沈新華
(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,云南 昆明 650051)
位于西南邊陲的西雙版納勐??h是地球赤道上最重要的綠洲,是我國生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一,在國際上也被認為是重要的生物多樣性保護中心,具有極高的保護價值。近年來,隨著勐??h經(jīng)濟社會的快速發(fā)展,人工林景觀的不斷攀升和擴張,熱帶天然林景觀在慢慢地減少,生態(tài)系統(tǒng)原有的景觀結(jié)構(gòu)被破壞,影響了區(qū)域生態(tài)安全,因此,對勐海縣熱帶林景觀進行生態(tài)風(fēng)險評估,對為林業(yè)部門提供合理的發(fā)展規(guī)劃具有重要現(xiàn)實意義。
勐??h地處云南省西南邊境,隸屬于西雙版納傣族自治州,位于東經(jīng)99°56′~100°41′,北緯21°28′~22°28′。勐??h土地總面積53.7萬 hm2,林業(yè)用地面積36.86萬 hm2,占全縣土地總面積的68.69%;非林業(yè)用地面積16.8萬 hm2,占31.31%。全縣森林覆蓋率為62.9%。
本文以云南省西雙版納熱帶雨林植被保護較好的勐海縣為研究區(qū),以2005年和2015年森林資源二類調(diào)查空間數(shù)據(jù)庫為主要信息源。
以研究區(qū)的景觀特征和研究需要為出發(fā)點來劃分景觀類型,借助ArcGIS系統(tǒng)的支持,選用土地覆蓋類型作為一級景觀分類因子,將研究區(qū)一級景觀分為有林地、灌木林地、農(nóng)地、水域、建設(shè)用地5種景觀類型;進一步依據(jù)植被類型、景觀功能、人為干擾及景觀結(jié)構(gòu)類型等要素,結(jié)合社會經(jīng)濟發(fā)展,將研究區(qū)一級景觀中的有林地景觀劃分為人工橡膠林地和其它林地景觀,將灌木林地景觀劃分茶葉經(jīng)濟林(灌木經(jīng)濟林)及其它灌木林景觀。
景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)通過景觀干擾度與景觀脆弱度來表示,受人類或自然界的擾亂越強,生態(tài)環(huán)境就越危險。景觀干擾度指數(shù)的計算公式為:
Ui=aCi+bSi+cDi
(1)
式中:Ci為景觀破碎度,Si為景觀分離度,Di為景觀優(yōu)勢度,a、b、c為景觀指數(shù)權(quán)重,其中a+b+c=1,目前國內(nèi)已有的研究中[1-5],均將其分別賦值為0.5、0.3和0.2,對量綱不同的指數(shù)進行歸一化處理。
研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾因素就是人類活動。目前國內(nèi)對景觀脆弱性的研究主要是對其賦值[1,3],為了與其它指數(shù)一致,要對其進行歸一化處理。對勐海縣各類景觀類型的脆弱度指數(shù)進行賦值為:水域—10,茶葉地—8,橡膠林地—7,其他灌木林地—4,農(nóng)地—3,其他林地—2,建設(shè)用地—1。
景觀風(fēng)險指數(shù)Ri表示在受到破壞或自然條件改變時,各土地利用/覆蓋類型所受到的生態(tài)損失的差別,也就是自然屬性損失的程度大小,是某一景觀類型的干擾度指數(shù)和脆弱性指數(shù)的綜合表示,其計算公式為:
Ri=Ui×Fi
(2)
式中:Ui為景觀干擾度指數(shù),F(xiàn)i為景觀脆弱度指數(shù)。
作為生態(tài)風(fēng)險的逆向表達,景觀的干擾程度越大,脆弱性越強,區(qū)域生態(tài)環(huán)境的安全程度越低。為建立景觀結(jié)構(gòu)與區(qū)域綜合生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系,通過景觀要素的面積比例和生態(tài)風(fēng)險與景觀格局之間的經(jīng)驗關(guān)系,確定了生態(tài)安全與景觀格局之間的關(guān)系,并在樣地上描述綜合生態(tài)安全的相對大小,以便通過采樣方法將景觀空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成空間化的生態(tài)環(huán)境變量。其計算方法為:
