大面積人工園林種植區(qū)生態(tài)連接度研究——以瀾滄縣為例

謝鵬飛，趙筱青，張龍飛

(云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091)

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大面積人工園林種植區(qū)生態(tài)連接度研究
——以瀾滄縣為例

謝鵬飛，趙筱青*，張龍飛

(云南大學(xué) 資源環(huán)境與地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650091)

采用障礙影響指數(shù)(BEI)和生態(tài)連接度指數(shù)(ECI)，利用最小累積阻力模型(MCR)，對大規(guī)模人工園林種植區(qū)瀾滄縣的生態(tài)連接度進行分析，結(jié)果表明：(1)瀾滄縣整體生態(tài)環(huán)境受到人類活動的干擾較小，ECI低等級的地類面積僅占5.40%，ECI中等級的地類面積占18.25%，ECI高等級以上的地類面積占76.35%，且ECI在空間分布上呈明顯的過度性；(2)自然林在ECI2級上所占比例較大且與ECI1和ECI3的差值也大，說明瀾滄縣自然林斑塊中存在一定的“孤島”現(xiàn)象；(3)絕大多數(shù)人工園林分布于高ECI等級區(qū)域，但瀾滄縣西南區(qū)域的大片林種結(jié)構(gòu)單一的人工林斑塊，實際上對生態(tài)連接度造成了一定的影響。瀾滄縣總體生態(tài)連接度水平較高，避免形成以人工園林斑塊和公路網(wǎng)為主的包圍態(tài)勢，將是提高生態(tài)連接度的有效途徑。

生態(tài)連接度；大面積人工園林種植區(qū)；瀾滄縣

0 引言

景觀生態(tài)學(xué)自20世紀(jì)80年代形成以來，重點關(guān)注地理空間景觀格局與不同尺度生態(tài)過程間的相互交叉作用[1]，生態(tài)連接度是其重點研究內(nèi)容之一。生態(tài)連接度常用于描述不同景觀斑塊在物質(zhì)、能量、物種的流動遷移以及生態(tài)結(jié)構(gòu)、過程、功能間的有機聯(lián)系，是反映景觀功能和景觀破碎化程度的一個重要指標(biāo)[1-3]。因此，生態(tài)連接度分析對指導(dǎo)區(qū)域景觀格局規(guī)劃、生物多樣性保護等有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)連接度的理論體系、計量方法、評價指標(biāo)以及生態(tài)連接度與景觀格局功能的關(guān)系進行了大量研究[3-6]，取得了一系列成果，特別在生物遷徙擴散等生態(tài)過程的描述[7]、城市景觀生態(tài)規(guī)劃[8]、生物多樣性保護[9]、景觀生態(tài)安全格局劃分[10]等領(lǐng)域。但在當(dāng)前國內(nèi)外研究中，應(yīng)用生態(tài)連接度來分析大面積人工園林種植區(qū)域的生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能較為少見。因此，本文以云南省瀾滄縣為例，運用MCR模型，分析瀾滄縣大面積人工園林種植對區(qū)域生態(tài)連接度的影響，為區(qū)域生物多樣性保護、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的關(guān)系提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

瀾滄縣位于云南省西南部普洱市境內(nèi)，地處東經(jīng)99°29′～100°35′、北緯22°01′～23°16′，全縣總面積8 807 km2，為云南省第二大縣，毗鄰緬甸，全縣以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動為主。地勢西北高、東南低，屬南亞熱帶夏濕冬干山地季風(fēng)氣候；雨量充沛，日照充足，干雨季分明，適宜甘蔗、茶葉、橡膠、咖啡、南藥、水果等經(jīng)濟作物生長。瀾滄縣自2003年以來大規(guī)模引種桉樹等人工園林，截止到2010年種植有桉樹、橡膠人工園林超過32 750 hm2，占全縣總面積的3.72%，人工桉樹林分布在研究區(qū)各個部分，以中部地區(qū)相對較為集中。同時，瀾滄縣還擁有大片的思茅松林即針葉林，主要分布于瀾滄縣北部、中部及西南區(qū)域，總面積超過2.7×104hm2。

