元素的保護至關重要[6]。研究發現,除農業種植、植物個體、風水林、宗教與宗祠、開發與遷移等文化要素以及鄉土風俗、村規民約和經濟價值等因素外[7],人口密度、立地條件、土層地質也影響古樹的分布特征[1],居住民俗可對古樹樹種在微生境的分布產生深刻的影響[8]。因此,古樹的分布與農業種植、立地條件、土層地質、鄉土風俗、經濟價值和開發遷移等因素密切相關。這些因素共同作用,形成了古樹整體的空間分布格局[9]。

從空間分布格局入手,可充分利用空間分布來分析古樹密度的變化,量化古樹的衰減和空間差異,為現代森林管理、保護計劃和生態修復項目提供更精準的科學信息[10]。隨著信息技術日趨成熟,ArcGIS等空間分析技術逐步應用于古樹名木數據庫的建設[11]。英國學者利用ArcGIS技術鑒別、定位和分類古樹,并分析了古樹的數量、密度和多樣性,以及與環境因子的關系[12];通過校準空間數據,建立了預測國家和地區古樹數量、密度和多樣性,以及與環境因子關系的最佳模型,為古樹保護規劃提供了信息[13]。同時,維護和擴展古樹數據庫也已成為學界關注的焦點[12],但古樹分布研究仍需要進一步加強,以便更好地促進古樹的保護[6]。

英山縣已經啟動了古樹名木的保護工作,并在對全縣的古樹名木進行全面普查的基礎上建立了古樹名木的電子檔案。然而,與湖北省全省古樹資源保護研究相似[14],英山縣的古樹資源研究仍處于數據采集和保護的初級階段。古樹的整體空間分布及與環境因素和人類活動的關系仍不明確。因此,本研究旨在系統分析英山縣古樹資源的狀況、數量特征、空間分布、健康狀況以及影響因素,以期為該地的古樹資源保護和管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

英山縣位于湖北東部黃岡市,東經115°3′153″—116°4′2″,北緯30°31′00″—31°8′58″,大別山南麓。全縣東西寬43 km,南北長約70 km,總面積1 449 km2。東與安徽省岳西、太湖交界;南與蘄春、浠水接壤;西與羅田相鄰,北與安徽省金寨、霍山毗連,是鄂豫皖三省邊界的腹地。英山縣轄8個鎮和3個鄉,全境以中低山為主,素有“八山一水一分田”之說。全縣最高點海拔1 729 m,最低點船形垸海拔90 m,高差1 639 m,平均坡度17°。

圖1 英山縣行政區位及古樹分布示意Figure 1 Administrative location of Yingshan County and distribution of old trees in Yingshan County

英山縣位于長江中下游北亞熱帶濕潤季風氣候區。氣候溫暖濕潤,雨量充沛,四季分明。全縣氣溫隨海拔高度遞減,存在明顯垂直差異。年平均氣溫16.4 ℃,1月平均氣溫3.6 ℃,7月平均氣溫28.5 ℃。極端最低氣溫-13.5 ℃,最高溫度42.0 ℃。全年無霜期平均241 d。年平均降水量為1 403 mm,70%降水集中在4—8月。年平均日照時數為1 966.1 h。土壤母質以花崗片麻巖為主,黃棕壤占總面積的86.97%。全境擁有172種喬木樹種、236種灌木物種,其中25種為國家二級以上保護樹種。

1.2 調查研究方法

1.2.1 調查方法

2016—2018年,參照全國古樹名木普查技術規范[15],以英山縣十一個鄉鎮和三個國營林場為基本單元,采用訪談法、文獻追蹤法、實地勘測法和類比推斷法,依據前期普查資料、文獻、史料、傳說以及生長發育特性,調查英山全縣古樹樹種、樹齡、樹高、胸徑、地理坐標、立地條件、古樹重要特征、生長環境狀況、古樹責任管護人員和具體保護措施,并推定了古樹樹齡[16]。2021年,我們對前期古樹調查數據進行了抽查復核,抽查率為23.5%。

1.2.2 古樹分布網絡構建

根據shape文件,利用ArcGIS生成英山縣各鄉鎮邊界的DEM地貌圖,將古樹分布具體坐標賦值插入DEM。為統計不同尺度下古樹空間分布格局,建立0.05°×0.05°的經緯網格[17]和5 km×5 km投影網格,以便統計對應網格古樹數量。將網格作為一個獨立研究單元,統計實際落入到不同網格內古樹數量[18]。

