岔口小流域土地利用景观破碎化现状分析

2014-03-25王军强郭青霞赵富才王建雷杨丰

山西农业大学学报（自然科学版） 2014年2期

王军强，郭青霞，赵富才,王建雷，杨丰

(山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801)

景观格局通常是指景观组成单元的多样性和空间配置，反映了景观空间结构特征。景观破碎化是描述景观格局的重要参数[1,2]，是景观生态学的研究热点。景观破碎化是指受自然或人为因素干扰，导致景观从简单趋向复杂的过程，即景观由单一、均质和连续的整体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体[2]。景观破碎化会影响生态系统的功能与结构，不利于区域的可持续发展。因此运用数量化的方法，定量化获取和分析信息是关键[3]，研究区域的景观格局及其破碎化现状，可以深刻认识景观要素间作用关系及内在机理[4]，为生态系统的科学管理[3]与可持续利用服务。

破碎化是黄土高原区重要的特征之一，其地理特征表现为沟壑纵横，地形复杂多样，植被稀疏，水土流失严重，自然条件极其脆弱[2]，易诱发各种生态环境问题，严重制约区域经济社会的可持续发展。目前景观格局及其破碎化研究多选择大尺度范围[2,5]并基于遥感影像[6]的分类结果，利用景观指数的工具进行分析评价。山西岔口小流域位于黄土高原沟壑区，是个小尺度的流域，水土流失极其严重。利用景观指数的数量分析方法[7]，研究岔口小流域的景观破碎化现状，可以科学地揭示流域景观要素的空间分布及破碎化情况，探究人类活动对其干扰程度并发现内在规律，为区域的水土保持工作和生态环境的可持续发展服务。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

岔口小流域位于山西省西南部永和县、隰县和石楼县3县的接壤地带，地理坐标为东经110°38′01″ ～ 110°50′02″，北纬36°47′26″～ 36°57′14″，属黄土丘陵沟壑区，土壤主要是地带性褐土、草甸土，流域内沟壑纵横、梁峁起伏，海拔高程为1023.0 ～ 1415.6 m。流域总面积为126 km2(包括柳沟的面积为131.91 km2)，水土流失面积为113.00 km2，占流域面积的89.89 %，总人口为2559人(截止2013年统计)。流域多年年均温为8.6℃，年均降雨量为510.90 mm，温带大陆性季风气候明显。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

选择小尺度的岔口小流域作为研究对象，经实地调查与室内地图数字化，得到2013年岔口小流域景观类型现状图(图1)，在此基础上进行景观格局分析，准确辨识景观组分类型，进行流域景观破碎化特征研究。基于中国土地分类标准，并结合流域自身特点，将该流域的景观分为耕地、园地、林地、草地、居民点、水域6个一级景观类型，为深入研究其内部的景观格局，又细分为坡耕地、梯田、沟坝地、沟川地、果园、乔木林、灌木林、疏林地、未成林、高密草、低密草、农村居民点、坑塘水面共13个二级景观组分类型。

1.2.2 破碎化指数的选取

当前国内外学者对景观破碎化的分析多基于景观破碎化指数进行定量分析[8,10～12]。本研究在分析各景观类型的斑块数、面积、周长等基本景观特征的基础上，通过GIS平台，运用ARCVIEW 3.3编辑，转换为栅格图(栅格单元20×20 m2)，并利用FRAGSTATS 4.0软件,提取斑块密度、斑块平均面积、斑块面积的标准差、边界密度、形状指数、面积加权分维数6个常用的景观破碎化指数，而斑块面积(CA)、斑块数(NP)只作为基础的统计数据，用以描述景观类型的基本特征。

(1)斑块平均面积(AREA_MN)

图1 2013年岔口小流域景观组分类型现状图Fig.1 The landscape component pattern current map of Cha-kou small watershed in 2013

AREA_MN是各景观类型斑块面积的算术平均值，用于描述景观粒度[8]，在斑块类型水平上，一般AREA_MN愈小，景观破碎化程度愈大。它还可以反映丰富的景观生态信息，是说明景观异质性的重要指标。

(2)斑块面积的标准差(AREA_SD)

单用AREA_MN说明斑块的平均水平具有局限性，各个斑块面积的变异程度会影响平均值的代表强度，而AREA_SD可以弥补这一劣势，其大小可以反映景观斑块间规模的差异程度。

