全 文 ：第 18 卷 第 2 期
Vol. 18 No. 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2010 年 3 月
Mar . 2010
黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析
李 斌1 , 张金屯2
( 1.中北大学化工与环境学院, 山西 太原 030051; 2.北京师范大学生命科学学院, 北京 100875)
摘要 : 利用地理信息系统技术结合景观斑块形状指数和分形分析方法, 对黄土高原地区草原景观斑块的形状以及
空间特征进行了分析。结果表明:黄土高原地区 45 种草原景观斑块形状指数相差悬殊, 垂穗披碱草( Fo rm. Ely-
mus nutans Gr iseb. )草甸草原和川青锦鸡儿( F orm. Caragana tibetica Kom. )草原的斑块圆环度指数之差达到
20. 8460,反映出黄土高原草原景观斑块的边界率相差较大,表明草原景观斑块与外界的物质、能量交换活跃程度
相差较大。草原斑块的形状明显偏离于圆形和方形, 为不规则形, 这与黄土高原地区破碎的地形密切相关。不同
类型草原景观斑块分维数变化较大,早熟禾 ( F orm. Poa sphond y lode T rin. ex Bunge)草甸草原的分维最大,其格
局是最为复杂的。多根葱、大苞鸢尾( Fo rm. A llium po ly rhiz um Turcz. ex Regel and I r is bung ei Max im. )草原的
分维最小,其格局是最简单的。这些都反映出黄土高原地区草原景观异质性较大。
关键词:草原景观; 形状指数; 分形分析; 黄土高原
中图分类号: Q149; S812 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2010) 02-0141-07
Patch Shape Indices and Scale fractal Analysis of
Steppe Landscape in the Loess Plateau
LI Bin
1
, ZHANG Jin- tun
2
( 1. College of Chemical Techn ology and E nvironment , North University of China, Taiyuan , S hanx i Province 030051, Chin a;
2. C ol lege of Life S cien ce, Beij ing Norm al University, Beijing 100875, China)
Abstract: Because of the influence o f drought and w indy climate and the poor soil st ructure, so il ero sion
and land desert if icat ion are the serious problems in Loess Plateau and the ecolo gical env ir onment is sens-i
t ive to disturbance. How ever, the malignant cir culation of steppe dest ro ying , soil er osion, and land deser-
t if icat ion is dominant in Loess P lateau steppe. It is important to study the patch shapes and their spat ial
dist ribut ion in steppe landscape fo r the scient ific management o f Loess P lateau. Based on the informat ion
from Loess P lateau Vegetation M ap ( 1 500, 000) and Geographical Informat ion System in combinat ion
w ith the landscape patch shape indices and scale fractal analysis, this paper studied the patch shape and
their spat ial distr ibution o f steppe landscape in Loess Plateau. T he r esults show that the signif icant differ-
ences w ere detected among the patch shape indices of the fo rty- f ive steppe landscapes in Loess P lateau.
The difference betw een the patch shape indices o f Form . Elymus nutans Griseb. meadow steppe and
Form. Caragana t ibet ica Kom . steppe w as 20. 8460, w hich illust rates that the exchange degrees betw een
the steppe landscape patches and surrounding phy sics and energ y are comparat iv ely differ ent w ith gr eat
patch boundary leng th. The shapes of steppe patches w ere irregular and obviously deviated from both cir-
cle and squire and closely corr elated w ith the heterogeneity o f steppe landscape in Loess P lateau. The frac-
tal dimensions of different steppe patches varied g reat ly. Fo rm. Poa sp hondy lode Trin. ex Bunge meadow
steppe had max imum fractal dimension w ith the most complicated pat tern and Fo rm. A l lium p oly r hi z um
Turcz. ex Regel and I r is bungei Maxim. steppe had m inimum fractal dimension w ith the simplest pat tern.
In summary , the non-uniformity of steppe landscape in Loess Plateau is compar at ively great.
