官司河流域土地覆被景观稳定性及其环境效应

刘延国，王 青，王 军

（1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳621010；2.四川省遥感中心，成都610081）

景观稳定性是生态学与景观生态学研究的一个复杂而又非常重要的内容，但目前国内外对景观稳定性的定义并不统一，多借用生态系统稳定性的概念来解释［1－5］。生态系统的稳定性一般包括抵抗力、恢复力、持久性和变异性4个方面的内涵，对于受非正常外力干扰的系统而言，抵抗力和恢复性是测度其稳定性的主要指标；对于受环境因子正常波动干扰的系统而言，持久性和变异性是衡量系统稳定性的指标［6－10］，而这些指标又可从侧面定量刻画区域的生态环境效应。由此可见，景观的稳定性是相对的，而变异是绝对的，它是由区域自然变化过程和人类活动共同决定的。近年来，虽有学者从林分结构特征及农业生产潜力等方面对官司河流域进行了定量化研究［11－15］，但缺乏对流域从景观稳定性角度的评价研究。本文从景观的格局，即景观中斑块、廊道和基质的空间组合出发，在分析其变化及其相互转换的基础上，深入分析官司河流域景观的稳定性及其环境效应，对了解涪江流域乃至川西北地区的景观变化，促进生态环境的定向恢复提供重要参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

官司河流域位于川中丘陵区北部的绵阳市新桥镇境内，是龙门山前缘向盆地的过渡地带，属浅－深切割的丘陵地貌，平均海拔600m以下，属典型的农林复合生态系统区，其地理坐标介于东经104°46′—104°49′，北纬31°23′—31°37′；整个流域面积为20.11 km2，属北亚热带湿润季风气候，气温与年降水的地域分布变化很小，年均温16℃，年均降水量921mm；流域农耕地面积占50%以上，主要种植水稻、小麦及玉米三种粮食作物，森林植被主要为20世纪80年代以来，通过封山育林形成的次生林和营造的人工林，主要类型为柏木林地、栎类林地、马尾松林地以及以三者各自为主要林分类型的混交林地，均分布在海拔520～630m范围内。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理 本文将1995年9月和2005年9月2个不同时期30m多光谱与15m全色波段通过小波变换融合后的彩色影像作为基本信息源，并以2005年9月IKNOS影像作为辅助，在ERDAS IMAGE 8.5及ArcGIS 9.0软件的支持下，以1∶10万地形图、野外实地调查及相关的各种统计图件作为数据源，结合研究区实际，参照我国《土地利用现状分类》标准分类系统［16－17］，将研究区域划分为人工景观：T1城镇、T2村庄、T3公共交通用地和T4耕地及半自然景观、T5水域、T6柏木林地（柏木纯林及以其为主的混交林）、T7栎类林地（麻栎、栓皮栎及其为主的混交林）和T8马尾松林地（马尾松纯林及其为主的混交林），共计8大景观类型，采用监督分类结合目视解译的方法，得到1995年和2005年研究区景观斑块类型的矢量数据。

1.2.2 景观稳定性指标选取及分析方法 官司河流域景观属于半自然及人工景观，其稳定性除了由斑块固有特征所体现的自然稳定性外，更主要体现为人为干扰引起的斑块间转换为主要特性的人为稳定性，因此可由以下三个指标及景观格局的转移矩阵来分析［2，4］。

（1）基质（自然、半自然景观）的比例稳定性。基质的比例越趋近于50%，该景观的稳定性就越高，公式为：

式中：SM——基质的稳定指数；M——基质的比例。SM的值越趋近于1，基质的稳定性越高。

（2）斑块特征稳定性。能够反映斑块稳定性特征的主要为斑块数量、斑块面积和斑块形状。因反映斑块形状的指数较多且大多数反映的主要是斑块形状的相似性和复杂程度，因此，本研究仅以斑块的数量和面积的变化率来反映其稳定性。基本公式如下：

式中：SP——斑块的景观稳定指数；Δni——第i类斑块数量的变化率；Δai——第i类斑块面积的变化率；ni1，ni2——第i类斑块初期和末期的斑块数量；ai1，ai2——第i类斑块初期和末期的斑块面积。SP越接近于1，斑块稳定性越高。

（3）斑块密度稳定性。不论是绝对密度还是相对密度，变化率越小，景观格局越稳定。斑块密度稳定性可以用以下公式表示为：

式中：SD——景观稳定指数；ΔD——景观密度变化率。SD越接近于1，景观格局稳定性将越高，D1，D2——研究初期和末期的景观密度；

式中：SDi——第i类景观结构组分的稳定指数；ΔDi——第i类景观结构组分的相对密度变化率；Di——第i类景观组分的相对密度；Di1，Di2——第i类景观组分初期和末期的相对密度；Ni——斑块总数；Ai——斑块总面积。SDi越接近于1，景观结构组分的稳定性就越高。

2 结果与分析

从表1可以看出，城镇、村庄、公共交通用地、耕地、水域、柏木林地、栎类林地、马尾松林地8大类景观组分的面积分布极不均衡，耕地的面积最大，为研究区人工景观的基质，马尾松林地为区域半自然景观的基质，结合实地调查，公共交通用地及部分水域中的水系为研究区景观的廊道，村庄、柏木林地、栎类林地为研究区景观斑块；2005年与1995年相比，总体上柏木林地、栎类林地及马尾松林地面积都有所增加，耕地面积减小，这与近年来流域的退耕还林及封山育林等生态恢复工程措施有直接联系。

