黃曉園,葉遠輝,張卓亞,王紅崧,陳雅琳

(1.西南林業(yè)大學(xué) 地理與生態(tài)旅游學(xué)院,昆明 650224；2.西南林業(yè)大學(xué) 森林城市研究院,昆明 650224)

森林破碎化是生態(tài)文明建設(shè)的瓶頸之一,將導(dǎo)致森林質(zhì)量不高、生態(tài)服務(wù)功能退化[1]。森林破碎化是連續(xù)的森林被逐漸分割成更小、更孤立的零碎斑塊過程[2-3],從景觀生態(tài)學(xué)角度看,主要表現(xiàn)為森林斑塊數(shù)量增加、平均斑塊面積減小、斑塊形狀趨于不規(guī)則、內(nèi)部生境面積縮小、蔓延度、聚集度和連通度降低[4]。森林破碎化對生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生重要的負面影響,可導(dǎo)致區(qū)域水土流失加劇、生物多樣性降低、外來物種入侵風(fēng)險加大和森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)流和能量流減緩等多種負面效應(yīng)[5]。了解森林破碎模式及其產(chǎn)生過程對于減少生態(tài)退化和保護殘留森林斑塊是非常重要的[6]。以往的森林破碎化研究主要集中在利用傳統(tǒng)的景觀指數(shù)來測度森林組成、配置模式,以及破碎化狀態(tài)和變化趨勢[7-9]。這類方法雖然能夠很好的從整體上定量化描述破碎化情況,但局限于森林與非森林的關(guān)系,難以對森林空間格局的識別和量化,不能直觀反映森林破碎化情況[10]。

1964年,Matheron首次將“數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)”運用到圖像處理領(lǐng)域,通過具有形態(tài)特征的結(jié)構(gòu)元素同柵格圖像中某些形狀對應(yīng),進行分類,達到簡化圖像數(shù)據(jù)的目的[11]。在此基礎(chǔ)上,Soille[12]提出了形態(tài)學(xué)空間格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)方法。此后,MSPA方法不斷運用在森林景觀破碎化和構(gòu)建森林網(wǎng)絡(luò)方面的研究。Riitters等[13-14]基于MSPA方法,選擇不同尺度的窗口分別對全球和美國的森林進行了破碎化分析。Vogt等[15]研究成果驗證了MSPA方法在森林景觀破碎的適用性,并逐漸被其他學(xué)者所借鑒。Reddy等[16]基于森林斑塊類型變化分析了尼泊爾全國森林砍伐及其對森林破碎化的影響。Rahman等[17]利用核心、穿孔、邊緣和斑塊4種空間格局的比例來衡量孟加拉國Chunati野生動物保護區(qū)森林完整性和破碎化。李瑤等[18]基于50m空間分辨率森林分布圖,將中國森林破碎化分為內(nèi)部森林、孔洞森林、邊緣森林、斑塊森林、過渡森林和未確定森林6種類型。目前,MSPA已經(jīng)有效地應(yīng)用于景觀連通性[19],綠色基礎(chǔ)設(shè)施評估[20-21]及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[22]。

自然保護地是生態(tài)建設(shè)的核心載體,在維護國家生態(tài)安全中居于首要地位。本文選擇云南省丘北普者黑省級自然保護區(qū)為研究區(qū),根據(jù)2006年和2016年兩期森林森林分布圖,結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、形態(tài)學(xué)空間格局分析法,繪制丘北普者黑自然保護區(qū)森林景觀破碎化類型空間分布圖；探索不同功能區(qū)的森林破碎化結(jié)構(gòu)特征及其變化情況,以期為自然保護區(qū)的森林景觀恢復(fù)及生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供參考。

1 研究區(qū)概況

丘北普者黑省級自然保護區(qū)位于云南省文山州丘北縣的中部,面積為10 669hm2,劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)。該區(qū)域?qū)俚途暭撅L(fēng)氣候,具有終年溫和濕潤的中亞熱帶氣候特征,海拔高度在1 446～1 860m之間。植被劃分為暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、灌叢和水生植被5個植被型；保護區(qū)內(nèi)共記錄維管植物151科448屬681種；野生動物304種,有鳥類 208 種,魚類89 種,兩棲動物6種,爬行動物10種,20種獸類。自然保護區(qū)及周圍地區(qū)歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次森林火災(zāi)和大規(guī)模盜伐事件,致使森林覆蓋率大幅度下降；后經(jīng)多年面山流域植被恢復(fù)、植樹造林,生態(tài)環(huán)境有所改善,但森林破碎化依然嚴(yán)重。

2 材料和方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)源采用2006年和2016年丘北普者黑省級自然保護區(qū)的兩期森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),以有林地和灌木林地作為森林分布區(qū)；功能分區(qū)矢量數(shù)據(jù)來源于丘北普者黑省級自然保護區(qū)管理局。

