20世纪60年代未至70年代初，英国地球物理学家Lovelock和Margulis提出Gaia假说，从功能方面分析了全球生物对环境的反作用及全球生命系统与地球环境的协调(方精云，2000)。随着20世纪80年代以来景观生态学理论与应用研究的发展，对于森林景观格局特征、森林景观斑块、廊道、网络特征、景观水平规划与设计等研究进展很快。在森林对生态环境影响方面，近年来也进行了较系统的研究(唐守正，1998；王玉玲，1999)。从景观的角度，环境因子对森林景观格局的影响研究较多(常禹等，2003；张秋菊等，2003；张志等，2005)。空间异质性的解释，一般都是从环境变化角度去分析影响格局的根源。从大的时间尺度来看，森林景观的空间分异取决于环境因素，森林景观格局在不同的区域有不同的表现形式，在自然条件愈复杂的地区，愈表现出景观的多样性。但景观格局决定景观功能，不同的森林景观格局有不同的物质流过程，景观格局的动态变化通过控制水分、养分的生态过程，改变生态环境的功能(石辉等，2004)，因此，从小的时间尺度上，森林景观对环境存在一定的影响，在这方面尚须进一步研究。本文旨在揭示森林景观格局的环境响应规律，为客观地反映森林与环境的关系，实现森林资源与环境的协调和林业可持续发展提供依据。

1 研究区概况

西洞庭湖区主要包括常德市的桃源县、汉寿县、安乡县、澧县、临澧县、津市市及常德市区(包括鼎城、武陵)等地域。位于湖南省北部，长江中游荆江段南侧。从地势看，位于第二阶梯云贵高原、湘西山地向第三级阶梯洞庭湖平原过渡的交接地带，属于中亚热带湿润季风气候向北亚热带湿润气候过渡地带。气候温和、四季分明、热量丰富、雨量充沛。年平均气温16.7 ℃，年降水量1 346.5 mm，无霜期长达272 d。

研究区域总面积为1 421 962.05 hm²，森林景观归并为杉木类、松类、阔叶类、经济林、灌木类、柏木类、竹类和非林地等8种景观类型组成。非林地主要是指林地以外的耕地、牧草地、水域、未利用地和建设用地。类型组成以非林地为主，其面积为908 846.74 hm²，占景观总体面积的63.76%，其次依次为阔叶类、经济林类、松木类、杉木类、竹类、灌木类和柏木类，面积分别为140 466.9、122 848.5、91 210.5、69 878.1、51 913.4、36 744.8和53.1 hm²。面积比最小的为柏木类归并为松林。

2 数据处理与研究方法 2.1 景观格局数据的GIS处理

首先对西洞庭湖地区各县域的森林资源分布图，利用ArcGIS软件对其进行数字化，在此基础上，根据森林景观划分原则绘制出西洞庭湖区森林景观类型图，然后利用软件强大的统计分析和空间分析能力，对该区域的森林景观类型进行计算分析，获取的主要分析指标为：1) 斑块数；2) 斑块密度；3) 变动系数；4) 形状指数；5) 斑块边缘密度；6) 分维度；7) 优势度；8) 分离度；9) 多样性指数；10) 均匀度(傅伯杰等，2001; 郭晋平, 2001; 菅利荣等，2002；段春霞等，2004)。

2.2 评价与分析模型 2.2.1 层次分析模型

运用层次分析法对环境质量评价体系中的各个环境因子权重W=(w₁, w₂, …, w_m)进行赋值。指标重要性采用专家意见，经过对各种因素的反复对比，最后得出判断矩阵，由判断矩阵进行两个方面的工作：一是特征向量的计算，二是一致性检验。通过判断矩阵一致性，符合AHP要求，最后确定指标权重(孟林，1998)。

