盧愛(ài)剛，張鐳，索安寧

1.渭南師范學(xué)院環(huán)境與生命科學(xué)系, 陜西 渭南 714000；2.陜西省科學(xué)器材公司, 陜西 西安 710054；3.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 遼寧 大連 1160232

正確理解和把握景觀格局變化的生態(tài)學(xué)原則，即建立景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間的相互聯(lián)系對(duì)景觀生態(tài)學(xué)研究是至關(guān)重要的[1]。因此，長(zhǎng)期以來(lái)，景觀格局和生態(tài)過(guò)程之間關(guān)系的研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的一項(xiàng)核心內(nèi)容[2]。建立景觀格局與生態(tài)過(guò)程之間相互關(guān)系的首要問(wèn)題是景觀格局的數(shù)量化。景觀格局指數(shù)因景觀格局的數(shù)量化應(yīng)運(yùn)而生，其可使景觀格局具有一定統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和比較、分析不同尺度上的格局等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)一直倍受景觀生態(tài)學(xué)者的關(guān)注[3]。

20世紀(jì)70年代以來(lái)，針對(duì)各種景觀格局分析的需要，不同景觀生態(tài)學(xué)家提出了眾多的描述景觀格局及其變化的景觀指數(shù)，而對(duì)于很多景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義缺乏深入的探討[4-10]。目前很多研究工作，只關(guān)注對(duì)景觀空間分布格局的簡(jiǎn)單描述與分析，而缺乏深入探討景觀格局變化的生態(tài)學(xué)意義。這種趨勢(shì)因數(shù)字化景觀數(shù)據(jù)的容易獲得和GIS的廣泛應(yīng)用而進(jìn)一步得到加強(qiáng)[7,10-14]。如何把景觀格局指數(shù)與實(shí)際的生態(tài)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)依然是目前研究中的不足。針對(duì)這種現(xiàn)狀，提出有針對(duì)性和普適意義的景觀格局分析方法，對(duì)于深化景觀格局和生態(tài)過(guò)程關(guān)系的研究有重要意義。黃土高原是我國(guó)甚至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[15]，一方面是與黃土高原特殊的土壤、氣候條件有關(guān)[16-17]，另一方面植被景觀格局的不合理也導(dǎo)致了水土流失的加劇[18]。研究認(rèn)為流域產(chǎn)沙的多少是流域農(nóng)、林、草地等景觀類型之間產(chǎn)流和攔蓄兩種作用相互平衡的結(jié)果[19]，取決于水土流失“源“和“匯“的相對(duì)比例和空間位置。迄今為止，雖然許多學(xué)者對(duì)此做過(guò)多次探討[18-20]，但還沒(méi)有尋找到一種能把景觀格局與水土流失過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的景觀格局分析方法。本文針對(duì)黃土高原水土流失這一突出的生態(tài)過(guò)程，通過(guò)分析不同景觀類型及其空間分布格局在水土流失過(guò)程中的地位和作用，利用洛倫茲曲線理論，提出了跨越空間尺度的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)，并以黃土高原典型區(qū)域——涇河流域?yàn)槔?，定量分析了涇河流?15個(gè)子流域的景觀空間格局，為黃土高原地區(qū)水土保持和流域土地資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

涇河流域位于黃土高原腹地，106°20′—108°48′E，34°24′—37°20′N，處于六盤山和子午嶺之間，流域絕大部分屬于隴東黃土高原，流域面積45421 km2。流域氣候?yàn)榈湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，處于溫帶半濕?rùn)向半干旱氣候的過(guò)渡地帶。據(jù)流域各氣象站點(diǎn)多年觀測(cè)資料，流域多年平均氣溫8 ℃，最冷月平均氣溫-8～-10 ℃，最熱月平均溫度22～24℃，年降水量在350～600 mm之間，主要集中于夏季，夏季降水量一般占到年降水量的50%以上，且降水強(qiáng)度大，年際變化也很大。

流域黃土層深厚，一般在50～80 m不等，部分黃土殘塬黃土厚達(dá)100 m以上。土壤為典型的黃綿土和黑壚土，結(jié)構(gòu)疏松，極易塌陷、流失。植被為溫帶森林草原過(guò)渡類型。流域北部為典型溫帶草原，由于開發(fā)歷史悠久，原始植被已受人類活動(dòng)影響而破壞極大，農(nóng)業(yè)用地和草地為流域目前的主要土地利用類型。

