祁連山部分地區(qū)山地景觀格局空間幅度效應(yīng)的研究

楊竟藝, 劉學(xué)錄

祁連山部分地區(qū)山地景觀格局空間幅度效應(yīng)的研究

楊竟藝, 劉學(xué)錄*

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730070

三元圖能有效反應(yīng)多種斑塊類型對(duì)景觀格局的影響, 依據(jù)“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式, 比較各斑塊類型對(duì)整個(gè)研究區(qū)的響應(yīng)。選擇祁連山100 km×100 km的某正方形區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)并運(yùn)用景觀格局指數(shù)法對(duì)研究區(qū)的空間幅度效應(yīng)進(jìn)行研究, 同時(shí)得出研究區(qū)尺度依賴性的有效幅度和特征尺度。結(jié)果表明: (1)草地為整個(gè)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的基質(zhì), 其面積最大, 在整個(gè)景觀中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì); (2)在斑塊類型中, 裸地在整個(gè)研究區(qū)中起主導(dǎo)作用; (3)12 km和88 km是研究區(qū)的兩個(gè)特征尺度, 88 km幅度為研究區(qū)尺度依賴性的有效幅度, 超過這一幅度范圍, 無(wú)論景觀要素, 還是景觀指數(shù)都失去了尺度依賴性。研究通過對(duì)祁連山部分地區(qū)景觀格局與尺度效應(yīng)的分析可以了解研究區(qū)景觀格局空間特征及分布規(guī)律, 為祁連山的規(guī)劃與管理、生態(tài)建設(shè)提供參考依據(jù)。

山地景觀; 景觀格局; 空間幅度; 尺度效應(yīng); 三元圖

0 前言

山地景觀生態(tài)學(xué)問題自生態(tài)學(xué)誕生之時(shí), 就成為被關(guān)注的核心鄰域之一, 由于山地環(huán)境對(duì)全球變化的高度敏感性及其在陸地淡水資源與生物資源方面的巨大影響, 推動(dòng)山地景觀生態(tài)學(xué)迅猛發(fā)展[1]。山地具有濃縮的環(huán)境梯度和高度異質(zhì)化的生境、相對(duì)較低的人類干擾強(qiáng)度, 常成為大量物種的避難所和新興植物區(qū)系分化繁衍的搖籃, 所以發(fā)育和保存著較高的生物多樣性, 成為全球生物多樣性研究和保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域[2-3]。除極地外, 山地對(duì)氣候變化的敏感性是最高的, 同緯度山地增溫幅度大于平原區(qū), 且隨海拔升高, 增溫幅度增大[3-4]。受氣候變化的影響, 全球山地環(huán)境變化的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)、資源效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展效應(yīng)不斷增強(qiáng), 山地環(huán)境的未來變化勢(shì)必對(duì)區(qū)域乃至全球生態(tài)與環(huán)境安全和水資源持續(xù)利用產(chǎn)生廣泛和深刻的影響[1]。祁連山生態(tài)系統(tǒng)是西北地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障為維護(hù)我國(guó)西部生態(tài)安全有著不可替代的地位, 為國(guó)家“一帶一路”向中亞國(guó)家延伸提供了生態(tài)環(huán)境支撐[5]。近年來, 祁連山生態(tài)系統(tǒng)通過建設(shè)生態(tài)景觀斑塊, 綠色廊道, 增加生態(tài)景觀的多樣性, 優(yōu)化生態(tài)景觀等一系列生態(tài)優(yōu)化措施實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展成果顯著, 在此基礎(chǔ)上, 本文通過對(duì)祁連山部分地區(qū)景觀格局與尺度效應(yīng)的分析可以了解研究區(qū)景觀格局空間特征及分布規(guī)律, 為祁連山的規(guī)劃與管理、生態(tài)建設(shè)等提供參考依據(jù)。生態(tài)學(xué)中格局與過程是重要范式, 要正確理解格局與過程的關(guān)系就必須認(rèn)識(shí)到其依賴于尺度的特點(diǎn), 即尺度效應(yīng)[6]。隨著尺度效應(yīng)受到廣泛關(guān)注, 尺度的選擇對(duì)景觀格局分析結(jié)果影響很大, 景觀格局指數(shù)計(jì)算、景觀格局與生態(tài)過程耦合都面臨著尺度依賴問題[7-8]。尺度研究對(duì)揭示景觀空間格局變化規(guī)律及其生態(tài)過程具有重要意義[9]。然而, 尺度效應(yīng)的研究中對(duì)粒度效應(yīng)的研究較為廣泛而對(duì)幅度效應(yīng)的研究較少, 其中張韌瓔等[8]研究了天水市土地利用景觀格局動(dòng)態(tài)及空間幅度效應(yīng), 結(jié)果表明研究天水市土地利用景觀格局空間幅度效應(yīng)的最適幅度半徑為25 km和85 km。黃越等[10]研究了青銅峽市景觀格局的幅度效應(yīng)發(fā)現(xiàn)在1—15 km尺度區(qū)間上, 景觀類型和指標(biāo)類型的尺度效應(yīng)差異最大; 在16—30 km尺度區(qū)間內(nèi), 景觀類型、指標(biāo)類型尺度效應(yīng)的差異明顯減小; 而在30 km尺度區(qū)間以后, 景觀類型和指標(biāo)類型的尺度效應(yīng)逐漸消失。郜燕芳等[11]以香格里拉縣的碧塔海自然保護(hù)區(qū)為研究區(qū), 選擇了400 m、800 m、1200 m及1600 m這4個(gè)尺度對(duì)研究區(qū)景觀格局及其尺度效應(yīng)進(jìn)行分析, 結(jié)果表明1200 m為研究區(qū)景觀格局研究的最優(yōu)尺度。王艷芳等[12]以TM遙感影像為數(shù)據(jù)源, 選擇江蘇鹽城大豐地區(qū)一塊1764 km2的研究區(qū)進(jìn)行研究, 結(jié)果表明大部分景觀指數(shù)間相關(guān)關(guān)系發(fā)生質(zhì)變的空間幅度為3 km·3 km后, 隨著研究幅度由0.5 km到14 km的逐漸增加, 大部分發(fā)生質(zhì)變的指數(shù)逐漸表現(xiàn)出不相關(guān)。本文綜合前人對(duì)于幅度效應(yīng)的研究, 以祁連山部分地區(qū)為研究區(qū)域旨在得出研究山地景觀的景觀格局尺度依賴性的有效幅度與特征尺度。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇了祁連山西段, 北與嘉峪關(guān)毗鄰, 南接疏勒南山, 區(qū)內(nèi)森林與冰川、凍土、草地等共同構(gòu)成了巨大的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。祁連山是我國(guó)著名的高大山系之一, 形成了多種具有明顯垂直梯度的植被類型和土壤類型也是河西綠洲非常重要的水源地[13-14]。受水源地影響, 生物多樣性豐富, 水源涵養(yǎng)功能突出, 旅游資源豐富[15-16]。祁連山區(qū)由于地形的原因氣候垂直差異大, 受到太平洋和印度洋東南暖濕氣流的影響年降水量可達(dá)400—700 mm, 海拔4000 m以上的高山終年積雪, 分布有現(xiàn)代冰川[17-19]。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

