基于3S技術的生態景觀變化對春尺蠖時空分布的影響
——以克拉瑪依市開發區為例

孫 倩，阿地力·沙塔爾，孫 晶

(新疆農業大學林學與園藝學院，新疆 烏魯木齊 830052)

【研究意義】春尺蠖是西北地區林業最重要的害蟲之一，在新疆地區為害尤其嚴重[1]。其危害特點是發生期短，幼蟲發育快，食量大，常暴食成災，剛發芽的榆樹、楊柳以及桑、沙棗、蘋果、梨、核桃等多種林果樹木都會被春尺蠖蠶食[2-3]。而正因為其具有寄主種類多、發生早、易局部暴發成災等特點，導致多種林果樹木受害程度越來越嚴重，進一步造成嚴重的經濟損失，甚至會引發沙塵暴、熱島效應等氣候災害[4-5]。遙感(Remote Sensing，RS)技術可為作物和林果病蟲害防治提供大范圍周期性的連續觀測數據[6-9]，地理信息系統(Geographic Information System, GIS)技術可以實現空間顯示和查詢，用于影響種群動態的因子分析、可視化種群時空動態模擬等，而全球定位系統(Global Positioning System, GPS)技術則可以在采集害蟲空間分析上用于收集數據、生態調查、動態監測和提供目標地物的地理坐標[10]。無疑，3S集成技術在森林病蟲害監測、種群空間分布、動態監測和模擬工作中，具有非常有效的發展方向，并且發揮著越來越重要的作用。【前人研究進展】由于春尺蠖個體小，難以通過遙感直接監測，但是國內外大量研究表明春尺蠖羽化的發生與氣候、土壤、植被等因子有著密切關系，且農業景觀格局對影響害蟲種群動態和群落組成有顯著的影響[11-13]。多年來，國內外采用了多種傳統而經典的技術方法對春尺蠖進行了多方面的研究，針對春尺蠖的各蟲態的形態特征、生活史、性比等數據的觀測，實現生物學特性的研究已經非常成熟[14]，而對春尺蠖預測預報、空間動態分布方面的探討也深入而全面[15]，而農業景觀中不同生境界面對其他蟲害的影響以及有了相應探討[16]。基于這些經典研究，利用3S技術在病蟲害的空間分布，間接因素的解譯，種群的監測等諸多方面都形成了成熟的技術和方法，論證了無論宏觀大尺度還是局部尺度的遙感數據，都對春尺蠖危害的遙感監測局域良好的適用性[17-18]，從生態意義上說，鄰近作物分布格局對馬鈴薯甲蟲的生態調控具有顯著作用[19]。而GIS技術與RS技術的結合，已經在很多種類的病蟲害上進行的嘗試性的應用，尤其是廣泛的應用在區域性害蟲的空間分析方面，例如棉鈴蟲、褐飛虱、蚜蟲、春尺蠖等[20-22]。【本研究切入點】本文利用Landsat衛星遙感數據，輔以多年克拉瑪依開發區春尺蠖的蟲口密度、越冬蛹基數、防治效率等野外實測數據，采用3S技術手段，分析研究區生態景觀格局變化對春尺蠖分布特征的影響和作用。【擬解決的關鍵問題】本研究為研究區生態景觀格局的調整提供科學依據，從而進行春尺蠖種群的生態控制。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究以克拉瑪依市開發區為研究區，克拉瑪依市地處準噶爾盆地西北緣，屬典型的溫帶大陸性氣候。寒暑差異懸殊，干燥少雨，蒸發強烈，降水主要集中在冬夏兩季，春秋季風多，冬夏溫差大[23]。研究區高程為 268～288 m，坡度為 0.26 %，累年平均氣溫為8.6 ℃。全年日照以7月份為最多，達302.5 h，12月份為最少，僅99.8 h。年平均降水量為108.9 mm，蒸發量為2692.1 mm。累計平均大風日數為64.5 d，夏季炎熱日(≥35 ℃)年平均為27.6 d，無霜期232.3 d(圖1,見封三)。

