全 文 ：中祁连山浅山区山地森林景观空间格局分析 3
杨国靖1 3 3 　肖笃宁1 ,2
(1 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 ,兰州 730000 ;2 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016)
【摘要】　基于地理信息系统软件 Arc GIS ,数字化祁连山西水自然保护站 1∶100 000 地形图 ,生成研究区高
程图和坡向图 ,并同植被图叠加 ,分析各景观组分在空间的分布特征 ,用定量分析景观结构程序 Fragstats
分析景观结构特征. 结果表明 , 研究区各景观组分空间分布极不均衡 ,受海拔和坡向的影响非常明显. 草
地是面积最大、连结性和完整性最好的景观组分 ;青海云杉林斑块形状最为不规则 ,平均斑块面积小而距
离近 ,最易因受到干扰而发生重大变化 ;宜林地和祁连圆柏林相对于农田、疏林地有较强的扩张特征. 杨桦
阔叶林各斑块相隔距离大而分散 ,斑块之间的邻接性很差 ,破碎化最为严重.
关键词 　山地森林景观 　景观格局 　景观指数 　祁连山 　西水自然保护站
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 02 - 0269 - 04 　中图分类号 　Q149 　文献标识码 　A
Spatial pattern analysis of forest landscape in low coteau of Middle Qilian Mountains. YAN G Guojing1 , XIAO
Duning1 ,2 (1 Cold and A rid Regions Envi ronmental and Engineering Research Institute , Chinese Academy of
Sciences , L anz hou 730000 , China ;2 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (2) :269～272.
Based on the vegetation map and the relief map , using GIS and Fragstats , the spatial pattern of forest landscape
of Xishui reserve in Qilian Mountains were analyzed. The results showed that the distribution of the vegetation
was impacted mostly by altitude and aspect , grassland was mostly distributed on the land of altitude 2 500～2
900 m and aspect of south and southwest , Picea crassif olia forest was always in the land of altitude 2 900～3
300 m and aspect of north , northeast , east and northwest , and shrubbery was in the land of altitude 3 300～3
700 m. The grassland had the biggest area and its connectivity and integrality were the best . The biggest MPFD
of Picea crassif olia forest meant that its shape was the most complicated , its mean patch area was small , and the
distance between the patches was short . So Picea crassif olia forest was easy to be impacted by some distur2
bance. The forest suitable land and S abina przew alskii forest showed more outstretched characteristics than
farmland and land with few trees. The mean nearest2neighbor distance of the poplar forest was the biggest in all
the landscape elements , so the poplar forest’s fragmentized degree was the highest in all the landscape elements.
Key words 　Mountain forest landscape , Landscape pattern , Landscape indices , Qilian Mountains , Xishui Natu2
ral Reserve. 3 国家自然科学基金重点资助项目 (90102004) .3 3 通讯联系人.
2003 - 03 - 03 收稿 ,2003 - 06 - 06 接受.
1 　引 　　言
景观是指具有特定结构、功能和动态特征的不
同生态系统镶嵌组成的异质性区域[13 ] ,由一系列大
小、形状各异的景观要素组成. 景观要素的空间分布
称为景观格局. 景观格局及其变化是自然、社会和生
物要素相互作用的结果[12 ,14 ] . 山地景观作为一个复
杂的生态系统 ,一直是世界环境与发展研究最前沿
的领域之一 ,尤其是在《Agenda 21》中 ,山地部分被
单独列为一章 ( Managing fragile ecosystems : Sus2
tainable mountain development) ,体现出山地研究的
重要性. 从 1997～2001 年 ,Mountain Agenda 相继完
成了《世界山地 ———山区发展的基本方面》、《世界山
地———21 世纪的水塔》、《世界山地 ———森林与可持
续发展》、《世界山地 ———旅游与山地可持续发展》、
《世界山地 ———21 世纪的挑战》、《世界山地 ———山
地、能源与运输》等系列研究报告[4～8 ] ,对世界山地
共同面临的问题做出了全球性的概括.
