夷陵地区异质景观对松材线虫病的抵抗力及生态风险分析

洪承昊 , 查玉平 , 张子一, 蔡三山, 肖德林, 文坤海, 陈京元,*

夷陵地区异质景观对松材线虫病的抵抗力及生态风险分析

洪承昊1, 查玉平1, 张子一1, 蔡三山1, 肖德林2, 文坤海3, 陈京元1,*

1. 湖北省林业科学研究院, 湖北武汉 430075 2. 宜昌市森林病虫害防治检疫站, 湖北宜昌 443100 3. 松滋市森林病虫害防治检疫站湖北松滋 434200

以宜昌市夷陵地区为研究区域, 探讨在疫区通过异质性的景观控制松材线虫病扩散流行的方法及当前疫区的生态风险。结合景观生态学和森林保护学理论, 基于松材线虫病生物学特征和现有土地利用类型, 经过重分类, 构建了夷陵区景观格局, 并以景观格局指数为评价指标, 通过空间分析和克里金插值法对夷陵区生态风险进行评价。结果表明, 研究区异质性景观对松材线虫病的相对抵抗力从大到小依次为水域及水利设施景观、人为活动景观、其他林园地景观和耕地景观, 马尾松等针叶林景观最弱。风险评价结果表明夷陵区中部, 沿长江流域带生态风险值较高。预防策略上应通过景观格局的合理配置, 优化土地利用现状、合理规划利用, 采取重点生态保护措施和综合治理对策控制松材线虫病的扩散。

景观格局; 生态安全; 风险分析; 松材线虫病

0 前言

松材线虫病(Pine wild disease)是危害松林的重要病虫灾害, 是由媒介昆虫一松褐天牛(Hope)、寄主植株一马尾松()等和病源生物一松材线虫()协同完成[1-2], 可在极短时间内完成对松林的侵入和毁灭, 是我国重要的林业有害生物。国家林业局通告显示已造成全国16省份315县区受到不同程度危害, 森林生态安全十分紧迫。自侵入我国后, 松材线虫病不断扩张蔓延, 经多年研究, 虽取得一定防治效果, 但扩散趋势任得不到有效抑制, 已对区域生态安全造成威胁。

区域生态安全评估, 是在区域尺度下描述和评价区域在自然灾害和人为生产生活影响下, 对生态系统产生不利作用的过程, 其目的是为区域管理者提供理论支持和技术指导[3-5]。我国是一个饱受自然灾害破坏的国家, 入侵有害生物种类和活动范围越来越广, 随着生态文明建设受到逐步重视, 生态安全和评价问题越发重要。松材线虫病控制作为林业上一项重要工作已受到各级主管部门和研究学者的重视, 然而在景观尺度下研究其扩散蔓延趋势和风险评估却鲜有报道。景观生态评价是景观生态学的重要研究内容, 它是对景观的属性现状、生态功能和可能利用的方案进行综合判定的过程[6]。景观指数是高度浓缩的景观格局信息, 其反映景观结构组成和空间特征, 利用景观格局指数分析景观现状, 建立景观格局和生态过程之间的联系, 是景观生态学的常用定量化研究方法[7]。

随着风险评价的应用和方法不断深化[8-9], 区域安全评价也随之逐步开展, 有的是基于人为活动的[10-11], 有的则是基于动植物[12-14]。本文针对有害入侵生物松材线虫, 对夷陵区的景观格局进行分析评价, 尝试建立不同景观类型和松材线虫病之间的联系, 对现有景观格局进行风险等级区分, 为森林生态安全治理提供可靠依据。

1 研究地概况

夷陵区属于湖北省宜昌市, 南北长103公里, 东西宽约77公里。地处东经110°51′8″—111°39′30″, 北纬30°32′33″—31°28′30″, 是宜昌市面积最大, 人口最多的市辖行政区。夷陵区境属亚热带季风气候区, 四季分明, 年平均日照1669.2小时, 年平均降水量1177.34毫米。全区地势西北高, 东南低, 西、北、东三面群山环抱, 东南一面临向平原, 呈西北向东南梯级倾斜下降, 高度相差悬殊。海拔500米以上的区域占到全区50%以上[15]。宜昌, 特别是夷陵区, 森林环境长期受到有害入侵生物的破坏, 以松材线虫病和马尾松毛虫为主的林业重大虫害严重威胁着夷陵地区的森林生态平衡, 夷陵地区也是我国松材线虫病的疫区, 发生面积和趋势一致受到管理部门的高度重视。

