基于MSPA普者黑自然保护区森林景观破碎化研究

黄晓园,叶远辉,张卓亚,王红崧,陈雅琳

(1.西南林业大学 地理与生态旅游学院,昆明 650224；2.西南林业大学 森林城市研究院,昆明 650224)

森林破碎化是生态文明建设的瓶颈之一,将导致森林质量不高、生态服务功能退化[1]。森林破碎化是连续的森林被逐渐分割成更小、更孤立的零碎斑块过程[2-3],从景观生态学角度看,主要表现为森林斑块数量增加、平均斑块面积减小、斑块形状趋于不规则、内部生境面积缩小、蔓延度、聚集度和连通度降低[4]。森林破碎化对生态服务功能产生重要的负面影响,可导致区域水土流失加剧、生物多样性降低、外来物种入侵风险加大和森林生态系统内部物质流和能量流减缓等多种负面效应[5]。了解森林破碎模式及其产生过程对于减少生态退化和保护残留森林斑块是非常重要的[6]。以往的森林破碎化研究主要集中在利用传统的景观指数来测度森林组成、配置模式,以及破碎化状态和变化趋势[7-9]。这类方法虽然能够很好的从整体上定量化描述破碎化情况,但局限于森林与非森林的关系,难以对森林空间格局的识别和量化,不能直观反映森林破碎化情况[10]。

1964年,Matheron首次将“数学形态学”运用到图像处理领域,通过具有形态特征的结构元素同栅格图像中某些形状对应,进行分类,达到简化图像数据的目的[11]。在此基础上,Soille[12]提出了形态学空间格局分析(Morphological Spatial Pattern Analysis,MSPA)方法。此后,MSPA方法不断运用在森林景观破碎化和构建森林网络方面的研究。Riitters等[13-14]基于MSPA方法,选择不同尺度的窗口分别对全球和美国的森林进行了破碎化分析。Vogt等[15]研究成果验证了MSPA方法在森林景观破碎的适用性,并逐渐被其他学者所借鉴。Reddy等[16]基于森林斑块类型变化分析了尼泊尔全国森林砍伐及其对森林破碎化的影响。Rahman等[17]利用核心、穿孔、边缘和斑块4种空间格局的比例来衡量孟加拉国Chunati野生动物保护区森林完整性和破碎化。李瑶等[18]基于50m空间分辨率森林分布图,将中国森林破碎化分为内部森林、孔洞森林、边缘森林、斑块森林、过渡森林和未确定森林6种类型。目前,MSPA已经有效地应用于景观连通性[19],绿色基础设施评估[20-21]及生态网络构建[22]。

自然保护地是生态建设的核心载体,在维护国家生态安全中居于首要地位。本文选择云南省丘北普者黑省级自然保护区为研究区,根据2006年和2016年两期森林森林分布图,结合地理信息系统技术、形态学空间格局分析法,绘制丘北普者黑自然保护区森林景观破碎化类型空间分布图；探索不同功能区的森林破碎化结构特征及其变化情况,以期为自然保护区的森林景观恢复及生态网络构建提供参考。

1 研究区概况

丘北普者黑省级自然保护区位于云南省文山州丘北县的中部,面积为10 669hm2,划分为核心区、缓冲区和实验区。该区域属低纬季风气候,具有终年温和湿润的中亚热带气候特征,海拔高度在1 446～1 860m之间。植被划分为暖性针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、灌丛和水生植被5个植被型；保护区内共记录维管植物151科448属681种；野生动物304种,有鸟类 208 种,鱼类89 种,两栖动物6种,爬行动物10种,20种兽类。自然保护区及周围地区历史上曾经发生过多次森林火灾和大规模盗伐事件,致使森林覆盖率大幅度下降；后经多年面山流域植被恢复、植树造林,生态环境有所改善,但森林破碎化依然严重。

2 材料和方法

2.1 数据来源

本文数据源采用2006年和2016年丘北普者黑省级自然保护区的两期森林资源二类调查数据,以有林地和灌木林地作为森林分布区；功能分区矢量数据来源于丘北普者黑省级自然保护区管理局。

2.2 研究方法

2.2.1基于MSPA森林碎片分析

形态空间格局分析是基于腐蚀、膨胀、开启、闭合等数学形态学原理对栅格图像的空间格局进行度量、识别和分割的一种图像处理方法。基于边缘宽度和森林像素之间的连通度,通过将森林斑块分为核心(Core)、孔隙(Perforation)、孤岛(Islet)、连接桥(Bridge)、边缘(Edge)、分枝(Branch)和环(Loop)等7个相互排斥的景观类型,并实现对景观碎片量化描述[13]。核心是森林景观区域的内部片区,与景观边界有一定距离；孤岛是孤立的,面积太小不足以作为核心区的小斑块；边缘是核心类和主要非绿地区域之间的交接区域；连接桥是指连接至少2个不同核心的森林廊道；环是连接一处核心类的狭长绿色斑块；分枝是非核心类区域且只有一端与边缘类、环、桥或孔相连的斑块(图1)。本研究根据普者黑省级自然保护区土地利用类型矢量数据,将研究区的有林地和灌木林地划分为森林资源,作为前景像元,赋值为 1；其他用地类型划分为非城市森林,作为背景像元,赋值为0,生成10m空间分辨率的森林/非森林二值栅格影像。采用MSPA方法,以边缘宽度为2个像元,8个相邻像元连通结构,测量用于表征每个森林像素所属景观类型。

