全 文 ：人工绿洲潜在景观格局及其与现实格局的比较分析*
贾宝全* * 慈龙骏 杨晓晖 (中国林业科学研究院林业研究所 ,北京 100091)
杨洁泉 潘伯荣 (中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐 830011)
摘要 基于理论分析与实证研究的结合, 探讨了农业景观中潜在景观格局的概念、潜在格局分析单元等理论
问题; 并以新疆石河子垦区的 150 团场为例, 用景观多样性、均匀度、嵌块体伸长度、聚集度、形状破碎化、分维
数等量化指数, 对其潜在格局进行了分析,与以 1982 和 1995 两个年度的土地利用现状为分类基础的现实格局
进行了比较. 结果表明,从潜在格局到现状格局均呈现出有规律的变化.因此,用土壤类型的不同分类单元完全
可以作为现实格局变化的绝对基准.
关键词 人工绿洲 潜在格局 现实格局
Comparison analysis between potential and actual pattern of artificial oases in arid region. JIA Baoquan, CI Longjun
and YANG Xiaohui ( I nstitute of Forestr y , Chinese A cademy of For estry , Beij ing 100091) , YANG Jiequan and PAN
Borong ( X inj iang Institute of Ecology and Geography , Chinese A cademy of Sciences , Urumqi 830011) . Chin. J .
A pp l . Ecol . , 2000, 11( 6) : 912~ 916.
Based on theoretical analysis and demonstration r esearch, the conception of potential pattern in the agriculture land
scape o f artificial oases in X injiang arid region and its analysis unit were discussed. The potential landscape pattern was
defined as the one composed by spat ial units w ith basic char acterist ics and properties w hich had no change or less
change w ith the time. In agriculture landscape, soil was found to be a r elatively stable element, and hence, different soil
classification unit could be used to analyze the potential landscape pattern. A case study w as carried out to analyze the
potential and actual pattern of the artificial o ases in Shihezi reclamation area by using t he indexes of diversity , even
ness, ag gregation, mean patch elongat ion, patch shape fragmentation and mean patch fractal dimension. T he r esult
showed t hat the landscape pattern changed orderly from the potential to actual pattern, and the potent ial pattern could
be used as the absolute cr iter ion for r esearches on pattern changes in agriculture landscape.
Key words Artificial oases, Potential pattern, Actual pattern.
* 中国科学院重大项目( KZ951B1213) 和国家自然科学基金重大
资助项目( 39990490) .
* * 通讯联系人.
2000- 04- 03收稿, 2000- 07- 03接受.
1 引 言
景观格局研究是景观生态学中的基础性核心研究
领域之一,从目前格局分析的研究成果看,其主要集中
于两个方面[ 1, 5, 7~ 11] :一方面是静态的格局分析,主要
探讨景观的空间异质性问题;另一方面是在相对稳定
的空间地域上探讨景观格局随时间的变化情况,即时
间异质性问题. 在后一种情况下,由于没有稳定的参照
系,研究者往往很难对这种结果的优劣直接作出判断,
而这种判断对于格局分析之后的后续应用研究又是极
其重要的,这在农业景观中表现得尤为突出. 基于此,
本文选择新疆石河子地区的 150 团场为研究靶区, 对
这一问题进行探讨, 以期能获得对以后相关研究具有
一定指导意义的成果.
2 研究地区与研究方法
21 自然概况
150 团场地处新疆准噶尔盆地西南缘, 深入古尔斑通古特沙
漠60km,是本世纪 50 年代广大军垦战士在亘古荒原上建立起来
的一块现代绿洲. 全团总面积 451km2, 地势自东南往西北倾斜,
地面坡降仅 0. 74! . 年降水量 117. 2mm, 平均潜在蒸发为
1942mm,年均气温 6. 1∀ .主要土壤类型有灰漠土、干青土(残余
沼泽土)、堆垫土、风沙土、盐土 5 个土类, 共计 10 个亚类、11 个
土属、26个土种(表 1) .截止 1995 年共有耕地 1. 24 # 104hm2, 人
口20240 人.为了探讨景观格局的区域差异, 依据农业生产条件
相对一致性、农业经济、生产现状和发展方向一致性以及行政区
划的相对完整性等原则,将团场自南而北共划分为:南部粮棉灰
漠土区(简称南部区) ,中部粮棉干青土区(中部区)和北部粮棉
羊灰漠土区(北部区)等 3个亚区(图 1) .
