豫西黃土丘陵區(qū)景觀格局特征分析與變化研究

趙勝朝，王福嶺，劉明欣，徐建昭

(1.河南省水土保持監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008；2.鄭州市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450008)

0 引言

豫西黃土丘陵區(qū)位于河南省西北部，行政區(qū)劃上包含鄭州市、洛陽市、焦作市、三門峽市4個(gè)省轄市的19個(gè)縣(市、區(qū))和1個(gè)濟(jì)源示范區(qū)，土地總面積2.71萬km2，約占河南省土地總面積的16.23%。屬第二階梯向第三階梯過渡的交錯(cuò)地帶，地質(zhì)條件復(fù)雜，地表破碎，人為活動(dòng)頻繁，加劇了水土流失，造成了區(qū)域大片土地貧瘠，是河南省生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域之一，同時(shí)也是河南省脫貧攻堅(jiān)成果鞏固提升的重要區(qū)域。分析研究基于2000、2010、2015年遙感數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS技術(shù)以及景觀結(jié)構(gòu)分析軟件分析豫西黃土丘陵區(qū)及各類型的景觀指數(shù)，并對(duì)研究區(qū)景觀格局特征及變化進(jìn)行分析，預(yù)期得到區(qū)域景觀格局的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫頉Q策提供理論依據(jù)。

1 斑塊數(shù)

斑塊數(shù)是研究范圍內(nèi)斑塊的數(shù)量。該指標(biāo)用來衡量目標(biāo)景觀的復(fù)雜程度，斑塊數(shù)量越多表明景觀構(gòu)成越復(fù)雜。斑塊數(shù)反映景觀的空間格局，斑塊數(shù)大，破碎度高，斑塊數(shù)小，破碎度低。

2015年，整個(gè)研究區(qū)斑塊數(shù)總共2.21萬個(gè)，研究區(qū)斑塊數(shù)從2000—2010年不斷增加，隨后減少，即研究區(qū)2000—2010年、2011—2015年2個(gè)時(shí)間段，前者景觀破碎度及景觀復(fù)雜性相對(duì)后者更高(見圖1)。從各縣(市、區(qū))分布來看，盧氏縣斑塊數(shù)最多，占整個(gè)研究區(qū)域的10.10%，其次是靈寶市，占整個(gè)研究區(qū)域的9.30%，第三是濟(jì)源市，占整個(gè)研究區(qū)域的8.40%，而孟州市、湖濱區(qū)、義馬市斑塊數(shù)最少。一般來說，區(qū)域地形相對(duì)較為平坦，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為快速時(shí)，開發(fā)力度較大，大規(guī)模成片開發(fā)導(dǎo)致區(qū)域斑塊數(shù)量較少，景觀異質(zhì)性及復(fù)雜性較低，而地形復(fù)雜時(shí)，情況相反。從研究區(qū)斑塊數(shù)分布來看，研究區(qū)東部地形相對(duì)平坦，開發(fā)難度小，成片開發(fā)多，區(qū)域斑塊數(shù)相對(duì)較少，而西部地形起伏較大，開發(fā)導(dǎo)致更多的破碎，斑塊數(shù)較多，相應(yīng)的開發(fā)帶來的干擾更大。

圖1 研究區(qū)2000—2015年斑塊化變化圖

2 平均斑塊面積

平均斑塊面積為研究區(qū)域內(nèi)的全部斑塊的面積平均值。該數(shù)值用于反映整體景觀的完整性以及破碎化程度，該數(shù)值越小表明景觀較破碎，破碎化程度較高。平均斑塊面積能夠指證景觀的破碎強(qiáng)度，如一般情況在景觀級(jí)別上一個(gè)較小平均斑塊面積值的景觀比一個(gè)擁有較大平均斑塊面積值的景觀更破碎。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下所示。計(jì)算方法：

(1)

式中：MPS為平均斑塊大小，TS為研究范圍的總面積，NP為斑塊個(gè)數(shù)。

從時(shí)間上看，研究區(qū)平均斑塊面積大小從2000—2010年不斷減少，隨后增加，即與斑塊數(shù)結(jié)果相似，研究區(qū)2000—2010年、2011—2015年2個(gè)時(shí)間段，前者景觀破碎度相對(duì)后者更高。從整個(gè)研究區(qū)各縣(市、區(qū))的平均斑塊面積大小分布來看，研究區(qū)西部縣(市、區(qū))平均斑塊面積較高，說明研究區(qū)西部縣、區(qū)景觀完整性較高、破碎化程度較低，當(dāng)?shù)貙?duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好。而研究區(qū)東部各縣(市、區(qū))整體平均斑塊面積較低，景觀破碎度較高。

