基于3S技術(shù)的生態(tài)景觀變化對(duì)春尺蠖時(shí)空分布的影響
——以克拉瑪依市開發(fā)區(qū)為例

孫 倩，阿地力·沙塔爾，孫 晶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】春尺蠖是西北地區(qū)林業(yè)最重要的害蟲之一，在新疆地區(qū)為害尤其嚴(yán)重[1]。其危害特點(diǎn)是發(fā)生期短，幼蟲發(fā)育快，食量大，常暴食成災(zāi)，剛發(fā)芽的榆樹、楊柳以及桑、沙棗、蘋果、梨、核桃等多種林果樹木都會(huì)被春尺蠖蠶食[2-3]。而正因?yàn)槠渚哂屑闹鞣N類多、發(fā)生早、易局部暴發(fā)成災(zāi)等特點(diǎn)，導(dǎo)致多種林果樹木受害程度越來越嚴(yán)重，進(jìn)一步造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)l(fā)沙塵暴、熱島效應(yīng)等氣候?yàn)?zāi)害[4-5]。遙感(Remote Sensing，RS)技術(shù)可為作物和林果病蟲害防治提供大范圍周期性的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)[6-9]，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空間顯示和查詢，用于影響種群動(dòng)態(tài)的因子分析、可視化種群時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬等，而全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)技術(shù)則可以在采集害蟲空間分析上用于收集數(shù)據(jù)、生態(tài)調(diào)查、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和提供目標(biāo)地物的地理坐標(biāo)[10]。無疑，3S集成技術(shù)在森林病蟲害監(jiān)測(cè)、種群空間分布、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和模擬工作中，具有非常有效的發(fā)展方向，并且發(fā)揮著越來越重要的作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】由于春尺蠖個(gè)體小，難以通過遙感直接監(jiān)測(cè)，但是國(guó)內(nèi)外大量研究表明春尺蠖羽化的發(fā)生與氣候、土壤、植被等因子有著密切關(guān)系，且農(nóng)業(yè)景觀格局對(duì)影響害蟲種群動(dòng)態(tài)和群落組成有顯著的影響[11-13]。多年來，國(guó)內(nèi)外采用了多種傳統(tǒng)而經(jīng)典的技術(shù)方法對(duì)春尺蠖進(jìn)行了多方面的研究，針對(duì)春尺蠖的各蟲態(tài)的形態(tài)特征、生活史、性比等數(shù)據(jù)的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)特性的研究已經(jīng)非常成熟[14]，而對(duì)春尺蠖預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、空間動(dòng)態(tài)分布方面的探討也深入而全面[15]，而農(nóng)業(yè)景觀中不同生境界面對(duì)其他蟲害的影響以及有了相應(yīng)探討[16]?；谶@些經(jīng)典研究，利用3S技術(shù)在病蟲害的空間分布，間接因素的解譯，種群的監(jiān)測(cè)等諸多方面都形成了成熟的技術(shù)和方法，論證了無論宏觀大尺度還是局部尺度的遙感數(shù)據(jù)，都對(duì)春尺蠖危害的遙感監(jiān)測(cè)局域良好的適用性[17-18]，從生態(tài)意義上說，鄰近作物分布格局對(duì)馬鈴薯甲蟲的生態(tài)調(diào)控具有顯著作用[19]。而GIS技術(shù)與RS技術(shù)的結(jié)合，已經(jīng)在很多種類的病蟲害上進(jìn)行的嘗試性的應(yīng)用，尤其是廣泛的應(yīng)用在區(qū)域性害蟲的空間分析方面，例如棉鈴蟲、褐飛虱、蚜蟲、春尺蠖等[20-22]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本文利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，輔以多年克拉瑪依開發(fā)區(qū)春尺蠖的蟲口密度、越冬蛹基數(shù)、防治效率等野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)手段，分析研究區(qū)生態(tài)景觀格局變化對(duì)春尺蠖分布特征的影響和作用。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究為研究區(qū)生態(tài)景觀格局的調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)，從而進(jìn)行春尺蠖種群的生態(tài)控制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以克拉瑪依市開發(fā)區(qū)為研究區(qū)，克拉瑪依市地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，屬典型的溫帶大陸性氣候。寒暑差異懸殊，干燥少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水主要集中在冬夏兩季，春秋季風(fēng)多，冬夏溫差大[23]。研究區(qū)高程為 268～288 m，坡度為 0.26 %，累年平均氣溫為8.6 ℃。全年日照以7月份為最多，達(dá)302.5 h，12月份為最少，僅99.8 h。年平均降水量為108.9 mm，蒸發(fā)量為2692.1 mm。累計(jì)平均大風(fēng)日數(shù)為64.5 d，夏季炎熱日(≥35 ℃)年平均為27.6 d，無霜期232.3 d(圖1,見封三)。