22 研究方法
221 潜在格局的概念 Forman 等[ 2]根据景观受人类干扰的
程度, 而将景观划分为自然景观、管理景观、耕作景观、城郊景
观、和城市景观等 5 类, 并沿上述顺序, 其受人类干扰的程度在
逐渐增强. 从起源上讲, 一切人工景观, 包括耕作景观、城郊景
观和城市景观,均起源于自然与管理景观. 由于不同景观起源
上的差异,同样是格局分析, 同样的格局指数值, 其相互之间不
存在可比性,例如, 对于天然森林景观而言, 若其多样性指数为
3. 2;而对于农田景观 ,其多样性指数值为 2. 8,我们并不能据此
说明天然森林景观的多样性就一定比农业景观高, 因为二者起
源上的不同, 以及景观要素分类上的差异, 使得它们不是站在
应 用 生 态 学 报 2000 年 12 月 第 11 卷 第 6 期
CH INESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY , Dec. 2000, 11( 6)∃912~ 916
图 1 150团场区划图
Fig. 1 Regional ization map of 150 regim ent.
% 北部粮棉灰漠土区 North region, & 中部粮棉干青土区 Middle re
gion, ∋南部粮棉灰漠土区 South region .
表 1 150团土壤分类系统表
Table 1 Soil classification system of 150 regiment
土类 Soil type 亚类 Subtype of soil 土属 S oil genus
灰漠土 灌耕灰漠土 灌耕灰漠土
Gray desert Irrigated GDS Irrigated GDS
soil( GDS) 盐化灌耕灰漠土 盐化灌耕灰漠土
Sal ine irrigated GDS Saline irrigated GDS
盐化灰漠土 盐化灰漠土
Sal ined GDS Salined GDS
龟裂灰漠土 新垦龟裂灰漠土 New
Takyric GDS Cult ivited takyric GDS
沙丘间龟裂灰漠土
Takyric GDS among dune
干青土 灌耕干青土 Irrigated 低洼地灌耕干青土
Residual bog soil residual bog soil Irrigated residual
bog soil in low er land
堆垫土 灌耕堆垫 Irrigated 小干沟堆垫土 Irrigated
Accumulat ion soil accumulation soil accumulat ion soil
in the dry gully
风沙土 Sand soil 灌耕风沙土 沙丘边缘灌耕风沙土
Irrigated san d soil Irrigated sand soil at
the edge of sand dune
半固定风沙 盐化半固定风沙土
Sem ifixed sand soil Saline semif ixed sand soil
盐土 Solonchak 苏打盐土 Sodasolonchak 苏打盐土 Sodasolonchak
残余盐土 残余盐土
Residual solonchak Residual solonchak
相同的起点之上.随着人类活动范围的日益扩大, 正在有越来
越多的自然景观被人工景观所逐渐替代. 而我们在研究人工景
观格局时, 往往是针对不同的时间序列, 研究其格局的相对变
化情况,而一般不去探究其绝对变化值(对于一些景观类型而
言,这也是无意义的) . 其实, 只有绝对变化值才能反映出格局
变化的最本质根源, 而要探讨绝对变化, 则必须针对一定的景
观类型,寻求其基本上不随时间变化或变化甚微的格局形式,
以使不同时间序列都拥有一个共同的起始点作为参照系. 为
此,我们借鉴植被生态研究中( 潜在自然植被)的概念, 暂将上
述参照系统命名为潜在格局. 所谓潜在格局, 就是指由基本性
质不随时间变化或变化甚微的单元所构成的景观格局.
