贾鲁河郑州段植物多样性与景观格局梯度变化1)

雷雅凯 贺 丹 张军红 卢亚琼 田国行

(中国林业科学研究院，北京，100091)(北京林业大学)(中国林业科学研究院)(河南城乡建筑设计院)(河南农业大学)

景观格局是指空间格局，包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置［1］。目前，对于景观格局特征的研究越来越广泛［2－4］，景观格局特征分析有利于正确评价流域生态状况及其与自然和人类活动的关系。用于定量表征景观格局演变的景观指数及模型方面的研究发展迅速［5－10］。国内外学者结合遥感数据利用景观格局指数对区域景观格局在时间维上的动态演变进行了大量研究，深刻揭示了农田、湿地及森林景观的格局与动态演变规律，并探讨了快速城市化进程给区域景观格局带来的影响［11－13］，但是较少关注景观类型的空间梯度格局问题。

20世纪初至今，中国城市人口增长了近10倍，城市人口比例从14%增到50%。快速城市化不仅使湿地面积减少生境破碎化情况加剧，也导致了城市湿地生境的丧失［14］，河流流域是城市发展的起点，从城市发展史来看，都市聚落的形成往往与河流、海洋、湖泊有着密切的关系，贾鲁河流域是郑州市生命肌理的重要组成部分，城市生态系统的经络。随着郑州市域城镇化进程的推进和城市规模的扩张，曾经的绿城已经名不符实，绿地等软环境资源被排挤到城市的外围尽可能小的地块上，传统上绿地的建设只注重服务半径和绿地率的定量指标，但是这种被置于土地开发后边角地位的绿地并不能组成有效的足以改善郑州市面貌的绿地系统，而贾鲁河流域可以成为对郑州市用地及空间布局有先导作用的绿地核心和市域绿地系统的绿色骨架，是郑州城市可持续发展的关键。文中根据贾鲁河与市区的位置关系，将其分为4个梯度，通过对景观空间格局和植物多样性梯度变化的分析，提出贾鲁河流域的优化措施，从而为完善郑州市绿地系统和森林生态系统，实现郑州市空间结构的转变及中原经济区建设提供科学依据。

1 研究区概况

贾鲁河是一条流淌2000多年的河流，古人又称小黄河，是郑州市境内除黄河以外最长、流域面积最广的河流，郑州市区内所有内河均属于贾鲁河的支流。河流全长255.8 km，流域面积5 896.0 km2。研究区域属北温带大陆性季风气候，春季干旱少雨，夏季炎热多雨，秋季晴朗，日照长，冬季寒冷少雨。多年平均气温为14.2℃，多年平均年降水量633.3 mm，降水量时空分布不均，夏季多雨，汛期7—9月份，占年降水量的60%左右，冬季少雨雪，其降水量仅为年降水总量的4%～5%。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究土地利用数据来自2009年郑州市航片，以1990年郑州市地形图、2005年土地利用现状图为依据，结合2007年郑州市绿地普查数据作为初步解译的数据来源;植物多样性数据来自于2009年8月份的调查数据，由于所研究范围较大，因此，采用取样调查法，研究范围内共分4个梯度，根据每一梯度所涉及长度的不同，每个梯度设4～6个1 km样段，每个样段内取5个20 m×20 m的大样方，在每个大样方的四角及中心位置取5个5 m×5 m的小样方，以及1 m×1 m的小样方。在大样方内记录每棵乔木的种名、胸径、冠幅、树高;在5 m×5 m小样方内记录灌木的种名、盖度、多度、高度;在1 m×1 m小样方内记录草本物种的种名、盖度、多度、高度。

2.2 景观类型划分及梯度设置

根据文中要研究的问题，结合贾鲁河流域的实际情况，将研究区域划分为水体、耕地、林地、建设用地等4种景观类型，从定性和定量角度研究贾鲁河流域的景观格局梯度变化特征。

该研究区域内地形变化规律明显，沿贾鲁河从西南到东北地形逐渐从山地丘陵过渡到平原，同时考虑到人类经济活动和城市化过程对自然生态系统及其景观格局具有极为重要的影响，所以本研究结合自然条件和城市化的影响，对研究区域按综合性原则、主导因素原则、科学实用原则和差异性原则，选取地形地貌、水系连贯性、道路阻隔、距离城市中心的远近等4个因素为主导因子，根据以上主导因子把研究区域划分为4个梯度(图1)，第一梯度从荥阳贾峪镇到西南绕城高速路，命名为上游远郊区;第二梯度从西南绕城高速至中原路，命名为上游近郊区;第三梯度从中原路至中州大道，命名为城市河流区;第四梯度从中州大道至中牟边界，命名为下游河流区。