1.2.3 點格局分析

雙相關函數g(r)能較為敏感地判斷某一尺度上點的實際分布與期望值的偏差程度,排除計算過程產生的累積效應[19],利用g(r)函數對英山縣古樹進行點格局分析[20],函數為:

用Monte Carlo法檢驗分布格局的顯著性,隨機模擬99次,上下包跡線置信區間99%。

1.2.4 數據處理分析

根據光照條件,以數字從大到小直觀將坡向和坡位數據進行分級,坡向分為8級,坡位4級[21]。采用一維比較法,將地形因子不同類型數據轉化為直接反映地形個因子的本質特征[22],標準化公式如下:

Y=1-0.9×(Vmax-V)/(Vmax-Vmin)

式中,V表示實測地形的賦值,Vmax表示地形因子最大值,Vmin表示地形因子最小值,采用上述公式進行標準化處理,得到0.1～1的區間值,區間值無單位或者量綱。

應用IBM SPSS Statistics 22對古樹生長勢與生長環境進行Spearman相關分析和典范相關分析。采用Weibull函數對古樹結構特征進行回歸擬合。參考《中國植物志》[23]給古樹定名。

2 結果與分析

2.1 古樹樹種分類

在英山縣的調查中,共發現了1 097株古樹,它們隸屬于22科36屬50種(見表1)。其中,被子植物占18科28屬40種,裸子植物占4科7屬9種。在這50種樹種中,馬尾松(Pinusmassoniana)的株數最多,共有287株,相對多度占比為26.16%。其次是黃山松(Pinustaiwanensis)占13.40%、楓香樹(Liquidambarformosana)占12.67%和樟(Cinnamomumcamphora)占10.03%。前四個種類在數量上占據了總個體數量的62.26%。同時,還有9科12屬14種的樹種僅存1株。

從屬的角度來看,英山縣的古樹中涵蓋了35個屬。其中,冬青屬(Ilex)是最常見的屬,占據了所有古樹種類的7.84%。其次是櫟屬(Quercus)占5.88%、槭屬(Acer)占5.88%和松屬(Pinus)占5.88%。女貞屬(Ligustrum)、樸屬(Celtis)和榆屬(Ulmus)均占據3.92%。前7個屬共計占據了古樹物種的37.25%。

在科的層面上,分布最廣的5個科分別是榆科(Ulmaceae)占11.76%、殼斗科(Fagaceae)占11.76%、松科(Pinaceae)占9.80%、豆科(Leguminosae)占9.80%和冬青科(Aquifoliaceae)占7.84%。這些科共計占據了50.98%的古樹物種。

根據《國家重點保護野生植物名錄》,在這些古樹中,銀杏(Ginkgobiloba)屬于國家一級保護野生植物(IUCN:CR極危),大別山五針松(Pinusdabeshanensis)屬于國家一級保護野生植物(IUCN:EN瀕危)。香果樹(Emmenopteryshenryi)和金錢松(Pseudolarixamabilis)屬于國家二級保護野生植物(IUCN:UV易危)。黃檀(Dalbergiahupeana)則屬于非國家重點保護植物,被評定為近危種(IUCN:NT近危)。

表1 英山縣古樹樹種分類統計(單位:株)Table 1 Taxonomic statistics of old trees of Yingshan County (Unit: Plant)

2.2 古樹網格分布分析

基于DEM網格,建立地理坐標和投影坐標下的古樹數量分布網格圖。在地理坐標網格中(見圖2左側),單個網格面積為26.426 km2,覆蓋了全縣面積的79個網格。古樹數量在每個網格中分布范圍為0～104株,其中71個網格中存在古樹,平均每個網格分布14.247株,標準差為20.346。有8個網格中沒有古樹分布,占總網格數的10.13%。分布有1～10株古樹的網格數為34個,占總網格數的43.04%;分布有11～20株古樹的網格數為23個,占總網格數的29.11%;分布有21～31株的網格為3個,占總網格數的3.80%;分布有31株以上古樹的網格為9個,占總網格數的11.39%。