圖1 瀾滄縣區(qū)位示意圖Fig.1 Location of Lancang County

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

以瀾滄縣2010年TM遙感影像圖為基礎(chǔ)，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T2010～2007)，結(jié)合研究區(qū)土地利用的特點和研究目的，將用地類型劃分成13類，包括：建制鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點用地、道路交通用地、水田、旱地、茶園、闊葉林、灌木林、針葉林、桉樹林、橡膠園、自然保留地以及水域。遙感解譯是在實地考察，并參考《瀾滄縣土地利用總體規(guī)劃(2010～2020)》數(shù)據(jù)庫中的基期地類圖斑、瀾滄縣林相圖、Google Earth軟件第18級別以上衛(wèi)星圖片等的基礎(chǔ)上，建立解譯標(biāo)志，在ENVI4.8中采用決策樹分類法進行分類。受遙感影像分辨率的限制，農(nóng)村居民點用地以《總規(guī)》數(shù)據(jù)庫中的分類結(jié)果替代；桉樹林及橡膠林則根據(jù)收集的種植圖斑數(shù)據(jù)進行空間替換。除桉樹、橡膠及農(nóng)村居民點用地外，其他各類用地樣本的模板精度均超過85%(采用特征空間分類原則)，符合分類要求。

2 研究方法

瀾滄縣生態(tài)連接度評價是基于最小累積阻力模型(MCR)[8]，首先劃分研究區(qū)主要人工障礙類型源，根據(jù)土地利用類型劃分研究區(qū)景觀基質(zhì)阻力面，依據(jù)MCR模型得到障礙影響指數(shù)(BEI)[11]。然后以研究區(qū)主要生態(tài)功能區(qū)為源，以BEI為阻力面，再次采用MCR模型得到瀾滄縣生態(tài)連接度指數(shù)(ECI)[6]，具體過程如下。

圖2 技術(shù)路線Fig.2 Technology road map

2.1 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型(MCR)是指從“源”出發(fā)經(jīng)過不同基質(zhì)阻力面所耗費的最小累積阻力值，它是一種“加權(quán)距離(Cost Distance)”，反映了源、景觀基質(zhì)特征以及距離3個方面的因素[12]，是對景觀結(jié)構(gòu)與功能聯(lián)系程度的度量表達。MCR模型基本公式如下：

式中：f表示空間任意點的最小阻力值與其到所有源的距離和景觀基質(zhì)特征的正相關(guān)關(guān)系；Dij表示從源j出發(fā)穿過阻力面到達任意點i的距離；Ri表示空間點i到最近源的阻力值[13]。

2.2 障礙影響指數(shù)(BEI)

障礙影響指數(shù)(Barrier Effect Index)，是指不同的人工建設(shè)用地對區(qū)域景觀斑塊間連接性的影響程度。根據(jù)Kaule等人的研究成果，某一特定人工障礙物產(chǎn)生的影響將隨著距離的增加呈對數(shù)規(guī)律降低[11]。具體計算公式如下：

YSi=bs-ks1×ln(ks2×(bs-dsi)+1)

(1)

(2)

式(1)中：YSi表示第i個像元到s種障礙物產(chǎn)生的障礙效應(yīng)；bs表示第s種障礙物的權(quán)重值；ks1、ks2表示為將不同障礙類型指數(shù)的遞減對數(shù)曲線調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)曲線時的形態(tài)調(diào)整系數(shù)；dsi表示景觀基質(zhì)阻力面(表3)中第i個像元到第s類障礙類型源(表2)的最小耗費距離值；式(2)中BEIi表示第i個像元的障礙影響指數(shù)。

2.3 生態(tài)連接度指數(shù)(ECI)

