英山县古树资源及其空间分布特征

王晓, 李小雨, 吴静, 付翠林, 汪洋

(湖北生态工程职业技术学院 园林建工学院,湖北武汉430200)

古树是珍贵的自然和文化遗产,也是区域生物多样性的重要组成,具有重要的社会、文化和生态价值[1]。因此,古树具有科研、历史、社会、文化和景观等多元价值特征[2]。同时,由于古树有长久的自然生活史,是研究古代地理、气候、植物区系和物种种源的重要载体[3]。

古树由于生长年代长,相比于普通林木,其形态结构及生理功能在自然生长中,由于风折、雪压、雷击、病虫害,以及人为因素的不利影响必然会出现生理和生长的衰退,生存机制比壮年林木脆弱,对环境资源的依赖程度增强[4]。“对重要生态系统和物种资源实施强制性保护,切实保护珍稀濒危野生动植物、古树名木及自然生境”已经成为国家生态文明战略构成[5]。

古树分布特征提供了有关历史气候事件和文化价值的重要信息,现有古树分布研究对生物多样性和文化遗产元素的保护至关重要[6]。研究发现,除农业种植、植物个体、风水林、宗教与宗祠、开发与迁移等文化要素以及乡土风俗、村规民约和经济价值等因素外[7],人口密度、立地条件、土层地质也影响古树的分布特征[1],居住民俗可对古树树种在微生境的分布产生深刻的影响[8]。因此,古树的分布与农业种植、立地条件、土层地质、乡土风俗、经济价值和开发迁移等因素密切相关。这些因素共同作用,形成了古树整体的空间分布格局[9]。

从空间分布格局入手,可充分利用空间分布来分析古树密度的变化,量化古树的衰减和空间差异,为现代森林管理、保护计划和生态修复项目提供更精准的科学信息[10]。随着信息技术日趋成熟,ArcGIS等空间分析技术逐步应用于古树名木数据库的建设[11]。英国学者利用ArcGIS技术鉴别、定位和分类古树,并分析了古树的数量、密度和多样性,以及与环境因子的关系[12];通过校准空间数据,建立了预测国家和地区古树数量、密度和多样性,以及与环境因子关系的最佳模型,为古树保护规划提供了信息[13]。同时,维护和扩展古树数据库也已成为学界关注的焦点[12],但古树分布研究仍需要进一步加强,以便更好地促进古树的保护[6]。

英山县已经启动了古树名木的保护工作,并在对全县的古树名木进行全面普查的基础上建立了古树名木的电子档案。然而,与湖北省全省古树资源保护研究相似[14],英山县的古树资源研究仍处于数据采集和保护的初级阶段。古树的整体空间分布及与环境因素和人类活动的关系仍不明确。因此,本研究旨在系统分析英山县古树资源的状况、数量特征、空间分布、健康状况以及影响因素,以期为该地的古树资源保护和管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

英山县位于湖北东部黄冈市,东经115°3′153″—116°4′2″,北纬30°31′00″—31°8′58″,大别山南麓。全县东西宽43 km,南北长约70 km,总面积1 449 km2。东与安徽省岳西、太湖交界;南与蕲春、浠水接壤;西与罗田相邻,北与安徽省金寨、霍山毗连,是鄂豫皖三省边界的腹地。英山县辖8个镇和3个乡,全境以中低山为主,素有“八山一水一分田”之说。全县最高点海拔1 729 m,最低点船形垸海拔90 m,高差1 639 m,平均坡度17°。

图1 英山县行政区位及古树分布示意Figure 1 Administrative location of Yingshan County and distribution of old trees in Yingshan County

英山县位于长江中下游北亚热带湿润季风气候区。气候温暖湿润,雨量充沛,四季分明。全县气温随海拔高度递减,存在明显垂直差异。年平均气温16.4 ℃,1月平均气温3.6 ℃,7月平均气温28.5 ℃。极端最低气温-13.5 ℃,最高温度42.0 ℃。全年无霜期平均241 d。年平均降水量为1 403 mm,70%降水集中在4—8月。年平均日照时数为1 966.1 h。土壤母质以花岗片麻岩为主,黄棕壤占总面积的86.97%。全境拥有172种乔木树种、236种灌木物种,其中25种为国家二级以上保护树种。

