砒砂岩区种植沙棘后不同时期的景观异质性

胡建忠

（水利部水土保持植物开发管理中心，100038 北京）

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［1，2］。1998年项目区开始立项的“晋陕蒙砒砂岩区沙棘生态工程”［3］，工程正式实施年限为1999～2008年。这一工程的顺利实施，彻底改变了区域内的景观面貌，人为干预已经或正在塑造着区域景观特征与分布格局。

景观生态学本身不仅是以往生态学研究的高度集成，它还带来了一些新的观点［4］。景观生态学强调生态学系统空间关系的研究，它把景观视为异质性的热力系统，景观生态学的核心就是景观异质性的维持与发展。

景观异质性就是景观要素及其属性在空间上的变异性，或者说是景观要素及其属性在空间分布上的不均匀性和复杂性［5］。景观异质性是指景观或其属性的变异程度。景观异质性常用景观斑块密度、边缘密度、聚集度、破碎度和多样性指数等进行度量。本文即是对砒砂岩区种植沙棘（Hippophaerhamnoides）后不同时期的景观异质性的初步分析，以期从理论上进行高度概括，更好地指导类似生态工程建设项目。

1 研究区概况

砒砂岩区地处黄土高原北部的鄂尔多斯高原，介于北纬38°10′～40°10′，东经108°45′～111°31′之间，黄河环绕于高原的东、北、西3面。根据地表覆盖物质，砒砂岩区可划分为裸露砒砂岩区、盖沙砒砂岩区、盖土砒砂岩区3个类型区。区域总面积为1.97万km2，主要分布在内蒙古鄂尔多斯市的东胜、准旗、伊旗、达旗、杭锦旗和陕西的神木、府谷两县。

暖温带北缘半干旱大陆气候，年平均气温6～9℃，≥10℃年平均积温2600～3400℃，年平均降水量280～400mm，年平均蒸发量2200～2600mm，年平均风速2～4m／s，全年≥8级大风日数20～30d。

区内东南坡发育了皇甫川、窟野河等黄河多沙粗沙一级支流，北坡发育了穿越库布齐沙漠流入黄河的多条支流，俗称“十大孔兑”。区内平均径流模数约7.0万 m3／ （km2·a），年径流量约22.4亿 m3；输沙模数1.1万t／ （km2·a），年输沙量3.5亿t，粗砂含量达80%。

地表物质以砒砂岩、黄土、红土和风积沙为母质，其上发育了各类土壤。主要有以砒砂岩为母质的栗钙土、以黄土为母质的黄绵土、以风积沙为母质的风沙土等。

原生植被主体为以本氏针茅 （Stipabungeana）草原为主体的地带性植被群系，现已多被百里香 （Thymusserpyllum）＋本氏针茅＋达乌里胡枝子 （Lespedezadahurica）群系所代替。人工植被主要有油松 （Pinustabulaeformis）、杨树 （Populussp.）、沙棘、柠条 （Caraganakorshinskii）、沙打旺 （Astragalusadsurgens）和紫花苜蓿 （Medicagosativa）等。

2 材料与方法

2.1 供试材料

研究采用数据以工程实施的3个控制性年分，即1998年 （始）、2003年 （中）和2008年（末）3个时期Landsat TM／ETM＋遥感影像为主要数据来源，辅助数据包括研究区沙棘造林数据 （1999～2008年）及分布图、1∶100000地形图、土地利用现状图、GPS野外调查和部分图片、文字统计数据等。

2.2 计算方法

（1）斑块密度：计算公式如下：

式中：PDi为第i类景观要素的斑块密度；ni为景观类型i的斑块数；Ai为景观类型i的面积；PD为景观要素的斑块密度；N为景观中所有斑块数；A为景观中的总面积。

（2）边缘密度：景观总体边缘密度 （ED）是指研究景观范围内单位面积上异质景观要素斑块间的边缘长度。景观要素边缘密度 （EDi）是指研究对象单位面积上某类景观要素斑块与其相邻异质斑块之间的边缘长度。