2 材料与方法

2.1 数据来源及前处理

夷陵地区是2006年确定以为松材线虫病疫点区域(实际调查数据为2005年), 之前松材线虫病疫情情况可以看作为0发生, 结合中国科学院资源环境科学数学中心数据, 选择每5年为一个调查阶段, 即选取2006年、2010年和2015年(首次发现后第1年、第5年和第10年)夷陵区松材线虫病疫情情况, 以年病死树株数作为衡量疫情指标。

本底资料来源于2010年全国森林资源一类清查, 通过ARCVIEW将小班调查数据输入、编码、分类、纠错建立属性数据库, 可信度高。通过ARCMAP10.0将原始矢量图像进行坐标转换, 重新分类后将数据资料生成cellsize为500的栅格图像, 进行景观指数运算, 且直观反映出林斑在全市的空间分布情况。

2.2 用地分类及分析指标

通过参照中国科学院资源环境科学数据中心“中国土地利用数据”和《土地利用现状分类》(GB/ T21010—2017), 重新将土地类型数据进行归类划分[16], 参照“一级类”分类标准将每个时期土地类型划分为人为活动景观、水域及水利设施景观、林园地景观、耕地景观和草地景观五大类。其中人为活动景观包含商服用地、住宅用地、公共管理及公共服务用地、交通运输用地、特殊用地及工矿仓储用地等; 水域及水利设施景观包含河流、湖泊、水库坑塘、沟渠及水工建筑用地; 林园地景观包含乔木林、竹林、灌木林、森林沼泽、果园及茶园等用地; 耕地景观包含水田、旱地和水浇地; 草地景观包含天然牧草地、沼泽地、人工牧草地等。在景观斑块层面选取斑块面积(CA)、平均斑块面积(Area_mn)和斑块密度(PD), 在景观聚合度方面选取斑块形状指数(LSI)描述用地类型格局。

松材线虫病主要是通过松褐天牛进行自然传播[17], 松材线虫病因其生物学特性, 主动传播受到限制, 主要通过携带传播, 因此控制松褐天牛和人为携带, 能有效控制松材线虫病的蔓延。异质性的斑块对松褐天牛同样具有不同的阻碍力, 使得松褐天牛传播或扩散具有方向性, 也为防控松材线虫病提供了一个有效途径。因此在已划分地类景观基础上, 经ArcGIS重新定义分类, 将现有土地利用类型分为针叶林景观(寄主)、人为活动景观、水域及水利设施景观、耕地景观以及其他林园地景观。在不同的景观里(针叶林除外)分别设置2个松褐天牛诱捕器, 型号YB-50, 各诱捕器间隔至少100米。通过诱捕量相对区分不同地类对松褐天牛的抵抗能力, 诱捕时间从5月开始到7月结束, 连续两年观察诱捕量, 以诱捕数量作为分析松褐天牛(松材线虫)对不同地类的选择性(阻碍力), 然后进行归一化处理, 即得到每种地类对松材线虫病的相对阻碍能力, 即每种地类的相对脆弱度(F)。

2.3 景观格局评价指数

通过构建景观格局指数E, 以期通过几个景观指数的叠加来反应不同景观受到干扰, 包含生物灾害(主要针对松材线虫病)和人为的破坏的程度; 选取景观破碎度C、景观分离度S和景观优势度D分析生物灾害以及人为活动对景观格局影响。并采用生态风险指数()描述现有景观格局对松材线虫病等生物灾害的生态抵抗力。通常景观干扰指数E=aC+bS+cD;,,为各指标的权重, 且++= 1[18-19]。三者在不同程度上反映出干扰对景观所代表的生态环境的影响, 根据分析权衡, 及文献资料, 认为破碎度指数最为重要, 其次为分离度和优势度。以上三个指数分别赋以0.5、0.3、0.2的权值[20]。从而计算出各景观类型的景观格局信息指数(表2)。