全球有 50 %以上的人口生活在山区或依赖山
区资源生活[10 ] . 山地环境复杂 ,是研究全球变化的
重要场所[9 ] ,同时作为大江、大河的上游地区 ,其生
态状况影响着中、下游地区的生态环境和社会经济
发展 ,对流域生态安全及可持续发展具有重要的战
略意义. 位于我国西部干旱区的祁连山系由一系列
西北2东南走向的平行山脉组成 ,西以当金山口与阿
尔金山相连 ,东与黄土高原接壤 ,东西长约 800 km ,
南北宽 200～400 km ,平均海拔 4 000～4 500 m ,是
我国西部地区重要的“生态源”和生态屏障. 其中扁
都口至疏勒河上游谷地被称为中祁连山区 ,是西北
应 用 生 态 学 报 　2004 年 2 月 　第 15 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2004 ,15 (2)∶269～272
干旱、半干旱荒漠生态系统中一个以森林、草原为主
体 ,较为湿润的复合生态系统 ,是我国第二大内陆河
———黑河的发源地 ,也是河西地区工农业生产及人
民生活需水的主要源泉. 然而 , 由于人类活动的长
期干扰 ,中祁连山浅山区的原始森林已所剩无几 ,目
前主要为次生林、人工林和灌丛 ,森林景观格局发生
了较大变化. 选取位于该区的西水自然保护站为具
体研究区域 ,对其进行景观格局分析 ,以期为更深入
地研究其景观功能、生态环境状况及景观格局与经
济活动的关系 ,提供可靠的依据.
2 　研究地区与研究方法
211 　研究地区概况
西水自然保护站位于甘肃省张掖市肃南裕固族自治县
东北部 ,100°03′～100°23′E ,38°32′～23°48′N. 全区面积约
732. 49 km2 ,海拔一般在 2 000～4 000 m ,最高峰 4 700 m ,
最低约为 2 000 m , 由一系列的高山深谷和低山组成. 高山
地带坡度在 40°左右 ,亚高山地带坡度多在 20～30°之间 ,属
浅山区. 全区属高寒亚干旱气候 ,年平均气温 5. 4 ℃,最冷月
平均气温 - 12. 5 ℃,最热月平均气温 19. 6 ℃;年平均降水
量 360 mm ,多集中在 5～9 月份 ,年蒸发量 1 488 mm ;植物
生长期 90～150 d ,生长期短且变化大.
受气候、海拔和坡向的多重影响 ,研究区植被分布有明
显的垂直分异规律. 海拔 2 000～2 500 m 之间为草类荒漠
带 ,有小片甘青锦鸡儿 ( Caragana tangutica) 和卫茅 ( Euony2
m us sp . ) 灌丛 ,还有骆驼蓬 ( Peganum harm ala) 、驼绒藜
( Ceratoides latens ) 、芨芨草 ( Achnatherum splendens ) 等 ;
2 500～2 800 m 之间为森林草原带 ,阴坡主要植物有青海云
杉 ( Picea crassif olia) 、山杨 ( Populus danidiana) 、狭叶锦鸡儿
( Caragana stenophylla) 、甘青锦鸡儿、金露梅 ( Potentilla f ru2
ticosa) 、柳 ( S alix w ihel msiana) 等 ,阳坡主要植物有祁连圆柏
( S abina przew alskii) 、金露梅、短叶锦鸡儿 ( Caragana brevi2
f olia) 、蔷薇 ( Rosa sp . ) 和柳等 ;2 800～3 200 m 之间是森林
灌丛带 ,阴坡主要植物有青海云杉、柳、鬼箭锦鸡儿 ( Cara2
gana jubata) 、短叶锦鸡儿和金露梅等 ,阳坡主要植物有祁连
圆柏、鬼箭锦鸡儿和高山绣线菊 ( S pi raea alpina)等 ;3 200～
3 500 m 之间为亚高山灌丛草甸带 ,阴坡主要植物有杜鹃
( Rhododendron simsii) 、鬼箭锦鸡儿、柳、蓼等 ,阳坡主要植物
有金露梅、鬼箭金鸡儿、柳、风毛菊 ( S aussurea japonica) 等 ;3
500～4 000 m 之间为亚高山草甸带 ,草本植物有披叶苔草
( Carex lanceolata) 、珠芽蓼 ( Polygonum viviparum ) 和蒿草
( Kobresia bellardii)等 ;4 000～4 500 m 之间为高山寒漠带 ,
稀见植物生长 ;海拔在 4 500 m 以上为终年积雪.