式中：eij为景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度。

（3）景观聚集度 （AI）：计算公式如下：

式中：gij为斑块类型i、j之间的连接数；Pi为斑块类型i在景观中所占的比例；max－g为斑块类型i、j之间最大的连接数。

（4）破碎度 （F）：用单位面积内的斑块数测度，它表示景观斑块的破碎程度，其公式为：

式中：n表示景观类型的数目；Ni为第i类景观类型的斑块数；Ai为第i类景观总面积；F为破碎度。

（5）多样性指数：采用Shannon－Weaner多样性指数、均匀度指数和优势度指数。

Shannon多样性指数 （SHDI）是借用信息论中信息不确定性的计算公式，用来描述景观中景观要素斑块类型的不确定性，把它作为描述景观多样性的定量指标。取值范围：SHDI≥0，无上限。当斑块类型增加或各类型斑块所占面积比例趋于相似时，SHDI的值也相应增加。SHDI值越大，表明景观多样性越大［6］。

式中：Pi是景观类型i所占的比例；m是景观类型的数目 （下同）。

Shannon均匀度指数 （SHEI）反映景观中各斑块在面积上分布的不均匀程度，通常以多样性指数和其最大值的比来表示。显然，当SHEI趋于1时，景观斑块分布的均匀程度亦趋于最大。

式中：SHDI是Shannon多样性指数；SHDImax是其最大值；Pi是景观类型i所占面积的比例。

Shannon优势度指数 （DI）用于测量景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程度，它与多样性指数成反比，对于景观类型数目相同的不同景观，多样性指数越大，其优势度越小［7］。

3 结果与分析

3.1 沙棘工程建设不同时期砒砂岩区各景观要素类型的斑块密度

景观要素斑块密度是指景观中某类景观要素的单位面积斑块数。景观斑块密度反映景观整体斑块分化程度，斑块密度指数越大，破碎化程度越高，景观异质性越高。当斑块密度指数按景观要素类型分别统计时，通过比较分析可以说明不同景观要素在景观空间结构中的作用和特点，可以研究不同斑块类型的破碎化程度及整个景观的破碎化状况，从而可以识别不同斑块类型受干扰的程度。项目区各景观要素类型的斑块密度见表1。

表1 砒砂岩区不同年份不同景观类型的斑块密度

研究区域3个时期稀疏植被的斑块密度都是最大，说明其破碎化程度最高，景观异质性最高，充分表现其散布于整个景观本底的特点。沙棘斑块密度2003年为0.74，2008年变为0.78，5年内略有增加，是研究区域沙棘生态工程建设的结果，区域化片段化的沙棘造林，导致其斑块密度增加，同时也影响了其他景观斑块密度的变化。盖沙地的斑块密度随时间变化有减小的趋势，说明在沙棘等生态工程建设过程中，消灭了一些小的盖沙地斑块，体现一定的盖沙地治理成效。灌丛、水域和居民地斑块密度变化不大，属于研究区域景观中较为稳定的斑块。林地景观斑块密度在1998、2003和2008年分别为0.34、0.42和0.56，持续增加，说明研究区域宜林地区在持续造林，改善砒砂岩区景观现状，所以斑块密度增加显著。草地斑块密度变化不规律。未利用地斑块密度在1998年至2003年变化不大，至2008下降迅速，大面积未利用地被沙棘等类型占据，因此斑块密度下降。

3.2 沙棘工程建设不同时期砒砂岩区各景观要素类型的斑块边缘密度

斑块边缘密度是斑块形状及斑块密度的函数，它的大小反映景观中异质斑块之间物质、能量、物种及其它信息交换的潜力及相互影响的强度，可以直接表征景观整体的复杂程度。斑块密度反映了景观的破碎化程度和景观异质性程度。斑块边缘密度越大，破碎化程度越大，空间异质性程度越大，反之亦然。

对ARCGIS中拓扑后的属性表表中的记录（每一条记录代表一个斑块）按某一属性分类后，将其面积和周长按上述各公式进行统计计算，即可得到各分析指标。通过公式计算各景观要素类型景观斑块边缘密度，结果见表2。

表2 砒砂岩区不同年份各景观类型的斑块边缘密度

由表中可以看出，区内稀疏植被的斑块边缘密度最大，1998、2003和2008年斑块边缘密度分别为40.48、31.27和44.21m／hm2，其次是草地、盖沙地、沙棘、未利用地和林地，景观边缘密度最小的是灌丛、居民地和水域。这与景观要素的总面积是成正比。一般来说，景观要素的面积越大其边缘也就越长，边缘密度也就越大。同时，景观要素边缘密度既受景观要素斑块大小的影响，也受景观要素斑块边缘形状的影响，帮不能直接反映景观要素斑块分化的具体细节。

