劉家峽庫區(qū)景觀空間格局分析

景凌云，何有華，張新民，吳玉峰，孫浩峰，張曉虹，陸惠萍，金毅

(1.甘肅省水土保持科學研究所，730020，蘭州;2.蘭州大學資源環(huán)境學院，730000，蘭州)

劉家峽庫區(qū)景觀空間格局分析

景凌云1，2，何有華1，張新民1，吳玉峰1，孫浩峰1，張曉虹1，陸惠萍1，金毅1

(1.甘肅省水土保持科學研究所，730020，蘭州;2.蘭州大學資源環(huán)境學院，730000，蘭州)

摘要：為了給研究區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局及生態(tài)恢復方案提供依據(jù)，以劉家峽庫區(qū)北部東鄉(xiāng)縣典型小流域碾子溝和庫區(qū)南部積石山縣典型小流域三坪溝為研究對象，采用野外調(diào)查和遙感解譯的方法，利用ArcGIS、ArcView等軟件對航攝地形圖進行目視解譯，分析土地利用結構、人工干擾方式和強度等對景觀空間格局的影響特征。結果表明：1)庫區(qū)南北景觀基質均為未利用土地(主要指荒溝荒坡)，土地利用難度大;2)庫區(qū)北部景觀斑塊特征較南部復雜，南部較北部更適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn);3)庫區(qū)南部景觀多樣性較北部高，景觀類型豐富，而庫區(qū)北部由于降水少，景觀總體受人類活動干擾小，連通性高;4)在土地利用結構和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整方面，庫區(qū)南部應以加強復合生態(tài)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)為主，北部應加強陡坡退耕種草、農(nóng)牧業(yè)協(xié)同發(fā)展，并實行封育保護，促進生態(tài)環(huán)境恢復。

關鍵詞：景觀格局;景觀類型;景觀指數(shù);劉家峽庫區(qū)

現(xiàn)代景觀生態(tài)學(Landscape Ecology)是一門新興的、正在深入開拓和迅速發(fā)展的學科［1］。景觀生態(tài)學研究的3大核心內(nèi)容是景觀格局、景觀功能和景觀變化［2］。景觀格局(Landscape Pattern)即景觀空間格局，廣義包括景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置［3］，是自然或人為形成的一系列大小形狀各異、排列不同的景觀要素共同作用的結果，是各種復雜的物理、生物和社會因子相互作用的結果［4］。景觀斑塊形狀的復雜程度、大小、數(shù)量、空間組合影響著生物物種的分布、動物的運動、徑流和侵蝕以及相應的邊緣效應［5］，亦即影響著土地生產(chǎn)力和生態(tài)結構及生態(tài)功能。陳利頂?shù)龋?］利用土地利用現(xiàn)狀圖對山東省東營市土地利用格局進行了分析，應用景觀多樣性、優(yōu)勢度、破碎度和分離度指標，分析了人類活動與景觀結構之間的關系。盧玲等［7］分析了黑河流域中游地區(qū)近20年間景觀結構的變化。丁圣彥等［8］利用景觀指數(shù)分析了近20年來伊洛河流域典型地區(qū)的土地覆被與森林景觀格局的動態(tài)變化。對劉家峽庫區(qū)景觀空間格局的分析有助于研究本區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的合理布局及生態(tài)恢復方案的制訂。

1 研究區(qū)概況

劉家峽庫區(qū)位于黃河中上游的甘肅臨夏回族自治州境內(nèi)。研究范圍以水庫為中心，選擇庫區(qū)周圍的12個小流域為研究范圍，總面積854.80 km2。庫區(qū)南部和北部地貌類型分屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)第四副區(qū)和第五副區(qū)，氣候類型分屬隴中南部冷溫帶半濕潤區(qū)和隴中北部冷溫帶半干旱區(qū)，降水量南部積石山境內(nèi)為550mm，北部東鄉(xiāng)境內(nèi)為385mm，區(qū)域內(nèi)溝壑縱橫、溝梁交錯，地形破碎，水土流失嚴重。庫區(qū)自然植被種類以旱生的灌叢、草本為主，種類貧乏，蓋度低，植被分布的垂直地帶性差異不明顯，但從南至北，隨著降水量的減少，植被分布具有明顯的水平地帶性差異。人口密度南部積石山為262人/km2，北部東鄉(xiāng)為 142 人/km2［9-10］。