在投影坐標網格中(見圖2右側),全縣面積覆蓋了88個網格,單個網格面積為25.000 km2。古樹數量在每個網格中分布范圍為0～111株,其中69個網格中存在古樹,每個網格平均分布12.906株,標準差為20.918。有14個網格中沒有古樹分布,占總網格數的15.91%。分布有1～10株古樹的網格數為41個,占總網格數的46.59%;分布有11～20株古樹的網格數為20個,占總網格數的22.73%;分布有21～30株古樹的網格為2個,占總網格數的2.27%;分布有31株以上古樹的網格為10個,占總網格數的12.50%。

通過DEM網格分布分析可以得知,在縣域范圍內,東北部地區的古樹數量較多,而西南部地區的古樹數量較少。相對而言,高海拔區域的古樹數量較多,低海拔區域的古樹數量較少。

圖2 基于DEM的英山縣古樹分布網格Figure 2 Distribution grid of the old trees in Yingshan County based on DEM

2.3 古樹點格局分析

英山縣的古樹點格局分布見圖3。在0～1 km尺度上,古樹點呈現聚集分布;在1～1.5 km尺度上,從隨機分布轉變為聚集分布;而在2～13 km尺度上,古樹點仍然呈現聚集分布。不同區域的古樹數量和種類存在明顯差異,集群分布成為古樹個體分布的主要方式。當尺度約為11 km時,點格局呈現隨機分布;而在12～13 km尺度上,古樹點再次呈現聚集分布;在14 km尺度及以上,古樹點的分布呈現均勻分布。通過地理坐標和投影坐標DEM網格的分析,發現僅在5 km和5.141 km尺度上能解釋英山縣古樹水平分布的格局。通過結合點格局,可以得到不同分布格局轉化的趨勢。

2.4 古樹分布及生長狀況

表2的數據顯示,石頭咀鎮是英山縣擁有古樹最多的鄉鎮,共有353株古樹。其中,一級古樹數量為6株,二級古樹數量為18株,三級古樹數量為329株。在各個級別中,石頭咀鎮的古樹數量均居首位。其次是雷家店鎮,該鎮擁有190株古樹,其中一級古樹有1株,二級古樹有8株,三級古樹有181株。相比之下,紅山鎮的古樹數量較少,僅有13株。其中,二級古樹有2株,三級古樹有11株,這是全縣古樹最少的鄉鎮。此外,在吳家山等3個林場中,吳家山林場擁有43株古樹,其中一級古樹和二級古樹各僅有1株,三級古樹有41株。

桃花沖林場和五峰山林場只有三級古樹,分別為10株和11株。綜合全縣范圍來看,一級古樹占全部古樹數量的1.73%,二級古樹占全部古樹數量的4.74%,而三級古樹占全部古樹數量的93.53%。由此可見,一級和二級古樹的數量明顯偏少。

圖3 英山縣古樹點格局分析Figure 3 Point pattern analysis of old trees in Yingshan County

表2 英山縣古樹基本情況(單位:株)Table 2 General information of the old trees in Yingshan County (Unit: Plant)

2.5 古樹生長與環境分析

2.5.1 古樹生長狀態與分布

根據表3和圖4的古樹生長勢分布數據,全縣共調查了1 097株古樹,目前存活1 094株。在古樹生長勢分布方面,石頭咀鎮擁有最多的古樹數量,達到353株,占全縣古樹的32.18%。其中,318株古樹生長正常,20株古樹呈現衰弱狀態,14株古樹處于瀕危狀態,還有1株古樹已經死亡。數量排名第二的是雷家店鎮,調查到有190株古樹,占全縣古樹的17.32%。其中,171株古樹生長正常,15株古樹呈現衰弱狀態,3株古樹處于瀕危狀態,還有1株古樹已經死亡。第三位是草盤地鎮,共有173株古樹,占全縣古樹的15.77%。其中,147株古樹生長正常,19株古樹呈現衰弱狀態,6株古樹處于瀕危狀態,還有1株古樹已經死亡。除了前三個古樹數量最多的鎮外,其他鄉鎮和林場的古樹數量均不超過62株。全縣共有3株古樹死亡,分別分布在草盤地鎮、石頭咀鎮和雷家店鎮,而其他鄉鎮和國營林場則沒有統計在冊的死亡古樹。古樹數量最少的鎮是紅山鎮,僅有13株古樹;而古樹數量最少的林場是桃花沖林場,只有10株古樹。

表3 英山縣古樹生長勢分布(單位:株)Table 3 Growth potential and distribution locations of the old trees in Yingshan County (Unit: Plant)