式中，aij表示景观中第i类景观类型,斑块中第j个斑块的面积/m2;ni表示第i类景观类型的斑块总数。

(3)斑块密度(PD)

PD通常可计算斑块个数与整个研究区面积的比例，也可计算各景观类型斑块个数与其面积之比。某一类型在景观上的斑块密度(亦称孔隙度)，揭示出景观基质被类型斑块分割的程度，对生物保护、物质和能量分布具有重要影响[9,10]。本文采用后者，PD值愈大，破碎化程度愈高[11]。指标可以比较各景观类型及整个景观的破碎化程度，但只能做横向比较，需其他指标辅助。

(4)边界密度(ED)

ED是景观边界长度与景观面积之比，它是衡量一个景观类型单位面积所拥有的边界长度,揭示出一个景观类型的斑块边界对整个景观的影响程度[10]。本研究采用各景观类型的边界长度与其面积之比表示，ED值大,表明单位面积上景观类型拥有的边界长度大，反映了该类型被边界分割程度高、完存性差，连通性差，布局越分散[12]，破碎化程度也高[11]。

(5)形状指数(LSI)

式中,ei表示第i类景观类型的边界长度；minei表示由相同数量和形状的斑块组成的第i类景观类型的最小边界长度，它是反映景观类型内部斑块的组合状况以及与外部其他景观类型组合分布的复杂程度[13]。LSI大表明这一景观类型的内部组合复杂，与外部景观类型嵌合度高，斑块分散性强[12]。

(6)面积加权分维数(FRAC_AM)

分维法被广泛应用在生态格局分析中[12]，该指标综合了景观类型中各斑块个数、面积、周长等特征[13]，可以反映景观类型的边界褶皱程度。它的取值介于[1,2]，在二维空间的研究中，值趋向于1，表明景观类型形状越规则，趋向于2则形状越褶皱。

2 结果与分析

2.1 景观组分类型的整体特征分析

本流域共有13个景观组分类型，总有3253个斑块，各景观类型的斑块数、面积及周长分布不均衡(表1)。在这13个景观组分类型中，耕地有4个类型，它的斑块数最多(1590 #)，面积为25.08 km2，占全流域的19.95 %；林地类型有4个，斑块个数为736，它的面积最大(50.4748 km2)，占流域的40.15 %，是该流域最主要的景观类型，其斑块的平均面积(0.0686 km2)与斑块的平均周长(1.54 km)远高于全流域景观的均值(0.0386 km2)与(1.12 km )；草地包含2个类型组分，斑块数(629 #)仅次于耕地、林地居第3位，面积(37.5004 km2)占研究区范围的29.83 %，是本流域仅次于林地的最主要的景观；园地、居民点、水域各有1个景观组分类型，三者的斑块数之和、面积之和、周长之和都不及流域景观的10%。因此，林地、草地和耕地景观构成了岔口小流域主要景观格局，其他3类景观在全流域呈现补丁状的分布形态，这是地形、土壤、气候及人类活动综合影响的结果。

表1 2013年岔口小流域的景观组分类型总体特征表

2.2 斑块面积的破碎化特征分析

AREA_MN可以分析景观斑块面积的破碎化程度。由表2可见，乔木林、高密草、疏木林、灌木林和低密草的AREA_MN值依次居于该流域的前5位，受地形及人类活动的干扰多成片分布，连通性好，破碎化程度相对低；其余8个景观类型的AREA_MN值都不及平均值(0.0386 km2)，沟坝地值最小(0.0062 km2)，以沟坝地为代表的耕地、园地、居民点、水域景观的分割程度及细碎化程度要大于林地和草地景观。

表2 2013年岔口小流域的景观组分类型破碎化指数统计表

乔木林的AREA_SD值(0.5741 km2)居于首位，表明流域内乔木林多连片分布，但是局部地区受限于地形仍存在独立分布的乔木林，使得乔木林的斑块规模内部差异程度大，这种分布在其余3个林地类型及2个草地类型也有所体现。而耕地、园地、居民点、水域景观的AREA_SD值分布相对均匀，都不及0.1000 km2。经实地调查及农户走访发现，耕地、园地斑块受地形和权属因素影响多成细小斑块分布且斑块间规模差距小；居民点多分布于山下平坦地形条件下，其建筑构造多为窑洞且为自居，面积小，各家占地面积差异不大；水域景观多为大型骨干坝防洪蓄水作用的结果，虽分布相对独立但各骨干坝间蓄水作用差异不大，在其所处沟渠都发挥很大的作用。