涇河及各級(jí)支流均深切于梁、塬、峁和黃土溝壑鑲嵌的黃土地貌景觀中，流域內(nèi)地形支離破碎，溝壑樅橫，水系較發(fā)達(dá)，集水面積大于 1000 km2的主要支流有13條見圖1，大于500 km2的支流有26條，長(zhǎng)1～2 km2的沖刷溝系十分發(fā)育，多達(dá)上萬(wàn)條是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。

圖1 “源”、“匯”空間分布洛倫茲曲線圖Fig.1 spatial distribution of Lorenz curve of “source” and “sink”

2 研究方法

2.1 基于水文過(guò)程的景觀格局指數(shù)的構(gòu)建

2.1.1 “源-匯”理論

“源-匯”理論認(rèn)為在一切物種都存在其最初產(chǎn)生的“源”和最終消亡的“匯”。在水、沙運(yùn)移形成的水文過(guò)程中，流域內(nèi)一些景觀類型起到了水、沙徑流“源”的作用，另一些景觀類型可能滯蓄水、沙徑流，因而起到“匯”的作用，同時(shí)一些景觀（比如河流水體）起到了傳輸?shù)淖饔肹21]。如果流域中“源”“匯”景觀在空間上分布達(dá)到了平衡狀態(tài)，形成合理的空間分布格局，流域會(huì)產(chǎn)生較少的水、沙輸出；反之，如果流域景觀格局分布不合理，并有較多的“源”集中分布，而缺乏“匯”的滯蓄作用，流域?qū)?huì)有較多的水、沙輸出產(chǎn)生。因此，如何判斷流域的“源”“匯”景觀格局的合理性對(duì)于研究一個(gè)流域水文過(guò)程具有重要意義。地形被認(rèn)為是影響流域水文過(guò)程的重要因素，尤其是坡度對(duì)流域的水、沙輸移具有重要的影響[22]。一般“源”景觀單元分布的坡度越小，水、沙流失的可能性就越小，“匯”景觀單元分布的坡度越小，其滯蓄水、沙的可能性越大；相反，如果“源”景觀單元分布的坡度越大，水、沙流失的可能性就越大，“匯“景觀單元分布的坡度越大，其水、沙滯蓄的可能性就越小。

2.1.2 景觀格局指數(shù)的構(gòu)建

陳利頂[23]提出借用洛倫茲曲線理論來(lái)確定“源”、“匯”在空間的分布格局。洛倫茲曲線最早是用來(lái)描述不同人群的財(cái)富分布的一種分布曲線，它實(shí)際上刻畫的是某一因素在遞增過(guò)程中，另一個(gè)與其相關(guān)的變量的累積過(guò)程。坡度被認(rèn)為是影響水土流失的最重要地形因素，因此，本文以坡度作為一個(gè)景觀空間分布因素，來(lái)觀察不同景觀類型在坡度遞增過(guò)程中累積的曲線，可以表示為圖1。圖1中，O（0，0）表示0坡度，C點(diǎn)表示流域最大坡度，橫坐標(biāo)OC表示坡度的遞增過(guò)程，縱坐標(biāo)OA表示與坡度對(duì)應(yīng)的景觀類型的面積累積（取值范圍0～1）。ODB，OFB分別表示不同景觀類型隨坡度增加的面積累積曲線。OAB和OCB可以認(rèn)為是某一景觀類型全部分布在0坡度（平坦地）和最大坡度上的累積曲線。OEB表示沿坡度絕對(duì)均勻的分布曲線，如果某一景觀類型均勻的分布在各個(gè)坡度上，將會(huì)出現(xiàn)OEB的分布曲線。如ODB、OFB（假設(shè)它們分別表示不同的景觀曲線）曲線所示，他們?cè)谄露壬系姆植记闆r，可以用各景觀類型面積累積曲線與直線 OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則圖形的面積來(lái)判斷，如果曲線呈凸型并且接近于A點(diǎn)，表示該景觀類型在空間分布上主要分布在緩坡度范圍，它們對(duì)流域水沙輸移過(guò)程的作用相對(duì)較小，此時(shí)該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較大；當(dāng)曲線呈凹型并接近于C點(diǎn)時(shí)，則表示該類景觀主要分布于坡度較陡的地帶，它對(duì)水、沙輸移的作用相對(duì)較大，此時(shí)該曲線與直線OC、CB構(gòu)成的不規(guī)則多邊形的面積較小。對(duì)于任何一個(gè)流域都可以得出每一種景觀類型空間分布的累積曲線。我們以每一種景觀類型的0坡度分布（OAB）為標(biāo)準(zhǔn)，衡量其實(shí)際坡度空間分布，可以構(gòu)建成景觀坡度指數(shù)：

