全 文 ：第 24 卷第 9 期
2004年 9月
生　　态　　学　　报
ACT A ECOLOGICA SINICA
Vol. 24, No. 9
Sep. , 2004
县域人类活动与景观格局分析
吕一河,陈利顶,傅伯杰
(中国科学院生态环境研究中心 系统生态重点实验室,北京　100085)
基金项目:国家自然科学基金资助项目( 30300052, 40311101) ;国家基础研究发展规划资助项目( G200046807)
收稿日期: 2004-03-27;修订日期: 2004-06-15
作者简介:吕一河( 1974～) ,男,河北涞水县人,博士,主要从事景观生态和保护生态学研究。
Foundation i tem: the Nat ional Natural Scien ce Foundat ion of Ch ina (No. 30300052 & 40311101) and the Nat ional Key Project for Basic Resear ch
in China ( No.G200046807)
Received date: 2004-03-27; Accepted date: 2004-06-15
Biography: L U Yi-He, Ph .D. , mainly en gaged in landscape ecology and con servat ion ecology.
摘要: 人类活动的长期持续作用会导致区域景观格局及景观生态功能的变化, 反过来又会对人类的生存质量和可持续发展能力
构成影响。因此人类活动与景观格局的关系及其调控一直是景观生态学研究的重要内容。以植被图、土地利用图和林相图为基
础, 应用 GIS 技术和景观格局分析方法研究了岷江流域汶川县人类活动与景观格局特征及其相互关系。结果表明:通过重要植
被类型的分析, 可以明确不同类型在各乡镇单元的优势程度及其生态完整性; 基于不同主题图件的景观格局指数之间相关特征
的相似性显著; 3 种图件在反映景观破碎化程度上具有相似的能力,而在反映景观异质性方面存在显著差异; 景观的边界密度
确实能够由景观中的人类活动要素(道路密度、居民点及工矿面积比例和农田面积比例)之间一定的组合关系进行较好的表达
与解释。这也充分说明,通过人类活动要素可以在一定精度范围内预测景观的变化趋势; 同时,对人类活动的合理调控与管理有
助于生态恢复和景观安全格局的维持。因此, 对县域土地利用、生物多样性保护和区域发展的规划和管理具有重要的参考价值。
关键词: 人类活动;景观格局; 土地利用;区域发展; 汶川县
The analysis of human activities and landscape patterns at the county level
L U Yi-He, CHEN Li-Ding, FU Bo-Jie　( K ey Lab. of S ystems E cology, R esearch Center f or Eco-env ironmental S cienc es, CAS ,
Be ij ing　100085, China) . Acta Ecologica Sinica, 2004, 24( 9) : 1833～1838.
Abstract: Hum an act ivities can r esult in t he changes of the spat ial patterns and ecolo gical functions o f landscapes. Mo reover ,
these changes impair the capacit y of sust ainable development and the quality o f life in human communities. Ther efor e, the
relationship bet ween human activ ities and landscape patterns and it s regulation ar e im po rtant resear ch topics o f landscape
ecolog y. Based on vegetation, land use, and for est fo rm maps, the char acteristics and relat ionships o f human activ ities and
landscape patterns in Wenchuan County ( located in the upper r eaches of the M injiang river basin, southw est ern China, N 30°
45′37″～31°43′10″, E 102°51′46″～103°44′37″) w ere studied using GIS technolog y and landscape metr ics analy sis.
Dur ing the analysis, t he discret ization o f the three dig ital maps was accomplished in a G IS envir onment, and the
cor responding maps of township areas in Wenchuan County were thus available . Sever al landscape metr ics wer e calculat ed
township by township. A t t he same t ime, 5 impo rtant vegetation types that most tow nship areas had in common w ere
identified. Co rr elat ion analysis, one-w ay ANOVA analy sis and multiv ariate linear r egr ession analy sis wer e emplo yed to
character ize the relationships betw een the landscape metr ics.
