柏 龍,田呈明,*,洪承昊,康峰峰,陳京元,宋德文,劉紅高
1北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083 2中國林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京 100091 3湖北省林業(yè)科學(xué)研究院,武漢 430075 4湖北省宜昌市夷陵區(qū)森防站,宜昌 443100
湖北宜昌松林景觀格局對松材線蟲流行及擴散的影響
柏 龍1,田呈明1,*,洪承昊2,康峰峰1,陳京元3,宋德文4,劉紅高4
1北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京 100083 2中國林業(yè)科學(xué)院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所,北京 100091 3湖北省林業(yè)科學(xué)研究院,武漢 430075 4湖北省宜昌市夷陵區(qū)森防站,宜昌 443100
景觀格局對能量流、物質(zhì)流和物種流等生態(tài)學(xué)過程影響顯著。為了探究區(qū)域生境差異對病蟲害發(fā)生及擴散的影響,以湖北省宜昌市夷陵區(qū)松材線蟲病為對象,結(jié)合區(qū)域森林資源二類清查矢量數(shù)據(jù)和松材線蟲病普查資料,運用景觀生態(tài)學(xué)的原理和方法,探究景觀格局對松材線蟲病發(fā)生的影響。研究結(jié)果表明:1)松林景觀類型百分比、平均斑塊面積、自然連接度和聚合度與松材線蟲病的發(fā)病率成正相關(guān);2)松林斑塊的粒級結(jié)構(gòu)分析表明,中、小斑塊能抑制松材線蟲病的發(fā)生,巨斑塊、超大斑塊對松材線蟲的發(fā)生有利;3)從景觀干擾上分析顯示人類活動強度與松材線蟲病發(fā)病率成正相關(guān);4)在景觀尺度水平上,景觀的破碎度大、多樣性指數(shù)高、蔓延度指數(shù)小、斑塊形狀簡單、受人類活動影響大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)松材線蟲病發(fā)病率高。通過斑塊類型尺度和景觀尺度兩個水平上的分析可知,在夷陵區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度上,由小斑塊松林組成且斑塊聚集度低、景觀破碎化程度低的景觀格局對松材線蟲病有一定的抑制作用。研究結(jié)論對當(dāng)?shù)厮刹木€蟲病的防治就有較好的參考價值。
松材線蟲??;景觀格局;人類活動;湖北宜昌
松材線蟲病(Pine wilt disease)是一種由松材線蟲(Bursaphelenchusxylophilus)引起的對松樹(Pinusspp.)有致命危害的松樹流行病[1],因其具有發(fā)病致死速度快、傳播蔓延迅速、防治難度大等特點,被稱為“松樹癌癥”。其自然傳播媒介昆蟲為墨天牛屬(Monochamusspp.),在亞洲,松墨天牛(Monochamusalternates)是其關(guān)鍵傳媒,但松墨天牛的自然擴散距離有限,其長距離蔓延主要借助人為傳播[2-3]。
景觀格局一般是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置,它是自然因素和人類經(jīng)營活動綜合作用下景觀異質(zhì)性在空間上的具體表現(xiàn),決定著資源地理環(huán)境的分布形成和組分,制約著各種生態(tài)功能,能夠影響景觀中物質(zhì)和養(yǎng)分的流動,生物種的存在、分布和運動,群落的演替,干擾的傳播等生態(tài)學(xué)過程[4-8]。森林病蟲害的擴散蔓延是景觀生態(tài)學(xué)上典型的生態(tài)學(xué)過程。在森林景觀系統(tǒng)中,植被空間格局是景觀特征的代表因子之一,而植被是森林病蟲害發(fā)生的主體。植被的分布特征如土壤因素、地形因素、氣象因素、林分基本特征等環(huán)境因子和植物種類組成及其空間格局如植被斑塊大小、形狀、密度、分布構(gòu)型等會直接影響林中病原的發(fā)生、擴散及傳播。森林生物多樣性和景觀尺度的異質(zhì)性相結(jié)合有可能成為未來森林病蟲害生態(tài)調(diào)控的安全策略[9]。
目前,國內(nèi)有關(guān)景觀格局對病蟲害的影響的研究多見于農(nóng)業(yè)研究,發(fā)現(xiàn)景觀結(jié)構(gòu)能影響生物間的相互作用[10],不同農(nóng)業(yè)景觀格局對麥蚜和寄生蜂種群影響不同[11-12]。從農(nóng)田景觀的角度,在大時空尺度范圍內(nèi)合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)生態(tài)景觀格局,合理安排種植結(jié)構(gòu)和農(nóng)事活動,進行農(nóng)田生境管理,是控制農(nóng)田病蟲害的新途徑,也能夠為農(nóng)業(yè)景觀生物多樣性保護、實施害蟲區(qū)域性生態(tài)控制提供思路和手段,是實現(xiàn)害蟲種群控制的可持續(xù)性的有效手段[13-15]。有關(guān)景觀格局對森林病蟲害的影響的研究,特別是關(guān)于景觀格局對松材線蟲病的影響的研究比較罕見。研究發(fā)現(xiàn)人為干擾、寄主優(yōu)勢度、地形和寄主生長勢是影響松墨天牛種群分布的主要環(huán)境因子[16],同時寄主樹種的抗性等級及松樹所占的比例嚴(yán)重影響群落對松材線蟲病的抵抗力[17]。對受害馬尾松林的時空格局的分析表明聚集指數(shù)逐漸增強,反映出受害程度加重[18]。王娟等和習(xí)妍認(rèn)為景觀的破碎化、多樣性和異質(zhì)性越高越有利于松材線蟲病的發(fā)生,但王娟認(rèn)為松林景觀的聚集度和連通性能阻礙松材線蟲病的發(fā)生,習(xí)妍則認(rèn)為松林斑塊的聚集度越高、距離越短,越有利于松材線蟲病的發(fā)生[19-20]。