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA森林碎片分析

形態(tài)空間格局分析是基于腐蝕、膨脹、開啟、閉合等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)原理對柵格圖像的空間格局進行度量、識別和分割的一種圖像處理方法?；谶吘墝挾群蜕窒袼刂g的連通度,通過將森林斑塊分為核心(Core)、孔隙(Perforation)、孤島(Islet)、連接橋(Bridge)、邊緣(Edge)、分枝(Branch)和環(huán)(Loop)等7個相互排斥的景觀類型,并實現(xiàn)對景觀碎片量化描述[13]。核心是森林景觀區(qū)域的內(nèi)部片區(qū),與景觀邊界有一定距離；孤島是孤立的,面積太小不足以作為核心區(qū)的小斑塊；邊緣是核心類和主要非綠地區(qū)域之間的交接區(qū)域；連接橋是指連接至少2個不同核心的森林廊道；環(huán)是連接一處核心類的狹長綠色斑塊；分枝是非核心類區(qū)域且只有一端與邊緣類、環(huán)、橋或孔相連的斑塊(圖1)。本研究根據(jù)普者黑省級自然保護區(qū)土地利用類型矢量數(shù)據(jù),將研究區(qū)的有林地和灌木林地劃分為森林資源,作為前景像元,賦值為 1；其他用地類型劃分為非城市森林,作為背景像元,賦值為0,生成10m空間分辨率的森林/非森林二值柵格影像。采用MSPA方法,以邊緣寬度為2個像元,8個相鄰像元連通結(jié)構(gòu),測量用于表征每個森林像素所屬景觀類型。

圖1 森林空間形態(tài)類型

2.2.2森林破碎化指標(biāo)

根據(jù)森林斑塊類型量化信息,構(gòu)建森林破碎化指標(biāo)(表1),各項指標(biāo)由所在區(qū)域森林總面積進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,以確保不同區(qū)域的大小或森林的數(shù)量不影響結(jié)果[23]。其中:1)“ICore”表示森林核心棲息地的存在和豐富度。核心森林是破碎性研究中最常見的指標(biāo)之一,“ICore”值越高表示森林完整性越高,破碎水平越低[24]。2)“IPerforated”表示核心森林內(nèi)部邊緣效應(yīng)的程度,其值越高表明核心森林內(nèi)部的非森林斑塊面積越大,森林內(nèi)的破碎程度就較高；但是非常低的值也可能表示沒有足夠的核心森林允許穿孔的情況。3)“IIslet”表明存在孤立的非核心森林斑塊。森林孤島被認(rèn)為是小而貧瘠的森林殘余物,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較弱,“IIslet”值越高意味著森林具有更多的碎片；但是,孤島也可以被認(rèn)為是核心森林斑塊之間潛在的“踏腳石”[25]。4)“IBridge”代表了核心森林斑塊之間的結(jié)構(gòu)連通性,其值越高表明森林斑塊之間的連通性越好,但并不能表明破碎性就一定越低[26]。5)“IBranch”代表了森林的蔓延性,其值越高說明森林具有良好的連接性；反之則表明森林破碎化程度較高。6)“IEdges”代表了森林邊緣生境的影響程度,其值越高表明斑塊形狀越復(fù)雜,破碎化水平越高。

表1 森林破碎指標(biāo)特征及生態(tài)意義

3 結(jié)果與分析

3.1 森林景觀空間形態(tài)變化

利用MSPA方法對2006—2016年丘北普者黑保護區(qū)森林空間形態(tài)特征進行分析。各森林斑塊中,綠色代表森林核心類(深綠色為斑塊面積<10 hm2的小核心,綠色為斑塊面積≥10 hm2且<50 hm2的中核心,淺綠色為≥50 hm2的大核心),紅色代表連接橋,橙色代表分枝,黑色代表邊緣,棕色代表孤島,紫色代表穿孔,黃色代表環(huán)(圖2)。

圖2 2006—2016年普者黑保護區(qū)森林空間形態(tài)

由圖2可知,普者黑森林占保護區(qū)總面積不高；集中連片大核心森林斑塊主要分布在西部紅旗水庫及南部增產(chǎn)水庫周邊；中、小核心斑塊較多,主要分布在中部區(qū)域；島嶼、穿孔較少；在中小核心斑塊之間,分布有較多的分枝、橋和環(huán)。2006—2016年間,保護區(qū)森林景觀發(fā)生較大變化,森林占保護區(qū)總面積由28.27%上升至35.86%,面積增加808.45 hm2。從各類斑塊占保護區(qū)總面積比看,所有類型斑塊面積和占比均有所增加,其中:核心占比由20.11%上升至25.58%,面積增加583.15 hm2,主要以大核心斑塊為主；島嶼、穿孔、連接橋、環(huán)、分枝斑塊占比增加則相對較小。從保護區(qū)森林斑塊構(gòu)成比例看,核心森林景觀的主要構(gòu)成部分,均超過70%；雖然核心占比變化不大,但核心斑塊類型變化明顯,2016年中核心森林占比同2006年減少了1.05%,但大核心增加了1.02%；邊緣占比也由2006年的23.72%下降至2016年的21.53%,森林邊緣效應(yīng)相對減小；其他類型斑塊均有所增加(表2)。

