景觀生態學原理在水土保持中的應用

高志峰，趙鵬宇

（1.忻州師范學院 ?？撇?；2.忻州師范學院 地理系，山西 忻州 034000）

景觀生態學原理在水土保持中的應用

高志峰1，趙鵬宇2

（1.忻州師范學院 專科部；2.忻州師范學院 地理系，山西 忻州 034000）

本文研究景觀生態學在水土保持中的應用，希望通過借鑒景觀生態學原理，從整體出發，考慮各種生態因子，探討土地利用、土壤侵蝕學、水土流失動態監測等的景觀生態學本質，對于區域可持續發展和生物多樣性保護等方面具有重要指導意義.

景觀生態學；土壤侵蝕；水土流失監測

景觀生態學是一門新興的、正在深入開拓與迅速發展的學科，與傳統的生態學相比，更強調空間異質性、等級結構與尺度在研究生態格局與過程中的重要性，以及人類活動對生態系統的影響，尤其突出了空間結構與生態過程在多個尺度上的相互作用[1].水土流失是人們關注的主要陸地生態過程之一，目前研究景觀格局與水土流失時，更多的是利用小區的觀測試驗結果來推斷大尺度上景觀（土地利用）格局對水土流失的影響，但許多研究表明，隨著尺度增加，水土流失的發生機制會發生明顯的改變.近年來，景觀生態學理論作為一種方法體系，用來指導水土保持工作，是景觀生態學應用方面比較活躍的領域.

1 土地利用對景觀結構和功能的影響

土地利用影響景觀格局的變化，進而導致景觀功能的動態變化.應用遙感（RS）、地理信息系統（GIS）和統計分析的方法進行景觀結構和功能變化的研究是當前景觀分析的主流方法.RS作為土地利用和景觀的數據源，GIS作為分析處理數據的平臺，統計分析用以尋找土地利用與景觀變化之間的關系.通過土地利用對景觀變化的影響分析來預測景觀未來的發展趨勢是當前景觀生態學研究的熱點.土地利用中最劇烈的變化是交通和建設用地的擴張，有研究表明，建設用地和未利用土地增加，會使耕地面積減少，同時景觀破碎化程度加劇.這些都從定量的角度描述了景觀的變化，但缺乏在人力驅動和景觀格局之間建立定量關系，缺乏未來景觀發展趨勢的預測.

土地整理中景觀生態學理論的應用主要體現在：利用景觀生態學的原理研究土地整理空間格局，分析生態狀況，研究環境和生態因子對土地利用布局的影響.

國外研究者們重視土地利用對景觀格局的影響，同時，他們還認為景觀屬性及地形地貌和地質沉積物也是影響景觀格局的重要因素，它們可作為限制性因子存在而不是驅動力.國外在努力克服的缺陷就是土地利用驅動的景觀格局變化偏重在過程的分析，而且景觀生態這種宏觀分析掩蓋的一些非常重要但細微的特征.土地利用驅動下的景觀要素轉化，目前還流行的一種方法就是定量描述景觀中基質、斑塊和廊道間的相互轉化情況，可以通過采用生態學中的馬爾柯夫轉移矩陣模型來進一步反映.

2 景觀生態學原理及其在土壤侵蝕學中的應用

景觀生態學原理開始運用于土壤侵蝕學中.目前對土壤侵蝕的研究多集中在坡面尺度，但是土壤侵蝕在小尺度上的研究只可以摸清其機制，而在大尺度的研究中才可以找出治理的對策.而應該從景觀水平上綜合考慮，從中找出主要的生態因子，討論影響水土流失的眾多因素.從整體出發，考慮各種生態因子，完善土壤侵蝕學在宏觀尺度上研究的不足.

