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        官司河流域土地覆被景觀穩(wěn)定性及其環(huán)境效應(yīng)

        2012-05-07 11:07:14劉延國
        水土保持研究 2012年3期
        關(guān)鍵詞:柏木馬尾松水域

        劉延國,王 青,王 軍

        (1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,四川 綿陽621010;2.四川省遙感中心,成都610081)

        景觀穩(wěn)定性是生態(tài)學(xué)與景觀生態(tài)學(xué)研究的一個(gè)復(fù)雜而又非常重要的內(nèi)容,但目前國內(nèi)外對(duì)景觀穩(wěn)定性的定義并不統(tǒng)一,多借用生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念來解釋[1-5]。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性一般包括抵抗力、恢復(fù)力、持久性和變異性4個(gè)方面的內(nèi)涵,對(duì)于受非正常外力干擾的系統(tǒng)而言,抵抗力和恢復(fù)性是測度其穩(wěn)定性的主要指標(biāo);對(duì)于受環(huán)境因子正常波動(dòng)干擾的系統(tǒng)而言,持久性和變異性是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)[6-10],而這些指標(biāo)又可從側(cè)面定量刻畫區(qū)域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。由此可見,景觀的穩(wěn)定性是相對(duì)的,而變異是絕對(duì)的,它是由區(qū)域自然變化過程和人類活動(dòng)共同決定的。近年來,雖有學(xué)者從林分結(jié)構(gòu)特征及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力等方面對(duì)官司河流域進(jìn)行了定量化研究[11-15],但缺乏對(duì)流域從景觀穩(wěn)定性角度的評(píng)價(jià)研究。本文從景觀的格局,即景觀中斑塊、廊道和基質(zhì)的空間組合出發(fā),在分析其變化及其相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上,深入分析官司河流域景觀的穩(wěn)定性及其環(huán)境效應(yīng),對(duì)了解涪江流域乃至川西北地區(qū)的景觀變化,促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的定向恢復(fù)提供重要參考。

        1 研究區(qū)與研究方法

        1.1 研究區(qū)概況

        官司河流域位于川中丘陵區(qū)北部的綿陽市新橋鎮(zhèn)境內(nèi),是龍門山前緣向盆地的過渡地帶,屬淺-深切割的丘陵地貌,平均海拔600m以下,屬典型的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)區(qū),其地理坐標(biāo)介于東經(jīng)104°46′—104°49′,北緯31°23′—31°37′;整個(gè)流域面積為20.11 km2,屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,氣溫與年降水的地域分布變化很小,年均溫16℃,年均降水量921mm;流域農(nóng)耕地面積占50%以上,主要種植水稻、小麥及玉米三種糧食作物,森林植被主要為20世紀(jì)80年代以來,通過封山育林形成的次生林和營造的人工林,主要類型為柏木林地、櫟類林地、馬尾松林地以及以三者各自為主要林分類型的混交林地,均分布在海拔520~630m范圍內(nèi)。

        1.2 研究方法

        1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 本文將1995年9月和2005年9月2個(gè)不同時(shí)期30m多光譜與15m全色波段通過小波變換融合后的彩色影像作為基本信息源,并以2005年9月IKNOS影像作為輔助,在ERDAS IMAGE 8.5及ArcGIS 9.0軟件的支持下,以1∶10萬地形圖、野外實(shí)地調(diào)查及相關(guān)的各種統(tǒng)計(jì)圖件作為數(shù)據(jù)源,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際,參照我國《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)分類系統(tǒng)[16-17],將研究區(qū)域劃分為人工景觀:T1城鎮(zhèn)、T2村莊、T3公共交通用地和T4耕地及半自然景觀、T5水域、T6柏木林地(柏木純林及以其為主的混交林)、T7櫟類林地(麻櫟、栓皮櫟及其為主的混交林)和T8馬尾松林地(馬尾松純林及其為主的混交林),共計(jì)8大景觀類型,采用監(jiān)督分類結(jié)合目視解譯的方法,得到1995年和2005年研究區(qū)景觀斑塊類型的矢量數(shù)據(jù)。