景观损失指数R表示的是斑块遭到干扰时各类型景观所受到的生态损失的差别, 即其自然属性损失的程度, 是某一景观类型的景观结构指数和脆弱度指数的综合。计算公式:R=10×E×F;

景观破碎度C即为景观破碎化程度, 是由于自然或人为原因引起的景观由单一、均匀和连续的整体趋向复杂、异质和不连续的斑块的过程, 是生物多样性趋向单一的原因之一[21], 也与资源保护和生态安全密切相关。定量描述景观破碎度C的的公式为:C=n/A,n为斑块i的数目,A为斑块i的面积;

景观分离度S指的是某一景观类型中不同斑块数个体分布的分离度,S=D/A[8];D为景观类型i的距离指数,A为景观类型i的面积指数;

景观优势度D反映的是斑块在景观中占有的地位及其景观格局形成和变化的影响,D=(+)/4+/2, 公式中=斑块的数目/斑块的总数,=斑块出现的样方数/总样方数,=斑块的面积/样方总面积;

区域生态风险分析本质上是空间变量的定量分析, 即生物灾害和人为活动对景观格局的影响, 利用地理统计学的相关方法进行空间特征分析, 本文基于Arcmap[22]平台将研究地划分为10 km×10 km的网格(图2a), 采取全覆盖的工作网格方式进行分析, 并以变异函数作为工具, 本研究以每个网格的风险值作为样方内中心点的生态风险值, 基于Arcmap平台, 采用克里金插值预测图创建研究区的生态风险图, 生态风险指数[23]计算公式为:

公式中代表景观组分类型的数量,S为第个风险小区i类景观组分的面积,S为第个风险小区的面积,R为该类型的景观损失指数。

3 结果与分析

3.1 异质性景观变化与松材线虫病

通过研究不同时期用地类型的变化, 描述研究区景观格局转换情况, 从表1可知从首次发现疫情到2010年, 2015年的景观格局情况, 各景观总面积(CA)方面, 耕地景观用地类型出现减少的趋势, 由493 km2减少到485 km2, 林园地景观用地面积减少, 由2709 km2减到2701 km2, 水域及水利设施景观面积有增有减变化不大; 人为活动景观面积出现较大增加, 由40 km2增大到57 km2。

斑块密度指数(PD)方面, 耕地景观用地类型、林园地景观和草地景观没有变化, 自首次发现后至2010年和2015年为0.0492、0.0039和0.0084; 水域及水利设施景观类型斑块个数仅仅在2006年至2010年的5年间增加, 由0.0069增加到0.0072; 人为活动景观类型在首次发现疫情后至2015年10年间没变化, 而之后出现增加, 由0.0057增加到0.0075。

在斑块分离度方面, 耕地景观类型斑块形状指数(LSI)由2006年的16.3614增加到2010年的16.3735, 再到2015年的16.6707, 缓慢增高; 林园地景观类型LSI在2006年为8.7678, 2010年为8.7630, 之后再无变化; 水域及水利设施景观类型斑块形状指数逐渐减小, 2006年至2015年间由5.9259到5.7407; 人为活动景观类型的斑块形状指数在前5年没有变化, 2010年至2015年由5.1200增大为5.7333; 草地景观的斑块形状指数没有变化。

松材线虫病由于在2006年在研究区被发现, 致死株数出现最大值为5231棵, 经过砍伐和治理, 2010年后致死株数下降到463棵, 2015年后再下降致死株仅为256棵。通过以上各景观类型格局的3个阶段的变化, 结合病死株数3个阶段的变化做统计分析, 分析平台SPSS22.0, 研究景观格局的变化和松材线虫病疫情之间的关系。

