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第1 8卷第3期
1 9 9 8年 5月
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?‘2 一 一弓
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
／、。＼ j
Vo【18，No 3
M ayt 1998
科尔沁沙地景观格局特征分析
堂堂 ，
{中国科学院沙漠研究所 兰州 730000)
邬建 国
唾， ／
(美国亚利 西j 互 科学系)
擒蔓 用修改分维数、分维数和景观多样性指数方法 对科尔沁沙地不同抄漠化土地景喂空间格局进行丁研
究。结果表明．在所划分的人工固沙雹 日封保护区和流动沙丘区三种抄地景观共型中．人工固沙区景观空间
格局最复杂，修改分维敦 D 为1 5470I其次为围封保护区 D 为1．4975}流动沙丘景观格局最简单 ，j 为
1．4205 在沙漠化发展过程中(从保护区景怼到流抄区景观)，j 减少，景观格局趋向简单I在沙漠化逆转过程
中(从流沙区景观到^工固沙区景观)，j 增大，累观格局趋向复杂。在不同的景观类型中．斑块格局围受不同
的作用过程影响变化规律各异。在^工固沙区．由于凡工固抄措施为主的作用过程的影响t斑块类型从固定
沙丘(a)、半固定沙丘(b)、半流动抄丘(c)到流动抄丘(d)，格局多样性逐渐趋向复杂∞ 和 n 依次增加)；在
匿封保护区，由于受季节性放牧、椎采和植被 自然恢复等过程的多重作用影响，斑块类型 a和 d的空间结构
最为复杂，斑块修改分维散分别为i．4663和i．4435。此外，从本项研究所用的三种格局分析方法的结果来看，
修改分维数 ，j 比分维数D和景观多佯性指数 能更好地描述景观和斑块的空间格局。
I ⋯
关键词；景观，斑块．格局 过程，分维数，修改分维敬．景观多样性指数 ．7r-4~-；tf" j
SPATIAL ANALYSIS OF PATTERN OF SANDY LANDSCAPES
。
IN KERQIN，INNER MONGOLIA
Chang Xueli
(Institute of Desert Research．C~inese Academy of Sciences．Lanzho~．730000．China)
Wu Jianguo
(AriTona State University West，Phoenix，USA)
Abstract W e use fraetal dimension(D )，modified fractal dimension(D )，landscape diver
sty index(H )tO analyze the spatial pattern in relation to ecological processes of sandy
landscapes in Kerqin，Inner M ongolia．Our results show that among three types of sandy
la ndscapes，the artificial fixed sand dune region exhibited the most complex spatial pattern
( =1．5476)，thefenced sand—dune areawasless complex(D 一1．4975)，andtheflowing
sand—dune region was least complex(D 一 1．4205)．This suggests that during desertifica—
tion(i．e．，from a fixed or fenced sand—dune to a flowing sand—dune landscape)+ de—
creased，and the spatiaI pattern of landscapes tended to be simper．On the contrary，D
seemed to increase progressively during the recovery process of desertified lands(i．e．．from
flowing sand dunes to artificial fixed sand—dunes)，and thus landscape pattern became more
* 国家自然科学基金(49601020)和中国科学院留学回国凡员择优支持基盘资助
收稿日期；1996 02—16，修改稿收到日期：1996 l0 o9。
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226 生 态 学 报 l8卷
