全 文 ： * ?“十五”北京市科委项目 ( 95542100) 和河北农业大学博士专项基金资助
收稿日期 : 2004-10-16 改回日期 : 2004-11-25
黄塔小流域农业生态系统景观特征探析 *
王印传 许 嗥 孙丹峰 张凤荣
(河北农业大学资源与环境学院 保定 071001) (中国农业大学土地资源管理系 北京 100094)
摘 要 应用 GIS、RS 和 GPS现代技术研究了黄塔小流域农业生态系统景观特征 ; 并从地形因素、基岩和母质、人
类活动方面分析其对黄塔小流域景观生态系统的影响。
关键词 小流域 农业生态系统 景观特征
Landscape characters of agricultural ecology system in Huangta small watershed . WANG Yin-Chuan, XU Hao(College
of Resources and Environment, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, China) , SUN Dan-Feng, ZHANG
Feng-Rong(Department of Soil Resource Management , China Agricultural University, Beijing 100094, China) , CJEA ,
2006,14( 1) :209～211
Abstract Using modern technique GIS, Rs and GPS, landscape features of agro-ecology system are studied and the
influences of topography, rock and textureof soil, mankind on Huangta small watershed are analyzed also .
Key words Small watershed, Agro-ecology system, Landscape character
(Received Oct . 16, 2004; revised Nov . 25, 2004)
1 研究区域概况与研究方法
黄塔小流域位于北京市门头沟区清水镇南部 ,西部与河北交界 , 南邻北京市房山区 ,总面积 6778.8hm2 ,
流域南北长 11km, 东西宽 7. 8km, 流域出口海拔高度为 550m, 位于小流域南部最高峰白草畔海拔高度为
2035m, 地势南高北低 ,属大阴坡 ; 多年平均降水量为 529.1mm,且年际变化和年内分配差异很大 , 夏季降水
量约占全年降水量的 75% , 仅 7～8月份降水量占全年降水量的 65%以上 , 且常以暴雨形式出现 , 年均气温
10.6℃ ,年较差 30℃ ,日较差 12. 5℃。该区植被呈垂直分布规律 ,由下至上可分为低山灌丛和灌草丛带、中
山松栎桦林带、山顶草甸带 3个带。本研究根据黄塔小流域不同海拔高度、植被类型、坡向和坡位共取得典
型土壤剖面 25 个 , 并应用 GPS 定位描述海拔高度、坡向和坡度、坡位 , 调查植被类型包括林、灌、草及其种
类 ,估测植被盖度。将 1∶10000地形图和土地利用现状图用扫描仪扫成位图格式 , 在 GIS 软件 R2v 中人工
跟踪矢量化 ,保存为 Arcview所需要的 shp格式。将从国家遥感中心获取的 2001年黄塔小流域 TM 遥感影
像在遥感软件 envi 中进行几何矫正 , 使之与 1∶10000 地形图相匹配 , 影像由 5、4、3波段合成并在遥感软件
envi中存成 bil 格式。将 25个典型土壤剖面的经、纬度在 GIS 软件 Topmap中转换成大地坐标并保存为 shp
格式。在 Arcview中把土壤剖面点图层、土地利用现状图图层、地形图图层、遥感图象图层 4个图层叠加在
一起 ,绘制成黄塔小流域景观生态图。结合黄塔小流域景观生态特征 , 经对遥感影像解译和判读及 GIS 分
