大面积人工园林种植区生态连接度研究——以澜沧县为例

谢鹏飞，赵筱青，张龙飞

(云南大学 资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091)



大面积人工园林种植区生态连接度研究
——以澜沧县为例

谢鹏飞，赵筱青*，张龙飞

(云南大学 资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091)

采用障碍影响指数(BEI)和生态连接度指数(ECI)，利用最小累积阻力模型(MCR)，对大规模人工园林种植区澜沧县的生态连接度进行分析，结果表明：(1)澜沧县整体生态环境受到人类活动的干扰较小，ECI低等级的地类面积仅占5.40%，ECI中等级的地类面积占18.25%，ECI高等级以上的地类面积占76.35%，且ECI在空间分布上呈明显的过度性；(2)自然林在ECI2级上所占比例较大且与ECI1和ECI3的差值也大，说明澜沧县自然林斑块中存在一定的“孤岛”现象；(3)绝大多数人工园林分布于高ECI等级区域，但澜沧县西南区域的大片林种结构单一的人工林斑块，实际上对生态连接度造成了一定的影响。澜沧县总体生态连接度水平较高，避免形成以人工园林斑块和公路网为主的包围态势，将是提高生态连接度的有效途径。

生态连接度；大面积人工园林种植区；澜沧县

0 引言

景观生态学自20世纪80年代形成以来，重点关注地理空间景观格局与不同尺度生态过程间的相互交叉作用[1]，生态连接度是其重点研究内容之一。生态连接度常用于描述不同景观斑块在物质、能量、物种的流动迁移以及生态结构、过程、功能间的有机联系，是反映景观功能和景观破碎化程度的一个重要指标[1-3]。因此，生态连接度分析对指导区域景观格局规划、生物多样性保护等有重要意义。

近年来，国内外学者对生态连接度的理论体系、计量方法、评价指标以及生态连接度与景观格局功能的关系进行了大量研究[3-6]，取得了一系列成果，特别在生物迁徙扩散等生态过程的描述[7]、城市景观生态规划[8]、生物多样性保护[9]、景观生态安全格局划分[10]等领域。但在当前国内外研究中，应用生态连接度来分析大面积人工园林种植区域的生态结构与功能较为少见。因此，本文以云南省澜沧县为例，运用MCR模型，分析澜沧县大面积人工园林种植对区域生态连接度的影响，为区域生物多样性保护、维持区域生态系统稳定、协调经济发展与生态保护的关系提供一定的参考。

1 研究区概况、数据准备及研究方法

1.1 研究区概况

澜沧县位于云南省西南部普洱市境内，地处东经99°29′～100°35′、北纬22°01′～23°16′，全县总面积8 807 km2，为云南省第二大县，毗邻缅甸，全县以农业生产活动为主。地势西北高、东南低，属南亚热带夏湿冬干山地季风气候；雨量充沛，日照充足，干雨季分明，适宜甘蔗、茶叶、橡胶、咖啡、南药、水果等经济作物生长。澜沧县自2003年以来大规模引种桉树等人工园林，截止到2010年种植有桉树、橡胶人工园林超过32 750 hm2，占全县总面积的3.72%，人工桉树林分布在研究区各个部分，以中部地区相对较为集中。同时，澜沧县还拥有大片的思茅松林即针叶林，主要分布于澜沧县北部、中部及西南区域，总面积超过2.7×104hm2。

图1 澜沧县区位示意图Fig.1 Location of Lancang County

1.2 数据准备

以澜沧县2010年TM遥感影像图为基础，根据土地利用现状分类标准(GB/T2010～2007)，结合研究区土地利用的特点和研究目的，将用地类型划分成13类，包括：建制镇用地、农村居民点用地、道路交通用地、水田、旱地、茶园、阔叶林、灌木林、针叶林、桉树林、橡胶园、自然保留地以及水域。遥感解译是在实地考察，并参考《澜沧县土地利用总体规划(2010～2020)》数据库中的基期地类图斑、澜沧县林相图、Google Earth软件第18级别以上卫星图片等的基础上，建立解译标志，在ENVI4.8中采用决策树分类法进行分类。受遥感影像分辨率的限制，农村居民点用地以《总规》数据库中的分类结果替代；桉树林及橡胶林则根据收集的种植图斑数据进行空间替换。除桉树、橡胶及农村居民点用地外，其他各类用地样本的模板精度均超过85%(采用特征空间分类原则)，符合分类要求。

2 研究方法

澜沧县生态连接度评价是基于最小累积阻力模型(MCR)[8]，首先划分研究区主要人工障碍类型源，根据土地利用类型划分研究区景观基质阻力面，依据MCR模型得到障碍影响指数(BEI)[11]。然后以研究区主要生态功能区为源，以BEI为阻力面，再次采用MCR模型得到澜沧县生态连接度指数(ECI)[6]，具体过程如下。