生態(tài)連接度(Ecological Connectivity Index)是描述不同景觀斑塊在物質(zhì)、能量、物種的流動遷移以及生態(tài)結(jié)構(gòu)、過程、功能間的有機聯(lián)系，是反映景觀功能和景觀破碎化程度的指標(biāo)。以區(qū)域生態(tài)功能分區(qū)斑塊為“源”(源Ⅱ)，BEI為阻力面計算生態(tài)連接度，具體計算方法參考相關(guān)研究[6，14]，其模型表達如下：

(3)

(4)

式(3)中：dri表示上述BEI阻力面中第i個像元到第R類生態(tài)功能區(qū)(表1)的最小耗費距離；di表示各個像元到所有生態(tài)功能區(qū)的總耗費距離；式(4)中ECIi表示第i個像元的生態(tài)連接度指數(shù)；dmax、dmin表示像元到各生態(tài)功能區(qū)總耗費距離di中的最大值和最小值。

3 結(jié)果與分析

3.1 “源”及“阻力面”的劃分結(jié)果

3.1.1 障礙類型的劃分——“源Ⅰ”

障礙類型源主要是指造成區(qū)域景觀格局破碎化、干擾生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量流動的景觀斑塊。

因此瀾滄縣主要障礙類型為人工建制鎮(zhèn)用地、公路用地、農(nóng)村居民點用地。參考瀾滄縣土地利用現(xiàn)狀，結(jié)合有關(guān)人工障礙用地劃分研究[6]，確定瀾滄縣主要障礙源及其權(quán)重值。

表1 瀾滄縣主要障礙類型及其權(quán)重——“源Ⅰ”Tab.1 Basic barrier type and its weight coefficient in Lancang Country

注：ks1、ks2表示將不同障礙類型指數(shù)的遞減對數(shù)曲線調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)函數(shù)曲線時的形態(tài)調(diào)整系數(shù).

3.1.2 生態(tài)功能區(qū)——“源Ⅱ”

生態(tài)功能區(qū)的劃分是生態(tài)系統(tǒng)研究以及生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)，體現(xiàn)區(qū)域環(huán)境現(xiàn)狀，包括自然條件、經(jīng)濟發(fā)展需求等。本文依據(jù)瀾滄縣土地利用現(xiàn)狀，以連接成片、生態(tài)功能相似的原則，確定瀾滄縣土地利用生態(tài)功能分區(qū)，其最小面積限制參考相關(guān)研究[6，14，16，17]。瀾滄縣由于大規(guī)模種植桉樹、橡膠、思茅松林等人工經(jīng)濟園林，其中桉樹、橡膠為外來樹種，思茅松林為本地樹種，為了研究方便，本文將它們單獨劃作一類生態(tài)用地區(qū)(表2)。

3.1.3 景觀基質(zhì)及其阻力值——“阻力面”

為了確定公式(1)中dsi值，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果[3，6，11，14]，并結(jié)合瀾滄縣實際土地利用現(xiàn)狀圖，將研究區(qū)用途相似的地類合并成建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地、自然林、人工經(jīng)濟園林、自然未利用地、水體等6種景觀基質(zhì)類型，以確定MCR模型的阻力面。其中d反映了障礙源能對此6種景觀基質(zhì)類型產(chǎn)生影響的最大距離，阻力值Z=100/d。

表2 瀾滄縣生態(tài)功能區(qū)劃分——“源Ⅱ”Tab.2 Ecological function areas of Lancang Country hm2

表3 瀾滄縣景觀基質(zhì)阻力Tab.3 Landscape matrix and its resistance value in Lancang Country

3.2 人工建設(shè)用地障礙影響指數(shù)分析

以表1中S1-S3為障礙源、表3為基礎(chǔ)劃分阻力面，經(jīng)ArcGIS成本距離制圖工具，得到瀾滄縣2010年人工建設(shè)用地障礙影響指數(shù)的空間分布，并將其以等距離重分成0～10個等級(圖3左)。