Key words: Steppe landscape; Shape index; Scale f ractal analysis; Loess Plateau
景观斑块形状是描述景观的一个重要的因子,
对于某一景观要素的一个斑块, 其特征主要是斑块
的形状和大小, 形状和大小可能是景观要素特性的
反映,同时也受局部的环境因子的影响,是某类景观
占优势程度的重要标志, 也是研究斑块多样性的主
要参数,具有重要的生态意义[ 1, 2]。斑块大小很易
实测得到,但对于其形状,由于变化大,复杂多样,难
以确切地直接计测, 一般多用各种指数描述[ 3~ 6] 。但
收稿日期: 2009-06-17;修回日期: 2009- 10-19
基金项目:国家自然科学基金项目( 30070140)资助
作者简介:李斌( 1972- ) ,男,山西孝义市人,博士,副教授,主要从事环境生态学方面的研究, E-mail: lib in4y@ 163. com
草 地 学 报 第 18卷
形状指数不能提供斑块形状复杂性的直接度量。斑
块形状随尺度变化的方式可以用分维来刻划 [ 7]。分
维可以在多尺度上观察景观, 从而在面对模糊性的
情况下实现可预测性 [ 8]。
黄土高原地区的水分、热量、气候条件处于极度
不平衡状态,气候变干、变暖、风大、雨量分布不均等
使生态环境极度脆弱, 生态系统退化特征极其明
显[ 9]。由于长期的过度垦殖和放牧等人类干扰活动
加剧了黄土高原草原的退化, 造成了黄土高原草原
严重的水土流失状况, 成为黄土高原突出的环境问
题。当前对于黄土高原草原景观生态的研究, 多是
零星的,小尺度的 [ 10~ 12] , 关于黄土高原区域尺度水
平上草原景观形状以及空间特征的研究还未有报
道。对黄土高原草原景观形状以及空间特征的分
析,有助于了解草原空间分布规律,对黄土高原地区
的水土保持和草原的恢复具有重要参考意义 [ 13, 14]。
本文在利用 MAPGIS 软件将黄土高原地区
150万植被类型图数字化的基础上[ 15] ,提取 45种
典型草原景观, 对黄土高原地区草原景观形状以及
空间特征进行了分析, 以期为黄土高原地区的草原
保护、合理利用、恢复与重建提供科学依据。
1 研究方法
1. 1 研究地区自然概况
黄土高原, 位于东经 10052- 11433, 北纬
3341- 4116, 是世界上黄土分布面积最大、最集
中和黄土地貌最典型的地理单元。黄土高原具大陆
性气候特征, 年均温 6- 14 , 10 积温 1700-
4500 ,无霜期 110- 220 d, 年蒸发量 1000- 1800
mm, 从东南向西北, 依次为湿润半湿润暖温带、半
湿润半干旱温带、干旱半干旱温带气候区。黄土高
原由于受干旱气候、复杂地形及稀疏植被等因素影
响,成为全国水土流失最严重的地区。
1. 2 数据采集
在 MAPGIS 软件支持下,将黄土高原地区 1
50万植被类型图数字化,依经纬网格将黄土高原分
成经度为 30,纬度为 30的小区, 面积不足标准小
区 50%的边界上的小区合并到相邻的小区中, 共得
257个小区, 即为研究的实体, 将植被图上各植被类
型的实际面积作为实体的属性, 这样得到 257 171
的植被数据矩阵。在对数据矩阵用双向指示种分析
法 ( T w o-w ay indicator species analysis, TWINS-
PAN)和除趋势对应分析 ( Det rended Corr espon-
dence Analy sis, DCA)分类和排序[ 4] , 从而对黄土
高原植被进行分区的基础上,把 91个草原类型小区
45 种草原类型的实际面积作为实体的属性, 利用
GIS的基本功能得到 91 45的草原数据矩阵。本
项研究所用的 45种典型草原景观(表 1)斑块数、面
积、周长、空间位置等数据的全部处理过程采用 GIS
软件 MAPGIS6. 0完成。
1. 3 数据处理
1. 3. 1 黄土高原草原景观斑块形状指数 斑块圆
环度指数计测公式 [ 3, 5] :
C i=
P i
A i
( 1)
式中 A i 是第 i 类景观要素斑块的面积; P i 是
第 i 类景观要素斑块中第 i 个斑块的周长。这个指
数是现实斑块周长与面积之比, 表征斑块的边界效
应,斑块面积越大,单位面积中的边界数量越少, 斑
块形状越不紧凑。
斑块扩展度指数计测公式[ 3, 5, 16, 17] :
D i=
P i
2 A i ( 2)
式中字母含义同斑块圆环度指数计测公式。这