析 ,划分为 8个基本景观类型 , 即农耕地 (包括农作物和经济林地 )、居民点 ( 居民居住用地 ) 、交通用地 ( 通往
小流域外部和村间的公路 )、林地 (指自然林 )、灌草地 (以灌木为主 )、荒草地 (以草本植物为主 , 覆盖度较小
的草地 )、裸岩和裸土地 (指基本无植被覆盖土地 ) 、亚高山草甸 ( 指分布于 1700m以上草地 ) 。把景观类型图
在 arcview中转成网格 (10m×10m) 形式 ,并把网格文件输出 arcview, 景观格局指数用景观计算软件 fragstats
3 .01 .02计算所得 (见表 1) 。黄塔小流域景观格局指数包括景观单元特征指数和景观异质性指数 ,景观单元
特征指数选取斑块数、面积、景观比例、缀块密度指数、边界密度指数、景观形状指数 , 景观异质性指数选取
分维数、景观连接度指数、聚集度指数 , 并应用这些指数定量分析黄塔小流域景观格局 [ 1 , 2] 。景观单元特征
指数中缀块密度指数 [ PD,指每 km2 (即 100hm2 )的缀块数 ,景观图上每个图斑为 1个缀块 ]计算式为:
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
PD = N/ A (1)
其取值范围 PD > 0, 无上限。边界密度指数 [ ED, 指景观中所有缀块边界总长度 ( m) 除以景观总面积
( m2 ) ,再乘以 106 (转换成 100hm2 ) ] 计算式为 :
ED = ( E/ A)×106 (2)
其取值范围 ED > 0, 无上限。景观形状指数 [ LSI , 指景观中所有缀块边界总长度 ( m) 除以景观总面积
( m2 )的平方根 ,再乘以正方形校正常数 ]计算式为 :
LSI = 0.25E/ A (3)
其取值范围 L SI > 1, 无上限。当景观中仅有 1 个正方形缀块时 , LSI = 1; 当景观中缀块形状不规则或
偏离正方形时 , LSI 值增大。景观异质性指数中聚集度指数 ( RC , 为描述景观不同生态系统的团聚程度最
重要指数之一 )计算式为 :
RC= 1 - C/ Cmax (4)
式中 , RC 为相对聚集度指数 ( 0～1取值 ) , C 为复杂性指数 , Cmax为 C 的最大可能取值 , RC 的取值大 , 则代
表景观由少数团聚的大斑块组成 , RC 取值小 , 则代表景观由许多小斑块组成。 Cmax计算式为 :
Cmax = mln( m) (5)
式中 , m为生态系统类型总数。分维数 ( D, 指研究对象为斑块 , 通过斑块特征反映景观空间格局 , 分维数采
用面积-周长法测定 )计算式为 :
D = 2ln( p/ 4)/ ln A (6)
本研究景观格局分析建立在单个斑块基础上 , k = 4为常数。式中 p为斑块周长 , A 为斑块面积 , D 为
分维数 ,且满足 1≤ D≤2,当 D = 1时 , 则斑块形状为简单的欧几里德正方形。景观连接度指数 ( PX, 用来描
述景观中同类斑块联系程度 ,它是最近相邻斑块距离的反函数 , 并使用斑块面积作加权数 )计算式为 :
PX = ∑
N
i = 1
[ A( i ) NND( i) ]/ [∑
N
i = 1
A( i )/ NND( i) ] (7)
式中 , A( i) 为斑块 i 的面积 ; NND( i )为斑块 i 到其邻近斑块的最小距离 , PX 取值 0～1, PX 取值大时 , 则
表明景观中给定斑块类型是群聚的。
2 结果与分析
2 . 1 景观格局生态特征
研究表明黄塔小流域景观类型以裸岩和裸土地斑块数最多 , 为 79 块 (见表 1) , 其次荒草地为 70块 , 林
地 8块 ,且最大斑块林地在小流域南部上游 , 对维护小流域生态环境起着重要作用。林地所占景观比例最
大 ,为 29. 8% ,灌草地为 28. 3% , 荒草地为 23%。缀块密度指数裸岩最大 , 说明黄塔小流域裸岩分布广泛但
表 1 黄塔小流域景观类型指数
Tab.1 Landscape type index in Huangta Small Watershed