以2018年的TM影像為信息源, 在幅度的設(shè)定上保持粒度(30 m·30 m)不變使研究范圍發(fā)生變化, 利用ENVI和GIS的空間分析功能, 采用從研究區(qū)幾何中心以步長(zhǎng)為1 km的正方形向外逐漸增加的方式設(shè)定尺度分析的空間幅度, 最小幅度為1 km×1 km, 最大幅度為100 km×100 km, 在Fragstats 4.2上計(jì)算景觀格局指數(shù); 采用景觀生態(tài)學(xué)的“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式來進(jìn)行景觀結(jié)構(gòu)特征的分析; 運(yùn)用幅度變化的方法對(duì)不同地形景觀進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析。

1.3 景觀類型的劃分

景觀類型的劃分是景觀格局分析的基礎(chǔ), 為更好地反映土地利用景觀在空間上的變化, 采用國(guó)土資源部2017年頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》 (GB/T21010—2017), 將土地類型劃分為五類景觀類型: 林地、裸地、冰川、水域、草地(圖1)。

1.4 景觀格局指數(shù)的選擇

在斑塊類型水平上選取斑塊數(shù)量(NP), 景觀斑塊面積百分比(PLAND); 在景觀水平上選取聚合度指數(shù)(AI), 斑塊密度(PD), Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)以及Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)作為分析研究區(qū)景觀格局幅度效應(yīng)的指標(biāo)(表1); 運(yùn)用軟件Fragstats4.2計(jì)算不同幅度下的景觀指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀結(jié)構(gòu)特征的分析