根据研究区土地类型和植被状况 ,将研究区景观组分分
为 11 个景观组分 :未成林地 T1 ,指造林成活率达合理造林
株树 40 %以上 ,且分布均匀尚未郁闭者 ;宜林地 T2 ,指郁闭
度 0. 3 以下的幼龄林及未达到林地标准的各种地类、林中空
地及宜林干草地 ;疏林地 T3 ,指郁闭度 0. 1～0. 3 的中龄林
和成、过熟林 ;针叶混交林 T4 ,指分布在高山地带 ,由青海云
杉和祁连圆柏组成的混交林 ;杨桦阔叶林 T5 ,是指分布在低
山地带的山杨和白桦软阔类 ;青海云杉林 T6 ,指郁闭度 0. 4
以上的中龄或近熟的纯青海云杉林 ;祁连圆柏林 T7 ,郁闭度
0. 4 以上的中龄或近熟的纯祁连圆柏林 ;灌木林 T8 ,指人工
种植灌木林或在悬崖陡壁上以及高山地区乔木生长界线以
上 ,覆盖度在 0. 4 以上的灌木林 ;农田 T9 ;草地 T10 ;裸地
T11 ,指裸露的岩石或难以生长植被的石质荒漠.
212 　研究方法
　　用地理信息系统软件 Arc GIS 数字化 2001 年 1∶50 000
植被图和 1∶100 000 地形图 ,将植被图转成 Grid 格式 (网格
大小为 30 m ×30 m) ,用地形图生成数字高程模型和该研究
区的坡度和坡向图 ,同主要景观组分进行叠加 ,定量化地反
映主要景观组分在不同高度和不同坡向的空间分布. 用景观
结构分析软件 Fragstats (栅格版) 计算各景观组分的相关景
观指数 (反映景观结构组成和空间配置某些方面特征的简单
定量指标) ,以反映研究区各景观组分的空间分布特征. 在景
观空间分析方面 ,近年来已提出了不少的指标 [1 ,2 ,3 ,11 ] . 本文
选取以下几种景观指数来反映研究区的空间格局特征. 景观
组分面积 :
　　A i = ∑
n
j = 1
aij
式中 , A i 为 i 景观组分总面积 (m2) , aij为 i 景观组分某斑块
面积 (m2) , n 为 i 景观组分的斑块数量.
　　景观组分的平均斑块面积可表示该景观组分的破碎化
程度 ,反映景观的异质性特征. 平均斑块面积 :
　　M PS i = A i / ni
　　斑块形状指数反映斑块形状的复杂程度以及景观空间
结构的形状特征与可能的演化趋势. A W MS I ≥1 , A W MS I
随斑块形状的不规则性增加 ,当景观中所有斑块为正方形
时 , A W MS I = 1 . 斑块形状 :
　　A W MS Ii = ∑
n
j = 1
[ (0. 25 Pij / aij ) ( aij / A i) ]
式中 , Pij为景观组分某斑块周长 (m) , hij为从某斑块到同类
斑块的最近距离 (m) . 用邻近度指数度量同种景观组分各斑
块间的邻近程度 ,反映景观格局的破碎程度. 邻近度指数越
大 ,表明其连接度高 ,破碎化程度低. 邻近度 :
　　M PIi = ∑
n
j = 1
aij
hij2
/ ni
　　分形指数是景观组分中单个斑块的分维数以面积为基
准的加权平均值 ,用以度量景观组分边界的复杂程度. 分形
指数 :
　　M PFDi = ∑
n
j = 1
[21n (0. 25 Pi) / ln ( aij) ( aij / A i) ]
1 ≤M PFD ≤2
　　用景观组分斑块的平均最近距离度量同种景观组分斑
块间的相隔距离 ,揭示景观格局的团聚与分散程度. 平均最
近距离 :
　　M N N i = ∑
n
j = 1
hij / ni
072 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
3 　结果与分析
311 　景观格局的总体特征
　　研究区总面积 732. 49 km2 ,有 11 个景观组分 ,
共有斑块 495 个 ,各景观组分的面积、周长和斑块数
极不均衡 (表 1) . 草地面积最大 ,占全区总面积的
57. 7 %. 在整个景观中 ,草地占绝对优势 ,是景观的
基质 ;其次是青海云杉林、灌木林和裸地 ,分别占总
面积的 16. 3 %、14. 5 %和 9. 9 % ,分布于基质中.