complex．For different landscapetypes．the spatial pattern of patches was affected by vari—
OUS factors and processes，which changed variably．In the artificial fixed sand dune region，
the complexity of individual patches increased from the fixe(type a)，semi—fixed(type b)，
semi flowing(type c)，tO flowing sand—dune(type d)patch type due to human activities
(both D and D increase progressively)．In the fenced region，however，the fixed and flow—
ing patch types were the highest in spatial complexity(D W0．S 1．4663 and 1．4435 for type
a and type d，respectively)．The results of this study suggest that modified fractal dimen—
sion is superior to fractal dimension and diversity index in describing landscape diversity at
b(，th the individual patch and landscape levels．
Key words： landscape，patch，pattern，process，fractal dimension．modified fractal dimen
sion．1andscape diversity．
在景现生态学研究中，空间格局一直是景观生态学家所关注的重点D-c，有关空间格局的研究也有多
种方法 {如空间自相关分析 (Spatial Auto—correlation Anatysis)、波谱分析(Spectra[Analysis)和半变异矩
分析(Semivariogram Analysis)等 一。特别是近年来发展起来的分形分析．为景观格局分析提供 更为简
捷、方便的数学工具 、”]．在景观格局分析中，由于景观异质性特点 及斑块组合的复杂性．使景观空间
格局分析不仅要考虑斑块的形状 、大小和类型，同时还要考虑到景观中斑块的相邻性(Juxtaposition)和均
匀性(Evenness)。为此 Otsen等(1993)在 景观格局分维分析 的基础上发展 了一种修改丹维数(Modified
Fractal Dimension)分析方法，用来描述景观空间格局的多样性 。本文将基于修改分维数、分维数和景观
多样性指数对不同沙漠化土地景观格局进行分析，并揭示沙地景观在不同的沙漠化过程中的特点=同时，
还将应用景观间隙度指数(Lacunarity)探讨格局分析中的尺度效应 。
沙地景观格局在时空尺度上都表现出很大的异质性 ．自然过程(如：干旱、风 、降水等)和人为活动(如：
开垦、采矿、砍伐等)都强烈地影响着沙地景观_] J．对沙地景现格局在沙漠化过程中的特点进行研究，将
是对传统的沙漠化机制研究的一个补充，它在 往沙漠化研究中强调自然因素和』~为干扰的基础上，着重
从景观空间格局与沙漠化过程的相互关系进行分析，对揭示沙漠化发生发展和其逆转机制提供新 的理论
补充 。
l 研究区自然概况
研究区位于科尔沁沙地南部，行政区划隶属于内蒙古自治区，哲里木盟奈曼旗。该区升于东经l 20。l9
40 ～12t。3l 44 ．北纬42。l4 10 ～43。32‘20 之间。属温带大陆性半干旱气候类型，年平均气温6．3℃{年平
降水量366mm，主要集中在6、7、8三个月，占全年降水的67．4 ；年蒸发量1935mm 地带性土壤为沙质栗铤
土，在风的作用下退化为风沙土 。该区地貌类型以固定沙丘、半固定沙丘、半流动沙丘、沙动沙丘和甸子地
相间分布为特征 整个植被景观为草本、灌木和乔木镶嵌体(Mosaic) 该区属农牧交错地区，农田主要分布
在面积较大、土质较好的甸子地。各类型沙丘主要为天然放牧场，农牧用地的 比例为1：l0。当地居民的薪材
全部来源于在作物秸秆和草场中的半灌木、灌木和乔木的枝条 ．
2 研究方法
2．1 研 究区的划分
本项研究的底圈是中国科学院奈曼沙漠化研究站尧勒甸子村示范区1990年土地利用现状圈 ，比例尺
1-5000。整个示范区共包括s4"土地利用类型(斑块类型)，其 中自然类型4个：固定沙丘(a)、半固定沙丘
(b)、半流动眇丘(c)和流动沙丘 (d)；』、工类型4个：农田、果园、道路和居民用地。在所选定的34"研究小区
中，只包括4种自然类型 ，人工类型没有出现 ，每个研究小区的面积为1000×i000m ：3个小区的景观特点