        1.2.2 景觀穩(wěn)定性指標(biāo)選取及分析方法 官司河流域景觀屬于半自然及人工景觀,其穩(wěn)定性除了由斑塊固有特征所體現(xiàn)的自然穩(wěn)定性外,更主要體現(xiàn)為人為干擾引起的斑塊間轉(zhuǎn)換為主要特性的人為穩(wěn)定性,因此可由以下三個(gè)指標(biāo)及景觀格局的轉(zhuǎn)移矩陣來分析[2,4]。

        (1)基質(zhì)(自然、半自然景觀)的比例穩(wěn)定性?;|(zhì)的比例越趨近于50%,該景觀的穩(wěn)定性就越高,公式為:

        式中:SM——基質(zhì)的穩(wěn)定指數(shù);M——基質(zhì)的比例。SM的值越趨近于1,基質(zhì)的穩(wěn)定性越高。

        (2)斑塊特征穩(wěn)定性。能夠反映斑塊穩(wěn)定性特征的主要為斑塊數(shù)量、斑塊面積和斑塊形狀。因反映斑塊形狀的指數(shù)較多且大多數(shù)反映的主要是斑塊形狀的相似性和復(fù)雜程度,因此,本研究僅以斑塊的數(shù)量和面積的變化率來反映其穩(wěn)定性?;竟饺缦拢?/p>

        式中:SP——斑塊的景觀穩(wěn)定指數(shù);Δni——第i類斑塊數(shù)量的變化率;Δai——第i類斑塊面積的變化率;ni1,ni2——第i類斑塊初期和末期的斑塊數(shù)量;ai1,ai2——第i類斑塊初期和末期的斑塊面積。SP越接近于1,斑塊穩(wěn)定性越高。

        (3)斑塊密度穩(wěn)定性。不論是絕對(duì)密度還是相對(duì)密度,變化率越小,景觀格局越穩(wěn)定。斑塊密度穩(wěn)定性可以用以下公式表示為:

        式中:SD——景觀穩(wěn)定指數(shù);ΔD——景觀密度變化率。SD越接近于1,景觀格局穩(wěn)定性將越高,D1,D2——研究初期和末期的景觀密度;

        式中:SDi——第i類景觀結(jié)構(gòu)組分的穩(wěn)定指數(shù);ΔDi——第i類景觀結(jié)構(gòu)組分的相對(duì)密度變化率;Di——第i類景觀組分的相對(duì)密度;Di1,Di2——第i類景觀組分初期和末期的相對(duì)密度;Ni——斑塊總數(shù);Ai——斑塊總面積。SDi越接近于1,景觀結(jié)構(gòu)組分的穩(wěn)定性就越高。

        2 結(jié)果與分析

        從表1可以看出,城鎮(zhèn)、村莊、公共交通用地、耕地、水域、柏木林地、櫟類林地、馬尾松林地8大類景觀組分的面積分布極不均衡,耕地的面積最大,為研究區(qū)人工景觀的基質(zhì),馬尾松林地為區(qū)域半自然景觀的基質(zhì),結(jié)合實(shí)地調(diào)查,公共交通用地及部分水域中的水系為研究區(qū)景觀的廊道,村莊、柏木林地、櫟類林地為研究區(qū)景觀斑塊;2005年與1995年相比,總體上柏木林地、櫟類林地及馬尾松林地面積都有所增加,耕地面積減小,這與近年來流域的退耕還林及封山育林等生態(tài)恢復(fù)工程措施有直接聯(lián)系。