312 　主要景观组分的空间分布特征
　　由表 1 可见 ,研究区的主要景观组分是草地、云
杉林、灌木林和裸地 ,四者占总面积的 98. 4 %. 景观
组分在空间上的分布极不均衡. 用 Arc view 的空间
分析模块将高程图和坡向图重新分类 ,再用地图计
算功能 , 同主要景观组分进行叠加 ,得出主要景观组
分在不同海拔高度、不同坡向上的分布情况(表 2、3) .
表 1 　西水自然保护站景观格局总体特征及景观指数
Table 1 Overall landscape characteristics and landscape indices in Xishui Natural Reserve
特征参数
Parameter
景观
Overall T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11
斑块数 Patch number 495 1 6 11 1 2 352 6 35 6 69 6
斑块总面积 Total patch area (km2) 732. 49 0. 13 5. 52 2. 39 0. 04 0. 06 119. 37 2. 81 105. 87 0. 85 422. 08 72. 64
平均斑块面积 Mean patch area (km2) 1. 48 0. 13 0. 92 0. 22 0. 04 0. 028 0. 34 0. 47 3. 03 0. 14 6. 13 12. 11
最小斑块面积 Min. patch area (km2) 0. 003 0. 13 0. 31 0. 06 0. 04 0. 025 0. 01 0. 17 0. 05 0. 02 0. 003 0. 07
最大斑块面积 Max. patch area (km2) 338. 14 0. 13 2. 06 0. 54 0. 04 0. 032 19. 54 1. 21 27. 08 0. 33 388. 13 61. 35
斑块总周长 Total patch perimeter (km) 3103. 06 1. 59 43. 63 26. 48 0. 89 1. 38 1149. 13 24. 50 429. 18 10. 02 1284. 08 131. 82
平均斑块周长 Mean patch perimeter (km) 6. 27 1. 59 7. 27 2. 41 0. 89 0. 69 3. 27 4. 08 12. 26 1. 67 18. 61 21. 97
最小斑块周长 Min. patch perimeter (km) 0. 28 1. 59 3. 18 1. 20 0. 89 0. 65 0. 36 2. 22 0. 96 0. 53 0. 28 1. 33
最大斑块周长 Max. patch perimeter (km) 1067. 35 1. 59 13. 00 5. 29 0. 89 0. 74 103. 55 7. 58 109. 55 2. 87 1067. 35 99. 36
斑块形状 AWMSI - 1. 77 2. 45 1. 71 1. 42 1. 28 4. 14 2. 02 4. 02 1. 61 15. 69 3. 59
邻近度 MPI - 0. 02 0. 28 0. 07 0. 01 0. 004 3. 14 0. 17 3. 70 0. 05 52. 9 8. 38
分形指数 MPFD 1. 3518 - - 1. 2145 - - 1. 4502 - 1. 3928 - 1. 4185 -
平均最近距离 MNN - - 912. 08 1727. 07 - 17787. 8 159. 36 612. 22 883. 91 526. 30 154. 67 864. 51
T1 :未成林地 Unmature forest ; T2 :宜林地 Suitable foresting2land ; T3 : 疏林地 Sparse woodland ; T4 :针叶混交林 Mixture conifers forest ; T5 :杨桦阔
叶林 Poplars forest ; T6 :青海云杉林 Picea crassif olia forest ; T7 :祁连圆柏林 S abina przew alskii forest ; T8 :灌木林 Shrub forest ; T9 : 农田 Farmland ;
T10 :草地 Grassland ; T11 : 裸地 Bare land. 下同 The same below.
