景观生态学原理在水土保持中的应用

2012-10-20高志峰赵鹏宇

赤峰学院学报·自然科学版 2012年1期

关键词：土壤侵蚀格局土地利用

高志峰，赵鹏宇

（1.忻州师范学院专科部；2.忻州师范学院地理系，山西忻州 034000）

景观生态学原理在水土保持中的应用

高志峰1，赵鹏宇2

（1.忻州师范学院专科部；2.忻州师范学院地理系，山西忻州 034000）

本文研究景观生态学在水土保持中的应用，希望通过借鉴景观生态学原理，从整体出发，考虑各种生态因子，探讨土地利用、土壤侵蚀学、水土流失动态监测等的景观生态学本质，对于区域可持续发展和生物多样性保护等方面具有重要指导意义.

景观生态学；土壤侵蚀；水土流失监测

景观生态学是一门新兴的、正在深入开拓与迅速发展的学科，与传统的生态学相比，更强调空间异质性、等级结构与尺度在研究生态格局与过程中的重要性，以及人类活动对生态系统的影响，尤其突出了空间结构与生态过程在多个尺度上的相互作用[1].水土流失是人们关注的主要陆地生态过程之一，目前研究景观格局与水土流失时，更多的是利用小区的观测试验结果来推断大尺度上景观（土地利用）格局对水土流失的影响，但许多研究表明，随着尺度增加，水土流失的发生机制会发生明显的改变.近年来，景观生态学理论作为一种方法体系，用来指导水土保持工作，是景观生态学应用方面比较活跃的领域.

1 土地利用对景观结构和功能的影响

土地利用影响景观格局的变化，进而导致景观功能的动态变化.应用遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和统计分析的方法进行景观结构和功能变化的研究是当前景观分析的主流方法.RS作为土地利用和景观的数据源，GIS作为分析处理数据的平台，统计分析用以寻找土地利用与景观变化之间的关系.通过土地利用对景观变化的影响分析来预测景观未来的发展趋势是当前景观生态学研究的热点.土地利用中最剧烈的变化是交通和建设用地的扩张，有研究表明，建设用地和未利用土地增加，会使耕地面积减少，同时景观破碎化程度加剧.这些都从定量的角度描述了景观的变化，但缺乏在人力驱动和景观格局之间建立定量关系，缺乏未来景观发展趋势的预测.

土地整理中景观生态学理论的应用主要体现在：利用景观生态学的原理研究土地整理空间格局，分析生态状况，研究环境和生态因子对土地利用布局的影响.

国外研究者们重视土地利用对景观格局的影响，同时，他们还认为景观属性及地形地貌和地质沉积物也是影响景观格局的重要因素，它们可作为限制性因子存在而不是驱动力.国外在努力克服的缺陷就是土地利用驱动的景观格局变化偏重在过程的分析，而且景观生态这种宏观分析掩盖的一些非常重要但细微的特征.土地利用驱动下的景观要素转化，目前还流行的一种方法就是定量描述景观中基质、斑块和廊道间的相互转化情况，可以通过采用生态学中的马尔柯夫转移矩阵模型来进一步反映.

2 景观生态学原理及其在土壤侵蚀学中的应用

景观生态学原理开始运用于土壤侵蚀学中.目前对土壤侵蚀的研究多集中在坡面尺度，但是土壤侵蚀在小尺度上的研究只可以摸清其机制，而在大尺度的研究中才可以找出治理的对策.而应该从景观水平上综合考虑，从中找出主要的生态因子，讨论影响水土流失的众多因素.从整体出发，考虑各种生态因子，完善土壤侵蚀学在宏观尺度上研究的不足.

2.1 等级理论和尺度效应

等级是一个由若干单元构成的有序系统，每一级组成单元相对于低层次表现出整体特性，而对于高层次表现出从属性或受制约性.根据等级理论，复杂系统可以看作是由具有离散性等级层次组成的等级系统[2].对于土壤侵蚀研究来说，坡面尺度、流域尺度、区域尺度是研究的三个主要等级.在坡面尺度上，对土壤侵蚀的研究主要集中在降雨因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、作物经营管理因子和土壤侵蚀控制措施因子.而在流域尺度，主要的研究集中在植被覆盖度因子和土地利用因子，但是大多是统计和规律分析，对于它们的影响机制涉及的比较少.从流域角度看，土地利用是一个很好的研究对象.因为它包含坡面尺度上作物经营管理和土壤侵蚀控制措施因子，而且它由于受人为因素影响严重，因此给土壤侵蚀赋予了人类影响的因素，符合目前人为加剧侵蚀的现状.但是对土地利用的研究应加强以下两个方面，一是加强对机制的研究，用模型或较为通用的方法加强定量研究.二是加强区域间的对比研究.区域间的土地利用与土壤侵蚀关系的对比研究除了要考虑土地利用格局的差异，还要考虑降雨、土壤、地貌等综合因素.尽管这样的研究存在一定的难度，但具有较高的研究价值[3，4].