圖3中，瀾滄縣障礙影響指數(shù)低的區(qū)域多分布于該縣邊界地區(qū)，高障礙影響指數(shù)的區(qū)域多分布于縣境北部、中部等建設(shè)用地集中的區(qū)域，以及主要公路沿線兩側(cè)。整體上瀾滄縣障礙影響指數(shù)并不高，但縣境內(nèi)部低BEI地區(qū)有被公路用地、建制鎮(zhèn)用地所包圍的趨勢，存在一定程度的人為干擾威脅，繼續(xù)發(fā)展將不利于區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)在空間上的聯(lián)系。

3.3 生態(tài)連接度分析

以礙影響指數(shù)(BEI)空間分局結(jié)果為“阻力面”，以生態(tài)功能區(qū)為“源”(表2)，再次采用MCR模型，結(jié)合公式(3)、(4)，并等距重分成1～5個級別，得到瀾滄縣ECI分布結(jié)果(圖3右)。

瀾滄縣生態(tài)連接度較高，ECI處于高連接性以上的總面積超過了76%。高連接性和極高連接性面積分別占43.50%和32.85%；連接性較低的面積不超過6%，中連接性區(qū)域面積超過18%，說明瀾滄縣高生態(tài)連接度與低生態(tài)連接度之間存在明顯的過度。瀾滄縣生態(tài)連接度高的區(qū)域主要分布于縣城周邊以及中部區(qū)域，低連接性地區(qū)主要分布于縣城北部、中部、西南以及東南部分地區(qū)。其中西南部現(xiàn)狀用地主要是針葉林，林種結(jié)構(gòu)單一、與其他生態(tài)區(qū)相對較孤立，同時受公路以及外來桉樹、橡膠園的隔絕效應(yīng)影響，生態(tài)連接度較低；而其他低連接性區(qū)域則主要是受人工建設(shè)用地的影響，中連接性區(qū)域則大多沿公路線分布。各用地類型的ECI組成比例見表5。

表4 瀾滄縣ECI分級統(tǒng)計Tab.4 ECI classification statistics of Lancang County

表5 不同用地類型在ECI上的比例Tab.5 The distribution of land use on the ECI %

從表5可以看出，瀾滄縣建設(shè)用地集中分布于ECI1和ECI3級上，其中ECI1級上主要為建制鎮(zhèn)用地，公路主要分布在ECI2-3級上，農(nóng)村居民點用地則主要分布于ECI3-4級；除建設(shè)用以外的其他用地類型則主要分布于ECI3-5級。雖然自然林、人工園林等地類自身在低ECI等級上的比例很小但實際面積很大：ECI1級上人工園林最多，其次為建設(shè)用地，這與瀾滄縣建設(shè)用地分布不集中和面積相對較小存在一定的關(guān)系。可以看出：

第一，建設(shè)用地集中分布于ECI1級上，是影響區(qū)域生態(tài)連接度的主要地類。

第二，自然林在ECI3級以上的分布均占優(yōu)勢，說明自然林是瀾滄縣主要的生態(tài)用地類型，事實上它也是面積最大的地類，對促進瀾滄縣生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量等的流通，以及生態(tài)功能的正常發(fā)揮將起到至關(guān)重要的作用。

第三，自然林在ECI2級上所占比例與ECI1和ECI3的差值均較大，也說明瀾滄縣自然林斑塊中存在一定的“生態(tài)孤島”現(xiàn)象。

第四，對比自然林，人工園林相對在各ECI級上有均較大分布，說明人工園林在一定程度上既能阻礙區(qū)域生態(tài)連接又能促進區(qū)域生態(tài)連接。由于瀾滄縣人工園林存在本地樹種(思茅松林)和外來樹種(桉樹、橡膠園)，因此本研究中人工園林對區(qū)域生態(tài)連接度的影響需要進一步分析。

3.4 大面積人工園林種植對區(qū)域生態(tài)連接度的影響

瀾滄縣自2003年開始大面積引種外來桉樹、橡膠等經(jīng)濟樹種，面積超過30 hm2的連片種植區(qū)主要分布于瀾滄縣中部偏西及偏西南的區(qū)域。同時，瀾滄縣還擁有大片的人工思茅松林即針葉林，主要分布于瀾滄縣北部、中部及西南區(qū)域。桉樹林、橡膠園及針葉林在各ECI等級面上的分布比例及其面積如下。