1.2 调查研究方法

1.2.1 调查方法

2016—2018年,参照全国古树名木普查技术规范[15],以英山县十一个乡镇和三个国营林场为基本单元,采用访谈法、文献追踪法、实地勘测法和类比推断法,依据前期普查资料、文献、史料、传说以及生长发育特性,调查英山全县古树树种、树龄、树高、胸径、地理坐标、立地条件、古树重要特征、生长环境状况、古树责任管护人员和具体保护措施,并推定了古树树龄[16]。2021年,我们对前期古树调查数据进行了抽查复核,抽查率为23.5%。

1.2.2 古树分布网络构建

根据shape文件,利用ArcGIS生成英山县各乡镇边界的DEM地貌图,将古树分布具体坐标赋值插入DEM。为统计不同尺度下古树空间分布格局,建立0.05°×0.05°的经纬网格[17]和5 km×5 km投影网格,以便统计对应网格古树数量。将网格作为一个独立研究单元,统计实际落入到不同网格内古树数量[18]。

1.2.3 点格局分析

双相关函数g(r)能较为敏感地判断某一尺度上点的实际分布与期望值的偏差程度,排除计算过程产生的累积效应[19],利用g(r)函数对英山县古树进行点格局分析[20],函数为:

用Monte Carlo法检验分布格局的显著性,随机模拟99次,上下包迹线置信区间99%。

1.2.4 数据处理分析

根据光照条件,以数字从大到小直观将坡向和坡位数据进行分级,坡向分为8级,坡位4级[21]。采用一维比较法,将地形因子不同类型数据转化为直接反映地形个因子的本质特征[22],标准化公式如下:

Y=1-0.9×(Vmax-V)/(Vmax-Vmin)

式中,V表示实测地形的赋值,Vmax表示地形因子最大值,Vmin表示地形因子最小值,采用上述公式进行标准化处理,得到0.1～1的区间值,区间值无单位或者量纲。

应用IBM SPSS Statistics 22对古树生长势与生长环境进行Spearman相关分析和典范相关分析。采用Weibull函数对古树结构特征进行回归拟合。参考《中国植物志》[23]给古树定名。

2 结果与分析

2.1 古树树种分类

在英山县的调查中,共发现了1 097株古树,它们隶属于22科36属50种(见表1)。其中,被子植物占18科28属40种,裸子植物占4科7属9种。在这50种树种中,马尾松(Pinusmassoniana)的株数最多,共有287株,相对多度占比为26.16%。其次是黄山松(Pinustaiwanensis)占13.40%、枫香树(Liquidambarformosana)占12.67%和樟(Cinnamomumcamphora)占10.03%。前四个种类在数量上占据了总个体数量的62.26%。同时,还有9科12属14种的树种仅存1株。

从属的角度来看,英山县的古树中涵盖了35个属。其中,冬青属(Ilex)是最常见的属,占据了所有古树种类的7.84%。其次是栎属(Quercus)占5.88%、槭属(Acer)占5.88%和松属(Pinus)占5.88%。女贞属(Ligustrum)、朴属(Celtis)和榆属(Ulmus)均占据3.92%。前7个属共计占据了古树物种的37.25%。

在科的层面上,分布最广的5个科分别是榆科(Ulmaceae)占11.76%、壳斗科(Fagaceae)占11.76%、松科(Pinaceae)占9.80%、豆科(Leguminosae)占9.80%和冬青科(Aquifoliaceae)占7.84%。这些科共计占据了50.98%的古树物种。

根据《国家重点保护野生植物名录》,在这些古树中,银杏(Ginkgobiloba)属于国家一级保护野生植物(IUCN:CR极危),大别山五针松(Pinusdabeshanensis)属于国家一级保护野生植物(IUCN:EN濒危)。香果树(Emmenopteryshenryi)和金钱松(Pseudolarixamabilis)属于国家二级保护野生植物(IUCN:UV易危)。黄檀(Dalbergiahupeana)则属于非国家重点保护植物,被评定为近危种(IUCN:NT近危)。

表1 英山县古树树种分类统计(单位:株)Table 1 Taxonomic statistics of old trees of Yingshan County (Unit: Plant)

