王軍強，郭青霞，趙富才,王建雷，楊豐

(山西農業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801)

景觀格局通常是指景觀組成單元的多樣性和空間配置，反映了景觀空間結構特征。景觀破碎化是描述景觀格局的重要參數[1,2]，是景觀生態(tài)學的研究熱點。景觀破碎化是指受自然或人為因素干擾，導致景觀從簡單趨向復雜的過程，即景觀由單一、均質和連續(xù)的整體趨向于復雜、異質和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體[2]。景觀破碎化會影響生態(tài)系統(tǒng)的功能與結構，不利于區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。因此運用數量化的方法，定量化獲取和分析信息是關鍵[3]，研究區(qū)域的景觀格局及其破碎化現狀，可以深刻認識景觀要素間作用關系及內在機理[4]，為生態(tài)系統(tǒng)的科學管理[3]與可持續(xù)利用服務。

破碎化是黃土高原區(qū)重要的特征之一，其地理特征表現為溝壑縱橫，地形復雜多樣，植被稀疏，水土流失嚴重，自然條件極其脆弱[2]，易誘發(fā)各種生態(tài)環(huán)境問題，嚴重制約區(qū)域經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。目前景觀格局及其破碎化研究多選擇大尺度范圍[2,5]并基于遙感影像[6]的分類結果，利用景觀指數的工具進行分析評價。山西岔口小流域位于黃土高原溝壑區(qū)，是個小尺度的流域，水土流失極其嚴重。利用景觀指數的數量分析方法[7]，研究岔口小流域的景觀破碎化現狀，可以科學地揭示流域景觀要素的空間分布及破碎化情況，探究人類活動對其干擾程度并發(fā)現內在規(guī)律，為區(qū)域的水土保持工作和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展服務。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

岔口小流域位于山西省西南部永和縣、隰縣和石樓縣3縣的接壤地帶，地理坐標為東經110°38′01″ ～ 110°50′02″，北緯36°47′26″～ 36°57′14″，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，土壤主要是地帶性褐土、草甸土，流域內溝壑縱橫、梁峁起伏，海拔高程為1023.0 ～ 1415.6 m。流域總面積為126 km2(包括柳溝的面積為131.91 km2)，水土流失面積為113.00 km2，占流域面積的89.89 %，總人口為2559人(截止2013年統(tǒng)計)。流域多年年均溫為8.6℃，年均降雨量為510.90 mm，溫帶大陸性季風氣候明顯。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源

選擇小尺度的岔口小流域作為研究對象，經實地調查與室內地圖數字化，得到2013年岔口小流域景觀類型現狀圖(圖1)，在此基礎上進行景觀格局分析，準確辨識景觀組分類型，進行流域景觀破碎化特征研究?；谥袊恋胤诸悩藴剩⒔Y合流域自身特點，將該流域的景觀分為耕地、園地、林地、草地、居民點、水域6個一級景觀類型，為深入研究其內部的景觀格局，又細分為坡耕地、梯田、溝壩地、溝川地、果園、喬木林、灌木林、疏林地、未成林、高密草、低密草、農村居民點、坑塘水面共13個二級景觀組分類型。

1.2.2 破碎化指數的選取

當前國內外學者對景觀破碎化的分析多基于景觀破碎化指數進行定量分析[8,10～12]。本研究在分析各景觀類型的斑塊數、面積、周長等基本景觀特征的基礎上，通過GIS平臺，運用ARCVIEW 3.3編輯，轉換為柵格圖(柵格單元20×20 m2)，并利用FRAGSTATS 4.0軟件,提取斑塊密度、斑塊平均面積、斑塊面積的標準差、邊界密度、形狀指數、面積加權分維數6個常用的景觀破碎化指數，而斑塊面積(CA)、斑塊數(NP)只作為基礎的統(tǒng)計數據，用以描述景觀類型的基本特征。

(1)斑塊平均面積(AREA_MN)

圖1 2013年岔口小流域景觀組分類型現狀圖Fig.1 The landscape component pattern current map of Cha-kou small watershed in 2013

AREA_MN是各景觀類型斑塊面積的算術平均值，用于描述景觀粒度[8]，在斑塊類型水平上，一般AREA_MN愈小，景觀破碎化程度愈大。它還可以反映豐富的景觀生態(tài)信息，是說明景觀異質性的重要指標。

(2)斑塊面積的標準差(AREA_SD)

單用AREA_MN說明斑塊的平均水平具有局限性，各個斑塊面積的變異程度會影響平均值的代表強度，而AREA_SD可以彌補這一劣勢，其大小可以反映景觀斑塊間規(guī)模的差異程度。

