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Analysis of the landscape diversity dynamics of small watershed in the Loess Plateau

黄土高原小流域景观多样性动态分析



全 文 :黄土高原小流域景观多样性动态分析*
王晓燕1, 2  徐志高3  杨明义1* *  田均良1
( 1 长沙理工大学,长沙 410076; 2 中国科学院水利部水土保持研究所土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,杨凌 712100;
3 国家林业局中南林业调查规划设计院,长沙 410014)
摘要  以纸坊沟为例, 在地理信息系统支持下获得计算景观多样性的有关参数,运用斑块大小及数量、
平均分维数、多样性指数、优势度、均匀度、破碎度和聚集度等指标,对黄土高原小流域 40 年来景观多样性
动态变化进行了分析. 结果表明, 40 年来, 在以人类活动干预和植被内源演替为主要驱动力的共同作用
下,该流域斑块总数增加,旱地基质逐渐被林地、草地等其它景观基质所取代, 景观格局趋于破碎, 景观类
型多样性和均匀度增加, 且后 20 年景观多样性的变化幅度远远大于前 20 年的变化幅度. 目前流域已经由
1958 年以旱地为基质的高度均质化的景观生态系统转化为与当地地带性景观相适应的以草地和林地为
基质的高度异质化的景观生态系统, 生态系统结构、功能已具有较强的稳定性.
关键词  土地利用  景观多样性  动态  黄土高原
文章编号  1001- 9332( 2004) 02- 0273- 05 中图分类号  Q143  文献标识码  A
Analysis of the landscape diversity dynamics of small watershed in the Loess Plateau. WANG Xiaoyan1, 2, XU
Zhigao3, YANG Mingy i1, T IAN Junliang1 ( 1Changsha Science and Technology University , Changsha 410076,
China ; 2State Key L aboratory of Soil Erosion and D ryland Farming on L oess Plateau, Insitute of Soil and Wa
ter Conser vation, Chinese A cademy of Sciences and Ministr y of Water Resources , Yangling 712100, Chi
na; 3S tate Forestr y Administr ation Central South Fores t I nvestigating and Planning Institute, Changsha
410014, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2004, 15( 2) : 273~ 277.
Taking Zhifanggou Gully as t he study area, some landscape div ersity indexes w ere attained under the support of
GIS technology. U tilizing the indexes such as patch size, average fractal dimension, diversity index , dominance,
evenness, fragmentation and conglomeration, the changes of landscape diversit y in the small watershed in Loess
Plateau during the past 40 years w ere studied. The landscape div ersities had been increasing for the recent 40
years due to the effect of bot h human activity and plants endogenesis succession. The patches number in
creased, and the dr yland matrix was substituted gr adually by ot her matr ixes such as meadow and woodland. The
landscape pattern trended to be fragmentized and the indexes of landscape type diversity and evenness increased,
while landscape div ersities changed greater dur ing 1978~ 1998 than during 1958~ 1978. Homogeneous dryland
matrix landscape ecosystem in 1958 had already changed into hetero geneous meadow and woodland matrix land
scape ecosystem, w hich had greater structure stability and str onger function t han befor e.
Key words  Loess Plateau, Land use, Landscape diversity, Dynamics.
* 中国科学院知识创新项目 ( KZX106 )、国家自然基金项目
( 40071059)和中国科学院  西部之光资助项目.
* * 通讯联系人.
2002- 06- 24收稿, 2003- 03- 18接受.
1  引   言
景观多样性是指景观单元在结构、功能及其时
间变化方面的多样性,可分为斑块多样性、景观类型
多样性和格局多样性 3 种类型, 它们从不同的侧面
揭示了景观的复杂程度[ 4, 6, 13] , 是景观水平上生物
多样性的表征. 在景观水平上保证景观多样性就能
保证多种生态系统共存并与异质的立地条件相适
应,使景观的总体生产力水平达到最高,各种功能发
挥正常,景观生态系统的稳定性达到一定的水平. 景
观多样性是普遍存在的, 它主要表现在两个方面: 一
是因为立地条件不同而形成不同的生态系统; 另一
方面是由于干扰的结果[ 8, 15] . 在生物多样性 4 个层
次的研究中,对物种和生态系统层次的多样性研究
较多[ 3, 12] ,而景观多样性的研究则是近几年来受到
重视并发展起来的[ 2, 4, 6, 9, 11] . 傅伯杰等[ 5]对黄土区
农业景观空间格局进行了分析, 马克明等[ 10]、郭晋
平等[ 7]对森林景观格局多样性进行了研究.陕北黄
土高原区由于曾受到强烈干扰, 自然景观被破坏殆
尽,从而形成高度均质化的人工或半人工景观. 对该
区景观多样性的动态进行研究, 有利于了解景观多
样性与自然生态过程和社会经济活动之间的关系,
对黄土高原区土地资源合理利用和景观设计、规划、
管理及区域可持续发展有重要意义.
