景觀生態(tài)學(xué)原理在水土保持中的應(yīng)用

高志峰，趙鵬宇

（1.忻州師范學(xué)院 專(zhuān)科部；2.忻州師范學(xué)院 地理系，山西 忻州 034000）

景觀生態(tài)學(xué)原理在水土保持中的應(yīng)用

高志峰1，趙鵬宇2

（1.忻州師范學(xué)院 專(zhuān)科部；2.忻州師范學(xué)院 地理系，山西 忻州 034000）

本文研究景觀生態(tài)學(xué)在水土保持中的應(yīng)用，希望通過(guò)借鑒景觀生態(tài)學(xué)原理，從整體出發(fā)，考慮各種生態(tài)因子，探討土地利用、土壤侵蝕學(xué)、水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等的景觀生態(tài)學(xué)本質(zhì)，對(duì)于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生物多樣性保護(hù)等方面具有重要指導(dǎo)意義.

景觀生態(tài)學(xué)；土壤侵蝕；水土流失監(jiān)測(cè)

景觀生態(tài)學(xué)是一門(mén)新興的、正在深入開(kāi)拓與迅速發(fā)展的學(xué)科，與傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)相比，更強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性、等級(jí)結(jié)構(gòu)與尺度在研究生態(tài)格局與過(guò)程中的重要性，以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，尤其突出了空間結(jié)構(gòu)與生態(tài)過(guò)程在多個(gè)尺度上的相互作用[1].水土流失是人們關(guān)注的主要陸地生態(tài)過(guò)程之一，目前研究景觀格局與水土流失時(shí)，更多的是利用小區(qū)的觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)推斷大尺度上景觀（土地利用）格局對(duì)水土流失的影響，但許多研究表明，隨著尺度增加，水土流失的發(fā)生機(jī)制會(huì)發(fā)生明顯的改變.近年來(lái)，景觀生態(tài)學(xué)理論作為一種方法體系，用來(lái)指導(dǎo)水土保持工作，是景觀生態(tài)學(xué)應(yīng)用方面比較活躍的領(lǐng)域.

1 土地利用對(duì)景觀結(jié)構(gòu)和功能的影響

土地利用影響景觀格局的變化，進(jìn)而導(dǎo)致景觀功能的動(dòng)態(tài)變化.應(yīng)用遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行景觀結(jié)構(gòu)和功能變化的研究是當(dāng)前景觀分析的主流方法.RS作為土地利用和景觀的數(shù)據(jù)源，GIS作為分析處理數(shù)據(jù)的平臺(tái)，統(tǒng)計(jì)分析用以尋找土地利用與景觀變化之間的關(guān)系.通過(guò)土地利用對(duì)景觀變化的影響分析來(lái)預(yù)測(cè)景觀未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是當(dāng)前景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn).土地利用中最劇烈的變化是交通和建設(shè)用地的擴(kuò)張，有研究表明，建設(shè)用地和未利用土地增加，會(huì)使耕地面積減少，同時(shí)景觀破碎化程度加劇.這些都從定量的角度描述了景觀的變化，但缺乏在人力驅(qū)動(dòng)和景觀格局之間建立定量關(guān)系，缺乏未來(lái)景觀發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè).

土地整理中景觀生態(tài)學(xué)理論的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：利用景觀生態(tài)學(xué)的原理研究土地整理空間格局，分析生態(tài)狀況，研究環(huán)境和生態(tài)因子對(duì)土地利用布局的影響.

國(guó)外研究者們重視土地利用對(duì)景觀格局的影響，同時(shí)，他們還認(rèn)為景觀屬性及地形地貌和地質(zhì)沉積物也是影響景觀格局的重要因素，它們可作為限制性因子存在而不是驅(qū)動(dòng)力.國(guó)外在努力克服的缺陷就是土地利用驅(qū)動(dòng)的景觀格局變化偏重在過(guò)程的分析，而且景觀生態(tài)這種宏觀分析掩蓋的一些非常重要但細(xì)微的特征.土地利用驅(qū)動(dòng)下的景觀要素轉(zhuǎn)化，目前還流行的一種方法就是定量描述景觀中基質(zhì)、斑塊和廊道間的相互轉(zhuǎn)化情況，可以通過(guò)采用生態(tài)學(xué)中的馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣模型來(lái)進(jìn)一步反映.