圖4 人工園林在ECI上的分布Fig.4 The distribution of Artificial forest on ECI

瀾滄縣人工園林主要分布于ECI3-5級，其中桉樹有超過82%分布ECI4級以上；橡膠園則相對更集中，有超過55%分布于ECI4上；針葉林有43%處于ECI4級，有30.18%處于ECI5級。凈面積上看，針葉林在ECI1-5上都占據(jù)對優(yōu)勢，這與其總面積基數(shù)大有關(guān)。單從人工園林ECI分布結(jié)構(gòu)來看，人工園林并沒有對區(qū)域生態(tài)連接造成較大的影響。但實際上，低連接和中度連接度的人工園林主要分布于瀾滄縣西南地區(qū)和東部地區(qū)，高連接性的人工園林則主要分布于瀾滄縣中部地區(qū)和北部邊境區(qū)域。我們以瀾滄縣西南區(qū)域的人工園林空間分布(圖5)，結(jié)合瀾滄縣西南區(qū)域ECI空間分布結(jié)果，分析人工園林種植對區(qū)域生態(tài)連接度的影響。

圖5 瀾滄縣西南區(qū)域人工園林及ECI空間分布示意圖Fig.5 Artificial forest and ECI in southwest regional of Lancang County

以圖中間的公路為界，公路西南方生態(tài)連接度低而東北方連接度相對較高。對比發(fā)現(xiàn)，東北區(qū)域雖然存在公路網(wǎng)的半包圍態(tài)勢，但留有一定的與北方大片自然林區(qū)溝通的廊道，相對更為開闊，且其中還包括有大量的闊葉林等其他林地類型，林種結(jié)構(gòu)更趨合理；而西南地區(qū)以針葉林為主體，自然林種結(jié)構(gòu)較為單一，又有以桉樹、橡膠園、公路網(wǎng)為主的包圍趨勢，實際上隔離了此部分針葉林的外界聯(lián)系，使這部分針葉林被迫成為“孤島”，從而使該區(qū)域生態(tài)連接度大幅降低。因此，公路網(wǎng)對區(qū)域生態(tài)連接度的影響是最主要的；其次，對比圖5的結(jié)果也可以看出，桉樹、橡膠等外來經(jīng)濟樹種的引種，實質(zhì)上對區(qū)域生態(tài)連接也造成了一定的影響；最后，雖然研究區(qū)的針葉林主要為思茅松林，屬于本地樹種，但是大面積的針葉林斑塊導(dǎo)致林種結(jié)構(gòu)單一，也不利于區(qū)域生態(tài)連接度的提高。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

(1)瀾滄縣共識別出6大生態(tài)功能區(qū)，面積超過70×104hm2，占研究區(qū)總面積的81.71%。其中自然林區(qū)占生態(tài)功能區(qū)總面積的51.28%，說明瀾滄縣以自然林為主，人工園林占功能區(qū)總面積的32.14%，且近幾年增加速度快，人工干擾影響逐步顯露出來。

(2)瀾滄縣有超過90%的面積BEI指數(shù)較低，說明瀾滄縣人工建筑用地對區(qū)域景觀生態(tài)格局的干擾較小。但同時注意到瀾滄縣西南地區(qū)的BCI等級較低，分析表明是人工園林和道路網(wǎng)的聯(lián)合阻隔作用對區(qū)域生態(tài)連接度造成了一定程度的影響。在今后的人工園林規(guī)劃中應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)外來經(jīng)濟樹種的圈層包圍態(tài)勢、并避免出現(xiàn)過大的單一人工園林景觀斑塊，劃出一定寬度的流通廊道將有利于區(qū)域生態(tài)連接度的提高。

