胡建忠

（水利部 水土保持植物開發(fā)管理中心，100038北京）

砒砂巖區(qū)是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)，自然侵蝕造成了千溝萬壑的現(xiàn)象［1－2］。1998年項目區(qū)開始立項的“晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)工程”［1］，工程正式實施年限為1999－2008年。這一工程的順利實施，徹底改變了區(qū)域內(nèi)的景觀面貌，人為干預正在持續(xù)塑造著區(qū)域景觀生態(tài)類型。

景觀生態(tài)評價是景觀生態(tài)學研究的基本內(nèi)容。以景觀生態(tài)學為理論基礎，在地理信息系統(tǒng)技術支持下，重點對工程實施前一年（1998年）、中期（2003年）、最后一年（2008年）3個控制年份，通過專用軟件，分類型統(tǒng)計各砒砂巖區(qū)種植沙棘（Hippophaerhamnoides）后不同時期景觀要素的面積、斑塊數(shù)等，從景觀生態(tài)分類的角度，對項目區(qū)進行景觀生態(tài)綜合評價。

1 研究區(qū)概況

砒砂巖區(qū)地處黃土高原北部的鄂爾多斯高原，位于北緯38°10′－40°10′，東經(jīng)108°45′－111°31′，黃河環(huán)繞于高原的東、北、西三面。根據(jù)地表覆蓋物質(zhì)，砒砂巖區(qū)可劃分為裸露砒砂巖區(qū)、蓋沙砒砂巖區(qū)、蓋土砒砂巖區(qū)3個類型區(qū)。區(qū)域總面積為1.97萬km2，主要分布在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的東勝、準旗、伊旗、達旗、杭旗和陜西的神木、府谷兩縣。

暖溫帶北緣半干旱大陸氣候，年平均氣溫6～9℃，≥10℃年平均積溫2 600～3 400℃，年平均降水量280～400 mm，年平均蒸發(fā)量2 200～2 600 mm，年平均風速2～4 m／s，全年≥8級大風日數(shù)20～30 d。區(qū)內(nèi)東南坡發(fā)育了皇甫川、窟野河等黃河多沙粗沙一級支流，北坡發(fā)育了穿越庫布齊沙漠流入黃河的多條支流，俗稱“十大孔兌”。區(qū)內(nèi)平均徑流模數(shù)約7.0萬 m3／（km2·a），年徑流量約22.4億 m3；輸沙模數(shù)1.1萬t／（km2·a），年輸沙量3.5億t，粗砂含量達80%。

地表物質(zhì)以砒砂巖、黃土、紅土和風積沙為母質(zhì)，其上發(fā)育了各類土壤。主要有以砒砂巖為母質(zhì)的栗鈣土、以黃土為母質(zhì)的黃綿土、以風積沙為母質(zhì)的風沙土等。原生植被主體為以本氏針茅（Stipabungeana）草原為主體的地帶性植被群系，現(xiàn)已多被百里香（Thymusserpyllum）＋本氏針茅＋達烏里胡枝子（Lespedezadahurica）群系所代替。人工植被主要有油松（Pinustabulaeformis）、楊樹（Populussp.）、沙棘、檸條（Caraganakorshinskii）、沙打旺（Astragalusadsurgens）和紫花苜蓿（Medicagosativa）等。

2 材料與方法

2.1 供試材料

研究采用數(shù)據(jù)以工程實施的3個控制性年份，即1998年（前－年）、2003年（中）和2008年（末）3個時期Landsat TM／ETM＋遙感影像為主要數(shù)據(jù)來源，輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)沙棘造林數(shù)據(jù)（1999－2008年）及分布圖、1∶100 000地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖、GPS野外調(diào)查和部分圖片、文字統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

2.2 計算方法

研究中主要選用斑塊平均面積、斑塊密度指數(shù)、邊緣密度指數(shù)、聚集度指數(shù)、距離指數(shù)、破碎度指數(shù)、分維數(shù)、形狀指數(shù)和連接指數(shù)等9個指標［2］，借助于大型統(tǒng)計分析軟件包STATISTICS 7.0中的主成分分析，同時依據(jù)這一分析結果，進一步應用空間系統(tǒng)聚類分析方法，選用組內(nèi)連接法（對距離的測度方法采用歐氏距離平方），進行景觀生態(tài)分類，利用GIS空間疊加分析功能，使空間聚類分析的結果與生態(tài)環(huán)境控制因子復合疊加，從而得出景觀生態(tài)評價類型［3－7］。