2.2.2 灰色关联度与多级灰关联识别模型

环境质量评价采用多级灰关联识别模型(刘年丰等，1999；王红莉等，2004)。主要步骤为：1)构建环境要素监测样本矩阵和标准等级矩阵，并归一化处理。建立矩阵时，原始监测数据要进行预处理，按照污染源差异判定数据分布特性，提取森林景观影响效果相关性强的数据，避免不良数据的干扰。2)按以下公式求算关联系数。

式中：l_i(a_j, b_t)表示关联系数，t为环境质量标准级别，Δ_max和Δ_min分别表示所有比较序列各个时刻绝对差中的最大值与最小值。因为比较序列相交，故一般取Δ_min=0；ρ称为分辨系数，其意义是削弱最大绝对差数值太大引起的失真，提高关联系数之间的差异显著性，ρ∈(0，1)，一般情况下可取0.1~0.5。3)进行差异度分析，根据以下公式求取灰色关联度和关联差异度。

式中： 为灰色关联度，w_i为环境因子权重, 为实测样本j与第t级质量标准间的关联差异度。4)根据如下公式计算监测样本与各级标准之间的灰色隶属度μ_jt和环境灰色综合指数GC(j)。

式中：为监测样本j在k标准序列的关联差异度。

同时采用灰色系统模型中的关联度分析(刘思峰等，2004)，即按以下公式计算环境综合指数与各景观类型的灰色关联度。

式中：l_op(x)为景观类型为x时区域o的环境质量指数与景观格局指数p的灰色关联系数。

2.2.3 环境对景观格局响应的通径分析

定量地研究森林景观格局的环境响应，关键是建立森林景观格局与环境因子的回归关系。通径分析是一种充分地考虑了变量因子间的因果关系的分析方法(刘来福等, 1984)。在通径分析中，通径系数表示自变量对因变量影响大小，可以有效地表示自变量分别对因变量的直接和间接影响(陈强，1996)。在本研究中，以计算出的森林景观指数为自变量，以环境质量综合指数为因变量，计算它们之间的通径系数，利用通径系数可定量地分析出森林景观的环境响应程度。

3 结果与分析 3.1 森林景观格局特征分析

森林景观格局指数是能够高度浓缩景观格局信息，反映结构组成和空间配置方面的定量指标。主要从景观类型组成结构、景观空间异质性方面反映西洞庭森林景观空间格局(郭晋平等, 2000；Forman，1995；Thomas et al., 1994；陈文波等，2005)。

由表 1、2可见，从森林景观破碎化程度来看，非林地的斑块形状最复杂，形状指数达74.720，分维度为1.380，主要由于其边缘形状延伸到其他各个景观要素中，居民点等地类零星分布所致；杉木类、松类形状复杂程度比较接近；灌木类变动系数最小，原因是灌木类斑块数少且分布均匀，破碎化程度低。从景观类型的差异性看，经济林类景观优势度最大，为27.935 7，其均匀度也相对较高，表明经济林类分布较集中；杉木类和松类景观优势度也较大，表明了在整体景观格局中占有一定优势，对景观格局影响大。

从区域来看，景观破碎化程度最大为桃源县，形状指数和分维度都是最大，分别为65.590和1.317，破碎化最小的为安乡县，主要由于该县域林地比例低，而在评价尺度上又把其他地类统一归并为非林地，造成了整体的破碎化程度低。景观最丰富，景观优势度较大，景观整体空间格局异质性最高的为桃源和澧县。

3.2 环境综合指数的计算 3.2.1 环境影响因子

环境系统按要素可分为大气环境、水环境、土壤环境和生态环境(贺庆棠，1999)。森林对保护和改善环境起着重要作用。研究表明：森林对生态环境产生较大的影响，可维护生态环境的物种和生物多样性，同时也体现在空气、水和土壤环境方面。对水环境的影响，主要表现在森林的水源涵养、水土保持功能上，通过根系和土壤截留和过滤影响水质变化，改变水资源供需平衡状态；对土壤的影响主要体现在森林的水土保持与水源涵养功能，避免了土地退化；对于大气环境，森林可净化空气(纪仁生，2000)。

