砒砂巖區(qū)種植沙棘后景觀生態(tài)格局綜合評(píng)價(jià)

胡建忠

（水利部 水土保持植物開(kāi)發(fā)管理中心，100038北京）

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

景觀生態(tài)評(píng)價(jià)是景觀生態(tài)學(xué)研究的基本內(nèi)容。以景觀生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，重點(diǎn)對(duì)工程實(shí)施前一年（1998年）、中期（2003年）、最后一年（2008年）3個(gè)控制年份，通過(guò)專用軟件，分類型統(tǒng)計(jì)各砒砂巖區(qū)種植沙棘（Hippophaerhamnoides）后不同時(shí)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(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行景觀生態(tài)綜合評(píng)價(jià)。

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(gè)類型區(qū)。區(qū)域總面積為1.97萬(wàn)km2，主要分布在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的東勝、準(zhǔn)旗、伊旗、達(dá)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(fēng)速2～4 m／s，全年≥8級(jí)大風(fēng)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(jí)支流，北坡發(fā)育了穿越庫(kù)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(wàn) m3／（km2·a），年徑流量約22.4億 m3；輸沙模數(shù)1.1萬(wàn)t／（km2·a），年輸沙量3.5億t，粗砂含量達(dá)80%。

地表物質(zhì)以砒砂巖、黃土、紅土和風(fēng)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(fēng)積沙為母質(zhì)的風(fēng)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(dá)烏里胡枝子（Lespedezadahurica）群系所代替。人工植被主要有油松（Pinustabulaeformis）、楊樹(shù)（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(shí)施的3個(gè)控制性年份，即1998年（前－年）、2003年（中）和2008年（末）3個(gè)時(shí)期Landsat TM／ETM＋遙感影像為主要數(shù)據(jù)來(lái)源，輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)沙棘造林?jǐn)?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(jì)數(shù)據(jù)等。

2.2 計(jì)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(gè)指標(biāo)［2］，借助于大型統(tǒng)計(jì)分析軟件包STATISTICS 7.0中的主成分分析，同時(shí)依據(jù)這一分析結(jié)果，進(jìn)一步應(yīng)用空間系統(tǒng)聚類分析方法，選用組內(nèi)連接法（對(duì)距離的測(cè)度方法采用歐氏距離平方），進(jìn)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(jié)果與生態(tài)環(huán)境控制因子復(fù)合疊加，從而得出景觀生態(tài)評(píng)價(jià)類型［3－7］。

3 結(jié)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(píng)價(jià)

利用前述9個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行主成分分析的結(jié)果列于表1；9個(gè)指標(biāo)與前4個(gè)主成分間的關(guān)系列于表2，各指標(biāo)與各主成分特征向量間的關(guān)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(xiàn)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(shuō)明，第1、第2主成分累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到86.91%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達(dá)到94.66%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達(dá)到98.96%，而第5到第7主成分所包含的百分?jǐn)?shù)很?。ū碇惺÷粤说?、第9主成分，其數(shù)值更小）。

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(guān)，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(jiàn)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(fù)相關(guān)；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(guān)，與聚集度指數(shù)呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)，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(guān)，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(guān)，這兩個(gè)要素與景觀類型規(guī)模有關(guān)，在一定程度上反映景觀組成和結(jié)構(gòu)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(gè)主成分進(jìn)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(fù)合疊加分析進(jìn)行景觀生態(tài)分類，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 砒砂巖區(qū)各景觀類型異質(zhì)性評(píng)價(jià)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(jié)果每一景觀生態(tài)類別進(jìn)行多因子復(fù)合疊加分析，得出更進(jìn)一步的景觀生態(tài)異質(zhì)性綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)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(gè)類型，但其斑塊規(guī)模相差懸殊，形狀相對(duì)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(fù)雜多變；從動(dòng)態(tài)變化來(lái)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(jìn)程的加速和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，人類的干擾活動(dòng)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(gè)區(qū)域，容易受到人類的干擾，形狀指數(shù)較小且形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，破碎程度較大；但林地呈團(tuán)聚分布，其格局對(duì)整體景觀的貢獻(xiàn)較大，對(duì)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(duì)規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說(shuō)明其斑塊相對(duì)完整。由于該類型對(duì)地域的分布具有較強(qiáng)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(shì)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(guò)渡，一旦植被遭到破壞，這種潛在的脆弱性就會(huì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)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(zāi)害，造成生物多樣性的喪失等嚴(yán)重后果。因此，為了維護(hù)區(qū)域景觀生態(tài)的穩(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該類型的保護(hù)。

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(gòu)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(dāng)?shù)鼐幼〉娜丝跀?shù)量及經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度有關(guān)。