图1 研究区域梯度划分

2.3 分析指标及计算方法

不同景观生态学家提出了众多景观格局分析指数［15－16］，但是格局指数法也有一些不足之处，用于描述景观格局的景观指数虽多，但许多景观指数之间不满足相互独立的统计性质，因此，根据研究目的，合理地选择一个用之足以描述景观格局但又不冗余的景观指数体系是十分重要的［17－18］。文中选取景观多样性指数、景观优势度指数、景观均匀度指数、景观丰富度指数、景观距离指数、景观破碎化指数等指标来研究研究区景观格局的梯度变化特征。植被特征的梯度变化研究选取shannon－wiener多样性、丰富度、pielou均匀度、优势度等4个指标。各指标计算方法及生态学意义参见文献［19］、［20］。

景观格局方面，基于Fragstats 3.3，首先采用标准法(standard)算出以上几个景观指数，然后，根据公式计算所选的植被特征指标。

3 结果与分析

3.1 景观类型组成梯度变化分析

第一梯度总面积18.86 km2，各类型景观所占面积由大到小的顺序为耕地、林地、建设用地、水体;第二梯度总面积为13.43 km2，各类型景观所占面积由大到小的顺序为耕地、林地、建设用地、水体;第三梯度总面积24.88 km2，各类型景观所占面积由大到小的顺序为建设用地、耕地、林地、水体;第四梯度总面积17.27 km2，各类型景观所占面积由大到小的顺序为耕地、水体、建设用地、林地。耕地类型所占的比例最大，说明研究区农业景观占主导因素，而水体的比例相对最小，因近几年河流水量减小，部分河道萎缩所致。各个景观类型在梯度中所占比例不同，其中耕地类型中，所占比例由大到小顺序为第一梯度、第四梯度、第二梯度、第三梯度;建设用地类型中，所占比例由大到小顺序为第三梯度、第一梯度、第二梯度、第四梯度;林地类型中，所占比例由大到小顺序为第一梯度、第二梯度、第四梯度、第三梯度;水体类型中，所占比例由大到小顺序为第四梯度、第二梯度、第一梯度、第三梯度。说明了耕地类型的比例变化主要是由距城市距离的远近来决定的，建设用地类型中按常规来说第一梯度的比例应该最小，但由于所处地有贾峪镇等几个较大的居民区和警察学校的缘故比例较高，林地类型比例的排列原因和耕地一致，水体类型中因为下游河流区处在黄河背洼地，因此，它的地下水位很高，分布有很多的鱼塘，所以水体比例最高。

表1 不同梯度景观结构

3.2 景观格局分析

景观多样性由大到小的排列顺序是第四梯度、第二梯度、第一梯度、第三梯度(表2)，反映出下游河流区各个景观类型所占比例相差最小而城市河流区各个景观类型所占比例相差最大;优势度用于测度景观结构组成中一种或少数景观要素类型支配景观的程度，通常较大的优势度值对应于一个或少数几个斑块类型占主导地位的景观［21］，表2中优势度指数由大到小的顺序是第三梯度、第一梯度、第二梯度、第四梯度，反映出城市河流区中有1种斑块类型占主导地位，即建设用地斑块类型，而下游河流区的景观斑块类型比较平均，没有明显的占主导地位的景观类型;均匀度指数是表示景观镶嵌体中不同景观类型在其数目或面积方面的均匀程度，取值范围为0－1，其值越低，各个景观类型所占面积比例差异越大，越接近1，类型间的面积比例越接近，景观斑块分布越均匀，均匀度指数由大到小的排列顺序为第四梯度、第二梯度、第一梯度、第三梯度，其中下游河流区的均匀度指数最大，而城市河流区的均匀度指数最小，下游河流区各个景观类型的面积比例差异相对较小，类型间的面积比较接近，城市河流区耕地类型的斑块较少，面积比例很小，而建设用地面积很大，因此，第三梯度的均匀度指数较小;丰富度指数由大到小的排列顺序为第二梯度、第四梯度、第一梯度、第三梯度，总体来说梯度之间变化不大，差别主要是由于划分梯度的景观总面积所决定的。