图1 森林空间形态类型

2.2.2森林破碎化指标

根据森林斑块类型量化信息,构建森林破碎化指标(表1),各项指标由所在区域森林总面积进行标准化处理,以确保不同区域的大小或森林的数量不影响结果[23]。其中:1)“ICore”表示森林核心栖息地的存在和丰富度。核心森林是破碎性研究中最常见的指标之一,“ICore”值越高表示森林完整性越高,破碎水平越低[24]。2)“IPerforated”表示核心森林内部边缘效应的程度,其值越高表明核心森林内部的非森林斑块面积越大,森林内的破碎程度就较高；但是非常低的值也可能表示没有足够的核心森林允许穿孔的情况。3)“IIslet”表明存在孤立的非核心森林斑块。森林孤岛被认为是小而贫瘠的森林残余物,生态系统服务功能较弱,“IIslet”值越高意味着森林具有更多的碎片；但是,孤岛也可以被认为是核心森林斑块之间潜在的“踏脚石”[25]。4)“IBridge”代表了核心森林斑块之间的结构连通性,其值越高表明森林斑块之间的连通性越好,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,其值越高说明森林具有良好的连接性；反之则表明森林破碎化程度较高。6)“IEdges”代表了森林边缘生境的影响程度,其值越高表明斑块形状越复杂,破碎化水平越高。

表1 森林破碎指标特征及生态意义

3 结果与分析

3.1 森林景观空间形态变化

利用MSPA方法对2006—2016年丘北普者黑保护区森林空间形态特征进行分析。各森林斑块中,绿色代表森林核心类(深绿色为斑块面积<10 hm2的小核心,绿色为斑块面积≥10 hm2且<50 hm2的中核心,浅绿色为≥50 hm2的大核心),红色代表连接桥,橙色代表分枝,黑色代表边缘,棕色代表孤岛,紫色代表穿孔,黄色代表环(图2)。

图2 2006—2016年普者黑保护区森林空间形态

由图2可知,普者黑森林占保护区总面积不高；集中连片大核心森林斑块主要分布在西部红旗水库及南部增产水库周边；中、小核心斑块较多,主要分布在中部区域；岛屿、穿孔较少；在中小核心斑块之间,分布有较多的分枝、桥和环。2006—2016年间,保护区森林景观发生较大变化,森林占保护区总面积由28.27%上升至35.86%,面积增加808.45 hm2。从各类斑块占保护区总面积比看,所有类型斑块面积和占比均有所增加,其中:核心占比由20.11%上升至25.58%,面积增加583.15 hm2,主要以大核心斑块为主；岛屿、穿孔、连接桥、环、分枝斑块占比增加则相对较小。从保护区森林斑块构成比例看,核心森林景观的主要构成部分,均超过70%；虽然核心占比变化不大,但核心斑块类型变化明显,2016年中核心森林占比同2006年减少了1.05%,但大核心增加了1.02%；边缘占比也由2006年的23.72%下降至2016年的21.53%,森林边缘效应相对减小；其他类型斑块均有所增加(表2)。

表2 2006—2016年普者黑保护区森林类型统计量

总体上,普者黑保护区森林植被明显得到改善,尤其是保护区北边及南部大核心森林斑块面积增加；东部的森林景观也发生较大变化,中、小核心斑块面积扩大合并成更大的核心,许多的小核心斑块之间有大量的分枝和桥相连通,连通性增强,森林质量趋好；但也应注意到,保护区中部的中花村、打磨村的森林由大核心变为成多个中、小类型斑块,森林面积减少,破碎化明显。森林景观中边缘类型占比减少,桥和分枝构成比例增加,反映了保护区森林外延性和连通性增强,森林景观破碎化得到较大改善。

3.2 森林景观破碎特征变化

根据森林景观空间形态,计算出普者黑自然保护区及功能区的森林破碎指标值,以反映森林景观破碎化特征。由表3可知:1)森林完整性。2016年普者黑保护区的ICore值为71.52,比2006年增加0.16,核心区的为82.04；表明保护区森林的完整性略有提高,核心区的森林完整性要明显高于缓冲区和实验区,但略有下降；而另外2区尤其是缓冲区的森林完整性提升明显。2)森林内部边缘效应。2016年保护区的IPerforated比2006年增加0.11,缓冲区的IPerforated值增加最多,但核心区的减少了-0.38,表明保护区(尤其是缓冲区)的森林内部边缘效应较小,但仍有增加；核心区的森林孔隙比率下降,边缘效应减小；穿孔斑块仅出现于核心斑块内部,且各区的IPerforated值的变化与其ICore值变化存在关联性。3)森林孤岛变化。2006年保护区的IIslet值为0.11,核心区和实验区IIslet值为0；截至2016年,保护区及各区的IIslet值均略增加；表明保护区内的森林孤岛较少,但呈现增长趋势,且在实验区增长较多。4)森林连通性。保护区及其各功能区森林的IBridge值均呈现增长趋势,核心区增长最快；到2016年,各功能区中,缓冲区IBridge值最高,核心区最低；表明保护区森林之间的连通性得到提升,尤其是缓冲区的森林生态廊道相对较好,但核心区连通结构改善最快；5)森林蔓延性。各区域IBranch值表明缓冲区森林的蔓延性相对较好,明显优于另外2区；各功能区的森林蔓延性均呈起增长趋势,且缓冲区和襂区要明显优于核心区。6)森林边缘效应。其结果值表明在各功能区中,实验区和缓冲区的森林边缘效应最大,森林破碎性较高；而核心区森林完整性较好,森林质量较高；10年间,保护区森林边缘效应总体得到改善,尤其是缓冲区的IEdges值降幅最大,森林破碎性减小,森林边缘效应对森林内部生境的影响明显降低。