本研究根據(jù)Forman和Godron1986年提出的“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式[20], 對(duì)所研究的三種不同地形景觀的景觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析得出表2, 其中, 景觀中草地的面積比最大, 占到了整個(gè)景觀的46.6%, 而斑塊比只占了21.6%, 這表明草地是面積最大、連通性最好的景觀要素, 是整個(gè)景觀中的基質(zhì); 水域歸屬于景觀組分中的廊道, 斑塊比為29.5%, 斑塊比最高, 而面積比只占3.7%, 這表明水域的斑塊分布離散程度高, 連通性差; 斑塊組分包括林地, 裸地和冰川這三種景觀要素, 其中裸地的面積比為31.5%, 是景觀斑塊組分中面積比最大的景觀要素。

2.2 三元圖

利用三元圖可構(gòu)建一個(gè)等邊三角形坐標(biāo)系統(tǒng), 描述三元系統(tǒng)中各變量的相對(duì)比例關(guān)系, 各變量的數(shù)量要標(biāo)準(zhǔn)化為0—1, 使得三個(gè)變量之和為一, 利用Origin軟件獲取[21]。

Figure 1 Map of landscape pattern in study area

研究區(qū)各斑塊類型在景觀中的作用非常明顯(圖2), 在草地為基質(zhì)的景觀格局中, 林地和裸地這兩種斑塊類型最為突出, 對(duì)整個(gè)景觀的影響較最大。在林地、水域、裸地分別為、、軸的三元圖中裸地的影響大于林地, 散點(diǎn)主要落在0.25、0.125、0.625的三角形網(wǎng)格中, 說明整個(gè)斑塊類型中裸地起主導(dǎo)作用。

表1 景觀空間格局特征指數(shù)及其描述

表2 研究區(qū)景觀組分類型

圖2 不同景觀組分之間的相互影響

Figure 2 Interaction between different landscape components

2.3 斑塊類型水平指數(shù)幅度效應(yīng)及變異特征的分析

2.3.1斑塊數(shù)量(NP)的幅度效應(yīng)

從圖3可以看出隨著幅度的增加各景觀要素的斑塊數(shù)量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì), 由縱坐標(biāo)可以看出山地景觀中林地、裸地、草地、水域隨著幅度的增加增幅較大而冰川的增幅較緩, 說明冰川分布少破碎度低, 其他景觀要素破碎度較高。景觀要素的斑塊數(shù)量不具有明顯的尺度依賴性, 這是由于隨著幅度的增加, 研究區(qū)域總面積不斷增大, 在區(qū)域內(nèi)的斑塊總數(shù)不斷增長(zhǎng), 在幅度效應(yīng)圖上表現(xiàn)為斑塊數(shù)量隨著幅度的增加不斷增加。

圖3 斑塊數(shù)量的幅度效應(yīng)

Figure 3 Extent effect of number of patch

2.3.2 斑塊面積百分比( PLAND)的幅度效應(yīng)

由圖4可得, 草地是山地景觀中斑塊面積百分比最高的景觀要素, 說明此研究區(qū)的優(yōu)勢(shì)景觀要素為草地, 根據(jù)各景觀要素斑塊面積百分比隨幅度的變化可分為三個(gè)區(qū)間: 1—12 km的幅度范圍內(nèi)各景觀要素的尺度效應(yīng)差異最大, 其中草地的斑塊面積百分比最大說明草地是山地景觀在此幅度范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種; 在區(qū)間: 13—88 km的幅度范圍內(nèi)林地、冰川、裸地以及水域的斑塊面積百分比呈增長(zhǎng)趨勢(shì)而草地的斑塊面積百分比呈減少趨勢(shì), 這說明隨著幅度的增加其他景觀要素逐漸具有優(yōu)勢(shì); 在區(qū)間: 89—100 km的幅度范圍內(nèi), 各景觀要素的斑塊面積百分比變化不明顯, 尺度效應(yīng)逐漸消失。

2.3.3 斑塊面積百分比(PLAND)的變異特征

根據(jù)表3以及圖5可知, 景觀中不同的景觀要素變異系數(shù)差異較大。1—12 km幅度范圍內(nèi)的尺度效應(yīng)差異較大, 變異系數(shù)的曲線波動(dòng)劇烈(12.093%—275.552% ), 其中尺度依賴性最強(qiáng), 變異系數(shù)最大的為冰川, 尺度依賴性最弱的是草地; 13—88 km幅度范圍內(nèi)各景觀要素斑塊面積百分比的變異系數(shù)曲線波動(dòng)不大(7.380%—80.573%), 其中變異系數(shù)最大的為冰川; 89—100 km的幅度范圍內(nèi)各景觀要素斑塊面積百分比的變異系數(shù)(0.197%—1.453%)變化不明顯, 尺度效應(yīng)消失, 說明斑塊類型水平指數(shù)的幅度效應(yīng)存在兩個(gè)特征尺度: 12 km左右和88 km左右。