The r esults indicated that the status o f impor tant v egetat ion types could be used as indicat or s o f landscape eco lo gical
integ rity . Gener ally , the vegetation types w ith high area ratio and low per imet er densit y formed high quality habitats for flo ra
and f auna. The cor r elations between landscape metr ics ( including perim eter density , Shannon-Weinner div ersit y index , mean
patch area and perimeter , and m ean shape index) der iv ed from different t heme maps showed high similar ity . T he three maps
had similar capability in repr esenting landscape fr agm enta tion, w hile t hey differ ed significantly in r eflect ing landscape
heter og eneity. P er imet er density could be expressed as t he linea r combination of the spatial elements of human activ ities
( including r oad density, ar ea ra tio of human settlements and industr ial land, ar ea r atio of farmland) , w hich implied that the
tr end of landscape change could be pre-estim ated using the change o f spat ial elements of human activ ities. Ther efor e, the
regulat ion of t he spatial elements o f human activ ities could be fav or able to biodiver sity conserv ation, eco lo gical rehabilitat ion
and the maintenance of landscape security pat terns in the pr ocess o f r egional development . Consequent ly , such r egulation is
impor tant in the decision making on the planning and m anagement o f land use , biodiv er sity conser vat ion and reg ional
development at the county level.
Key words: human activit ies; landscape patt ern; land use; r eg ional development ; Wenchuan Count y
文章编号: 1000-0933( 2004) 09-1833-06　中图分类号: Q149　文献标识码: A
　　人类活动和区域发展对生态系统和景观都会带来深刻影响[ 1] ,主要包括食物网的简化、养分和能量的高输入、景观的同质
化[ 2]。所有这些都会直接或间接地导致生物多样性的退化和丧失, 反过来也将危害人类的生存质量和可持续发展能力。景观破
碎化以及景观整体质量的退化常常是干扰对景观要素及其空间配置持续作用的结果[ 3] ,已经被认为是生物多样性丧失的基本
诱因[ 4]。人类活动对于景观的干预将会不断强化,有意无意地改变着景观格局和生态过程。理解景观水平格局与过程及其相互
关系对于以生产力提高和生物多样性保育为基本目标的土地利用规划和管理来说至关重要[ 5]。
人类活动在空间上有着多样化的表现形式,包括居民点、道路、工矿等, 它们在一定区域和景观中的分布和配置具有规律
性。这些景观要素在客观上构成了人类活动对生物多样性干扰的策源地[6, 7]。它们在空间上的布局和扩展受到区域自然资源和
环境条件的制约。同时, 一定区域的社会经济发展也会对其产生重要影响。本文将在县域空间水平上探讨人类活动与景观格局