(3)
式中:ESi為第k個研究單元的景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù),數(shù)值越大表明生態(tài)系統(tǒng)越安全,反之則越不安全;n為該單元的景觀類型總數(shù);Aki為第k個研究單元景觀類型i的面積;TAi為第k個研究單元的總面積。當(dāng)所有研究單元的生態(tài)安全指數(shù)計算完成后,對其生態(tài)安全指數(shù)進行歸一化處理,以便更好地反映區(qū)域各研究單元的相對生態(tài)安全程度。
大規(guī)模種植的人工樹種取代原有的農(nóng)地、其他林地、其他灌木林地等景觀類型,不僅使景觀結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)生改變,功能也會隨著變化。如果把景觀看作一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其功能是指與周圍環(huán)境、能量和信息的復(fù)雜相互關(guān)聯(lián),以及這種關(guān)聯(lián)影響下景觀內(nèi)部發(fā)生的各種變化,包括其中的物質(zhì)流、能量流和物種流[6]3種類型。在物質(zhì)流、能量流和物種流的相互作用下,各景觀類型表現(xiàn)出了調(diào)節(jié)氣候和水文、固碳釋氧、保育土壤、凈化空氣、積累營養(yǎng)物質(zhì)和美學(xué)與旅游等眾多功能。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值所反映的是通過生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能直接或間接得到的生命支持產(chǎn)品和服務(wù)。
本研究主要依據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)評估框架工作組提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類方法[7-8],建立勐??h生態(tài)經(jīng)濟價值評估指標(biāo)體系,以便于本研究的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估工作同其他的工作具備比較和參考性(表1)。本文僅限于研究其直接和間接經(jīng)濟價值。
表1 勐??h生態(tài)服務(wù)價值評估指標(biāo)體系
由于人工林的種植需要特定的環(huán)境,因此其種植地塊在空間上較集中,降低了生態(tài)景觀異質(zhì)性。因此,要全面反映一個人工林種植區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,單憑景觀結(jié)構(gòu)是不夠的,人工起源的林木代替之前的農(nóng)地、其他林地、其他灌木林地等景觀類型,會同時引起景觀類型結(jié)構(gòu)和區(qū)域景觀功能產(chǎn)生改變,因為每種景觀類型的生態(tài)功能均不一樣。因此,以景觀干擾度和景觀脆弱度構(gòu)建景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù),同時引入生態(tài)服務(wù)價值構(gòu)建景觀功能安全指數(shù),綜合景觀結(jié)構(gòu)與功能兩方面對生態(tài)安全性進行研究,對景觀生態(tài)安全評價及景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面具有重要的理論和實用價值。
采用專家打分的方法得出[9]:景觀結(jié)構(gòu)和功能相對于景觀生態(tài)安全度的權(quán)重相同,說明景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)與景觀功能安全指數(shù)對于景觀生態(tài)安全的影響是同等重要的。因此將兩者的幾何平均值作為景觀類型生態(tài)安全值,得到網(wǎng)格景觀生態(tài)安全度的計算公式為:
(4)
(5)