2 景觀生態(tài)學(xué)原理及其在土壤侵蝕學(xué)中的應(yīng)用

景觀生態(tài)學(xué)原理開(kāi)始運(yùn)用于土壤侵蝕學(xué)中.目前對(duì)土壤侵蝕的研究多集中在坡面尺度，但是土壤侵蝕在小尺度上的研究只可以摸清其機(jī)制，而在大尺度的研究中才可以找出治理的對(duì)策.而應(yīng)該從景觀水平上綜合考慮，從中找出主要的生態(tài)因子，討論影響水土流失的眾多因素.從整體出發(fā)，考慮各種生態(tài)因子，完善土壤侵蝕學(xué)在宏觀尺度上研究的不足.

2.1 等級(jí)理論和尺度效應(yīng)

等級(jí)是一個(gè)由若干單元構(gòu)成的有序系統(tǒng)，每一級(jí)組成單元相對(duì)于低層次表現(xiàn)出整體特性，而對(duì)于高層次表現(xiàn)出從屬性或受制約性.根據(jù)等級(jí)理論，復(fù)雜系統(tǒng)可以看作是由具有離散性等級(jí)層次組成的等級(jí)系統(tǒng)[2].對(duì)于土壤侵蝕研究來(lái)說(shuō)，坡面尺度、流域尺度、區(qū)域尺度是研究的三個(gè)主要等級(jí).在坡面尺度上，對(duì)土壤侵蝕的研究主要集中在降雨因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長(zhǎng)因子、作物經(jīng)營(yíng)管理因子和土壤侵蝕控制措施因子.而在流域尺度，主要的研究集中在植被覆蓋度因子和土地利用因子，但是大多是統(tǒng)計(jì)和規(guī)律分析，對(duì)于它們的影響機(jī)制涉及的比較少.從流域角度看，土地利用是一個(gè)很好的研究對(duì)象.因?yàn)樗旅娉叨壬献魑锝?jīng)營(yíng)管理和土壤侵蝕控制措施因子，而且它由于受人為因素影響嚴(yán)重，因此給土壤侵蝕賦予了人類(lèi)影響的因素，符合目前人為加劇侵蝕的現(xiàn)狀.但是對(duì)土地利用的研究應(yīng)加強(qiáng)以下兩個(gè)方面，一是加強(qiáng)對(duì)機(jī)制的研究，用模型或較為通用的方法加強(qiáng)定量研究.二是加強(qiáng)區(qū)域間的對(duì)比研究.區(qū)域間的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系的對(duì)比研究除了要考慮土地利用格局的差異，還要考慮降雨、土壤、地貌等綜合因素.盡管這樣的研究存在一定的難度，但具有較高的研究?jī)r(jià)值[3，4].

2.2 滲透理論和源匯系統(tǒng)理論

土壤侵蝕是一種水流和土流的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這種運(yùn)動(dòng)往往會(huì)因?yàn)榈孛嫖镔|(zhì)而改變，或加劇或減緩.由于土壤侵蝕是一種重力運(yùn)動(dòng)，因此相對(duì)高差在決定運(yùn)動(dòng)速度和方向上起著絕對(duì)作用.因此土地利用格局可以在一定程度上改變土壤侵蝕的程度，尤其是在等高方向和順坡方向的格局特征，對(duì)于判斷土地利用格局對(duì)土壤侵蝕的作用有重要意義.土地利用格局中的一些帶狀斑塊對(duì)土壤侵蝕起著 “滲透膜”的作用，當(dāng)這些斑塊的阻礙作用達(dá)到一定程度后，就能阻止土壤侵蝕，淤地壩就是應(yīng)用了這一原理，使壩前地不斷淤積，最終形成良田.

2.3 格局過(guò)程關(guān)系理論

景觀格局一般是指其空間格局，即大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合，包括景觀組成單元的類(lèi)型、數(shù)目及空間分布與配置.景觀格局與土壤侵蝕過(guò)程的研究往往體現(xiàn)在土地利用格局對(duì)土壤侵蝕的影響上.土地利用格局對(duì)土壤侵蝕的影響往往表現(xiàn)在三個(gè)方面.一是不同斑塊大小，包括不同類(lèi)型斑塊面積所占比例和每類(lèi)斑塊破碎度；二是斑塊的形狀，由于不同斑塊對(duì)于土壤侵蝕的功能不同，因此不同斑塊的不同形狀對(duì)于土壤侵蝕都有不同的意義.比如沿等高方向的林地帶狀斑塊對(duì)土壤侵蝕有阻礙作用，而順坡方向的耕地斑塊對(duì)土壤侵蝕則有加劇作用；三是斑塊的排列順序，尤其是在沿坡面方向土地利用類(lèi)型的排列順序不同，對(duì)土壤侵蝕的影響也不同.對(duì)于景觀格局的數(shù)量表示方法目前有很多種，但專(zhuān)門(mén)針對(duì)土壤侵蝕的還比較缺乏.針對(duì)土壤侵蝕的景觀格局指數(shù)的確立要依據(jù)土壤侵蝕發(fā)生的機(jī)制和影響因素.[5,6]

3 景觀格局分析法在水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)反映景觀中類(lèi)型的多樣性.多樣性指數(shù)采用信息論的Shanon-Weaner指數(shù)來(lái)表示.其計(jì)算公式為：

式中：H—多樣性指數(shù)；Pi—斑塊i占景觀總面積的比例；m—斑塊種類(lèi)數(shù)[7].