的相互关系及其对生物多样性保育的意义,从而为土地利用规划和管理、自然资源的保护与可持续利用提供必要的决策参考。
1　研究区域
图 1　汶川县的位置与乡镇分布
Fig. 1　Th e locat ion and town ship areas of Wenchuan County
WZT 　威州镇 Wei-Zhou T own ship; XKT 　漩口镇 Xuan-Kou
Tow nship; MCT 　绵池镇 Mian-Chi T ow nship ; L XT 　龙溪乡
Long-Xi T ow nship ; KKT　克枯乡 Ke-Ku T own ship; YMT　雁门
乡 Yan-M en T own ship; YXT　银杏乡 Yin-Xing T ow nship ; YXT
　映秀镇 Ying-Xiu Tow nship; SM T　水磨镇 Shu i-Mo Tow nship;
BHT 　 白 花 乡 Bai-Hua T ow nship; CPT 　 草 坡 乡 Cao-Po
Tow nship; S JT　三江乡 S an-J iang T ow nship
汶川县位于四川盆地北部边缘(北纬 30°45′37″～31°43′10″,
东经 102°51′46″～103°44′37″) , 总面积约 4 085km2 (图 1)。地势
由西北向东南倾斜,西部多分布海拔在 3 000m 以上的高山。汶
川县地处四川盆地向川西北高原的过渡区, 景观的垂直带性显
著。境内高山连绵,河谷深切,谷坡陡峻,相对高差平均在 1 500
～2 000m。地貌以中山峡谷为主,高山峡谷次之。有着复杂多样
的生境类型和丰富的生物多样性资源。在县域的西南部,有著名
的卧龙大熊猫自然保护区, 约占整个县域面积的 50%。
汶川县下辖 14 个乡镇 ,其中卧龙镇和耿达乡隶属卧龙自然
保护区范围, 因此在研究中把二者作为一个单元与其它乡镇并
列。2001 年全县总人口约 11. 1 万人,其中农业人口约 7. 2 万人。
藏族、羌族人口占总人口的 45. 2%。
2　研究方法
收集汶川县植被图、土地利用图和林相图并进行数字化, 完
成空间匹配。在 GIS 环境下进行离散化, 获得不同乡镇的植被
图、土地利用图和林相图。进行相关图件的空间查询、叠加等处
理, 获得不同乡镇不同主题图件图形单元的属性信息。按照乡镇
提取土地利用图中关于人类活动的空间要素, 包括道路、居民
点、独立工矿和农田的属性信息。采用以上 3 种不同数据源
(表 1)主要出于这些考虑: ( 1)扩充信息量,便于人类活动与景观
格局的综合分析; ( 2)进行不同数据源之间的比较与对照, 有助
于辨识它们在景观格局表达中的特点。
在空间分析的基础上, 对生态系统类型或土地覆被类型进行统计分析。分析中考虑了生态系统类型或景观的斑块数、斑块
的平均面积和周长、边界密度、形状指数、相似性指数以及 Shannon 多样性指数[ 8]。
人类活动对景观格局会产生重要而深刻的影响。作为人类活动空间表现形式的景观要素与整个景观格局的特征就应该具
有某些相关性。在分别依据植被、土地利用和林相对各乡镇单元完成景观格局分析和人类活动的空间要素分析后,进一步对人
类活动要素和景观格局特征进行单因素方差分析和多元回归分析,探讨它们的相关性。
把景观格局指数包括边界密度、多样性指数、平均斑块面积、平均斑块周长和平均形状指数分别作为因变量,把道路密度、
1834　 生　态　学　报 24 卷
居民点和工矿面积百分比、农田面积百分比作为自变量进行多元线性回归分析。回归方程可以表述为 :
y= X b+ a, 其中 X = [ x 1 x 2 x 3]
式中, x 1、x 2、x 3 分别代表道路密度( km/ km2 )、居民点和工矿面积百分比( % )、农田面积百分比( % )。通过最小二乘拟合求解回
归系数向量 b 和常数项 a。
表 1　3种数据源的基本特征
Table 1　The basic attributes of the three maps
专题图件
M aps
比例尺
S cale
斑块数
Patch number
平均斑块面积( km2)
M ean p atch area
平均斑块周长( km )
Mean patch perim eter
土地利用 Land use 1∶105 4091 0. 997 4. 50
植被 Vegetat ion 1∶105 3752 1. 079 5. 19
林相 For est for m 1∶105 3752 1. 079 5. 19
3　结果
3. 1　重要植被类型及其破碎化
通过对植被格局的分析, 得出了 5 种重要植被类型在乡镇级单元所占的面积比例及其组合结构(图 2)。汶川县地貌以中、
高山占绝对优势。因而自然环境的垂直带性分异非常显著, 这在植被的空间格局上表现的尤为突出。汶川县植被垂直带谱的基