圖4 斑塊面積百分比的幅度效應(yīng)

Figure 4 Extent effect of area percentage of patch

表3 景觀斑塊面積百分比的幅度變化

圖5 景觀斑塊面積百分比的尺度效應(yīng)區(qū)間差異

Figure 5 Difference of scale effect section of area percen-tage of patches in landscape

2.4 景觀水平指數(shù)幅度效應(yīng)及變異特征的分析

2.4.1 斑塊密度(PD)的幅度效應(yīng)

從圖6可以看出隨著幅度的增加景觀的斑塊密度曲線呈現(xiàn)先減小后增大再趨于平緩的過程, 斑塊密度越小景觀的破碎化程度越低景觀越完整, 說明景觀的破碎化程度隨著尺度的增大而增高。根據(jù)斑塊密度曲線的變化特征可分為3個(gè)區(qū)間: 在1—12 km幅度區(qū)間, 斑塊密度隨幅度的增加整體呈現(xiàn)增加的特征且曲線變化劇烈, 說明在此幅度區(qū)間景觀的破碎化程度增加, 尺度效應(yīng)明顯; 在13—88 km幅度區(qū)間景觀的斑塊密度曲線呈現(xiàn)先減小再增加的趨勢(shì), 在此幅度區(qū)間曲線的變化明顯緩和; 在89—100 km幅度區(qū)間, 景觀的斑塊密度曲線趨于平緩, 尺度效應(yīng)逐漸消失。

2.4.2 聚合度指數(shù)(AI)的幅度效應(yīng)

聚合度指數(shù)反應(yīng)了景觀的團(tuán)聚程度, 聚合度指數(shù)值越大說明景觀中各斑塊的聚合程度高, 聚合指數(shù)的值越小說明景觀中各斑塊的離散程度高, 從圖5可以看出景觀的聚合度隨著幅度的增加而減小, 離散度增加。在1—12 km的幅度范圍內(nèi)景觀的聚合指數(shù)曲線呈現(xiàn)先迅速下降再增加的過程, 尺度效應(yīng)明顯; 在13—88 km幅度區(qū)間曲線整體呈下降的趨勢(shì), 說明隨著幅度的增加各斑塊的離散程度增加; 在89—100 km幅度區(qū)間, 景觀的聚合度指數(shù)曲線趨于平緩, 尺度效應(yīng)逐漸消失。

2.4.3 Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)與Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)的幅度效應(yīng)

從圖5可以看出景觀的Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)的曲線變化相似均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 說明景觀的多樣性逐漸增加, 景觀中斑塊類型分布逐漸均勻景觀結(jié)構(gòu)趨于均衡。根據(jù)兩條曲線的變化特征整個(gè)點(diǎn)線圖可分為3個(gè)區(qū)間: 在1—12 km幅度區(qū)間, 多樣性指數(shù)以及均勻度指數(shù)隨幅度的增加呈現(xiàn)迅速增加的特征, 尺度效應(yīng)明顯; 在13—88 km幅度區(qū)間景觀的多樣性指數(shù)以及均勻度指數(shù)曲線呈現(xiàn)緩慢上升; 在89—100 km幅度區(qū)間兩條曲線無(wú)明顯變化, 尺度效應(yīng)逐漸消失。

2.4.4 景觀水平的變異特征的分析

圖7是景觀水平指數(shù)的變異特征圖, 斑塊密度, Shannon多樣性指數(shù), Shannon均勻度指數(shù), 聚合指數(shù)這4 種景觀指數(shù)均表現(xiàn)出了明顯的尺度依賴性, 在1—12 km幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)的尺度效應(yīng)最為明顯, 其中, 尺度依賴性最強(qiáng)的是Shannon多樣性指數(shù), 最弱的是聚合指數(shù); 在13—88 km幅度區(qū)間各景觀水平指數(shù)的變異系數(shù)曲線趨于平穩(wěn), 尺度效應(yīng)不明顯; 在89—100 km 幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)的變異系數(shù)無(wú)明顯變化, 尺度效應(yīng)消失。根據(jù)表4可知,不同幅度區(qū)間的變異系數(shù)具有差異性,在1—12 km幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)的變異系數(shù)差距較大(2.1153%—39.8872%), Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)的變異系數(shù)值相近, 分別是39.8872%和37.1808%。在13—88 km幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)的變異系數(shù)差距不大(0.4479%—8.0543%), Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)的變異系數(shù)值更加接近, 分別為8.0538%和8.0543%。在89—100 km幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)的變異系數(shù)都在0—1%的范圍內(nèi), 尺度效應(yīng)消失, 說明景觀水平指數(shù)的幅度效應(yīng)存在兩個(gè)特征尺度: 12 km左右和88 km左右。

圖6 景觀水平指數(shù)的幅度效應(yīng)

Figure 6 Extent effect of landscape level index

圖7 景觀水平指數(shù)的尺度效應(yīng)區(qū)間差異

Figure 7 Difference of scale effect section of landscape level index in landscape.

