官司河流域土地覆被景觀穩(wěn)定性及其環(huán)境效應(yīng)

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)研究的一個復(fù)雜而又非常重要的內(nèi)容，但目前國內(nèi)外對景觀穩(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個方面的內(nèi)涵，對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)；對于受環(huán)境因子正常波動干擾的系統(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)定性是相對的，而變異是絕對的，它是由區(qū)域自然變化過程和人類活動共同決定的。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)潛力等方面對官司河流域進(jìn)行了定量化研究［11－15］，但缺乏對流域從景觀穩(wěn)定性角度的評價研究。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個不同時期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、野外實地調(diào)查及相關(guān)的各種統(tǒng)計圖件作為數(shù)據(jù)源，結(jié)合研究區(qū)實際，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。不論是絕對密度還是相對密度，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)組分的相對密度變化率；Di——第i類景觀組分的相對密度；Di1，Di2——第i類景觀組分初期和末期的相對密度；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，兩個時段變化相對較小，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)定性兩個方面來分析得出，中小尺度的柏木林地及馬尾松林地對整個區(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；

（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；

（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；

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?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，為整個流域景觀的基質(zhì)，林地組分次之，這與流域為典型農(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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