砒砂岩区种植沙棘后不同时期的景观要素组成结构

胡建忠

(水利部水土保持植物开发管理中心,北京 100038)

砒砂岩,一般特指位于黄河中游、出露于鄂尔多斯高原以红色为主的中生代沉积岩[1],包括了砂岩、粉砂岩和泥岩等多种沉积岩,颜色有红、棕红、灰白、黄等。这种岩石的特征,无水时硬如石,遇水则软如泥,特别是由于冷热、干湿交替造成的影响,岩石表层常形成一定厚度的碎屑层,在风、水、重力等影响下极易发生侵蚀[2]。砒砂岩区是我国土壤侵蚀最为严重的地区,自然侵蚀造成了千沟万壑的现象。于1999-2008年实施的 “晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程”[3],有效改变了区域内的景观面貌。

景观要素的组成结构对景观整体结构与功能具有重要控制作用[4]。景观要素组成结构可以用景观要素类型的斑块数量、面积及其在景观中的分布情况来反映。一般认为,某景观要素在整体景观中所占的面积大、斑块数量多并且分布范围广,则该景观要素在景观中可能起较大的作用,对景观整体的结构、功能和变化特征有更大的控制作用[5]。

本文对 “晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程”实施前一年 (1998年)、中期 (2003年)、最后一年 (2008年)3个控制年份,通过专用软件,分类型统计各景观要素的面积、斑块数等,对砒砂岩区种植沙棘 (Hippophae rhamnoides)后不同时期景观组成结构进行分析,以期从理论上进行总结分析,更好地指导类似生态工程建设项目。

1 工程实施前一年 (1998年)砒砂岩区各景观类型的组成结构

斑块平均面积 (Ai)是景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值,反映该类景观要素斑块规模的平均水平。

式中:Ni为第i类景观要素的斑块总数 (下同);Aij为第i类景观要素第j个斑块的面积。

砒砂岩区景观要素组成以盖沙地和稀疏植被为主体,二者面积占总面积的59.95%,其斑块数占景观斑块总数的42.04%,草地和未利用地在整个景观中也占有较大比重,其面积占景观总面积的 29.89%,其斑块数占景观斑块总数的40.29%(表1)。

表1 1998年砒砂岩区景观组成结构

因此,1998年研究区的土地利用与覆盖是以盖沙地和稀疏植被为主,其次为草地和未利用地。灌丛、水域、居民地和林地等景观斑块分散分布于整体景观中。面积最大的4种类型,斑块数占总斑块数的82.33%,平均斑块面积与总面积成正比。总体可见,1998年盖沙地和稀疏灌丛为研究区景观基质,在控制景观整体结构、功能和动态过程中起主导作用。

2 工程实施中期 (2003年)砒砂岩区各景观类型的组成结构

砒砂岩区1999年开始沙棘生态治理工程建设项目,到2003年沙棘面积达到115522.74hm2,占总面积的比例达到5.86%,区域景观格局开始发生变化。盖沙地面积有所减少,低于稀疏植被面积。草地和未利用地面积均稍微减小。2003年林地面积较 1998年明显增加,由原来的3.80%增加到5.46%,说明区域人工造林改造沙区建设也在逐步实施。灌丛面积略有减小 (部分改造为林地)。水域属于较为稳定的类型,面积基本变化不大。居民地由1998年占总面积的0.16%,增加到2003年的0.35%,增加了1倍多,说明研究区域城镇建设和发展规模逐渐增大。详见表2。

表2 2003年砒砂岩区景观组成结构

从斑块数比例及斑块平均面积上来看,盖沙地斑块数量减小,斑块平均面积也在减小;稀疏植被斑块数及斑块数量比例均明显减小,平均斑块面积则由1998年的28.24hm2增加到2003年的35.68hm2,体现出稀疏植被部分斑块逐渐连结成更大斑块的趋势,从而取代盖沙地成为区域景观本底基质。

区域中草地斑块数量及所占比例较小,草地的斑块平均面积略有增加;未利用地斑块数量增加,斑块平均面积明显减小,说明在沙棘生态工程建设及其他人工造林过程中大斑块逐渐消失,形成更多人为改造的小斑块。林地景观斑块数量及其比例增加,斑块平均面积由11.21hm2增加到2003年的13.02hm2,说明造林建设中使得很多小斑块聚合,形成部分大斑块,斑块平均面积增加。灌丛景观斑块数量增加,斑块平均面积由1998年的12.30hm2减小到2003年的7.86hm2,进一步体现斑块被人工造林等干扰的效果。居民地景观斑块数量增加显著,斑块平均面积明显减小,体现其建设初期的人为干扰特征。水域表现稳定。