1.2 數據源及方法

該研究采用了多種數據源，數據源及其試驗方法如下所示：①選用克拉瑪依市2014年4月，2015年4月，2016年4月Landsat 8-OLI數據，其分辨率均為30 m；完成遙感影像數據的校正、鑲嵌、裁剪等預處理工作。②克拉瑪依市及克拉瑪依開發區行政邊界區劃圖；該邊界來自《中華人民共和國省級行政單位系列圖之新疆維吾爾自治區地圖》，比例尺為1︰400萬，以及開發區平面規劃圖，完成地圖的數字化。③選取多個蟲口密度較大、以楊樹為主要寄主樹種的標準地。在標準地內按對角線隨機選取20株寄主樹作為調查樣樹，記錄各蟲態出現的時間、春尺蠖蟲口密度、越冬蛹發生基數等數據。

本研究所采用的主要研究方法有：①生態景觀指數的計算；在景觀水平和類型水平兩個角度，選取能反映景觀異質性特征的景觀指數，進行春尺蠖發生區域的生態景觀研究。本文所選用的景觀指數有景觀類型水平的總面積(TA)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊形狀指數(LSI)、總邊界長度(TE)、香農多樣性指數(SHDI)和香農均勻度指數(SHEI)、景觀類型水平的總面積(CA)、面積百分比(PLAND)、斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀破碎度指數(LCI)等。其景觀格局變化特征指數的生態意義及取值范圍如表1所示。②春尺蠖的數據監測；春尺蠖1年發生一代，以蛹在樹冠下 10～30 cm土壤中越夏、越冬。翌年 早春，當日平均氣溫達 1 ℃以上，10 cm 地溫達 0 ℃以上，亦即土壤開始解凍之時，成蟲開始羽化，羽化成蟲當天晚上或第二天晚上交配產卵。5月上、中旬老熟幼蟲入土化蛹越夏、越冬。鑒于春尺蠖的以上特性，野外調研的時間集中在3-5月，在研究區遙感信息解譯結合實地考察，選取蟲口密度較大、以楊樹和榆樹為主要寄主樹種的標準地。在研究區內大面積林地區域內每 33.33～66.67 hm2地設置一塊面積為2001～3335 m2的臨時標準地，其中主要寄主樹種不少于100株。而護田林網及路旁綠化樹木可按鄉鎮分別設置一個網眼或一條街、路、堤作為臨時標準地，在標準地內按對角線或“Z”字型或隔幾株選一株的方法每快標準地 選取10株寄主樹作為調查標準樹。在標準樹樹干基部為中心，樹冠冠幅為半徑的圈內，選擇東南西北4個方向共調查10株，挖扇形樣坑(樣坑大小根據樹冠大小來確定)，調查樣坑不同深度(即 0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm)的蛹密度，統計健康蛹數、死亡蛹個數。③生態景觀格局指數與春尺蠖蛹發生基數的相關性分析；相關分析是為了說明現象之間存在的某種依存關系，以及探討其相關方向和相關程度，是研究隨機變量之間的相關關系的統計方法。在分析變量之間相關程度時常采用此統計分析方法。

表1 景觀格局變化特征值指數介紹

2 結果與分析

2.1 生態景觀時空分布特征

區域景觀格局是揭示區域土地利用/覆被狀況及空間變異特征的有效手段。同時，景觀格局研究也是景觀生態學的基礎性核心研究領域之一。以景觀幾何特征為基礎的景觀格局分析可以有效地反映LUCC的空間格局[23]。從景觀生態學的角度定量分析景觀指數的變化，從而研究土地利用/土地覆被的時空變化規律。關于景觀空間格局分析，已有許多數量方法[24]。

為了能將區域景觀變化與蟲口密度等的調研時間緊密結合，采用的遙感數據均為4-5月之間的數據。將實地考察和遙感數據相結合，基于區域生態景觀格局的信息解譯，為后期生態景觀的綜合分析打下了良好的數據基礎(圖2,見封三)。