3 討論

研究區(qū)景觀組分分布受海拔高度的影響較大,表現(xiàn)出較強(qiáng)的異質(zhì)性特征。依據(jù)“斑塊-廊道-基質(zhì)”模式, 草地為整個(gè)研究區(qū)景觀結(jié)構(gòu)的基質(zhì), 其面積最大, 在整個(gè)景觀中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 連接性和完整性好, 控制著整個(gè)景觀的能流、物流和物種流, 在整個(gè)景觀中起著重要作用, 廊道為水域, 其他景觀組分(林地、裸地、冰川)均為斑塊。林地斑塊面積百分比和斑塊數(shù)量差異程度較大, 說明森林在分布上很少連續(xù)成片, 多以小面積零散分布, 顯示出較高程度的破碎化, 從研究區(qū)景觀格局圖可以看出, 林地多以小面積集中分布于某個(gè)小的生境, 受人類活動(dòng)干擾較少, 破碎化程度較低。裸地呈條狀均勻分布, 現(xiàn)有裸地部分是歷史上森林火燒后的跡地以及由于自然條件惡劣和過度放牧造成衰退的草地。冰川分布在海拔較高的地區(qū), 其斑塊形狀最為不規(guī)則, 平均斑塊面積小而距離近, 最容易受到干擾而發(fā)生變化。

本文根據(jù)各斑塊類型的面積百分比, 利用三元圖表現(xiàn)幾種斑塊類型在景觀格局中的作用, 結(jié)果表明裸地在整個(gè)斑塊類型中占主導(dǎo)地位。

從斑塊類型水平指數(shù)來說, 研究區(qū)山地景觀中各景觀要素斑塊數(shù)量(NP)的幅度效應(yīng)均不具有明顯的尺度依賴性, 這是由于隨著幅度的增大, 研究區(qū)域總面積不斷增大, 在區(qū)域內(nèi)的斑塊總數(shù)不斷增長(zhǎng)。根據(jù)斑塊面積百分比幅度效應(yīng)的分析可以得出, 研究區(qū)景觀在1—12 km幅度區(qū)間, 尺度效應(yīng)最明顯; 在13—88 km幅度區(qū)間, 尺度效應(yīng)差異較小; 現(xiàn)先在89—100 km幅度區(qū)間尺度效應(yīng)消失。從景觀水平指數(shù)來說, 隨著幅度的增大, 斑塊密度(PD)曲線呈現(xiàn)先減小后增大再趨于平緩的過程, 說明景觀的破碎化程度隨著尺度的增大而增高;景觀的聚合度指數(shù)(AI)隨著幅度的增加而減小, 景觀的離散度逐漸增加; 景觀的Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)的曲線變化相似均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì), 說明景觀的多樣性逐漸增加, 景觀中斑塊類型分布逐漸均勻景觀結(jié)構(gòu)趨于均衡。斑塊密度(PD)、聚合度指數(shù)(AI)、Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)以及Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)均表現(xiàn)出明顯的尺度效應(yīng), 在1—12 km幅度區(qū)間, 尺度效應(yīng)最明顯, 不論是景觀的破碎化程度還是聚合程度還是景觀的多樣性以及均勻度都出現(xiàn)了明顯的變化且變化不具有明顯的規(guī)律性, 說明12 km是研究尺度效應(yīng)的一個(gè)特征尺度; 在13—88 km幅度區(qū)間, 各景觀水平指數(shù)曲線的變化具有規(guī)律性但變化較小, 尺度效應(yīng)差異較小; 在89—100 km幅度區(qū)間各指數(shù)不存在明顯變化, 曲線趨于平穩(wěn), 尺度效應(yīng)消失, 說明88 km是研究尺度效應(yīng)的一個(gè)特征尺度。就本研究區(qū)而言, 88km是研究宏觀現(xiàn)象的適宜尺度, 超過這一幅度范圍無(wú)論景觀要素還是景觀指數(shù)都失去了尺度依賴性, 反之選擇12 km的分析尺度更有利于挖掘細(xì)節(jié)部分。