个指数是斑块周长与等面积的圆周长之比,代表斑
块形状与圆形相差的程度。该指数的最小值为 1,
其值越接近 1, 表示斑块形状与圆形越接近; 其值越
大,则斑块形状与圆形相差越大,形状越不规则。
斑块方形指数计测公式 [ 3, 5] :
S i=
0. 25P i
A i
( 3)
式中字母含义同斑块圆环度指数计测公式。这
个指数是斑块的方形指数,代表斑块形状与正方形
相差的程度。正方形斑块该指数的值为 1, 指数值
越大,表示斑块形状与正方形相差越大,斑块形状越长。
1. 3. 2 黄土高原草原景观斑块形状的分形分析
采用分维几何描述斑块周长 P 与其面积 A 之间的
关系[ 5, 7, 17] :
P
1
Df A 12 ( 4)
InP= C+
D f
2
InA
式中 D f 是不规则图形边界的分维数, C 为常
数,其余字母含义同斑块圆环度指数计测公式。当
边界分维数接近 1时, 说明该斑块的形状接近于正
方形,边界分维数值越高,说明该类景观要素斑块形
状越复杂。分维数之间的差异显著性采用 -t 检验,同时
对草原景观分维数与斑块平均面积进行相关分析[4]。
142
第 2期 李斌等:黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析
表 1 黄土高原地区 45 种草原景观类型
Table 1 45 St eppe landscape t ypes in Loess Plateau
景观类型 Landscap e typ e 景观类型 Landscape ty pe
1铁杆蒿草甸草原
( Form. Ar temisia gmel ini i Web . ex Stechm. m ead ow
step pe)
24丝颖针茅、洽草草原
( Form . S t ip a cap i llacea Keng an d K . cr istata steppe)
2茭蒿草甸草原
( Form. A . gi rald ii Pamp. meadow s teppe)
25疏花针茅草原
( Form . S t ip a p enicil lata Hand.- Maz z. steppe)
3白羊草草甸草原
( Form. Bothriochloa i schaemum ( L. ) Keng m ead ow
step pe)
26羊茅草原
( Form . F estu ca ov ina L. step pe)
4牛尾蒿、铁杆蒿草甸草原
( Form. A . subdig itata Mat t f . and A . gmel ini i mead-
ow steppe)
27青海固沙草草原
( Form . Orinus kokonor ica ( Hao) Keng steppe)
5羊草草甸草原
( Form. A neurol ep id ium chinense ( Trin. ) Nevski
meadow s teppe)
28星毛萎陵菜、阿尔泰狗娃花草原
( Form . P otent il la acau li s L. and H e ter op ap p us al taicu s ( W illd. ) Novopokr.
stepp e)
6白草草甸草原
( Form. P enni se tum f lacc id um Griseb. meadow steppe)
29蒙古蒿草原
( Form . A . mong oli ca Fisch. steppe)
7苔草草甸草原
( Form. Car ex spp. m eadow steppe)
30短花针茅草原
( Form . S . br ev if l or a Gris eb. stepp e)
8早熟禾草甸草原
( Form . P oa sp hond ylod es Trin. ex Bunge m ead ow
step pe)
31沙生针茅草原
( Form . S . glare osa P. Sm irn. steppe)
9野青茅草甸草原
( Form. Deyeuxia ar und inacea ( L. ) Beauv. m ead ow
step pe)
32石生针茅草原
( Form . S . klemenz ii Roshev. s teppe)
10短柄草草甸草原
( Form. B rachy pod ium sylvati cum ( H uds. ) Beauv.