式中，aij表示景觀中第i類景觀類型,斑塊中第j個斑塊的面積/m2;ni表示第i類景觀類型的斑塊總數。

(3)斑塊密度(PD)

PD通?？捎嬎惆邏K個數與整個研究區(qū)面積的比例，也可計算各景觀類型斑塊個數與其面積之比。某一類型在景觀上的斑塊密度(亦稱孔隙度)，揭示出景觀基質被類型斑塊分割的程度，對生物保護、物質和能量分布具有重要影響[9,10]。本文采用后者，PD值愈大，破碎化程度愈高[11]。指標可以比較各景觀類型及整個景觀的破碎化程度，但只能做橫向比較，需其他指標輔助。

(4)邊界密度(ED)

ED是景觀邊界長度與景觀面積之比，它是衡量一個景觀類型單位面積所擁有的邊界長度,揭示出一個景觀類型的斑塊邊界對整個景觀的影響程度[10]。本研究采用各景觀類型的邊界長度與其面積之比表示，ED值大,表明單位面積上景觀類型擁有的邊界長度大，反映了該類型被邊界分割程度高、完存性差，連通性差，布局越分散[12]，破碎化程度也高[11]。

(5)形狀指數(LSI)

式中,ei表示第i類景觀類型的邊界長度；minei表示由相同數量和形狀的斑塊組成的第i類景觀類型的最小邊界長度，它是反映景觀類型內部斑塊的組合狀況以及與外部其他景觀類型組合分布的復雜程度[13]。LSI大表明這一景觀類型的內部組合復雜，與外部景觀類型嵌合度高，斑塊分散性強[12]。

(6)面積加權分維數(FRAC_AM)

分維法被廣泛應用在生態(tài)格局分析中[12]，該指標綜合了景觀類型中各斑塊個數、面積、周長等特征[13]，可以反映景觀類型的邊界褶皺程度。它的取值介于[1,2]，在二維空間的研究中，值趨向于1，表明景觀類型形狀越規(guī)則，趨向于2則形狀越褶皺。

2 結果與分析

2.1 景觀組分類型的整體特征分析

本流域共有13個景觀組分類型，總有3253個斑塊，各景觀類型的斑塊數、面積及周長分布不均衡(表1)。在這13個景觀組分類型中，耕地有4個類型，它的斑塊數最多(1590 #)，面積為25.08 km2，占全流域的19.95 %；林地類型有4個，斑塊個數為736，它的面積最大(50.4748 km2)，占流域的40.15 %，是該流域最主要的景觀類型，其斑塊的平均面積(0.0686 km2)與斑塊的平均周長(1.54 km)遠高于全流域景觀的均值(0.0386 km2)與(1.12 km )；草地包含2個類型組分，斑塊數(629 #)僅次于耕地、林地居第3位，面積(37.5004 km2)占研究區(qū)范圍的29.83 %，是本流域僅次于林地的最主要的景觀；園地、居民點、水域各有1個景觀組分類型，三者的斑塊數之和、面積之和、周長之和都不及流域景觀的10%。因此，林地、草地和耕地景觀構成了岔口小流域主要景觀格局，其他3類景觀在全流域呈現補丁狀的分布形態(tài)，這是地形、土壤、氣候及人類活動綜合影響的結果。

表1 2013年岔口小流域的景觀組分類型總體特征表

2.2 斑塊面積的破碎化特征分析

AREA_MN可以分析景觀斑塊面積的破碎化程度。由表2可見，喬木林、高密草、疏木林、灌木林和低密草的AREA_MN值依次居于該流域的前5位，受地形及人類活動的干擾多成片分布，連通性好，破碎化程度相對低；其余8個景觀類型的AREA_MN值都不及平均值(0.0386 km2)，溝壩地值最小(0.0062 km2)，以溝壩地為代表的耕地、園地、居民點、水域景觀的分割程度及細碎化程度要大于林地和草地景觀。

表2 2013年岔口小流域的景觀組分類型破碎化指數統(tǒng)計表

喬木林的AREA_SD值(0.5741 km2)居于首位，表明流域內喬木林多連片分布，但是局部地區(qū)受限于地形仍存在獨立分布的喬木林，使得喬木林的斑塊規(guī)模內部差異程度大，這種分布在其余3個林地類型及2個草地類型也有所體現。而耕地、園地、居民點、水域景觀的AREA_SD值分布相對均勻，都不及0.1000 km2。經實地調查及農戶走訪發(fā)現，耕地、園地斑塊受地形和權屬因素影響多成細小斑塊分布且斑塊間規(guī)模差距小；居民點多分布于山下平坦地形條件下，其建筑構造多為窯洞且為自居，面積小，各家占地面積差異不大；水域景觀多為大型骨干壩防洪蓄水作用的結果，雖分布相對獨立但各骨干壩間蓄水作用差異不大，在其所處溝渠都發(fā)揮很大的作用。