表4 景觀水平指數(shù)的幅度變化

隨著國(guó)家社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 區(qū)域生態(tài)保護(hù)和建設(shè)正受到越來越多的關(guān)注。山地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)意義非常重要, 尤其是在西北地區(qū), 山地是區(qū)域內(nèi)重要的水源地和綠色生態(tài)屏障, 山地作為內(nèi)陸河流域的上游, 與整個(gè)流域構(gòu)成一個(gè)綜合整體, 上游的生態(tài)狀況、土地利用的合理與否, 與中、下游的自然生態(tài)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)密切, 而且山地氣候的復(fù)雜性形成了多種多樣的山地景觀, 為生物多樣性的保護(hù)提供良好的基礎(chǔ)。本文對(duì)研究區(qū)進(jìn)行景觀格局和尺度效應(yīng)分析旨在了解祁連山西段現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境狀況, 以及為今后進(jìn)一步研究祁連山提供有效的尺度范圍。

景觀格局在生態(tài)系統(tǒng)中的功能十分重要, 良好的景觀格局是物種生存和發(fā)展的基礎(chǔ), 景觀格局中斑塊的類型、大小、形態(tài)、組合、動(dòng)態(tài)變化等對(duì)生物多樣性的發(fā)展影響較大[22-23], 將三元圖引入景觀格局的研究不僅可以反應(yīng)各斑塊類型之間的關(guān)系以及對(duì)景觀格局的影響還可以為定量研究景觀格局時(shí)空變化, 區(qū)域生物多樣性的保護(hù)提供參考。

由于不同景觀指數(shù)反映不同方面的景觀特征使得各指數(shù)的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)或拐點(diǎn)不一致, 作者依據(jù)前人的研究結(jié)果選擇恰當(dāng)?shù)木坝^格局指數(shù), 從分析結(jié)果可以看出, 本文所選景觀指數(shù)除斑塊面積外其他景觀指數(shù)是規(guī)律性變化, 且不同景觀格局指數(shù)的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)相同, 均在12km和88km處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。劉媛媛[7]認(rèn)為研究幅度效應(yīng)的兩個(gè)特征尺度分別為20 km和90 km; 張韌瓔[8]認(rèn)為研究幅度效應(yīng)存在兩個(gè)特征尺度: 25 km和85 km; 黃越[10]認(rèn)為15 km, 30 km是研究寧夏青銅峽市的兩個(gè)特征尺度; 徐麗華[22]認(rèn)為12 km的幅度可能是上海市城市土地利用景觀的一個(gè)特征尺度, 24 km的幅度是一個(gè)有效操作尺度。這些研究結(jié)果表明尺度效應(yīng)研究的問題上均存在兩個(gè)特征尺度, 一個(gè)是尺度效應(yīng)變化速率大的小尺度范圍; 一個(gè)是超過這一尺度范圍就會(huì)失去尺度依賴性的有效操作尺度, 由于研究區(qū)域的不同必然導(dǎo)致不同的特征尺度, 但在本研究的第二個(gè)特征尺度與劉媛媛[7]和張韌瓔[8]的研究結(jié)果相似, 這一結(jié)果可以表明, 大部分研究區(qū)域的有效操作尺度在90 km左右。

