西雙版納天然林喪失時空變化及其景觀生態(tài)響應(yīng)

彭 燕,史正濤,何 麗,沈 潤,徐 瑞,陳越豪

(云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,昆明 650500)

天然林是森林資源的主體和精華,是自然界中群落最穩(wěn)定、生物多樣性最豐富的陸地生態(tài)系統(tǒng)[1]；在固碳釋氧、維護(hù)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用[2]；保護(hù)天然林資源對維護(hù)全球生態(tài)安全具有特殊意義。近年來,由于人類活動強(qiáng)度的激增和社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,天然林喪失的速度越來越快[3],導(dǎo)致其固碳能力降低[4]、生物多樣性下降[5],進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能弱化；天然林的動態(tài)監(jiān)測及其驅(qū)動因子分析成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。遙感技術(shù)因其覆蓋廣、成本低、觀測周期短的優(yōu)點(diǎn)成為了天然林喪失監(jiān)測的主要數(shù)據(jù)源。目前,國內(nèi)外學(xué)者基于遙感技術(shù)在天然林監(jiān)測方面做了大量研究。Clark等[6]利用激光雷達(dá)和高光譜傳感器有效估算了哥斯達(dá)黎加熱帶雨林的地上生物量；Lin等[7]根據(jù)機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)計(jì)算和預(yù)測了森林的碳存儲量；Ferreira等[8]基于WorldView-3遙感影像利用紋理分析和光譜混合分析技術(shù)對巴西東南部的森林進(jìn)行了樹種分類；周梅等[9]利用2014年和2015年的遙感影像提取廣西東南部白縣境內(nèi)桉樹人工林森林采伐和更新的信息,用于監(jiān)測研究區(qū)桉樹林的森林覆蓋年度變化。Gyamfi-Ampadu等[10]利用Landsat數(shù)據(jù)識別南非夸祖魯納塔爾天然林分布情況。綜上,遙感技術(shù)可有效監(jiān)測天然林的空間分布范圍及其時空變化,這些信息的獲取對制定天然林保護(hù)以及生物多樣性保護(hù)政策至關(guān)重要[11-12]。

西雙版納傣族自治州的天然林包含熱帶雨林、熱帶山地常綠闊葉林和熱帶季風(fēng)林[13-14],這是我國目前保存面積最大,最完整的熱帶雨林,也是中國生物多樣性最豐富的地區(qū)[14-15]。隨著人口的劇增以及不合理的耕作方式,西雙版納的天然林逐漸被次生林、灌木林以及經(jīng)濟(jì)種植園所替代[16],尤其是20世紀(jì)90年代以后,由于橡膠售價(jià)的逐漸升高,西雙版納天然林面積日漸縮小[17]。西雙版納目前的一些監(jiān)測研究工作主要是針對橡膠林[18-19]開展的,對天然林喪失的監(jiān)測及景觀生態(tài)響應(yīng)研究少見。本文以西雙版納為研究區(qū),基于1990—2019年的Landsat數(shù)據(jù)分別從空間和時間尺度上探索了西雙版納天然林喪失的變化特征,并對天然林喪失所帶來的景觀生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了剖析,以期為西雙版納天然林生態(tài)安全以及促進(jìn)平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生物多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

西雙版納傣族自治州位于我國西南邊界,地處21°08′～22°36′N,99°55′～101°50′E之間,與老撾、緬甸接壤,東西橫跨長度為190km,南北縱跨長度為160km,國境邊界線總長為966.3km[20]。全州總面積為19 124.5km2,山地面積占到95%,境內(nèi)地勢高低起伏,相對高差近2 000m,地貌類型主要以瀾滄江一分為二,瀾滄江以東是山原、中、低山地貌,以西是中山寬谷盆地[21]。西雙版納的年降雨量為1 193～2 491mm,降雨的主要特征為時空分配不均,有明顯的干濕季、東部降雨量遠(yuǎn)大于西部[22]。西雙版納氣候溫暖濕潤,擁有大面積的熱帶雨林、季節(jié)性雨林和季雨林[23],是我國森林儲備的重點(diǎn)區(qū)域,但是自20世紀(jì)50年代橡膠樹引進(jìn)該地區(qū)開始,天然林面積逐年遞減。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及其預(yù)處理

