勐海縣熱帶林景觀生態風險分析

沈新華

(云南省林業調查規劃院,云南 昆明 650051)

位于西南邊陲的西雙版納勐海縣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,隨著勐海縣經濟社會的快速發展，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，生態系統原有的景觀結構被破壞，影響了區域生態安全，因此，對勐海縣熱帶林景觀進行生態風險評估，對為林業部門提供合理的發展規劃具有重要現實意義。

1 研究區概況

勐海縣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99°56′～100°41′，北緯21°28′～22°28′。勐海縣土地總面積53.7萬 hm2，林業用地面積36.86萬 hm2,占全縣土地總面積的68.69%;非林業用地面積16.8萬 hm2,占31.31%。全縣森林覆蓋率為62.9%。

2 研究方法

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，以2005年和2015年森林資源二類調查空間數據庫為主要信息源。

2.1 景觀分類

以研究區的景觀特征和研究需要為出發點來劃分景觀類型，借助ArcGIS系統的支持，選用土地覆蓋類型作為一級景觀分類因子，將研究區一級景觀分為有林地、灌木林地、農地、水域、建設用地5種景觀類型；進一步依據植被類型、景觀功能、人為干擾及景觀結構類型等要素，結合社會經濟發展，將研究區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濟林(灌木經濟林)及其它灌木林景觀。

2.2 景觀結構安全指數

景觀結構安全指數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，生態環境就越危險。景觀干擾度指數的計算公式為：

Ui=aCi+bSi+cDi

(1)

式中：Ci為景觀破碎度，Si為景觀分離度，Di為景觀優勢度，a、b、c為景觀指數權重，其中a+b+c=1，目前國內已有的研究中[1-5]，均將其分別賦值為0.5、0.3和0.2,對量綱不同的指數進行歸一化處理。

研究區生態系統最主要的干擾因素就是人類活動。目前國內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，農地—3，其他林地—2，建設用地—1。

景觀風險指數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和脆弱性指數的綜合表示，其計算公式為：

Ri=Ui×Fi

(2)

式中：Ui為景觀干擾度指數，Fi為景觀脆弱度指數。

作為生態風險的逆向表達，景觀的干擾程度越大，脆弱性越強，區域生態環境的安全程度越低。為建立景觀結構與區域綜合生態環境之間的關系，通過景觀要素的面積比例和生態風險與景觀格局之間的經驗關系，確定了生態安全與景觀格局之間的關系，并在樣地上描述綜合生態安全的相對大小，以便通過采樣方法將景觀空間結構轉化成空間化的生態環境變量。其計算方法為：

(3)

式中：ESi為第k個研究單元的景觀結構安全指數，數值越大表明生態系統越安全，反之則越不安全;n為該單元的景觀類型總數；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。當所有研究單元的生態安全指數計算完成后，對其生態安全指數進行歸一化處理，以便更好地反映區域各研究單元的相對生態安全程度。

2.3 景觀功能安全指數

大規模種植的人工樹種取代原有的農地、其他林地、其他灌木林地等景觀類型，不僅使景觀結構類型產生改變，功能也會隨著變化。如果把景觀看作一個復雜的生態系統，其功能是指與周圍環境、能量和信息的復雜相互關聯，以及這種關聯影響下景觀內部發生的各種變化，包括其中的物質流、能量流和物種流[6]3種類型。在物質流、能量流和物種流的相互作用下，各景觀類型表現出了調節氣候和水文、固碳釋氧、保育土壤、凈化空氣、積累營養物質和美學與旅游等眾多功能。生態系統服務價值所反映的是通過生態系統結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務。

本研究主要依據千年生態系統評估框架工作組提出的生態系統服務分類方法[7-8],建立勐海縣生態經濟價值評估指標體系，以便于本研究的生態系統服務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濟價值。

表1 勐海縣生態服務價值評估指標體系

2.4 景觀生態安全模型構建

由于人工林的種植需要特定的環境，因此其種植地塊在空間上較集中，降低了生態景觀異質性。因此，要全面反映一個人工林種植區域生態環境狀況，單憑景觀結構是不夠的，人工起源的林木代替之前的農地、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構和區域景觀功能產生改變，因為每種景觀類型的生態功能均不一樣。因此，以景觀干擾度和景觀脆弱度構建景觀結構安全指數，同時引入生態服務價值構建景觀功能安全指數，綜合景觀結構與功能兩方面對生態安全性進行研究，對景觀生態安全評價及景觀結構優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]：景觀結構和功能相對于景觀生態安全度的權重相同，說明景觀結構安全指數與景觀功能安全指數對于景觀生態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安全值，得到網格景觀生態安全度的計算公式為：

(4)

(5)