表3 2006—2016年普者黑保护区森林破碎化指标统计

3.3 森林植被景观破碎化分析

普者黑自然保护区森林植被类型主要分为暖性针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、灌丛4个植被型,另有少量的乔木经济林及竹林。暖性针叶林主要为云南松林和云南油杉林,占森林面积的36.93%；常绿阔叶林主要为滇青冈、清香木和黄毛青冈林,占森林面积的8.89%；落叶阔叶林主要为栎类林,占森林面积的17.28%；灌丛主要为竹叶椒、小果蔷薇林及其它杂,占森林面积的34.47%。由表4各项指标可知:在保护区各森林植被景观中,落叶阔叶林完整性最高,没有孤岛,穿孔较少,边缘效应、景观连通性和蔓延性均最低,植被景观破碎相对小。暖性针叶林蔓延性较好,灌丛植被则核心较多但穿孔也多；暖性针叶林和灌丛植被景观破碎性相近,完整性破碎特征差异较小,核心、孤岛、连接桥和边缘均相接近。常绿阔叶林植被则完整性最低,虽然没有穿孔,连接性好；但孤岛多,边缘效应高,景观破碎相对高。常绿阔叶林内物种丰富,生态功能价值高,在涵养水源、保持水土具有其他植被不可替代的生态作用,因此,加强常绿阔叶林植被保护与景观修复对提升自然保护区生物多样性价值具有重要意义。

表4 2016年普者黑保护区森林植被破碎化指标统计

4 结论与讨论

1) 本文采用MSPA方法,将森林景观破碎化分为核心、孔隙、孤岛、连接桥、边缘、分枝和环等7个类型,并建立破碎化指标对森林破碎化特征进行量化。实证结果表明，普者黑自然保护区森林植被明显得到改善,森林完整性增强,边缘效应降低,连通性和蔓延性增强,景观破碎化得到较大改善。各功能区森林破碎化特征存在差异性,缓冲区和实验区森林质量提升明显,尤其是缓冲区,森林完整性和蔓延性的增加、破碎性减少要明显优于另外2区；保护区尤其是实验区小面积的森林岛屿增加明显。零散森林小岛屿增多主要原因:一是部分分布在村庄周围的完整森林受人为干扰形成较多破碎的小斑块；二是许多零散的耕地及其他无立木地块通过生态建设逐渐形成独立的森林岛屿。

2) 森林破碎化特征的形成与地理环境和人为活动密切相关。普者黑自然保护区属喀斯特地貌,河流湖泊较多,岩溶发育和土壤侵蚀严重,森林分布形状较为不规划,植被恢复难度也大；此外,保护区周边分布着大量的村庄,耕地和建设用地比重较大,对森林干扰程度高,使得保护区森林破碎化加重,覆盖率较低。近年来,保护区加大生物多样性保护,通过开展人工恢复植被、封山育林、汇水面山植被修复等生态建设工程,森林质量明显提高,逐渐形成可以自然正向演替的新植被群落。同时,也应注意到,保护区东及东南面的实验区,以普者黑村和仙人洞村为中心辐射的区域,自然资源丰富、风景优美,也是主要的农业生产和旅游开发区域,受人为活动干扰也最大,森林破碎化仍然严重,生态保护与社区发展的矛盾较为突出。

3) 普者黑自然保护区地处云南省南亚热带和北亚热带的过渡地带,以常绿阔叶林为地带性植被。因历史原因,这些常绿阔叶林受到极大破坏,景观破碎化较为严重,形成了许多零散的小斑块,形状也极不规则；许多地带逐渐退化演替为栎类次生林。随着植树造林和封山育林工程实施,以云南松林、云南油杉林等人工林为主的暖温性针叶林和各类灌丛成为保护区内分布最广的森林植被景观；这2类植被景观的内部生境面积大,边缘效应小,蔓延性均较好,森林破碎相对较低。

4) 基于MSPA进行森林景观形态类型的识别和破碎化分析,能够快速、直观地识别碎片空间形态,有利于优化生态安全屏障体系,构建生态廊道和生物多样性保护网络,能够为各级林业部门森林资源管理以及森林生态网络建设提供决策服务和数据支持,提升森林生态系统质量和稳定性。