2.1 等級理論和尺度效應

等級是一個由若干單元構成的有序系統，每一級組成單元相對于低層次表現出整體特性，而對于高層次表現出從屬性或受制約性.根據等級理論，復雜系統可以看作是由具有離散性等級層次組成的等級系統[2].對于土壤侵蝕研究來說，坡面尺度、流域尺度、區域尺度是研究的三個主要等級.在坡面尺度上，對土壤侵蝕的研究主要集中在降雨因子、土壤可蝕性因子、坡度坡長因子、作物經營管理因子和土壤侵蝕控制措施因子.而在流域尺度，主要的研究集中在植被覆蓋度因子和土地利用因子，但是大多是統計和規律分析，對于它們的影響機制涉及的比較少.從流域角度看，土地利用是一個很好的研究對象.因為它包含坡面尺度上作物經營管理和土壤侵蝕控制措施因子，而且它由于受人為因素影響嚴重，因此給土壤侵蝕賦予了人類影響的因素，符合目前人為加劇侵蝕的現狀.但是對土地利用的研究應加強以下兩個方面，一是加強對機制的研究，用模型或較為通用的方法加強定量研究.二是加強區域間的對比研究.區域間的土地利用與土壤侵蝕關系的對比研究除了要考慮土地利用格局的差異，還要考慮降雨、土壤、地貌等綜合因素.盡管這樣的研究存在一定的難度，但具有較高的研究價值[3，4].

2.2 滲透理論和源匯系統理論

土壤侵蝕是一種水流和土流的運動過程，這種運動往往會因為地面物質而改變，或加劇或減緩.由于土壤侵蝕是一種重力運動，因此相對高差在決定運動速度和方向上起著絕對作用.因此土地利用格局可以在一定程度上改變土壤侵蝕的程度，尤其是在等高方向和順坡方向的格局特征，對于判斷土地利用格局對土壤侵蝕的作用有重要意義.土地利用格局中的一些帶狀斑塊對土壤侵蝕起著 “滲透膜”的作用，當這些斑塊的阻礙作用達到一定程度后，就能阻止土壤侵蝕，淤地壩就是應用了這一原理，使壩前地不斷淤積，最終形成良田.

2.3 格局過程關系理論

景觀格局一般是指其空間格局，即大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合，包括景觀組成單元的類型、數目及空間分布與配置.景觀格局與土壤侵蝕過程的研究往往體現在土地利用格局對土壤侵蝕的影響上.土地利用格局對土壤侵蝕的影響往往表現在三個方面.一是不同斑塊大小，包括不同類型斑塊面積所占比例和每類斑塊破碎度；二是斑塊的形狀，由于不同斑塊對于土壤侵蝕的功能不同，因此不同斑塊的不同形狀對于土壤侵蝕都有不同的意義.比如沿等高方向的林地帶狀斑塊對土壤侵蝕有阻礙作用，而順坡方向的耕地斑塊對土壤侵蝕則有加劇作用；三是斑塊的排列順序，尤其是在沿坡面方向土地利用類型的排列順序不同，對土壤侵蝕的影響也不同.對于景觀格局的數量表示方法目前有很多種，但專門針對土壤侵蝕的還比較缺乏.針對土壤侵蝕的景觀格局指數的確立要依據土壤侵蝕發生的機制和影響因素.[5,6]

3 景觀格局分析法在水土流失動態監測中的應用

3.1 多樣性指數

多樣性指數反映景觀中類型的多樣性.多樣性指數采用信息論的Shanon-Weaner指數來表示.其計算公式為：

式中：H—多樣性指數；Pi—斑塊i占景觀總面積的比例；m—斑塊種類數[7].

例如，若兩個時期的多樣性指數增加，說明景觀異質化程度在增高，景觀類型所占面積在減小.分析不同景觀要素的變化，可指示出水土流失的變化趨勢.如果監測區內若干年前主要由草地控制，而監測當年主要由侵蝕斑塊控制，這就說明監測區內水土流失正在加劇.分析和了解加劇的原因，即找到造成這種情況的根源.