國外學(xué)者就景觀格局對生物多樣性格局、種群動態(tài)、生態(tài)功能特征選擇、生物保護策略的影響提出了一系列理論假說,認(rèn)為景觀結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)生物多樣性格局和生態(tài)學(xué)過程有重要影響,但是這些影響十分復(fù)雜,需要田間試驗和理論模型的進一步研究[21]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中的物種多樣性可以緩和傳染病的流行[22],對于多寄主病害,森林物種多樣性可以降低病害的發(fā)病風(fēng)險,因為替代寄主可以作為病害的緩沖區(qū)[23]。對松干蚧的研究表明寄主生境的開放性和連接度會加快森林蟲害的入侵,景觀多樣性可以減緩森林蟲害的入侵速度[24]。
本文在前人研究的基礎(chǔ)上,研究松林景觀格局的特征對松材線蟲病發(fā)病特征的影響,并深入分析松林斑塊粒級結(jié)構(gòu)和在景觀生態(tài)學(xué)角度上的人類活動強度對松材線蟲病的影響,為制定防御松材線蟲病的安全景觀格局打下理論基礎(chǔ)。
圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the research area
宜昌市夷陵區(qū)地處長江中、上游結(jié)合部,位于東經(jīng)110°51′58″—111°39′30″,北緯30°32′33″—31°28′30″,地勢西北高,東南低,差異較大,有山地、丘陵、河谷等多種地貌,中低山構(gòu)成地貌的主體,山地占全區(qū)土地總面積的三分之二以上。該區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候,氣候適宜,雨量充沛,全區(qū)平均降水量在997—1370mm之間,年平均氣溫16.6℃。全區(qū)河網(wǎng)密布,長江葛洲壩水利樞紐工程和舉世矚目的三峽大壩均在夷陵區(qū)境內(nèi)。夷陵區(qū)土地總面積約3358.87km2,其中林業(yè)用地約2683.40km2,約占全區(qū)總面積的79.89%。植物種類繁多,以松柏科、樟科、冬青科等為主要用材樹種,以柑桔、板栗、茶葉等為主要經(jīng)濟樹種,松屬植物主要是馬尾松,面積達586.67km2,為松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展提供了良好條件。
夷陵區(qū)所轄11個鄉(xiāng)鎮(zhèn),1個街道辦事處,1個國有林場,1個經(jīng)濟開發(fā)區(qū),總?cè)丝?1.7萬人(2010年)。全區(qū)交通發(fā)達,經(jīng)濟活躍,人為干擾對森林景觀的影響較大。本文選取自2007年起連續(xù)發(fā)病,調(diào)查資料翔實的太平溪鎮(zhèn)、樂天溪鎮(zhèn)、三斗坪鎮(zhèn)、小溪塔街道辦事處(包括經(jīng)濟開發(fā)區(qū))、黃花鄉(xiāng)、龍泉鎮(zhèn)、鴉鵲嶺鎮(zhèn)共7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為研究區(qū)域(圖1)。
2.1 景觀數(shù)據(jù)和松材線蟲病歷史數(shù)據(jù)來源
湖北省林業(yè)勘察規(guī)劃院提供的基于森林資源二類清查(2009—2010年)的小班調(diào)查數(shù)據(jù),經(jīng)過ArcInfo10處理得到的矢量數(shù)據(jù);夷陵區(qū)森防站提供的2007年至2012年的松材線蟲病秋季普查資料。
圖2 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀類型圖Fig.2 Landscape type map of 7towns
2.2 研究方法
2.2.1 景觀分類及制圖
根據(jù)森林景觀生態(tài)學(xué)分類原則和方法[25],參考《湖北省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查操作細則》,以土地利用類型、森林群落優(yōu)勢樹種(組)和人類影響強度為主要依據(jù)[8,26],將研究區(qū)景觀分為松林(主要是馬尾松林)、其它針葉林、闊葉林、針闊混交林、竹林、灌木林、農(nóng)業(yè)景觀(農(nóng)田、旱地、果園、茶園、苗圃地)、水域、人工景觀(城鄉(xiāng)居民建設(shè)用地、工礦建設(shè)用地、交通建設(shè)用地和其它建設(shè)用地)和其它無林地共10種景觀類型。
將研究區(qū)矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGis10軟件包,經(jīng)過提取圖層、合并同類型小班等相關(guān)步驟,得到太平溪鎮(zhèn)等7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的景觀圖(圖2)。
2.2.2 景觀指數(shù)的計算
景觀指數(shù)是為了測定景觀格局對生態(tài)過程的影響而選擇的描述復(fù)雜景觀格局的簡單數(shù)字[27]。通過景觀指數(shù)可以對景觀的組成特征、空間配置、動態(tài)變化等進行定量的研究[28]。