選用西雙版納州1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2019年共7個年份的Landsat TM/OLI遙感影像(數(shù)據(jù)下載于美國航天局(NASA),http://earthexplorer.usgs.gov/)進(jìn)行天然林信息的提取,每年共選取4景影像,條帶號分別為129 045,130 044,130 045,131 045。由于西雙版納州地理位置特殊,濕熱多雨,多云霧,有明顯的旱季(11月至次年4月)和雨季(5—10月)[24],因此選取每年1—3月云量小于20%的遙感影像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文基于ENVI5.3對所選取的Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理(輻射定標(biāo)、大氣校正及鑲嵌裁剪)。

2.2 隨機(jī)森林

隨機(jī)森林(Random Forest,RF)是21世紀(jì)初Breiman基于集成學(xué)習(xí)理論及隨機(jī)子空間提出的機(jī)器學(xué)習(xí)算法[25]。隨機(jī)森林先建立原始樣本數(shù)據(jù)庫,然后在原始樣本庫中有放回的隨機(jī)抽取N次,得到N個訓(xùn)練樣本集；從每個樣本集中的總特征M中隨機(jī)選擇m個分類特征(m≤M)；通過完全分裂的方式對決策樹的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分,構(gòu)建N株決策樹。每株樹完成分類后,新樣本的類別根據(jù)N株決策樹分類結(jié)果進(jìn)行多數(shù)投票來確定[26]。

2.3 分類精度評價(jià)

基于驗(yàn)證樣本,利用混淆矩陣和Kappa系數(shù)[27-29]對隨機(jī)森林分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià),混淆矩陣是基于總體精度(Overall Accuracy,OA)、用戶精度(User′s Accuracy,UA)以及制圖精度(Producer′s Accuracy,PA)等3個評價(jià)指標(biāo)對研究區(qū)分類精度進(jìn)行評價(jià)?？傮w精度一般用于解釋分類結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際地物一致的概率；用戶精度一般用來反映分類圖中隨機(jī)樣本點(diǎn)與研究區(qū)實(shí)際地物的一致性概率；制圖精度一般用來解釋分類圖生產(chǎn)方法的好壞[27]。Kappa系數(shù)評估了分類與隨機(jī)分配值相比的表現(xiàn)。

2.4 土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

轉(zhuǎn)移矩陣來源于系統(tǒng)分析中對系統(tǒng)狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)移的定量描述[30],能表達(dá)出某2個時間節(jié)點(diǎn)間各用地類型相互轉(zhuǎn)移的數(shù)量和方向[31],解釋不同地類間的轉(zhuǎn)移速率,反映了土地利用格局的時空演化過程[32]。本文借助土地轉(zhuǎn)移矩陣,分析西雙版納州天然林喪失的時空演化過程。土地利用轉(zhuǎn)移矩陣的具體表達(dá)式[33]為:

(1)

式中:Pij為研究時段內(nèi)研究區(qū)初期與末期的土地利用狀態(tài)；n為研究區(qū)土地利用的地類數(shù)。

2.5 天然林喪失率

天然林喪失的情況一般采用2個指標(biāo)進(jìn)行衡量:其一是天然林喪失面積,表示天然林喪失的絕對數(shù)量；其二是天然林喪失率(%),用來度量天然林喪失的速度[34],計(jì)算公式如下:

(2)

2.6 景觀格局分析

由于景觀格局及其變化是多種因素(自然因素和人為因素)相互作用所產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映,學(xué)者常把對景觀空間格局的分析作為研究地域生態(tài)狀況及其空間變異的重要手段[35]。一般利用景觀結(jié)構(gòu)(如斑塊的個數(shù)、面積)和景觀空間格局(如破碎度)兩個方面對景觀生態(tài)格局的變化進(jìn)行分析[36]。本文選取了斑塊總面積(CA)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊數(shù)量(NP)、聚集度指數(shù)(AI)及景觀形狀指數(shù)(LSI)對西雙版納天然林喪失的景觀生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 隨機(jī)森林分類結(jié)果

