豫西黄土丘陵区景观格局特征分析与变化研究

赵胜朝，王福岭，刘明欣，徐建昭

(1.河南省水土保持监测总站，河南 郑州 450008；2.郑州市水利建筑勘测设计院，河南 郑州 450008)

0 引言

豫西黄土丘陵区位于河南省西北部，行政区划上包含郑州市、洛阳市、焦作市、三门峡市4个省辖市的19个县(市、区)和1个济源示范区，土地总面积2.71万km2，约占河南省土地总面积的16.23%。属第二阶梯向第三阶梯过渡的交错地带，地质条件复杂，地表破碎，人为活动频繁，加剧了水土流失，造成了区域大片土地贫瘠，是河南省生态环境比较脆弱的区域之一，同时也是河南省脱贫攻坚成果巩固提升的重要区域。分析研究基于2000、2010、2015年遥感数据，应用GIS技术以及景观结构分析软件分析豫西黄土丘陵区及各类型的景观指数，并对研究区景观格局特征及变化进行分析，预期得到区域景观格局的变化规律，为当地水土流失治理决策提供理论依据。

1 斑块数

斑块数是研究范围内斑块的数量。该指标用来衡量目标景观的复杂程度，斑块数量越多表明景观构成越复杂。斑块数反映景观的空间格局，斑块数大，破碎度高，斑块数小，破碎度低。

2015年，整个研究区斑块数总共2.21万个，研究区斑块数从2000—2010年不断增加，随后减少，即研究区2000—2010年、2011—2015年2个时间段，前者景观破碎度及景观复杂性相对后者更高(见图1)。从各县(市、区)分布来看，卢氏县斑块数最多，占整个研究区域的10.10%，其次是灵宝市，占整个研究区域的9.30%，第三是济源市，占整个研究区域的8.40%，而孟州市、湖滨区、义马市斑块数最少。一般来说，区域地形相对较为平坦，区域经济发展较为快速时，开发力度较大，大规模成片开发导致区域斑块数量较少，景观异质性及复杂性较低，而地形复杂时，情况相反。从研究区斑块数分布来看，研究区东部地形相对平坦，开发难度小，成片开发多，区域斑块数相对较少，而西部地形起伏较大，开发导致更多的破碎，斑块数较多，相应的开发带来的干扰更大。

图1 研究区2000—2015年斑块化变化图

2 平均斑块面积

平均斑块面积为研究区域内的全部斑块的面积平均值。该数值用于反映整体景观的完整性以及破碎化程度，该数值越小表明景观较破碎，破碎化程度较高。平均斑块面积能够指证景观的破碎强度，如一般情况在景观级别上一个较小平均斑块面积值的景观比一个拥有较大平均斑块面积值的景观更破碎。统计结果如下所示。计算方法：

(1)

式中：MPS为平均斑块大小，TS为研究范围的总面积，NP为斑块个数。

从时间上看，研究区平均斑块面积大小从2000—2010年不断减少，随后增加，即与斑块数结果相似，研究区2000—2010年、2011—2015年2个时间段，前者景观破碎度相对后者更高。从整个研究区各县(市、区)的平均斑块面积大小分布来看，研究区西部县(市、区)平均斑块面积较高，说明研究区西部县、区景观完整性较高、破碎化程度较低，当地对生态环境保护较好。而研究区东部各县(市、区)整体平均斑块面积较低，景观破碎度较高。

3 破碎度指数

破碎度表示景观被分割的破碎程度，反应景观空间格局的复杂性，在某种程度上反映了人类对景观的扰动程度。它是由自然或者开发活动破坏所引起的景观由单一、均质与连续的总体趋向于复杂、异质与不连续的斑块镶嵌体的过程，景观破碎化是生物多样性失去的主要起因之一。计算方法：

Ci=Ni/Ai

(2)

式中：Ci为景观i的破碎度，Ni为景观i的斑块数，Ai为景观i的总面积。

从时间变化上看，2000—2015年研究区破碎度指数总体是呈上升趋势的(见图2)，但增加幅度较小，表明虽然受到人为干扰，研究区域景观破碎化水平变化较小，区域开发建设整体上未造成大的环境干扰。从空间分布上看，景观破碎化与经济发展水平相关性较高，济源、巩义、义马、荥阳、洛阳等经济较好县市，开发强度较大，景观破碎化指数较高，而卢氏、嵩县、灵宝等县市，景观破碎化指数较低。对于一定面积的每一种生态系统来说，斑块数越少，平均面积越大，破碎化程度越低，越能充分发挥其生态效益，而由于城市发展，人类对各种景观类型、自然生态系统的干扰越来越强，在对生态环境保护不力的情况下，会导致各种景观类型、生态系统斑块数量越来越多，破碎化程度越来越高，济源、巩义等正是表现出这种特征；而随着人类大规模开发的进行，景观类型又会趋于单一化、均质化，又会降低破碎度指数。