222 农业景观中潜在格局分析单元的确定 在农业景观中,
其主体组分是生物, 但这些生物不是自然选择的, 而是人工选
择的结果. 其环境组分主要包括气候、土壤、水. 由于气候因子
包括光、温、气等要素, 且其具有区域上的特点, 而区域又是高
于景观的另一更大尺度.因此, 虽说其在一定区域内变化不大,
但因尺度关系,显然其不能担当起潜在格局分析的重任. 而水
又是以液态形式穿流于土壤与生物之间, 仅起一个桥梁作用.
唯土壤因素在农业景观中相对比较稳定. 它是在自然环境条件
和人为生产活动的综合影响下而形成的客观实体, 不同自然条
件和人类影响下,形成了各种土壤类型.虽说农业土壤的形成、
发育主要受制于农业环境中的管理措施及人类的定向经营, 但
当其形成之后,并与生物一起构成农业景观的主体组分时, 其
变化仅是程度上的正向积累而已, 而其基本性质则相对稳定.
因此,可以用土壤类型来作为分析农业景观潜在格局的基本单
元.在土壤科学中, 土壤分类系统从上而下包括土壤纲、土壤
类、土壤亚类、土属、土种、土壤变种等不同级别, 到底以哪一级
分类单元作为分析农业景观潜在格局的基本单元, 这显然又系
另一问题.由于不同分类级别是与不同比例尺相联系的单元,
因此, 可以认为,在选用分析单元时,主要看研究区域的范围大
小以及成图比例尺. 对于 150 团场而言, 我们认为用土属与土
种均可以, 但以土种为最佳. 这是因为土种一方面系土壤分类
的最基本单元,它具有相同的母质基础、类似的发育程度、生产
性能和土体构型;另一方面, 它也是因土种植、因土利用和改良
的基本单位.
223 量化指标的选用 格局分析采用该团场 1∃2. 5 万的土壤
类型图(土种、土类)、1982 和 1995 年的土地利用现状图为基本
的信息源. 先在底图上依嵌块体分类系统进行类型勾划, 之后
再用数字化仪,以 ARC/ INFO GIS 软件进行数字化 ,再经编辑
作为分析用图件.最后根据格局分析指标的要求, 分别建立面
积、周长、边界等不同类型数据库,再用 C 语言依不同指标的要
求编写程序,调用上述数据库, 从而完成格局指数的计算工作.
格局分析中选用的数量化指标:
( a) 景观多样性指数( H) [ 3, 4, 6, 13] :
H = - m
i= 1
[ p ( i) # log2 ( pi ) ]
式中, p i是第 i类嵌块体占景观总面积的比例, m 是研究区景
观嵌块体的类型总数.
( b)均匀度指数( E ) [ 3, 4, 6, 13] :
E = ( H / H max ) # 100%
式中, E 是均匀度指数(百分数) , H 是修正了的 Simpson 指数,
H max是在给定丰度 m 条件下的景观最大可能均匀度. H 和
H max计算公式为: H = - log[ m
i= 1
p ( i ) 2 ] ; H max = log
( m) , p i 和
m 的定义同上.
( c) 聚集度指数[ 6, 13] : RC = 1 - C / Cmax
式中, RC 为相对聚集度指数, C 为复杂性指数, C max是 C 的最
大可能取值, C 和 Cmax的计算公式为 :
C = m
i= 1
m
j = 1
[ p ( i , j ) log[ p( i, j ) ] 和 Cmax = mlog ( m)
9136 期 贾宝全等:人工绿洲潜在景观格局及其与现实格局的比较分析
其中, p ( i , j )是景观要素 i 与 j 相邻的概率, m 是景观内景观
要素的类型总数,实际计算中, p ( i, j )可由式 p ( i , j ) = EE ( i,
j ) / N b 估计, 式中, EE ( i , j )是相邻景观要素 i 与 j 之间的共同
边界长度, N b是景观中不同景观要素之间边界的总长度.
( d) 嵌块体的分维数:
在景观生态学中,一般用嵌块体周长与面积的回归方程来
近似求取嵌块体的分维数,其公式表达为:
Log( L / 4)= K # log( A)+ C .