meadow s teppe)
33细柄茅草原
( Form . P t ilag rost i s di chotoma Keng. ex Tzvel. step pe)
11鹅观草草甸草原
( Form. R oegner ia kamoj i Ohw i meadow s teppe)
34戈壁针茅草原
( Form . S . gobica Roshev. step pe)
12垂穗披碱草草甸草原
( Form. E lymus nutans Griseb. m eadow steppe)
35无芒隐子草草原
( Form . Cl . song or ic a ( Roshev. ) Ohw i steppe)
13窄颖赖草草甸草原
( Form. A neu rolep idium angu stum ( T rin. ) Levski.
meadow s teppe)
36猫头刺草原
( Form . Oxy tr op i s ac ip hy lla Ledeb. steppe)
14洽草草甸草原
( Form. K oe ler ia c ri stata ( L. ) Pers. meadow steppe)
37刺旋花草原
( Form . Convolvulus t rag acanth oid es T urcz. steppe)
15长芒草草原
( Form. S t ip a bungeana Tr in. s teppe)
38蓍状亚菊草原
( Form . A j ania achi l loides ( Tur cz. ) Pol jak. ex Grub ov. steppe)
16大针茅草原
( Form. S . gr andi s P. Smirn. s teppe)
39牛枝子草原
( Form . L . p otaninii Vass . s teppe)
17百里香草原
( Form. T hy mus mong oli cus Ronn. step pe)
40驼绒藜、石生针茅草原
( Form . Ce ratoide s latens ( J . F. Gmel . ) Reveal et H olmg ren and S . kl emenz i i
stepp e)
18冷蒿草原
( Form. A . f r ig ida Wil ld. steppe)
41狭叶锦鸡儿草原
( Form . Car agana st enophy l la Pojark. steppe)
19克氏针茅草原
( Form. S . krylov ii Rosh ev. steppe)
42川青锦鸡儿草原
( Form . Ca. t ibeti ca Kom. steppe)
20糙隐子草草原
( Form. C lei stog ens squ arrosa ( T rin. ) Keng step pe)
43骆驼蓬草原
( Form . P eganum har mala L. steppe)
21达乌里胡枝子草原
( Form. L espede za d ahur ica ( Laxm . ) S chindl . steppe)
44多根葱、大苞鸢尾草原
( Form . A l lium p oly rhi z um T urcz . ex Reg el an d I ri s bung ei Maxim. steppe)
22冰草草原
( Form. A g ropy ron cri statum ( L. ) Gaertn. stepp e)
45紫花针茅草原
( Form . S . pu rp urea Griseb. steppe)
23芨芨草草原
( Form . A chna ther um sp lendens ( T rin. ) Nevski.
step pe)
143
草 地 学 报 第 18卷
1. 4 数据分析
使用 SPSS 16. 0 软件进行数据分析, Excel
2007软件进行图表制作。
2 结果与分析
2. 1 黄土高原植被区划
应用 TWINSPAN 分析对黄土高原的植被数据
矩阵进行分类, 同时进行 DCA 排序,实际上是对黄
土高原植被区进行划分[ 18] 。DCA 第一排序轴代表
黄土高原植被区的纬向性变化。DCA 第二排序轴
代表黄土高原植被区的经向性变化。我们根据
TWINSPAN 分类的结果, 结合 DCA 排序, 将黄土
高原划分为 4个植被区: :森林植被区; : 森林草
原植被区; :温性草原植被区; :荒漠半荒漠植被
区。温性草原植被区又划分为: 1 :典型草原亚区;
2 :荒漠化草原亚区; 3 :草甸草原亚区三个亚区。
选择了主要的植被类型标示在图 1 上。从右向左,