將研究區(qū)7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的景觀圖在ArcGis10軟件支持下柵格化(柵格大小選定100m×100m),之后導(dǎo)入FragStats3.4軟件包計算景觀指數(shù)。影響基本生態(tài)過程的空間格局指數(shù)包括:(1)斑塊大小,影響單位面積的生物量、生產(chǎn)力、養(yǎng)分儲存、物種多樣性、內(nèi)部種的移動和外來種的數(shù)量;(2)斑塊形狀,影響生物種的發(fā)育、擴散、收縮和遷移;(3)斑塊密度,影響通過景觀的“流”的速率;(4)斑塊的分布構(gòu)型,影響干擾的傳播和擴散[8]。本文在斑塊層次上選擇斑塊類型面積(CA)、景觀類型百分比(PLAND)、平均斑塊面積(AREA_MN)、周長面積分維數(shù)(PAFRAC)、斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)、散布與并列指數(shù)(IJI),聚合度(AI),平均幾何最鄰近距離(ENN_MN);在景觀層次上選擇邊界密度(ED)、面積加權(quán)平均分維數(shù)(FRAC_AM、)蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon′s多樣性指數(shù)(SHDI)。各指數(shù)的計算公式和描述及生態(tài)學(xué)意義見文獻[4,28-30]。
2.2.3 松材線蟲病發(fā)病指標(biāo)的確定
以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松材線蟲病發(fā)病率(Morbidity)即年均發(fā)病面積Area(A病)與松林面積(A松)之比(A病/A松)(%)作為衡量各鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)病程度的指標(biāo)。發(fā)病面積是以小班為單位進行統(tǒng)計,由當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門每年秋末進行統(tǒng)計,如果一個松林小班中發(fā)現(xiàn)松針呈紅黃色且不落針枯死的松樹,則認(rèn)為該小班受松材線蟲病危害。
2.2.4 數(shù)據(jù)分析方法
分別以斑塊類型尺度和景觀類型尺度上的各景觀格局指數(shù)作自變量,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松材線蟲病發(fā)病率作因變量,通過SPSS18.0軟件進行 Pearson 相關(guān)性分析,并作線性擬合,探求各鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀格局指數(shù)、松林粒級結(jié)構(gòu)與松材線蟲病的相關(guān)關(guān)系。
3.1 研究區(qū)景觀類型組成分析
研究區(qū)包含7個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總面積約168798hm2。7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的各景觀類型面積大小和各景觀類型面積總和及其所占研究區(qū)總面積比例見表1??梢钥闯?,松林在7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)都有大面積分布,龍泉鎮(zhèn)最小,為1502hm2,樂天溪鎮(zhèn)最大,為5938hm2,總共25021hm2,占研究區(qū)總面積的14.82%。各景觀類型所占研究區(qū)總面積從大到小依次為:農(nóng)業(yè)景觀>闊葉林>松林>灌木林>針闊混交林>其他針葉林>水域>人工景觀>無林地>竹林。其中農(nóng)業(yè)景觀面積所占比例最大,達到34.32%,人工景觀占3.64%,說明研究區(qū)農(nóng)林業(yè)比較發(fā)達,城市發(fā)展較好,景觀受人類干擾嚴(yán)重;林地(松林、針葉林、闊葉林、針闊混交林、竹林、灌木林)占56.83%,說明研究區(qū)森林覆蓋率較高,森林保護較好;無林地和竹林分別占0.65%和0.02%,對研究區(qū)影響較小。
表1 研究區(qū)景觀類型組成Table 1 The area of landscape components of 7towns and its total area proportion in the research area
3.2 斑塊尺度上景觀組分格局與松材線蟲病發(fā)病程度的關(guān)系
3.2.1 松林景觀格局與松材線蟲病發(fā)病程度的關(guān)系