式中, L 为嵌块体周长, A 为相应嵌块体的面积, C 为常数, K
为斜率.分维数= 2K .
对于只有少数几个嵌块体的类型,其回归无意义, 故采用
式 D = 2log( P/ 4) / log ( A)近似求取分维数[ 4] . 式中, D 表示分维
数, P 为嵌块体周长, A 为嵌块体面积.
( e)嵌块体伸长指数[ 4] : G = P / A
式中, P 为嵌块体周长, A 为相应的嵌块体面积, G 为伸长指数.
( f)嵌块体形状破碎化指数[ 6, 12] :
FS 1 = 1- 1/ MSI
FS 2 = 1- 1/ ASI
MSI = m
i= 1
SI ( i ) / N
ASI = m
i= 1
A ( i ) SI ( i ) / A
SI ( i) = P( i ) / [ 4 A ( i) ]
A = m
i= 1
A ( i)
式中, FS 1和 FS 2是 2 个同一景观要素的嵌块体形状破碎化
指数, MSI 是景观嵌块体的平均形状指数, SI ( i)是景观要素 i
的形状指数, P ( i )是景观嵌块体 i 的周长, A ( i )是景观要素 i
的面积, A 为景观总面积, N 是该景观类型的嵌块体总数.
3 结果与讨论
31 多样性指数及其变化
由图 2 可见, 无论是整个团场还是各个景观区,
其多样性指数均沿潜在格局(土种、土属) ∗ 1982年 ∗
1995年的次序渐次降低,说明随着人类活动干预强度
的加大,以及随着干扰时间的延长,农业景观区域的多
样性呈下降趋势, 且干预的时间越长, 多样性下降越
大.但由于不同区域人类活动强度的差异,故其下降的
幅度不同.
若以土种为准, 1995年不同区域多样性指数的绝
对下降幅度分别是: 南部区 1. 395(占 44. 4% )、中部区
1. 892(占 51. 8%)、北部区 1. 793(占 51. 2% ) . 这说明
中部区和北部区受人类干扰的程度要比南部区更大一
些.这也与 1995年度的变化情况比较一致. 由于不同
区域其发育背景不同, 故用现状格局指数与相应的潜
在格局指数之差值来比较不同区域受干扰的程度, 比
单纯用现状格局指数要更科学,也更接近于其本质.
图 2 多样性指数( a)均匀度指数( b)和聚集度( c)变化
Fig. 2 Change of diversity( a) , evenness(b) and contagion( c) indices in dif
f ernet subregion.
A.南部区 South, B.中部区 Middle, C.北部区 North, D.全场 Total area.
% .土种 Soil species, & . 土属 Soil genus, ∋ . 1982 年, +. 1995 年.下同
T he same below.
32 均匀度指数
由图 2可以看出, 以土属为单元的潜在格局均匀
度指数最大,次为土种单元均匀度指数. 而 1995年与
1982年相比,总的趋势是均匀度指数呈下降趋势.
由于该指数描述的是景观嵌块体类型在景观中分
布的均匀性程度,该值愈大, 说明其分布愈均匀;反之
则表示嵌块体类型的分布不均匀性大, 即其值愈小,愈
说明景观越来越受控于少数几个嵌块体类型.土属与
土种相比,其值较大,这主要是由于土属系由土种归并
而成,在归并的过程中,减少了嵌块体的数目,也使合
并后的嵌块体面积相应增大,因而削弱了其离散分布
的趋势,故而其值亦较大. 1995、1982 年与潜在格局的
均匀性指数相比,亦普遍出现下降趋势,说明人类对于
农业景观的管理,主体是朝着均匀度减小方向发展的,
也即随着集约化经营的发展程度的加深, 景观要素呈
集结型分布.当然, 这仅是问题的主导方面, 就次要方
面而言,人类的经营也可以增大其均匀度, 1982年南
部区的均匀性指数为 0. 6492,而以土种和土属为单元
的潜在格局中, 相应的均匀度指数分别为 0. 5126和
0. 5811.这说明人类活动对农业景观具有双向性的影
响.