为：①人工固沙区，植被恢复工作开始于1985年，主要特点是采用』、工固沙措施进行了5a的综合治理 ，包括
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3期 常学礼等：科尔沁炒地景观格局特征分析 227
造林、种革、设置机械沙障等，整个小互以半匿定抄丘、固定沙丘为主 ．流动沙丘和半流动沙丘已经很少，仅
在小匿边缘有少量分布 该类型的植被景观以乔(杨树)、灌(小叶锦鸡儿)、草交错分布为特 ，代表了^为
炒漠化逆转后的景观特征．2．流沙区 ，主要特 是经人为过度利用后(滥砍、滥牧 滥垦)形成的大片流沙，
其中点缀分布有半流动沙丘，半固定沙丘和固定沙丘已经消失。该类型植被景观为短命沙生植物(沙米)和
少茸的 一年生植物，代表了严重沙漠化土地 自然景观 3．保护区，该 区从1985年开始一直处于半围封状态，
有轻微的横采和季节性放牧，整十区域为固定沙丘、半固定沙丘、半流动沙丘和流动沙丘相同分布的格局，
灌木(4,hi锦鸡儿等) 缀于草本植物和蒿类草植被之中，是该区最常见的沙地景观。不同抄丘类型的植被
特 征 见表 l㈨
表1 不同斑块类型的植被组成特征
Table 1 The vegetation characteristic of different patch types in sandy land
2．2 图形转换
在底翻 确定了研究区域后，对原始图形用透 明格子阿转换。在本项研究中格子选用边长为I 25cm
的正方形为主要研究手段 ，在IO00X1000m 的小区由(圈 上为2O×80cm )共划分为I 6×16—256个格子，每
十格子代表实地面积62．5×62 5—3906．25m 在司 十方格中若有多十斑块(patches)娄型出现，且斑块
的面积和超过格子的213，则以所占格子面积最大的斑块类型转换，如果 十小的斑块超过1／2个格子面
积．且又恰好单独占有两十以上的格子，按其面积分布最大的格子转换 。转换后的3个小区土地利用现状图
见图1～图3。
2 3 景观空间格局的测定
2 3．1 分维数
分维数主要揭示斑块及斑块组成的景观的形状和面积 人小之间的相互关系．它反映了在一定的观测
尺度上斑块和景观格局的复杂程度 本项研究的对象是斑块 ，通过斑块的特征来反映景观的空间格局．所
以丹维数是采用面积 周长法来测定 ：即；
P kA” r11
D 一 21rt(尸，4)／1nA f21
本文的格局分析是建立在单个斑块的基础上， 一4为常数。在公式(1)、(2)中，尸为斑块周长 ，^ 为斑
块面积， 为分维数，且满足1≤D≤2=D值越大，反映斑块的形状越复杂；当 D=1时．则斑块形状为简单的
欧儿里德 ‘¨方形 t‘ 。 ]。
2 3 2 修改分维数
由公式f 2)所确定的分维数虽然能够反映斑块的形状和景观的格局 ，但是并没有考虑景观中斑块的空
间分布多样哇 为此本文还采用修改分维数来 究景观和斑块的格局特征。与分维数相比较 ．修改分维数
主要是考虑了斑块间的相邻 吐(参数C)和对斑块的周长进行 了修改，具体定义如下：
D = 21n(P ／41／1n (3)
P 一 P+ [2(n一 1)C／(C 一 1) (4)
在 (3)、(‘)式中．D 为修改分维数；尸 为修改局长，C为相邻斑块数(不包括对角相邻) C 为景观中所有
斑块类型数，在本文中 G=8，A、P定义同前。 越大则说明斑块的形状和其相邻性越复杂，反之亦然 调
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常学礼等：科尔沁沙地景观格局特征分析 229
将 ( ，rj的频率分布转为概率分布 Q(S，r)；
Q(S 一 ∞ )
则 Q(S，rJ的均方差和方差分别为：
z“=∑SQ(S r =S(r) (9)
z 一 S~Q(S，r)= S (一 + (r) (1o)
Mandelbrot．(1 983)将间隙度定义为 ：
㈨ 一 = (11 7r】 i； ；
由上述关系式不难看出，间隙度直接受方格大小、景观斑块密度和形状的影响 ，在本文中将用不同大小
的格子分析尺度效应。
3 结果与分析
空间格局与生态学过程的关系是生态学中的核心问题之一[ ]．对景观空间格局的分析则是景观生态
学中一个重要的、而且具有挑战性的研究课题 。空间格局可以从两个层次来探讨，其一是组成景观的斑
块格局与过程的关系，其二是整个景观的格局与过程的关系。本文的讨论就将从过两个方面进行。
3．1 不同秒地景观类型的空间格局特征与过程
景观格局的分维分析表明(见表2)，在3种沙地景观类型中，分维数 D以人工固抄区最高为 1．3117，其
次为流沙区1．2861，保护区最低为l 221 7。说明景观格局在不考虑斑块的相邻性和均匀性的情况下 ，人工
固沙区有最复杂的景观格局，其次为流沙区和保护区。从修改分维数的分析结果来看t人工固沙区最高，D
