勐海县热带林景观生态风险分析

沈新华

(云南省林业调查规划院,云南 昆明 650051)

位于西南边陲的西双版纳勐海县是地球赤道上最重要的绿洲，是我国生物多样性最为丰富的地区之一,在国际上也被认为是重要的生物多样性保护中心,具有极高的保护价值。近年来,随着勐海县经济社会的快速发展，人工林景观的不断攀升和扩张，热带天然林景观在慢慢地减少，生态系统原有的景观结构被破坏，影响了区域生态安全，因此，对勐海县热带林景观进行生态风险评估，对为林业部门提供合理的发展规划具有重要现实意义。

1 研究区概况

勐海县地处云南省西南边境，隶属于西双版纳傣族自治州，位于东经99°56′～100°41′，北纬21°28′～22°28′。勐海县土地总面积53.7万 hm2，林业用地面积36.86万 hm2,占全县土地总面积的68.69%;非林业用地面积16.8万 hm2,占31.31%。全县森林覆盖率为62.9%。

2 研究方法

本文以云南省西双版纳热带雨林植被保护较好的勐海县为研究区，以2005年和2015年森林资源二类调查空间数据库为主要信息源。

2.1 景观分类

以研究区的景观特征和研究需要为出发点来划分景观类型，借助ArcGIS系统的支持，选用土地覆盖类型作为一级景观分类因子，将研究区一级景观分为有林地、灌木林地、农地、水域、建设用地5种景观类型；进一步依据植被类型、景观功能、人为干扰及景观结构类型等要素，结合社会经济发展，将研究区一级景观中的有林地景观划分为人工橡胶林地和其它林地景观，将灌木林地景观划分茶叶经济林(灌木经济林)及其它灌木林景观。

2.2 景观结构安全指数

景观结构安全指数通过景观干扰度与景观脆弱度来表示，受人类或自然界的扰乱越强，生态环境就越危险。景观干扰度指数的计算公式为：

Ui=aCi+bSi+cDi

(1)

式中：Ci为景观破碎度，Si为景观分离度，Di为景观优势度，a、b、c为景观指数权重，其中a+b+c=1，目前国内已有的研究中[1-5]，均将其分别赋值为0.5、0.3和0.2,对量纲不同的指数进行归一化处理。

研究区生态系统最主要的干扰因素就是人类活动。目前国内对景观脆弱性的研究主要是对其赋值[1,3]，为了与其它指数一致，要对其进行归一化处理。对勐海县各类景观类型的脆弱度指数进行赋值为：水域—10，茶叶地—8，橡胶林地—7，其他灌木林地—4，农地—3，其他林地—2，建设用地—1。

景观风险指数Ri表示在受到破坏或自然条件改变时，各土地利用/覆盖类型所受到的生态损失的差别，也就是自然属性损失的程度大小，是某一景观类型的干扰度指数和脆弱性指数的综合表示，其计算公式为：

Ri=Ui×Fi

(2)

式中：Ui为景观干扰度指数，Fi为景观脆弱度指数。

作为生态风险的逆向表达，景观的干扰程度越大，脆弱性越强，区域生态环境的安全程度越低。为建立景观结构与区域综合生态环境之间的关系，通过景观要素的面积比例和生态风险与景观格局之间的经验关系，确定了生态安全与景观格局之间的关系，并在样地上描述综合生态安全的相对大小，以便通过采样方法将景观空间结构转化成空间化的生态环境变量。其计算方法为：

(3)

式中：ESi为第k个研究单元的景观结构安全指数，数值越大表明生态系统越安全，反之则越不安全;n为该单元的景观类型总数；Aki为第k个研究单元景观类型i的面积；TAi为第k个研究单元的总面积。当所有研究单元的生态安全指数计算完成后，对其生态安全指数进行归一化处理，以便更好地反映区域各研究单元的相对生态安全程度。

2.3 景观功能安全指数

大规模种植的人工树种取代原有的农地、其他林地、其他灌木林地等景观类型，不仅使景观结构类型产生改变，功能也会随着变化。如果把景观看作一个复杂的生态系统，其功能是指与周围环境、能量和信息的复杂相互关联，以及这种关联影响下景观内部发生的各种变化，包括其中的物质流、能量流和物种流[6]3种类型。在物质流、能量流和物种流的相互作用下，各景观类型表现出了调节气候和水文、固碳释氧、保育土壤、净化空气、积累营养物质和美学与旅游等众多功能。生态系统服务价值所反映的是通过生态系统结构、过程和功能直接或间接得到的生命支持产品和服务。