带为常绿阔叶林, 只在县域东南海拔较低的几个乡镇有分布, 而且所占面积都在 4%以下。同样地,高山草甸和高山流石滩稀疏
植被位于汶川县植被垂直带谱的顶端, 也只出现在有高山分布的几个乡镇, 其面积比例因高山面积的不同而差异显著。在各乡
镇单元几乎都出现的 5种重要植被类型位于整个垂直带谱的中部,包括常绿落叶阔叶混交林、落叶阔叶林、针阔混交林、针叶林
和灌丛-灌草丛。这几种植被类型从总体上看灌丛-灌草丛所占的面积比例最高,针叶林略低, 常绿落叶阔叶混交林次之,落叶阔
叶林和针阔混交林所占的面积比例最低。
图 2　汶川县重要植被类型的面积比例分布
Fig. 2　Area rat io dis tribut ion of th e important veg etat ion types in Wenchuan County
vgt1　常绿落叶阔叶混交林 Evergreen deciduous broad-leaved mixed fores t ; vgt2　落叶阔叶林 Deciduous broad-leaved fores t; vgt3　针阔
混交林 Coniferous d ecid uous broad-leaf mixed fores t ; vgt4　针叶林 Conifer ou s forest ; vgt5　灌丛-灌草丛 Sh rub; BHX　白花乡 Baihu a
T ow nship; CPX　草坡乡 Caopo Tow nship; KKX　克枯乡 Keku Tow nship; LXX　龙溪乡 Longxi T own ship ; MCZ　绵池镇 M ianchi
T ow nship; SJX　三江乡 Sanjiang Tow nship; SMZ　水磨镇 Shuimo Tow nsh ip; WZZ　威州镇 Weizhou Tow nsh ip; XKZ　漩口镇
Xuank ou T ow nsh ip; YMX　雁门乡 Yanmen Tow nship; YXX　银杏乡 Yin xing Tow nship; YXZ　映秀镇 Yin gxiu Tow nship; WL R　卧
龙自然保护区 Wolong Natur e Reserve
边界密度揭示了景观或要素类型被边界的分割程度,是景观破碎化程度的直接反映[ 8]。通过各乡镇单元 5种植被类型的边
界密度(图 3)可以看出不同植被类型破碎化程度的空间分布特征。各植被类型破碎化程度的空间变异性是不同的,常绿落叶阔
叶混交林的变异性最小, 灌丛-灌草丛、针叶林、落叶阔叶林的变异性依次增大,而针阔混交林的变异性最大。就植被类型的总体
情况来看, 破碎化程度从大到小的顺序为落叶阔叶林、针阔混交林、常绿落叶阔叶混交林、灌丛-灌草丛、针叶林。
3. 2　基于不同主题图件景观格局指数的相关性与差异性
基于不同主题图件的景观格局指数之间的相关性特征虽然存在一定差异,但是其相似性更为显著 (表 2)。边界密度与平均
斑块面积、平均斑块周长和平均形状指数之间存在着较大的负相关; 平均斑块面积与平均斑块周长和平均形状指数之间以及平
均斑块周长与平均形状指数之间存在较大的正相关,面积与周长之间的相关程度最大。
对基于不同主题图件的同一景观格局指数间的整体差异性进行单因素方差分析(表 3) ,结果表明:由不同主题图件得到的
边界密度和平均斑块周长在总体上不存在明显差异,平均斑块面积间的差异也比较小; 而基于不同主题图件的景观多样性指数
18359 期 吕一河　等: 县域人类活动与景观格局分析 　
和景观的平均形状指数各自在整体上的差异非常显著。
图 3　汶川县重要植被类型的破碎化程度
Fig. 3　Fr agmentat ion of the im portant vegetat ion types in Wenchuan Coun ty
vgt1　常绿落叶阔叶混交林 Evergreen deciduous broad-leaved mixed fores t ; vgt2　落叶阔叶林 Deciduous broad-leaved fores t; vgt3　针阔
混交林 Coniferous d ecid uous broad-leaf mixed fores t ; vgt4　针叶林 Conifer ou s forest ; vgt5　灌丛-灌草丛 Sh rub; BHX　白花乡 Baihu a
T ow nship; CPX　草坡乡 Caopo Tow nship; KKX　克枯乡 Keku Tow nship; LXX　龙溪乡 Longxi T own ship ; MCZ　绵池镇 M ianchi
T ow nship; SJX　三江乡 Sanjiang Tow nship; SMZ　水磨镇 Shuimo Tow nsh ip; WZZ　威州镇 Weizhou Tow nsh ip; XKZ　漩口镇