祁連山生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的敏感性和脆弱性, 草地作為研究區(qū)景觀基質(zhì)一旦遭到破壞極易被裸地更替且很難恢復(fù)更會(huì)波及林地。本研究表明, 研究區(qū)景觀破碎化程度較高, 分離程度高, 導(dǎo)致整體景觀連通性較差, 抗干擾能力低, 一旦受到人為影響景觀的破碎化將進(jìn)一步加強(qiáng), 森林、草地面積的減少, 裸地面積的增加將不可避免。因此, 天然廊道的保護(hù), 增加植樹造林的面積, 減少人為干擾, 加強(qiáng)生物多樣性的保護(hù)及景觀生境維護(hù), 制定科學(xué)合理的輪牧制度等措施來避免景觀破碎化的增加, 如不對(duì)研究區(qū)加以合理保護(hù), 合理開發(fā)森林資源, 研究區(qū)景觀的穩(wěn)定性將受到威脅。在景觀格局優(yōu)化時(shí)要遵循生態(tài)適宜性和生物流通原則, 重點(diǎn)保護(hù)草地、林地邊緣的交合地段, 減少景觀中生物穿越邊界的阻力, 重視對(duì)現(xiàn)有草地、林地和水體等生態(tài)源的保護(hù), 建設(shè)和完善生態(tài)廊道, 最終實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)景觀、物質(zhì)和能量的協(xié)調(diào)、可持續(xù)利用和可持續(xù)發(fā)展。提高景觀空間異質(zhì)性, 保持大型植被斑塊的完整性用以涵養(yǎng)水源, 維持關(guān)鍵物種的生存和對(duì)外擴(kuò)散, 注重物種和植被多樣性的維持, 充分發(fā)揮其在景觀中的生態(tài)功能, 提高研究區(qū)景觀格局的合理布局, 實(shí)現(xiàn)生物多樣性保護(hù)和景觀價(jià)值利用。廊道的建設(shè)有益于物種的擴(kuò)散及物質(zhì)和能量的循環(huán)與交換, 可將孤立的斑塊與大型景觀相連, 更利于物種的持續(xù)和增加生物多樣性。把人為因素同自然因素結(jié)合起來, 積極創(chuàng)造出符合自然規(guī)律的異質(zhì)景觀, 從而使系統(tǒng)內(nèi)各要素相互促進(jìn)、異質(zhì)共生、良性循環(huán), 使自然資源得以充分地利用, 以此形成穩(wěn)定性與生命力較強(qiáng)的景觀生態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)研究結(jié)果表明, 裸地在整個(gè)斑塊類型中占主導(dǎo)地位, 草地的退化, 天然林分的破壞不容小覷。據(jù)調(diào)查, 整個(gè)青海省祁連山自然保護(hù)區(qū)草場(chǎng)處于不同程度的退化狀態(tài), 大多數(shù)縣鄉(xiāng)放牧和飼養(yǎng)的牲畜數(shù)量一般高過統(tǒng)計(jì)載畜量[24]。人類在利用山地資源的同時(shí)不可避免地會(huì)帶來一些不利影響, 因此, 因地制宜的利用現(xiàn)有自然資源是我們的責(zé)任之所在, 同時(shí)還應(yīng)該采取措施加大力度保護(hù)和恢復(fù)祁連山自然植被生態(tài)系統(tǒng)。(1)對(duì)土地的利用應(yīng)遵守自然生態(tài)平衡的客觀規(guī)律, 按照“宜農(nóng)則農(nóng), 宜林則林, 宜牧則牧”的原則, 因地制宜的加以利用。(2)在牧草的利用上建立科學(xué)的輪牧制度和草原保護(hù)制度。(3)對(duì)天然林地封育管理, 增強(qiáng)撫育更新力度使木材蓄積量增加、林分質(zhì)量上升、成林速度加快, 增加對(duì)林業(yè)副產(chǎn)品的開發(fā), 提升經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王根緒, 劉國(guó)華, 沈澤昊, 等. 山地景觀生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(12): 3967–3981.

[2] 方精云. 探索中國(guó)山地植物多樣性的分布規(guī)律[J]. 生物多樣性, 2004(1): 1–4.

[3] WISHART M. Global Change and Mountain Regions: An Overview of Current Knowledge[J]. Mountain Research and Development, 2007, 27(1): 94–95.

[4] MARTIN F P. Sustainable Development in Mountain Regions: Southeastern Europe and Sustainable Mountain Regions: Challenges and Perspectives in Southeastern Europe[J]. Mountain Research and Development, 2016, 36(3): 394–395.

[5] 趙發(fā)華. 祁連山生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的思考[J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息, 2017(12): 34–35.

[6] MONTSERRAT B, LOURDES C, SANS F X. Vegetation patchiness of field boundaries in the Mediterranean region: The effect of farming management and the surrounding landscape analyse at multiple spatial scale[J]. Landscape and Urban Planning, 2012, 106(1): 35–43.

[7] 劉媛媛, 劉學(xué)錄. 甘肅永登縣土地利用景觀格局的空間尺度效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 27(4): 1221–1228.

[8] 張韌瓔, 劉學(xué)錄. 天水市土地利用景觀格局的幅度效應(yīng)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(3): 80–89.

[9] 汪桂芳, 穆博, 宋培豪, 等. 基于無(wú)人機(jī)航測(cè)的漯河市土地利用景觀格局尺度效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(14): 5158–5169.

[10] 黃越, 王鵬, 葉均艷. 干旱綠洲區(qū)景觀格局結(jié)構(gòu)的空間尺度效應(yīng)——以寧夏青銅峽市為例[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究, 2018, 39(4): 38–44.