表2 不同梯度的景观水平指数

从表3中可以看出，耕地类型的景观距离指数由大到小的顺序为第三梯度、第四梯度、第二梯度、第一梯度，表明第三梯度的耕地类型斑块间平均距离最大，单位面积上耕地类型斑块的个数较少，而第一梯度中耕地类型斑块之间的平均距离最小，单位面积上耕地类型斑块的数目很多;建设用地类型中从上游到下游距离指数依次升高，反映出上游远郊区的建设用地类型斑块之间的平均距离最大，单位面积上建设用地类型斑块的数目最少，而下游河流区的建设斑块之间的平均距离最小，单位面积上的斑块数目最多;林地类型中景观距离指数由大到小的顺序为第三梯度、第四梯度、第二梯度、第一梯度，反映出第三梯度的林地类型斑块之间的平均距离最大而第一梯度的最小;水体类型中从上游到下游距离指数依次降低，表明第一梯度的水体类型斑块之间的平均距离最大，单位面积的水体斑块数目最小，而第四梯度的水体类型斑块之间平均距离最大，单位面积内的此类板块数目最多。

表3 不同梯度景观距离指数与景观破碎化指数

如表3所示，第一梯度中林地的破碎化指数最高，而水体的最低，表明了林地类型斑块的破碎度最高，主要是由地形条件影响所致，水体破碎度较小，连续性最好;第二梯度中林地类型的破碎化指数最高，耕地最小，表明了林地受人为干扰最严重，耕地类型破碎化程度最小，最为连续;第三梯度水体破碎化指数最高，而建设用地最小，表明水体类型受人为干扰最严重，建设用地为基质斑块连接度最高;第四梯度水体破碎化程度最高，建设用地最小，该梯度分布有很多的鱼塘，因此，水体破碎程度最高，受人类影响最严重，建设用地斑块很少，而其比较集中，其破碎化程度最小。

3.3 植物物种多样性分析

3.3.1 物种组成分析

如表4所示，郑州贾鲁河流域内共有植物63科127属142种，其中木本植物66种、草本植物76种，第一梯度有47科80属85种，其中木本植物42种、草本植物43种;第二梯度有33科59属61种，其中木本植物21种、草本植物40种;第三梯度有54科93属93种，其中木本植物49种、草本植物46种;第四梯度有29科48属54种，其中木本植物19种、草本植物35种。

表4 不同梯度物种组成结构

3.3.2 物种结构研究

如表5所示，木本植物shannon－wiener多样性指数由大到小的顺序为城市河流区、上游远郊区、上游近郊区、下游河流区，草本植物与木本表现一致，数据表明了城市河流区受人类干扰最大，引进的外来物种最多，因此，它的物种多样性指数最高，下游河流区地势平坦生境单一，又处在郊区，它的物种多样性指数最小，草本植物的多样性指数大于木本植物的多样性指数，贾鲁河流域的木本物种主要是来自于河流防护林，物种相对较少，而草本植物能够存在的生境比较多样化，它的物种多样性指数相对较高。

表5 不同梯度植物的多样性、物种丰富度、pielou均匀度、优势度指数

在4个梯度中，木本植物丰富度指数由大到小表现为城市河流区、上游远郊区、上游近郊区、下游河流区，草本植物由大到小表现为城市河流区、上游远郊区、上游近郊区、下游河流区，两种生活型一致，和物种多样性指数的表现也是相同的，另外，草本植物物种的丰富度指数要高于木本植物物种的，但城市河流区的木本植物丰富度高于草本，说明了城市绿化引进物种多偏好于木本植物所致。

由表5还可看出，木本植物Pielou均匀度指数由大到小表现为城市河流区、上游远郊区、上游近郊区、下游河流区，草本植物由大到小表现为城市河流区、上游近郊区、上游远郊区、上游近郊区、下游河流区。上述排列顺序说明了在木本层中城市河流区有49种，且每个树种数量差异不大，故均匀度较高，下游河流区有19种，但数量差异较大，杨树、泡桐数量较多，而其他种类数量很少。草本层中城市河流区有46种，其数量分布较平均，而下游河流区数量分布差异明显。