图2 技术路线Fig.2 Technology road map

2.1 最小累积阻力模型

最小累积阻力模型(MCR)是指从“源”出发经过不同基质阻力面所耗费的最小累积阻力值，它是一种“加权距离(Cost Distance)”，反映了源、景观基质特征以及距离3个方面的因素[12]，是对景观结构与功能联系程度的度量表达。MCR模型基本公式如下：

式中：f表示空间任意点的最小阻力值与其到所有源的距离和景观基质特征的正相关关系；Dij表示从源j出发穿过阻力面到达任意点i的距离；Ri表示空间点i到最近源的阻力值[13]。

2.2 障碍影响指数(BEI)

障碍影响指数(Barrier Effect Index)，是指不同的人工建设用地对区域景观斑块间连接性的影响程度。根据Kaule等人的研究成果，某一特定人工障碍物产生的影响将随着距离的增加呈对数规律降低[11]。具体计算公式如下：

YSi=bs-ks1×ln(ks2×(bs-dsi)+1)

(1)

(2)

式(1)中：YSi表示第i个像元到s种障碍物产生的障碍效应；bs表示第s种障碍物的权重值；ks1、ks2表示为将不同障碍类型指数的递减对数曲线调整为标准对数函数曲线时的形态调整系数；dsi表示景观基质阻力面(表3)中第i个像元到第s类障碍类型源(表2)的最小耗费距离值；式(2)中BEIi表示第i个像元的障碍影响指数。

2.3 生态连接度指数(ECI)

生态连接度(Ecological Connectivity Index)是描述不同景观斑块在物质、能量、物种的流动迁移以及生态结构、过程、功能间的有机联系，是反映景观功能和景观破碎化程度的指标。以区域生态功能分区斑块为“源”(源Ⅱ)，BEI为阻力面计算生态连接度，具体计算方法参考相关研究[6，14]，其模型表达如下：

(3)

(4)

式(3)中：dri表示上述BEI阻力面中第i个像元到第R类生态功能区(表1)的最小耗费距离；di表示各个像元到所有生态功能区的总耗费距离；式(4)中ECIi表示第i个像元的生态连接度指数；dmax、dmin表示像元到各生态功能区总耗费距离di中的最大值和最小值。

3 结果与分析

3.1 “源”及“阻力面”的划分结果

3.1.1 障碍类型的划分——“源Ⅰ”

障碍类型源主要是指造成区域景观格局破碎化、干扰生态系统物质、能量流动的景观斑块。

因此澜沧县主要障碍类型为人工建制镇用地、公路用地、农村居民点用地。参考澜沧县土地利用现状，结合有关人工障碍用地划分研究[6]，确定澜沧县主要障碍源及其权重值。

表1 澜沧县主要障碍类型及其权重——“源Ⅰ”Tab.1 Basic barrier type and its weight coefficient in Lancang Country

注：ks1、ks2表示将不同障碍类型指数的递减对数曲线调整为标准对数函数曲线时的形态调整系数.

3.1.2 生态功能区——“源Ⅱ”

生态功能区的划分是生态系统研究以及生态环境保护的基础，体现区域环境现状，包括自然条件、经济发展需求等。本文依据澜沧县土地利用现状，以连接成片、生态功能相似的原则，确定澜沧县土地利用生态功能分区，其最小面积限制参考相关研究[6，14，16，17]。澜沧县由于大规模种植桉树、橡胶、思茅松林等人工经济园林，其中桉树、橡胶为外来树种，思茅松林为本地树种，为了研究方便，本文将它们单独划作一类生态用地区(表2)。

3.1.3 景观基质及其阻力值——“阻力面”

为了确定公式(1)中dsi值，根据国内外相关研究结果[3，6，11，14]，并结合澜沧县实际土地利用现状图，将研究区用途相似的地类合并成建设用地、农业用地、自然林、人工经济园林、自然未利用地、水体等6种景观基质类型，以确定MCR模型的阻力面。其中d反映了障碍源能对此6种景观基质类型产生影响的最大距离，阻力值Z=100/d。

表2 澜沧县生态功能区划分——“源Ⅱ”Tab.2 Ecological function areas of Lancang Country hm2

表3 澜沧县景观基质阻力Tab.3 Landscape matrix and its resistance value in Lancang Country

3.2 人工建设用地障碍影响指数分析

以表1中S1-S3为障碍源、表3为基础划分阻力面，经ArcGIS成本距离制图工具，得到澜沧县2010年人工建设用地障碍影响指数的空间分布，并将其以等距离重分成0～10个等级(图3左)。