其中，LSI為某一景觀類型的坡度指數(shù)，SOFBC表示某一景觀面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積，SOABC表示如果該景觀全部分布在 0坡度時(shí)的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。LSI的值越大，表示景觀類型分布的坡度越大，對(duì)水文過(guò)程的影響越大。

如果從不同景觀類型的“源”“匯”作用來(lái)考慮，可以將各種景觀類型劃分為對(duì)水土流失過(guò)程起到“源”作用和起到“匯”作用兩類，構(gòu)成“源”“匯”景觀空間對(duì)比指數(shù)，即陳利頂提出的景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)[23]，其可以表示為：

其中，LCI為景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)，SODBC、SOFBC分別表示由“源”、“匯”景觀類型的面積累積曲線構(gòu)成的不規(guī)則多邊形面積。與曲線 OFB相比，曲線 ODB表示景觀類型更多的分布在坡度平緩的地方。LCI的值越大，對(duì)水文過(guò)程影響越小，表明“源”景觀分布在坡度較小的地方，“匯”景觀分布在坡度較大的地方。

在流域水、沙產(chǎn)生過(guò)程中，不同景觀類型對(duì)水、沙輸移過(guò)程的影響差異較大，在研究區(qū)農(nóng)田、裸地和低密度草地、居住用地等被認(rèn)為水、沙流失的“源”，而森林、灌叢、高密度草地可以截留、滯蓄坡面水、沙，在一定程度上起到“匯”的作用[18,20]。由于不同土地利用類型的性質(zhì)和受人為干擾的程度不同，它們?cè)谒?、沙流失和滯蓄方面的作用差異較大，為了客觀的評(píng)價(jià)景觀類型在水文過(guò)程中的作用，需要根據(jù)其對(duì)地面的覆蓋程度進(jìn)行權(quán)重賦值。不同的“源”“匯”景觀在流域中分布的比例也是影響流域水文過(guò)程的重要因素，為了考慮流域“源”、“匯”景觀總量的貢獻(xiàn)，需要將各類景觀的面積百分比引入到計(jì)算公式中。另外，由于研究區(qū)流域上、下游，降水有較大的差異，故按每個(gè)子流域的年降水比進(jìn)行降水加權(quán)，因此，公式（2）可以改進(jìn)為公式（3）：

其中，LCIx為第x個(gè)子流域景觀負(fù)荷對(duì)比指數(shù)，SODBC、SOFBC分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在洛倫茲曲線圖中面積累積曲線組成的不規(guī)則多邊形面積；Wi、Wj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀的地面覆蓋度；PCi、PCj分別表示第i種“源”景觀和第j種“匯”景觀在流域中所占的百分比；Rx表示第x子流域的降水權(quán)重，m表示有m種“源”景觀類型，n表示有n種“匯”景觀類型。景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)LCI越大，表示流域水土流失的風(fēng)險(xiǎn)越小，反之越大。

2.2 景觀格局指數(shù)的計(jì)算

1999/2000年涇河流域土地利用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供，該數(shù)據(jù)是“國(guó)土資源環(huán)境遙感動(dòng)態(tài)調(diào)查與空間服務(wù)體系”的核心數(shù)據(jù)之一，該數(shù)據(jù)以TM影像為數(shù)據(jù)源，由專家通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕進(jìn)行人工解譯，形成滿足1︰10萬(wàn)比例尺成圖標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化土地利用/土地覆被專題地圖。野外調(diào)查顯示，土地利用數(shù)據(jù)的位置誤差平均小于50 m，圖斑的正確判讀率達(dá)97.8%[24-25]。地形數(shù)據(jù)采用中國(guó)科學(xué)院地理與資源研究所提供的1︰25萬(wàn)地形。在地理信息系統(tǒng)軟件Arc/Info支持下建立涇河流域數(shù)字高程模型（DEM），在此基礎(chǔ)上生成流域坡度圖，并將涇河流域劃分為15個(gè)子流域[26-27]。將涇河流域土地利用數(shù)據(jù)與坡度數(shù)據(jù)疊加，統(tǒng)計(jì)每個(gè)子流域不同土地利用類型的坡度分布數(shù)據(jù)，并繪制每個(gè)集水區(qū)每種土地利用類型的洛倫茲曲線，采用積分計(jì)算每種土地利用類型的洛倫茲曲線多邊形面積，得出每個(gè)集水區(qū)每種土地利用類型的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 景觀組成結(jié)構(gòu)分析

