基于3S技术的生态景观变化对春尺蠖时空分布的影响<br/>——以克拉玛依市开发区为例

基于3S技术的生态景观变化对春尺蠖时空分布的影响
——以克拉玛依市开发区为例

2020-05-25阿地力沙塔尔

西南农业学报 2020年12期

孙倩，阿地力·沙塔尔，孙晶

(新疆农业大学林学与园艺学院，新疆乌鲁木齐 830052)

【研究意义】春尺蠖是西北地区林业最重要的害虫之一，在新疆地区为害尤其严重[1]。其危害特点是发生期短，幼虫发育快，食量大，常暴食成灾，刚发芽的榆树、杨柳以及桑、沙枣、苹果、梨、核桃等多种林果树木都会被春尺蠖蚕食[2-3]。而正因为其具有寄主种类多、发生早、易局部暴发成灾等特点，导致多种林果树木受害程度越来越严重，进一步造成严重的经济损失，甚至会引发沙尘暴、热岛效应等气候灾害[4-5]。遥感(Remote Sensing，RS)技术可为作物和林果病虫害防治提供大范围周期性的连续观测数据[6-9]，地理信息系统(Geographic Information System, GIS)技术可以实现空间显示和查询，用于影响种群动态的因子分析、可视化种群时空动态模拟等，而全球定位系统(Global Positioning System, GPS)技术则可以在采集害虫空间分析上用于收集数据、生态调查、动态监测和提供目标地物的地理坐标[10]。无疑，3S集成技术在森林病虫害监测、种群空间分布、动态监测和模拟工作中，具有非常有效的发展方向，并且发挥着越来越重要的作用。【前人研究进展】由于春尺蠖个体小，难以通过遥感直接监测，但是国内外大量研究表明春尺蠖羽化的发生与气候、土壤、植被等因子有着密切关系，且农业景观格局对影响害虫种群动态和群落组成有显著的影响[11-13]。多年来，国内外采用了多种传统而经典的技术方法对春尺蠖进行了多方面的研究，针对春尺蠖的各虫态的形态特征、生活史、性比等数据的观测，实现生物学特性的研究已经非常成熟[14]，而对春尺蠖预测预报、空间动态分布方面的探讨也深入而全面[15]，而农业景观中不同生境界面对其他虫害的影响以及有了相应探讨[16]。基于这些经典研究，利用3S技术在病虫害的空间分布，间接因素的解译，种群的监测等诸多方面都形成了成熟的技术和方法，论证了无论宏观大尺度还是局部尺度的遥感数据，都对春尺蠖危害的遥感监测局域良好的适用性[17-18]，从生态意义上说，邻近作物分布格局对马铃薯甲虫的生态调控具有显著作用[19]。而GIS技术与RS技术的结合，已经在很多种类的病虫害上进行的尝试性的应用，尤其是广泛的应用在区域性害虫的空间分析方面，例如棉铃虫、褐飞虱、蚜虫、春尺蠖等[20-22]。【本研究切入点】本文利用Landsat卫星遥感数据，辅以多年克拉玛依开发区春尺蠖的虫口密度、越冬蛹基数、防治效率等野外实测数据，采用3S技术手段，分析研究区生态景观格局变化对春尺蠖分布特征的影响和作用。【拟解决的关键问题】本研究为研究区生态景观格局的调整提供科学依据，从而进行春尺蠖种群的生态控制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究以克拉玛依市开发区为研究区，克拉玛依市地处准噶尔盆地西北缘，属典型的温带大陆性气候。寒暑差异悬殊，干燥少雨，蒸发强烈，降水主要集中在冬夏两季，春秋季风多，冬夏温差大[23]。研究区高程为 268～288 m，坡度为 0.26 %，累年平均气温为8.6 ℃。全年日照以7月份为最多，达302.5 h，12月份为最少，仅99.8 h。年平均降水量为108.9 mm，蒸发量为2692.1 mm。累计平均大风日数为64.5 d，夏季炎热日(≥35 ℃)年平均为27.6 d，无霜期232.3 d(图1,见封三)。

1.2 数据源及方法

该研究采用了多种数据源，数据源及其试验方法如下所示：①选用克拉玛依市2014年4月，2015年4月，2016年4月Landsat 8-OLI数据，其分辨率均为30 m；完成遥感影像数据的校正、镶嵌、裁剪等预处理工作。②克拉玛依市及克拉玛依开发区行政边界区划图；该边界来自《中华人民共和国省级行政单位系列图之新疆维吾尔自治区地图》，比例尺为1︰400万，以及开发区平面规划图，完成地图的数字化。③选取多个虫口密度较大、以杨树为主要寄主树种的标准地。在标准地内按对角线随机选取20株寄主树作为调查样树，记录各虫态出现的时间、春尺蠖虫口密度、越冬蛹发生基数等数据。