表2 2006—2016年普者黑保護區(qū)森林類型統(tǒng)計量

總體上,普者黑保護區(qū)森林植被明顯得到改善,尤其是保護區(qū)北邊及南部大核心森林斑塊面積增加；東部的森林景觀也發(fā)生較大變化,中、小核心斑塊面積擴大合并成更大的核心,許多的小核心斑塊之間有大量的分枝和橋相連通,連通性增強,森林質(zhì)量趨好；但也應(yīng)注意到,保護區(qū)中部的中花村、打磨村的森林由大核心變?yōu)槌啥鄠€中、小類型斑塊,森林面積減少,破碎化明顯。森林景觀中邊緣類型占比減少,橋和分枝構(gòu)成比例增加,反映了保護區(qū)森林外延性和連通性增強,森林景觀破碎化得到較大改善。

3.2 森林景觀破碎特征變化

根據(jù)森林景觀空間形態(tài),計算出普者黑自然保護區(qū)及功能區(qū)的森林破碎指標(biāo)值,以反映森林景觀破碎化特征。由表3可知:1)森林完整性。2016年普者黑保護區(qū)的ICore值為71.52,比2006年增加0.16,核心區(qū)的為82.04；表明保護區(qū)森林的完整性略有提高,核心區(qū)的森林完整性要明顯高于緩沖區(qū)和實驗區(qū),但略有下降；而另外2區(qū)尤其是緩沖區(qū)的森林完整性提升明顯。2)森林內(nèi)部邊緣效應(yīng)。2016年保護區(qū)的IPerforated比2006年增加0.11,緩沖區(qū)的IPerforated值增加最多,但核心區(qū)的減少了-0.38,表明保護區(qū)(尤其是緩沖區(qū))的森林內(nèi)部邊緣效應(yīng)較小,但仍有增加；核心區(qū)的森林孔隙比率下降,邊緣效應(yīng)減??；穿孔斑塊僅出現(xiàn)于核心斑塊內(nèi)部,且各區(qū)的IPerforated值的變化與其ICore值變化存在關(guān)聯(lián)性。3)森林孤島變化。2006年保護區(qū)的IIslet值為0.11,核心區(qū)和實驗區(qū)IIslet值為0；截至2016年,保護區(qū)及各區(qū)的IIslet值均略增加；表明保護區(qū)內(nèi)的森林孤島較少,但呈現(xiàn)增長趨勢,且在實驗區(qū)增長較多。4)森林連通性。保護區(qū)及其各功能區(qū)森林的IBridge值均呈現(xiàn)增長趨勢,核心區(qū)增長最快；到2016年,各功能區(qū)中,緩沖區(qū)IBridge值最高,核心區(qū)最低；表明保護區(qū)森林之間的連通性得到提升,尤其是緩沖區(qū)的森林生態(tài)廊道相對較好,但核心區(qū)連通結(jié)構(gòu)改善最快；5)森林蔓延性。各區(qū)域IBranch值表明緩沖區(qū)森林的蔓延性相對較好,明顯優(yōu)于另外2區(qū)；各功能區(qū)的森林蔓延性均呈起增長趨勢,且緩沖區(qū)和襂區(qū)要明顯優(yōu)于核心區(qū)。6)森林邊緣效應(yīng)。其結(jié)果值表明在各功能區(qū)中,實驗區(qū)和緩沖區(qū)的森林邊緣效應(yīng)最大,森林破碎性較高；而核心區(qū)森林完整性較好,森林質(zhì)量較高；10年間,保護區(qū)森林邊緣效應(yīng)總體得到改善,尤其是緩沖區(qū)的IEdges值降幅最大,森林破碎性減小,森林邊緣效應(yīng)對森林內(nèi)部生境的影響明顯降低。