1.2 數(shù)據(jù)源及方法

該研究采用了多種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)源及其試驗(yàn)方法如下所示：①選用克拉瑪依市2014年4月，2015年4月，2016年4月Landsat 8-OLI數(shù)據(jù)，其分辨率均為30 m；完成遙感影像數(shù)據(jù)的校正、鑲嵌、裁剪等預(yù)處理工作。②克拉瑪依市及克拉瑪依開發(fā)區(qū)行政邊界區(qū)劃圖；該邊界來自《中華人民共和國(guó)省級(jí)行政單位系列圖之新疆維吾爾自治區(qū)地圖》，比例尺為1︰400萬，以及開發(fā)區(qū)平面規(guī)劃圖，完成地圖的數(shù)字化。③選取多個(gè)蟲口密度較大、以楊樹為主要寄主樹種的標(biāo)準(zhǔn)地。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對(duì)角線隨機(jī)選取20株寄主樹作為調(diào)查樣樹，記錄各蟲態(tài)出現(xiàn)的時(shí)間、春尺蠖蟲口密度、越冬蛹發(fā)生基數(shù)等數(shù)據(jù)。

本研究所采用的主要研究方法有：①生態(tài)景觀指數(shù)的計(jì)算；在景觀水平和類型水平兩個(gè)角度，選取能反映景觀異質(zhì)性特征的景觀指數(shù)，進(jìn)行春尺蠖發(fā)生區(qū)域的生態(tài)景觀研究。本文所選用的景觀指數(shù)有景觀類型水平的總面積(TA)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)、總邊界長(zhǎng)度(TE)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、景觀類型水平的總面積(CA)、面積百分比(PLAND)、斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀破碎度指數(shù)(LCI)等。其景觀格局變化特征指數(shù)的生態(tài)意義及取值范圍如表1所示。②春尺蠖的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；春尺蠖1年發(fā)生一代，以蛹在樹冠下 10～30 cm土壤中越夏、越冬。翌年 早春，當(dāng)日平均氣溫達(dá) 1 ℃以上，10 cm 地溫達(dá) 0 ℃以上，亦即土壤開始解凍之時(shí)，成蟲開始羽化，羽化成蟲當(dāng)天晚上或第二天晚上交配產(chǎn)卵。5月上、中旬老熟幼蟲入土化蛹越夏、越冬。鑒于春尺蠖的以上特性，野外調(diào)研的時(shí)間集中在3-5月，在研究區(qū)遙感信息解譯結(jié)合實(shí)地考察，選取蟲口密度較大、以楊樹和榆樹為主要寄主樹種的標(biāo)準(zhǔn)地。在研究區(qū)內(nèi)大面積林地區(qū)域內(nèi)每 33.33～66.67 hm2地設(shè)置一塊面積為2001～3335 m2的臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地，其中主要寄主樹種不少于100株。而護(hù)田林網(wǎng)及路旁綠化樹木可按鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別設(shè)置一個(gè)網(wǎng)眼或一條街、路、堤作為臨時(shí)標(biāo)準(zhǔn)地，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按對(duì)角線或“Z”字型或隔幾株選一株的方法每快標(biāo)準(zhǔn)地 選取10株寄主樹作為調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)樹。在標(biāo)準(zhǔn)樹樹干基部為中心，樹冠冠幅為半徑的圈內(nèi)，選擇東南西北4個(gè)方向共調(diào)查10株，挖扇形樣坑(樣坑大小根據(jù)樹冠大小來確定)，調(diào)查樣坑不同深度(即 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm)的蛹密度，統(tǒng)計(jì)健康蛹數(shù)、死亡蛹個(gè)數(shù)。③生態(tài)景觀格局指數(shù)與春尺蠖蛹發(fā)生基數(shù)的相關(guān)性分析；相關(guān)分析是為了說明現(xiàn)象之間存在的某種依存關(guān)系，以及探討其相關(guān)方向和相關(guān)程度，是研究隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)方法。在分析變量之間相關(guān)程度時(shí)常采用此統(tǒng)計(jì)分析方法。