所選Landsat衛星數據的時間均在每年的4-5月之間，避免云層信息的干擾，也確保生態景觀分析的時間與春尺蠖實地考察數據收集的時間相互匹配。對克拉瑪依市開發區進行信息解譯，春尺蠖均分布在林地區域中。在研究區北部，林地景觀有明顯降低趨勢，且在2015年林地景觀分布非常分散，在研究區北緯45度周邊區域內林地景觀相對充沛，同時，在研究區南部林地景觀分布分成分散，在水資源附件林地景觀尤為廣泛。基于林地景觀的時空分布特征，本研究的春尺蠖數據的樣本區也需要集中于林地景觀分布廣泛的范圍內。

2.2 春尺蠖時空分布特征

在林業景觀分布廣泛的區域，結合實地野外考察，設立12個樣本區，時間集中在3-5月，選取蟲口密度較大、以楊樹和榆樹為主要寄主樹種的標準地。3年來，春尺蠖越冬蛹發生程度，以及越冬蛹基數統計如圖3所示。

從圖4可以看出，3年以來，每個采樣點的春尺蠖越冬蛹的基數變化各不相同，但是在研究區整體而言，越冬蛹基數總數從2014年的95.65，降低到2015年的70.8，持續降低到2016年的53.9。其中許多采樣點春尺蠖越冬蛹基數均發生了顯著降低，如點1在2014年春尺蠖越冬蛹越冬蛹基數為17，2015年降低到8.3，2016年低至4；點2在3年之間從15降低到了5，這也表征著研究區北部，除了點12，其他所有采樣點范圍內的春尺蠖越冬蛹基數均有顯著增加；在北緯45度帶附近區域中，采樣點5、6和7均在3年內呈現春尺蠖越冬蛹基數顯著增加的特征，而采樣點10呈現了緩慢逐年增加的趨勢，采樣點11 3年中春尺蠖越冬蛹基數數據變化微弱，相對穩定。

圖3 3年間采樣點和春尺蠖越冬蛹蛹基數時空分布

2014年研究區南部，除了采樣點6的春尺蠖越冬蛹發生程度為重度，采樣點5為中度外，其他所有采樣點的越冬蛹發生程度為均為輕度，研究區北部采樣點12春尺蠖發生程度為輕度，其他均為重度。2015年越冬蛹發生程度有顯著好轉，重度采樣點只有2個，中度采樣點4個，其余均為輕度采樣點；到2016年，除1個重點采樣點和1個中度采樣點外，春尺蠖越冬蛹發生程度普遍為輕度。

2.3 景觀水平生態格局變化對春尺蠖時空分布的影響

春尺蠖野外監測采樣點均布設在林地區域，但是其他各類地物的變更也會對林地景觀產生格局變化上的驅動和影響，鑒于此，對研究區從景觀水平和類型水平角度，分析研究區內景觀格局特征值，計算結果如表2所示。

從景觀格局水平來看，斑塊數(NP)在2015年有明顯的增加，而2014與2016年斑塊數差距不大，斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、斑塊形狀指數(LSI)和香農多樣性指數(SHDI)也同樣具有先顯著增加，后顯著降低的變化特征；但總邊界長度(TE)和聚集度(AI)恰恰相反，呈現了先增加后減低的特征；而香農均勻度指數(SHEI)卻呈現出穩步增加的趨勢。

圖4 2014-2016年春尺蠖越冬蛹基數空間分布

表2 研究區景觀格局變化特征值

從類型水平角度，林地景觀的面積呈現略微增加后又略微降低的趨勢，但林地總邊界長度(TE)在2015年明顯增加，高達10 583 280，說明林地景觀在2015年分布分散，斑塊數(NP)、最大斑塊指數(LPI)均在3年間先降低后增加，斑塊形狀指數(LSI)和景觀破碎度指數(LCI)與之相反，呈現先增加后降低趨勢；邊緣密度(ED)和總邊界長度(TE)表現出穩步增加趨勢。其他各類地物的景觀指數也有不同的變化，其中，除耕地和荒漠外，其他所有景觀的NP值均呈現顯著降低趨勢，水體景觀的CA、NP、ED、TE、LCI均具有明顯降低趨勢，難以利用的山體、荒漠和其他等生態景觀，ED、TE、LCI等指數都具有降低特征(表3)。

