入侵-破碎化反馈重塑印度热带落叶林

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Invasion-fragmentation feedbacks reshaping Indian tropical deciduous forests

　　

摘要 引言：热带干旱林在调节生态过程和维持丰富的动植物多样性方面发挥着关键作用。然而，这些生态系统日益受到森林破碎化和入侵植物物种（IPS）扩散的威胁，迫切需要采取保护措施以维持生态平衡并支持当地社区。在此背景下，本研究利用跨越三个十年（1993–2023年）的多时相卫星观测（Landsat TM和Landsat OLI/TIRS）评估了印度东部Palamau老虎保护区（PTR）的长期森林破碎化动态。方法：使用核心、内部、边缘和斑块指标评估破碎化，并通过综合破碎化指数（CFI）进行量化。研究人员在90个森林网格中开展了基于野外调查的入侵植物物种（IPS）调查和空间分析，以评估IPS动态与破碎化和气候变量的关系。该分析为确定森林覆盖阈值水平和最佳空间配置提供了经验基础，以增强景观恢复力并减轻破碎化影响。结果：结果表明，森林覆盖面积从1993年到2013年显著下降至956.60 km²，随后部分恢复至2023年的1002.22 km²。尽管近期森林面积有所增加，空间分析表明森林结构完整性仍然受损。CFI从1993年的3.00大幅增加至2013年的18.92，反映出整个景观的破碎化加剧。讨论：观察到的退化与IPS的广泛扩张有关，特别是马缨丹（Lantana camara L.）、飞机草（Chromolaena odorata (L.) R.M. King & H. Rob.）和Mesosphaerum suaveolens (L.)，这些物种集中在PTR的中部、北部和东北部地区。重要的是，破碎化与生物入侵之间的关系似乎是相互的：森林破碎化促进了IPS的建立和扩散，而入侵物种通过使植物群落同质化、抑制原生树木再生和改变火情，进一步加剧了破碎化。这些发现表明，仅靠森林覆盖的增加并不一定意味着生态恢复。因此，将森林覆盖评估与破碎化指标相结合对于制定有效的保护和恢复策略至关重要，以改善生态系统恢复力和长期森林可持续性。

该研究发表于《Frontiers in Ecology and Evolution》，针对热带干旱林面临的森林破碎化与入侵植物物种（IPS）双重威胁，选取印度东部Palamau老虎保护区（PTR）作为研究对象，系统评估了1993–2023年间森林覆盖和景观破碎化的长时序动态，并探讨了破碎化与生物入侵之间的反馈机制。热带干旱林对维持生态过程和生物多样性至关重要，但此前对PTR的研究多基于粗略时间间隔，缺乏连续十年尺度的破碎化评估，也未能将遥感分析与生态实地调查相结合。因此，研究人员利用多时相Landsat影像和地面植被数据，旨在回答森林覆盖如何变化、主要驱动因素是什么以及IPS分布与景观结构的关系。

研究采用了多种关键技术与方法。数据源包括美国地质调查局（USGS）提供的Landsat 5 TM和Landsat 8 OLI/TIRS影像，覆盖1993、2003、2013和2023年四个时期，空间分辨率30 m。利用随机森林分类器生成土地利用/土地覆盖（LULC）图，kappa系数为0.81–0.87。在SAGA GIS中计算核心、内部、边缘和斑块四类破碎化指标，并依据综合破碎化指数（CFI）定量刻画破碎化程度。野外调查于2022年11月至2023年10月开展，采用随机样带法覆盖PTR内90个4 km×4 km森林网格，记录乔木（胸高直径>10 cm）、灌木、草本和幼苗等，计算IPS密度和Shannon多样性指数（H'）。气象数据取自NASA Power DAVe v2.3.4，包括湿度、风速、土壤湿度、温度和降水等参数。通过相关分析、单因素方差分析（ANOVA）等方法评估各变量间关系。

结果部分包含两个小节。在“3.1 森林覆盖变化的十年分析（1993–2023）”中，研究发现PTR森林覆盖从1993年的1113.94 km²（占区域70.68%）持续下降至2013年的956.60 km²（60.69%），随后在2023年回升至1002.22 km²（63.59%）。核心和缓冲区森林面积均呈先减后增趋势，但总体净损失111.72 km²。非森林面积则从1993年的462.16 km²增加至2013年的619.50 km²，2023年略降至573.88 km²。研究人员还发现，IPS平均密度随距非林边界距离增加而降低，在5 m处最高（19007 ind. ha^-1），20 m处降至17269 ind. ha^-1。气象数据显示2021–2022年相对湿度升高、风速降低，有利于森林再生，但IPS扩散也可能造成卫星影像上“变绿”的假象。

在“3.2 Palamau老虎保护区的破碎化分析”中，破碎化动态显示1993–2003年核心和内部面积分别减少3.39 km²和2.11 km²，边缘和斑块面积增加；2003–2013年所有结构稳定类别均下降，斑块增加，破碎化加剧；2013–2023年核心、内部和边缘部分回升，斑块减少，但总体核心面积仍净减少2.18 km²，边缘和斑块分别增加0.73 km²和0.02 km²。核心森林比例从1993年的9.10%骤降至2013年的0.51%，2023年仅恢复至2.82%；边缘比例持续占优（2023年47.87%）。单因素方差分析表明四类破碎化类别间差异显著（F_3,12=244.57，p<0.001，R²=0.98）。CFI从1993年的3.00升至2013年的18.92，2023年降至6.73，显示严重破碎化后仅轻度缓解。IPS密度在斑块类（17802 ind. ha^-1）最高，其次为边缘（16653 ind. ha^-1）、内部（14639 ind. ha^-1）和核心（14138 ind. ha^-1），表明边缘和破碎生境更易被入侵。Shannon多样性（H'）分析显示，边缘类包含较多高多样性斑块，但内部类平均H'最高（2.33），说明内部生境提供相对稳定的多样性维持条件。

讨论部分指出，森林退化和IPS扩散构成正反馈循环：破碎化通过增加边缘暴露、改变微气候和干扰频率促进IPS定殖，而IPS通过抑制原生更新和改变火情进一步瓦解森林结构。CFI的时序变化再现了“完整—破碎—严重破碎—部分恢复”的经典轨迹。气象因素如湿度升高和风速降低可能短期促进植被恢复，但若恢复以IPS为主导，则生态质量并未真正改善。因此，仅关注森林覆盖面积会掩盖结构退化。研究结论强调，PTR的有效保护必须超越森林覆盖面积的评估，需整合景观连通性恢复、边缘效应缓解、入侵种控制以及适应性管理策略。该研究提出的框架适用于其他面临类似压力的热带干旱林景观，具有重要的保护实践意义。