根据森林对环境的作用，利用我国环境保护标准体系，执行统一的环境质量标准，避免评价的复杂性和模糊性，环境质量综合评价中的参数选择可从空气环境、水环境和土壤环境3个方面选取，不再考虑包含森林本身的生态环境要素。按照《环境空气质量标准》(GB3095-1996)、《地表水环境质量标准》(GBZB1-1999)、《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)和常德市环境质量监测的具体情况，共选取24个因子，并利用层次分析法(AHP)进行权重赋值，构建环境质量评价指标体系(表 3)。

3.2.2 环境质量综合指数

对水、气、土壤环境因子建立评价标准矩阵和实际监测数据矩阵。将矩阵中数值处理为[0, 1]区间值，然后将监测样本向量a_j作为母序列，相应的标准向量b_t作为子序列，求算关联系数。通过环境质量因子权重对关联系数的加权平均计算出关联度，并通过关联度计算出灰色关联差异度(表 4)，运用灰色模式识别模型，求得环境第j个样本对第t级要素的灰色从属度u_jt后，计算环境的灰色综合指数GC(j)(表 5)，对环境整体质量进行多要素综合评价。

3.3 森林景观格局的环境响应 3.3.1 森林景观格局对环境的影响因子

应用逐步多元回归分析方法，以斑块数(X₀₁)、变动系数(X₀₂)、形状系数(X₀₃)、斑块边缘密度(X₀₄)、分维度(X₀₅)、优势度(X₀₆)、斑块密度(X₀₇)、分离度(X₀₈)、多样性指数(X₀₉)和均匀度(X₁₀)与环境质量综合指数作多元回归，选取了变动系数、分维度、分离度、优势度和均匀度5个指标，斑块数、形状指数、斑块边缘密度、多样性指数和斑块密度被剔除，得到相关系数(表 6)和回归方程：

5个森林景观格局指数，高度浓缩了景观格局信息。变动系数、分离度和分维度反映了森林景观的空间分布的异质性，其中变动系数表达了森林景观的规模变异程度，分离度表达了类型的空间分异程度，分维度表达了景观的形状复杂性，均匀度和优势度反映了景观格局的组成要素的异质性，其中均匀度体现了人工干扰的程度，优势度表达了景观的主导类型，不同的主导景观类型体现了不同的生态学特性。

通过上述参与因子的通径分析, 剩余通径系数为0.191 67, 说明未研究的自变量和误差对因变量GC(j)的通径效应很小，决定系数=0.999 35，且统计检验在置信度95%的条件下都是显著的，说明已选出了主要的变量。将各自变量的直接作用和通过其他自变量对GC(j)的间接作用列表, 见表 7。

分别对区域内的阔叶类、经济林类、松木类、杉木类、竹类、灌木类和非林地等森林景观类型进行关联度分析，从各景观类型的格局因子与环境质量综合指数的灰色关联度(图 1)来看，通过比较灰色关联度的大小，所有景观类型存在着相同的不敏感因子，主要为斑块数(X₀₁)、形状系数(X₀₃)、斑块边缘密度(X₀₄)、斑块密度(X₀₇)、多样性指数(X₀₉)，基本上与区域森林景观对环境影响所剔除的因子一致，说明了如果不考虑因子对环境的正向和负向作用，各个森林景观中同一格局指数类型对环境影响的贡献是一致的。

3.3.2 环境对森林景观格局的直接响应

从图 2可以看出，环境对森林景观格局有着直接响应，体现了森林景观格局与空气、水及土壤环境之间的关系，说明了森林景观格局指数的变化对环境有一定的调控作用。从直接通径系数的绝对值大小来看，对环境质量综合指数的贡献率从大到小依次为均匀度、变动系数、分离度、分维度和优势度。均匀度指数贡献最大，说明了人类干扰程度在环境响应中处于首要地位。变动系数、分离度与分维度体现的是空间分布状态，通过空间分异达到环境影响因素的空间再分配，实现环境的直接响应，贡献率居中。环境对优势度的响应程度大小决定于森林景观中支配类型的性质，需要对支配景观类型的生态过程和动态作具体的分析，具有较大的变动性。本区域中非林地优势景观决定了优势度对环境响应的贡献率最小。