景观类型 斑块数/ 块 面积/ hm2 ?景观比例/ % 缀块密度指数 边界密度指数 景观形状指数 聚集度指数 景观连接度指数 分维数/ km·km- 2
Type of Number Patch Proportion of Patch Perimeter Shape Contagion Connectivity Fractal
landscape of pathes area landscape density density index index index dimension
居 民 点 16 ?42 M.8 0 $. 6 0 .111 1 . 074 1. 41 0 .958 0 . 952 1. 263
裸岩裸土地 79 ?367 M.0 5 $. 4 0 .583 8 . 145 3. 47 0 .961 0 . 962 1. 300
荒 草 地 70 ?1558 M.0 23 $. 0 0 .465 21 . 261 7. 29 0 .974 0 . 990 1. 306
灌 草 地 37 ?1918 M.0 28 $. 3 0 .243 18 . 887 6. 60 0 .981 0 . 991 1. 312
林 地 8 ?2021 M.0 29 $. 8 0 .066 7 . 123 3. 17 0 .993 0 . 997 1. 358
耕地 ( 园地 ) 39 ?785 M.0 11 $. 6 0 .162 13 . 370 4. 99 0 .969 0 . 993 1. 329
亚高山草甸 5 ?82 M.0 1 $. 2 0 .037 0 . 614 1. 28 0 .987 0 . 979 1. 275
交 通 用 地 1 ?5 M.0 0 $. 1 1 .601 1 . 271 1. 47 0 .604 0 . 513 1. 458
所占面积较小 ,其次为荒草地 , 林地和亚高山草甸最小 , 二者分布较集中 , 林地主要集中分布在南部 , 亚高山
草甸仅在南部山地相邻分布。边界密度指数越大说明越不规则 , 荒草地、灌草地和耕地 (园地 ) 最不规则 , 它
们均受小流域居民生产和生活活动的影响较大 ,而亚高山草甸较规则。景观形状指数荒草地最高 , 为 7. 29,
其他依次为灌草地 > 耕地 (园地 ) > 裸岩和裸土地 > 林地 > 交通用地 > 居民点 > 亚高山草甸 , 景观形状指数
越高则形状越不规则 , 荒草地、灌草地、耕地 (园地 )、裸岩和裸土地景观形状指数均高 , 故形状不规则 , 而交
210 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
通用地和居民点景观形状指数均较低 , 则形状较规则 , 亚高山草甸最低 , 且集中沿南部山地山脉分布 , 形状
较规则。该区各景观类型分维数为 1. 263～1.458, 居民点、亚高山草甸分维数值分别为 1.263 和 1.275, 说
明它们的几何形状简单 , 交通用地、林地和耕地 ( 园地 )分维数值分别为 1. 458、1. 358和 1. 329, 说明它们的
几何形状复杂 , 可认为较高分维数值的景观类型处于发展扩张阶段 , 这与流域实际相符。Neill 等学者对美
国东部景观格局研究计算了 94块样区 7种组分分维数 , 所得数值为 1. 24～1.45, 这与本研究结果相符。一
般聚集度指数大于 2时 , 表明景观具有多种要素的密集格局 ,而聚集度指数小的景观则由许多连接甚少的嵌
块体所组成 ,黄塔小流域所有景观类型聚集度指数均 < 1, 说明景观破碎 , 其中交通用地、居民点和耕地 (园
地 )聚集度指数最低 , 系受人类活动影响所致 ,其中林地、亚高山草甸和灌草地则较高 , 说明它们的连接性较
好。研究表明景观连接度指数对破碎景观 ( 如人类活动强烈的农业景观 ) 中动植物栖息地和物种保护具有
重要意义。林地和灌草地具有较高连接度 ,对黄塔小流域南部自然保护区动植物有很好保护作用。
2 . 2 景观生态系统分异主导因素