3.2 松材线虫病疫情和景观格局的关系

分析耕地景观、林园地景观(含寄主)、水域及水利设施景观和人为活动景观三个时期变化与松材线虫病疫情的相关性, 草地景观由于在这个时期景观格局没有变化, 因此没有分析该项景观类型。结果见表2, 耕地景观类型中斑块面积(CA)、平均斑块面积(Area_mn)和斑块形状指数(LSI)与松材线虫病疫情之间相关系数分别是0.5315、0.5080和-0.5604, 相关性较低; 疫情和斑块密度(PD)之间没有相关性。林园地景观类型中, 斑块面积和平均斑块面积与松材线虫病疫情之间相关性系数分别为0.6252和0.6489, 相关性较低; 斑块形状指数和松材线虫病疫情之间有显著正相关, 相关系数为0.9993; 斑块密度和松材线虫病疫情之间没有显著相关性。水域及水利设施景观类型斑块面积、平均斑块面积和斑块形状指数与松材线虫病疫情相关性系数分别为0.0368、0.7373和0.8056; 斑块密度和松材线虫病疫情之间有显著负相关, 相关系数为-0.9993。人为活动景观类型的斑块面积、斑块平均面积、斑块密度和斑块形状指数与松材线虫病之间相关系数分别为-0.5315、-0.5315、0.5313和-0.5315, 相关性较低。

虽然水域及水利设施在研究区有分布, 且和松材线虫病疫情发生有相关性, 但从面积和分布格局上并不是主要景观类型, 研究区林园地景观是主要土地利用类型, 其中马尾松林等针叶林是主要景观类型, 因此主要基于林园地景观斑块形状指数数据进行分析预测, 预测研究区松材线虫病疫情风险, 从图1可知, 红色区域为高风险风险斑块, 且风险源较为分散, 呈点状分布, 风险源大部分处于林地景观之间, 有扩散蔓延风险, 地理位置上主要集中在研究区中部, 在研究区北部和南部地区有斑块显示风险较高, 需重点处置。中等程度风险源在中部、北部及南部区域有分布, 且和高风险源比邻, 是需要重点预防监控区域。

表1 各年份研究区景观格局和松材线虫病疫情

表2 各景观类型与松材线虫病疫情之间相关系数

3.3 不同景观类型对松材线虫的脆弱度评价

研究区内马尾松林等针叶林是松褐天牛和松材线虫病的寄主, 为分清寄主和非寄主的不同差异, 将林地景观进一步划分为针叶林景观和其他林地景观。在不同景观类型内设置诱捕器, 通过诱捕量分析异质性景观对松褐天牛扩散能力的差异(表3)。针叶林是松褐天牛和松材线虫病的天然寄主, 理应更容易引诱, 因此针叶林景观抵抗力最小, 未纳入本次诱捕量研究。从各类型诱捕量结果显示, 人为活动景观内的诱捕器在2014—2015年共诱捕到松褐天牛50头, 水域景观内的诱捕器共诱捕到18头, 农业景观内的诱捕器共诱捕到123头, 其他林地景观内的诱捕器共诱捕到99头。从诱捕量分析可知, 耕地景观>其他林园地景观>人为活动景观>水域及水利设施景观, 表明耕地类型在阻碍松褐天牛扩散传播能力方面最弱, 仅次于寄主, 风险度高, 阻碍能力最强的是水域及水利设施景观。依据所得阻碍能力大小, 参考通用分析方法, 分别对五种景观按照大小赋一定系数值, 水域及水利设施景观1、人为活动景观2、其他林园地景观3、耕地景观4, 针叶林景观5, 再进行归一化处理[24], 得到景观脆弱度()结果分别为水域及水利设施景观0、人为活动景观0.25、其他林园地景观0.50、耕地景观0.75, 针叶林景观1, 即景观脆弱度(F)见表4; 因此得到相对阻碍力(抵抗力)为水域及水利设施景观>人为活动景观>其他林园地景观>耕地景观>针叶林景观。

图1 基于寄主斑块形状指数风险预测图

Figure 1 Risk prediction chart based on host landscape shape index

表3 不同景观类型诱捕松褐天牛量

3.4 基于景观格局指数的生境评价

通过分析不同景观类型景观格局现状, 从表4可知, 六种景观类型中景观破碎化(C)程度最高的是水域及水利设施景观,C=0.3134, 最小的是其他林园地景观,C=0.0263, 差异较大; 景观分离度(S)最大的是水域及水利设施景观,S=1.6847, 最小的是其他林园地景观,S=0.1179, 差异较大, 其次是针叶林景观,S=0.1679; 景观优势度(D)最高的是其他林园地景观,D=0.3500, 其次是针叶林景观,D= 0.2642, 景观优势度(D)最小的是人为活动景观,D= 0.0407。景观干扰指数()最大的是水域及水利设施景观,=0.6806, 景观干扰指数()最小的是其他林园地景观,=0.1185。景观损失指数(R)最大的是耕地景观,R=2.3010, 最小的是水域及水利设施景观,R=0.3682。综合分析显示, 其他林园地景观在景观破碎度、景观分离度和景观优势度均最大, 景观干扰指数最小。水域及水利设施景观在景观破碎度、景观分离度最小, 景观干扰指数和景观损失指数最大。