3 工程实施最后一年 (2008年)砒砂岩区各景观类型的组成结构

区域内 2008年沙棘面积增加至164282.81hm2,占总面积的8.33%,居于第5位,逐步对区域景观格局产生了更大的影响。沙棘生态工程的实施,使得以砒砂岩为主体的未利用地面积进一步缩小,稀疏植被面积虽然增加不大,但在整个景观中的优势水平更加凸显。总体上看,这一时期稀疏植被的面积占总面积的比例达到33.18%,在区域景观格局中具有绝对优势;其次是草地面积,占总面积的18.39%,较2003年略有增加;盖沙地面积占总面积比例为14.21%,居于第3位;未利用地面积减少显著,由2003年占总面积13.52%,减小到2008年的10.29%(高于沙棘处于第4位),主要被稀疏植被、灌丛及沙棘所占据;林地面积继续增加,由原来占总面积比例5.46%增加到8.32%,主要来自于区域生态造林建设的效果,造林树种主要为油松;灌丛稍有增加,水域几乎没有变化,这两类均表现稳定;居民地由2003年占总面积的0.35%,增加到2008年的1.32%,增加了近4倍,反映出这一区城发展建设的速度与规模,也是城镇化发展的具体体现。详见表3。

表3 2008年砒砂岩区景观组成结构

分析2008年斑块数量及平均面积可见,除了灌丛和未利用地景观斑块数量明显下降外,其余斑块数量均呈增加趋势。沙棘、居民地、灌丛和林地四类的斑块平均面积呈增加趋势,其余类型斑块面积呈下降趋势。沙棘、居民地和林地主要是人为改造即 “引进斑块”的作用,使部分小斑块连结成更大的斑块,平均面积增加,而灌丛常常分布于不同森林类型边缘,与自然修复、人工造林等有着密切关系,面积呈上升趋势。盖沙地斑块平均面积减小,且减小幅度较大,从2003年的 39.23hm2减小到 2008年的21.12hm2。稀疏植被进一步占据研究区域更大的空间,使其进一步呈分散分布格局,斑块平均面积从2003年的35.68hm2减小到 2008年的29.93hm2。草地斑块平均面积稍有减小,主要来自于斑块数量的增加。未利用地总面积由2003年的 266512.50hm2减少至 2008年的202780.84hm2,减少面积多数转为砒砂岩区沙棘种植面积,斑块数量也减小,但总体上斑块平均面积变化不大,也说明了沙棘生态工程集中治理的特点。水域在总面积变化不大的前提下,斑块数量的增加导致斑块平均面积减小显著。

综上所述,砒砂岩区在沙棘及其他造林生态工程建设的实施基础上,区域景观格局发生了很大变化,景观本底由盖沙地和稀疏植被分庭抗衡,逐渐过渡到以稀疏植被、灌丛、林地和沙棘等各类植被为主。沙棘渐渐成为区域景观的重要组成部分,对区域景观格局的重新调整起着越来越重要的作用。此外,未利用地的大幅度下降也体现出沙棘生态建设的效果及对区域景观格局的影响。变化最小的是水域类型。草地和灌丛也是变化较小的类型。居民地是完全在人为干扰条件下呈现剧烈变化的类型,体现区域经济活动和发展的程度。斑块数量总体上呈现增加趋势,也体现区域人为干扰痕迹较重的现象。随着区域沙棘生态建设工程的进一步实施,研究区域景观格局将进一步发生变化,各景观类型的动态变化过程将会随之发生相应变化。

[1] 金争平.砒砂岩区水土保持与农牧业发展研究[M].郑州:黄河水利出版社,2003.

[2] 王愿昌,吴永红,寇权.砒砂岩分布范围界定与类型区划分[J].中国水土保持科学,2007,5(1):14-18.

[3] 胡建忠.砒砂岩区生态建设的一种创举-沙棘模式[J].中国水利,2007,(6):25-27.

[4] 肖笃宁.景观生态学—理论、方法及其应用[M].北京:中国林业出版社,1991.

[5] 许慧,王家骥.景观生态学的理论与应用[M].北京:中国环境科学出版社,1993.