式中：ESIk為第k網格的景觀生態安全度；Aki為第i類景觀類型在第k網格內所占的面積；Ak為第k網格的總面積；m為第k網格中景觀類型總數目；ESIi為景觀類型生態安全度；ESi為景觀結構安全指數；ESVi為景觀功能安全指數。

2.5 網格尺度選擇分析

由于網格劃分后的網格單元在數據調查和統計中比基于行政和景觀單元的網格單元更能準確地反映評價單元的內部信息，數據處理更有利于多源數據的融合和分析，因此在環境評價和生態監測中得到了廣泛的應用。

利用 ArcGIS 中的Fishnet工具生成矢量信息網格，生成研究區行政區域實體數據，并與其他數據疊加，實現矢量數據、柵格數據和統計數據的網格化，利用綜合評價模型計算，得到各網格的生態安全指數。

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果，從設定尺度中選擇出最佳尺度。通過構建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安全度平均值、標準差、尺度變異系數、尺度變化率等因子(表2)。

圖1 尺度變化率與網格大小的關系Fig.1 Relationship between grid size and scale change rate

1)隨著網格尺度的增大，勐海縣景觀生態安全度空間差異細節的表現逐漸降低。為更好地反映勐海縣景觀生態安全空間分異的細節性，應選擇較小的尺度進行分析。當處于900 m×900 m網格時，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時尺度變化率不穩定，變化較大，從200m×200m時開始變化率趨于平穩。綜上所述，勐海縣景觀生態安全度計算的最佳尺度為200 m×200 m。

3 結果與分析

3.1 景觀類型空間轉移分析

利用轉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化量。

2005—2015年景觀要素轉移特征的提取可以根據地圖代數原理，對2005年和2015年的景觀格局類型圖進行處理，在ArcInfo中將矢量數據轉換成柵格數據，利用ERDAS的矩陣分析功能，將上述兩期數據進行疊加，生成景觀動態變化圖，采用地圖代數方法進行轉移信息提取，從而得到兩個時段間研究區各景觀要素之間的轉移矩陣，其計算公式為：

(6)

表3 2005—2015年研究區各景觀類型流入轉出面積

通過對2005年、2015年勐海縣各景觀類型的空間轉移分析可知：勐海縣各景觀類型空間轉移很頻繁，在經濟和政策影響下的橡膠林地、茶葉地、建設用地面積在空間轉移上以流入為主；以天然林為主的其他林地、其他灌木林地以轉出為主。

3.2 景觀結構指數

景觀破碎度指數(Ci)、景觀分離度指數(Si)、景觀優勢度指數(Di)、景觀干擾度指數(Ui)、景觀脆弱度指數(Fi)、景觀結構安全指數(ESi)等景觀結構要素計算結果見表4。

表4 研究區2005年與2015年各景觀結構要素計算結果

2005年景觀結構安全指數按大小排列為：其他林地>建設用地>農地>其他灌木林地>橡膠林地>茶葉地>水域；其他林地的景觀結構安全指數最大，在4種林地景觀類型中,天然林景觀結構安全指數大于人工林。2015年景觀結構安全指數按大小排列為：建設用地>其他林地>農地>橡膠林地>茶葉地>其他灌木林地>水域，與2005年相比，排列順序已經發生了變化，建設用地的景觀結構安全指數變為最大，10年間其他灌木林地和農地由于面積減少，對應的景觀結構安全指數分別減少了8.19%和0.14%；其他林地由于減少的面積比例太小，10年間反映在景觀結構安全指數上沒有變化，而水域、橡膠林地、茶葉地和建設用地由于面積的增加，景觀結構安全指數分別增加了7.46%、2.64%、2.25%、0.36%；2015年在4種林地景觀類型中,其他林地的景觀結構安全指數還是最大，其他灌木林地已變為最小。

3.3 景觀功能指數

經過計算，得出勐海縣2005年和2015年各景觀類型單位面積生態服務價值(表5)。

表5 2005年和2015年各景觀類型單位面積生態系統服務價值

由于本文只研究各景觀類型的相對生態安全性，從生態服務價值當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服務價值當量值作為各景觀類型的功能安全指數表征(表6)。

表6 2005年和2015年景觀功能安全指數

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在所有景觀類型中最高；其他林地、其他灌木林地和農地的景觀功能安全指數一直在緩慢增長；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下降的景觀類型。

3.4 景觀生態安全度分析

經過計算,2005年勐海縣其他林地的生態安全度值最高，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的大幅上漲，使其生態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，帶動了其結構安全指數的下降，導致了生態安全度下降(表7)。