Xuank ou T ow nsh ip; YMX　雁门乡 Yanmen Tow nship; YXX　银杏乡 Yin xing Tow nship; YXZ　映秀镇 Yin gxiu Tow nship; WL R　卧
龙自然保护区 Wolong Natur e Reserve
表 2　基于不同主题图件景观格局指数的相关性特征
Table 2　The correlation matrix of landscape pattern indices frommaps with di fferent themes
土地利用 L andu se 林相 Fores t 植被 Vegetat ion
p d d v p a p p p d d v p a pp p d dv p a pp
dv - 0. 174 0. 012 - 0. 049
p a - 0. 832 - 0. 157 - 0. 789 - 0. 393 - 0. 727 0. 367
pp - 0. 743 - 0. 043 0. 914 - 0. 794 - 0. 409 0. 992 - 0. 818 0. 281 0. 976
p s - 0. 657 - 0. 158 0. 541 0. 510 - 0. 570 - 0. 503 0. 816 0. 826 - 0. 682 0. 058 0. 804 0. 846
　　p d　边界密度 Perimeter d ens ity ;d v　多样性指数 Sh ann on-Weinner diversity in dex; p a　平均斑块面积 M ean patch area; pp　平均斑块周
长 M ean patch perimeter; p s　平均形状指数 Mean shape index
表 3　基于不同主题图件景观格局指数间的整体差异性
Table 3　One-Way ANOVA analysi s of the landscape pattern indices from different theme maps
统计量
S tat ist ics
边界密度
Perimeter den sity
多样性
Divers ity in dex
平均斑块面积
Mean patch area
平均斑块周长
Mean patch perimeter
平均形状指数
Mean shape index
SS 0. 19068 2. 8428 0. 12979 0. 14757 3. 6383
df 2 2 2 2 2
F 0. 027261 27. 923 0. 11728 0. 020231 98. 4734
P 0. 97313 4. 77×10- 8 0. 88968 0. 97998 2. 55×10- 15
3. 3　人类活动对景观格局特征的解释能力
经过基于不同主题图件的 5个景观格局指数分别与 3 个人类活动要素指标之间的多元线性回归分析可以看出, 只有边界
密度与道路密度、居民点和工矿面积百分比、农田面积百分比之间能够建立比较好的线性相关关系(表 4)。另外,源于土地利用
图的平均斑块面积、平均斑块周长和平均形状指数与 3 个人类活动要素指标之间也存在一定的线性关系,但都不如边界密度与
3 个人类活动要素指标之间的线性关系那样显著。其余的景观格局指数与人类活动要素的 3 个指标之间都不存在显著的线性
关系。
4　讨论
目前已经提出了众多的指数对景观格局进行定量描述与解析, 但是对这些指数技术上和生态意义上的理解仍然有些欠
缺[ 9]。那么在具体研究中如何选择适当的景观指数,采用什么样的方法来监测和预测景观的变化就显得非常重要。考察人类活
动与景观格局的相互关系, 经常采用的方法是缓冲区分析[ 7, 10]。这种方法认为 ,人类活动对景观格局的影响与空间距离关系密
切, 因此通过比较不同距离分区范围内景观组分及格局特征的相似性和差异性来揭示影响的性质和强度。景观格局指数之间的
相互关系一般不是这种方法考虑的范围。本文在依据植被图进行景观组分分析的同时,还依据土地利用图、植被图和林相图探
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讨了景观指数之间的相互关系和人类活动对景观格局指数的表达能力。所选择的几个景观格局指数计算简便而又生态意义明
确。值得说明的是, 文中用到的边界密度是景观(或类型)中斑块的总周长与总面积之比 ,斑块面积和周长的统计在 ArcV iew 中
以矢量图为基础完成。
表 4　边界密度与人类活动要素的线性关系
Table 4　The l inear relationship between perimeter density and variables of human activities