图2 研究区2000—2015年破碎度指数图

4 聚集度指数

聚集度指数指景观中不同斑块类型的非随机性或者聚集程度。该指数越小，表明景观是由很多相互交错且分散分布的小斑块组成的，异质程度较高，反之该指数越高说明景观是由数量较少面积较大的斑块组成，异质程度较低，景观完整性较好，相对的破碎化程度较低。计算方法：

C=2ln(N)=∑∑Pijln(Pij)

(3)

式中：N是景观中斑块类型总数，Pij是斑块类型i与j相邻的概率。

从时间延续上看，2000—2015年研究区聚集度指数总体是呈平稳态势(见图3)，调查区景观整体较为稳定，也进一步印证了调查区15 a破碎度指数变化不大的结果。从空间分布上看，在调查区西部县(市、区)具有高的聚集度指数，说明西部县、区内景观斑块面积大。而东部县、区较西部来说聚集度指数较低，说明东部县(市、区)斑块以小面积居多，因而其破碎度指数高于西部县、区，印证了破碎度指数较大的原因。

图3 研究区2000—2015年聚集度指数图

5 多样性指数

多样性指数是指景观元素或者生态系统在结构、功能以及随时间演变方面的多样性。随着该值的减小，景观结构组成的复杂性也趋于减小。香农多样性指数在景观级别上为各斑块类型面积比乘以其值的自然对数之后的和的负值。多样性指数对景观中各斑块类型非均匀分布形态较为敏感。研究显示在同一景观中景观生态学的多样性与生态学物种的多样性两者之间关系通常呈正态分布。计算方法：

(4)

式中：i=1…m表示斑块类型数量；pi表示斑块类型i所占景观面积的比例。

香农指数主要包括2个要素：①品种数目；②品种中个体分配上的平均性或均匀性。品种数目多，可提高多样性；同样，品种之间个体分配的均匀性增加也会使多样性提高，当一个区域内各类景观要素面积相差较大、优势度明显时，多样性指数较低；反之，则在区域各景观要素中，存在优势度较弱的某种景观要素时，多样性指数较高。从时间变化上看，2000—2015年，研究区域多样性指数先增加后减少，2000—2010年，由于人类活动的干扰，区域主要景观类型耕地、林地面积都有所减少，其它类型面积有所增加，景观类型更加多样，多样性指数升高，而2010—2015年，区域耕地面积减少，建设用地面积增加，景观类型主要是耕地减少为建设用地，多样性指数减少。从空间分布上看，研究区东部较西部有更多的多样性，主要是由于西部的优势景观更明显，而东部区域内耕地、林地、建设用地等景观要素优势度接近，没有优势突出的土地利用类型。

6 结论

①2000—2015年的15 a间，景观生态风险整体呈现加剧演变，高生态风险区的基质景观类型以耕地为主，受人类活动影响后的损失度较强。但研究区破碎度指数、聚集度指数总体上变化不大，表明研究区域虽然受到人为干扰，研究区域景观破碎化水平变化较小，区域开发建设整体上未造成大的环境干扰，研究区景观整体较为稳定。②研究区景观格局空间分布上总体表现为西部县(市、区)具有高的聚集度指数，低的破碎化指数，西部县(区)内景观斑块面积大，景观破碎化强度较低。而东部县(区)较西部来说聚集度指数较低，破碎化指数较高，东部县(市、区)斑块以小面积居多。③研究区生态风险空间集聚形态以低-低集聚和高-高集聚为主，呈现为低-低集聚区域表现增加演变，高-高集聚区域表现先增加后减少演变。生态风险高值集聚区(H-H)主要集中分布在卢氏县-洛宁县-灵宝县，这一区域属于黄土低山丘陵区，地表覆盖类型多样，景观优势度较低且景观分布不均匀。④研究区域水土保持工作应坚持“小范围治理、大面积保护”的原则，保护现有的森林资源不再遭到破坏，同时加快促使水土流失最严重的陡坡耕地(坡度在15°以上)的退耕还林还草、生态移民等，做好四个结合，一是低山丘岭区生态经济高效治理开发与坡改旱梯基本农田建设与大面积坡耕地水土流失综合治理相结合，二是“人工治理和生态修复”相结合，三是植被快速建造与可持续发展相结合，四是土地整治工程建设与水土资源合理利用相结合，构建小流域生态系统的科学合理模式，实现山丘区自然资源、生态、经济、社会的持续协调发展。