表 2 　西水自然保护站主要景观组分在不同高度的分布
Table 2 Distribution of main landscape elements at different altitudes in Xishui Natural Reserve( km2)
景观组分
Landscape
elements
海拔高度 Altitude (m)
1 720～2 100 2 100～2 500 2 500～2 900 2 900～3 300 3 300～3 700 3 700～4 100 4 100～4 500 4 500～4 700
T6 0 0. 55 51. 40 65. 29 2. 20 0 0 0
T8 0. 59 1. 13 3. 75 35. 22 56. 43 8. 65 0. 10 0
T10 19. 54 79. 46 190. 40 89. 37 18. 81 18. 38 6. 09 0
T11 0 0 0 1. 14 20. 37 35. 35 14. 56 1. 12
　　受海拔和气候的影响 ,4 种主要景观组分在不
同的海拔分布极不均衡. 从表 2 可以看出 , 青海云
杉林在 2 900～3 300 m 分布最多 (65. 29 km2) ,占
其总面积的 54. 69 % ,分布在 2 500～2 900 m 的青
海云杉林占其总面积的 43. 06 % ,二者占青海云杉
林总面积的 97. 75 % , 在 2 100～2 500 和 3 300～3
700 m 有零星分布 ;灌木林在海拔 3 300～3 700 m
的地带分布最多 ,草地则在海拔 2 500～2 900 m 地
带分布最多 ;由下向上形成草原荒漠带、森林草原
带、森林灌丛带和草甸荒漠带景观.
　　在西北干旱山区 ,同一海拔高度 ,阳坡的蒸发量
大于阴坡 ,阴坡的湿度高于阳坡. 表 3 中的数据表
明 , 研究区各景观组分的空间分布受坡向影响较
大. 青海云杉林在阴坡分布最多 (66. 04 km2) ,占其
总面积的 55. 52 % ,半阴坡次之 ,占其总面积的
36. 32 % ,二者占总面积的 91. 84 % ,在半阳坡只有
零星分布 ,阳坡则没有 ;灌木林和草地在各坡向上的
分布较为均衡 ,但灌木林在阴坡分布偏多 ,而草地在
阳坡分布偏多.
313 　景观格局指标与结果分析
表 3 　西水自然保护站主要景观组分在不同坡向的分布
Table 3 Distribution of main landscape elements at different aspects in
Xishui Natural Reserve( km2)
景观组分
Landscape
elements
阴坡
Aspect of north
and northeast
(337. 5°～67. 5°)
半阴坡
Aspect of east
and northwest
(67. 5°～112. 5°,
292. 5°～337. 5°)
阳坡
Aspect of southe
and southwest
(157. 5°～247. 5°)
半阳坡
Aspect of southeast
and west
(112. 5°～157. 5°,
247. 5°～292. 5°)
T6 66. 04 43. 35 0 8. 03
T8 37. 74 29. 24 16. 88 22. 01
T11 83. 05 107. 13 133. 91 97. 99
T10 28. 31 21. 86 8. 38 14. 09
　　由表 1 可看出 , 草地的斑块面积、斑块形状指
数和邻近度指数都大于其他景观组分 ,说明该类景
观组分在整个景观中占据绝对优势 ,连结性、完整性
较其他景观组分好 ,分形指数也较大 ,说明其斑块形
状较为复杂 ,受到强烈的干扰.