3 結果與分析

3.1 沙棘種植前一年（1998年）各景觀要素類型的主成分分析和聚類評價

利用前述9個指標，進行主成分分析的結果列于表1；9個指標與前4個主成分間的關系列于表2，各指標與各主成分特征向量間的關系列于表3。

表1 砒砂巖區(qū)（1998年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分分析

表2 砂巖區(qū)（1998年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分貢獻率矩陣

表3 砒砂巖區(qū)（1998年）各景觀要素類型異質(zhì)性因子特征向量

表中累積百分比說明，第1、第2主成分累積百分數(shù)達到86.91%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達到94.66%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達到98.96%，而第5到第7主成分所包含的百分數(shù)很小（表中省略了第8、第9主成分，其數(shù)值更?。?。

第1主成分與斑塊平均面積、分維數(shù)、距離指數(shù)和聚集度呈明顯正相關，其中分維數(shù)則反映的是景觀斑塊的形狀；斑塊平均面積在一定程度上反映景觀類型的破碎化程度，可見第1主成分與破碎化指數(shù)和形狀指數(shù)呈現(xiàn)一定的負相關；第2主成分與斑塊密度、距離指數(shù)、形狀指數(shù)和破碎化指數(shù)呈明顯正相關，與聚集度指數(shù)呈現(xiàn)一定的負相關，它反映景觀斑塊的破碎化程度；第3主成分與聚集度指數(shù)、形狀指數(shù)和距離指數(shù)呈明顯正相關，反映了景觀斑塊的空間分布格局；第4主成分與斑塊平均面積和連接指數(shù)呈明顯正相關，這兩個要素與景觀類型規(guī)模有關，在一定程度上反映景觀組成和結構受某種和某些景觀要素控制的程度，是景觀類型規(guī)模主成分。

提取這4個主成分進行空間聚類分析，用分類景觀生態(tài)因子的空間聚類分析和多因子的空間復合疊加分析進行景觀生態(tài)分類，結果見圖1。

圖1 砒砂巖區(qū)各景觀類型異質(zhì)性評價聚類

多因子空間疊加分析利用GIS空間疊加分析功能，根據(jù)空間聚類分析的結果每一景觀生態(tài)類別進行多因子復合疊加分析，得出更進一步的景觀生態(tài)異質(zhì)性綜合評價，其結果如下：

第1類為居民地。居民地在景觀中分布較為集中，斑塊數(shù)目較小，平均斑塊面積最大，斑塊破碎化程度較低，作為人文景觀，容易受到人類的干擾，而且是人為影響最大的一個類型，但其斑塊規(guī)模相差懸殊，形狀相對較為規(guī)則，形狀指數(shù)較小，但由于其鑲嵌分布于其它斑塊類型中，斑塊空間分布格局復雜多變；從動態(tài)變化來看，該類面積增加較快，斑塊數(shù)量增加顯著，反映了隨著城市化進程的加速和社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動范圍不斷擴大，人類的干擾活動不斷加劇，在一定程度上影響區(qū)域景觀格局的形成。

第2類主要是林地和灌叢。作為半自然景觀，分布于研究區(qū)域水分條件較好的幾個區(qū)域，容易受到人類的干擾，形狀指數(shù)較小且形狀相對簡單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，破碎程度較大；但林地呈團聚分布，其格局對整體景觀的貢獻較大，對區(qū)域的生態(tài)安全影響也較大。

第3類為水域。作為自然景觀，形狀指數(shù)小，斑塊形狀相對規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說明其斑塊相對完整。由于該類型對地域的分布具有較強的選擇性，且分布區(qū)域較為穩(wěn)定，雖然受一定人為因素的影響，在同一區(qū)域內(nèi)基本受自然分布的影響。

第4類為稀疏植被。該類斑塊形狀不規(guī)則，連接度指數(shù)較低，距離指數(shù)較大。但其在景觀中占有很大的比重，是研究區(qū)域的主要本底，這是由于區(qū)域氣候、地形和地勢條件決定的，該類型的生態(tài)環(huán)境具有明顯的潛在脆弱性，這種潛在脆弱性以草地－稀疏植被－蓋沙地為過渡，一旦植被遭到破壞，這種潛在的脆弱性就會轉化為現(xiàn)實的，具有危害的脆弱性，如誘發(fā)土地沙化、水土流失等自然災害，造成生物多樣性的喪失等嚴重后果。因此，為了維護區(qū)域景觀生態(tài)的穩(wěn)定，促進區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，應加強對該類型的保護。

第5類為草地、未利用地和蓋沙地。這3類在研究區(qū)域分布較為集中，蓋沙地和未利用地面積較大，且以大斑塊為主，蓋沙地在研究區(qū)域中占據(jù)最大的比例，是景觀類型規(guī)模的主成分，構成本底，在一定程度上控制著區(qū)域的景觀格局；草地小斑塊數(shù)量居多，分布較為分散，處于支配地位，分散于其它類型中，這與研究區(qū)域氣候特征、地質(zhì)、當?shù)鼐幼〉娜丝跀?shù)量及經(jīng)濟發(fā)展程度有關。