914 应 用 生 态 学 报 11卷
33 聚集度指数
由图 2可以看出, 无论是整个团场还是场内的各
景观亚区,其潜在格局中的聚集度指数值均最大; 而不
同时段的现实格局中的聚集度指数均小于潜在格局指
数中的值, 但其不同时段内有一定的差异, 其中以
1995 年的聚集度与以土属为基本单元的潜在格局中
的聚集度指数值最为接近.这一方面说明,人类干扰的
结果,使得景观愈加由少数呈团聚状的大嵌块体组成,
这也印证了均匀度的分析结果.另一方面也说明, 在农
业景观中,土属是农业生产实践中最具有指导意义的
分类单元.
34 嵌块体伸长度指数
由图 3可见,潜在格局所反映的伸长度指数均较
1982和 1995年的相应指数要大, 说明在潜在格局情
形下,嵌块体向伸长方向的发展达到了最大. 这一变化
同时也说明, 在农业景观中, 随着人类活动时间的延
续,景观嵌块体伸长度总的变化趋势是缩小. 这也可以
从潜在格局中的不同嵌块体类型的伸长度指数得到反
映.
图 3 不同区域嵌块体伸长度指数变化
Fig. 3 Change of mean patch elongat ion in dex in different subregion.
就土属而论,嵌块体伸长度最大的嵌块体类型主
要有苏打盐土( 9. 1296)、低洼地灌耕干青土( 7. 4351)、
盐化灰漠土( 7. 3531)与盐化半固定风沙土( 6. 6179) ,
而最小的类型是新垦龟裂灰漠土( 4. 7826) . 较大类型
中除低洼地灌耕干青土之外, 其余均为自然土壤类型,
而低洼地灌耕干青土的值之所以较大, 主要是受制于
原始地形影响之故.在 150 团至 149团有一南北向的
狭长低洼地带, 该地带在古代受古马桥河河水影响,地
表长期积水,形成沼泽土, 之后因河流改道, 原来的沼
泽土脱沼泽化后形成今日的干青土类. 而新垦龟裂灰
漠土系近期在龟裂灰漠土上刚刚新垦出来的农业土
壤,说明随着人类经营农业景观的时间的延长,其嵌块
体伸长指数是先小后大. 但是否存在一个最大极限,目
前还不得而知. 在土种为分析单元的潜在格局中, 其反
映的趋势与以土属为单元的潜在格局反映的趋势非常
一致.
35 嵌块体形状破碎化指数
由图 4可以看出, 无论是以土属还是以土种为分
析单元所得到的形状破碎化指数 FS1 均是南部区>
北部区> 中部区.而 FS2则为北部区> 中部区> 南部
区.同时还可以看出以下几个特点: 首先, FS1 与 FS2
的变化趋势是不相同的, 若以土种(土属)为分析背景,
则无论是 1982年还是 1995年的形状指数, 与之相比
较 FS1呈减少的趋势, 而 FS2则呈现出增加趋势; 其
次,土属为单元的 FS1与 FS2均较土种为单元的 FS1
与FS2呈现出增加趋势. 由于在土种一级耕作土壤与
自然土壤是分开的; 而到了土属一级分类单元,二者则
往往混合于一个图斑中, 这种合并的结果,大大增加了
合并后嵌块体的形状复杂性. 再次,不同的人类干预阶
段其嵌块体的形状破碎化指数在不同区域内是不同
的.在 150团场, 1982 年各景观亚区的破碎化指数变
化规律为中部区> 北部区> 南部区,而 1995年时则变
为南部区> 中部区> 北部区,这些结果均与潜在格局
中的规律不一致.但总体趋势是破碎化程度随着时间
的流逝呈现出增加的趋势.第四,从景观区与嵌块体类
型两方面来看, 人类活动对其干预的影响结果是不同
的.在分区尺度上, 其呈增加趋势; 而到了嵌块体类型
上,则是其形状指数减少,这可以从土种(土属)分类单
元的嵌块体类型变化中得到印证. 以土种论, 形状破碎
化指数最大的类型有盐化灰漠土 ( FS1 04544, FS2
07999,下同)、苏打盐土( 0. 5619, 0. 6529)、苏打化灰
漠土( 0. 4459, 0. 5233)、盐化风沙土( 0. 3956, 0. 5704) ,
其均为自然土壤类型,在本区农业景观中尚未被利用;
而最低的形状破碎化指数嵌块体类型则分别为:苏打
化灌耕灰漠土 ( 0. 1257, 0. 1290)、苏打化灌耕风沙土
( 0. 2312, 0. 0626)和底沙干青土( 0. 1953, 0. 2510) ,其
均为耕作土壤.