借鑒現(xiàn)有研究的分類標(biāo)準(zhǔn)[37]以及研究區(qū)的特點(diǎn),本文基于隨機(jī)森林分類器將西雙版納地區(qū)的地類分為天然林、經(jīng)濟(jì)林、耕地、水體及建設(shè)用地。隨機(jī)森林分類器需要訓(xùn)練樣本,為了確保選取的樣本點(diǎn)具有隨機(jī)性和代表性,借助Google Earth高清影像選取了400個樣本點(diǎn),并按照7∶3的比例將樣本分為訓(xùn)練樣本和驗(yàn)證樣本,分類結(jié)果如圖1所示。對西雙版納Landsat數(shù)據(jù)進(jìn)行隨機(jī)森林分類,得到西雙版納1990—2019年(以5年為一期)的天然林面積變化情況,如表1所示。

圖1 西雙版納1990—2019年土地利用分類結(jié)果

表1 西雙版納1990—2019年各地類統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 精度評價(jià)

利用混淆矩陣分別對研究區(qū)7期的土地利用分類結(jié)果進(jìn)行精度評價(jià),結(jié)果顯示西雙版納1900年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2019年的總體精度分別為90.14%,88.32%,92.18%,93.81%,89.70%,88.02%,90.99%,即研究區(qū)各年份的總體精度都大于88%。Kappa系數(shù)均在0.8以上,各年份的Kappa系數(shù)分別為0.83,0.80,0.86,0.90,0.82,0.82,0.87,分類結(jié)果可以滿足研究需要。

3.3 天然林喪失的時間變化

根據(jù)公式(2)計(jì)算西雙版納1990—2019的天然林喪失率(圖2)。

圖2 西雙版納1990—2019年天然林喪失率

1990—2019年期間,西雙版納的天然林喪失面積為369 601 hm2,平均每5年喪失61 600 hm2,相對于1990年而言,到2019年共有26.02%的天然林喪失。由圖2可知,西雙版納1990—2019年天然林喪失率為先上升后下降的趨勢,從1990—2005年總體呈現(xiàn)增長趨勢,2005年達(dá)到峰值,隨后呈現(xiàn)遞減的趨勢。其中,2000—2005年天然林喪失的情況最嚴(yán)重,天然林喪失率為9.21%。2015—2019年的天然林林喪失量最少,喪失面積為19 174 hm2,天然林喪失率為1.35%。根據(jù)研究時間段將西雙版納天然林喪失率劃分為2個階段:第一階段是1990—2005年期間,在這個時段內(nèi)西雙版納的天然林喪失率呈逐漸遞增的趨勢,也是喪失量最大的階段,占總喪失面積的72.17%。在此期間,西雙版納的橡膠價(jià)格逐漸升高[38],大量的天然林被橡膠林代替。第二個階段是2005—2019年期間,自2005年達(dá)到峰值后,西雙版納的天然林喪失率呈逐年遞減的趨勢,其原因是國內(nèi)的橡膠需求量減少,且國內(nèi)發(fā)布了退膠還林的政策[39],因此當(dāng)?shù)鼐用駥μ烊涣值钠茐脑谥饾u減弱。

3.4 天然林喪失的空間變化

對西雙版納天然林喪失量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可知在西雙版納轄一市二縣(景洪市、勐?？h、勐臘縣)中,位于東部的勐臘縣天然林喪失面積最大(喪失面積為1 624.89 hm2),其次是景洪市(喪失面積為1 363.14 hm2),天然林面積喪失最少的是勐?？h(喪失面積為684.53 hm2)。由西雙版納天然林喪失量空間分布(圖3)可以看出,西雙版納天然林喪失存在空間差異,其中西南部的天然林喪失量最大,其主要原因是橡膠林的迅速擴(kuò)張,其次是瀾滄江兩側(cè)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)喪失較多。

圖3 西雙版納天然林喪失的坡度分布圖

利用DEM數(shù)據(jù)計(jì)算西雙版納坡度[40],將其分為平坡(0°≤slope<5°)、緩坡(5°≤slope<15°)、斜坡(15°≤slope<25°)、陡坡(≥25°),將西雙版納天然林喪失的位置與其坡度進(jìn)行對比分析可知,天然林喪失先發(fā)生在平坡和緩坡圖3(a)所示,后因?yàn)榻?jīng)濟(jì)林種植面積的擴(kuò)張,發(fā)展到了斜坡如圖3(b)所示。將西雙版納1990—2019年喪失的天然林柵格數(shù)據(jù)與其坡度進(jìn)行波段計(jì)算可知,西雙版納在緩坡和斜坡的喪失量最大,分別占總喪失面積的38.06%和35.91%,其次是平坡(占15.09%),因無序和無節(jié)制的砍伐種植,也有10.94%喪失的天然林是在坡度≥25°的陡坡。