3.2 沙棘種植中期（2003年）各景觀要素類型的主成

分分析和聚類評價

同控制初年，利用前述9個指標進行主成分分析的結果列于表4；9個指標與前4個主成分間的關系列于表5；各指標與各主成分特征向量間的關系列于表6。

表4 砒砂巖區(qū)（2003年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分分析

表5 砒砂巖區(qū)（2003年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分貢獻率矩陣

表6 砒砂巖區(qū)（2003年）各景觀要素類型異質(zhì)性因子特征向量

累積百分比說明，第1、第2主成分累積百分數(shù)達到88.22%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達到99.78%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達到99.91%，而第5到第7主成分所包含的百分數(shù)很?。ū碇形戳兄鞒煞指〉牡?、第9主成分）。

提取前4個主成分進行空間聚類分析，用分類景觀生態(tài)因子的空間聚類分析和多因子的空間復合疊加分析進行景觀生態(tài)分類，結果見圖2。

圖2 砒砂巖區(qū)（2003年）各景觀類型異質(zhì)性評價聚類

利用多因子空間疊加分析，所得到的景觀生態(tài)分類如下：

第1類為居民地。居民地在景觀中分布仍較為集中，面積明顯增加，形狀相對簡單，景觀斑塊破碎化程度較低，聚集度加大，平均斑塊面積較大，斑塊空間分布格局復雜多變。

第2類為林地。林地面積增加較大，形狀相對簡單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，景觀也較破碎，但仍呈團聚分布，從動態(tài)變化角度分析，面積增加顯著，對區(qū)域景觀格局具有明顯影響，今后對林地景觀的建設應進一步加強。

第3類為水域。形狀指數(shù)小，斑塊形狀相對規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說明其斑塊相對完整，且分布區(qū)域較為穩(wěn)定。

第4類主要是稀疏植被、草地、灌叢和沙棘。該類斑塊形狀不規(guī)則，連接度指數(shù)較低，距離指數(shù)較大。但其在景觀中占有很大的比重，這是由于區(qū)域氣候、地形和地勢條件決定的，也在該控制年份基本上構成研究區(qū)域的本底。沙棘在2003年在總體景觀分布格局上仍呈較為分散的分布格局。

第5類包括未利用地和蓋沙地。蓋沙地和未利用地由于人工造林及人為改造和利用，使得這兩類型面積明顯減小。

與控制初年（1998年）明顯不同的是，作為植被主要組成部分的稀疏植被、草地、灌叢和沙棘聚為一類；林地也自成一類，這兩類植被面積增加較快，而未利用地和蓋沙地面積下降較快。景觀生態(tài)整體向植被面積更大、分布更為合理的方向發(fā)展。

3.3 沙棘種植末年（2008年）各景觀要素類型的主成分分析和聚類評價

同前所述，利用9個指標進行主成分分析的結果列于表7；9個指標與前4個主成分間的關系列于表8；各指標與各主成分特征向量間的關系列于表9。

表7 砒砂巖區(qū)（2008年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分分析

表8 砒砂巖區(qū)（2008年）各景觀要素類型異質(zhì)性指數(shù)的主成分貢獻率矩陣

表9 砒砂巖區(qū)（2008年）各景觀要素類型異質(zhì)性因子特征向量

表中累積百分比說明，第1、第2主成分累積百分數(shù)達到99.49%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達到99.90%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達到99.98%，而第5到第7主成分所包含的百分數(shù)很?。ū碇形戳兄鞒煞指〉牡?、第9主成分）。

提取前4個主成分進行空間聚類分析，用分類景觀生態(tài)因子的空間聚類分析和多因子的空間復合疊加分析進行景觀生態(tài)分類，結果見圖3。

圖3 砒砂巖區(qū)（2008年）各景觀類型異質(zhì)性評價聚類

利用多因子空間疊加分析，所得到的景觀生態(tài)分類與控制中期（2003年）完全相同。

第1類為居民地。居民地在景觀中分布仍較為集中，以人為建筑景觀為主，面積明顯增加，形狀依然較為規(guī)則，斑塊的平均面積加大，斑塊破碎化程度仍較小，這類人工斑塊形狀一般較規(guī)則，連接度較小，斑塊空間分布格局復雜多變，但由于人類干擾活動不斷加大，處于較差狀態(tài)的斑塊，生態(tài)環(huán)境受到較大破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構有較大變化，功能降低，恢復困難。