式中:ESIk為第k網(wǎng)格的景觀生態(tài)安全度;Aki為第i類景觀類型在第k網(wǎng)格內(nèi)所占的面積;Ak為第k網(wǎng)格的總面積;m為第k網(wǎng)格中景觀類型總數(shù)目;ESIi為景觀類型生態(tài)安全度;ESi為景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù);ESVi為景觀功能安全指數(shù)。
由于網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格單元在數(shù)據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計中比基于行政和景觀單元的網(wǎng)格單元更能準(zhǔn)確地反映評價單元的內(nèi)部信息,數(shù)據(jù)處理更有利于多源數(shù)據(jù)的融合和分析,因此在環(huán)境評價和生態(tài)監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。
利用 ArcGIS 中的Fishnet工具生成矢量信息網(wǎng)格,生成研究區(qū)行政區(qū)域?qū)嶓w數(shù)據(jù),并與其他數(shù)據(jù)疊加,實現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化,利用綜合評價模型計算,得到各網(wǎng)格的生態(tài)安全指數(shù)。
目前主要通過空間粒度放大實驗來選擇最佳尺度[10],即對比不同尺度下的研究結(jié)果,從設(shè)定尺度中選擇出最佳尺度。通過構(gòu)建100 m×100 m、200 m×200 m、300 m×300 m、400 m×400 m、500 m×500 m、600 m×600 m、700 m×700 m、800 m×800 m及900 m×900 m尺度,采用公式(4)計算勐海縣景觀生態(tài)安全度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、尺度變異系數(shù)、尺度變化率等因子(表2)。
圖1 尺度變化率與網(wǎng)格大小的關(guān)系Fig.1 Relationship between grid size and scale change rate
1)隨著網(wǎng)格尺度的增大,勐海縣景觀生態(tài)安全度空間差異細節(jié)的表現(xiàn)逐漸降低。為更好地反映勐海縣景觀生態(tài)安全空間分異的細節(jié)性,應(yīng)選擇較小的尺度進行分析。當(dāng)處于900 m×900 m網(wǎng)格時,僅顯示出較為粗略的空間分異特征,因此大于900 m× 900 m不加以考慮。
2)從尺度變化率圖中可以看出,在100m×100m時尺度變化率不穩(wěn)定,變化較大,從200m×200m時開始變化率趨于平穩(wěn)。綜上所述,勐海縣景觀生態(tài)安全度計算的最佳尺度為200 m×200 m。
利用轉(zhuǎn)移矩陣分析景觀要素的變化,可以反映景觀要素從T時間向T+1時間的變化。傳遞矩陣可以用來量化景觀要素之間的轉(zhuǎn)化量。
2005—2015年景觀要素轉(zhuǎn)移特征的提取可以根據(jù)地圖代數(shù)原理,對2005年和2015年的景觀格局類型圖進行處理,在ArcInfo中將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù),利用ERDAS的矩陣分析功能,將上述兩期數(shù)據(jù)進行疊加,生成景觀動態(tài)變化圖,采用地圖代數(shù)方法進行轉(zhuǎn)移信息提取,從而得到兩個時段間研究區(qū)各景觀要素之間的轉(zhuǎn)移矩陣,其計算公式為:
(6)
表3 2005—2015年研究區(qū)各景觀類型流入轉(zhuǎn)出面積
通過對2005年、2015年勐??h各景觀類型的空間轉(zhuǎn)移分析可知:勐??h各景觀類型空間轉(zhuǎn)移很頻繁,在經(jīng)濟和政策影響下的橡膠林地、茶葉地、建設(shè)用地面積在空間轉(zhuǎn)移上以流入為主;以天然林為主的其他林地、其他灌木林地以轉(zhuǎn)出為主。