2 研究方法

利用1∶1萬航攝地形圖，結合臨夏回族自治州行政區(qū)劃圖，在ArcGIS、ArcView等軟件的支持下，采用野外調(diào)查和遙感解譯的方法，建立小流域土地利用現(xiàn)狀信息庫。

2.1 景觀類型的選取

景觀類型的劃分采用土地利用現(xiàn)狀類型［11-12］，結合研究區(qū)特點和研究目的，在確定的研究范圍內(nèi)，分別選擇對庫區(qū)南北具有代表性的2個典型小流域為重點研究對象，南部選擇積石山縣境內(nèi)的三坪溝小流域，北部選擇東鄉(xiāng)縣境內(nèi)的碾子溝小流域，并將典型流域內(nèi)土地利用劃分為耕地、林地、人工草地、未利用土地(主要指荒溝荒坡)、水域、村莊、道路7種景觀類型。各景觀類型面積占流域總面積的比例見表1。

2.2 景觀格局分析指標

2.2.1 平均斑塊面積Ss與平均斑塊周長Le面積和周長是最基本的空間特征，計算其他空間特征指標的基礎。從生物學角度，斑塊大小直接影響能量和營養(yǎng)的分配、物種的數(shù)量和組成。

表1 不同景觀類型用地面積及比例Tab．1 Area and proportion of different landscape type

2.2.2 斑塊形狀指數(shù)Is在相同周長情況下，圓形面積最大。將斑塊周長與同面積圓的周長之比定義為斑塊形狀指數(shù)Is，越接近于1.0，斑塊圓度越好。

2.2.3 斑塊便耕系數(shù)Al對耕地斑塊，斑塊圓度的好壞并不能直接說明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是否便于耕作，為此，引入斑塊便耕系數(shù)Al予以說明斑塊耕作的難易程度。

式中：L為斑塊周長;L*為相同面積理想耕作形狀斑塊周長，將長寬比按1.7∶1設置的長方形斑塊假定為理想耕作形狀［13］。

斑塊便耕系數(shù)越接近于1，說明耕作越方便;反之，若越偏離于1，說明耕作難度越大。

2.2.4 斑塊分維數(shù)Fd常用來測定斑塊形狀的復雜程度。在分維幾何中斑塊的分維數(shù)采用周長與面積之間的關系進行計算。

式中：Fd為分維數(shù)，理論值范圍為1.0～2.0，1.0表示形狀最簡單的正方形斑塊，2.0表示等面積下周邊最復雜的斑塊。

2.2.5 景觀多樣性指數(shù)Ldi景觀多樣性指數(shù)是指景觀在結構、功能以及隨時間變化方面的多樣性，是用來度量景觀組成復雜程度的指數(shù)，景觀多樣性包括類型多樣性、格局多樣性和斑塊多樣性［14］。根據(jù)信息論原理，參照Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，景觀多樣性可表示為

式中：Ldi為景觀多樣性指數(shù);Pi為景觀類型i所占面積的比例;n為土地利用景觀類型的數(shù)目。H值越大，表示景觀多樣性越高。

2.2.6 景觀破碎度指數(shù)Lpi景觀破碎度指數(shù)是用來描述景觀的破碎化程度，該值越大，景觀破碎化程度越高，公式［15］為

式中：Lpi為景觀破碎度;N為被測景觀中的斑塊總數(shù);C為研究區(qū)內(nèi)景觀的總面積與最小斑塊面積的比值。

2.2.7 景觀優(yōu)勢度指數(shù)Lai景觀優(yōu)勢度指數(shù)是表示景觀多樣性與最大多樣性的偏離程度，或描述景觀結構中一種或幾種景觀類型支配整體景觀的程度［15］。優(yōu)勢度指數(shù)越大，表明偏離程度越大，即組成景觀各景觀類型所占比例差異越大，或者說某一種或少數(shù)幾種景觀類型占優(yōu)勢;優(yōu)勢度小則表明偏離程度小，即組成景觀的各種景觀類型所占比例大致相當;優(yōu)勢度為零，表示組成景觀的各種景觀類型所占比例相等，景觀完全均質，即由一種景觀類型組成。公式為