黄塔小流域景观是由自然要素 (包括气候、水文、土壤、植被 )和人文要素共同作用而形成的微地域综合
系统 ,由于黄塔小流域范围小 , 因此地形和地貌、基岩和母质、人类影响因素起主要作用。一是受地形因素
的影响 , 它直接影响降水、热量、光照分布 , 进一步影响植被分布和人类活动等。小流域南部山脉呈东西走
向 ,最高峰白草畔海拔高度 2035m,海拔高度 1700m以上的山顶分布不连续的亚高山草甸 , 其地势较高且受
气流的影响大 ,树木难于在此生长 , 草甸成为主要植物群落 ,土层一般厚达 50cm,气温低故有机质分解缓慢 ,
因此有机质含量高的土层呈灰黑色。黄塔小流域南部山地属大阴坡 , 森林茂密 , 上部以华北落叶松林为主 ,
其下为针阔叶混交林 ,主要阔叶树种有山杨、桦树、栎树等 , 气候较湿润 , 树木生长繁茂 , 其原因在于南部暖
湿气流受地形的影响 ,在阳坡抬升到一定高度后主动上升 , 而阴坡上部降水量丰富 , 为 700mm左右 , 且光照
少、水分蒸发弱 , 有利于树木生长。小流域中、北部地势较低 ,气流越过南部山脉后向下沉降成为雨影区 , 降
水量为 400～500mm,植被以疏林、灌木林和荒草为主 , 山顶和阳坡上部出现大面积裸岩。二是受基岩和母
质因素的影响 , 山区岩石性质决定其土壤发育状况 , 有些岩石较易风化并形成较厚土层 , 有利于农业生产 ,
生产力水平则高 ,如花岗岩、安山岩等 ,以物理风化为主 , 其上部土层深厚 , 植被生长茂盛 , 生态系统稳定 , 抗
干扰能力强 ;而有些岩石风化后却不能形成较厚土层如石灰岩 , 植被稀少 , 生态系统抗干扰能力则弱 , 故小
流域岩石性质的差异是引起小流域景观差异的重要因素之一 , 黄塔小流域大部分为安山岩 , 北部小流域出
口处为石灰岩。小流域中部偏东有土层深厚的黄土母质 , 且主要集中在海拔高度为 1000m左右的黄安坨
村 ,黄安坨村也有少量黄土分布 , 这些地方农业生产水平居整个小流域 11 个村最高 , 正常年份玉米产量为
9750kg/ hm2 左右。三是受人为因素的影响 , 山区生态环境脆弱 ,土地承载力低下 , 人类对生态环境的影响稍
有不当就可能产生很大的破坏 ,黄塔小流域南部海拔高度 1200～1400m地带山地以自然景观演替为主 , 20
年前受人类活动的影响较大 ,出现一片片山杨林 , 其下为栎树 ,山杨林群落不稳定 , 最终会被栎林所代替 , 现
在则受人类活动的影响较小 ,主要起涵养水源、保持水土作用。对小流域影响最大的是中、北部居民 , 农民
以畜牧业、林果业和种植业为主 , 农作物以玉米、谷子为主 , 有少量豆类作物 , 在沟谷地带形成农田景观 , 农
户多以放养羊为主 ,对山坡植被破坏严重 , 使原本脆弱的生态环境进一步恶化 ,造成土层菲薄 , 植被稀少 , 水
土流失严重 ,形成大面积灌草地、荒草地景观 ,在山顶及其以下的向阳坡出现大面积裸岩。
3 小 结
黄塔小流域山地景观生态系统变量因子主要有地形、气候和人类活动等 , 且每个因子具有自身变量因
子 ,如地形包括海拔高度、坡度和坡向等 , 人类活动包括经济活动和社会活动。因此小流域景观是包含社
会、经济和自然 3个子系统的复合生态系统 , 不同地段人类活动与自然因素的作用强度不同 , 人类活动的空
间扩展趋势明显。黄塔小流域中、下部地形条件较好地区以人类活动影响为主 , 且大大改变了景观类型形
状、结构和自然分布 ; 小流域上部高海拔地区以自然因素作用为主 , 景观镶嵌体的分布仍遵循垂直地带性自
然规律。人类活动通过降低景观嵌块的复杂性而改变景观结构内部运行机制 , 进一步影响自然生态系统。
在短期内人造景观的稳定性高于自然景观 ,远离均衡态 , 表明人造景观将继续“蚕食”自然景观。
参 考 文 献 h
1 傅伯杰 , 陈利顶 ,马克明等 .景观生态学原理及应用 .北京 : 科学出版社 , 2001
2 邬建国 .景观生态学———格局、过程、尺度与等级 .北京 :高等教育出版社 , 2000
第 1 ?期 王印传等 : 黄塔小流域农业生态系统景观特征探析 211