表1 景觀格局變化特征值指數(shù)介紹

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)景觀時(shí)空分布特征

區(qū)域景觀格局是揭示區(qū)域土地利用/覆被狀況及空間變異特征的有效手段。同時(shí)，景觀格局研究也是景觀生態(tài)學(xué)的基礎(chǔ)性核心研究領(lǐng)域之一。以景觀幾何特征為基礎(chǔ)的景觀格局分析可以有效地反映LUCC的空間格局[23]。從景觀生態(tài)學(xué)的角度定量分析景觀指數(shù)的變化，從而研究土地利用/土地覆被的時(shí)空變化規(guī)律。關(guān)于景觀空間格局分析，已有許多數(shù)量方法[24]。

為了能將區(qū)域景觀變化與蟲口密度等的調(diào)研時(shí)間緊密結(jié)合，采用的遙感數(shù)據(jù)均為4-5月之間的數(shù)據(jù)。將實(shí)地考察和遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，基于區(qū)域生態(tài)景觀格局的信息解譯，為后期生態(tài)景觀的綜合分析打下了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(圖2,見封三)。

所選Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的時(shí)間均在每年的4-5月之間，避免云層信息的干擾，也確保生態(tài)景觀分析的時(shí)間與春尺蠖實(shí)地考察數(shù)據(jù)收集的時(shí)間相互匹配。對(duì)克拉瑪依市開發(fā)區(qū)進(jìn)行信息解譯，春尺蠖均分布在林地區(qū)域中。在研究區(qū)北部，林地景觀有明顯降低趨勢(shì)，且在2015年林地景觀分布非常分散，在研究區(qū)北緯45度周邊區(qū)域內(nèi)林地景觀相對(duì)充沛，同時(shí)，在研究區(qū)南部林地景觀分布分成分散，在水資源附件林地景觀尤為廣泛?；诹值鼐坝^的時(shí)空分布特征，本研究的春尺蠖數(shù)據(jù)的樣本區(qū)也需要集中于林地景觀分布廣泛的范圍內(nèi)。

2.2 春尺蠖時(shí)空分布特征

在林業(yè)景觀分布廣泛的區(qū)域，結(jié)合實(shí)地野外考察，設(shè)立12個(gè)樣本區(qū)，時(shí)間集中在3-5月，選取蟲口密度較大、以楊樹和榆樹為主要寄主樹種的標(biāo)準(zhǔn)地。3年來，春尺蠖越冬蛹發(fā)生程度，以及越冬蛹基數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

從圖4可以看出，3年以來，每個(gè)采樣點(diǎn)的春尺蠖越冬蛹的基數(shù)變化各不相同，但是在研究區(qū)整體而言，越冬蛹基數(shù)總數(shù)從2014年的95.65，降低到2015年的70.8，持續(xù)降低到2016年的53.9。其中許多采樣點(diǎn)春尺蠖越冬蛹基數(shù)均發(fā)生了顯著降低，如點(diǎn)1在2014年春尺蠖越冬蛹越冬蛹基數(shù)為17，2015年降低到8.3，2016年低至4；點(diǎn)2在3年之間從15降低到了5，這也表征著研究區(qū)北部，除了點(diǎn)12，其他所有采樣點(diǎn)范圍內(nèi)的春尺蠖越冬蛹基數(shù)均有顯著增加；在北緯45度帶附近區(qū)域中，采樣點(diǎn)5、6和7均在3年內(nèi)呈現(xiàn)春尺蠖越冬蛹基數(shù)顯著增加的特征，而采樣點(diǎn)10呈現(xiàn)了緩慢逐年增加的趨勢(shì)，采樣點(diǎn)11 3年中春尺蠖越冬蛹基數(shù)數(shù)據(jù)變化微弱，相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 3年間采樣點(diǎn)和春尺蠖越冬蛹蛹基數(shù)時(shí)空分布