本研究主要依据千年生态系统评估框架工作组提出的生态系统服务分类方法[7-8],建立勐海县生态经济价值评估指标体系，以便于本研究的生态系统服务价值评估工作同其他的工作具备比较和参考性(表1)。本文仅限于研究其直接和间接经济价值。

表1 勐海县生态服务价值评估指标体系

2.4 景观生态安全模型构建

由于人工林的种植需要特定的环境，因此其种植地块在空间上较集中，降低了生态景观异质性。因此，要全面反映一个人工林种植区域生态环境状况，单凭景观结构是不够的，人工起源的林木代替之前的农地、其他林地、其他灌木林地等景观类型，会同时引起景观类型结构和区域景观功能产生改变，因为每种景观类型的生态功能均不一样。因此，以景观干扰度和景观脆弱度构建景观结构安全指数，同时引入生态服务价值构建景观功能安全指数，综合景观结构与功能两方面对生态安全性进行研究，对景观生态安全评价及景观结构优化等方面具有重要的理论和实用价值。

采用专家打分的方法得出[9]：景观结构和功能相对于景观生态安全度的权重相同，说明景观结构安全指数与景观功能安全指数对于景观生态安全的影响是同等重要的。因此将两者的几何平均值作为景观类型生态安全值，得到网格景观生态安全度的计算公式为：

(4)

(5)

式中：ESIk为第k网格的景观生态安全度；Aki为第i类景观类型在第k网格内所占的面积；Ak为第k网格的总面积；m为第k网格中景观类型总数目；ESIi为景观类型生态安全度；ESi为景观结构安全指数；ESVi为景观功能安全指数。

2.5 网格尺度选择分析

由于网格划分后的网格单元在数据调查和统计中比基于行政和景观单元的网格单元更能准确地反映评价单元的内部信息，数据处理更有利于多源数据的融合和分析，因此在环境评价和生态监测中得到了广泛的应用。

利用 ArcGIS 中的Fishnet工具生成矢量信息网格，生成研究区行政区域实体数据，并与其他数据叠加，实现矢量数据、栅格数据和统计数据的网格化，利用综合评价模型计算，得到各网格的生态安全指数。

目前主要通过空间粒度放大实验来选择最佳尺度[10]，即对比不同尺度下的研究结果，从设定尺度中选择出最佳尺度。通过构建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)计算勐海县景观生态安全度平均值、标准差、尺度变异系数、尺度变化率等因子(表2)。

图1 尺度变化率与网格大小的关系Fig.1 Relationship between grid size and scale change rate

1)随着网格尺度的增大，勐海县景观生态安全度空间差异细节的表现逐渐降低。为更好地反映勐海县景观生态安全空间分异的细节性，应选择较小的尺度进行分析。当处于900 m×900 m网格时，仅显示出较为粗略的空间分异特征，因此大于900 m× 900 m不加以考虑。

2)从尺度变化率图中可以看出，在100m×100m时尺度变化率不稳定，变化较大，从200m×200m时开始变化率趋于平稳。综上所述，勐海县景观生态安全度计算的最佳尺度为200 m×200 m。

3 结果与分析

3.1 景观类型空间转移分析

利用转移矩阵分析景观要素的变化，可以反映景观要素从T时间向T+1时间的变化。传递矩阵可以用来量化景观要素之间的转化量。

2005—2015年景观要素转移特征的提取可以根据地图代数原理，对2005年和2015年的景观格局类型图进行处理，在ArcInfo中将矢量数据转换成栅格数据，利用ERDAS的矩阵分析功能，将上述两期数据进行叠加，生成景观动态变化图，采用地图代数方法进行转移信息提取，从而得到两个时段间研究区各景观要素之间的转移矩阵，其计算公式为：

(6)

表3 2005—2015年研究区各景观类型流入转出面积

通过对2005年、2015年勐海县各景观类型的空间转移分析可知：勐海县各景观类型空间转移很频繁，在经济和政策影响下的橡胶林地、茶叶地、建设用地面积在空间转移上以流入为主；以天然林为主的其他林地、其他灌木林地以转出为主。

3.2 景观结构指数

景观破碎度指数(Ci)、景观分离度指数(Si)、景观优势度指数(Di)、景观干扰度指数(Ui)、景观脆弱度指数(Fi)、景观结构安全指数(ESi)等景观结构要素计算结果见表4。