由圖3可知,松林斑塊面積百分比指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率成正相關(guān),但相關(guān)性低,P=0.324,R2=0.193。由松林平均斑塊面積可以看出各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀斑塊破碎化程度差異較大,與松材線蟲病發(fā)病率極顯著正相關(guān),P<0.01,R2=0.815。斑塊內(nèi)聚力指數(shù)在79.65-96.65之間,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀的物理連通度都較好,與松材線蟲病發(fā)病率成正相關(guān),但相關(guān)性不顯著,P=0.195,R2=0.310。聚合度指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率顯著正相關(guān),P<0.05,R2=0.670。7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的平均幾何最近鄰距離,最大值356.72m,最小值218.85m,變化不大,在該尺度范圍內(nèi),斑塊之間的距離對松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展影響較小(圖3),P=0.721,R2=0.028。周長面積分維數(shù)的取值范圍是1≤PAFRAC≤2,除了鴉鵲嶺鎮(zhèn)(1.66)外的6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的周長面積分維數(shù)取值變化為1.50-1.56,變化很小,說明各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的松林斑塊的復(fù)雜程度比較接近,且與松材線蟲病發(fā)病率相關(guān)性較低(圖3)。
圖3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率的關(guān)系Fig.3 The relationship of pine forest landscape index and morbidity of pine wilt disease of 7towns
3.2.2 松林斑塊的粒級結(jié)構(gòu)與松材線蟲病發(fā)病程度的關(guān)系
斑塊粒級結(jié)構(gòu)是指不同大小級別的斑塊數(shù)量、面積組成狀況。為進一步探究不同斑塊大小的松林對松材線蟲病的影響,將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀類型斑塊按斑塊面積分為5個規(guī)模等級,分別稱為:小斑塊(<10hm2)、中斑塊(10—50hm2)、大斑塊(51—100hm2)、超大斑塊(101—200hm2)、巨斑塊(>200hm2)。用各等級斑塊的面積占各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀總面積的比例來描述各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林斑塊的粒級結(jié)構(gòu)[31-32]。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)松材線蟲病發(fā)病率與小斑塊、中斑塊、大斑塊、超大斑塊、巨斑塊的面積百分比由負相關(guān)逐漸變?yōu)檎嚓P(guān),P值分別為0.017、0.382、0.951、0.787、0.278,擬合優(yōu)度R2分別為0.71、0.155、8.42×10-4、0.016、0.228,大斑塊對松材線蟲病的發(fā)病率有促進作用,而小斑塊對松材線蟲病的發(fā)病率有抑制作用,特別是小斑塊面積百分比與松材線蟲病發(fā)病率顯著負相關(guān)(P<0.05)(圖4)。
圖4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)松林景觀粒級結(jié)構(gòu)面積比例與松材線蟲病發(fā)病率的關(guān)系Fig.4 The relationship of area proportion structure of pine landscape patches size and morbidity of pine wilt disease of 7towns
3.2.3 人工景觀格局與松材線蟲病發(fā)病程度的關(guān)系
由圖5可以看出,7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人工景觀百分比分布在1.64%-6.94%,與松材線蟲病發(fā)病率成正相關(guān),P=0.368,擬合優(yōu)度R2=0.164。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人工景觀散布與并列指數(shù)變化很大,在35.06%-89.05%之間,人工景觀分散情況差異很大,與松材線蟲病發(fā)病率極顯著正相關(guān),P<0.01,擬合優(yōu)度R2=0.874。
圖5 人工景觀格局與松材線蟲病發(fā)病率的關(guān)系Fig.5 The relationship of human-made landscape index and morbidity of pine wilt disease
3.3 景觀尺度上景觀格局指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病程度的關(guān)系