2.3 斑塊密度與邊界密度破碎化特征分析

斑塊密度(PD)與邊界密度(ED)通常相結合用來分析景觀破碎化程度，且兩指標值多呈現相關性[10]。由表2可見，本流域溝壩地的PD值最大(162.12 #·km-2)，其次是農村居民點(97.24 #·km-2)，坑塘水面(74.00 #·km-2)，喬木林和高密草的最小(不足12 #·km-2)。這表明溝壩地、農村居民點、坑塘水面的破碎化程度高；林地、草地的斑塊分布較為集中，內部聚集度高，破碎化度低。溝壩地的ED最大(63.58 km·km-2),喬木林的最小(18.60 km·km-2)。在耕地景觀內部，溝壩地受溝渠地形影響明顯，表現為地塊不規(guī)則、邊界長和地塊面積小的特征，加之流域淤地壩建設及農戶自修田坎等活動，人為分割了地塊，使得其ED值最大；坡耕地分布在坡面上，坡度大，受原始地形影響大，加之水土流失嚴重，形狀完整性差，其ED也相對較大(43.12 km·km-2)；梯田大多經過坡改梯工程，人為活動的干擾使其邊界得到修復，地塊間連通性好，多連片，因此其ED值(38.07 km·km-2)小于溝壩地和坡耕地；而流域內的溝川地CA(1.8568 km2)相對少，且多沿河流成條帶狀分布，人為活動干預小，因此其ED(38.17 km·km-2)與梯田相近。農村居民點和坑塘水面表現為面積極小、獨立分布、連通性很差，其ED(接近于50.00 km·km-2)也較大，破碎化程度強。果園的分布特征與坡耕地相似，其ED(42.80 km·km-2)與坡耕地接近。林地、草地景觀多成片、連通性好于其他4類景觀，其ED明顯低于其他4類景觀。

2.4 景觀類型形狀特征分析

岔口小流域高密草的LSI最大(37.80)，說明高密草與其他各景觀類型的嵌合度高，邊界分散性強，內部團聚性差；而坑塘水面的LSI最小(5.34)，因其單獨分布，內部團聚性強?？傮w上，坑塘水面、農村居民點、溝川地和灌木林這4個景觀類型面積小，斑塊數少，與外部其他景觀嵌合度低，內部團聚性要優(yōu)于其他9個類型。

經分析，梯田、居民點用地、坑塘水面、果園、溝壩地和未成林這6個景觀類型受人類活動干擾，形狀得到人為修復，其FRAC_AM略小于剩余7個景觀類型。從整體上看各景觀的FRAC_AM都不及1.3，流域景觀邊界整體褶皺度小。

3 結論與討論

對岔口小流域進行小尺度的景觀破碎化分析，得到結論：

(1)林地、草地、耕地3類景觀面積最大，占全區(qū)面積的96.15%，是該流域最主要的景觀，決定了整個流域的景觀格局現狀。其中林地的景觀面積高于草地10.32%，這緣于防護林建設、退耕還林工作的開展，新增林基數大，對整個流域景觀格局作用明顯，側面反映出生態(tài)環(huán)境的改善；

(2)分析斑塊的面積特征得出高密草面積最大，對整個流域的景觀格局貢獻最大；喬木林斑塊的平均面積及面積標準差最大，破碎化程度低；耕地、園地、居民點用地、水域4景觀的斑塊內部規(guī)模差距小，但斑塊的平均面積小，被分割程度及細碎化程度要大于林地和草地；

(3)該流域各景觀類型的斑塊密度與邊界密度特征表明，溝壩地的兩密度值都最大，被邊界分割程度高，連通性差，破碎化程度最高；喬木林與高密草值小，空間上連片分布，景觀完存性好。總體上表現為耕地、園地、居民點用地、水域4景觀的斑塊密度及被邊界切割程度大，破碎度高；

(4)該流域整個景觀的平均面積加權分維數為1.18，趨向于1，表明該流域景觀邊界褶皺度低。

鑒于上述結論，岔口小流域應調整土地利用方式，發(fā)展農業(yè)規(guī)模化經營[14]，提高耕作效率[12]；開展坡改梯工程，調整地塊大小、形狀，整合地塊， 整修山間道路，提高地塊間的連通性，降低其破碎性；加強淤地壩的監(jiān)測與維修，繼續(xù)發(fā)揮防洪、蓄水作用；充分改造和利用草地，植樹造林，提高其生態(tài)效益，同時加強原有林區(qū)的保護，為該流域生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善創(chuàng)造條件。

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