表4 研究区2005年与2015年各景观结构要素计算结果

2005年景观结构安全指数按大小排列为：其他林地>建设用地>农地>其他灌木林地>橡胶林地>茶叶地>水域；其他林地的景观结构安全指数最大，在4种林地景观类型中,天然林景观结构安全指数大于人工林。2015年景观结构安全指数按大小排列为：建设用地>其他林地>农地>橡胶林地>茶叶地>其他灌木林地>水域，与2005年相比，排列顺序已经发生了变化，建设用地的景观结构安全指数变为最大，10年间其他灌木林地和农地由于面积减少，对应的景观结构安全指数分别减少了8.19%和0.14%；其他林地由于减少的面积比例太小，10年间反映在景观结构安全指数上没有变化，而水域、橡胶林地、茶叶地和建设用地由于面积的增加，景观结构安全指数分别增加了7.46%、2.64%、2.25%、0.36%；2015年在4种林地景观类型中,其他林地的景观结构安全指数还是最大，其他灌木林地已变为最小。

3.3 景观功能指数

经过计算，得出勐海县2005年和2015年各景观类型单位面积生态服务价值(表5)。

表5 2005年和2015年各景观类型单位面积生态系统服务价值

由于本文只研究各景观类型的相对生态安全性，从生态服务价值当量表就能表示出各景观类型景观功能的差异性，因此将单位面积生态服务价值当量值作为各景观类型的功能安全指数表征(表6)。

表6 2005年和2015年景观功能安全指数

10年间，由于茶叶价格一直在上涨，茶叶地的景观功能安全指数在所有景观类型中最高；其他林地、其他灌木林地和农地的景观功能安全指数一直在缓慢增长；而橡胶地林由于干胶价格下降，是唯一个景观功能安全指数下降的景观类型。

3.4 景观生态安全度分析

经过计算,2005年勐海县其他林地的生态安全度值最高，至2015年，由于茶叶价格的上涨带动了茶叶地景观功能安全指数的大幅上涨，使其生态安全度超过了其他林地；而由于橡胶价格下跌，橡胶林的生态安全度与2005年相比有所下降；其他灌木林地由于面积的大幅下降，带动了其结构安全指数的下降，导致了生态安全度下降(表7)。

2005年勐海县景观类型生态安全度范围为 0.986 7～2.782 0，按大小排列为其他林地>茶叶地>橡胶林地>其他灌木林地>水域>农地>建设用地；2015年各景观类型生态安全度范围为 0.988 5～3.129 3，按大小排列为：茶叶地>其他林地>水域>橡胶林地>其他灌木林地>农地>建设用地。从表4的计算结果得出，2005年以天然林为代表的其他林地和其他灌木林地的结构安全指数要大于以人工林为主的茶叶地和橡胶林地，由于茶叶价格的不断上涨,其生态系统服务价值也在不断上升,2015年茶叶地的生态安全度最高，同样的情况还有水域，由于水产养殖产业的发展和水产品价格的上涨，勐海水域的生态安全度从2005年的1.4768上升至2015年的2.5780；而橡胶地的生态安全度由于橡胶价格的不断下跌，导致其生态系统服务价值不断下降，生态安全度从2005年的2.0515下降为1.9653。2005—2015年，橡胶林地、茶叶地大面积取代原有农地、其他林地、其他灌木林地等景观类型，原来的破碎斑块合并，使得橡胶林地、茶叶地、水域的结构安全度逐步升高，农地、其他灌木林地的生态安全度逐步下降。虽然建设用地结构安全度处于相对较高水平(0.977 1)，但所能提供的生态服务价值为零，导致其生态安全度一直都是最低。

2005—2015年，景观类型生态安全度除其他灌木林、橡胶地分别降低4.38%和1.51%外，其他景观类型的生态安全度均升高，其中水域和茶叶地分别升高了42.7%和16.6%。2005年与2015年各类型景观功能安全性的排序变动较大(除农地和建设用地的排序不变外)，因此当景观类型面积、空间布局和生态服务价值发生较大变化时，区域生态安全将发生变化。

3.5 景观生态安全度时空特征

采用Frgstats 4.2与ArcGIS 10.5等软件，根据式(4)计算每个网格的景观生态安全度。为了表现勐海县生态安全的时空变化特征，采用自然段点分类(Natural Breaks)将景观生态安全度分为3级：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(图2)。

图2 景观生态安全度等级Fig.2 Classification of landscape ecological security degree

Ⅰ级生态安全度特征：Ⅰ级生态安全度最低，景观类型以建设用地和农地等非林地为主，分布在低海拔坝区，人类活动频繁，是勐海县粮食主产区，区域以勐海镇、勐混镇和勐遮镇为主。