如圖6所示,7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的邊界密度指數(shù)在59.24-71.74之間,與松材線蟲病發(fā)病率成正相關(guān),但不顯著,P=0.170,R2=0.339。Shannon′s多樣性指數(shù)和蔓延度指數(shù)變化較大,說明7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的景觀差異較大。Shannon′s多樣性指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率顯著正相關(guān),P<0.05,R2=0.589。蔓延度指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率顯著負相關(guān),P<0.05,R2=0.663。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的面積加權(quán)的平均分維數(shù)變化比較接近,在1.18-1.28之間,但與松材線蟲病發(fā)病率顯著負相關(guān),P值為0.023,R2=0.676。
圖6 總體景觀指數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率的關(guān)系Fig.6 The relationship of landscape index and morbidity of pine wilt disease at landscape-level
(1)松林景觀的總面積與松材線蟲病的發(fā)病率呈少量的正相關(guān)。景觀斑塊類型面的大小直接制約著以此類型斑塊作為棲息地的物種的豐度、數(shù)量及此生物種的繁殖等。松材線蟲病以松林為生境,其發(fā)病率必然與松林面積的多少有關(guān)。松林景觀平均斑塊面積與松材線蟲病的發(fā)病率極顯著正相關(guān)。平均斑塊面積是對生境破碎化的簡單度量,值越小,破碎度越大,而一個地區(qū)的生境破碎化程度影響著該地區(qū)的生物可入侵性[33]。同時,斑塊的大小直接影響單位面積的生物量、生產(chǎn)力、養(yǎng)分儲量及物種組成和多樣性[28],大斑塊的松林能夠為松材線蟲病提供更好的生境。松林景觀的聚合度與松材線蟲病的發(fā)病率正相關(guān)。聚合度表示同質(zhì)景觀類型的聚集性和連通性特征[28],生境的聚集程度和連通性影響著生物入侵后的傳播擴散速度[19]。松林景觀的連接度與松材線蟲病的發(fā)病率正相關(guān),但是不顯著。松林斑塊的最鄰近距離、周長面積分維數(shù)與松材線蟲病的發(fā)病率相關(guān)性很低。習(xí)妍認(rèn)為松林斑塊的距離越近,越有利于松材線蟲病的發(fā)生[20],本文沒有得出這樣的結(jié)論,但有斑塊之間距離越遠,發(fā)病程度越低的趨勢。可能原因是在本研究區(qū),松林斑塊之間的距離相比于松墨天牛的最大擴散距離(3.3km)[3]和人為傳播距離,顯得微不足道。關(guān)于斑塊之間的距離對松材線蟲病的影響還需要更進一步的研究。
(2)松林斑塊的粒級結(jié)構(gòu)能影響松材線蟲病的發(fā)病率,隨著粒級結(jié)構(gòu)的升高,各級斑塊所占面積百分比與松材線蟲病的發(fā)病率由負相關(guān)逐漸變?yōu)檎嚓P(guān)。作者分析造成這一現(xiàn)象原因有二:一是一般來說,一個斑塊中能量和礦物養(yǎng)分的總量與其面積成正比,大斑塊能為松材線蟲提供更多的能量和養(yǎng)分,同時大斑塊所占面積比例越大,松林景觀的連通性越好,聚合度越大,破碎度越小,越利于松材線蟲病的發(fā)生發(fā)展;二是在對松材線蟲病枯死松樹擇伐過程中,在小斑塊的松林中顯然更容易做到徹底清除病疫木且不造成傳染,而大斑塊中則很難以做到這一點。
(3)景觀尺度上,總體景觀的邊界密度與松材線蟲病的發(fā)病率正相關(guān),但是不顯著。邊緣密度是決定景觀破碎化程度的主要指標(biāo),揭示了景觀或景觀類型邊界被分割的程度,是景觀破碎化程度的直接反映[34]。總體景觀的Shannon′s多樣性指數(shù)與松材線蟲病的發(fā)病率顯著正相關(guān)。Shannon′s多樣性指數(shù)反映了景觀的異質(zhì)性程度。景觀破碎化和異質(zhì)性受自然因素、生物因素和人為因素的影響[4]。景觀破碎化程度越高,異質(zhì)性越高,受人類干擾越嚴(yán)重,側(cè)面反映人類活動與松材線蟲病有關(guān)。另外,王娟等認(rèn)為,生境破碎化和景觀異質(zhì)性造成松材線蟲這種適應(yīng)能力強、傳播速度快的外來入侵種的爆發(fā),且生境破碎化導(dǎo)致風(fēng)的影響增強,導(dǎo)致通過斑塊間的能流物流增加,利于松墨天牛的飛行,從而促進了松材線蟲病的擴散[19]??傮w景觀的蔓延度指數(shù)與松材線蟲病的發(fā)病率顯著負相關(guān)。蔓延度指數(shù)是描述景觀中不同景觀類型的分配均勻程度或度量景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度,取值越大,代表景觀由少數(shù)團聚的大斑塊組成,取值越小,代表景觀由許多小斑塊組成,從另一個方面反映了景觀的破碎化程度[28]。總體景觀的面積加權(quán)的平均分維數(shù)與松材線蟲病發(fā)病率顯著負相關(guān)。分維數(shù)與人類管理有密切關(guān)系,小的分維數(shù)意味著人類對景觀的干擾大或地理條件單一,景觀斑塊形狀趨于簡單,故通過分維數(shù)大小可以判定景觀要素受人類活動影響的大小[35-37]。由此分析,受人類活動影響越大的鄉(xiāng)鎮(zhèn),松材線蟲病發(fā)病越嚴(yán)重。