植被区由森林植被区、森林草原植被区、温性草原植
被区过渡到荒漠半荒漠植被区。在此基础上, 利用
GIS软件 MAPGIS建立黄土高原草原景观的空间
数据库和属性数据库。
图 1 黄土高原主要植被区划图
Fig . 1 Diag ram o f veget ation reg ions in Loess Plateau
:森林植被区 Forest ry region ; :森林草原植被区 Fores try-
steppe r egion; 1 :典型草原亚区 T ypical steppe subregion ; 2 :荒
漠化草原亚区 Desert steppe sub region; 3 :草甸草原亚区 Meadow
subregion; :荒漠半荒漠植被区 Desert and sem ides ert region
2. 2 黄土高原草原景观斑块形状的指数分析
用圆环度、扩展度和斑块方形指数对黄土高原
灌丛景观类型的每个斑块计算形状指数, 将每个景
观类型所有斑块的指数值平均(表 2)。
垂穗披碱草草甸草原的 C 值最大(表 2) , 表明
其单位面积的边界相对最多,与外界的物质、能量交
换活跃,这与垂穗披碱草适应性强,无论在低海拔平
原,或高海拔的高原均生长良好,能适应各种类型的
土壤,抗旱力较强,具有广泛的可塑性是一致的。而
川青锦鸡儿草原 C 值最小,表明其单位面积的边界
相对最少,川青锦鸡儿属荒漠化草原植被,生长在黄
土高原从典型草原到荒漠的过渡的荒漠草原地带,
与外界的物质、能量交换不活跃。垂穗披碱草草甸
草原和川青锦鸡儿草原的 C 值之差达到 20. 8460,
这表明黄土高原草原景观类型的 C 值相差悬殊,黄
土高原草原景观斑块的边界率相差较大, 表明黄土
高原草原景观斑块与外界的物质、能量交换活跃程
度有较大的差别。
黄土高原草原景观类型的 D 值和 S 值是将斑
块形状与正方形、圆形进行比较,因为正方形和圆形
这样较大的等径斑块边缘较小, 与外界物质、能量交
换比较少,而相同面积的矩形或不规则斑块具有相
对小的内部和相对多的边缘,相同面积的狭长斑块
可能全是边缘,它们与外界物质、能量的交换相对活
跃。黄土高原草原景观类型的 D 值和 S 值都比较
大,远大于 1,说明草原景观斑块的形状明显偏离于
圆形和方形,为不规则形,这与黄土高原地区破碎的
地形密切相关,也与黄土高原易受土壤侵蚀的地貌
相符合。羊茅草原的 D 值最大, 斑块形状与圆形相
差最大,斑块形状最不规则,反映了羊茅生态习性适
应性强, 耐干旱, 耐低温、瘠薄, 且具有较强的耐牧
性。糙隐子草草原的 D 值最小, 但糙隐子草草原的
D 值也远大于 1,同样与圆形相差较大,表明黄土高
原草原景观斑块形状都是不规则形。羊茅草原的 S
值最大, 斑块形状与正方形相差最大,糙隐子草草
原的 S 值最小, 但也远大于 1, 与正方形相差较大,
同样表明黄土高原草原景观斑块形状均为不规则
形。这与黄土高原草原景观斑块扩展度指数计算的
结果是一致的。这也表明形状指数 D 和 S 之间有
密切的关系。从整个草原景观斑块来看, 无论是形
状指数 C 值,还是形状指数 D 值和 S 值, 不同草原
景观类型之间形状指数相差较大, 这也表明黄土高
原草原景观异质性较大。
2. 3 黄土高原草原景观斑块形状的分形分析
将 45种草原景观类型计算的分维数列入表 3。
在分形方法中,由于斑块边界是作为二维空间中的
曲线对待的,因此理论上分维数值应该落在( 1- 2)
中。当边界分维数接近 1时,说明该类斑块的形状
144
第 2期 李斌等:黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析
接近于正方形, 边界分维数值越高,说明该类景观要
素斑块形状越复杂[ 17] 。从表 3中可以看出,当斑块
个数比较少时, 计算的分维数 D f 可能小于 1(如沙
生针茅草原) ,这时的分维数不能反映明确的生态学
意义。
表 2 黄土高原 45 种草原景观类型斑块形状指数的平均值
Table 2 Average value of patch shape indices of the
45 Steppe landscape types in Loess P lateau
类型 T ype C D S
1 19. 9170 12. 2460 10. 8527
2 19. 9840 13. 0130 11. 5325
3 22. 1880 12. 6470 11. 2081
4 15. 7330 16. 3570 14. 4960
5 21. 0960 9. 8310 8. 7125
6 17. 9740 12. 9160 11. 4465
7 16. 9080 14. 7270 13. 0515