表4 夷陵区景观格局现状

3.5 基于用地类型的生态风险评价

对研究区每个样方进行风险分析(图2a), 通过求得的每个样地生态风险值, 将其划分为四个生态风险等级, 即低风险区(<0.003)、中等风险区(0.003<<0.006)、较高风险区(0.006<<0.01)和高风险区(>0.01); 从克里金插值直观图分析结果(图2b)显示, 夷陵区中部生态风险值高(橙红色区域), 往南北边缘地区生态风险值趋向变小(蓝色区域), 这与夷陵的森林分布和覆盖密切相关, 结合图1分析可知, 林地主要分布在中部地区; 其次, 沿长江流域地区, 生态风险值较高, 特别是夷陵西南部, 靠近秭归县区域生态风险值高, 原因是靠近长江及其水流区, 人为活动较为频繁, 有可能带来更多的携带传播风险; 并且针叶林越多, 密度越高的区域, 生态风险值越大, 原因是以松材线虫病为主的有害生物的入侵, 造成越来越多的林地被砍伐和人为破坏, 造成高风险的可能; 特别是三峡大坝周边, 风险等级高, 严重威胁三峡水利电力工程的安全。

综合生态风险空间分析, 需要在固定样点采样的基础进行半变异函数的拟合检验生态风险预测可靠性, 在理论半变异函数拟合中, ArcGIS平台的球状模型拟合结果比较符合理想状况(平均标准差0.01), 因此生态风险分析主要基于球状模型(Spherical model)[22]。块金值表示随机部分的空间异质性, 理论上当空间距离为0时, 半变异函数值为0, 而实际上通过半变异函数图3可知, 从图中反应当相邻两采样点距离为0时, 半方差值达到一定数值(块金值), 这是由于测量和调查误差引起的。当随着邻近距离再增大, 达到半变异函数拐点时, 此阶段邻近样点空间的相关性和邻近距离存在相关性; 当距离再增大, 半变异函数值没有变化, 即偏基台值大于1.7965(曲线趋于平直时), 说明两采样点距离足够大, 以至其不具备空间的相关性, 即当距离大于50 km, 邻近采样点或观测点不具备相关性; 而在50 km内则存在明显的线性相关性。

图2 研究区生态风险空间格局

Figure 2 The ecological safety risk of research area

图3 研究区生态风险变异指数函数曲线

Figure 3 The mutation exponential function curve of ecological safety risk in research area

4 讨论

夷陵地处我国重要的森林资源丰富的鄂西山区丘陵地带, 也是我国重要的水利和能源工程要地, 生态安全地位极其重要。松材线虫病一直是危害当地的重要松林灾害, 它与其寄主之间的关系可以看做是简单的源-汇复合种群[25-27], 研究不同地类景观对松材线虫病(松褐天牛)的作用效果是本质上解决松材线虫病传播的重要途径。

异质性景观对松褐天牛具有一定的廊道效应, 郎道效应大小程度不同, 造成松褐天牛有选择性的向外移动, 最终导致松材线虫病的扩散。林园地景观是生态环境中极为重要的一类景观类型, 聚合度程度越高, 郎道效应越小, 其次我国南方丘陵及山区, 森林植被主要都以混交林为主, 特别是以针阔混交林最多, 没有绝对的非寄主斑块隔离, 媒介昆虫松褐天牛越容易穿越而寻找新的寄主, 也越容易传播松材线虫病, 也因此在阻隔松褐天牛传播和飞行能力方面也是较弱的。耕地景观亦是一类重要的土地利用类型, 多与寄主景观、林地及园地景观镶嵌邻近, 因此耕地景观在边缘长度上是最大的, 疫情斑块内的松褐天牛向四周扩散, 首先接触的是耕地, 也因此耕地景观在阻碍松褐天牛飞行能力方面较弱, 从诱捕量分析和林园地景观差异不显著。