2.2 古树网格分布分析

基于DEM网格,建立地理坐标和投影坐标下的古树数量分布网格图。在地理坐标网格中(见图2左侧),单个网格面积为26.426 km2,覆盖了全县面积的79个网格。古树数量在每个网格中分布范围为0～104株,其中71个网格中存在古树,平均每个网格分布14.247株,标准差为20.346。有8个网格中没有古树分布,占总网格数的10.13%。分布有1～10株古树的网格数为34个,占总网格数的43.04%;分布有11～20株古树的网格数为23个,占总网格数的29.11%;分布有21～31株的网格为3个,占总网格数的3.80%;分布有31株以上古树的网格为9个,占总网格数的11.39%。

在投影坐标网格中(见图2右侧),全县面积覆盖了88个网格,单个网格面积为25.000 km2。古树数量在每个网格中分布范围为0～111株,其中69个网格中存在古树,每个网格平均分布12.906株,标准差为20.918。有14个网格中没有古树分布,占总网格数的15.91%。分布有1～10株古树的网格数为41个,占总网格数的46.59%;分布有11～20株古树的网格数为20个,占总网格数的22.73%;分布有21～30株古树的网格为2个,占总网格数的2.27%;分布有31株以上古树的网格为10个,占总网格数的12.50%。

通过DEM网格分布分析可以得知,在县域范围内,东北部地区的古树数量较多,而西南部地区的古树数量较少。相对而言,高海拔区域的古树数量较多,低海拔区域的古树数量较少。

图2 基于DEM的英山县古树分布网格Figure 2 Distribution grid of the old trees in Yingshan County based on DEM

2.3 古树点格局分析

英山县的古树点格局分布见图3。在0～1 km尺度上,古树点呈现聚集分布;在1～1.5 km尺度上,从随机分布转变为聚集分布;而在2～13 km尺度上,古树点仍然呈现聚集分布。不同区域的古树数量和种类存在明显差异,集群分布成为古树个体分布的主要方式。当尺度约为11 km时,点格局呈现随机分布;而在12～13 km尺度上,古树点再次呈现聚集分布;在14 km尺度及以上,古树点的分布呈现均匀分布。通过地理坐标和投影坐标DEM网格的分析,发现仅在5 km和5.141 km尺度上能解释英山县古树水平分布的格局。通过结合点格局,可以得到不同分布格局转化的趋势。

2.4 古树分布及生长状况

表2的数据显示,石头咀镇是英山县拥有古树最多的乡镇,共有353株古树。其中,一级古树数量为6株,二级古树数量为18株,三级古树数量为329株。在各个级别中,石头咀镇的古树数量均居首位。其次是雷家店镇,该镇拥有190株古树,其中一级古树有1株,二级古树有8株,三级古树有181株。相比之下,红山镇的古树数量较少,仅有13株。其中,二级古树有2株,三级古树有11株,这是全县古树最少的乡镇。此外,在吴家山等3个林场中,吴家山林场拥有43株古树,其中一级古树和二级古树各仅有1株,三级古树有41株。

桃花冲林场和五峰山林场只有三级古树,分别为10株和11株。综合全县范围来看,一级古树占全部古树数量的1.73%,二级古树占全部古树数量的4.74%,而三级古树占全部古树数量的93.53%。由此可见,一级和二级古树的数量明显偏少。

图3 英山县古树点格局分析Figure 3 Point pattern analysis of old trees in Yingshan County

表2 英山县古树基本情况(单位:株)Table 2 General information of the old trees in Yingshan County (Unit: Plant)

2.5 古树生长与环境分析

2.5.1 古树生长状态与分布

根据表3和图4的古树生长势分布数据,全县共调查了1 097株古树,目前存活1 094株。在古树生长势分布方面,石头咀镇拥有最多的古树数量,达到353株,占全县古树的32.18%。其中,318株古树生长正常,20株古树呈现衰弱状态,14株古树处于濒危状态,还有1株古树已经死亡。数量排名第二的是雷家店镇,调查到有190株古树,占全县古树的17.32%。其中,171株古树生长正常,15株古树呈现衰弱状态,3株古树处于濒危状态,还有1株古树已经死亡。第三位是草盘地镇,共有173株古树,占全县古树的15.77%。其中,147株古树生长正常,19株古树呈现衰弱状态,6株古树处于濒危状态,还有1株古树已经死亡。除了前三个古树数量最多的镇外,其他乡镇和林场的古树数量均不超过62株。全县共有3株古树死亡,分别分布在草盘地镇、石头咀镇和雷家店镇,而其他乡镇和国营林场则没有统计在册的死亡古树。古树数量最少的镇是红山镇,仅有13株古树;而古树数量最少的林场是桃花冲林场,只有10株古树。