2.4 生態景觀對春尺蠖空間分布的影響

春尺蠖越冬蛹基數的變化受到的林地環境的直接影響，選取林地景觀指數變化顯著的NP、LSI和LCI，分析林地景觀對春尺蠖時空分布的影響。同時，各類地物的時空變化對林地斑塊的分布也具有驅動作用，從而間接的對春尺蠖時空分布產生影響，鑒于此，選出林地斑塊變化趨勢明顯的生態景觀指標與春尺蠖的蟲口密度和越冬蛹基數進行相互關系的分析(圖5)。

表3 研究區斑塊類型水平上的景觀格局指數

圖5 林地生態景觀指數與春尺蠖蟲口密度和越冬蛹基數的關系

林地生態景觀指數與蟲口密度、越冬蛹基數的相關性可以看出，蟲口密度與越冬蛹基數與斑塊數(NP)、景觀破碎度指數(LCI)的變化規律吻合度非常高，都呈現出二者逐步降低的趨勢。林地景觀分布的斑塊數量越多，其破碎度指數越高，對春尺蠖蟲口分布具有促進作用，也說明林地聚集度越高，分散程度降低對春尺蠖的空間分布具有一定抑制作用，彼此之間此消彼長，相互促進或遏制。證明林地景觀的破碎化能有效地干擾和破壞春尺蠖生存的必需環境條件，而其他地物類型景觀的變化也對林地景觀格局變化的驅動影響較大。

斑塊形狀指數(LSI)對蟲口密度與越冬蛹基數具有微弱的正面作用，尤其2015年到2016年，該促進作用較為顯著，但2014年到2015年之間，蟲口密度與越冬蛹基數急劇下降，斑塊形狀指數(LSI)變化相對微弱，斑塊形狀指數對春尺蠖的空間分布影響作用并不顯著。也因此可以說明，斑塊周長對春尺蠖驅動影響微弱，而斑塊面積對其驅動影響相對較大。斑塊越復雜，連續性和整體性越弱，對制約春尺蠖的空間分布越具有積極作用。

3 結 論

該研究在克拉瑪依市開發區進行樣本分析，獲取了春尺蠖的蟲口密度、越冬蛹基數、防治效率等野外實測數據，同時利用Landsat衛星遙感數據，分析了研究區生態景觀格局變化對春尺蠖分布特征的影響和作用，得到以下結論。

(1)在研究區北部，林地景觀有明顯降低趨勢，且在2015年林地景觀分布非常分散，從生態景觀的類型水平角度而言，春尺蠖分布在林地集中的區域，在水資源附件林地景觀尤為廣泛，主要在北緯45度帶附近和東經84度帶。

(2)采樣點大多均在3年內呈現春尺蠖越冬蛹基數降低的特征，但采樣點11 3年中春尺蠖越冬蛹基數數據變化微弱，相對穩定；越冬蛹基數總數從2014年的95.65，持續降低到2016年的53.9；春尺蠖越冬蛹基數均有顯著增加；在北緯45度帶附近區域中，春尺蠖越冬蛹基數數據變化微弱。

(3)從類型水平角度，林地景觀的面積呈現略微增加后又略微降低的趨勢，但林地總邊界長度(TE)在2015年明顯增加，林地景觀在2015年分布分散，破碎度較高。

(4)蟲口密度與越冬蛹基數與斑塊數(NP)、景觀破碎度指數(LCI)的變化規律吻合度非常高，都呈現出二者逐步降低的趨勢。林地景觀的破碎化是能有效地干擾和破壞春尺蠖生存的必需環境條件，斑塊連續性和整體性越弱，對遏制春尺蠖的空間分布越具有的積極作用。