全 文 ：1 9 9 5年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SlNICA
f 7
Vo】 15，No。2
Jun。，1 9 9 5
三＼ 7≥ 乎 I 二
黄土区农业景观空间格局分析
傅伯杰
(中国科学院生杰环境研究中心，北京，100035)
／
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摘 垂 景理空间格局分析悬量规皇毒学研鬼的檀心问题之一．车文甩地理信息幕缱、分维丹楫和统计
分析相结吾 西 1，1万土地刺席瑰桃田为堇叠．选取曩块戈小、丹维敦、曩块仲长指数、多样性、优势度、
相对车富度，破碎直等指标 ．研究了魄北米脂县泉豪构巍域农业鼍理柏空间括扁．结晕显示，羿本椿地、坡
耕地、果园 草地和梯田农地的丹堆敦较低 ．埂地．水库、毫矗农田 居住用地和灌木林地的分维敦较高 ，斑
块形状较为复杂．睫着曩块面积的增加，农地(包括埂地、蠢溉农 田，梯田农地和坡辩地)的舟壤敦呈渡蝗
式徽嗣增 加．草地的丹堆敷呈谴谊式擅动．林地 (乔木#和蠢木#)的丹维数量上升趋势．通对对内间地和
沟菩地惮地蠢魂空问倍商的比较研究，得出诲间地蠢砚多惮性、相对丰富麈、甍讳蓝诋．恍努虞高一沟各地
多样性、相对丰富度、畦碎度高．优势度氍．建议在湾阃地生态t感的地形转换带种檀蠢木椿，建立生蕊席
道，提高多样性 ·控倒水土靓失·增强景理连接性· ．
． ，
美蕾 查兰!翌．皇 ! ，分堆 ，地理信息 统-多 性．锄 嘻 §
景观是具有高度空阃异质性的区域，它是由相互作用的斑块以一定的规律组成的。景观空
、 问格局分析是景_观生态学研究的核心之一。景观格局及其变化和发展是自然、生物和社会要素
’
相互作用的结果，景观斑块的形状、大小 数量和空间组台影响着生物物种的分布、动物的运
动、迳流和侵蚀等生态过程和边缘效应0 。因此，景观空间格局分析有助于探讨景观格局和生
态过程的相互关系。
以往的研究注重于景观空间格局定量指标的建立和完善“-‘ ，景观空间格局的测定和统
计“ 。本项研究将地理信息系统和景观空问分析模型相结台，用地理信息系统显示景观的空
间分布，用定量模型测定景观的空问格局。
农业景观比自然景观具有更大的变异性，它既受到自然环境的制约，又受到人类活动和社
会经济条件的影响和干预。黄土区农业景观空间格局的研究有利于了解景观格局与 自然、生态
过程和社会经济活动之间的关系，对于黄土高原土地资源合理利用，景观生态设计、土地利用
规划和控制水土流失有其重要意义。
1 研究区域
研究区域位于陕北米脂县泉家沟流域，属典型的黄土丘陵沟壑区。在泉家沟流域内选取
990m×l130m 的区域作为研究区域(见图 1)。区域内粱峁起伏、沟壑纵横 ，地形破碎，沟壑密
度 4．66kg／km ，椭园形的黄土峁由分水鞍部相连，形成峁状长梁地貌类型 研究区域的数字高
程模型(DEM)见图 2。区域内土壤以黄绵土为主，土壤结构为粉质壤土．抗蚀性差．水土流失严
重，属极强侵蚀类型区。流域的自然植被破坏殆尽，垦殖指数高-经过近几年的流域治理，农业
景观已发生了变化，土地利用以梯田农地，坡耕地、灌木林地和草地为主。
*国家自非科学基金资助项目
收 稿 日期 ；1994 01 27，
．
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I14 生 态 学 报 l5卷
图 l 研究 区域 位置 图
Fig l L~ ation r D of the st．dy⋯
圈 2 研究 区域数字 膏程{羹型
Fig．2 Digit l elevation model(DEM )In the~tudy⋯
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2期 博伯杰 ：黄土区农业景观空间格局分析
2 研究方法
本项研究 泉家沟流域 1：1万土地利用现状图” 作为基本分析图件 应用 TOSCA软件
数字化输入土地利用图，产生矢量数据文件 在 1DRIS1地理信息系统支持下 ，应用数据转换
模型将矢量文件转换为栅格文件．栅格面积为 10m×10m·研究区域共划分为 99×H 3个栅
格。根据研究目的，用 RECLASS”命令将土地利用现状分为灌溉农 田、坝地农 田、梯田农地 、
坡耕地 、果园、草地、灌木林地、乔术林地 、水库和居住用地 1o个类型。计算机输出的土地利用
图见图 3，各类用地面积占总面积的比例 见表 1。研究区域景观共有 i17个斑块·下列景观空间
格局特征被分析和计算。
袭 I 各粪土地用地面积及比倒