为1．5476，其次为保护区1 4975，最少是流沙区I．4205。说明不仅考虑斑块形状，同时也考虑斑块间的组合
和斑块的平均性的情况下，人工固沙区的景观格局仍是最为复杂的，与分维数分析结果相比较所不同的是
保护区的格局复杂性大于流沙区，两者的结果是相反的 景观多佯性指数分析结果表明(见表2)，在3种景
观类型中，保护区的景观多样性最高为1．2925，』、工固沙区次之0 8491，流沙区最低0．5351．
表2 沙地景观和斑块格局的分维数、修改分维数 、多样性指数
Table 2 The fractal dimensionstmodified fractal dimensions，and diversity indices of the patches
and the landscapes in sandy land
上述的分析显示，相同的景观类型，不同的分析方法．所得的结果相互矛盾。下面就形成这一结果的原
固怍一些分析．首先，从景观多样性指数来看，H 的内含信息仅包括斑块的面积和类型，而没有反映斑块形
状指标的参数 (见公式f6))，所“其结果只能反映景观格局的斑块类型数量和面积信息。从分维数和修改
分维数来看，虽然分维数能够反映景观和斑块的面积和形状(含有面积 A和周长 P的信息)，但是和修改
分维数相比较 ，其不能表达景观组成的多样性和斑块间相邻性_l 。而修改分维数 n 既含有开王状(周长 P)
和面积( )的信 息，叉包含斑块的相邻性和平均性的信息(见公式(3)、(4))。如图1中斑块 No．1和 Ne．13，
在面积和周长都相等M = 。，P 一P )，相邻斑块数不同(c 一2 C =3)的情提下 ，分维数 D 一D⋯不能
反映这一景观格局的变化。而修改分维数 n 的变化则可以描述这一变化，即在周长、面积相等，当相邻斑
块数从2增加到3n~，D 由1 4824增加到1．5552。图2中斑块No．10和图3中斑块 No．7也同样证明了这一规
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律。
所 ，在景观斑块形状、大小、数量和空间组合影响着生物物种分 、动物迁移、沉体径流fu土壤侵蚀
等生志学过程和边缘效应的情况下 ： ，修玫分维数是一个比较理想的描述景观空间格局的综台指标=
从沙漠化的发展过程(由围封保护区景观到流抄区景观)巾．流沙所 占面积由43 增加到77 (见罔2、
圈3]，流沙面积增长速率为6．7hm：／a，沙地景观格局的变化有如下特点：修改分维数的变化表明，沙漠化的
发生发展过程是景观格局简单化的过程，景观修改分维数 D 减少 r 0 077；同时．景观中斑块的平均修改
分维数也由保护区的1．3704，减少到流沙区中的1 3428，降低 r 0 0276。在沙漠化逆转过程中(从流沙区景
观到人工固抄区景观)，流沙的面积 由77 减少到2 (见图1、图3)，沉沙面积增长速率为一8—3hm ／a，相对
应的景观修改分维数 D 增加了0 2039。表明在这一过程中景观格局的形状和多样生趋向复杂．但是景观
中斑块的平均修改分维数却从1 3428减少到1．2963，分维数D 的变化具有相同的规律，减少了0．0842，随
明在这一过程影响下，景观中斑块 的卒闻结构和多样眭趋 简单
3．2 不同斑块类型的格局与过程
斑块是组成景观的要素 ，在不同的生态系统中，斑块的形成过程往往是不同的。 、 ～，而不同的过
程又产生不同的格局=在人工固抄区景观和围封保护区景观中(见图1，图2j，组成景观的斑块受到了不同
过程的影啊(见表3)。在人 【固沙区中，分维数 D和修改分维数D 的变化规律性明显，从斑块类型 a、b、c
到 d，D和D 逐渐增大，分别 由1 1145和1．21 73增到加1．2263和1．5176 说明 了斑块的格局从固定沙丘到
半固定沙丘、半流动沙丘和流动沙丘依次越来越复杂。正如前面所舟绍，从流沙区到人工固沙区．流沙面积
碱少了1 6hm ／a，而半流动沙丘面积也减少 r 4．1hm ／a(见图1、图3)，』、工作用过程主要是针对流动沙丘和
半流动沙丘，至于半固定沙丘和固定沙丘很少再采取固沙措施。所 ，沙漠化恢复过程对斑块类型 d的影
响最大 ．其次依次为c、b和aI结果是斑块的格局l乩a到d趋 同复杂，修改分维数 D 和分维数D依次增大=
表3 人工同沙区中不同斑块类型的分雏数和修改分维数
Table 3 The fractal dimensions and m odified fracial dim ensions of patches in the artificial fixed
sand—dune an d the protected sand-dune regions
在围封保护区中，由于受季节眭放牧和樵采 及植被的自然恢复过程的影啊．斑块的修改分维数和分
堆数变化明显比较复杂f见表3)。在季节性放牧和樵采过程 中<保护区开放期)，由于斑块类型 a(固定沙丘1