回归方程 Regres sion equat ion R2 F P
土地利用 Landuse y Lan= 1. 3833x 1+ 1. 5498x2+ 0. 0775x3+ 3. 5356 0. 8863 23. 3789 0. 0001
林相 For est y For= - 0. 068x1+ 0. 3949x2+ 0. 1455x 3+ 4. 7465 0. 7572 9. 3557 0. 0040
植被 Vegetat ion y Veg= - 0. 0919x1+ 0. 4029x 2+ 0. 1481x 3+ 4. 7293 0. 7530 9. 1438 0. 0043
　　人口增长和人类活动的干扰是景观破碎化及生态退化的重要原因[11, 12]。因而,根据不同景观或植被类型的具体情况与特
点就应该采取针对性的措施适当限制和引导人类活动强度与方向,以达到持续利用自然资源和生态环境质量不断改善的双重
目标。重要植被类型的空间分异格局是自然环境因素和人为干扰因素综合作用的结果。通过重要植被类型的分析,可以明确不
同类型在不同乡镇单元的优势程度及其生态完整性。同时, 也能够从一定程度上反映自然环境特征和人为干扰强度。例如,针叶
林在三江乡的优势度最大(图 1) , 而其破碎化程度很小, 仅略高于卧龙自然保护区(图 2)。因此, 针叶林作为一种生境类型,人为
干扰和破坏较少, 质量状况良好,从而保护针叶林植被对于三江乡和卧龙自然保护区的生物多样性保育具有重要意义。灌丛-灌
草丛实际上是高山灌丛和低海拔的灌丛和灌草丛的集合。灌丛—灌草丛的破碎化程度与人口有一定的相关关系 (R = 0. 51,
P = 0. 07)。位于河谷低海拔谷坡区的灌草丛大部分是森林砍伐、取薪等人类强烈干扰后的恢复类型,从一定程度上能够反映历
史上人类活动干扰的空间分异。所以,这部分灌草丛的管理重点在于因地制宜地进行生态恢复, 以自然恢复和演替为主。其余的
植被类型, 特别是各种森林植被是各种野生动植物的主要生境, 同时也能从一定程度上表达相应地区生态的良好状况。因此,这
些植被类型的保护和管理对于生物多样性的保育和区域生态安全的维系具有重要的现实意义。在各种森林植被中,针叶林的面
积比例高而破碎化程度最低, 说明其生境质量最好, 应该给予严格的保护。落叶阔叶林虽然面积比重不大,但是遭受的人为干扰
和破坏最为严重, 生境破碎化程度最高,对这种类型应该积极采取措施进行封育。
通过土地利用图、林相图和植被图分别计算得到的 5 个景观格局指数表现出了相似的相关性特征 ,说明它们之间的相互关
系受地图主题的影响都较小。但是, 景观指数取值大小会不同程度地受到地图主题的影响。边界密度和平均斑块周长对地图主
题的影响不敏感, 而景观多样性指数和平均形状指数则很敏感。这从一定程度上表明 3 种图件在反映景观破碎化程度上具有相
似的能力, 而在反映景观异质性方面存在显著差异。同时也说明,景观要素的面积、边界特征或其相互关系可以通过另外的某种
途径加以解释, 而景观多样性指数和平均形状指数却比较困难。通过景观指数与人类活动的3 个空间要素数量特征(道路密度、
居民点及工矿面积比例和农田面积比例 )之间的多元线性回归分析进一步证实了这一点。景观的边界密度确实能够由景观中的
人类活动要素之间一定的线性组合关系进行较好的表达与解释。这也充分说明, 通过人类活动要素至少可以在一定精度范围内
预测景观(尤其是破碎化程度)的变化趋势, 可以为区域土地利用和生态保育规划提供重要的决策依据 ,从而实现对人类活动的
合理调控与管理, 促进生态恢复和景观安全格局的维持。
在广大发展中国家的农村地区, 薪柴是主要的能源形式[ 13]。薪柴的长期大量消耗造成了本土生物多样性的减少、重要生态
系统和生境的破坏[ 14]。在中国的农村地区特别是山区情况也是如此。国家退耕还林和天然林保护工程的实施为景观水平上的
生态恢复与重建提供了良好的保障条件和激励机制。同时,农村能源结构的调整对植被恢复、生物多样性保育和生态环境质量
的改善也很有帮助。汶川县地处岷江上游, 经济欠发达。薪柴仍然是农业人口的主要能源形式。薪柴的长期大量消耗成为这一
地区景观破碎化和生态退化的重要驱动因素[ 11]。汶川县水能资源丰富, 具备了以电代柴,进行农村能源结构调整的良好条件。
尽管如此, 以电代柴战略的实施仍然会面临着众多现实困难[ 15] , 包括水电能源的开发、利用、管理及其社会可接受性等。理解薪
柴消耗背后的隐含机制, 特别是农村家庭能源选择的决定因素, 对于解决由薪柴消耗所带来的生态问题来说非常重要[ 16, 17]。因
此, 研究具体的社会经济条件和背景,可以为以电代柴战略的实施,配合国家的退耕还林和天然林保护工程的顺利开展,扭转森
林和景观破碎化以及生态退化的趋势提供必要的决策依据。
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