表3 英山县古树生长势分布(单位:株)Table 3 Growth potential and distribution locations of the old trees in Yingshan County (Unit: Plant)

图4 英山县古树生长势分布图Figure 4 Distribution of old tree growth in Yingshan County

2.5.2 环境对古树生长的影响

Spearman相关分析显示(表4):英山县古树的生长环境因子中,坡向与坡度(R=0.133,P<0.01)以及坡向与环境条件(R=0.424,P<0.01)呈极显著正相关。此外,坡向与古树的生长势也呈现显著相关性(R=0.062,P<0.05)。然而,坡度与坡位之间存在极显著的负相关关系(R=-0.085,P<0.01),而坡度与古树生长势的相关性不明显。另外,坡位对古树的生长势和生长环境的影响较弱。同时,古树的生长势与古树生长环境条件(如周边建筑、人为干扰等)呈现显著正相关(R=0.064,P<0.05)。

本研究进一步运用典范相关性分析了1 097株古树的地形条件与古树生长势以及生长环境之间的相互关系,将地形、生长势和生长环境作为两组典范变量进行了分析,并探究了它们之间的关系。表5展示了相关结果,其中第一典型相关系数为0.433,第二典型相关系数为0.060。通过Bartlett的χ2检验,我们将零假设设定为典范相关系数为0。结果显示,两组之间只有第1行典范相关系数P=0,呈极显著相关,具有统计学意义。而第二行P=0.136,>0.05,在5%的显著性水平下不具有统计学意义,因此第二典型相关系数无显著性。我们选取第1组的标准化典范系数,构建了以下变量方程:生长势与生长环境的第一对典范变量(CV1-1)以及古树所在位置的坡向、坡度和坡位的第一对典范变量(CV2-1)。

CV1-1=-0.063PO-0.994ENV;

CV2-1=-0.961PX-0.178PD+0.041PW。

这些典型变量说明了古树生长势和生长环境之间的关系:古树的生长主要受到坡向的影响,而坡度对古树的生长势和生长环境的影响较弱;坡位对生长环境和古树的生长势影响不明显。

表4 生长势与生长环境相关性Table 4 Correlation between growth potential and growth environment

表5 典范相关系数检验Table 5 Canonical correlation test of groups

3 讨论与结论

3.1 古树资源与分布

点格局分布表明了多种尺度上古树的聚集分布特征和更大尺度上向随机分布和均匀分布转化的特征。英山县现存古树数量较多,属和种的数量较为丰富,但国家一级和二级保护植物物种数量较少,该现象与湖北全省的古树调查结果一致[24];古树保护等级的比例也与其他相关古树研究相近[25]。草盘地镇和石头咀镇位于县域北部大别山区,森林环境较好。此外,宗教文化、传统信仰和农耕文化与古树之间存在紧密联系。这种联系成为民众长期保护古树的精神动力[8],影响着古树分布特征,也成为这些乡镇古树的数量较多且健康古树比例较高的重要原因。

3.2 古树生长与环境的关系

相关分析发现,坡向是对英山县古树生长势影响最显著的环境因子,而坡度和坡位的影响较弱。古树的生长势还受周围环境条件的影响,特别是良好的森林环境对古树的生长势有促进作用。此外,人为干扰也会对古树的生长势产生影响。

因此,较低的人口密度和良好的森林环境有利于古树的生长和保护。与此同时,在人口密度较高的地区,宗教文化、传统信仰和农耕文化会促使人们长期保护古树。由此可见,森林环境和人类活动对古树的影响具有差异性,这决定了古树保护应该具备策略差异性。

3.3 古树保护建议

古树分布与生长环境的差异性对古树保护人员的专业性提出了需求[26]。针对英山县古树保护等级和分布特征,制定相关保护方案及措施。首先,根据古树分布格局,构建以聚集分布为尺度的单元保护区域,并制定每木保护方案,实施养护和防护措施[27]。建立技术标准体系,规范古树名木保护并加以推广;建立每木二维码数据库,以便分析古树名木的时空特征和进行信息管理[28]。其次,建立古树名木生态保护补偿标准,以加强财政支持力度[29]。最后,多渠道加强社会参与,提升全社会对古树名木保护的意识。此外,探索古树的生态、人文、地理、历史、科研、旅游等多方面的价值,以古树名木为依托,实施乡村振兴,为地方生态文明建设奠定基础。