式中：Lmax為最大多樣性指數(shù);n為景觀類型總數(shù)，表明研究區(qū)各類型景觀所占比例相等時，景觀具有最大的多樣性指數(shù)。

3 結果與分析

依據(jù)各景觀指標計算公式，得到了三坪溝、碾子溝小流域的各景觀指數(shù)，詳見表2、3、4。

表2 三坪溝、碾子溝流域景觀類型斑塊基本特征指數(shù)Tab．2 Patch characteristics basic indices of landscape types of Sanpingou and Nianzigou watershed

表3 三坪溝、碾子溝流域景觀類型斑塊特征指數(shù)Tab．3 Patch characteristics indices of landscape types of Sanpingou and Nianzigou watershed

表4 三坪溝、碾子溝流域景觀空間構型指數(shù)Tab．4 Indices of landscape spatial structure of Sanpingou and Nianzigou watershed

3.1 景觀類型斑塊基本特征指數(shù)分析

景觀斑塊基本特征指數(shù)是景觀格局分析的基礎，同時受自然環(huán)境和人為因子的制約，具有重要的生態(tài)意義。從表1可以看出：庫區(qū)南部和北部均由未利用土地(主要指荒溝荒坡)對景觀起著支配作用，即庫區(qū)景觀基質均為未利用土地(主要指荒溝荒坡)，人工化的景觀貧乏;但北部的基質對景觀起到絕對控制作用，占到景觀結構的將近60%，南部基質的控制作用相對較弱。

3.2 景觀類型斑塊特征指數(shù)分析

3.2.1 斑塊形狀指數(shù) 斑塊形狀取決于自然地貌的平面形態(tài)。形狀指數(shù)計算的結果是2類代表小流域未利用土地(主要指荒溝荒坡)的形狀指數(shù)均＞2，斑塊圓度差，形狀復雜，這些斑塊大都臨近水庫岸邊。碾子溝流域除林地、村莊、道路景觀形狀指數(shù)低于三坪溝外，其余景觀形狀指數(shù)均高于三坪溝流域。說明主要受自然因素的影響，庫區(qū)北部丘五區(qū)碾子溝小流域景觀類型斑塊形狀復雜程度高于庫區(qū)南部丘四區(qū)三坪溝小流域。

3.2.2 斑塊分維數(shù) 分維數(shù)大小反映了人類活動對景觀的影響，一般介于1～2之間。分維數(shù)越接近于1，斑塊的自相似性越強，形狀也越有規(guī)律。碾子溝流域耕地、人工草地分維數(shù)高于三坪溝流域，說明碾子溝流域耕地、人工草地的斑塊邊界較復雜，受人類活動的影響較小，與庫區(qū)人口分布特征相一致。

3.2.3 斑塊便耕系數(shù) 便耕系數(shù)可大致反映耕地斑塊在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕作的難易程度。庫區(qū)南部丘四區(qū)代表小流域三坪溝耕地斑塊便耕系數(shù)為1.58，北部丘五區(qū)碾子溝流域為1.74，均大于1.5，說明庫區(qū)總體耕作難度大，勞動效率低，但南部略優(yōu)于北部。

3.3 景觀空間構型指數(shù)分析

3.3.1 多樣性指數(shù)與優(yōu)勢度指數(shù) 庫區(qū)南部丘四區(qū)三坪溝流域多樣性指數(shù)大于庫區(qū)北部丘五區(qū)碾子溝流域，表明丘四區(qū)景觀多樣性高于丘五區(qū)，即景觀組成復雜程度高，景觀類型豐富。與之相對應的是，丘四區(qū)三坪溝流域優(yōu)勢度指數(shù)明顯低于丘五區(qū)碾子溝流域，說明丘四區(qū)景觀結構中幾個主要的景觀類型支配、控制景觀的程度低于丘五區(qū)的碾子溝流域，碾子溝流域各景觀類型所占比例差別較大。