3.5 天然林變化的時空分析

利用轉(zhuǎn)移矩陣對西雙版納土地利用中各地類的變化進(jìn)行分析,可得天然林與各地類之間的時空變化情況?；谖麟p版納天然林喪失率變化:先上升后下降,變化時間節(jié)點(diǎn)為2005年,利用ENVI5.3軟件計(jì)算得到西雙版納1990—2005年、2005—2019年2個時間段的轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。

表2 西雙版納各地類轉(zhuǎn)移矩陣

1)1990—2005年期間,西雙版納共有16.61%的天然林減少,其中對經(jīng)濟(jì)林增長的貢獻(xiàn)率最大,占經(jīng)濟(jì)林總增長面積的72.27%。擴(kuò)張的耕地主要由天然林轉(zhuǎn)變而來,轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐奶烊涣置娣e占研究區(qū)總面積的6.91%。水體面積的增加也有天然林的貢獻(xiàn),占西雙版納總面積的0.01%。建設(shè)用地的擴(kuò)張得益于耕地的貢獻(xiàn),占總面積的0.04%。

2)2005—2019年期間,天然林的喪失量小于1990—2005年階段,減少的天然林面積占西雙版納總面積的9.99%,其中5.68%轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)林,4.23%轉(zhuǎn)變?yōu)楦?。擴(kuò)張的耕地主要由天然林轉(zhuǎn)變而來,轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐奶烊涣置娣e占耕地總增長面積的61.93%,轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐慕?jīng)濟(jì)林占西雙版納總面積的2.56%。經(jīng)濟(jì)林面積的增加主要來源于天然林和耕地,其中轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)林的天然林面積占總面積的5.68%,轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)林的耕地面積占總面積的4.96%。增加的水體面積主要來源于天然林,占整個研究區(qū)面積0.07%的天然林轉(zhuǎn)變成水體,其次分別是耕地和經(jīng)濟(jì)林；建設(shè)用地?cái)U(kuò)張的主要貢獻(xiàn)者是耕地,占總面積的0.13%

綜上所述,西雙版納1990—2019年減少的天然林主要轉(zhuǎn)變成經(jīng)濟(jì)林和耕地。在本文分析的1990—2005年,2005—2019年兩個階段內(nèi),天然林的損失量最大,且第一階段的天然林喪失量大于第二階段,該時段橡膠價(jià)格上漲,研究區(qū)內(nèi)的大部分天然林被橡膠林取代；第二階段的耕地和經(jīng)濟(jì)林損失量大于第一階段,由于國家退耕還林政策的實(shí)施以及城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn),損失耕地和經(jīng)濟(jì)林主要轉(zhuǎn)化為天然林和建設(shè)用地；在兩個階段均有天然林轉(zhuǎn)化為水體,而第二階段轉(zhuǎn)化為水體的天然林遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一階段是因華能景洪水電廠的建立[41]。通過對西雙版納土地利用變化的分析,可知西雙版納的天然林在持續(xù)減少,其喪失的部分,主要轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)林和耕地,也有少部分轉(zhuǎn)化為水體和建筑用地。由此可見,西雙版納天然林喪失的主要驅(qū)動力是人類活動。隨著人口增長，傳統(tǒng)的刀耕火種農(nóng)業(yè)活動和經(jīng)濟(jì)種植園的擴(kuò)張,西雙版納過去幾十年來森林砍伐急劇增加。西雙版納的人口從20世紀(jì)50年代初的22萬增加到2019年的119.6萬[42],表明人口增加是天然林喪失的重要因素之一。另一方面,經(jīng)濟(jì)種植園的發(fā)展是天然林喪失的主要威脅。在過去30年中,大面積的熱帶雨林和低海拔的流動耕地已轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)林,從而導(dǎo)致高海拔或陡坡的天然林被砍伐,以滿足新的耕地需求。

4 天然林喪失的景觀生態(tài)響應(yīng)

4.1 天然林景觀格局變化分析

利用Fragstats 4對西雙版納1990年和2019年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,分別計(jì)算出天然林的斑塊總面積(CA)、平均斑塊面積(AREA_MN)、斑塊數(shù)量(NP)、聚集度指數(shù)(AI)及景觀形狀指數(shù)(LSI),具體指數(shù)結(jié)果如表3所示。