有着高的灌木生物量、丰富的植物种组成和高的草场质量 !一 ，所以受这一过程的影啊也最大，在保护区
中斑块类型 a在所有类型中有着最大的D 和 D，分别为1．4663和1．2826{其次，受过一过程影响的是斑块
类型 b和 c，D 和 D都依次减少。从另一个角度来看 ，保护区还存在着另外一个过程，即围封保护期的植被
恢复过程。许多的研究表明，在科尔沁地区围封可使流沙区的植被在2-3a内得到恢复 。这一过程无疑
对流沙区影响最大，固为在流抄上，任何位置植被的生长都直接地影响到斑块d的空间格局。表3中斑块类
型 d有营较高的n 和 D值，说明丁在陵区中流动沙丘有着较复杂的空阃格局 影响其格局的主要过程是
植被自然恢复
此外，还需要强调地是景观格局的研究是建立在尺度的基础之上．景观格局的研究结果与观察尺度密
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常学礼等：科尔沁沙地景观格局特征分析 231
表 4
Table 4
景观格局分析中的尺度效应
The scale effect of landscape in
an s ng pattern
切相关0 “]，对图1中的固定沙丘斑块 用滑动格
子洼(r一2、3、4、5)分别进行景观间隙度分析，每一
次分析将固定沙丘斑块类型记为1．其它为背景类
型记为0。应用公式(7)到(11)计算，结果见表4。
表4的结果表明，在人工固沙区固定沙丘的景
观间隙度分析中．随着分析尺度的增大(分辨率减
小)，固定沙丘的间隙度指数减少 说明在景观格局
丹析中 同一观察物体 固观察足度的变化 其量化值也发生改变 。在大尺度的分析中，一些 小的细节被忽
略·而在小尺度(分辨率高)的研究中，小的斑块特征也能反映出来。
4 讨论
修改分维数的分析表明，在该地区的3种景观类型中．人工固沙区有着复杂的景观空间格局，其次为围
封保护区和流沙区。从沙漠化的发展过程来看(从围封保护区到流沙区)，是一个景观异质性降低的过程。
在这一过程中，景观中斑块的类型数减少 了2个，斑块数减少了3个(见图2．图3)。景观的修改分维数 ，J 和
多样性指数 H 降低 沙漠化的逆转过程是景观异质性提高的过程，在这一过程中斑块类型增加 2十、斑
块数增加了8个(见图1，图3)，景观的分维数、修改分维数和多样性指数明显地增加。与此相反，在这一过程
中景观中斑块的D和 n 平均值却降低(斑块空闻结构复杂性降低)，造成这样结果的主要原固是；人工固
沙中造林、种草的规范化，使斑块的形状趋向简单 ．从而极大地影响了斑块的格局：
斑块是组成景观的要素，不同的过程是通过影响斑块 ，最终在景观 反映出来 就人工 固沙单一过程
而言，其主要对流动沙丘斑块类型的格局影响最大，对固定沙丘斑块类型的格局影响最小 ；斑块分维数 ，J
和修改分维数 ，J 的变化，可 恰当地描述这一过程对景观中斑块格局的影响．在季节性放牧和樵采 及
植被的自然恢复多重过程影响下，斑块的格局变化较复杂。其中．季节性放牧和樵采过程对固定沙丘斑块
的格局影响最大．而植被恢复过程则主要影响流动沙丘斑块类型的空间格局 。
景观格局与过程分析一定要考虑尺度效应 ．因为许多生态学格局随空间尺度显著变化，” 从本文采
用景观间隙度指数对人工固沙区中的固定沙丘格局特征的分析表明．景观格局分析的量化结果受观测尺
度大小的影响。尺度越大(分辨率低)，景观间隙度指数越小，反之亦然。
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《生态研究与探索》简介
《生态研究与探索》一书是 浙江 省生态学会青年工作委员会和浙江师范大学联合举办的“浙江省首
届青年生态工作者学术讨论会”的交流论文为基础．经编委会和有关领域专家的反复审阅，筛选，几经修
改，最终定稿编辑而成 全书共精选论文87篇 ，计70万字，定价70．oo元 内容涉及基础、农业、环境和医学等
生态学领域的理论研究和实践应用。根据论文来源和 内容，本书设专题综述、研究报告和生态实践三大部
分 其中专题综述文章有23篇，包括气候变化对我国农业生态系统的影响、生态农业、体闲观光农业 、EM 技
术．绿色食品、GIS、作物生产模拟模型、生态位、生物多样性等内容=研究报告计42篇，包括植物的基础生态
研究、红黄壤开发、数学模型、农药在土壤中的行为、地面水致癌性预测试验、氟污染、微生物生态、鼠类研
究、西湖水质污染生态、水生生物生态研究、杂草群落和种群生态研究等内容。生态实践部分共收录论文22
篇，包括生态建筑(含生态住宅、生态公厕、生态庭院等)、珂：境卫生、生态镇建设、雨水资源的利用、小流域
开发、山区资源的开发和利用．农业产业化、农村和农业的可持续发展等内容。
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地址：310029 杭州华家池
浙江省生志学会 徐佩君
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