从1998、2003、2008年3个年度的斑块边缘密度结果分析，盖沙地边缘密度逐渐减小，说明总体上盖沙地面积在逐渐减小，以及部分小斑块消失，边界趋于简单化。沙棘边缘密度变化明显，从2003年的11.41增加到2008年的17.85，说明在砒砂岩沙棘生态工程建设中，导致沙棘面积增加，斑块增加，边缘密度很好体现这一点。水域在1998年和2003年变化不明显，到2008年稍有增加，总体上水域面积变化较小。居民地变化显著，1998年、2003年和2008年的边缘密度分别为0.09、0.40和1.43，增加了近16倍，说明在区域经济发展过程中，城市扩张很明显，使其景观边缘密度迅速增加，而且这点从遥感影像上也很明显地表现出来。灌丛面积变化不大，边缘密度略有增加，反映该类型零散分布的特点。稀疏植被为本区域景观的本底，面积大，2008年较1998年有明显增加，边缘密度也略有增加。林地面积增加明显，景观边缘密度增加近一倍，说明研究区域除沙棘外，还开展了较大规模的以油松等为主的其他人工造林。草地在1998～2003年期间面积变化不大，边缘密度略有增加，至2008年面积稍有增加，边缘密度也有所体现。未利用地在1998～2003年几乎没有变化，但至2008年边缘密度急剧下降，面积也大幅减少，基本源自于砒砂岩区沙棘生态工程的建设结果。

综合分析可知，斑块边缘密度与斑块面积存在相互依赖性，也存在明显的差异，而且与人类的经营活动有着密切的关系。因此，在进行景观格局分析的过程中，要结合多个指标进行综合分析。

3.3 沙棘工程建设不同时期砒砂岩区各景观要素类型的景观聚集度

景观聚集度是以景观内不同生态系统的边界在不同类型之间的分配关系为基础建立的指标。就景观整体而言，聚集度指数低可以说明景观由相对较少的大斑块组成，而聚集度指数高则说明景观由许多不同类型的较小斑块相互交错分散配置而成。就某一景观要素而言，聚集度低说明该景观要素仅以少数几类大斑块相团聚，而聚集度指数高说明该类景观要素在景观中分散于许多不同景观要素斑块之间。聚集度指数计算结果详见表3。

表3 砒砂岩区不同年份各景观类型的聚集度指数

由表3中可以看出，聚集度最大的是居民地、盖沙地及未利用地，其次是稀疏植被、草地和水域，聚集度较低的是沙棘、林地和灌丛。居民地和盖沙地的聚集度最大，原因是居民地斑块数量少，而且集中分布，所以聚集度最高；而盖沙地面积大，在西北部地区集中连片分布，所以其聚集度高。稀疏植被、未利用地和草地的较高聚集度，反映了其中团聚斑块较多，且被周围异质斑块所包围，与异质景观类型的连接程度较高，其聚集度指数较大。林地、灌丛和沙棘的聚集度指数最低，说明这几类仅以少数几类大斑块相团聚，且分散于许多不同景观要素斑块之间，如沙棘主要分布于沟沿线以下的沟壑中，虽然也与景观中多种景观要素相聚集，但其面积和斑块数有限，所以其聚集度指数较低。

从景观动态变化角度进行分析，盖沙地聚集度在1998年、2003年和2008年分别为0.93、0.92和0.91，说明一些盖沙地小斑块在消失，大斑块在逐渐聚集，与项目区沙棘等生态建设工程的影响密不可分。水域聚集度指数从1998年至2003年变化不大，2008年有所降低。居民地1998年至2003年聚集度指数有所降低，2003年至2008年又稍有增加，充分体现城市化扩张的进程。灌丛的聚集度指数从1998年到2008年一直降低，说明灌丛由分散的小斑块逐渐汇聚成较大斑块，呈现扩展的趋势。稀疏植被、林地和草地聚集度指数呈现先增加后降低的趋势，从其面积逐年增加的动态变化格局上充分体现这种变化。未利用地聚集度指数逐渐减小，表明其逐渐被其他景观要素占据的特点。沙棘聚集度指数从2003年的0.8609增加到2008年的0.8674，变化不大，体现了沙棘斑块数量在增加，斑块密度增加，且分散分布于许多不同斑块之间的特点，并未形成大片集中分布的格局所致。