第2類為林地。林地面積增加較大，形狀相對簡單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，景觀也較破碎；但仍呈團聚分布，從動態(tài)變化角度分析，面積增加顯著，對區(qū)域景觀格局具有明顯影響，處于良好狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境基本未受破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構尚完整，功能較強，今后對林地的建設應進一步加強，繼續(xù)開展人工造林，增加區(qū)域植被覆蓋率，以減緩沙區(qū)的擴展和水土流失，保證區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設，以保障當?shù)氐膮^(qū)域安全生態(tài)。

第3類為水域。形狀指數(shù)小，斑塊形狀相對規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說明其斑塊相對完整，且分布區(qū)域較為穩(wěn)定，處于理想狀態(tài)，其生態(tài)環(huán)境基本未受干擾破壞，生態(tài)系統(tǒng)結構完整，功能很強，但總體看10 a間面積呈減小的趨勢。水域在研究區(qū)域決定著很多其他斑塊如灌叢等的分布，因此在區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設過程中要注意保護區(qū)域水資源現(xiàn)狀，盡量減少人為干擾和破壞的程度與水平，以維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境的健康穩(wěn)定發(fā)展。

第4類主要是稀疏植被、草地、灌叢和沙棘。斑塊形狀不規(guī)則，連接度指數(shù)較低，距離指數(shù)較大。但其在景觀中占有很大的比重，這是由于區(qū)域氣候、地形和地勢條件決定的，構成研究區(qū)域的本底，處于一般狀態(tài)，生態(tài)環(huán)境受到較少破壞，生態(tài)系統(tǒng)可維持基本功能，在一般干擾下尚可恢復，從動態(tài)變化角度來看，稀疏植被面積增加了11%，說明其擴展速度較快，也同時說明了區(qū)域生態(tài)環(huán)境在向著好的方向發(fā)展的趨勢。沙棘變化最為顯著，面積增加68%，沙棘生態(tài)工程建設對其他景觀格局也產(chǎn)生了顯著影響。

第5類包括未利用地和蓋沙地。蓋沙地和未利用地由于人工造林及人為改造和利用，使得這兩類型，面積明顯減小。10 a動態(tài)變化顯示，沙棘生態(tài)建設工程及人工造林是蓋沙地和未利用地減少的主要原因。未來進一步的人工改造和干擾會使得這兩類景觀進一步退縮，區(qū)域生態(tài)環(huán)境進一步好轉。

與控制中年（2003年）相比，兩者分類結果雖然完全相同，但從數(shù)量上看，作為植被主要組成部分的稀疏植被、草地、灌叢、沙棘和林地繼續(xù)增加，而未利用地和蓋沙地面積繼續(xù)下降。景觀生態(tài)整體繼續(xù)向植被面積更大、分布更為合理的方向發(fā)展，這也是實施沙棘生態(tài)工程的主要目的所在。

4 結論

（1）在大規(guī)模開始種植沙棘前的1998年，亦即本底年，按照景觀因子聚類的砒砂巖區(qū)劃分為5類，其中，作為本底的草地、未利用地和蓋沙地聚為一類，作為主要斑塊的林地和灌叢聚為一類，其余，稀疏植被、居民地、水域各為一類。

（2）在種植中期（2003年），聚類結果仍為5類，不同的是作為植被主要組成部分的稀疏植被、草地、灌叢和沙棘聚為一類；林地也自成一類，這兩類植被面積增加較快，而未利用地和蓋沙地面積下降較快。景觀生態(tài)整體向植被面積更大、分布更為合理的方向發(fā)展。

（3）在種植末年（2008年），聚類結果與2003年雖然完全相同，但從數(shù)量上看，作為植被主要組成部分的稀疏植被、草地、灌叢、沙棘和林地繼續(xù)增加，而未利用地和蓋沙地面積繼續(xù)下降。景觀生態(tài)整體繼續(xù)向植被面積更大、分布更為合理的方向發(fā)展，這也是實施沙棘生態(tài)工程的主要目的所在。

（4）通過3個時期主成分分析和聚類分析的過程，從脈絡中可以把握種植沙棘等生態(tài)工程。通過生態(tài)工程建設，已使得砒砂巖區(qū)景觀總體由以未利用地和蓋沙地為本底的地質(zhì)色本底，正在逐步向以稀疏植被、草地、灌叢和沙棘等綠色生態(tài)本底轉化。生態(tài)建設工程正在構建著砒砂巖區(qū)的綠色本底，一個具水土保持、防風固沙和水源涵養(yǎng)等功能的綜合生態(tài)體系正在砒砂巖區(qū)有續(xù)地建設。

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