(3)瀾滄縣ECI<2的區(qū)域總面積不超過6%，ECI>4的區(qū)域面積超過了76%，ECI=3的區(qū)域面積僅有18.25%，說明瀾滄縣各生態(tài)功能區(qū)之間的連接存在明顯過度。生態(tài)連接度高的區(qū)域主要分布于縣域周邊以及中部區(qū)域，低連接性地區(qū)主要分布與縣區(qū)北部、中部、西南以及東南部分地區(qū)，中連接性區(qū)域則大多沿公路線分布。說明改善公路網(wǎng)布局以及控制建設(shè)用地的擴張，對提高瀾滄縣生態(tài)功能區(qū)之間的物質(zhì)能量流通、提高生態(tài)鏈接度、保護生物多樣性將有積極作用。

4.2 討論

本文采用最小累積阻力模型，以瀾滄縣為研究區(qū)，分析大面積人工園林種植后對區(qū)域生態(tài)連接度的影響。同時，以往的研究中，生態(tài)連接度多用于研究城市空間景觀格局的連接性[3，6，8，18]，沒有考慮大范圍區(qū)域的景觀空間生態(tài)連接度問題。而且以往的對人工園林種植區(qū)的研究，特別是外來桉樹、橡膠園等種植區(qū)，多考慮種植所引起的土壤理化性質(zhì)變化問題[19，20]，并未考慮種植區(qū)對整個生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量、基因等的干擾作用。

論文所采用的生態(tài)連接度計算方法是基于滲透理論、圖論理論[21，22]，雖然能模擬區(qū)域生態(tài)環(huán)境中物質(zhì)能量的流通難易程度，能對區(qū)域生態(tài)連接度做一個大體分析，但是可靠性仍然不能跟基于實驗數(shù)據(jù)的實地連接度測量方法相比。本研究中，從生態(tài)連接的角度來看，瀾滄縣生態(tài)連接度較好，說明人工林種植對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量等的阻隔作用并不明顯，但是本文不能說明它們本身對周圍水土、生物多樣等造成影響與否，特別是作為外來樹種的桉樹，其對土壤理化性質(zhì)的作用仍是有待考證的問題。下一步將根據(jù)實測數(shù)據(jù)，進行更深入的研究以驗證計算過程中所用的權(quán)重參數(shù)，提高生態(tài)連接度研究的精度。

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ECOLOGICAL CONNECTIVITY OF LARGE SCALE ARTIFICIAL FOREST PLANTING AREA——TAKE LANCANG COUNTY AS AN EXAMPLE

XIE Peng-fei，ZHAO Xiao-qing，ZHANG Long-fei

(SchoolofResourceEnvironmentandEarthScience，YunnanUniversity，Kunming650091，Yunnan，China)

Taking the Ecological Connectivity Index(BEI)and the Barrier Effect Index(ECI)，combined with the Minimum Cumulative Resistance(MCR)model，analysis the ecological connectivity after large scale artificial forest has been plant in LanCang county.The results shows that：(1)Overall，the ecological environment of LanCang county is less influenced by the human activities，low level of ECI area accounted for 5.40%，the medium level of ECI area accounted for 18.25%，high level or even more higher of ECI area account for 76.35%，and presents the obvious transitional in space；(2)Natural forests in a large proportion of ECI2 level，and have big difference value with ECI1 and ECI3，shows that Natural forest patches exist “ecological island” phenomenon；(3)The vast majority of artificial economic forest are located in high level of ECI area，but the southwest of LanCang county，the large artificial forest with single forest structure had caused a certain impact to the ecological connectivity.The ecological connectivity levels of LanCang county is higher，and to avoid the surround trend which formed by the artificial forest patches and the road network，will be an effective way to improve the ecological connectivity.

Ecological Connectivity Index；large scale artificial forest planting area；Lancang County

2015-04-20；

2015-07-10．

*通信作者.趙筱青(1969-)，女，白族，云南大理人，教授，博士，研究方向為土地利用環(huán)境效應(yīng)與土地利用優(yōu)化.

S718.55

A

1001-7852(2015)04-0071-08