2.2 渗透理论和源汇系统理论

土壤侵蚀是一种水流和土流的运动过程，这种运动往往会因为地面物质而改变，或加剧或减缓.由于土壤侵蚀是一种重力运动，因此相对高差在决定运动速度和方向上起着绝对作用.因此土地利用格局可以在一定程度上改变土壤侵蚀的程度，尤其是在等高方向和顺坡方向的格局特征，对于判断土地利用格局对土壤侵蚀的作用有重要意义.土地利用格局中的一些带状斑块对土壤侵蚀起着 “渗透膜”的作用，当这些斑块的阻碍作用达到一定程度后，就能阻止土壤侵蚀，淤地坝就是应用了这一原理，使坝前地不断淤积，最终形成良田.

2.3 格局过程关系理论

景观格局一般是指其空间格局，即大小和形状各异的景观要素在空间上的排列和组合，包括景观组成单元的类型、数目及空间分布与配置.景观格局与土壤侵蚀过程的研究往往体现在土地利用格局对土壤侵蚀的影响上.土地利用格局对土壤侵蚀的影响往往表现在三个方面.一是不同斑块大小，包括不同类型斑块面积所占比例和每类斑块破碎度；二是斑块的形状，由于不同斑块对于土壤侵蚀的功能不同，因此不同斑块的不同形状对于土壤侵蚀都有不同的意义.比如沿等高方向的林地带状斑块对土壤侵蚀有阻碍作用，而顺坡方向的耕地斑块对土壤侵蚀则有加剧作用；三是斑块的排列顺序，尤其是在沿坡面方向土地利用类型的排列顺序不同，对土壤侵蚀的影响也不同.对于景观格局的数量表示方法目前有很多种，但专门针对土壤侵蚀的还比较缺乏.针对土壤侵蚀的景观格局指数的确立要依据土壤侵蚀发生的机制和影响因素.[5,6]

3 景观格局分析法在水土流失动态监测中的应用

3.1 多样性指数

多样性指数反映景观中类型的多样性.多样性指数采用信息论的Shanon-Weaner指数来表示.其计算公式为：

式中：H—多样性指数；Pi—斑块i占景观总面积的比例；m—斑块种类数[7].

例如，若两个时期的多样性指数增加，说明景观异质化程度在增高，景观类型所占面积在减小.分析不同景观要素的变化，可指示出水土流失的变化趋势.如果监测区内若干年前主要由草地控制，而监测当年主要由侵蚀斑块控制，这就说明监测区内水土流失正在加剧.分析和了解加剧的原因，即找到造成这种情况的根源.

3.2 优势度指数

优势度指数计测景观中一种或几种景观类型支配景观的程度，

式中：D—优势度指数：Pi—斑块i的景观比例：m—斑块的种类：

Hmax—监测区内各类景观所占比例相等时，景观拥有的最大多样性指数.支配能力较弱景观类型的影响在增强，而对景观类型起控制作用的景观类型的影响在减弱.这与多样性指数和优势度指数的分析结果应该是一致的.假如侵蚀斑块的均匀度指数在监测当年与若干年前变化不大，也可揭示出其向均匀化发展的趋势.

3.3 均匀度指数

均匀度指数是描述景观中不同景观类型分配均匀程度，其计算公式为：

式中：E—均匀度指数：H—Simpson修正的指数.

3.4 马尔可夫转移矩阵模型

马尔可夫转移矩阵模型在景观格局上的应用，关键是转化概率的确定问题.有研究表明，转化概率可通过不同区段时间内斑块的平均年转化概率作为矩阵中的元素，则转移矩阵模型

式中：Pij为斑块i向斑块j的转化速率[8].对比不同历史时期航片或卫片，利用马尔可夫转移矩阵模型，不仅能说明不同程度水土流失土地之间相互转化的状况，而且能用来分析水土流失土地与其它景观要素（农地、草灌地、林地等）之间的转化情况来揭示它们之间的转移速率.分析若干年前和监测当年监测区内景观类型之间的相互变化，结果表明造成侵蚀景观发展的原因是多方面的，有自然因素，也有人为因素.这就要视具体情况具体分析.自然因素如滑坡、泥石流、崩塌、陷穴、泻溜等，人为因素如过度放牧、滥采、滥挖、修建公路、开矿等.从而提出有效的保护措施和必要治理的途径，并为水土保持监督执法提供依据.

景观分析方法在水土流失监测上具有广阔的应用空间，辅以“3S”技术，更加突出了它动态、即时、灵活的综合分析的特点.景观系统分析的理论和方法均在发展之中，还有许多技术问题尚需解决[9,10].