木本植物物种优势度指数由大到小表现为上游远郊区、城市河流区、下游河流区、上游近郊区，草本植物表现与木本植物一致，优势度除表示分布的不均匀程度外，受树种数量影响较大，树种越多，数量越少，优势度越高;树种越少，数量越多，优势度越小。因此，表5中数据说明上游远郊区树种数目与总体数量比值较大，而上游近郊区的比值最小。

4 结论与讨论

研究区从第一梯度至第三梯度，城市化程度逐渐增加，建设用地所占面积比例逐渐增加，而耕地、河流及林地所占面积比例逐渐下降。从第三梯度至第四梯度，城市化程度降低，建设用地面积比例逐渐减少，而其他3种景观类型面积比例呈增加趋势，由此可见，城市化进程中所产生的需求对郑州段贾鲁河两岸土地利用方式有着较大的影响，城市的发展从一定程度上加剧了依赖于耕地、林地、河流等景观的生态系统的消亡。

景观多样性指数、景观均匀度指数、优势度指数能够反映研究区域内的景观多样性特征，上述3种指数的计算结果共同反映出研究区域内景观多样性由大到小的顺序为下游河流区、上游近郊区、上游远郊区、城市河流区。在自然的生态系统中，人为干扰及其微弱的情况下，景观多样性越大，具有越高的生态稳定性，而研究区各梯度受到不同程度的人类活动干扰，因此，以上各梯度的景观稳定性并不与景观多样性相一致，城市河流区由于受到的干扰已经达到最大程度，城市建设已经基本完成，该梯度的景观稳定性更高，反而随着城市化进程的发展，上游近郊区及下游河流区受到的人为干扰程度会逐渐加剧，二者的景观稳定性更低。然而，人为干扰下的景观稳定性并不是真正的稳定，城市化发展应该把握好干扰的度，增加自然生态系统的多样性，加速不同系统之间的物质、能量传输与流动，从而使自然生态系统与城市更好地相互依存。

各景观类型的景观距离指数与破碎化指数沿梯度发生变化，且与各梯度的人为干扰程度相关，干扰严重的城市河流区耕地林地的景观距离指数较大，而建设用地该指数较小，研究区第三、第四梯度生境的景观破碎化程度与人类干扰的程度关系密切，明显高于第一、二梯度，主要因为修建城市基础设施而引起生境破碎化，水体景观破碎化程度从第一至第四梯度逐渐增加，与黄河的距离呈负相关，因为距离黄河越近，鱼塘越多，导致其破碎化程度增加。

城市河流区边缘生境比较多，并且从外部引进的植物物种较多，故植物多样性和丰富度最高，由于城市河流区受人类活动干扰最为剧烈，它的形状也最规则，树种分布比较均匀，所以均匀度最高，上游远郊区中泡桐(Paulownia tomentosa)、杨树(Populus tomentosa)、柿树(Diospyros kaki)、狗尾草(Setaria viridis)、白茅(Imperata cylindrica)等物种数量很多，而其他的物种数量都很少，物种的数量比较大，它的优势度最大。下游河流区由于污染严重生境单一的原因，其多样性和丰富度指数最小。

根据研究结论总结出贾鲁河的优化措施:进行合理的城市土地利用规划，在城市扩建的过程中尽量减少不可渗透地面的面积，这也有利于城市暴雨的入渗，从而缓解城市的积水问题;在重视城市河流排洪功能的同时，更要加强生态功能的保护，河流的渠化及截弯取直都是不可取的，尽量采用生态驳岸来兼顾城市河流的排洪及生态功能;增加林地在城市河流流域的比例，城市化过程中避免造成流域生境的破碎化，保持其生态系统稳定性;加强连通性，在节点处进行立体交叉和连续性绿地布局设计;重点保护贾鲁河水系两侧目前分布或曾经分布的湿地、林地、风景区、历史文化遗迹等生态敏感区，满足郑州市对生态环境的需求;通过大力推广农林复合系统的应用，提高资源的利用率、涵养水源、保持水土，并提高绿色生产力;深入挖掘乡土植物种类的潜力，加大对优良乡土植物的应用，同时适度引进外地相似生境植物种类，把人为干扰对植物多样性的影响导入良性轨道。

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