對(duì)涇河流域 15個(gè)子流域土地利用類型組成進(jìn)行分析。圖2所示的環(huán)江流域、東川、蒲河、茹河、洪河等子流域土地利用以耕地和中、低覆蓋度草地等水土流失的“源”景觀所占比例最大，二者合計(jì)共占到流域總面積的80%以上，其它類型所占比例微小，甚至缺失。其中流域最北部的環(huán)江上游耕地占到子流域面積的 65.22%，中、低覆蓋度草地占31.85%，是涇河流域土地覆蓋程度最差的一個(gè)子流域；處于流域西南的汭河、達(dá)奚河、黑河子流域土地利用組成類型有所改變，中低覆蓋度草地比例大大減少，高覆蓋度草地和各類林地等“匯”景觀類型的比例有所增加，說(shuō)明這這些流域土地覆蓋相對(duì)較好。流域東南部的三水河和合水川的林地（“源”景觀）比例分別達(dá)到53.96%和25.21%。土地覆蓋情況普遍好于流域西北部。

圖2 涇河流域土地利用類型組成Fig.2 composition of land use in Jinghe River basin

3.2 景觀格局坡度分析

景觀坡度指數(shù)是把景觀空間分布與地形平坦?fàn)顩r結(jié)合起來(lái)，描述景觀地形空間分布格局的一個(gè)重要指標(biāo)。表1為涇河流域各個(gè)子流域不同土地利用類型的景觀坡度指數(shù)，耕地一般分布在坡度較小的黃土塬地和地勢(shì)平坦的河川谷地地帶，所以流域中南部的各個(gè)子流域的耕地坡度指數(shù)都比較?。ㄟ_(dá)奚河子流域除外，達(dá)奚河子流域處于流域南部的黃土丘陵區(qū)，所以耕地坡度指數(shù)達(dá)到1.218），流域北部為黃土丘陵區(qū)，地形比較復(fù)雜，平坦地帶少，所以流域北部的環(huán)江上、下游、東川等子流域耕地坡度指數(shù)都在1.20以上。森林、疏林和灌從林地一般分布在坡度相對(duì)陡的山地地帶，除個(gè)別地勢(shì)平坦的子流域外，大多子流域森林、灌叢的坡度指數(shù)都大于1.20，如處于流域西南部六盤山區(qū)的涇河、汭河子流域，森林主要分布于流域上游的六盤山區(qū)，由于山區(qū)地形陡峭，森林坡度指數(shù)分別達(dá)到1.555和1.547，為全流域坡度指數(shù)最大的景觀類型。另外疏林地由于包括人工林和部分經(jīng)濟(jì)林，這些人工造林一般分布在坡度較小的地方，所以疏林坡度指數(shù)相對(duì)較小。各類草地主要分布在坡度不適于耕作的陡坡地帶，這些地帶由于森林被毀或不適于林地發(fā)育，只能發(fā)育不同覆蓋度的草地，所以各類草地的坡度指數(shù)都在 1.20以上，而且受地形影響各子流域之間差異較大。

表1 涇河流域各子流域植被景觀格局?jǐn)?shù)量特征Tab 1 Quantity characteristics of landscape in sub-catchments of Jinghe River basin

3.3 景觀“源”-“匯”負(fù)荷對(duì)比分析

景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)是結(jié)合了景觀功能與其空間位置的一種流域綜合景觀格局指數(shù)。涇河流域由于受自然環(huán)境的限制及人類活動(dòng)的干擾，各個(gè)子流域土地利用景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)差異很大。從表1可以看出，涇河流域土地利用景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)可明顯分為3類：第一類為環(huán)江上游、下游、東川、蒲河、茹河、洪河、董志和涇河下游干流區(qū)，景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)小于0.80，為水土流失高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；第二類為涇河、汭河、固城河、黑河、達(dá)奚河，景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)在 0.80～1.50之間，為水土流失中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；第三類為合水和三水河，景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)大于1.50為水土流失低度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖3 涇河流域水土流失景觀風(fēng)險(xiǎn)區(qū)Fig.3 Landscape risk evaluation of soil water loss in Jinghe river basin