图3中，澜沧县障碍影响指数低的区域多分布于该县边界地区，高障碍影响指数的区域多分布于县境北部、中部等建设用地集中的区域，以及主要公路沿线两侧。整体上澜沧县障碍影响指数并不高，但县境内部低BEI地区有被公路用地、建制镇用地所包围的趋势，存在一定程度的人为干扰威胁，继续发展将不利于区域景观结构在空间上的联系。

3.3 生态连接度分析

以碍影响指数(BEI)空间分局结果为“阻力面”，以生态功能区为“源”(表2)，再次采用MCR模型，结合公式(3)、(4)，并等距重分成1～5个级别，得到澜沧县ECI分布结果(图3右)。

澜沧县生态连接度较高，ECI处于高连接性以上的总面积超过了76%。高连接性和极高连接性面积分别占43.50%和32.85%；连接性较低的面积不超过6%，中连接性区域面积超过18%，说明澜沧县高生态连接度与低生态连接度之间存在明显的过度。澜沧县生态连接度高的区域主要分布于县城周边以及中部区域，低连接性地区主要分布于县城北部、中部、西南以及东南部分地区。其中西南部现状用地主要是针叶林，林种结构单一、与其他生态区相对较孤立，同时受公路以及外来桉树、橡胶园的隔绝效应影响，生态连接度较低；而其他低连接性区域则主要是受人工建设用地的影响，中连接性区域则大多沿公路线分布。各用地类型的ECI组成比例见表5。

表4 澜沧县ECI分级统计Tab.4 ECI classification statistics of Lancang County

表5 不同用地类型在ECI上的比例Tab.5 The distribution of land use on the ECI %

从表5可以看出，澜沧县建设用地集中分布于ECI1和ECI3级上，其中ECI1级上主要为建制镇用地，公路主要分布在ECI2-3级上，农村居民点用地则主要分布于ECI3-4级；除建设用以外的其他用地类型则主要分布于ECI3-5级。虽然自然林、人工园林等地类自身在低ECI等级上的比例很小但实际面积很大：ECI1级上人工园林最多，其次为建设用地，这与澜沧县建设用地分布不集中和面积相对较小存在一定的关系。可以看出：

第一，建设用地集中分布于ECI1级上，是影响区域生态连接度的主要地类。

第二，自然林在ECI3级以上的分布均占优势，说明自然林是澜沧县主要的生态用地类型，事实上它也是面积最大的地类，对促进澜沧县生态系统物质、能量等的流通，以及生态功能的正常发挥将起到至关重要的作用。

第三，自然林在ECI2级上所占比例与ECI1和ECI3的差值均较大，也说明澜沧县自然林斑块中存在一定的“生态孤岛”现象。

第四，对比自然林，人工园林相对在各ECI级上有均较大分布，说明人工园林在一定程度上既能阻碍区域生态连接又能促进区域生态连接。由于澜沧县人工园林存在本地树种(思茅松林)和外来树种(桉树、橡胶园)，因此本研究中人工园林对区域生态连接度的影响需要进一步分析。

3.4 大面积人工园林种植对区域生态连接度的影响

澜沧县自2003年开始大面积引种外来桉树、橡胶等经济树种，面积超过30 hm2的连片种植区主要分布于澜沧县中部偏西及偏西南的区域。同时，澜沧县还拥有大片的人工思茅松林即针叶林，主要分布于澜沧县北部、中部及西南区域。桉树林、橡胶园及针叶林在各ECI等级面上的分布比例及其面积如下。

图4 人工园林在ECI上的分布Fig.4 The distribution of Artificial forest on ECI

澜沧县人工园林主要分布于ECI3-5级，其中桉树有超过82%分布ECI4级以上；橡胶园则相对更集中，有超过55%分布于ECI4上；针叶林有43%处于ECI4级，有30.18%处于ECI5级。净面积上看，针叶林在ECI1-5上都占据对优势，这与其总面积基数大有关。单从人工园林ECI分布结构来看，人工园林并没有对区域生态连接造成较大的影响。但实际上，低连接和中度连接度的人工园林主要分布于澜沧县西南地区和东部地区，高连接性的人工园林则主要分布于澜沧县中部地区和北部边境区域。我们以澜沧县西南区域的人工园林空间分布(图5)，结合澜沧县西南区域ECI空间分布结果，分析人工园林种植对区域生态连接度的影响。

图5 澜沧县西南区域人工园林及ECI空间分布示意图Fig.5 Artificial forest and ECI in southwest regional of Lancang County

以图中间的公路为界，公路西南方生态连接度低而东北方连接度相对较高。对比发现，东北区域虽然存在公路网的半包围态势，但留有一定的与北方大片自然林区沟通的廊道，相对更为开阔，且其中还包括有大量的阔叶林等其他林地类型，林种结构更趋合理；而西南地区以针叶林为主体，自然林种结构较为单一，又有以桉树、橡胶园、公路网为主的包围趋势，实际上隔离了此部分针叶林的外界联系，使这部分针叶林被迫成为“孤岛”，从而使该区域生态连接度大幅降低。因此，公路网对区域生态连接度的影响是最主要的；其次，对比图5的结果也可以看出，桉树、橡胶等外来经济树种的引种，实质上对区域生态连接也造成了一定的影响；最后，虽然研究区的针叶林主要为思茅松林，属于本地树种，但是大面积的针叶林斑块导致林种结构单一，也不利于区域生态连接度的提高。