圖4 英山縣古樹生長勢分布圖Figure 4 Distribution of old tree growth in Yingshan County

2.5.2 環境對古樹生長的影響

Spearman相關分析顯示(表4):英山縣古樹的生長環境因子中,坡向與坡度(R=0.133,P<0.01)以及坡向與環境條件(R=0.424,P<0.01)呈極顯著正相關。此外,坡向與古樹的生長勢也呈現顯著相關性(R=0.062,P<0.05)。然而,坡度與坡位之間存在極顯著的負相關關系(R=-0.085,P<0.01),而坡度與古樹生長勢的相關性不明顯。另外,坡位對古樹的生長勢和生長環境的影響較弱。同時,古樹的生長勢與古樹生長環境條件(如周邊建筑、人為干擾等)呈現顯著正相關(R=0.064,P<0.05)。

本研究進一步運用典范相關性分析了1 097株古樹的地形條件與古樹生長勢以及生長環境之間的相互關系,將地形、生長勢和生長環境作為兩組典范變量進行了分析,并探究了它們之間的關系。表5展示了相關結果,其中第一典型相關系數為0.433,第二典型相關系數為0.060。通過Bartlett的χ2檢驗,我們將零假設設定為典范相關系數為0。結果顯示,兩組之間只有第1行典范相關系數P=0,呈極顯著相關,具有統計學意義。而第二行P=0.136,>0.05,在5%的顯著性水平下不具有統計學意義,因此第二典型相關系數無顯著性。我們選取第1組的標準化典范系數,構建了以下變量方程:生長勢與生長環境的第一對典范變量(CV1-1)以及古樹所在位置的坡向、坡度和坡位的第一對典范變量(CV2-1)。

CV1-1=-0.063PO-0.994ENV;

CV2-1=-0.961PX-0.178PD+0.041PW。

這些典型變量說明了古樹生長勢和生長環境之間的關系:古樹的生長主要受到坡向的影響,而坡度對古樹的生長勢和生長環境的影響較弱;坡位對生長環境和古樹的生長勢影響不明顯。

表4 生長勢與生長環境相關性Table 4 Correlation between growth potential and growth environment

表5 典范相關系數檢驗Table 5 Canonical correlation test of groups

3 討論與結論

3.1 古樹資源與分布

點格局分布表明了多種尺度上古樹的聚集分布特征和更大尺度上向隨機分布和均勻分布轉化的特征。英山縣現存古樹數量較多,屬和種的數量較為豐富,但國家一級和二級保護植物物種數量較少,該現象與湖北全省的古樹調查結果一致[24];古樹保護等級的比例也與其他相關古樹研究相近[25]。草盤地鎮和石頭咀鎮位于縣域北部大別山區,森林環境較好。此外,宗教文化、傳統信仰和農耕文化與古樹之間存在緊密聯系。這種聯系成為民眾長期保護古樹的精神動力[8],影響著古樹分布特征,也成為這些鄉鎮古樹的數量較多且健康古樹比例較高的重要原因。

3.2 古樹生長與環境的關系

相關分析發現,坡向是對英山縣古樹生長勢影響最顯著的環境因子,而坡度和坡位的影響較弱。古樹的生長勢還受周圍環境條件的影響,特別是良好的森林環境對古樹的生長勢有促進作用。此外,人為干擾也會對古樹的生長勢產生影響。

因此,較低的人口密度和良好的森林環境有利于古樹的生長和保護。與此同時,在人口密度較高的地區,宗教文化、傳統信仰和農耕文化會促使人們長期保護古樹。由此可見,森林環境和人類活動對古樹的影響具有差異性,這決定了古樹保護應該具備策略差異性。

3.3 古樹保護建議

古樹分布與生長環境的差異性對古樹保護人員的專業性提出了需求[26]。針對英山縣古樹保護等級和分布特征,制定相關保護方案及措施。首先,根據古樹分布格局,構建以聚集分布為尺度的單元保護區域,并制定每木保護方案,實施養護和防護措施[27]。建立技術標準體系,規范古樹名木保護并加以推廣;建立每木二維碼數據庫,以便分析古樹名木的時空特征和進行信息管理[28]。其次,建立古樹名木生態保護補償標準,以加強財政支持力度[29]。最后,多渠道加強社會參與,提升全社會對古樹名木保護的意識。此外,探索古樹的生態、人文、地理、歷史、科研、旅游等多方面的價值,以古樹名木為依托,實施鄉村振興,為地方生態文明建設奠定基礎。