由圖3可以看出，水土流失高度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在流域北部和中部，氣候比較干燥，土地利用類型以耕地和中、低覆蓋度草地等“源”景觀類型為主，其對(duì)地面覆蓋程度較低，而且受地形影響主要分布于坡度相對(duì)陡的丘陵山地，所以景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)很??；第二類的水土流失中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布于流域中南部，因?yàn)檫@些子流域氣候條件相對(duì)好轉(zhuǎn)，子流域上游一般為植被覆蓋相對(duì)比較好的森林、疏林和灌叢等“匯”景觀類型，但由于人類過(guò)渡的土地開發(fā)利用，流域中、下游土地利用類型多為耕地和中、低覆蓋類型草地等“源”景觀，“源”、“匯”景觀在流域內(nèi)分布不均衡，導(dǎo)致這些子流域存在一定程度的水土流失風(fēng)險(xiǎn)；第三類為景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)大，水土流失風(fēng)險(xiǎn)低的流域東部子午嶺山地子流域，這兩個(gè)子流域雖然地處山區(qū)地帶，地形陡峭，坡度較大，但流域的主要土地利用類型是對(duì)地表覆蓋很好的林灌地和高覆蓋度草地等水土流失“匯”景觀，而耕地和人類活動(dòng)干擾產(chǎn)生的中、低覆蓋度草地等“源”景觀主要分布于流域的下游坡度較小的平地，子流域內(nèi)“匯”的作用大于“源”的作用，所以水土流失風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。

3 結(jié)論與討論

水土流失作為一種面狀的隨機(jī)生態(tài)過(guò)程，全面準(zhǔn)確地測(cè)定景觀格局與水土流失之間的關(guān)系在方法上幾乎不可能[28-30]。本文提出以水土流失過(guò)程為研究對(duì)象，同時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬性特征的景觀坡度指數(shù)和景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)，是在充分考慮了各類景觀對(duì)流域生態(tài)過(guò)程不同作用的基礎(chǔ)上，從坡度這個(gè)影響水土流失過(guò)程的地形因素提出了分析景觀空間分布格局的新方法，這種方法可以把景觀空間格局分析與水土流失過(guò)程緊密結(jié)合起來(lái)，從而較好地評(píng)價(jià)景觀空間分布格局的水土流失效應(yīng)，為進(jìn)一步進(jìn)行水土保持問(wèn)題的景觀格局研究奠定了基礎(chǔ)。

涇河流域是黃土高原地區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[31]。流域北部的環(huán)江上下游、東川和蒲河等子流域土地利用主要以耕地和中、低覆蓋度草地為等水土流失的“源”景觀為主，“源”景觀占到這些子流域面積的80%以上，而水土流失的“匯”景觀在這些子流域分布的比例很小，加上流域北部地形復(fù)雜，各種“源”景觀的坡度指數(shù)普遍比較大，“源”、“匯”景觀在這些子流域分布的不均衡，導(dǎo)致流域中北部景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)很小，水土流失風(fēng)險(xiǎn)很大；流域中南部的達(dá)奚河、黑河、汭河、涇河等子流域的上游為森林、疏林和灌叢等水土流失的“匯”景觀，他們的坡度指數(shù)都較大，中下游為耕地和中低覆蓋度草地等水土流失的“源”景觀，坡度指數(shù)相對(duì)較小，“源”、“匯”景觀在空間上的分布不平衡，使流域內(nèi)也存在一定的水土流失風(fēng)險(xiǎn)；流域東部子午嶺山區(qū)的三水河和合水川子流域以森林、灌叢和高覆蓋度草地等水土流失的“匯”景觀為主，“匯”景觀占到子流域面積的60%以上，耕地等水土流失的“源”景觀在子流域內(nèi)占的比例較小，而且主要分布在地勢(shì)平坦的河谷地帶，景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)很大，水土流失風(fēng)險(xiǎn)比較小。這一結(jié)論與其他研究結(jié)果相吻合[32-33]。

這種基于水土流失生態(tài)過(guò)程的景觀格局評(píng)價(jià)方法針對(duì)性強(qiáng)，具有明確的方向性，而不會(huì)受到尺度變化的影響，適合于不同大小的集水區(qū)范圍。由于所得出的景觀格局指數(shù)是一個(gè)相對(duì)值，其指數(shù)值的大小只能代表流域水土流失風(fēng)險(xiǎn)程度的大小。因此，該方法在水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中有重要的參考價(jià)值，其結(jié)果還可用于流域景觀生態(tài)規(guī)劃。但是由于影響流域水土流失的不確定因子太多，水土流失形成過(guò)程復(fù)雜多變，對(duì)于環(huán)境背景差異較大的流域，計(jì)算出的景觀格局指數(shù)不具備可比性，必須對(duì)其環(huán)境差異進(jìn)行技術(shù)處理，方可適用[34-36]。

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