Ⅱ级生态安全度特征：Ⅱ级生态安全度居中，景观类型多处于茶叶地和其他林地结合部，景观类型多样，分布区域较分散。

Ⅲ级生态安全度特征：Ⅲ级生态安全度最高，景观类型以其他林地和茶叶地为主，分布区域远离城镇和农地，是勐海县植被最好，占地面积最大，生态区位最重要区域，以布朗山乡、勐阿镇、勐往乡为主。

4 结论

1)景观类型空间转移分析

通过对2005年、2015年勐海县各景观类型的空间转移分析可知：勐海县各景观类型空间转移较频繁，在经济和政策影响下橡胶林地和茶叶地面积在空间转移上以流入为主，10年间茶叶地净流入面积为 25 592.2 hm2,占2005年茶叶地面积的102.78%；橡胶林地净流入面积为 18 653.7 hm2，占2005年橡胶林地面积的126.30%。以天然林为主的其他林地、其他灌木林地在空间转移上以转出为主，10年间其他林地净转出面积为 2 738.4 hm2,占2005年其他林地面积的0.87%；其他灌木林地净转出面积为 12 246.6 hm2，占2005年其他灌木林地面积的89.89%，由于勐海县政府重视林业的发展，进行了退耕还林等一系列造林任务，农地以净转出为主。

2)景观生态安全度

2005年与2015年各景观类型生态安全度范围为 0.986 7～2.782 0和 0.988 5～3.129 3；2005年以天然林为代表的其他林地和其他灌木林地的结构安全指数要大于以人工林为主的茶叶地和橡胶林地，至2015年其他林地结构安全指数最大，以人工林为主的茶叶地和橡胶林地已经超过其他灌木林地。随着茶叶价格的不断上涨,茶叶的生态系统服务功能不断上升,2015年茶叶地的生态安全度已经超过了其他林地。2005—2015年，景观类型生态安全度除其他灌木林、橡胶林分别降低4.38%和1.51%外，其他景观类型的生态安全度均升高，其中水域和茶叶地分别升高了42.7%和16.6%。

3)景观安全等级

2005—2015年全县景观生态安全平均值由 2.279 0 增加到 2.527 0，增加了9.81 %，但景观生态安全等级未发生变化仍处于Ⅱ级，说明10年间勐海县景观生态安全具有变好的趋势，但仍处于中等水平。2005—2015年各等级景观生态安全随时间变化的主要趋势为：Ⅰ级和Ⅲ级面积分别增加了 2 001.25 hm2、23 593 hm2，而Ⅱ级则减少了 25 594.25 hm2，景观生态安全等级Ⅲ级面积最大，说明10年间勐海县生态环境处于相对较好的状态。虽然各生态安全等级面积均发生变化，但Ⅲ级所占权重还是最大，对整个区域的景观生态安全起决定性作用。

5 生态安全保护对策及建议

勐海县作为我国亚热带原始森林主要区域，声名远扬，对境内的天然林保护更显得十分迫切，特别是对天然水源林和国有林更要严格保护。

1)动员全社会广泛参与

加大宣传力度，提升公众的热带林保护意识，探索建立和完善热带林保护利用的参与式共管机制；加强国内外的交流与合作，调动国内外利益相关方参与热带林保护的积极性，提高各利益相关群体的参与程度。开展社区脱贫示范，降低热带林自然资源消耗。

2)加大林业执法力度

虽然研究期内勐海县的生态安全度在升高,但侵占天然林现象仍然存在，主要表现在侵占农耕地边缘林地、毁林垦殖(毁有林地种香蕉等)、毁林造林(毁有林地种植经济林)等。据2015年的森林资源二类调查，勐海县森林覆盖率比上期提高，但天然乔木林覆盖率却比上期减少一个百分点，在一定程度上已反映出所存在的问题。因此，加强天然林保护，一方面需增强森林执法人员和护林员的责任感，加大宣传和巡查力度，做到有案必查，决不隐瞒。另一方面要加大打击力度，严格按森林法处罚毁林案件，增大林政执法震慑力，有效保护现有天然林资源。

3)完善热带林保护体系

茶叶和橡胶是勐海县经济林中的两大优势产业，受近年来市场价格上涨所趋，部分群众盲目进行开发种植，如在天然林里种植茶叶、橡胶等。这些不合理的开发种植方式，破坏了当地生物多样性。因此应加大管理力度，禁止天然林下造林，杜绝毁天然林造经济林、种植香蕉等不合理的开发种植方式，保护当地生物多样性。对于具有较高生态保护价值的热带雨林区，有必要在未来土地利用规划中借鉴景观生态学原则，开发利用有林地区域时应保证其一定面积核心区的存在，并尽量保持其功能上的联系性，以避免其结构和功能上的破碎化，从而促进区域可持续发展。