砒砂巖區(qū)種植沙棘后不同時期的景觀要素組成結(jié)構(gòu)

胡建忠

(水利部水土保持植物開發(fā)管理中心,北京 100038)

砒砂巖,一般特指位于黃河中游、出露于鄂爾多斯高原以紅色為主的中生代沉積巖[1],包括了砂巖、粉砂巖和泥巖等多種沉積巖,顏色有紅、棕紅、灰白、黃等。這種巖石的特征,無水時硬如石,遇水則軟如泥,特別是由于冷熱、干濕交替造成的影響,巖石表層常形成一定厚度的碎屑層,在風、水、重力等影響下極易發(fā)生侵蝕[2]。砒砂巖區(qū)是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū),自然侵蝕造成了千溝萬壑的現(xiàn)象。于1999-2008年實施的 “晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)工程”[3],有效改變了區(qū)域內(nèi)的景觀面貌。

景觀要素的組成結(jié)構(gòu)對景觀整體結(jié)構(gòu)與功能具有重要控制作用[4]。景觀要素組成結(jié)構(gòu)可以用景觀要素類型的斑塊數(shù)量、面積及其在景觀中的分布情況來反映。一般認為,某景觀要素在整體景觀中所占的面積大、斑塊數(shù)量多并且分布范圍廣,則該景觀要素在景觀中可能起較大的作用,對景觀整體的結(jié)構(gòu)、功能和變化特征有更大的控制作用[5]。

本文對 “晉陜蒙砒砂巖區(qū)沙棘生態(tài)工程”實施前一年 (1998年)、中期 (2003年)、最后一年 (2008年)3個控制年份,通過專用軟件,分類型統(tǒng)計各景觀要素的面積、斑塊數(shù)等,對砒砂巖區(qū)種植沙棘 (Hippophae rhamnoides)后不同時期景觀組成結(jié)構(gòu)進行分析,以期從理論上進行總結(jié)分析,更好地指導類似生態(tài)工程建設項目。

1 工程實施前一年 (1998年)砒砂巖區(qū)各景觀類型的組成結(jié)構(gòu)

斑塊平均面積 (Ai)是景觀中某類景觀要素斑塊面積的算術(shù)平均值,反映該類景觀要素斑塊規(guī)模的平均水平。

式中:Ni為第i類景觀要素的斑塊總數(shù) (下同);Aij為第i類景觀要素第j個斑塊的面積。

砒砂巖區(qū)景觀要素組成以蓋沙地和稀疏植被為主體,二者面積占總面積的59.95%,其斑塊數(shù)占景觀斑塊總數(shù)的42.04%,草地和未利用地在整個景觀中也占有較大比重,其面積占景觀總面積的 29.89%,其斑塊數(shù)占景觀斑塊總數(shù)的40.29%(表1)。

表1 1998年砒砂巖區(qū)景觀組成結(jié)構(gòu)

因此,1998年研究區(qū)的土地利用與覆蓋是以蓋沙地和稀疏植被為主,其次為草地和未利用地。灌叢、水域、居民地和林地等景觀斑塊分散分布于整體景觀中。面積最大的4種類型,斑塊數(shù)占總斑塊數(shù)的82.33%,平均斑塊面積與總面積成正比。總體可見,1998年蓋沙地和稀疏灌叢為研究區(qū)景觀基質(zhì),在控制景觀整體結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)過程中起主導作用。

2 工程實施中期 (2003年)砒砂巖區(qū)各景觀類型的組成結(jié)構(gòu)

砒砂巖區(qū)1999年開始沙棘生態(tài)治理工程建設項目,到2003年沙棘面積達到115522.74hm2,占總面積的比例達到5.86%,區(qū)域景觀格局開始發(fā)生變化。蓋沙地面積有所減少,低于稀疏植被面積。草地和未利用地面積均稍微減小。2003年林地面積較 1998年明顯增加,由原來的3.80%增加到5.46%,說明區(qū)域人工造林改造沙區(qū)建設也在逐步實施。灌叢面積略有減小 (部分改造為林地)。水域?qū)儆谳^為穩(wěn)定的類型,面積基本變化不大。居民地由1998年占總面積的0.16%,增加到2003年的0.35%,增加了1倍多,說明研究區(qū)域城鎮(zhèn)建設和發(fā)展規(guī)模逐漸增大。詳見表2。

表2 2003年砒砂巖區(qū)景觀組成結(jié)構(gòu)

從斑塊數(shù)比例及斑塊平均面積上來看,蓋沙地斑塊數(shù)量減小,斑塊平均面積也在減小;稀疏植被斑塊數(shù)及斑塊數(shù)量比例均明顯減小,平均斑塊面積則由1998年的28.24hm2增加到2003年的35.68hm2,體現(xiàn)出稀疏植被部分斑塊逐漸連結(jié)成更大斑塊的趨勢,從而取代蓋沙地成為區(qū)域景觀本底基質(zhì)。

區(qū)域中草地斑塊數(shù)量及所占比例較小,草地的斑塊平均面積略有增加;未利用地斑塊數(shù)量增加,斑塊平均面積明顯減小,說明在沙棘生態(tài)工程建設及其他人工造林過程中大斑塊逐漸消失,形成更多人為改造的小斑塊。林地景觀斑塊數(shù)量及其比例增加,斑塊平均面積由11.21hm2增加到2003年的13.02hm2,說明造林建設中使得很多小斑塊聚合,形成部分大斑塊,斑塊平均面積增加。灌叢景觀斑塊數(shù)量增加,斑塊平均面積由1998年的12.30hm2減小到2003年的7.86hm2,進一步體現(xiàn)斑塊被人工造林等干擾的效果。居民地景觀斑塊數(shù)量增加顯著,斑塊平均面積明顯減小,體現(xiàn)其建設初期的人為干擾特征。水域表現(xiàn)穩(wěn)定。