3 破碎度指數(shù)

破碎度表示景觀被分割的破碎程度，反應(yīng)景觀空間格局的復(fù)雜性，在某種程度上反映了人類對(duì)景觀的擾動(dòng)程度。它是由自然或者開發(fā)活動(dòng)破壞所引起的景觀由單一、均質(zhì)與連續(xù)的總體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)與不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程，景觀破碎化是生物多樣性失去的主要起因之一。計(jì)算方法：

Ci=Ni/Ai

(2)

式中：Ci為景觀i的破碎度，Ni為景觀i的斑塊數(shù)，Ai為景觀i的總面積。

從時(shí)間變化上看，2000—2015年研究區(qū)破碎度指數(shù)總體是呈上升趨勢的(見圖2)，但增加幅度較小，表明雖然受到人為干擾，研究區(qū)域景觀破碎化水平變化較小，區(qū)域開發(fā)建設(shè)整體上未造成大的環(huán)境干擾。從空間分布上看，景觀破碎化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相關(guān)性較高，濟(jì)源、鞏義、義馬、滎陽、洛陽等經(jīng)濟(jì)較好縣市，開發(fā)強(qiáng)度較大，景觀破碎化指數(shù)較高，而盧氏、嵩縣、靈寶等縣市，景觀破碎化指數(shù)較低。對(duì)于一定面積的每一種生態(tài)系統(tǒng)來說，斑塊數(shù)越少，平均面積越大，破碎化程度越低，越能充分發(fā)揮其生態(tài)效益，而由于城市發(fā)展，人類對(duì)各種景觀類型、自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾越來越強(qiáng)，在對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)不力的情況下，會(huì)導(dǎo)致各種景觀類型、生態(tài)系統(tǒng)斑塊數(shù)量越來越多，破碎化程度越來越高，濟(jì)源、鞏義等正是表現(xiàn)出這種特征；而隨著人類大規(guī)模開發(fā)的進(jìn)行，景觀類型又會(huì)趨于單一化、均質(zhì)化，又會(huì)降低破碎度指數(shù)。

圖2 研究區(qū)2000—2015年破碎度指數(shù)圖

4 聚集度指數(shù)

聚集度指數(shù)指景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或者聚集程度。該指數(shù)越小，表明景觀是由很多相互交錯(cuò)且分散分布的小斑塊組成的，異質(zhì)程度較高，反之該指數(shù)越高說明景觀是由數(shù)量較少面積較大的斑塊組成，異質(zhì)程度較低，景觀完整性較好，相對(duì)的破碎化程度較低。計(jì)算方法：

C=2ln(N)=∑∑Pijln(Pij)

(3)

式中：N是景觀中斑塊類型總數(shù)，Pij是斑塊類型i與j相鄰的概率。

從時(shí)間延續(xù)上看，2000—2015年研究區(qū)聚集度指數(shù)總體是呈平穩(wěn)態(tài)勢(見圖3)，調(diào)查區(qū)景觀整體較為穩(wěn)定，也進(jìn)一步印證了調(diào)查區(qū)15 a破碎度指數(shù)變化不大的結(jié)果。從空間分布上看，在調(diào)查區(qū)西部縣(市、區(qū))具有高的聚集度指數(shù)，說明西部縣、區(qū)內(nèi)景觀斑塊面積大。而東部縣、區(qū)較西部來說聚集度指數(shù)較低，說明東部縣(市、區(qū))斑塊以小面積居多，因而其破碎度指數(shù)高于西部縣、區(qū)，印證了破碎度指數(shù)較大的原因。