应 用 生 态 学 报  2004 年 2 月  第 15 卷  第 2 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Feb. 2004, 15( 2)273~ 277
2  研究地区与研究方法
21  研究地区概况
纸坊沟小流域位于陕北中部,延河一级支流杏子河的下
游( 1091457~ 109154E, 364457 ~ 36457N) , 面积
8. 27 km2. 流域内梁峁起伏, 地形破碎, 沟壑密度高达 8. 06
kmkm- 2, 海拔高度在 1 100~ 1 400 m 之间,上下游沟床高
差 210 m, 平均纵比降 37  ,沟谷大部分已切入基岩.地带性
土壤为黑垆土,但大部分流失无存, 现黄绵土分布占总面积
的77. 1% . 纸坊沟流域属暖温带半干旱森林草原气候区, 年
日照总时数 2 415. 6 h, 年辐射量 55. 44 Jm- 2 , 年均温 8. 8
 , 10  积温 3 113. 9 , 平均无霜期 159 d, 年平均降水
量 549. 1 mm,但分布不均, 7、8 和 9 月降水占总降水量的
55%以上,且多以暴雨形式出现.
22  研究方法
221 景观类型划分  本研究以纸坊沟流域 1958、1978 和
1998 年 3 期 110 000 土地利用现状图作为基本分析图件.
根据研究目的,将 3 期土地利用现状划分为以下 8 个景观类
型: 1)水浇地,指有水源保证的灌溉设施, 能灌溉的川台、沟
台耕地; 2)旱地, 无灌溉设施, 靠天然降水生长作物的沟台
地、塌地、坡地、挂坡地及梯田等耕地; 3)园地,种植苹果、杏、
核桃、山楂、枣等果树的土地; 4)林地, 包括有林地、疏林地、
造林未成林地和灌木林地; 5)草地, 包括天然草地、改良草
地、人工草地、岩石坡草地及草农带状间轮作地; 6)居民地,
指农村居民点或集镇; 7)水域 ,指河床和水库; 8)未利用地,
指对荒坡草地和裸岩、石砾地. 绘出各类景观斑块,并清绘成
图,应用武汉地质大学研制开发的 MAPGIS 软件数字化输
入3 期景观图及相应的属性数据, 利用 MAPGIS 属性管理
功能输出的有关数据作为研究景观多样性的基本参数, 测定
斑块多样性、类型多样性以及格局多样性等各种指标, 分析
纸坊沟流域景观多样性的动态变化.
222 斑块多样性的测定  包括斑块的大小和分维数( D) .
斑块的大小(面积、周长)直接影响物质、能量的蓄存及物种
组成, 斑块周长( P)与斑块面积( A )有关, 并影响边缘效应.
D 反映斑块的形状复杂程度, 其表达式为: D = 2log( P / 4) /
logA .理论上 D  ( 1. 0, 2. 0) , 1. 0 代表形状最简单的正方形
斑块, 2. 0 代表等面积下周边最复杂的斑块.
223 类型多样性的测定  类型多样性指标主要包括多样
性指数、优势度和均匀度指数. 多样性指数反映景观要素的
多少和各景观要素所占比例的变化. 当景观均质时, 多性指
数为 0, 组成景观的各要素比例越接近,其多样性越大, 反之
则越低.根据信息论原理, 景观类型多样性指数可以表示为:
H= - m
i= 1
P ilnP i, 其中, m 为景观类型数, P i 为第 i 类景观
所占比例.优势度指数表示景观多样性对最大多样性的偏离
程度,或描述景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程
度.优势度越大,表明组成景观各景观类型所占比例差异越
大;优势度小, 表明组成景观各景观类型所占比例大致相当;
优势度为 0, 组成景观各景观类型所占比例相等. 优势度
( D d)表达式为: D d= H max+ m
i= 1
P i lnP i ,其中, H max= lnm , m
为景观类型总数, P i 定义同前. 均匀度指数( E)反映景观里
不同景观类型的分配均匀程度, 其计算式为: E = ( H / H max)
 100% ,式中, H 表示修正了的 Simpson 指数, H max是最大
可能均匀度. H 计算公式为: H = - ln[ m
i= 1
( P i )
2 ] , H max和 P i
定义同前.