2014年研究區(qū)南部，除了采樣點(diǎn)6的春尺蠖越冬蛹發(fā)生程度為重度，采樣點(diǎn)5為中度外，其他所有采樣點(diǎn)的越冬蛹發(fā)生程度為均為輕度，研究區(qū)北部采樣點(diǎn)12春尺蠖發(fā)生程度為輕度，其他均為重度。2015年越冬蛹發(fā)生程度有顯著好轉(zhuǎn)，重度采樣點(diǎn)只有2個(gè)，中度采樣點(diǎn)4個(gè)，其余均為輕度采樣點(diǎn)；到2016年，除1個(gè)重點(diǎn)采樣點(diǎn)和1個(gè)中度采樣點(diǎn)外，春尺蠖越冬蛹發(fā)生程度普遍為輕度。

2.3 景觀水平生態(tài)格局變化對(duì)春尺蠖時(shí)空分布的影響

春尺蠖野外監(jiān)測(cè)采樣點(diǎn)均布設(shè)在林地區(qū)域，但是其他各類地物的變更也會(huì)對(duì)林地景觀產(chǎn)生格局變化上的驅(qū)動(dòng)和影響，鑒于此，對(duì)研究區(qū)從景觀水平和類型水平角度，分析研究區(qū)內(nèi)景觀格局特征值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從景觀格局水平來看，斑塊數(shù)(NP)在2015年有明顯的增加，而2014與2016年斑塊數(shù)差距不大，斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、斑塊形狀指數(shù)(LSI)和香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)也同樣具有先顯著增加，后顯著降低的變化特征；但總邊界長(zhǎng)度(TE)和聚集度(AI)恰恰相反，呈現(xiàn)了先增加后減低的特征；而香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)卻呈現(xiàn)出穩(wěn)步增加的趨勢(shì)。

圖4 2014-2016年春尺蠖越冬蛹基數(shù)空間分布

表2 研究區(qū)景觀格局變化特征值

從類型水平角度，林地景觀的面積呈現(xiàn)略微增加后又略微降低的趨勢(shì)，但林地總邊界長(zhǎng)度(TE)在2015年明顯增加，高達(dá)10 583 280，說明林地景觀在2015年分布分散，斑塊數(shù)(NP)、最大斑塊指數(shù)(LPI)均在3年間先降低后增加，斑塊形狀指數(shù)(LSI)和景觀破碎度指數(shù)(LCI)與之相反，呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì)；邊緣密度(ED)和總邊界長(zhǎng)度(TE)表現(xiàn)出穩(wěn)步增加趨勢(shì)。其他各類地物的景觀指數(shù)也有不同的變化，其中，除耕地和荒漠外，其他所有景觀的NP值均呈現(xiàn)顯著降低趨勢(shì)，水體景觀的CA、NP、ED、TE、LCI均具有明顯降低趨勢(shì)，難以利用的山體、荒漠和其他等生態(tài)景觀，ED、TE、LCI等指數(shù)都具有降低特征(表3)。

2.4 生態(tài)景觀對(duì)春尺蠖空間分布的影響

春尺蠖越冬蛹基數(shù)的變化受到的林地環(huán)境的直接影響，選取林地景觀指數(shù)變化顯著的NP、LSI和LCI，分析林地景觀對(duì)春尺蠖時(shí)空分布的影響。同時(shí)，各類地物的時(shí)空變化對(duì)林地斑塊的分布也具有驅(qū)動(dòng)作用，從而間接的對(duì)春尺蠖時(shí)空分布產(chǎn)生影響，鑒于此，選出林地斑塊變化趨勢(shì)明顯的生態(tài)景觀指標(biāo)與春尺蠖的蟲口密度和越冬蛹基數(shù)進(jìn)行相互關(guān)系的分析(圖5)。

