巴伐利亚森林干扰动态：基于冠层覆盖损失与形态学图像处理的破碎化过程识别新方法

《Ecological Indicators》：Forest disturbance dynamics in Bavaria: A novel approach for identifying fragmentation processes based on canopy cover loss and morphological image processing

　　

巴伐利亚森林干扰动态：基于冠层覆盖损失（Forest Canopy Cover Loss, FCCL）与形态学图像处理（Morphological Image Processing, MIP）的破碎化过程识别新方法。共同发生的破碎化过程驱动了持续的景观重构。森林边缘的破碎化导致最小斑块数量增加了168%。核心森林的二分（bisection）促使森林斑块数量增加。过程比较表明，内部间隙具有更稳定的周长。穿孔（perforation）覆盖了最大面积，而周长区域相对受影响最严重。

森林干扰是森林生态系统功能的重要组成部分，但近年来气候变化导致干旱、害虫暴发和风暴等大规模干扰事件显著增加，进而引发森林破碎化。在德国，2017年9月至2025年7月间有924,000公顷森林冠层损失；巴伐利亚作为德国面积最大且森林覆盖率最高的联邦州，挪威云杉（Picea abies）约占森林面积的38%，受干扰影响尤为严重。然而，现有破碎化研究多采用聚合性景观指标，难以捕捉局部空间过程。因此，研究人员提出了一种基于FCCL与MIP的新方法，旨在识别和分析空间显式的破碎化过程。该方法能够量化干扰对核心、边缘及周边区域的影响，评估不同森林区域对干扰的敏感性，识别特定破碎化过程及其发展路径，并为后续空间统计建模提供基础。研究结果表明，共同发生的破碎化过程正驱动巴伐利亚森林景观持续重构，这对理解中欧森林动态具有重要参考价值。

为开展研究，研究人员使用了公开的FCCL产品（由Thonfeld等人开发），该产品基于Sentinel-2和Landsat-8/9地表反射率影像，通过归一化差异植被指数（NDVI）、缨帽变换分量及干扰指数（DI）检测2017年9月至2025年7月间10米分辨率的月尺度冠层损失。研究中采用MIP，利用二值形态学膨胀与腐蚀操作，基于欧氏距离阈值（s=100米为基线，s=50、150米用于敏感性分析）划分核心、边缘、外周长和穿孔周长，并区分Forest（含核心像素）与Islet（无核心像素）。将FCCL矢量多边形与2017年MIP分类结果求交，根据像素组成定义周长损失、收缩、穿孔和二分四种互斥的破碎化过程。所有计算在莱布尼茨超级计算中心的“terrabyte”集群上完成。

### 3.1 MIP分类与时间序列
通过对比2017年与2025年的MIP分类结果，基线情景（s=100米）下Forest面积从2,405,397公顷减少至2,229,130公顷，降幅达7.3%；核心面积减少约513,430公顷，占Forest总面积比例从51%降至32%；边缘面积增加，穿孔周长面积从约48,000公顷增至89,000公顷，相对比例从1.6%增至3.8%，绝对面积增加85%。同时，Forest斑块数量减少12.62%（从10,788个降至9,427个），而Islet斑块数量增加167.9%（从62,968个增至168,703个）。

### 3.2 MIP空间分布
基于行政区（Landkreis）的空间分析显示，核心损失遍布全州，但以Main-Spessart、Kronach和Regen区最为强烈。Main-Spessart损失超过18,000公顷核心，Kronach损失约82%核心，Regen损失约56%核心；共有20个行政区的核心森林损失或转型超过50%。边缘增加区域与核心损失趋势相似，Main-Spessart边缘增加13,276公顷。周长（外周长与穿孔周长总和）在全州所有行政区均呈增加趋势。Donau-Ries区斑块数量从470个增至10,091个，增加2041%。

### 3.3 MIP类别转换
转移矩阵分析显示，Forest中92.5%的面积在2017至2025年间保持Forest类型，1.8%转为Islet，5.7%变为非森林。在Forest内部，周长类别向非森林的转换率最高（7.3%），其次为边缘（6.3%）、核心（5.2%）和穿孔周长（4.9%）。核心中58%保持不变，33.7%转为边缘；Islet中周长类向非森林转换率为7.5%，穿孔周长转为外周长比例达12.4%，明显高于Forest中的5.4%。

### 3.4 破碎化过程
#### 3.4.1 边缘深度敏感性
通过比较s=50、100、150米三种情景，发现破碎化过程识别对边缘宽度存在敏感性。随着s增加，Islet斑块及相应过程增多，Forest斑块减少。其中二分对s最敏感，过程识别趋向于从二分转为收缩；周长损失和穿孔的稳健性最高，主要受斑块大小分类影响。

#### 3.4.2 破碎化过程动态与发展
对每个FCCL簇的初始丢失像素和最终过程分析表明，穿孔是森林（Forest）中最常见的破碎化过程，约占60%的簇；周长损失次之，约占24%，其中86%为外部周长损失。Islet中周长损失占约58%的簇，但收缩过程覆盖了约75%的总面积。初始丢失在Forest边缘像素最多（约37%），核心和周长分别约占32%和26%。

#### 3.4.3 FCCL簇的时间与空间发展
针对二分簇的子簇动态分析表明，最大的二分簇始于研究期初，四个簇面积超过500公顷，25个簇超过100公顷，最大簇近1,250公顷。年度新形成的二分簇数量在2018年达到峰值，随后下降，但累计二分面积持续增加。子簇平均数量在2021年后持续下降，而2025年二分面积中被子簇占据的分数不断增加，表明二分簇通过子簇扩张和合并逐渐形成。

#### 3.4.4 破碎化过程空间分布
从面积看，穿孔覆盖了Forest中FCCL总面积的43%，为最大比例；二分占39.2%，收缩占16%，周长损失占1.8%。Kronach区二分面积最大（11,690公顷），Passau次之（5,243公顷）；穿孔在Regen区面积最大（2,133公顷）；收缩在Passau区最大（1,159公顷）；周长损失在Ansbach区最大（约99公顷）。南部阿尔卑斯边境的云杉林区受穿孔影响相对较小。

讨论部分指出，穿孔虽然常被视为短暂间隙，但在巴伐利亚有部分穿孔平均面积达0.18公顷，超过0.1公顷的推荐阈值，可能演变为持续的内部边缘。外围周长是向非森林和Islet转换最频繁的类别，直接导致最小斑块数量激增。二分是多个小规模过程扩张和合并的累积结果，代表破碎化的高级阶段，会严重破坏核心栖息地连通性。预存间隙的穿孔周长比外部周长更稳定，可能是由于成熟边界已适应内部微气候。研究未追踪单个簇的完整轨迹，未来需结合物种组成、地形、管理和恢复动态开展进一步研究。

研究结论翻译：干扰驱动的破碎化过程共同改变了巴伐利亚的森林景观。本研究基于形态学图像处理（MIP）分类与森林冠层覆盖损失（FCCL）数据的相交，提出了一种新方法，共划分出762,602个独立的FCCL簇，并采用50–150米的边缘深度梯度进行了敏感性分析。核心森林面积下降，边缘面积增加并成为主导类别。穿孔是森林中最常见的破碎化过程，33.7%的森林核心因穿孔转为边缘；周长损失可能导致了Islet斑块数量增加167.9%，而二分过程则与Forest斑块数量减少12.62%相关。干扰簇具有随时间扩张和合并的趋势，部分冠层损失可能超出空间阈值，形成持续的内部边缘，最终使巴伐利亚森林景观日益由边缘主导且更加破碎化。