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(píng)價(jià)

同控制初年，利用前述9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析的結(jié)果列于表4；9個(gè)指標(biāo)與前4個(gè)主成分間的關(guān)系列于表5；各指標(biāo)與各主成分特征向量間的關(guān)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(xiàn)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(shuō)明，第1、第2主成分累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到88.22%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達(dá)到99.78%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達(dá)到99.91%，而第5到第7主成分所包含的百分?jǐn)?shù)很?。ū碇形戳兄鞒煞指〉牡?、第9主成分）。

提取前4個(gè)主成分進(jìn)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(fù)合疊加分析進(jìn)行景觀生態(tài)分類，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 砒砂巖區(qū)（2003年）各景觀類型異質(zhì)性評(píng)價(jià)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(duì)簡(jiǎn)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(fù)雜多變。

第2類為林地。林地面積增加較大，形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，景觀也較破碎，但仍呈團(tuán)聚分布，從動(dòng)態(tài)變化角度分析，面積增加顯著，對(duì)區(qū)域景觀格局具有明顯影響，今后對(duì)林地景觀的建設(shè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)。

第3類為水域。形狀指數(shù)小，斑塊形狀相對(duì)規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說(shuō)明其斑塊相對(duì)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(shì)條件決定的，也在該控制年份基本上構(gòu)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(píng)價(jià)

同前所述，利用9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析的結(jié)果列于表7；9個(gè)指標(biāo)與前4個(gè)主成分間的關(guān)系列于表8；各指標(biāo)與各主成分特征向量間的關(guān)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(xiàn)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(shuō)明，第1、第2主成分累積百分?jǐn)?shù)達(dá)到99.49%，第1、第2、第3主成分累積百分比數(shù)達(dá)到99.90%，第1、第2、第3和第4主成分累積百分比數(shù)達(dá)到99.98%，而第5到第7主成分所包含的百分?jǐn)?shù)很小（表中未列主成分更小的第8、第9主成分）。

提取前4個(gè)主成分進(jìn)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(fù)合疊加分析進(jìn)行景觀生態(tài)分類，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 砒砂巖區(qū)（2008年）各景觀類型異質(zhì)性評(píng)價(jià)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(fù)雜多變，但由于人類干擾活動(dòng)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(jié)構(gòu)有較大變化，功能降低，恢復(fù)困難。

第2類為林地。林地面積增加較大，形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，斑塊規(guī)模以小斑塊為主，景觀也較破碎；但仍呈團(tuán)聚分布，從動(dòng)態(tài)變化角度分析，面積增加顯著，對(duì)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(jié)構(gòu)尚完整，功能較強(qiáng)，今后對(duì)林地的建設(shè)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，繼續(xù)開(kāi)展人工造林，增加區(qū)域植被覆蓋率，以減緩沙區(qū)的擴(kuò)展和水土流失，保證區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，以保障當(dāng)?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(duì)規(guī)則，破碎化指數(shù)和連接度指數(shù)都較小，說(shuō)明其斑塊相對(duì)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(jié)構(gòu)完整，功能很強(qiáng)，但總體看10 a間面積呈減小的趨勢(shì)。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(shè)過(guò)程中要注意保護(hù)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(shì)條件決定的，構(gòu)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(fù)，從動(dòng)態(tài)變化角度來(lái)看，稀疏植被面積增加了11%，說(shuō)明其擴(kuò)展速度較快，也同時(shí)說(shuō)明了區(qū)域生態(tài)環(huán)境在向著好的方向發(fā)展的趨勢(shì)。沙棘變化最為顯著，面積增加68%，沙棘生態(tài)工程建設(shè)對(duì)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(dòng)態(tài)變化顯示，沙棘生態(tài)建設(shè)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(lái)進(jìn)一步的人工改造和干擾會(huì)使得這兩類景觀進(jìn)一步退縮，區(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步好轉(zhuǎn)。

與控制中年（2003年）相比，兩者分類結(jié)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(shí)施沙棘生態(tài)工程的主要目的所在。

4 結(jié)論

（1）在大規(guī)模開(kāi)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(jié)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(jié)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(shí)施沙棘生態(tài)工程的主要目的所在。

（4）通過(guò)3個(gè)時(shí)期主成分分析和聚類分析的過(guò)程，從脈絡(luò)中可以把握種植沙棘等生態(tài)工程。通過(guò)生態(tài)工程建設(shè)，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(zhuǎn)化。生態(tài)建設(shè)工程正在構(gòu)建著砒砂巖區(qū)的綠色本底，一個(gè)具水土保持、防風(fēng)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(shè)。

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