2 2 4 格局多样性的测定  格局多样性指标主要包括景观
聚集度指数( R C)和破碎度指数( FN ) . R C表示不同景观类型
的团聚程度,其计算式为: RC= 1- C / Cmax, 其中 C 为复杂
性指数, C max为 C 的最大可能取值. 而 C 和 Cmax的计算式分
别为: C = - m
i= 1
m
j= 1
 logP ij , Cmax= m lo gm , 其中 P ij是景观类
型 i 与 j 之间为邻的概率, m 为景观类型总数. 在实际计算
中 P ij由下式估计: P ij = E ij / N b ,式中 E ij是相邻景观类型 i
与 j 之间的共同边界长度, N b 是景观中不同景观类型间边
界的总长度. FN 指景观被分割的破碎程度,它在一定程度上
指人为对景观的干扰程度, 其计算式为: FN1 = ( N P - 1) /
N C, FN2= M PS ( N F- 1) / N C , 其中, N C 是用删格个数表示
的研究区景观总面积(该数字由景观总面积除以最小斑块面
积得到 ) , N P 是景观内斑块总数, M PS是景观中各类斑块的
平均面积, N F 是类斑的个数, F N1为整个区域景观的破碎
度, FN2为区域内一景观类型的破碎度. F N1、FN2  ( 0, 1) , 0
表示景观完全未被破坏, 1 表示完全被破坏.
3  结果与分析
31  斑块多样性分析
  斑块多样性的动态变化对景观多样性的形成与
再分布具有重要的意义.运用上述指标,对纸坊沟不
同时期景观类型的斑块多样性特征进行了研究(表
1) . 纸坊沟斑块多样性的变化特点是: 从 1958年到
1998年斑块总数由 84 个增加到 206 个, 各种类型
斑块面积和平均分维数变化很大. 其中水浇地斑块
数目未变,而由于灌溉设施的完善,面积在 20世纪
70年代达到最大后一直未变, 其平均分维数 1958
年最大,说明通过修整后形状也变得更加简单. 园
地、林地斑块数目和总面积增加最快,分维数增加最
多,说明 20世纪 70 年代后果园及乔灌林得到了很
大的发展.通过图形叠置比较,发现乔灌林大部分由
草地转化而来,植被恢复过程中执行了先草后林
的策略.草地数目基本未变而面积增加,平均分维数
减小,表明形成了团聚的大斑块, 形状变得简单. 随
着水库的修建,水域数目、面积都增加, 平均分维数
稍有增加,旱地斑块数目增加, 但面积由 1958年的
55. 6%减少到 1998年的 25. 4% ,形状更加复杂.因
为在早期只要能开垦为旱地的梁峁顶、梁峁坡都被
274 应  用  生  态  学  报                   15卷
表 1  不同时期景观类型的斑块数量特征
Table 1 Numerical characteristics of patch of landscape types in different times
指标
Index
年份
Year
水浇地
Irrigable land
旱地
Dry land
园地
Orchard
林地
Wood land
草地
Meadow
居民地
Village
水域
Water area
未利用地
Unutilized land
斑块数 1958 6 34 2 1 30 5 1 5
Patches number 1978 6 52 10 15 30 5 3 1
1998 6 49 29 29 29 6 4 2
面积 1958 5. 524 459. 475 0. 805 1. 073 262. 685 5. 162 3. 317 88. 960
Area( hm 2) 1978 15. 404 418. 505 11. 008 23. 399 264. 402 5. 707 4. 925 83. 651
1998 15. 404 210. 583 50. 224 194. 214 340. 162 6. 114 4. 684 4. 684
面积百分比 1958 0. 668 55. 559 0. 097 0. 130 31. 764 0. 624 0. 401 10. 757
Area percent 1978 1. 859 50. 701 1. 328 2. 824 31. 909 0. 689 0. 594 10. 095
1998 1. 859 25. 464 6. 073 23. 484 41. 132 0. 739 0. 685 0. 566
周长 1958 3. 273 109. 67 0. 552 0. 607 95. 671 3. 016 3. 160 30. 964
Perimeter( km ) 1978 4. 515 108. 357 5. 426 10. 497 98. 044 3. 296 4. 379 27. 977
1998 4. 515 73. 921 19. 269 55. 233 77. 196 3. 923 5. 047 3. 467平均分维数 1958 1. 216 1. 323 1. 082 1. 069 1. 354 1. 209 1. 268 1. 297
Average fractal 1978 1. 166 1. 329 1. 231 1. 262 1. 357 1. 214 1. 282 1. 288
dimension 1998 1. 166 1. 339 1. 281 1. 307 1. 302 1. 237 1. 292 1. 245
图 1  纸坊沟 1958~ 1998年旱地面积及其分布的变化
Fig. 1 Changes of dry land area and it s dist ribut ion in Zhifanggou during 1958~ 1998.深色为旱地,白色为其它 Dark color means dry land,w hite means others.