景觀破碎度指數(shù)(Ci)、景觀分離度指數(shù)(Si)、景觀優(yōu)勢度指數(shù)(Di)、景觀干擾度指數(shù)(Ui)、景觀脆弱度指數(shù)(Fi)、景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)(ESi)等景觀結(jié)構(gòu)要素計算結(jié)果見表4。
表4 研究區(qū)2005年與2015年各景觀結(jié)構(gòu)要素計算結(jié)果
2005年景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)按大小排列為:其他林地>建設(shè)用地>農(nóng)地>其他灌木林地>橡膠林地>茶葉地>水域;其他林地的景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)最大,在4種林地景觀類型中,天然林景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)大于人工林。2015年景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)按大小排列為:建設(shè)用地>其他林地>農(nóng)地>橡膠林地>茶葉地>其他灌木林地>水域,與2005年相比,排列順序已經(jīng)發(fā)生了變化,建設(shè)用地的景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)變?yōu)樽畲螅?0年間其他灌木林地和農(nóng)地由于面積減少,對應(yīng)的景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)分別減少了8.19%和0.14%;其他林地由于減少的面積比例太小,10年間反映在景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)上沒有變化,而水域、橡膠林地、茶葉地和建設(shè)用地由于面積的增加,景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)分別增加了7.46%、2.64%、2.25%、0.36%;2015年在4種林地景觀類型中,其他林地的景觀結(jié)構(gòu)安全指數(shù)還是最大,其他灌木林地已變?yōu)樽钚 ?/p>
經(jīng)過計算,得出勐??h2005年和2015年各景觀類型單位面積生態(tài)服務(wù)價值(表5)。
表5 2005年和2015年各景觀類型單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值
由于本文只研究各景觀類型的相對生態(tài)安全性,從生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量表就能表示出各景觀類型景觀功能的差異性,因此將單位面積生態(tài)服務(wù)價值當(dāng)量值作為各景觀類型的功能安全指數(shù)表征(表6)。
表6 2005年和2015年景觀功能安全指數(shù)
10年間,由于茶葉價格一直在上漲,茶葉地的景觀功能安全指數(shù)在所有景觀類型中最高;其他林地、其他灌木林地和農(nóng)地的景觀功能安全指數(shù)一直在緩慢增長;而橡膠地林由于干膠價格下降,是唯一個景觀功能安全指數(shù)下降的景觀類型。
經(jīng)過計算,2005年勐海縣其他林地的生態(tài)安全度值最高,至2015年,由于茶葉價格的上漲帶動了茶葉地景觀功能安全指數(shù)的大幅上漲,使其生態(tài)安全度超過了其他林地;而由于橡膠價格下跌,橡膠林的生態(tài)安全度與2005年相比有所下降;其他灌木林地由于面積的大幅下降,帶動了其結(jié)構(gòu)安全指數(shù)的下降,導(dǎo)致了生態(tài)安全度下降(表7)。