表3 2006—2016年普者黑保護區(qū)森林破碎化指標(biāo)統(tǒng)計

3.3 森林植被景觀破碎化分析

普者黑自然保護區(qū)森林植被類型主要分為暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、灌叢4個植被型,另有少量的喬木經(jīng)濟林及竹林。暖性針葉林主要為云南松林和云南油杉林,占森林面積的36.93%；常綠闊葉林主要為滇青岡、清香木和黃毛青岡林,占森林面積的8.89%；落葉闊葉林主要為櫟類林,占森林面積的17.28%；灌叢主要為竹葉椒、小果薔薇林及其它雜,占森林面積的34.47%。由表4各項指標(biāo)可知:在保護區(qū)各森林植被景觀中,落葉闊葉林完整性最高,沒有孤島,穿孔較少,邊緣效應(yīng)、景觀連通性和蔓延性均最低,植被景觀破碎相對小。暖性針葉林蔓延性較好,灌叢植被則核心較多但穿孔也多；暖性針葉林和灌叢植被景觀破碎性相近,完整性破碎特征差異較小,核心、孤島、連接橋和邊緣均相接近。常綠闊葉林植被則完整性最低,雖然沒有穿孔,連接性好；但孤島多,邊緣效應(yīng)高,景觀破碎相對高。常綠闊葉林內(nèi)物種豐富,生態(tài)功能價值高,在涵養(yǎng)水源、保持水土具有其他植被不可替代的生態(tài)作用,因此,加強常綠闊葉林植被保護與景觀修復(fù)對提升自然保護區(qū)生物多樣性價值具有重要意義。

表4 2016年普者黑保護區(qū)森林植被破碎化指標(biāo)統(tǒng)計

4 結(jié)論與討論

1) 本文采用MSPA方法,將森林景觀破碎化分為核心、孔隙、孤島、連接橋、邊緣、分枝和環(huán)等7個類型,并建立破碎化指標(biāo)對森林破碎化特征進行量化。實證結(jié)果表明，普者黑自然保護區(qū)森林植被明顯得到改善,森林完整性增強,邊緣效應(yīng)降低,連通性和蔓延性增強,景觀破碎化得到較大改善。各功能區(qū)森林破碎化特征存在差異性,緩沖區(qū)和實驗區(qū)森林質(zhì)量提升明顯,尤其是緩沖區(qū),森林完整性和蔓延性的增加、破碎性減少要明顯優(yōu)于另外2區(qū)；保護區(qū)尤其是實驗區(qū)小面積的森林島嶼增加明顯。零散森林小島嶼增多主要原因:一是部分分布在村莊周圍的完整森林受人為干擾形成較多破碎的小斑塊；二是許多零散的耕地及其他無立木地塊通過生態(tài)建設(shè)逐漸形成獨立的森林島嶼。

2) 森林破碎化特征的形成與地理環(huán)境和人為活動密切相關(guān)。普者黑自然保護區(qū)屬喀斯特地貌,河流湖泊較多,巖溶發(fā)育和土壤侵蝕嚴(yán)重,森林分布形狀較為不規(guī)劃,植被恢復(fù)難度也大；此外,保護區(qū)周邊分布著大量的村莊,耕地和建設(shè)用地比重較大,對森林干擾程度高,使得保護區(qū)森林破碎化加重,覆蓋率較低。近年來,保護區(qū)加大生物多樣性保護,通過開展人工恢復(fù)植被、封山育林、匯水面山植被修復(fù)等生態(tài)建設(shè)工程,森林質(zhì)量明顯提高,逐漸形成可以自然正向演替的新植被群落。同時,也應(yīng)注意到,保護區(qū)東及東南面的實驗區(qū),以普者黑村和仙人洞村為中心輻射的區(qū)域,自然資源豐富、風(fēng)景優(yōu)美,也是主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和旅游開發(fā)區(qū)域,受人為活動干擾也最大,森林破碎化仍然嚴(yán)重,生態(tài)保護與社區(qū)發(fā)展的矛盾較為突出。

3) 普者黑自然保護區(qū)地處云南省南亞熱帶和北亞熱帶的過渡地帶,以常綠闊葉林為地帶性植被。因歷史原因,這些常綠闊葉林受到極大破壞,景觀破碎化較為嚴(yán)重,形成了許多零散的小斑塊,形狀也極不規(guī)則；許多地帶逐漸退化演替為櫟類次生林。隨著植樹造林和封山育林工程實施,以云南松林、云南油杉林等人工林為主的暖溫性針葉林和各類灌叢成為保護區(qū)內(nèi)分布最廣的森林植被景觀；這2類植被景觀的內(nèi)部生境面積大,邊緣效應(yīng)小,蔓延性均較好,森林破碎相對較低。

4) 基于MSPA進行森林景觀形態(tài)類型的識別和破碎化分析,能夠快速、直觀地識別碎片空間形態(tài),有利于優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系,構(gòu)建生態(tài)廊道和生物多樣性保護網(wǎng)絡(luò),能夠為各級林業(yè)部門森林資源管理以及森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供決策服務(wù)和數(shù)據(jù)支持,提升森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。