Table 1 Tke are●Jnd pmportion of different land use t耶咐
2．1 斑块面积(且)和斑块周长(，) 斑块的
大小直接影响生物量、养分贮量及物种组成。
2．2 分维数(Fractal dimension) 用来测定
斑块形状的复杂程度。丹维几何中斑块面积
和周长的关系被定义为。
， 一 (An／ ) (1)
对 于单十正方形 斑块．常数 等 于 4．
则 ： ’
P 一 4( ) (2)
且 ，D： 2 log(P／4)tlog(A) (3)
式中 D表示分维数，， 为斑块 周长．
为斑块面积。D值的理论范围为 1．0—2．0·
1．0代表形状最简单的正方形斑块 ．2．0表示
等面积下周边最复杂的斑块。
2．3 斑块伸长指数(G)。 为：
G — P／ (4)
正方形斑块 G值等于 4．G值越大．斑块
形状越 长。
2．4 多样性 根据信息论原理．景观多样性
指数表示为：
H=一∑ (』) )-in(P ) (5，
式中H 为多样性指数，』) 是景观类型 i所占面积的比倒 ．，”为景观类型的数 目． 值越
大，表示景观的多样性越大。
2．5 优势度(Dominance) 用于测度景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程度．表达
式是。 ：
。 D 一 H ⋯ 一 H
=H +∑(』)，)·In(P ) (6)
式中 表示最大多样性指数．H =In( )。Do值小时。表示景观是由多个 比例大致相
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生 态 学 报 15卷
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圈
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霸嚣槌 ·
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圈
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田 3 研 究 区域的土 地利用 圈
Fig．3 Land u⋯ n the gtudv afea
等的类型组成，D。值大时，表示景观只受一个或少数几个类型所支配。这个指标在完全同质性
的景观中(m一1)是无用的，此时 D0=0。
2．6 相对 丰富度 ( )表示景观 中景观类型的丰富程度“” 由下式表 示
R 一 (M ／M⋯ )× 100％ (7)
式中M 表示景观中现有的景观类型．M～表示最大可能的景观类型。R值愈大．相对丰富
度愈大。
2．7 景观破碎度(F)表示景观的破碎化程度“
F = ：(Ⅳ 一 1)／C；× lO0％ (8)
式中Ⅳ 是景观中斑块的总数．( 为景观数据矩阵的方格网中栅格的总数。F值越大 ．景观
破碎化程度越大。
3 结果与讨论
在 1DRIS1地理信息系统支持下，用“GROUP”程序将土地利用现状图转换为景观斑块
图，并用模型分别计算出每一斑块的面积和周长。将计算出的面积和周长属性文件转换为 LO
TUS中的数据文件．进行统计分析和分维分析。统计出每一土地利用类型的斑块数．平均斑块
面积。根据(3)式计算出每一斑块的分维数和每～土地利用类型斑块的平均分维数。根据(4)
式计算出每一斑块的坤长指数和每一土地利用类型斑块的平均伸长指数 计算和分析结果见
表 2。
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傅伯杰 黄土区农业景观空间格局分析
衰 2 斑块面积、周长和形状分析
Tmble 2 The Br％-~A-perim~er snd skape or patch~,s
从表 2中得出，在各类土地利用类型中．灌溉农田的平均斑块面积最小．其次是草地。由于
本区降雨少，为半干旱区 ，地形复杂，具备灌溉条件的农田面积小，仅位于主沟道沟底平坦的阶
地上，地块少。因而 ，灌溉农田的平均斑块面积最小。草地主要为荒草坡地 ，人工草场面积有限．
在流域治理和土地开垦过程 中，随着梯田、灌术林和乔术林地的增加，以及较疆坡地 的开垦．草
地的斑块数增加(研究区域 内草地斑块数目最大．为 42个，占斑块总数的 35．9 )．但草地斑
块的平均面积则降低。所以，草地的平均斑块面积较小。居住用地的平均斑块面积最大 ，其次
为果园、灌木林地和梯田农地。这些景观类型都是人工化的景观．居住地主要是泉家沟村，沿沟
道边缘集中连片。果园、灌木林地和梯田都是在流域治理过程中人工栽植和修筑的，集中栽植