水域及水利设施景观和人为活动景观都是面积相对小的两种景观类型, 且比邻较多, 空间格局较为分散, 被耕地或林园地所包围, 其次该两种景观类型受小环境气候影响大, 没有适合松褐天牛生存的环境条件, 生物量供给少或无, 在无外源性干扰情况下, 松褐天牛飞行穿越接触的可能性小, 因此研究结果显示诱捕较少, 且明显低于耕地和林园地景观。

对于森林生态系统而言, 林地越密集, 越容易受到松褐天牛等外来生物的入侵, 反之景观破碎化也越严重, 生态抵抗力越低; 人为活动景观和活动强度较大的区域, 物流量, 人口总数等是导致松材线虫病疫情传播最为关键的因子[28]。这和本研究结果一致, 在森林资源越丰富的区域, 长江流域周边, 生态风险相对越高; 但基于景观格局指数和生态风险指数定量的描述, 其本质还是一种概率, 也正是其分析不足之处, 由于夷陵地区尺度限制, 采样点不具备大尺度的可能, 因此邻近空间的相关性在50 km后是否存在相关性还需要更多更大尺度调查点的数据支持。

本文研究中忽略了经济发展程度和环境因子, 然而某种意义上, 土地利用的格局也是经济和环境因子的作用结果, 因此本文对地类的划分和风险分析具有一定意义, 也为通过景观格局风险现状图对土地格局的利用和改造提供了支撑。在土地规划和森林经营等前期准备上, 基于松材线虫病的考虑则需要更为合理的规划布局, 既可以满足人为生产生活的方便, 又可以预防和控制松材线虫病疫情的传播和蔓延, 在造林规划方面, 应建设连接度更低、斑块形状更为简单的林地抵御疫情传播和爆发。

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The heterogeneous landscape resistance to pine wild disease and ecological risk assessment in YiLing

HONG Chenghao1, ZHA Yuping1, ZHANG Ziyi1, CAI Sanshan1, XIAO Delin2, WEN Kunhai3, CHEN Jingyuan1,*

1. Hubei Academy of Forestry, Wuhan 430075, China 2. Station of Pest and Disease Control and Quarantine of Yichang, Yichang 443100, China 3. Station of Pest and Disease Control and Quarantine of Songzi, Songzi 434200, China

Westudied the method of controlling pine wild disease dispesal with heterogeneous landscape and assessed the epidemic area ecological risk in Yiling using the landscape ecology with forest protection theories, based on the biological characteristics of pine wild diseaseand current situation of land use.We reclassified the typies, constructed the landscape pattern, used landscape index as the assessment criteria by spatial analysis and Kriging interpolation methods to assess the Yiling district ecological risk. The results showed that the resistance to pine wild disease of heterogeneous types from maximum to minimum was water and conference facilities area, residential area, other forestry and garden area and agriculture area; coniferous area was the smallest. The ecological risk assessment showed central region of Yiling district and the Yangtze Riverhad a high risk possibility. The prevention strategy shouldfocus on reasonable configutation of landscape pattern, and rational land using current situation, and adopt ecological protection and management strategy to control the dispersal of pine wild disease.

landscape pattern; ecological safety; risk assessment;

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.007

S157.2

A

1008-8873(2021)02-048-08

2019-10-07;

2019-12-04基金项目:国家重点研发计划: 人工林重大灾害的成灾机理和调控机制(2017YFD0600100)

洪承昊(1982—), 湖北武汉人, 博士, 助理研究员, 主要从事森林有害生物控制研究, E-mail:haohao730@163.com

陈京元, 研究员, 主要从事森林保护研究, E-mail:chenjingyuan@hotmail.com

洪承昊, 查玉平, 张子一, 等. 夷陵地区异质景观对松材线虫病的抵抗力及生态风险分析[J]. 生态科学, 2021, 40(2): 48–55.

HONG Chenghao, ZHA Yuping, ZHANG Ziyi, et al. The heterogeneous landscape resistance to pine wild disease and ecological risk assessment in YiLing[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 48–55.