3.4 沙棘工程建设不同时期砒砂岩区各景观要素类型的景观破碎度

景观破碎度是指景观要素被分割的破碎程度，反映景观空间结构的复杂性和人类活动对景观结构的影响程度。破碎度F越大，表示景观斑块越破碎，它在一定程度上反映了人为对景观干扰程度。区内景观斑块数破碎度计算结果列于表4。

表4 砒砂岩区不同年份各景观类型的破碎度

从表4中可见，从3个阶段景观破碎化指数总体来看，沙棘、林地和灌丛3类破碎度较大，其次为水域、草地和未利用地，破碎度较小的为稀疏植被、居民地和盖沙地。沙棘和林地大部分均为人工种植，破碎化明显，拟成星火之势；而灌丛本身就是镶嵌在沙区中的，所以破碎度较大。水域、草地和未利用地的破碎化指数居中，相比较而言，这3类的人为干扰程度小一些，主要还是自然分布的特征。稀疏植被和盖沙地为研究区域本底，面积大，更多斑块易于连接在一起，故破碎度小；而居民地分布更为集中。

从景观动态变化的角度分析可知，盖沙地破碎度在增加，人为防沙治沙以及各种干扰活动均可导致景观破碎度增加。水域破碎度先减小后增加，该类型在沙区受年际降水量影响较大，其破碎度的增加可能主要来自于2008年的降水量突然增加的结果。1998～2003年居民地破碎度呈现增加的趋势，但2003～2008年破碎度基本变化不大。灌丛破碎度指数1998～2008年一直在增加，稀疏植被的破碎度指数先减小后增加。林地破碎度指数1998～2008先减小后增加，造成林地破碎化格局的可能原因，一方面是人工造林面积持续增加；另一方面说明人类对林地的经营管理还不够合理，尤其是沙区人工林的破碎化还是比较严重，这方面原因也是分不开的。人为干扰的加剧，以及对森林资源进行不合理的开采，使森林不断的分割、大斑块被分割成许多小的斑块、自然环境的整体结构被破坏、森林内部生境面积缩小、森林廊道被切断，这些因素都会影响物种和物质的交流。草地破碎化指数总体上表现增加的趋势，主要源自其面积的增加，斑块数量的增加。未利用地破碎化指数持续增加，面积持续减小，表明在沙棘生态工程建设中一部分未利用地如砒砂岩被改造成沙棘林或者其他类型，导致未利用地破碎化指数增加。沙棘破碎化指数从2003年0.1391减小到2008年的0.1326，呈微弱减小，在造林面积几乎增加一倍的前提下，部分斑块整合到一起，且人工造林一般面积较大，故破碎度指数有所下降。

但景观斑块数的增加对景观斑块数破碎化指数有很大影响，景观斑块数越多，其景观斑块数破碎化指数就越大。因此，斑块数破碎化指数所揭示的结果只能作为一个衡量区域景观破碎化程度的参考标准，而不能作为重要的或唯一的标准，还要结合其它破碎化指数的计算结果。

3.5 沙棘工程建设不同时期砒砂岩区的景观多样性指数

景观多样性是借用生物多样性概念提出的用来描述和评价景观异质性水平的一个概念，它也有多种不同的测度指标。景观多样性指数是指景观类型的丰富度和复杂度，多考虑不同的景观类型在景观中所占面积的比例和类型的多少［8］。景观类型越多，各景观类型越均匀，多样性指数越大。景观多样性指数越高，景观的异质性程度越高。同生物多样性指数的测度一样，确定研究对象的分类单位和空间分辨率大小，对测度结果有显著影响。因此，对研究结果的分析比较，应当放在相同的背景和尺度上进行。影响景观多样性指数大小的因素一是景观中景观要素类型的数量，这决定于研究对象的生态学尺度和空间分辨率；二是各景观要素类型间的面积分配比例关系。景观的最大多样性指数仅由景观要素类型的数量决定，而对由一定数量的景观要素类型组成的景观而言，其中各景观要素类型之间面积分配越均匀，其多样性指数越高，与这些要素的空间分布格局无关［9，10］。