果木和灌木，便于管理，而修筑梯 田则集中于某些丘陵坡地，逐年扩展。所 以．这些景观类型的
平均斑块面积较大 。
分维分析的结果是，坝地、水库、灌溉农田、居住用地和灌术林地的平均斑块分维数较高 ，
在 1．29以上 ，表明斑块形状较为复杂 这些景观类型大都分布于沟谷地中．斑块形状取决于 自
然地貌的平面形态 。例如，坝地和水库都是在沟谷打坝，或淤地、或截流，灌术林地是在沟谷封
山育林 ，灌木措沟分布．它们的斑块形态取决于沟谷的平面形状．在黄土丘陵沟壑区，多呈复杂
形状 。灌溉农 田和居住用地措沟底和沟缘分布 ，也取决于沟底或沟边的形状 所以．它们的 D
值较高。乔木林地 、坡耕地、果园、草地和梯 田农地的平均斑块分维数较小．小于 1．24，表明斑
块形状较为简单 这些景观类型大都分布于沟间地上，位于峁梁坡和顶部 。在地貌形态和人类
■叠
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il8 生 态 学 报
活动的制约和影响下，它们的斑块形状较为简单 乔木林地虽位于沟坡 ，但由于研究区域内适
于营造乔木林的立地面积有限，加之造林时人为控制取直林地的边缘 ，因此．乔术林地的斑块
形状简单。平均斑块仲长指数的计算结果显示 ，居住用地、坝地、灌木林地 、水库的斑块伸长指
数值大，草地、乔木林地、梯田和坡耕地的斑块伸长指数值小。前者多分布于淘谷地 中．沿淘分
布，形状狭长；后者多分布在沟间地上 ，成片分布，形状方圆 它们与平均斑块分维数大小的原
因有一定的类似性
通过对斑块面积与斑块分维数关系的统计分析，在研究区域内．随着农 田(包括灌溉农田、
坝地、梯 田农地和坡耕地)斑块面积的增加(即 logA增加)，分维数(D)总的趋势是呈波浪式徽
弱增加(见图 4)。农}i{哑块面积在 2700m 到 5800mz之间(IogA=3．4l到 3．76)，分维数基本
在 1．20左右 ，最小值为 l_l4．最大值 1．24。说明斑块形状复杂程度相当，都较为简单。草地斑
块大多数面积在 800m 到 3100m：(IogA=2．90到 3．49)之间，占草地斑块总数的 57．1 ．而
农田和森林斑块面积的大小差别较大。随着草地斑块面积的增加，分维数在 l到 1．5之间呈波
浪式上下变化(见图 4)。随着森林 (包括灌木林和乔木林)斑块面积的增加，分维数总体上呈上
升趋势 ，但增幅不大 森林斑块面积从 5600m (IogA=3．75)到 86100m (IogA=4．94)．分维数
增加明显 ，从 1．06到最高 1．45(见图 4)。
Squ-⋯ 一 ‘
墨 4 蜒蛱面积 (I。g^ )与斑块舒堆数的关幕
Fi g．4 Fract~J dlmen~on p tche ag+dnst log Hrea【m。)for lap land．grassland and forest
在研究 区域内 选取了等面积 (150m×150m)的沟问地 (A)和淘谷地(B，景观样 区(见图
5)进行多样性、优势度、相对丰富度和景观破碎度的比较研究．结果见表 3
研究结果表明 ，沟问地景观多样性低 、优势度高、相对丰富度和破碎度低 ；沟谷地景观多样
性高 ，优势度低，相对丰富度和破碎度高。一般来讲，沟间地只分布有梯田农地、坡耕地和草地
等景观类型 ，而沟谷地分布有坝地、坡耕地、草地 、灌木林地和乔木林地．景观类型多．相对丰富
度高、多样性指数大 ，破碎度大，优势度低，受多种类型的景观支配。通过研究．根据景观生态学
中连接性和网络结构等原理 ，以及景观结构对坡面迳流和水土流失的影响．在沟谷地上．要逐
渐增加景观类型 ，提高景观多样性 。特别是在梁峁顶与粱峁坡 ．以及梁峁坡与沟坡的地形转换
线周周 ，也是水土流失类型由溅蚀、片蚀到细沟侵蚀，浅沟侵蚀以及到沟谷和重力侵蚀的转换
带上“”．栽植数十米宽的灌木林带。既能有效地控制土壤侵蚀，保持水土；又能建造长形的生
态廊道 ，与现有的灌木和林地构成网络 ，有利于生物物种和动物的迁徒和本地种的恢复和保
护
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2期 傅怕杰，黄土区农业景观空间格局分析
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I 梯田表埴
I 垣地农田
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l 木#蝇
l 羿丰林埴
30 0 30 6O
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图 5 1由间地和 1由各 地量 理惮 区 沟闻地 ．b．沟各 地 )