图 2  纸坊沟 1958~ 1998年草地面积及分布变化图
Fig. 2 Changes of forest ry and meadow areas and their distribut ions in Zhifanggou during 1958~ 1998.
浅色为草地,深色为草地,白色为其它 Undertone means meadow , dark color m eans woodland,w hite mesans other.
2752 期               王晓燕等:黄土高原小流域景观多样性动态分析        
开垦,后来坡度较大的退耕还林(草)或开为梯田或
转为果园, 在沟口两侧各有一块 5 hm2 水利条件较
好的旱地被修整为水浇地.未利用地后 20年面积减
少 94. 4%,到 1998年只剩下 2块总面积不到 6 hm2
的裸露基岩地, 平均分维数减小,表明分布于沟底的
未利用地的面积的消长与梁峁坡及梁峁顶上的无水
保措施的旱地面积呈正相关. 无水保措施的旱地面
积越广,水土流失越严重,沟底地常被冲刷而无法利
用,水土流失减弱后, 这些地又恢复为林地、草地或
开为耕地.由图 1和 2比较可知,到 1998年, 已经从
以旱地为基质的景观转变为以草地和林地为基质的
景观. 根据景观生态学的渗透理论和景观中性模
型[ 12] ,占总面积 64. 6%的林草地已经超过生境斑
块连通阈值 60%, 表明该景观要素在结构和功能上
都是连通的,并具有较大的稳定性.
32  景观类型多样性动态分析
  类型多样性的生态意义主要表现为对生物多样
性的影响,同时对径流、侵蚀等生态过程也产生重要
影响. 纸坊沟不同时期景观类型多样性差异比较明
显(表 2) , 1958年其景观多样性和均匀度低, 而优势
度高,反映由于受当时各种条件及政策的影响,进行
最大程度的开垦, 导致高度均质化的旱地景观占绝
对优势,其它各类景观所占的比例小, 而且极不均
匀,景观单调,生态系统结构简单, 功能发挥受到限
制.这种景观结构无法对径流进行有效调控, 当时该
区土壤侵蚀模数高达 14 000 tkm- 2[ 1] , 到 1978年
多样性指数和均匀度指数有所升高,优势度也降低,
说明当时对这种退化生态系统采取了一定的治理措
施, 各种利用类型的土地面积比例有所调整. 到
1998年多样性指数、均匀度指数显著增高, 优势度
显著降低,表明过去结构简单、高度均质化的景观已
经被复杂化的异质景观所取代,生态系统得到优化,
且流域的输沙模数已减至 2 239 tkm- 2[ 3] ,水土保
表 2  不同时期景观类型多样性的数量指标
Table 2 Numerical indices of landscape types diversi ty in different
times
年份
Year
多样性指数
Diversity
index
优势度指数
Predominance
均匀度指数
Evenness
1958年 1. 0333 1. 046142 41. 58
1978年 1. 23732 0. 842142 47. 75
1998年 1. 39783 0. 681612 58. 80
持效果非常明显,各生态系统功能发挥较好, 生产力
显著增高.
33  景观格局多样性动态分析
  格局多样性是指景观类型空间分布的多样性及
各类型之间以及斑块与斑块之间的空间关系与功能
的联系.从表 3可以看出,纸坊沟景观格局多样性的
破碎度指数( FN1)从 1958年的 0. 006增加到 1978
年的 0. 008和 1998年的 0. 010, 聚集度指数( RC)从
1958年的 0. 932减少到 1978年的 0. 908,再减少到
1998年的 0. 830, FN1 和 RC从不同侧面反映了少
数团聚的大斑块逐渐瓦解, 小斑块数量增多,景观变
得破碎化,总体格局复杂化,表明旱地基质逐渐被其
它景观类型所取代,旱地景观对其它景观类型的隔
表 3  不同时期景观格局多样性数量指标
Table 3 Numerical indices of landscape spatial structure in di fferent
times
指标
Index
年份Year
1958 1978 1998
破碎度指数 0. 006 0. 008 0. 010
Fragmentation
聚集度指数 0. 932 0. 908 0. 830
Conglomerat ion
离程度减小, 与之相应的是其它景观类型的连接度
增加.这种格局使整个景观内部相互作用增强, 加强
了物种、物质和能量的交换, 加快了物种的传播, 有
利于提高生物多样性, 增强生态系统的稳定性[ 12] .