表3 研究區(qū)斑塊類型水平上的景觀格局指數(shù)

圖5 林地生態(tài)景觀指數(shù)與春尺蠖蟲口密度和越冬蛹基數(shù)的關(guān)系

林地生態(tài)景觀指數(shù)與蟲口密度、越冬蛹基數(shù)的相關(guān)性可以看出，蟲口密度與越冬蛹基數(shù)與斑塊數(shù)(NP)、景觀破碎度指數(shù)(LCI)的變化規(guī)律吻合度非常高，都呈現(xiàn)出二者逐步降低的趨勢(shì)。林地景觀分布的斑塊數(shù)量越多，其破碎度指數(shù)越高，對(duì)春尺蠖蟲口分布具有促進(jìn)作用，也說明林地聚集度越高，分散程度降低對(duì)春尺蠖的空間分布具有一定抑制作用，彼此之間此消彼長(zhǎng)，相互促進(jìn)或遏制。證明林地景觀的破碎化能有效地干擾和破壞春尺蠖生存的必需環(huán)境條件，而其他地物類型景觀的變化也對(duì)林地景觀格局變化的驅(qū)動(dòng)影響較大。

斑塊形狀指數(shù)(LSI)對(duì)蟲口密度與越冬蛹基數(shù)具有微弱的正面作用，尤其2015年到2016年，該促進(jìn)作用較為顯著，但2014年到2015年之間，蟲口密度與越冬蛹基數(shù)急劇下降，斑塊形狀指數(shù)(LSI)變化相對(duì)微弱，斑塊形狀指數(shù)對(duì)春尺蠖的空間分布影響作用并不顯著。也因此可以說明，斑塊周長(zhǎng)對(duì)春尺蠖驅(qū)動(dòng)影響微弱，而斑塊面積對(duì)其驅(qū)動(dòng)影響相對(duì)較大。斑塊越復(fù)雜，連續(xù)性和整體性越弱，對(duì)制約春尺蠖的空間分布越具有積極作用。

3 結(jié) 論

該研究在克拉瑪依市開發(fā)區(qū)進(jìn)行樣本分析，獲取了春尺蠖的蟲口密度、越冬蛹基數(shù)、防治效率等野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，分析了研究區(qū)生態(tài)景觀格局變化對(duì)春尺蠖分布特征的影響和作用，得到以下結(jié)論。

(1)在研究區(qū)北部，林地景觀有明顯降低趨勢(shì)，且在2015年林地景觀分布非常分散，從生態(tài)景觀的類型水平角度而言，春尺蠖分布在林地集中的區(qū)域，在水資源附件林地景觀尤為廣泛，主要在北緯45度帶附近和東經(jīng)84度帶。

(2)采樣點(diǎn)大多均在3年內(nèi)呈現(xiàn)春尺蠖越冬蛹基數(shù)降低的特征，但采樣點(diǎn)11 3年中春尺蠖越冬蛹基數(shù)數(shù)據(jù)變化微弱，相對(duì)穩(wěn)定；越冬蛹基數(shù)總數(shù)從2014年的95.65，持續(xù)降低到2016年的53.9；春尺蠖越冬蛹基數(shù)均有顯著增加；在北緯45度帶附近區(qū)域中，春尺蠖越冬蛹基數(shù)數(shù)據(jù)變化微弱。

(3)從類型水平角度，林地景觀的面積呈現(xiàn)略微增加后又略微降低的趨勢(shì)，但林地總邊界長(zhǎng)度(TE)在2015年明顯增加，林地景觀在2015年分布分散，破碎度較高。

(4)蟲口密度與越冬蛹基數(shù)與斑塊數(shù)(NP)、景觀破碎度指數(shù)(LCI)的變化規(guī)律吻合度非常高，都呈現(xiàn)出二者逐步降低的趨勢(shì)。林地景觀的破碎化是能有效地干擾和破壞春尺蠖生存的必需環(huán)境條件，斑塊連續(xù)性和整體性越弱，對(duì)遏制春尺蠖的空間分布越具有的積極作用。