F‘ 5 Sample landscape of guly land cb)and between guly land(a)
衰 3 沟间地和沟苷地景现多样性 、优势度 ．相对丰富度和破碎度的比较
Table 3 "rite diversity·dominance·relliVe riclness and tragmenLmtion of gully land and land 1．et 叩 gullies
地理信息系统和分维分析、统计分析相结合是研究景观空间格局的有力方法和工具 ．它不
仅能进行定量分析和计算模拟．而且还可进行图形图像显示。景观空间格局分析韵指标和方法
亦可对森林、城市等景观进行分析和研究．这一研究对理论生态学和资源管理部有重要意义。
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THE SPATIAL PATTERN ANALYSIS OF
AGRICULTURAL LANDSCAPE IN THE L0ESS AREA
Fu Bojie
R ⋯ CentreforEco—Envlr~mema2$cie~e．Ch,neseA~dtmy‘ S~icmes．Beifimg，100089 3
The agricultural landscape is a mosaic of naturaI and bufftan—managed patches tkat vary
in size，shape and arrangement．These spatial patterns in the landscape may influence a vari—
ety of ecological phenomena．Therefore—the analysis of landscape spatiaI patterns is an impor—
tant component of understanding ecological dynamics．A geographic information system
(GIS)，fractaI analysis，and statisticaI methods were used to examinethe spatial patterns of
agricultural landscape in the loess area of China．1；10000 land use map of study area was dig—
itized for analysis，ten land use categories were included：irrigated farmland，check—dam farm—
land，terrace farmland，slope farmland，orchard，grassland，bosh，forest，reservoir and residen
tial land．The size of patches．fractal dimension of patches，patch elongation index，diversity，
dominance,relative richness and fragmentation index of landscapes of gully and between gul
ly were calculated by models and GIS．Along with the increase of patch area．the shapes of
farmland and forest patches have a change tendency from simple tO complex，the shapes of
grassland vary at random．Finally．a suggestion to plant buffer on the zones between hill top
and hill slope and hill slope to gully slope was put forward so as to control soil erosion and
improve landscape connectivity．
Key words：agricultural landscape，spatial pattern，fractal analysis．GIS，diversity
，
i
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