表3 天然林景觀格局指數(shù)值

1)西雙版納天然林結(jié)構(gòu)變化特征:天然林的總面積和平均斑塊面積都在減少,1990年的平均斑塊面積可達(dá)2 411.69hm2的,到2019年卻只有415.14hm2；斑塊數(shù)量在大幅度增加,斑塊數(shù)量從1990年的589個到2019年增加到2 539個。斑塊數(shù)量是衡量景觀分離度及其破碎性的重要指標(biāo),景觀類型的破碎度隨著斑塊數(shù)量的增加而增加。平均斑塊面積一般被用于解釋景觀破碎化的程度,景觀類型的破碎程度與其平均斑塊面積成反比,平均斑塊面積越小，景觀破碎化程度就越高[43-44]。由此可見,西雙版納天然林的破碎化程度在逐年增加。

2)西雙版納天然林空間格局變化特征:天然林聚集度指數(shù)呈下降的趨勢,由1990年的98.82減少到2019年的97.61,這表明天然林的斑塊數(shù)量在逐漸增加且面積越來越小,天然林斑塊間的連接度在逐漸減少,特別是優(yōu)質(zhì)斑塊。這說明天然林的喪失導(dǎo)致其景觀異質(zhì)性逐漸增強(qiáng),天然林內(nèi)部的生境面積在逐步減少。

4.2 天然林喪失的景觀生態(tài)響應(yīng)

4.2.1生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降

1990—2019年,由于對西雙版納天然林持續(xù)的破壞,西雙版納天然林破碎化程度在逐漸增加,這導(dǎo)致了天然林之間的連接度和穩(wěn)定性都在下降,影響研究區(qū)內(nèi)部生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)。從生態(tài)意義的角度來說,景觀的離散化程度會隨著其破碎化程度的增加而增加,這也說明景觀破碎化程度越高越容易被其他景觀類型所取代[36]。天然林雖然是西雙版納的面積最大的景觀類型,但隨著天然林面積的喪失,它的優(yōu)勢在逐漸下降。天然林平均斑塊面積減少會導(dǎo)致其生境面積喪失,生境質(zhì)量下降,進(jìn)而影響研究區(qū)內(nèi)部物種的生存。

4.2.2邊緣效應(yīng)顯著

景觀形狀指數(shù)常被學(xué)者用來解釋景觀破碎化所導(dǎo)致的邊緣效應(yīng)特征,景觀形狀指數(shù)與斑塊的破碎化及離散化程度成正比,指數(shù)越大破碎化及離散化程度越高[43]。天然林的景觀形狀指數(shù)從1990年的48.06增加到2019年的82.79,這說明天然林的破碎化和離散化程度在大幅度增加,邊緣效應(yīng)顯著,而邊緣效應(yīng)的存在會影響天然林生態(tài)環(huán)境梯度,從而導(dǎo)致生物多樣性減少,其生態(tài)系統(tǒng)邊緣的養(yǎng)分循環(huán)也會發(fā)生變化。

5 結(jié)論

1)基于時間序列遙感影像的分析,西雙版納在1990—2019年期間,天然林面積一直在持續(xù)減少,其天然林喪失率呈先上升后降低的趨勢,2000—2005年期間天然林喪失率達(dá)到最大值。基于西雙版納天然林喪失的空間分析可知:以州級為單位,西南部的天然林喪失最為嚴(yán)重；以縣級為單位,天然林喪失的狀況為勐臘>景洪>勐海。

2)基于西雙版納土地利用分類結(jié)果轉(zhuǎn)移矩陣的分析可知:西雙版納1990—2019年期間喪失的369 601 hm2,天然林主要轉(zhuǎn)化成經(jīng)濟(jì)林和耕地,占到天然林喪失量的99.62%。由此可見,西雙版納天然林喪失的主要影響因素是人類活動,人口擴(kuò)張和發(fā)展經(jīng)濟(jì),所需的農(nóng)業(yè)用地劇增,加快了對天然林的破壞。

3)西雙版納天然林的喪失對西雙版納景觀格局具有嚴(yán)重的影響,逐年的天然林喪失導(dǎo)致其小斑塊數(shù)量增加,大型斑塊的數(shù)量減少,整體空間分布越來越破碎。天然林破碎化程度的增加導(dǎo)致其生境質(zhì)量下降,邊緣效應(yīng)顯著。