3.2 優勢度指數

優勢度指數計測景觀中一種或幾種景觀類型支配景觀的程度，

式中：D—優勢度指數：Pi—斑塊i的景觀比例：m—斑塊的種類：

Hmax—監測區內各類景觀所占比例相等時，景觀擁有的最大多樣性指數.支配能力較弱景觀類型的影響在增強，而對景觀類型起控制作用的景觀類型的影響在減弱.這與多樣性指數和優勢度指數的分析結果應該是一致的.假如侵蝕斑塊的均勻度指數在監測當年與若干年前變化不大，也可揭示出其向均勻化發展的趨勢.

3.3 均勻度指數

均勻度指數是描述景觀中不同景觀類型分配均勻程度， 其計算公式為：

式中：E—均勻度指數：H—Simpson修正的指數.

3.4 馬爾可夫轉移矩陣模型

馬爾可夫轉移矩陣模型在景觀格局上的應用，關鍵是轉化概率的確定問題.有研究表明，轉化概率可通過不同區段時間內斑塊的平均年轉化概率作為矩陣中的元素，則轉移矩陣模型

式中：Pij為斑塊i向斑塊j的轉化速率[8].對比不同歷史時期航片或衛片，利用馬爾可夫轉移矩陣模型，不僅能說明不同程度水土流失土地之間相互轉化的狀況，而且能用來分析水土流失土地與其它景觀要素（農地、草灌地、林地等）之間的轉化情況來揭示它們之間的轉移速率.分析若干年前和監測當年監測區內景觀類型之間的相互變化，結果表明造成侵蝕景觀發展的原因是多方面的，有自然因素，也有人為因素.這就要視具體情況具體分析.自然因素如滑坡、泥石流、崩塌、陷穴、瀉溜等，人為因素如過度放牧、濫采、濫挖、修建公路、開礦等.從而提出有效的保護措施和必要治理的途徑，并為水土保持監督執法提供依據.

景觀分析方法在水土流失監測上具有廣闊的應用空間，輔以“3S”技術，更加突出了它動態、即時、靈活的綜合分析的特點.景觀系統分析的理論和方法均在發展之中，還有許多技術問題尚需解決[9,10].

4 小結

景觀生態學以綜合、整體的思想審視生態環境的現狀和變化，為人類成功地解決所面臨的水土流失問題提供了新的理論和方法，水土保持中應用景觀格局特征，如何根據氣候、地貌、水資源和土壤因素以及經濟社會因素，合理地配置景觀要素，以達到景觀結構與功能的最優化，是保護生態環境與發揮流域土地生產潛力的重要途徑.

〔1〕胡震鋒.土地利用與景觀格局動態變化研究[J].科技情報開發與經濟，2003，13（12）：24-25.

〔2〕邱楊，傅伯杰.異質景觀中水土流失的空間變異與尺度變異[J].生態學報，2004，24（2）：75-79.

〔3〕游珍，李占斌，袁瓊.景觀生態學原理在土壤侵蝕學中的應用與實例分析[J].水土保持研究，2005，12（3）：102-104.

〔4〕王占禮，邵明安.黃土區耕作侵蝕及其對總土壤侵蝕貢獻的空間格局[J].生態學報，2003，23（7）：86-89.

〔5〕魏建賓，肖篤寧，李秀珍.東北黑土區小流域農業景觀結構與土壤侵蝕的關系[J].生態學報，2006，26（8）：45-47.

〔6〕陳東立，于新小.黃土丘陵溝壑區流域景觀格局調控與減水減沙效益[J].中國水土保持科學，2005，3（4）：75-76.

〔7〕蔣學瑋，周真立，李凱榮.景觀生態學原理城流域規化中的應用[J].西北林學院學報，2003，5（3）：111-115.

〔8〕侯林，彭鴻.景觀格局法在水土流失動態監測中的應用[J].山西水土保持科技，2003，（3）：14-16.

〔9〕索安寧，洪軍，林勇.黃土高原景觀格局與水土流失關系研究[J].應用生態學報，2005，16（9）：99-102.

〔10〕王仰林.景觀生態系統及其要素的理論分析[J].人文地理，1997，12（1）：14-15.

S157

A

1673-260X（2012）01-0032-02

2011年山西省軟科學研究計劃項目（2011041020-02）