景觀空間格局與生態(tài)學(xué)過程的關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心和熱點。景觀的空間格局影響能量、物質(zhì)以及生物在景觀中的運動,能量、物質(zhì)和生物的主要運動方式有擴散、物流和攜帶運動[4],景觀破碎化和人類活動無疑會加快這些運動。森林病蟲害是一種常見的生態(tài)學(xué)過程,如何在景觀尺度上將森林病理學(xué)原理與景觀異質(zhì)性對森林病蟲害發(fā)生過程的綜合影響有機地結(jié)合,是森林保護學(xué)研究領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)[38]。探究景觀空間格局與森林病蟲害的相互關(guān)系在理論上可以定量分析景觀空間格局、人為干擾、環(huán)境變化對病害傳播的影響,在實踐上則有助于規(guī)劃土地利用方式、制定森林病蟲害可持續(xù)治理的決策。
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The relationship between pine forest landscape patterns and pine wilt disease in Yichang, Hubei Province
BAI Long1, TIAN Chengming1,*, HONG Chenghao2, KANG Fengfeng1, CHEN Jingyuan3, SONG Dewen4, LIU Honggao4
1CollegeofForest,BeijingForestUniversity,Beijing100083,China2ResearchInstituteofForestEcologicalEnvironmentandProtection,Beijing100091,China3HubeiAcademyofForestry,Wuhan430075,China4StationofPestandDiseaseControlandQuarantineofYilingDistrict,Yichangcity,Yichang443100,China
Landscape patterns have significant and complex effects on a variety of ecological processes, including the flow of matter and nutrients and the distribution and movement of species.To explore the impacts of regional habitat differences on the occurrence and spread of forest diseases and insect pests, we focused on the pine wood nematode in Yichang in the Yiling district of Hubei Province.Using forest inventory vector data collected by the Forestry Survey and Planning Institute of Hubei and census data of pine wilt disease in the Yiling district from 2007to 2012, collected by the Station of Pest and Disease Control and Quarantine, we examined the effects of forest landscape patterns on pine wilt disease, as predicted by landscape ecology theory.Seven towns continuously infected with pine wilt disease from 2007to 2012were selected as the research area.The landscape of the Yiling district were classified into 10types by ArcGis10according to the intensity of human activities, the land use classification, and the dominant tree species group.To characterize the research area at the level of patches within a class, we calculated the landscape patch area, mean patch area, percentage of landscape patch area, patch cohesion index, aggregation index, geometric mean nearest neighbor distance, and the interspersion-juxtaposition index.And the pine forest landscape were classified into 5grades by patches′ area size(Apatch): the small patch(Apatch<10hm2), the middle patch(10≤Apatch<50hm2), the large patch(50≤Apatch<100hm2), the super patch(100≤Apatch<200hm2), the huge patch(Apatch≥200hm2).At the landscape level, we calculated the edge density, Shannon′s diversity index, the