本研究所采用的主要研究方法有：①生态景观指数的计算；在景观水平和类型水平两个角度，选取能反映景观异质性特征的景观指数，进行春尺蠖发生区域的生态景观研究。本文所选用的景观指数有景观类型水平的总面积(TA)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、斑块形状指数(LSI)、总边界长度(TE)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SHEI)、景观类型水平的总面积(CA)、面积百分比(PLAND)、斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、景观破碎度指数(LCI)等。其景观格局变化特征指数的生态意义及取值范围如表1所示。②春尺蠖的数据监测；春尺蠖1年发生一代，以蛹在树冠下 10～30 cm土壤中越夏、越冬。翌年早春，当日平均气温达 1 ℃以上，10 cm 地温达 0 ℃以上，亦即土壤开始解冻之时，成虫开始羽化，羽化成虫当天晚上或第二天晚上交配产卵。5月上、中旬老熟幼虫入土化蛹越夏、越冬。鉴于春尺蠖的以上特性，野外调研的时间集中在3-5月，在研究区遥感信息解译结合实地考察，选取虫口密度较大、以杨树和榆树为主要寄主树种的标准地。在研究区内大面积林地区域内每 33.33～66.67 hm2地设置一块面积为2001～3335 m2的临时标准地，其中主要寄主树种不少于100株。而护田林网及路旁绿化树木可按乡镇分别设置一个网眼或一条街、路、堤作为临时标准地，在标准地内按对角线或“Z”字型或隔几株选一株的方法每快标准地选取10株寄主树作为调查标准树。在标准树树干基部为中心，树冠冠幅为半径的圈内，选择东南西北4个方向共调查10株，挖扇形样坑(样坑大小根据树冠大小来确定)，调查样坑不同深度(即 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm)的蛹密度，统计健康蛹数、死亡蛹个数。③生态景观格局指数与春尺蠖蛹发生基数的相关性分析；相关分析是为了说明现象之间存在的某种依存关系，以及探讨其相关方向和相关程度，是研究随机变量之间的相关关系的统计方法。在分析变量之间相关程度时常采用此统计分析方法。

表1 景观格局变化特征值指数介绍

2 结果与分析

2.1 生态景观时空分布特征

区域景观格局是揭示区域土地利用/覆被状况及空间变异特征的有效手段。同时，景观格局研究也是景观生态学的基础性核心研究领域之一。以景观几何特征为基础的景观格局分析可以有效地反映LUCC的空间格局[23]。从景观生态学的角度定量分析景观指数的变化，从而研究土地利用/土地覆被的时空变化规律。关于景观空间格局分析，已有许多数量方法[24]。

为了能将区域景观变化与虫口密度等的调研时间紧密结合，采用的遥感数据均为4-5月之间的数据。将实地考察和遥感数据相结合，基于区域生态景观格局的信息解译，为后期生态景观的综合分析打下了良好的数据基础(图2,见封三)。

所选Landsat卫星数据的时间均在每年的4-5月之间，避免云层信息的干扰，也确保生态景观分析的时间与春尺蠖实地考察数据收集的时间相互匹配。对克拉玛依市开发区进行信息解译，春尺蠖均分布在林地区域中。在研究区北部，林地景观有明显降低趋势，且在2015年林地景观分布非常分散，在研究区北纬45度周边区域内林地景观相对充沛，同时，在研究区南部林地景观分布分成分散，在水资源附件林地景观尤为广泛。基于林地景观的时空分布特征，本研究的春尺蠖数据的样本区也需要集中于林地景观分布广泛的范围内。

2.2 春尺蠖时空分布特征

在林业景观分布广泛的区域，结合实地野外考察，设立12个样本区，时间集中在3-5月，选取虫口密度较大、以杨树和榆树为主要寄主树种的标准地。3年来，春尺蠖越冬蛹发生程度，以及越冬蛹基数统计如图3所示。

从图4可以看出，3年以来，每个采样点的春尺蠖越冬蛹的基数变化各不相同，但是在研究区整体而言，越冬蛹基数总数从2014年的95.65，降低到2015年的70.8，持续降低到2016年的53.9。其中许多采样点春尺蠖越冬蛹基数均发生了显著降低，如点1在2014年春尺蠖越冬蛹越冬蛹基数为17，2015年降低到8.3，2016年低至4；点2在3年之间从15降低到了5，这也表征着研究区北部，除了点12，其他所有采样点范围内的春尺蠖越冬蛹基数均有显著增加；在北纬45度带附近区域中，采样点5、6和7均在3年内呈现春尺蠖越冬蛹基数显著增加的特征，而采样点10呈现了缓慢逐年增加的趋势，采样点11 3年中春尺蠖越冬蛹基数数据变化微弱，相对稳定。