1722 期 　　　　　　　　　　　　　杨国靖等 :中祁连山浅山区山地森林景观空间格局分析 　　　　　　　　
　　青海云杉林的斑块数最多 (352 个) ,约占总斑
块数的 71. 1 % ,但其面积仅占总面积的 16. 3 % ,因
此具有较小的平均斑块面积 ;与其它景观组分相比 ,
该景观组分具有较大的斑块形状指数和分形指数 ,
其斑块形状极不规则 ,但其邻近度指数在 4 种主要
景观组分中又是最小的 ,说明该景观组分斑块面积
小 ,分布零散 ,各斑块之间的距离又较近 ,所以最容
易受干扰而发生变化. 在 4 种主要景观组分中 ,灌木
林的斑块面积小于青海云杉林的斑块面积 ,但平均
斑块面积要远远大于青海云杉林 ;斑块形状指数和
分形指数也均小于青海云杉林 ,但邻近度指数较大 ,
表明该景观组分的斑块形状比青海云杉林规则 ,受
到的干扰也较小 ,分布较为团聚 ,表现出较强的扩张
特征.
　　除 4 种主要景观组分外的其它几种景观组分 ,
宜林地和祁圆连柏林的斑块面积 ;斑块形状指数和
邻近度指数均大于农田、疏林地、杨桦阔叶林、针叶
混交林和未成林地 ,表现出较强的扩张特征 , 而祁
连圆柏林的空间分布又较其它景观组分相对集中.
　　在所有的景观组分中 ,分布在海拔较低的杨桦
阔叶林的平均最近距离值最大 ,平均斑块面积最小 ,
表明该类景观组分最为破碎 ,斑块相隔距离大而分
散 ,斑块之间的邻接性很差.
4 　讨 　　论
　　通过上述分析可知 , 研究区各景观组分分布极
不均衡 ,草地大多分布在海拔 2 100～3 300 m ,阳坡
分布面积偏大 ,在整个景观组分中占绝对优势 ,连结
性和完整性最好 ,在整个景观功能上起着重要作用
(即能流、物流和物种流) . 青海云杉林是该区域的顶
极群落 ,一旦遭受火灾、人为破坏或过度采伐 ,都将
迅速演变成灌木林或灌丛 ,如继续破坏则将沦为草
地. 青海云杉林大多分布在海拔 2 500～3 300 m 的
阴坡和半阴坡 ,半阳坡有零星分布 ,其斑块形状最为
不规则 ,平均斑块面积小而距离近 ,最容易因受到干
扰而发生重大变化 ,应重点保护 ,以维持整个生态系
统的稳定. 灌木林大多分布在海拔 2 900～3 700 m ,
阴坡分布面积大于阳坡 ,表现出较强的扩张特征 ,这
同成立自然保护区 ,使其免受过度干扰 ,而迅速繁衍
密切相关. 宜林地和祁连圆柏林相对于农田、疏林地
也有较强的扩张特征 ,除因受到保护而免受不良干
扰外 ,主要是人工造林的结果. 在所有景观组分中 ,
杨桦阔叶林破碎化状态最为严重 ,斑块相隔距离大
而分散 ,斑块之间的邻接性很差. 这是因为杨桦阔叶
林生长在低海拔地区 ,更易受人为干扰和破坏.
　　祁连山地的生态环境关系着我国西北地区乃至
全国社会经济的可持续发展. 人类在利用山地资源
的同时不可避免地会带来一些对生态环境的不利影
响.西水自然保护站是中祁连山的浅山区 ,长期以
来 ,林牧矛盾非常突出 ,病虫害严重 ,加之众多小煤
矿的滥挖乱开 ,对其生态环境造成了一些负面影响.
自 1988 年成立自然保护区以来 ,其情况稍有改观 ,
但存在的各种矛盾并未得到彻底解决. 因此 ,祁连山
地的生态环境必须以保护为主 ,尽量减少各种对生
态环境不利的干扰 ,加强区域生态景观建设和生态
安全控制.
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作者简介 　杨国靖 ,女 ,1975 年生 ,博士生 ,主要从事景观生
态学和生态旅游方面的学习和研究. E2mail : ygj7518 @163.
com
272 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