contagion index, and the area-weighted mean patch fractal dimension.Landscape pattern indices were calculated using FRAGSTATS3.4.Morbidity was determined as the ratio of the annual average area infected with pine wilt disease compared with the total pine forest area of any one town.Correlation analysis between landscape pattern indices and morbidity was performed using SPSS18software.The main results were as follows: 1) The percentage of pine forest landscape patch area, the average patch size, and the degree of natural connection and polymerization of patches were all positively correlated with pine wilt disease morbidity;2) Analysis of the granularity of the pine forest landscape showed that the proportion of area composed of small-and middle-patch sizes was negatively correlated with pine wilt disease morbidity, while the proportion of huge-patch and super-patch sizes was positively correlated;3) The intensity of human activity, which can interfere with the landscape, was also positively correlated with pine wilt disease morbidity;and 4) At the landscape level, as edge density and Shannon′s diversity index increased, pine wilt disease morbidity increased.The contagion index, in contrast, was negatively correlated with pine wilt disease morbidity, as was the area-weighted mean patch fractal dimension.These results suggest that fragmentation of the entire landscape will facilitate the spread of pine wilt disease.Thus, using the analysis of landscape patterns at the patch and landscape level, we can infer that, in the Yiling district, a forest landscape composed of small pine forest patches with a low aggregation index and low degree of fragmentation of the entire landscape can somewhat prevent the spread of pine wilt disease.The findings of this study can be used as a guide to aid the prevention and control of pine wilt disease in the Yiling district.
pine wilt disease;landscape pattern;human activities;Hubei Yichang
國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204501)
2014-06-16; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期:
日期:2015-05-21
10.5846/stxb201406161248
*通訊作者Corresponding author.E-mail: chengmt@bjfu.edu.cn
柏龍,田呈明,洪承昊,康峰峰,陳京元,宋德文,劉紅高.湖北宜昌松林景觀格局對松材線蟲流行及擴散的影響.生態(tài)學(xué)報,2015,35(24):8107-8116.
Bai L, Tian C M, Hong C H, Kang F F, Chen J Y, Song D W, Liu H G.The relationship between pine forest landscape patterns and pine wilt disease in Yichang, Hubei Province.Acta Ecologica Sinica,2015,35(24):8107-8116.