图 2和表 1表明，均匀度、分离度和分维度3个指标的相关系数和直接通径系数变化趋势一致，而优势度和变动系数的单相关系数与直接通径系数的变化趋势相反, 优势度的单相关系数为0.740 4，直接通径系数为-0.092 5，但优势度的总影响为0.397 8，变动系数的单相关系数为0.458 6，直接通径系数为-0.747 9，总影响也有0.525 1。变动系数和优势度对环境质量综合指数呈现负向贡献，主要是这2个因子反映了森林景观格局中存在着优势景观，而这种景观产生的是负向作用，究其原因，是因为在西洞庭湖区域的优势斑块为非林地，而所划分的非林地包含了农牧生态用地和城镇建设用地2种不同性质的类型。

剩余通径系数为0.191 67, 说明了影响环境的其他因子的存在，如地形地貌、地方气候、水系格局等(张秋菊等，2003)。

3.3.3 环境对森林景观格局的间接响应

从图 3可以看出，森林景观格局的环境响应不只是直接的，还通过其他因子产生间接响应。环境响应作用最大的森林景观格局指数为变动系数，间接通径系数为1.273 0，然后依次为分维度、分离度、优势度和均匀度，变动系数产生的间接影响通过均匀度产生的效果最大，间接通径系数为0.823 2。从景观格局指数类型来看，变动系数、分维度和分离度为空间异质性指数，而优势度和均匀度为景观类型组成结构指数，所分析出的各个景观格局指数间接响应大小，凸显了影响环境的森林景观格局指数的空间再分配的间接特性。

森林景观格局指数中，变动系数和均匀度对环境的影响起着显著的桥梁作用，通过变动系数和均匀度的间接影响最大，通径系数分别为-2.223 0和2.325 3，然后依次为分离度、分维度、优势度，分别为0.537 1、0.335 7和0.276 4。通过变动系数对环境产生的间接影响是负向的，主要原因是变动系数对其他景观格局因子的作用是负向的。

4 结论与讨论

1) 在环境对森林景观格局响应研究中，通径系数表示了直接和间接两层含义，说明了森林景观格局的环境响应不完全是直接的作用，有时是通过其他因子间接产生作用。通径系数之间的比较，表示了森林景观格局指数对环境的直接贡献率大小。通径系数指标反映了环境对森林景观格局直接和间接响应的程度。可以说，通径分析为森林景观格局的环境响应研究提供了一条有效途径。

2) 环境对森林景观格局的响应是结构改变功能的结果，体现了森林景观格局与空气、水及土壤环境之间的关系，说明了森林景观格局变化对环境质量有一定的调控作用。

3) 森林景观格局对环境产生着直接影响，但各个景观格局指数所产生的影响有大有小，直接通径系数最大的达到1.050 5，影响的大小顺序为：均匀度＞变动系数＞分离度＞分维度＞优势度。从均匀度的生态学意义可以看出，人类干扰程度在环境响应中处于首要地位。

4) 环境对森林景观格局存在着间接响应。环境间接响应作用最大的森林景观格局指数为变动系数，然后依次为分维度、分离度、优势度和均匀度，各个指数产生的间接作用主要通过其他指标来体现。变动系数、分维度、分离度等空间异质性指数的环境间接响应作用最大，凸显了森林景观格局的环境响应存在着空间再分配的间接特性。

5) 从通径分析中的剩余通径系数来看，除了森林景观格局对环境产生作用外，同时还有其他因素的影响，由于没有进一步的生态过程分析，存在着影响机理的不明确性。

6) 森林景观格局指数能够高度浓缩景观格局信息，反映了景观异质性和空间配置，但无法具体反映出对环境产生正向作用和负向作用的景观要素比例，不同的区域必须对评估模型参数作相应调整，存在着评价的局限性和相对性。