        表1 官司河流域區(qū)景觀結(jié)構(gòu)組分類型

        2.1 基質(zhì)的穩(wěn)定性

        表2為研究區(qū)半自然景觀的基質(zhì)穩(wěn)定性指數(shù),從中可看出基質(zhì)的穩(wěn)定性較低,兩個(gè)時(shí)段變化相對(duì)較小,總體上穩(wěn)定性有所提高,說明近年來流域?qū)嵤┑耐烁€林及林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整等生態(tài)工程恢復(fù)措施已初顯成效。

        表2 官司河流域景觀的基質(zhì)穩(wěn)定性指數(shù)

        2.2 斑塊的穩(wěn)定性

        表3為研究區(qū)景觀斑塊穩(wěn)定性指數(shù)。從斑塊特征穩(wěn)定性來看:城鎮(zhèn)、水域的穩(wěn)定性最高,其次為馬尾松林地、櫟類林地、柏木林地及公共交通用地,耕地及村莊的斑塊穩(wěn)定性最低,它們的景觀穩(wěn)定指數(shù)從高到低依次為:0.777,0.732,0.621,0.383,0.367,0.351,0.281,-1.821;景觀斑塊在<4 000m2的尺度范圍內(nèi),馬尾松林地穩(wěn)定性最高,在4 000~10 000m2尺度上,柏木林地穩(wěn)定性最高,耕地及村莊的穩(wěn)定性最低。

        從斑塊密度穩(wěn)定性來看,柏木林地、城鎮(zhèn)穩(wěn)定性最高,其次為水域、馬尾松林地、村莊及櫟類林地,公共交通及耕地穩(wěn)定性最低,其指數(shù)從高至低依次為:0.815,0.691,0.605,0.534,0.325,0.288,-0.656,-6.537;景觀斑塊在<4 000m2尺度上,水域馬尾松林地穩(wěn)定性最高,在4 000~10 000m2尺度上,柏木林地穩(wěn)定性最高,在>10 000m2尺度上,水域及城鎮(zhèn)穩(wěn)定性最高。

        綜合斑塊特征穩(wěn)定性和密度穩(wěn)定性兩個(gè)方面來分析得出,中小尺度的柏木林地及馬尾松林地對(duì)整個(gè)區(qū)域的景觀穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用,應(yīng)給予很好的保護(hù),區(qū)域的耕作及居住特征決定了耕地及村莊穩(wěn)定性的降低。

        表3 官司河流域景觀斑塊穩(wěn)定性指數(shù)

        2.3 景觀的類型轉(zhuǎn)換及環(huán)境效應(yīng)分析

        利用ArcToolbox下的Overlay命令,對(duì)1995—2005年景觀類型矢量文件進(jìn)行空間疊加,應(yīng)用Statistics命令提取各種土地利用類型之間轉(zhuǎn)化的面積,從而建立1995—2005年景觀類型空間轉(zhuǎn)移矩陣,結(jié)果見表4。

        從表4可以看出,流域景觀空間格局發(fā)生了很大變化,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

        (1)耕地的變化。10a間,耕地的轉(zhuǎn)化最為復(fù)雜,所有的景觀類型都參與了轉(zhuǎn)化,由其他類型轉(zhuǎn)換為耕地的面積為133.014hm2,主要來源于轉(zhuǎn)化程度最大的馬尾松林地、柏木林地、水域及公共交通用地,耕地轉(zhuǎn)化為其他類型的面積為480.513hm2,亦主要轉(zhuǎn)化為上述四種類型,轉(zhuǎn)出量遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)入量,總面積呈減少趨勢(shì);

        (2)水域的變化。10a間,其他類型轉(zhuǎn)化為水域的面積為86.490hm2,主要來源于耕地、馬尾松林地及柏木林地;而由水域轉(zhuǎn)化為其他類型的面積為48.734hm2,亦主要轉(zhuǎn)化為耕地、馬尾松林地及柏木林地,轉(zhuǎn)出量遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)入量,總面積呈增加趨勢(shì);