3.3.2 破碎度指數(shù) 破碎度可反映景觀空間結構的復雜性，同時在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度。庫區(qū)丘四區(qū)三坪溝流域破碎度指數(shù)遠高于庫區(qū)丘五區(qū)碾子溝流域，表明北部碾子溝流域景觀較為完整，由未利用土地(主要指荒溝荒坡)等較大的斑塊組成，人類活動干預少，開發(fā)程度低，景觀連通性較高;由于三坪溝流域耕地占到總面積的37.12%，且降水較碾子溝流域多，因此，人類活動干預強度高，整體上破碎度指數(shù)相對較高。

4 結論與討論

1)庫區(qū)南北均以未利用土地(主要指荒溝荒坡)為明顯基質，對景觀格局起控制作用，說明庫區(qū)自然條件差，土地利用難度大。

2)庫區(qū)北部景觀斑塊形狀總體比庫區(qū)南部復雜，耕地斑塊便耕系數(shù)高于南部，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件南部較好。

3)由于氣候條件的差異導致了庫區(qū)南北部的土地利用現(xiàn)狀不同：庫區(qū)南部較北部降水多致使景觀多樣性庫區(qū)南部高于北部，景觀類型豐富，景觀結構中幾個主要的景觀類型控制景觀的程度低于庫區(qū)北部;庫區(qū)北部較南部干旱，以未利用土地(主要指荒溝荒坡)為明顯基質，因此，景觀相對于南部總體受人類活動干擾小，較為完整，連通性高。

4)在土地利用結構和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整方面，庫區(qū)南部應以加強復合生態(tài)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)為主，北部應加強陡坡退耕種草、農(nóng)牧業(yè)協(xié)同發(fā)展。對北部大面積荒坡應實行封育保護，促進生態(tài)自然修復。

5)便耕系數(shù)不僅與耕地的形狀有關，還與斑塊面積大小、埂坎高低、地面坡度、耕作道路等多因素有關，尚需進一步研究。

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Analysis on the spatial pattern of landscape in Liujiaxia Reservoir Area

Jing Lingyun1，2，He Youhua1，Zhang Xinmin1，Wu Yufeng1，Sun Haofeng1，Zhang Xiaohong1，Lu Huiping1，Jin Yi1

(1.Research Institute of Water and Soil Conservation of Gansu，730020，Lanzhou，China;2.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，730000，Lanzhou，China)

Abstract：In order to provide the basis for the layout of agricultural production and ecological recovery plan，Nianzigou typical small watershed in Dongxiang County in the north of Liujiaxia Reservoir and Sanpinggou typical small watershed in Jishishan County in south of Liujiaxia Reservioir were researched in this paper.Combined with field investigation，aerial photo were interpreted by ArcGIS and ArcView，impact of land use pattern，the way and intensity of artificial interference on landscape spatial pattern were analysed.The results showed that：1)The landscapematrix in north and south of Liujiaxia Reservoir were waste hillside and gully.It is difficult tomake use of this land.2)Characteristics of landscape patch in north of reservoir area wasmore complex than the south，so ecological condition in south of the reservoir area was suitable for agricultural production.3)Landscape diversity in south of the reservoir area was higher and landscape types was richer than the north，however，landscape in north of the reservoir area was less interfered by human activities than south and higher connectivity because of less precipitation.4)In terms of adjusting land use structure and rural industrial structure，composite ecological agriculture and forestry production could be proposed in south of the reservoir area and grain for grass in steep slope，developing agriculture and husbandry cooperatively and closingmanagement could be proposed to accelerate ecological restoration.

Key words：landscape pattern;landscape type;landscape indices;Liujiaxia Reservoir Area

P931.6

A

1672-3007(2013)04-0111-05

2012-06-29

2013-05-28

甘肅省科技重大專項“慶陽黃土高原雨洪保蓄與水資源高效利用技術的研究與集成”(1203FKDA035);甘肅科技支撐計劃項目“水土保持對西部黃土高原河川徑流調(diào)控作用研究”(1104FKCA146);甘肅省水利廳水利重點科研計劃項目“劉家峽水庫集水區(qū)水土保持林配置技術研究”(甘財農(nóng)【2012】135號)。

景凌云(1980—)，男，博士研究生，工程師。主要研究方向：水文水資源。E-mail：jinglypada@163.com

(責任編輯：程 云)