有关资料表明[ 1] , 这种格局有利于保土保肥, 减少
水土流失,特别是坡耕地转为林地、草地或梯田园地
之后,其作用更加显著. 据傅伯杰[ 5]研究, 在地形转
换线周围,栽植数十米宽的灌木林带,其生态学意义
重大.
34  纸坊沟景观多样性动态变化的驱动机制
  从表 1 可知, 纸坊沟从 1958 年至 1978 年和
1998年土地利用方式和面积比例发生了很大的变
化. 20世纪 40年代以前, 该流域人口稀少, 耕垦指
数很低( 13. 4%) , 林草茂盛[ 1] ; 此后至1958年, 由于
人口的不断增加, 特别是某些政策带来的短期行为,
使流域的森林植被全部被破坏. 从图 1、2可以看出,
1958年该流域除了沟谷为草地和其它以外, 其余均
为旱地, 形成典型的以旱地为基质的高度均质化的
景观类型.从 1958年到 1978年间,流域遭受了继续
破坏和逐渐恢复两个阶段. 三年困难和文化大革
命时期强调单一抓粮食生产,造成该地区水土流失
进一步加剧. 1973年以后, 中国科学院水利部水土
保持研究所开始对该流域进行水土保持综合规划和
治理,水浇地、果园、林地斑块数和面积增加,旱地基
质逐渐被其它的景观所分割和代替, 景观多样性增
加. 1978年以后, 虽然在实行生产责任制后一段时
间里曾出现复垦, 但由于国家对黄土高原治理的重
视,尤其是该流域被列入陕西省和国家重点科技项
目,加大农业科技投入, 加强治理力度, 引导农民合
276 应  用  生  态  学  报                   15卷
理布局并调整农业产业结构, 鼓励农民退耕还林还
草,旱地面积大为减少, 林草地面积大大增加, 其它
景观类型面积也发生变化. 至 1998年, 该流域景观
已经转变成以林草地为基质的高度异质化的景观类
型,这种景观格局的形成又使整个景观内部相互作
用增强,植被向内源演替方向发展. 由此可见, 人为
干预引起土地利用方式的改变和植被的内源演替是
纸坊沟流域景观多样性变化的主要驱动力.
4  结   论
41  从 1958年到 1998年,纸坊沟流域斑块多样性
增加, 总斑块数大为增加, 旱地斑块数和分维数增
加,但面积减少,林地、果园斑块数、面积及分维数均
增加, 草地的斑块数基本没有变化, 但 1978年以后
草地面积增加很快,原来的未利用地逐渐恢复为林
草地或耕地.流域在前 20 年景观多样性变化很小,
后 20年景观多样性显著增加.
42  40年来, 流域景观类型多样性指数和均匀度
指数增加,优势度指数减少,景观格局的破碎度指数
增加,聚集度指数减少,流域从以旱地为基质的高度
均质化的人工脆弱景观生态系统转变为与当地地带
性森林草原气候相适应的、以草地、林地为基质的高
度异质化的景观生态系统. 林草地面积比例超过了
生境斑块的连通阈值 60%, 其结构和功能具有较强
的稳定性.
43  40年来, 纸坊沟流域景观多样性增加呈现先
慢后快的特点, 主要与土地利用方式的变化有关, 而
该流域土地利用的变化又与政策息息相关;另外, 这
也与植被在发展演替的初始阶段呈现先快后慢的规
律有关.因而,人为干预引起土地利用方式的改变和
植被的内源演替是纸坊沟流域景观多样性变化的主
要驱动力.
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作者简介  王晓燕, 女, 1973 年生,博士研究生,主要从事土
壤侵蚀研究新技术新方法及生态环境演变方面的研究,发表
论文 10 篇. Email: w_xiaoyan@ 163. com.
2772 期               王晓燕等:黄土高原小流域景观多样性动态分析