表1 官司河流域区景观结构组分类型

2.1 基质的稳定性

表2为研究区半自然景观的基质稳定性指数，从中可看出基质的稳定性较低，两个时段变化相对较小，总体上稳定性有所提高，说明近年来流域实施的退耕还林及林分结构优化调整等生态工程恢复措施已初显成效。

表2 官司河流域景观的基质稳定性指数

2.2 斑块的稳定性

表3为研究区景观斑块稳定性指数。从斑块特征稳定性来看：城镇、水域的稳定性最高，其次为马尾松林地、栎类林地、柏木林地及公共交通用地，耕地及村庄的斑块稳定性最低，它们的景观稳定指数从高到低依次为：0.777，0.732，0.621，0.383，0.367，0.351，0.281，－1.821；景观斑块在＜4 000m2的尺度范围内，马尾松林地稳定性最高，在4 000～10 000m2尺度上，柏木林地稳定性最高，耕地及村庄的稳定性最低。

从斑块密度稳定性来看，柏木林地、城镇稳定性最高，其次为水域、马尾松林地、村庄及栎类林地，公共交通及耕地稳定性最低，其指数从高至低依次为：0.815，0.691，0.605，0.534，0.325，0.288，－0.656，－6.537；景观斑块在＜4 000m2尺度上，水域马尾松林地稳定性最高，在4 000～10 000m2尺度上，柏木林地稳定性最高，在＞10 000m2尺度上，水域及城镇稳定性最高。

综合斑块特征稳定性和密度稳定性两个方面来分析得出，中小尺度的柏木林地及马尾松林地对整个区域的景观稳定性起着至关重要的作用，应给予很好的保护，区域的耕作及居住特征决定了耕地及村庄稳定性的降低。

表3 官司河流域景观斑块稳定性指数

2.3 景观的类型转换及环境效应分析

利用ArcToolbox下的Overlay命令，对1995—2005年景观类型矢量文件进行空间叠加，应用Statistics命令提取各种土地利用类型之间转化的面积，从而建立1995—2005年景观类型空间转移矩阵，结果见表4。

从表4可以看出，流域景观空间格局发生了很大变化，主要表现在以下几个方面：

（1）耕地的变化。10a间，耕地的转化最为复杂，所有的景观类型都参与了转化，由其他类型转换为耕地的面积为133.014hm2，主要来源于转化程度最大的马尾松林地、柏木林地、水域及公共交通用地，耕地转化为其他类型的面积为480.513hm2，亦主要转化为上述四种类型，转出量远大于转入量，总面积呈减少趋势；

（2）水域的变化。10a间，其他类型转化为水域的面积为86.490hm2，主要来源于耕地、马尾松林地及柏木林地；而由水域转化为其他类型的面积为48.734hm2，亦主要转化为耕地、马尾松林地及柏木林地，转出量远小于转入量，总面积呈增加趋势；

（3）3种林地景观类型转化。10a间，3种林地类型中，马尾松林地的转化程度最为剧烈，转入面积达245.221hm2，转出面积达70.124hm2；其次为柏木林地，转入面积达180.928hm2；栎类林地转化程度最小，转入及转出量均小于10hm2，但三者转入量均大于转出量，总面积均呈增加趋势；

总体上看，官司河流域的景观类型转移规律反映了该区景观格局趋向良好方向发展，体现在耕地→水域、耕地→有林地的转化过程上。随着水域及有林地面积的扩大，流域物种多样性会相应有所增加，生态系统功能逐步提高并趋向良性发展，为当地社会经济可持续发展提供基础条件。

表4 官司河流域1995－2005年土地利用变化转移矩阵 hm2

3 结论

官司河流域土地覆被景观组分的面积分布极不均衡，其中耕地面积最大，为整个流域景观的基质，林地组分次之，这与流域为典型农林生态复合区的地位相吻合；马尾松林地作为半自然景观的基质，其稳定性有所提高，为区域环境正效应的发挥提供保障，但总体来看，无论是人工景观还是半自然景观，其稳定性都较低。

从斑块数量和面积变化率来分析，城镇、水域的稳定性最高，其次为马尾松林地、栎类林地、柏木林地及公共交通用地，耕地及村庄的斑块稳定性最低；从斑块密度变化率分析，柏木林地、城镇稳定性最高，其次为水域、马尾松林地、村庄及栎类林地，公共交通及耕地稳定性最低；总体来看，城镇及水域的稳定性最高，其次为三种有林地，稳定性最差的为耕地及村庄，这与区域生活及耕作方式及区域作为重要的产粮基地的性质密切相关。

从斑块特征稳定性和斑块密度稳定性两个不同的层次进行数据分析所得的结论不相一致，不一致性在＜2 000m2尺度上柏木林地最为明显，其次为4 000～10 000m2尺度上马尾松林地，说明中小斑块柏木林地及马尾松林地对于流域景观的稳定性具有重要意义，其也为充分发挥区域农林复合效应的关键因素，应特别予以重视，并进行科学合理的保护、规划和建设。

从景观转化角度分析，耕地与水域及三种有林地的转化最为剧烈，但从其稳定性来看，耕地稳定性最低，而后者则较高，说明流域人工景观的稳定性主要体现为人类干扰为主的人为稳定性，而自然及半自然景观虽然转化率相对较高，但其稳定性仍主要表现为由斑块固有特性所决定的自然稳定性，即为抗性和持久性，即为斑块抵抗其他斑块干扰而维持现状的特性，这正是区域环境向好的方向发展的基础所在。

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