景观要素优势度指数来源于群落生态学中种群优势度的概念，用来反映景观组成和结构受某种和某些景观要素控制的程度，由于考虑了景观要素的空间分布关系，是反映景观要素在景观中地位和作用的一个适当指标。与景观多样性指数不同的是，它以景观要素为对象进行分析，而景观多样性指数的研究对象是景观总体。如果某些景观要素具有较高的优势度，则至少从一个侧面说明它对景观整体结构、功能及其变化的控制作用较强。但实际应用中也应考虑其原始数据取值方法、测度方法和计算方法的不同。项目区景观多样性指数、景观均匀度指数、优势度指数的计算结果见表5。

表5 砒砂岩区不同年份的景观多样性指数

随着沙棘等生态工程的推进，研究区域景观多样性指数和均匀度指数都有所提高，整个景观优势度指数逐渐降低。表明该区域景观类型分类包含的景观成分复杂，景观破碎化程度较高，景观单元信息丰富，其信息的含量和信息的不定性较大，故景观多样性指数较大。景观的均匀度指数侧重表现各景观单元均匀程度，趋势与景观多样性变化一致，说明该区域景观格局受人为干扰较大，形成众多格局，比较接近小景观单元。

4 结论与讨论

（1）砒砂岩区沙棘生态工程实施3个时期，稀疏植被的斑块密度都最大，说明其破碎化程度最高，景观异质性最高，充分表现其散布于整个景观本底的特点。沙棘斑块密度2003年为0.74，2008年变为0.78，5年内略有增加，是区域沙棘生态工程建设的结果。林地景观斑块密度也持续增加，说明研究区域宜林地区在持续造林。盖沙地的斑块密度随时间变化有减小的趋势，说明在沙棘等生态工程建设过程中，消灭了一些小的盖沙地斑块，体现了一定的盖沙地治理成效。

（2）区内稀疏植被的斑块边缘密度最大，其次是草地、盖沙地、沙棘、未利用地和林地，景观边缘密度最小的是灌丛、居民地和水域。这与景观要素的总面积是成正比的。沙棘边缘密度变化明显，从2003年的11.41增加到2008年的17.85，说明在砒砂岩沙棘生态工程建设中，导致沙棘面积增加，斑块增加，边缘密度很好体现这一点。

（3）聚集度最大的是居民地、盖沙地及未利用地，其次是稀疏植被、草地和水域，聚集度较低的是沙棘、林地和灌丛。居民地和盖沙地的聚集度最大，原因是居民地斑块数量少，而且集中分布，所以聚集度最高；而盖沙地面积大，在西北部地区集中连片分布，所以其聚集度高。沙棘聚集度指数从2003年的0.8609增加到2008年的0.8674，变化不大，体现了沙棘斑块数量在增加，斑块密度增加，且分散分布于许多不同斑块之间的特点，大片集中分布的格局并未形成。

（4）景观破碎化指数以沙棘、林地和灌丛3类较大，其次为水域、草地和未利用地，较小的为稀疏植被、居民地和盖沙地。沙棘和林地大部分均为人工种植，破碎化明显，拟成星火之势；而灌丛本身就是镶嵌在沙区中的，所以破碎度较大。沙棘破碎化指数从2003年0.1391减小到2008年的0.1326，呈微弱减小，部分斑块融合在一起，使破碎度指数有所下降。

（5）随着沙棘等生态工程的推进，区域内景观多样性指数和均匀度指数都有所提高，整个景观优势度指数逐渐降低。表明该区域景观类型分类包含的景观成分复杂，景观破碎化程度较高，景观单元信息丰富，其信息的含量和信息的不定性较大，特别是受人为干扰较大所致。

［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］邬建国 .景观生态学—格局、过程、尺度与等级［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］肖笃宁，李秀珍 .当代景观生态学的进展和展望［J］.地理科学，1997，17 （4）：356－364.

［6］郭正刚 .白龙江上游地区森林植物群落物种多样性的研究 ［J］.植物生态学报 .2003，27 （3）：388－395.

［7］阎桂琴，赵桂仿，胡正海 .秦岭太白红杉群落特征及其物种多样性的研究 ［J］.西北植物学报.2001，21 （3）：497－506.

［8］傅伯杰，陈利顶，马克明，等 .景观生态学原理及应用 ［M］.北京：科学出版社.2001.

［9］马克平 .生物群落多样性的测度方法Ⅰ－α多样性的测度方法 （上）［J］.生物多样性 .1994，2（3）：162－168.

［10］马克平 .生物群落多样性的测度方法Ⅰ－α多样性的测度方法 （下） ［J］.生物多样性 .1994，2 （4）：231－239.