8 13. 0670 16. 5030 14. 6254
9 16. 8650 12. 3710 10. 9635
10 16. 1490 15. 1910 13. 4627
11 22. 4910 8. 7960 7. 7953
12 26. 7970 18. 0280 17. 1146
13 13. 0040 11. 2580 9. 9771
14 13. 5910 11. 8460 10. 4982
15 19. 1820 13. 6430 12. 0908
16 17. 3520 12. 3860 10. 9768
17 19. 2620 12. 0550 10. 6835
18 13. 4490 13. 7000 12. 1413
19 19. 2920 11. 4910 10. 1836
20 15. 1580 8. 3810 7. 4275
21 20. 9070 12. 8110 11. 3535
22 18. 5250 11. 9620 10. 6010
23 8. 2790 9. 4550 8. 3793
24 15. 8130 17. 9530 15. 9104
25 17. 2360 16. 1700 14. 3303
26 12. 4170 20. 1890 17. 8920
27 8. 5730 15. 1220 13. 4015
28 20. 2340 10. 4290 9. 2425
29 9. 6450 13. 6630 12. 1085
30 12. 0830 12. 6910 11. 2471
31 9. 6580 12. 4340 11. 0193
32 6. 0380 12. 7900 11. 3348
33 12. 6760 12. 4190 11. 0061
34 8. 6650 9. 6190 8. 5246
35 10. 3500 11. 9790 10. 6161
36 10. 5570 11. 3970 10. 1003
37 11. 4610 12. 4760 11. 0566
38 14. 0480 11. 6360 10. 3121
39 8. 4860 15. 2770 13. 5389
40 12. 2390 10. 9740 9. 7255
41 11. 3040 13. 0130 11. 5325
42 5. 9510 13. 8320 12. 2583
43 11. 9850 15. 0110 13. 3032
44 14. 8790 10. 3520 9. 1742
45 8. 8020 18. 0240 15. 9734
注: C: 圆环度指数, D: 扩展度指数, S : 方形指数
Note: C: Circu larit y index, D: Developmen t in dex, S : Square
index
表 3 黄土高原 45 种草原景观类型斑块分维数及相关的统计量
T able 3 F ractal dimension and related statistics of
the 45 Steppe landscape types in Loess P lateau
类型 Type A V R D f P
1 16. 25 0. 9710 1. 3720 < 0. 01
2 17. 07 0. 9630 1. 4000 < 0. 01
3 13. 89 0. 9790 1. 4020 < 0. 01
4 25. 84 0. 9640 1. 4400 < 0. 01
5 7. 81 0. 9700 1. 3560 < 0. 01
6 47. 58 0. 9420 1. 1800 < 0. 01
7 29. 74 0. 9640 1. 4140 < 0. 01
8 27. 53 0. 9210 1. 8420 < 0. 01
9 10. 98 0. 9590 1. 5400 < 0. 01
10 25. 66 0. 9560 1. 4580 < 0. 01
11 2. 33 0. 9980 1. 2920 0. 01< P < 0. 05
12 12. 70 0. 9940 1. 2660 0. 01< P < 0. 05
13 53. 83 0. 9540 1. 2160 0. 01< P < 0. 05
14 11. 70 0. 8740 1. 2140 0. 01< P < 0. 05
15 30. 78 0. 9730 1. 3280 < 0. 01
16 22. 62 0. 9690 1. 3140 < 0. 01
17 22. 40 0. 9660 1. 3180 < 0. 01
18 50. 75 0. 9640 1. 2940 < 0. 01