        (3)3種林地景觀類型轉(zhuǎn)化。10a間,3種林地類型中,馬尾松林地的轉(zhuǎn)化程度最為劇烈,轉(zhuǎn)入面積達(dá)245.221hm2,轉(zhuǎn)出面積達(dá)70.124hm2;其次為柏木林地,轉(zhuǎn)入面積達(dá)180.928hm2;櫟類林地轉(zhuǎn)化程度最小,轉(zhuǎn)入及轉(zhuǎn)出量均小于10hm2,但三者轉(zhuǎn)入量均大于轉(zhuǎn)出量,總面積均呈增加趨勢(shì);

        總體上看,官司河流域的景觀類型轉(zhuǎn)移規(guī)律反映了該區(qū)景觀格局趨向良好方向發(fā)展,體現(xiàn)在耕地→水域、耕地→有林地的轉(zhuǎn)化過程上。隨著水域及有林地面積的擴(kuò)大,流域物種多樣性會(huì)相應(yīng)有所增加,生態(tài)系統(tǒng)功能逐步提高并趨向良性發(fā)展,為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)條件。

        表4 官司河流域1995-2005年土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

        3 結(jié)論

        官司河流域土地覆被景觀組分的面積分布極不均衡,其中耕地面積最大,為整個(gè)流域景觀的基質(zhì),林地組分次之,這與流域?yàn)榈湫娃r(nóng)林生態(tài)復(fù)合區(qū)的地位相吻合;馬尾松林地作為半自然景觀的基質(zhì),其穩(wěn)定性有所提高,為區(qū)域環(huán)境正效應(yīng)的發(fā)揮提供保障,但總體來看,無論是人工景觀還是半自然景觀,其穩(wěn)定性都較低。

        從斑塊數(shù)量和面積變化率來分析,城鎮(zhèn)、水域的穩(wěn)定性最高,其次為馬尾松林地、櫟類林地、柏木林地及公共交通用地,耕地及村莊的斑塊穩(wěn)定性最低;從斑塊密度變化率分析,柏木林地、城鎮(zhèn)穩(wěn)定性最高,其次為水域、馬尾松林地、村莊及櫟類林地,公共交通及耕地穩(wěn)定性最低;總體來看,城鎮(zhèn)及水域的穩(wěn)定性最高,其次為三種有林地,穩(wěn)定性最差的為耕地及村莊,這與區(qū)域生活及耕作方式及區(qū)域作為重要的產(chǎn)糧基地的性質(zhì)密切相關(guān)。

        從斑塊特征穩(wěn)定性和斑塊密度穩(wěn)定性兩個(gè)不同的層次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析所得的結(jié)論不相一致,不一致性在<2 000m2尺度上柏木林地最為明顯,其次為4 000~10 000m2尺度上馬尾松林地,說明中小斑塊柏木林地及馬尾松林地對(duì)于流域景觀的穩(wěn)定性具有重要意義,其也為充分發(fā)揮區(qū)域農(nóng)林復(fù)合效應(yīng)的關(guān)鍵因素,應(yīng)特別予以重視,并進(jìn)行科學(xué)合理的保護(hù)、規(guī)劃和建設(shè)。

        從景觀轉(zhuǎn)化角度分析,耕地與水域及三種有林地的轉(zhuǎn)化最為劇烈,但從其穩(wěn)定性來看,耕地穩(wěn)定性最低,而后者則較高,說明流域人工景觀的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)為人類干擾為主的人為穩(wěn)定性,而自然及半自然景觀雖然轉(zhuǎn)化率相對(duì)較高,但其穩(wěn)定性仍主要表現(xiàn)為由斑塊固有特性所決定的自然穩(wěn)定性,即為抗性和持久性,即為斑塊抵抗其他斑塊干擾而維持現(xiàn)狀的特性,這正是區(qū)域環(huán)境向好的方向發(fā)展的基礎(chǔ)所在。

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