2005年勐??h景觀類型生態(tài)安全度范圍為 0.986 7~2.782 0,按大小排列為其他林地>茶葉地>橡膠林地>其他灌木林地>水域>農(nóng)地>建設(shè)用地;2015年各景觀類型生態(tài)安全度范圍為 0.988 5~3.129 3,按大小排列為:茶葉地>其他林地>水域>橡膠林地>其他灌木林地>農(nóng)地>建設(shè)用地。從表4的計算結(jié)果得出,2005年以天然林為代表的其他林地和其他灌木林地的結(jié)構(gòu)安全指數(shù)要大于以人工林為主的茶葉地和橡膠林地,由于茶葉價格的不斷上漲,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值也在不斷上升,2015年茶葉地的生態(tài)安全度最高,同樣的情況還有水域,由于水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和水產(chǎn)品價格的上漲,勐海水域的生態(tài)安全度從2005年的1.4768上升至2015年的2.5780;而橡膠地的生態(tài)安全度由于橡膠價格的不斷下跌,導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值不斷下降,生態(tài)安全度從2005年的2.0515下降為1.9653。2005—2015年,橡膠林地、茶葉地大面積取代原有農(nóng)地、其他林地、其他灌木林地等景觀類型,原來的破碎斑塊合并,使得橡膠林地、茶葉地、水域的結(jié)構(gòu)安全度逐步升高,農(nóng)地、其他灌木林地的生態(tài)安全度逐步下降。雖然建設(shè)用地結(jié)構(gòu)安全度處于相對較高水平(0.977 1),但所能提供的生態(tài)服務(wù)價值為零,導(dǎo)致其生態(tài)安全度一直都是最低。
2005—2015年,景觀類型生態(tài)安全度除其他灌木林、橡膠地分別降低4.38%和1.51%外,其他景觀類型的生態(tài)安全度均升高,其中水域和茶葉地分別升高了42.7%和16.6%。2005年與2015年各類型景觀功能安全性的排序變動較大(除農(nóng)地和建設(shè)用地的排序不變外),因此當(dāng)景觀類型面積、空間布局和生態(tài)服務(wù)價值發(fā)生較大變化時,區(qū)域生態(tài)安全將發(fā)生變化。
采用Frgstats 4.2與ArcGIS 10.5等軟件,根據(jù)式(4)計算每個網(wǎng)格的景觀生態(tài)安全度。為了表現(xiàn)勐??h生態(tài)安全的時空變化特征,采用自然段點分類(Natural Breaks)將景觀生態(tài)安全度分為3級:2005年,Ⅰ≤1.807 1,1.807 1<Ⅱ≤2.440 8,Ⅲ>2.440 8;2015年,Ⅰ≤2.082 8,2.082 8<Ⅱ≤2.659 7,Ⅲ> 2.6597(圖2)。
圖2 景觀生態(tài)安全度等級Fig.2 Classification of landscape ecological security degree
Ⅰ級生態(tài)安全度特征:Ⅰ級生態(tài)安全度最低,景觀類型以建設(shè)用地和農(nóng)地等非林地為主,分布在低海拔壩區(qū),人類活動頻繁,是勐海縣糧食主產(chǎn)區(qū),區(qū)域以勐海鎮(zhèn)、勐混鎮(zhèn)和勐遮鎮(zhèn)為主。
Ⅱ級生態(tài)安全度特征:Ⅱ級生態(tài)安全度居中,景觀類型多處于茶葉地和其他林地結(jié)合部,景觀類型多樣,分布區(qū)域較分散。
Ⅲ級生態(tài)安全度特征:Ⅲ級生態(tài)安全度最高,景觀類型以其他林地和茶葉地為主,分布區(qū)域遠離城鎮(zhèn)和農(nóng)地,是勐??h植被最好,占地面積最大,生態(tài)區(qū)位最重要區(qū)域,以布朗山鄉(xiāng)、勐阿鎮(zhèn)、勐往鄉(xiāng)為主。
1)景觀類型空間轉(zhuǎn)移分析
通過對2005年、2015年勐海縣各景觀類型的空間轉(zhuǎn)移分析可知:勐??h各景觀類型空間轉(zhuǎn)移較頻繁,在經(jīng)濟和政策影響下橡膠林地和茶葉地面積在空間轉(zhuǎn)移上以流入為主,10年間茶葉地凈流入面積為 25 592.2 hm2,占2005年茶葉地面積的102.78%;橡膠林地凈流入面積為 18 653.7 hm2,占2005年橡膠林地面積的126.30%。以天然林為主的其他林地、其他灌木林地在空間轉(zhuǎn)移上以轉(zhuǎn)出為主,10年間其他林地凈轉(zhuǎn)出面積為 2 738.4 hm2,占2005年其他林地面積的0.87%;其他灌木林地凈轉(zhuǎn)出面積為 12 246.6 hm2,占2005年其他灌木林地面積的89.89%,由于勐??h政府重視林業(yè)的發(fā)展,進行了退耕還林等一系列造林任務(wù),農(nóng)地以凈轉(zhuǎn)出為主。