19 22. 27 0. 9500 1. 1960 < 0. 01
20 18. 61 0. 8230 1. 2460 < 0. 01
21 14. 40 0. 9750 1. 3980 < 0. 01
22 18. 66 0. 9610 1. 2560 < 0. 01
23 214. 67
24 40. 10 0. 9210 1. 2080 < 0. 01
25 11. 06
26 96. 16 0. 9250 1. 1000 < 0. 01
27 57. 74 0. 9000 1. 4080 < 0. 01
28 8. 62 0. 9730 1. 1640 < 0. 01
29 34. 81 0. 9450 1. 5500 < 0. 01
30 74. 68 0. 9670 1. 2200 < 0. 01
31 25. 40 0. 9730 0. 6600 0. 01< P < 0. 05
32 122. 88 0. 9310 1. 2940 < 0. 01
33 23. 57 0. 9950 1. 4200 < 0. 01
34 35. 30 0. 9560 1. 1100 < 0. 01
35 39. 87 0. 9760 1. 2880 < 0. 01
36 43. 03 0. 9740 1. 2780 < 0. 01
37 23. 24 0. 9380 1. 1320 < 0. 01
38 21. 33 0. 9520 1. 2100 < 0. 01
39 77. 70 0. 9580 1. 3360 < 0. 01
40 35. 77 0. 9440 1. 1720 < 0. 01
41 53. 23 0. 9320 1. 2240 < 0. 01
42 133. 36 0. 9730 1. 4140 < 0. 01
43 46. 32 0. 9460 1. 2480 < 0. 01
44 25. 27 0. 9650 1. 0800 < 0. 01
45 70. 89 0. 9610 1. 0860 < 0. 01
注: AV :斑块平均面积; R: lnA 与 lnP之间的相关系数; Df :分维数
Note: A V : patch average area; R : correlat ion coef ficient be-
tw een lnA and lnP ; D f : f ractal dimension
在分维数 D f 大于 1 的草原中, 多根葱、大苞鸢
尾草原分维最小, 说明其格局最简单,这与这类草原
分布在甘肃兰州、会宁、宁夏固原一带黄土丘陵顶部
145
草 地 学 报 第 18卷
和阴坡,受人为活动的干扰较大有关。多根葱是一
种品质优良的季节性的放牧型饲草,所有家畜都采
食;大苞鸢尾在萌发阶段,羊喜食; 花期,花及少量嫩
叶上端也被放牧的绵、山羊乐食,秋霜以后以至整个
冬季,叶片保留良好, 适口性大大增加, 成为荒漠草
原地带的良好冬牧场。分维数较低的还有紫花针茅
草原、羊茅草原和戈壁针茅草原, 分别为1. 0860、1.
1000和 1. 1100, 说明这些类型格局较简单, 这与这
类草原是优质的牧草,受人为活动的干扰较大有关。
紫花针茅抽穗开花之前, 茎叶柔软, 适口性好, 含粗
蛋白质高,粗纤维少, 营养价值比较高, 各种家畜都
喜采食;羊茅草原草质较好,羊尤喜食, 具有较强的
耐牧性;戈壁针茅是荒漠草原和荒漠植被的过渡类
型,群落稀疏低矮而单调,是山地草地上的优等饲用
植物,各种家畜均喜食。
早熟禾草甸草原的分维最大, 说明其格局最为
复杂,这与早熟禾草甸草原分布在海拔高, 气候寒
冷、地形复杂的高山地区, 受人为活动的干扰较小,
干扰程度低,天然形状保持较好,形状最为不规则有
关。从整个草原景观斑块形状的分维数来看,不同
草原景观类型之间分维数变化较大, 这也表明黄土
高原草原景观异质性较大。
黄土高原 45个草原基本类型中斑块个数> 60
的每两个类型景观分维数之间的显著性检验( t-检
验)表明,大多数分维数之间的差异显著(表 4)。黄
土高原草原景观分维数与斑块平均面积之间有较强
的线性关系(图 2) , 即存在分维数随斑块面积增加
而增加的趋势,这也表明随着斑块面积的增加, 斑块
形状越来越复杂。这能够看出大斑块明显地比小斑
块复杂。这也表明人类活动对较小尺度的斑块有直
接的影响,而较大尺度的斑块则更主要地是由自然
环境因子(如地形等)所决定的。黄土高原曾是塬面
广阔,沟壑稀少, 草木丰茂的地区, 只是近代以来森
林才遭到了大规模的破坏,人为毁林毁草不合理开
荒加速了土壤侵蚀,致使大部分山地被灌丛、栽培植
被和草原所取代。
表 4 黄土高原 45 种草原景观类型中斑块个数> 60 的每两个类型的景观分维数的 t检验结果