图 4 形状破碎化指数 FS1( a)和 FS2( b)变化
Fig. 4 Change of patch shape fragment index FS1 and FS2.
9156 期 贾宝全等:人工绿洲潜在景观格局及其与现实格局的比较分析
36 嵌块体分维分析
潜在格局与现实格局的分维数计算结果见图 5.
由图 5可以看出,从潜在格局到现实格局,其分维数呈
现出普遍减小的趋势.究其原因,除了人为干扰强度增
加这一因素之外,还与本身图件信息有关.由于土壤图
系 1982 年所做,虽后来根据 1995年土地利用做了一
些小的补充,但主体依然是 1982年的, 其与 1982年的
土地利用现状图在时间上同步, 故其遭受的人类影响
强度应说是大体相同的, 但其分维数却表现出较大的
差异,说明应该还有另外的原因.由于耕作土壤的形成
系在自然背景之下, 经人类经营与改良、利用而成, 但
其边界却在大多数情况不受绿洲人工经营单位 条
田边界的约束, 故而其边界的规整性较差;而土地利用
现状图中嵌块体可分为二大类,一类是自然、半自然嵌
块体,另一类则为人工嵌块体类型,自然嵌块体形状比
较复杂,而人工嵌块体其具有固定的最小单元 条
田,即便是在资料处理过程中产生合并现象, 也还基本
上是以条田为基础的. 为了浇水上的便利以及机械化
实施方面的原因,加之新疆绿洲均分布于地形平坦的
冲、洪积平原上,故而条田形状很规整. 这样一来, 以土
地利用现状图为分析图件的嵌块体分维数, 其大小亦
图 5 不同区域单元嵌块体分维数变化
Fig. 5 Change of mean patch f ractal dimension in different subregion .
受两类嵌块体类型的数目比例的影响较大. 由于此原
因,使得衡量嵌块体形状复杂性的分维数指标中, 土地
利用现状中嵌块体分维数要较潜在格局中的嵌块体分
维数要小.许多研究结果都表明,景观嵌块体的分维数
大小与其遭受的人类干预程度成反比[ 4, 13] , 现状格局
与潜在格局的分维比较分析结果也印证了这一结论.
4 结 论
41 从以土属和土种为基础的现实景观格局到 1982
和 1995年的现实景观格局,无论是整个 150团场还是
各景观亚区,同一个指数均呈现出相同的变化规律,说
明土壤类型具有很好的稳定性.故在农业景观中完全
可以作为潜在格局分析的基本单元.
42 尽管土种为农业景观潜在格局的最佳分析单元,
但是考虑到农业利用上以土种来指导生产在实际中比
较难以操作,加之大多数区域土壤的分类最小单位为
土属,故以土属为基本分类系统进行景观潜在格局分
析,亦不失为实际应用中最具可操作性的途径之一.
43 本次潜在格局分析采用了两级分类单元,一级为
土属,一级为土种, 由于分类单元本身不具备可比性,
仅与说明的详尽程度有关,故可以认为,潜在格局分析
在比较区域之间随时间的格局变化研究中才有意义.
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作者简介 贾宝全,男, 1964 年生,博士后, 副研究员,主要从事
干旱区资源、环境与绿洲方面的研究工作, 发表论文 20 余篇.
Email: jiabq@ rif. forestry . ac. cn
916 应 用 生 态 学 报 11卷