4 结论与讨论

4.1 结论

(1)澜沧县共识别出6大生态功能区，面积超过70×104hm2，占研究区总面积的81.71%。其中自然林区占生态功能区总面积的51.28%，说明澜沧县以自然林为主，人工园林占功能区总面积的32.14%，且近几年增加速度快，人工干扰影响逐步显露出来。

(2)澜沧县有超过90%的面积BEI指数较低，说明澜沧县人工建筑用地对区域景观生态格局的干扰较小。但同时注意到澜沧县西南地区的BCI等级较低，分析表明是人工园林和道路网的联合阻隔作用对区域生态连接度造成了一定程度的影响。在今后的人工园林规划中应当避免出现外来经济树种的圈层包围态势、并避免出现过大的单一人工园林景观斑块，划出一定宽度的流通廊道将有利于区域生态连接度的提高。

(3)澜沧县ECI<2的区域总面积不超过6%，ECI>4的区域面积超过了76%，ECI=3的区域面积仅有18.25%，说明澜沧县各生态功能区之间的连接存在明显过度。生态连接度高的区域主要分布于县域周边以及中部区域，低连接性地区主要分布与县区北部、中部、西南以及东南部分地区，中连接性区域则大多沿公路线分布。说明改善公路网布局以及控制建设用地的扩张，对提高澜沧县生态功能区之间的物质能量流通、提高生态链接度、保护生物多样性将有积极作用。

4.2 讨论

本文采用最小累积阻力模型，以澜沧县为研究区，分析大面积人工园林种植后对区域生态连接度的影响。同时，以往的研究中，生态连接度多用于研究城市空间景观格局的连接性[3，6，8，18]，没有考虑大范围区域的景观空间生态连接度问题。而且以往的对人工园林种植区的研究，特别是外来桉树、橡胶园等种植区，多考虑种植所引起的土壤理化性质变化问题[19，20]，并未考虑种植区对整个生态系统物质、能量、基因等的干扰作用。

论文所采用的生态连接度计算方法是基于渗透理论、图论理论[21，22]，虽然能模拟区域生态环境中物质能量的流通难易程度，能对区域生态连接度做一个大体分析，但是可靠性仍然不能跟基于实验数据的实地连接度测量方法相比。本研究中，从生态连接的角度来看，澜沧县生态连接度较好，说明人工林种植对区域生态系统物质、能量等的阻隔作用并不明显，但是本文不能说明它们本身对周围水土、生物多样等造成影响与否，特别是作为外来树种的桉树，其对土壤理化性质的作用仍是有待考证的问题。下一步将根据实测数据，进行更深入的研究以验证计算过程中所用的权重参数，提高生态连接度研究的精度。

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ECOLOGICAL CONNECTIVITY OF LARGE SCALE ARTIFICIAL FOREST PLANTING AREA——TAKE LANCANG COUNTY AS AN EXAMPLE

XIE Peng-fei，ZHAO Xiao-qing，ZHANG Long-fei

(SchoolofResourceEnvironmentandEarthScience，YunnanUniversity，Kunming650091，Yunnan，China)

Taking the Ecological Connectivity Index(BEI)and the Barrier Effect Index(ECI)，combined with the Minimum Cumulative Resistance(MCR)model，analysis the ecological connectivity after large scale artificial forest has been plant in LanCang county.The results shows that：(1)Overall，the ecological environment of LanCang county is less influenced by the human activities，low level of ECI area accounted for 5.40%，the medium level of ECI area accounted for 18.25%，high level or even more higher of ECI area account for 76.35%，and presents the obvious transitional in space；(2)Natural forests in a large proportion of ECI2 level，and have big difference value with ECI1 and ECI3，shows that Natural forest patches exist “ecological island” phenomenon；(3)The vast majority of artificial economic forest are located in high level of ECI area，but the southwest of LanCang county，the large artificial forest with single forest structure had caused a certain impact to the ecological connectivity.The ecological connectivity levels of LanCang county is higher，and to avoid the surround trend which formed by the artificial forest patches and the road network，will be an effective way to improve the ecological connectivity.

Ecological Connectivity Index；large scale artificial forest planting area；Lancang County

2015-04-20；

2015-07-10．

*通信作者.赵筱青(1969-)，女，白族，云南大理人，教授，博士，研究方向为土地利用环境效应与土地利用优化.

S718.55

A

1001-7852(2015)04-0071-08