Table 4 T- test result of f ractal dimension bet ween every two landscape types w hich
have mo re than 60 patches o f the 45 Steppe landscape types in Loess Plateau
类型 T ype 1 2 3 4 5 7 15 16 17 18 19 21 28 30
2 v
3 v v
4 n v v
5 v v v v
7 v v v v v
15 e e e e e e
16 e e e e e e v
17 e e e e e e v v
18 e e e e e e v v v
19 e e e e e e v v v v
21 e e e e e e v v v v v
28 e e e e e e v v v v v v
30 e e e e e e v v v v v v v
注: e 或 v 分别表示在 0. 01或 0. 05水平具有显著性差异, n表示在 0. 05水平无显著性差异
Note: e or v in dicates signif icant dif f erence at th e 0. 01 or 0. 05 level , respect ively; n indicates no signif icant di ff erence at th e 0. 05 level
3 讨论与结论
黄土高原垂穗披碱草草甸草原的 C 值最大, 表
明其单位面积的边界相对最多, 川青锦鸡儿草原 C
值最小,垂穗披碱草草甸草原和川青锦鸡儿草原的
C值之差达到 20. 8460, 这表明黄土高原草原景观
类型的 C值相差悬殊,黄土高原草原景观斑块的边
界率相差较大, 表明黄土高原草原景观斑块与外界
的物质、能量交换活跃程度有较大的不同。黄土高
原草原景观类型的D 值和S 值都比较大, 远大于1,
说明草原斑块的形状明显偏离于圆形和方形,为不
规则形,这与黄土高原地区破碎的地形密切相关,也
与黄土高原易受土壤侵蚀的地貌相符合。从整个草
原景观斑块来看, 无论是形状指数 C 值, 还是形状
指数 D值和S 值, 不同草原景观类型之间形状指数
相差较大,这也表明黄土高原草原景观异质性较大。
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)。放牧对黄土高原草原
146
第 2期 李斌等:黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析
图 2 分维数与斑块平均面积之间的相关分析
F ig . 2 Co rr elation analysis bet ween fractal
dimension and patch average area
景观分维数有较大的影响,分维数较小的多根葱、大
苞鸢尾草原、紫花针茅草原、羊茅草原和戈壁针茅草
原都是优良草原,与人为活动关系较为密切, 受放牧
活动的干扰较大,天然形状不易保持,但放牧有利于
竞争力弱但又耐牧的植物, 不合理的放牧常导致群
落的退化演替[ 19~ 22] ,从而对草原景观分维数产生较
大的影响。在分维数 D f 大于 1 的草原类型中, 多
根葱、大苞鸢尾草原的分维最小,其格局最简单。分
维数较低的有紫花针茅草原、羊茅草原、戈壁针茅草
原、刺旋花草原、星毛萎陵菜、阿尔泰狗娃花草原和
驼绒藜、石生针茅草原, 这与这类草原利用价值高,
牧草优质, 受人为活动的干扰较大有关。地形对黄
土高原草原景观分维数也有较大的影响, 地形会影
响水热条件的变化, 从而对群落分布格局产生影响。
早熟禾草甸草原的分维最大, 其格局是最为复杂的,
这与早熟禾草甸草原分布在海拔高,气候寒冷、地形
复杂的高山地区,受人为活动的干扰较小,干扰程度
低,天然形状保持较好,形状最为不规则有关。
黄土高原草原景观斑块的形状明显偏离于圆形
和方形,为不规则形,不同草原景观类型之间分维数
变化较大,这都表明黄土高原草原景观破碎化程度
较高,景观异质性较大,破碎化成为黄土高原草原典
型的景观特征, 草原景观由单一、均质和连续的整体
趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体 [ 23~ 25] , 体
现了长期的人类活动影响的结果。黄土高原草原景
观斑块指数分析的结果与分维分析相结合, 能更好
地反映黄土高原草原的景观特征。
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(责任编辑 邵新庆 米 佳)
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