2.3 斑块密度与边界密度破碎化特征分析

斑块密度(PD)与边界密度(ED)通常相结合用来分析景观破碎化程度，且两指标值多呈现相关性[10]。由表2可见，本流域沟坝地的PD值最大(162.12 #·km-2)，其次是农村居民点(97.24 #·km-2)，坑塘水面(74.00 #·km-2)，乔木林和高密草的最小(不足12 #·km-2)。这表明沟坝地、农村居民点、坑塘水面的破碎化程度高；林地、草地的斑块分布较为集中，内部聚集度高，破碎化度低。沟坝地的ED最大(63.58 km·km-2),乔木林的最小(18.60 km·km-2)。在耕地景观内部，沟坝地受沟渠地形影响明显，表现为地块不规则、边界长和地块面积小的特征，加之流域淤地坝建设及农户自修田坎等活动，人为分割了地块，使得其ED值最大；坡耕地分布在坡面上，坡度大，受原始地形影响大，加之水土流失严重，形状完整性差，其ED也相对较大(43.12 km·km-2)；梯田大多经过坡改梯工程，人为活动的干扰使其边界得到修复，地块间连通性好，多连片，因此其ED值(38.07 km·km-2)小于沟坝地和坡耕地；而流域内的沟川地CA(1.8568 km2)相对少，且多沿河流成条带状分布，人为活动干预小，因此其ED(38.17 km·km-2)与梯田相近。农村居民点和坑塘水面表现为面积极小、独立分布、连通性很差，其ED(接近于50.00 km·km-2)也较大，破碎化程度强。果园的分布特征与坡耕地相似，其ED(42.80 km·km-2)与坡耕地接近。林地、草地景观多成片、连通性好于其他4类景观，其ED明显低于其他4类景观。

2.4 景观类型形状特征分析

岔口小流域高密草的LSI最大(37.80)，说明高密草与其他各景观类型的嵌合度高，边界分散性强，内部团聚性差；而坑塘水面的LSI最小(5.34)，因其单独分布，内部团聚性强。总体上，坑塘水面、农村居民点、沟川地和灌木林这4个景观类型面积小，斑块数少，与外部其他景观嵌合度低，内部团聚性要优于其他9个类型。

经分析，梯田、居民点用地、坑塘水面、果园、沟坝地和未成林这6个景观类型受人类活动干扰，形状得到人为修复，其FRAC_AM略小于剩余7个景观类型。从整体上看各景观的FRAC_AM都不及1.3，流域景观边界整体褶皱度小。

3 结论与讨论

对岔口小流域进行小尺度的景观破碎化分析，得到结论：

(1)林地、草地、耕地3类景观面积最大，占全区面积的96.15%，是该流域最主要的景观，决定了整个流域的景观格局现状。其中林地的景观面积高于草地10.32%，这缘于防护林建设、退耕还林工作的开展，新增林基数大，对整个流域景观格局作用明显，侧面反映出生态环境的改善；

(2)分析斑块的面积特征得出高密草面积最大，对整个流域的景观格局贡献最大；乔木林斑块的平均面积及面积标准差最大，破碎化程度低；耕地、园地、居民点用地、水域4景观的斑块内部规模差距小，但斑块的平均面积小，被分割程度及细碎化程度要大于林地和草地；

(3)该流域各景观类型的斑块密度与边界密度特征表明，沟坝地的两密度值都最大，被边界分割程度高，连通性差，破碎化程度最高；乔木林与高密草值小，空间上连片分布，景观完存性好。总体上表现为耕地、园地、居民点用地、水域4景观的斑块密度及被边界切割程度大，破碎度高；

(4)该流域整个景观的平均面积加权分维数为1.18，趋向于1，表明该流域景观边界褶皱度低。

鉴于上述结论，岔口小流域应调整土地利用方式，发展农业规模化经营[14]，提高耕作效率[12]；开展坡改梯工程，调整地块大小、形状，整合地块，整修山间道路，提高地块间的连通性，降低其破碎性；加强淤地坝的监测与维修，继续发挥防洪、蓄水作用；充分改造和利用草地，植树造林，提高其生态效益，同时加强原有林区的保护，为该流域生态环境的持续改善创造条件。

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