图3 3年间采样点和春尺蠖越冬蛹蛹基数时空分布

2014年研究区南部，除了采样点6的春尺蠖越冬蛹发生程度为重度，采样点5为中度外，其他所有采样点的越冬蛹发生程度为均为轻度，研究区北部采样点12春尺蠖发生程度为轻度，其他均为重度。2015年越冬蛹发生程度有显著好转，重度采样点只有2个，中度采样点4个，其余均为轻度采样点；到2016年，除1个重点采样点和1个中度采样点外，春尺蠖越冬蛹发生程度普遍为轻度。

2.3 景观水平生态格局变化对春尺蠖时空分布的影响

春尺蠖野外监测采样点均布设在林地区域，但是其他各类地物的变更也会对林地景观产生格局变化上的驱动和影响，鉴于此，对研究区从景观水平和类型水平角度，分析研究区内景观格局特征值，计算结果如表2所示。

从景观格局水平来看，斑块数(NP)在2015年有明显的增加，而2014与2016年斑块数差距不大，斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、边缘密度(ED)、斑块形状指数(LSI)和香农多样性指数(SHDI)也同样具有先显著增加，后显著降低的变化特征；但总边界长度(TE)和聚集度(AI)恰恰相反，呈现了先增加后减低的特征；而香农均匀度指数(SHEI)却呈现出稳步增加的趋势。

图4 2014-2016年春尺蠖越冬蛹基数空间分布

表2 研究区景观格局变化特征值

从类型水平角度，林地景观的面积呈现略微增加后又略微降低的趋势，但林地总边界长度(TE)在2015年明显增加，高达10 583 280，说明林地景观在2015年分布分散，斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)均在3年间先降低后增加，斑块形状指数(LSI)和景观破碎度指数(LCI)与之相反，呈现先增加后降低趋势；边缘密度(ED)和总边界长度(TE)表现出稳步增加趋势。其他各类地物的景观指数也有不同的变化，其中，除耕地和荒漠外，其他所有景观的NP值均呈现显著降低趋势，水体景观的CA、NP、ED、TE、LCI均具有明显降低趋势，难以利用的山体、荒漠和其他等生态景观，ED、TE、LCI等指数都具有降低特征(表3)。

2.4 生态景观对春尺蠖空间分布的影响

春尺蠖越冬蛹基数的变化受到的林地环境的直接影响，选取林地景观指数变化显著的NP、LSI和LCI，分析林地景观对春尺蠖时空分布的影响。同时，各类地物的时空变化对林地斑块的分布也具有驱动作用，从而间接的对春尺蠖时空分布产生影响，鉴于此，选出林地斑块变化趋势明显的生态景观指标与春尺蠖的虫口密度和越冬蛹基数进行相互关系的分析(图5)。

表3 研究区斑块类型水平上的景观格局指数

图5 林地生态景观指数与春尺蠖虫口密度和越冬蛹基数的关系

林地生态景观指数与虫口密度、越冬蛹基数的相关性可以看出，虫口密度与越冬蛹基数与斑块数(NP)、景观破碎度指数(LCI)的变化规律吻合度非常高，都呈现出二者逐步降低的趋势。林地景观分布的斑块数量越多，其破碎度指数越高，对春尺蠖虫口分布具有促进作用，也说明林地聚集度越高，分散程度降低对春尺蠖的空间分布具有一定抑制作用，彼此之间此消彼长，相互促进或遏制。证明林地景观的破碎化能有效地干扰和破坏春尺蠖生存的必需环境条件，而其他地物类型景观的变化也对林地景观格局变化的驱动影响较大。

斑块形状指数(LSI)对虫口密度与越冬蛹基数具有微弱的正面作用，尤其2015年到2016年，该促进作用较为显著，但2014年到2015年之间，虫口密度与越冬蛹基数急剧下降，斑块形状指数(LSI)变化相对微弱，斑块形状指数对春尺蠖的空间分布影响作用并不显著。也因此可以说明，斑块周长对春尺蠖驱动影响微弱，而斑块面积对其驱动影响相对较大。斑块越复杂，连续性和整体性越弱，对制约春尺蠖的空间分布越具有积极作用。