[11] 郜燕芳, 舒清態(tài), 張艷. 基于尺度變換的碧塔海自然保護(hù)區(qū)景觀格局分析[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(2): 55–60.

[12] 王艷芳, 沈永明, 陳壽軍, 等. 景觀格局指數(shù)相關(guān)性的幅度效應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 2012, 31(8): 2091–2097.

[13] 馬劍, 劉賢德, 金銘, 等. 祁連山青海云杉林土壤理化性質(zhì)和酶活性海拔分布特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2019, 33(2): 207–213.

[14] 王濤, 高峰, 王寶, 等. 祁連山生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的現(xiàn)狀問題與建議[J]. 冰川凍土, 2017, 39(2): 229–234.

[15] 汪有奎, 楊全生, 郭生祥, 等. 祁連山北坡森林資源變遷[J]. 干旱區(qū)地理, 2014, 37(5): 966–979.

[16] 王根緒, 程國(guó)棟, 沈永平. 近50年來河西走廊區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化特征與綜合防治對(duì)策[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2002(1): 78–86.

[17] 伍光和, 謝自楚, 黃茂桓, 等. 祁連山現(xiàn)代冰川基本特征研究[J]. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào), 1980(3): 127–134.

[18] 曹泊, 潘保田, 高紅山, 等. 1972—2007年祁連山東段冷龍嶺現(xiàn)代冰川變化研究[J]. 冰川凍土, 2010, 32(2): 242–248.

[19] 陳輝, 李忠勤, 王璞玉, 等. 近年來祁連山中段冰川變化[J]. 干旱區(qū)研究, 2013, 30(4): 588–59.

[20] 陳利頂, 李秀珍, 傅伯杰, 等. 中國(guó)景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展歷程與未來研究重點(diǎn)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(12): 3129– 3141.

[21] 徐麗華, 岳文澤, 曹宇. 上海市城市土地利用景觀的空間尺度效應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007(12): 2827–2834.

[22] POPESCU V D, ROZYLOWICZ L, COGALNICEANU D, et al. Moving into protected areas? Setting conservation priorities for Romanian reptiles and amphibians at risk from climate change[J]. PloS one, 2013, 8 (11): e79330.

[23] 秦金萍, 馬玉壽, 李世雄, 等. 春季放牧強(qiáng)度對(duì)祁連山區(qū)青海草地早熟禾人工草地牧草生長(zhǎng)的影響[J]. 青海大學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 37(4): 1–6.

Study on the spatial extent effect of mountain landscape pattern in part of Qilian Mountain

YANG Jingyi, LIU Xuelu*

School of Resources and Environment, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China

The ternary diagram could reflect the impact of various types of patch. Based on “patch-corridor-matrix”pattern, it compared the influence of each patch types on the whole study area. A square area of 100 × 100km in Qilian Mountain was selected as the study area. It used the landscape pattern index method to study the spatial extent effect of the study area, and obtained the effective extent and characteristic scale of the dependence of scale effect in the study area. The results showed that (1) Grassland was the substrate of landscape structure in the whole study area, which had the largest area and occupies an absolute advantage in the whole landscape. (2) Bare land played a dominant role in patch types throughout the study area. (3)12km and 88km were the two characteristic scales of the study area, and the 88km extent was the effective extent of the dependence of scale effect in the study area. Beyond this range, both landscape elements and landscape index lost the dependence of scale effect.Through the analysis of landscape pattern and scale effect in some areas of Qilian Mountain, the spatial characteristics and distribution of landscape pattern in the study area were revealed, which could provide reference for the planning and management and ecological constructionof Qilian Mountain.

mountain landscape; landscape patter; spatial extent; scale effect; ternary diagram.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.018

Q14

A

1008-8873(2021)02-142-08

2019-10-10;

2019-12-20基金項(xiàng)目:甘肅省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目(1504WKCA006)

楊竟藝(1995—), 女, 甘肅天水人, 碩士研究生, 主要研究方向?yàn)榫坝^生態(tài)學(xué), E-mail: 798930035@qq.com

劉學(xué)錄(1966—), 男, 博士, 教授, 主要從事土地利用管理和景觀生態(tài)學(xué)研究, E-mail: liuxl@gsau.edu.cn

楊竟藝, 劉學(xué)錄. 祁連山部分地區(qū)山地景觀格局空間幅度效應(yīng)的研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2021, 40(2): 142–150.

YANG Jingyi, LIU Xuelu.Study on the spatial extent effect of mountain landscape pattern in some areas of Qilian Mountain[J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 142–150.