圖3 研究區(qū)2000—2015年聚集度指數(shù)圖

5 多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)是指景觀元素或者生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能以及隨時(shí)間演變方面的多樣性。隨著該值的減小，景觀結(jié)構(gòu)組成的復(fù)雜性也趨于減小。香農(nóng)多樣性指數(shù)在景觀級(jí)別上為各斑塊類型面積比乘以其值的自然對(duì)數(shù)之后的和的負(fù)值。多樣性指數(shù)對(duì)景觀中各斑塊類型非均勻分布形態(tài)較為敏感。研究顯示在同一景觀中景觀生態(tài)學(xué)的多樣性與生態(tài)學(xué)物種的多樣性兩者之間關(guān)系通常呈正態(tài)分布。計(jì)算方法：

(4)

式中：i=1…m表示斑塊類型數(shù)量；pi表示斑塊類型i所占景觀面積的比例。

香農(nóng)指數(shù)主要包括2個(gè)要素：①品種數(shù)目；②品種中個(gè)體分配上的平均性或均勻性。品種數(shù)目多，可提高多樣性；同樣，品種之間個(gè)體分配的均勻性增加也會(huì)使多樣性提高，當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)各類景觀要素面積相差較大、優(yōu)勢度明顯時(shí)，多樣性指數(shù)較低；反之，則在區(qū)域各景觀要素中，存在優(yōu)勢度較弱的某種景觀要素時(shí)，多樣性指數(shù)較高。從時(shí)間變化上看，2000—2015年，研究區(qū)域多樣性指數(shù)先增加后減少，2000—2010年，由于人類活動(dòng)的干擾，區(qū)域主要景觀類型耕地、林地面積都有所減少，其它類型面積有所增加，景觀類型更加多樣，多樣性指數(shù)升高，而2010—2015年，區(qū)域耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加，景觀類型主要是耕地減少為建設(shè)用地，多樣性指數(shù)減少。從空間分布上看，研究區(qū)東部較西部有更多的多樣性，主要是由于西部的優(yōu)勢景觀更明顯，而東部區(qū)域內(nèi)耕地、林地、建設(shè)用地等景觀要素優(yōu)勢度接近，沒有優(yōu)勢突出的土地利用類型。

6 結(jié)論

①2000—2015年的15 a間，景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體呈現(xiàn)加劇演變，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的基質(zhì)景觀類型以耕地為主，受人類活動(dòng)影響后的損失度較強(qiáng)。但研究區(qū)破碎度指數(shù)、聚集度指數(shù)總體上變化不大，表明研究區(qū)域雖然受到人為干擾，研究區(qū)域景觀破碎化水平變化較小，區(qū)域開發(fā)建設(shè)整體上未造成大的環(huán)境干擾，研究區(qū)景觀整體較為穩(wěn)定。②研究區(qū)景觀格局空間分布上總體表現(xiàn)為西部縣(市、區(qū))具有高的聚集度指數(shù)，低的破碎化指數(shù)，西部縣(區(qū))內(nèi)景觀斑塊面積大，景觀破碎化強(qiáng)度較低。而東部縣(區(qū))較西部來說聚集度指數(shù)較低，破碎化指數(shù)較高，東部縣(市、區(qū))斑塊以小面積居多。③研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間集聚形態(tài)以低-低集聚和高-高集聚為主，呈現(xiàn)為低-低集聚區(qū)域表現(xiàn)增加演變，高-高集聚區(qū)域表現(xiàn)先增加后減少演變。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)高值集聚區(qū)(H-H)主要集中分布在盧氏縣-洛寧縣-靈寶縣，這一區(qū)域?qū)儆邳S土低山丘陵區(qū)，地表覆蓋類型多樣，景觀優(yōu)勢度較低且景觀分布不均勻。④研究區(qū)域水土保持工作應(yīng)堅(jiān)持“小范圍治理、大面積保護(hù)”的原則，保護(hù)現(xiàn)有的森林資源不再遭到破壞，同時(shí)加快促使水土流失最嚴(yán)重的陡坡耕地(坡度在15°以上)的退耕還林還草、生態(tài)移民等，做好四個(gè)結(jié)合，一是低山丘嶺區(qū)生態(tài)經(jīng)濟(jì)高效治理開發(fā)與坡改旱梯基本農(nóng)田建設(shè)與大面積坡耕地水土流失綜合治理相結(jié)合，二是“人工治理和生態(tài)修復(fù)”相結(jié)合，三是植被快速建造與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，四是土地整治工程建設(shè)與水土資源合理利用相結(jié)合，構(gòu)建小流域生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)合理模式，實(shí)現(xiàn)山丘區(qū)自然資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。