2005年勐海縣景觀類型生態安全度范圍為 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>農地>建設用地；2015年各景觀類型生態安全度范圍為 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>農地>建設用地。從表4的計算結果得出，2005年以天然林為代表的其他林地和其他灌木林地的結構安全指數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,其生態系統服務價值也在不斷上升,2015年茶葉地的生態安全度最高，同樣的情況還有水域，由于水產養殖產業的發展和水產品價格的上漲，勐海水域的生態安全度從2005年的1.4768上升至2015年的2.5780；而橡膠地的生態安全度由于橡膠價格的不斷下跌，導致其生態系統服務價值不斷下降，生態安全度從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、水域的結構安全度逐步升高，農地、其他灌木林地的生態安全度逐步下降。雖然建設用地結構安全度處于相對較高水平(0.977 1)，但所能提供的生態服務價值為零，導致其生態安全度一直都是最低。

2005—2015年，景觀類型生態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(除農地和建設用地的排序不變外)，因此當景觀類型面積、空間布局和生態服務價值發生較大變化時，區域生態安全將發生變化。

3.5 景觀生態安全度時空特征

采用Frgstats 4.2與ArcGIS 10.5等軟件，根據式(4)計算每個網格的景觀生態安全度。為了表現勐海縣生態安全的時空變化特征，采用自然段點分類(Natural Breaks)將景觀生態安全度分為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 景觀生態安全度等級Fig.2 Classification of landscape ecological security degree

Ⅰ級生態安全度特征：Ⅰ級生態安全度最低，景觀類型以建設用地和農地等非林地為主，分布在低海拔壩區，人類活動頻繁，是勐海縣糧食主產區，區域以勐海鎮、勐混鎮和勐遮鎮為主。

Ⅱ級生態安全度特征：Ⅱ級生態安全度居中，景觀類型多處于茶葉地和其他林地結合部，景觀類型多樣，分布區域較分散。

Ⅲ級生態安全度特征：Ⅲ級生態安全度最高，景觀類型以其他林地和茶葉地為主，分布區域遠離城鎮和農地，是勐海縣植被最好，占地面積最大，生態區位最重要區域，以布朗山鄉、勐阿鎮、勐往鄉為主。

4 結論

1)景觀類型空間轉移分析

通過對2005年、2015年勐海縣各景觀類型的空間轉移分析可知：勐海縣各景觀類型空間轉移較頻繁，在經濟和政策影響下橡膠林地和茶葉地面積在空間轉移上以流入為主，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移上以轉出為主，10年間其他林地凈轉出面積為 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%，由于勐海縣政府重視林業的發展，進行了退耕還林等一系列造林任務，農地以凈轉出為主。

2)景觀生態安全度

2005年與2015年各景觀類型生態安全度范圍為 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構安全指數要大于以人工林為主的茶葉地和橡膠林地，至2015年其他林地結構安全指數最大，以人工林為主的茶葉地和橡膠林地已經超過其他灌木林地。隨著茶葉價格的不斷上漲,茶葉的生態系統服務功能不斷上升,2015年茶葉地的生態安全度已經超過了其他林地。2005—2015年，景觀類型生態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 %，但景觀生態安全等級未發生變化仍處于Ⅱ級，說明10年間勐海縣景觀生態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，景觀生態安全等級Ⅲ級面積最大，說明10年間勐海縣生態環境處于相對較好的狀態。雖然各生態安全等級面積均發生變化，但Ⅲ級所占權重還是最大，對整個區域的景觀生態安全起決定性作用。

5 生態安全保護對策及建議

勐海縣作為我國亞熱帶原始森林主要區域，聲名遠揚，對境內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；加強國內外的交流與合作，調動國內外利益相關方參與熱帶林保護的積極性，提高各利益相關群體的參與程度。開展社區脫貧示范，降低熱帶林自然資源消耗。

2)加大林業執法力度

雖然研究期內勐海縣的生態安全度在升高,但侵占天然林現象仍然存在，主要表現在侵占農耕地邊緣林地、毀林墾殖(毀有林地種香蕉等)、毀林造林(毀有林地種植經濟林)等。據2015年的森林資源二類調查，勐海縣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法人員和護林員的責任感，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，增大林政執法震懾力，有效保護現有天然林資源。

3)完善熱帶林保護體系

茶葉和橡膠是勐海縣經濟林中的兩大優勢產業，受近年來市場價格上漲所趨，部分群眾盲目進行開發種植，如在天然林里種植茶葉、橡膠等。這些不合理的開發種植方式，破壞了當地生物多樣性。因此應加大管理力度，禁止天然林下造林，杜絕毀天然林造經濟林、種植香蕉等不合理的開發種植方式，保護當地生物多樣性。對于具有較高生態保護價值的熱帶雨林區，有必要在未來土地利用規劃中借鑒景觀生態學原則，開發利用有林地區域時應保證其一定面積核心區的存在，并盡量保持其功能上的聯系性，以避免其結構和功能上的破碎化，從而促進區域可持續發展。