3 工程實施最后一年 (2008年)砒砂巖區(qū)各景觀類型的組成結(jié)構(gòu)

區(qū)域內(nèi) 2008年沙棘面積增加至164282.81hm2,占總面積的8.33%,居于第5位,逐步對區(qū)域景觀格局產(chǎn)生了更大的影響。沙棘生態(tài)工程的實施,使得以砒砂巖為主體的未利用地面積進一步縮小,稀疏植被面積雖然增加不大,但在整個景觀中的優(yōu)勢水平更加凸顯。總體上看,這一時期稀疏植被的面積占總面積的比例達到33.18%,在區(qū)域景觀格局中具有絕對優(yōu)勢;其次是草地面積,占總面積的18.39%,較2003年略有增加;蓋沙地面積占總面積比例為14.21%,居于第3位;未利用地面積減少顯著,由2003年占總面積13.52%,減小到2008年的10.29%(高于沙棘處于第4位),主要被稀疏植被、灌叢及沙棘所占據(jù);林地面積繼續(xù)增加,由原來占總面積比例5.46%增加到8.32%,主要來自于區(qū)域生態(tài)造林建設的效果,造林樹種主要為油松;灌叢稍有增加,水域幾乎沒有變化,這兩類均表現(xiàn)穩(wěn)定;居民地由2003年占總面積的0.35%,增加到2008年的1.32%,增加了近4倍,反映出這一區(qū)城發(fā)展建設的速度與規(guī)模,也是城鎮(zhèn)化發(fā)展的具體體現(xiàn)。詳見表3。

表3 2008年砒砂巖區(qū)景觀組成結(jié)構(gòu)

分析2008年斑塊數(shù)量及平均面積可見,除了灌叢和未利用地景觀斑塊數(shù)量明顯下降外,其余斑塊數(shù)量均呈增加趨勢。沙棘、居民地、灌叢和林地四類的斑塊平均面積呈增加趨勢,其余類型斑塊面積呈下降趨勢。沙棘、居民地和林地主要是人為改造即 “引進斑塊”的作用,使部分小斑塊連結(jié)成更大的斑塊,平均面積增加,而灌叢常常分布于不同森林類型邊緣,與自然修復、人工造林等有著密切關(guān)系,面積呈上升趨勢。蓋沙地斑塊平均面積減小,且減小幅度較大,從2003年的 39.23hm2減小到 2008年的21.12hm2。稀疏植被進一步占據(jù)研究區(qū)域更大的空間,使其進一步呈分散分布格局,斑塊平均面積從2003年的35.68hm2減小到 2008年的29.93hm2。草地斑塊平均面積稍有減小,主要來自于斑塊數(shù)量的增加。未利用地總面積由2003年的 266512.50hm2減少至 2008年的202780.84hm2,減少面積多數(shù)轉(zhuǎn)為砒砂巖區(qū)沙棘種植面積,斑塊數(shù)量也減小,但總體上斑塊平均面積變化不大,也說明了沙棘生態(tài)工程集中治理的特點。水域在總面積變化不大的前提下,斑塊數(shù)量的增加導致斑塊平均面積減小顯著。

綜上所述,砒砂巖區(qū)在沙棘及其他造林生態(tài)工程建設的實施基礎上,區(qū)域景觀格局發(fā)生了很大變化,景觀本底由蓋沙地和稀疏植被分庭抗衡,逐漸過渡到以稀疏植被、灌叢、林地和沙棘等各類植被為主。沙棘漸漸成為區(qū)域景觀的重要組成部分,對區(qū)域景觀格局的重新調(diào)整起著越來越重要的作用。此外,未利用地的大幅度下降也體現(xiàn)出沙棘生態(tài)建設的效果及對區(qū)域景觀格局的影響。變化最小的是水域類型。草地和灌叢也是變化較小的類型。居民地是完全在人為干擾條件下呈現(xiàn)劇烈變化的類型,體現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟活動和發(fā)展的程度。斑塊數(shù)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢,也體現(xiàn)區(qū)域人為干擾痕跡較重的現(xiàn)象。隨著區(qū)域沙棘生態(tài)建設工程的進一步實施,研究區(qū)域景觀格局將進一步發(fā)生變化,各景觀類型的動態(tài)變化過程將會隨之發(fā)生相應變化。

[1] 金爭平.砒砂巖區(qū)水土保持與農(nóng)牧業(yè)發(fā)展研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2003.

[2] 王愿昌,吳永紅,寇權(quán).砒砂巖分布范圍界定與類型區(qū)劃分[J].中國水土保持科學,2007,5(1):14-18.

[3] 胡建忠.砒砂巖區(qū)生態(tài)建設的一種創(chuàng)舉-沙棘模式[J].中國水利,2007,(6):25-27.

[4] 肖篤寧.景觀生態(tài)學—理論、方法及其應用[M].北京:中國林業(yè)出版社,1991.

[5] 許慧,王家驥.景觀生態(tài)學的理論與應用[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,1993.