例如，若兩個(gè)時(shí)期的多樣性指數(shù)增加，說(shuō)明景觀異質(zhì)化程度在增高，景觀類(lèi)型所占面積在減小.分析不同景觀要素的變化，可指示出水土流失的變化趨勢(shì).如果監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)若干年前主要由草地控制，而監(jiān)測(cè)當(dāng)年主要由侵蝕斑塊控制，這就說(shuō)明監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)水土流失正在加劇.分析和了解加劇的原因，即找到造成這種情況的根源.

3.2 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)

優(yōu)勢(shì)度指數(shù)計(jì)測(cè)景觀中一種或幾種景觀類(lèi)型支配景觀的程度，

式中：D—優(yōu)勢(shì)度指數(shù)：Pi—斑塊i的景觀比例：m—斑塊的種類(lèi)：

Hmax—監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)各類(lèi)景觀所占比例相等時(shí)，景觀擁有的最大多樣性指數(shù).支配能力較弱景觀類(lèi)型的影響在增強(qiáng)，而對(duì)景觀類(lèi)型起控制作用的景觀類(lèi)型的影響在減弱.這與多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的分析結(jié)果應(yīng)該是一致的.假如侵蝕斑塊的均勻度指數(shù)在監(jiān)測(cè)當(dāng)年與若干年前變化不大，也可揭示出其向均勻化發(fā)展的趨勢(shì).

3.3 均勻度指數(shù)

均勻度指數(shù)是描述景觀中不同景觀類(lèi)型分配均勻程度， 其計(jì)算公式為：

式中：E—均勻度指數(shù)：H—Simpson修正的指數(shù).

3.4 馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣模型

馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣模型在景觀格局上的應(yīng)用，關(guān)鍵是轉(zhuǎn)化概率的確定問(wèn)題.有研究表明，轉(zhuǎn)化概率可通過(guò)不同區(qū)段時(shí)間內(nèi)斑塊的平均年轉(zhuǎn)化概率作為矩陣中的元素，則轉(zhuǎn)移矩陣模型

式中：Pij為斑塊i向斑塊j的轉(zhuǎn)化速率[8].對(duì)比不同歷史時(shí)期航片或衛(wèi)片，利用馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣模型，不僅能說(shuō)明不同程度水土流失土地之間相互轉(zhuǎn)化的狀況，而且能用來(lái)分析水土流失土地與其它景觀要素（農(nóng)地、草灌地、林地等）之間的轉(zhuǎn)化情況來(lái)揭示它們之間的轉(zhuǎn)移速率.分析若干年前和監(jiān)測(cè)當(dāng)年監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)景觀類(lèi)型之間的相互變化，結(jié)果表明造成侵蝕景觀發(fā)展的原因是多方面的，有自然因素，也有人為因素.這就要視具體情況具體分析.自然因素如滑坡、泥石流、崩塌、陷穴、瀉溜等，人為因素如過(guò)度放牧、濫采、濫挖、修建公路、開(kāi)礦等.從而提出有效的保護(hù)措施和必要治理的途徑，并為水土保持監(jiān)督執(zhí)法提供依據(jù).

景觀分析方法在水土流失監(jiān)測(cè)上具有廣闊的應(yīng)用空間，輔以“3S”技術(shù)，更加突出了它動(dòng)態(tài)、即時(shí)、靈活的綜合分析的特點(diǎn).景觀系統(tǒng)分析的理論和方法均在發(fā)展之中，還有許多技術(shù)問(wèn)題尚需解決[9,10].

4 小結(jié)

景觀生態(tài)學(xué)以綜合、整體的思想審視生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和變化，為人類(lèi)成功地解決所面臨的水土流失問(wèn)題提供了新的理論和方法，水土保持中應(yīng)用景觀格局特征，如何根據(jù)氣候、地貌、水資源和土壤因素以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素，合理地配置景觀要素，以達(dá)到景觀結(jié)構(gòu)與功能的最優(yōu)化，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境與發(fā)揮流域土地生產(chǎn)潛力的重要途徑.

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S157

A

1673-260X（2012）01-0032-02

2011年山西省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2011041020-02）