2)景觀生態(tài)安全度
2005年與2015年各景觀類型生態(tài)安全度范圍為 0.986 7~2.782 0和 0.988 5~3.129 3;2005年以天然林為代表的其他林地和其他灌木林地的結(jié)構(gòu)安全指數(shù)要大于以人工林為主的茶葉地和橡膠林地,至2015年其他林地結(jié)構(gòu)安全指數(shù)最大,以人工林為主的茶葉地和橡膠林地已經(jīng)超過其他灌木林地。隨著茶葉價格的不斷上漲,茶葉的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能不斷上升,2015年茶葉地的生態(tài)安全度已經(jīng)超過了其他林地。2005—2015年,景觀類型生態(tài)安全度除其他灌木林、橡膠林分別降低4.38%和1.51%外,其他景觀類型的生態(tài)安全度均升高,其中水域和茶葉地分別升高了42.7%和16.6%。
3)景觀安全等級
2005—2015年全縣景觀生態(tài)安全平均值由 2.279 0 增加到 2.527 0,增加了9.81 %,但景觀生態(tài)安全等級未發(fā)生變化仍處于Ⅱ級,說明10年間勐??h景觀生態(tài)安全具有變好的趨勢,但仍處于中等水平。2005—2015年各等級景觀生態(tài)安全隨時間變化的主要趨勢為:Ⅰ級和Ⅲ級面積分別增加了 2 001.25 hm2、23 593 hm2,而Ⅱ級則減少了 25 594.25 hm2,景觀生態(tài)安全等級Ⅲ級面積最大,說明10年間勐??h生態(tài)環(huán)境處于相對較好的狀態(tài)。雖然各生態(tài)安全等級面積均發(fā)生變化,但Ⅲ級所占權(quán)重還是最大,對整個區(qū)域的景觀生態(tài)安全起決定性作用。
勐??h作為我國亞熱帶原始森林主要區(qū)域,聲名遠揚,對境內(nèi)的天然林保護更顯得十分迫切,特別是對天然水源林和國有林更要嚴格保護。
1)動員全社會廣泛參與
加大宣傳力度,提升公眾的熱帶林保護意識,探索建立和完善熱帶林保護利用的參與式共管機制;加強國內(nèi)外的交流與合作,調(diào)動國內(nèi)外利益相關(guān)方參與熱帶林保護的積極性,提高各利益相關(guān)群體的參與程度。開展社區(qū)脫貧示范,降低熱帶林自然資源消耗。
2)加大林業(yè)執(zhí)法力度
雖然研究期內(nèi)勐??h的生態(tài)安全度在升高,但侵占天然林現(xiàn)象仍然存在,主要表現(xiàn)在侵占農(nóng)耕地邊緣林地、毀林墾殖(毀有林地種香蕉等)、毀林造林(毀有林地種植經(jīng)濟林)等。據(jù)2015年的森林資源二類調(diào)查,勐??h森林覆蓋率比上期提高,但天然喬木林覆蓋率卻比上期減少一個百分點,在一定程度上已反映出所存在的問題。因此,加強天然林保護,一方面需增強森林執(zhí)法人員和護林員的責(zé)任感,加大宣傳和巡查力度,做到有案必查,決不隱瞞。另一方面要加大打擊力度,嚴格按森林法處罰毀林案件,增大林政執(zhí)法震懾力,有效保護現(xiàn)有天然林資源。
3)完善熱帶林保護體系
茶葉和橡膠是勐??h經(jīng)濟林中的兩大優(yōu)勢產(chǎn)業(yè),受近年來市場價格上漲所趨,部分群眾盲目進行開發(fā)種植,如在天然林里種植茶葉、橡膠等。這些不合理的開發(fā)種植方式,破壞了當(dāng)?shù)厣锒鄻有?。因此?yīng)加大管理力度,禁止天然林下造林,杜絕毀天然林造經(jīng)濟林、種植香蕉等不合理的開發(fā)種植方式,保護當(dāng)?shù)厣锒鄻有?。對于具有較高生態(tài)保護價值的熱帶雨林區(qū),有必要在未來土地利用規(guī)劃中借鑒景觀生態(tài)學(xué)原則,開發(fā)利用有林地區(qū)域時應(yīng)保證其一定面積核心區(qū)的存在,并盡量保持其功能上的聯(lián)系性,以避免其結(jié)構(gòu)和功能上的破碎化,從而促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。