砒砂巖區種植沙棘后不同時期的景觀異質性

胡建忠

（水利部水土保持植物開發管理中心，100038 北京）

砒砂巖區是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區，自然侵蝕造成了千溝萬壑的現象［1，2］。1998年項目區開始立項的“晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態工程”［3］，工程正式實施年限為1999～2008年。這一工程的順利實施，徹底改變了區域內的景觀面貌，人為干預已經或正在塑造著區域景觀特征與分布格局。

景觀生態學本身不僅是以往生態學研究的高度集成，它還帶來了一些新的觀點［4］。景觀生態學強調生態學系統空間關系的研究，它把景觀視為異質性的熱力系統，景觀生態學的核心就是景觀異質性的維持與發展。

景觀異質性就是景觀要素及其屬性在空間上的變異性，或者說是景觀要素及其屬性在空間分布上的不均勻性和復雜性［5］。景觀異質性是指景觀或其屬性的變異程度。景觀異質性常用景觀斑塊密度、邊緣密度、聚集度、破碎度和多樣性指數等進行度量。本文即是對砒砂巖區種植沙棘（Hippophaerhamnoides）后不同時期的景觀異質性的初步分析，以期從理論上進行高度概括，更好地指導類似生態工程建設項目。

1 研究區概況

砒砂巖區地處黃土高原北部的鄂爾多斯高原，介于北緯38°10′～40°10′，東經108°45′～111°31′之間，黃河環繞于高原的東、北、西3面。根據地表覆蓋物質，砒砂巖區可劃分為裸露砒砂巖區、蓋沙砒砂巖區、蓋土砒砂巖區3個類型區。區域總面積為1.97萬km2，主要分布在內蒙古鄂爾多斯市的東勝、準旗、伊旗、達旗、杭錦旗和陜西的神木、府谷兩縣。

暖溫帶北緣半干旱大陸氣候，年平均氣溫6～9℃，≥10℃年平均積溫2600～3400℃，年平均降水量280～400mm，年平均蒸發量2200～2600mm，年平均風速2～4m／s，全年≥8級大風日數20～30d。

區內東南坡發育了皇甫川、窟野河等黃河多沙粗沙一級支流，北坡發育了穿越庫布齊沙漠流入黃河的多條支流，俗稱“十大孔兌”。區內平均徑流模數約7.0萬 m3／ （km2·a），年徑流量約22.4億 m3；輸沙模數1.1萬t／ （km2·a），年輸沙量3.5億t，粗砂含量達80%。

地表物質以砒砂巖、黃土、紅土和風積沙為母質，其上發育了各類土壤。主要有以砒砂巖為母質的栗鈣土、以黃土為母質的黃綿土、以風積沙為母質的風沙土等。

原生植被主體為以本氏針茅 （Stipabungeana）草原為主體的地帶性植被群系，現已多被百里香 （Thymusserpyllum）＋本氏針茅＋達烏里胡枝子 （Lespedezadahurica）群系所代替。人工植被主要有油松 （Pinustabulaeformis）、楊樹 （Populussp.）、沙棘、檸條 （Caraganakorshinskii）、沙打旺 （Astragalusadsurgens）和紫花苜蓿 （Medicagosativa）等。

2 材料與方法

2.1 供試材料

研究采用數據以工程實施的3個控制性年分，即1998年 （始）、2003年 （中）和2008年（末）3個時期Landsat TM／ETM＋遙感影像為主要數據來源，輔助數據包括研究區沙棘造林數據 （1999～2008年）及分布圖、1∶100000地形圖、土地利用現狀圖、GPS野外調查和部分圖片、文字統計數據等。

2.2 計算方法

（1）斑塊密度：計算公式如下：

式中：PDi為第i類景觀要素的斑塊密度；ni為景觀類型i的斑塊數；Ai為景觀類型i的面積；PD為景觀要素的斑塊密度；N為景觀中所有斑塊數；A為景觀中的總面積。

（2）邊緣密度：景觀總體邊緣密度 （ED）是指研究景觀范圍內單位面積上異質景觀要素斑塊間的邊緣長度。景觀要素邊緣密度 （EDi）是指研究對象單位面積上某類景觀要素斑塊與其相鄰異質斑塊之間的邊緣長度。

式中：eij為景觀中第i類景觀要素斑塊與相鄰第j類景觀要素斑塊間的邊界長度。

（3）景觀聚集度 （AI）：計算公式如下：

式中：gij為斑塊類型i、j之間的連接數；Pi為斑塊類型i在景觀中所占的比例；max－g為斑塊類型i、j之間最大的連接數。

（4）破碎度 （F）：用單位面積內的斑塊數測度，它表示景觀斑塊的破碎程度，其公式為：

式中：n表示景觀類型的數目；Ni為第i類景觀類型的斑塊數；Ai為第i類景觀總面積；F為破碎度。

（5）多樣性指數：采用Shannon－Weaner多樣性指數、均勻度指數和優勢度指數。

Shannon多樣性指數 （SHDI）是借用信息論中信息不確定性的計算公式，用來描述景觀中景觀要素斑塊類型的不確定性，把它作為描述景觀多樣性的定量指標。取值范圍：SHDI≥0，無上限。當斑塊類型增加或各類型斑塊所占面積比例趨于相似時，SHDI的值也相應增加。SHDI值越大，表明景觀多樣性越大［6］。

式中：Pi是景觀類型i所占的比例；m是景觀類型的數目 （下同）。

Shannon均勻度指數 （SHEI）反映景觀中各斑塊在面積上分布的不均勻程度，通常以多樣性指數和其最大值的比來表示。顯然，當SHEI趨于1時，景觀斑塊分布的均勻程度亦趨于最大。

式中：SHDI是Shannon多樣性指數；SHDImax是其最大值；Pi是景觀類型i所占面積的比例。

Shannon優勢度指數 （DI）用于測量景觀結構中一種或幾種景觀類型支配景觀的程度，它與多樣性指數成反比，對于景觀類型數目相同的不同景觀，多樣性指數越大，其優勢度越小［7］。

3 結果與分析

3.1 沙棘工程建設不同時期砒砂巖區各景觀要素類型的斑塊密度

景觀要素斑塊密度是指景觀中某類景觀要素的單位面積斑塊數。景觀斑塊密度反映景觀整體斑塊分化程度，斑塊密度指數越大，破碎化程度越高，景觀異質性越高。當斑塊密度指數按景觀要素類型分別統計時，通過比較分析可以說明不同景觀要素在景觀空間結構中的作用和特點，可以研究不同斑塊類型的破碎化程度及整個景觀的破碎化狀況，從而可以識別不同斑塊類型受干擾的程度。項目區各景觀要素類型的斑塊密度見表1。

表1 砒砂巖區不同年份不同景觀類型的斑塊密度

研究區域3個時期稀疏植被的斑塊密度都是最大，說明其破碎化程度最高，景觀異質性最高，充分表現其散布于整個景觀本底的特點。沙棘斑塊密度2003年為0.74，2008年變為0.78，5年內略有增加，是研究區域沙棘生態工程建設的結果，區域化片段化的沙棘造林，導致其斑塊密度增加，同時也影響了其他景觀斑塊密度的變化。蓋沙地的斑塊密度隨時間變化有減小的趨勢，說明在沙棘等生態工程建設過程中，消滅了一些小的蓋沙地斑塊，體現一定的蓋沙地治理成效。灌叢、水域和居民地斑塊密度變化不大，屬于研究區域景觀中較為穩定的斑塊。林地景觀斑塊密度在1998、2003和2008年分別為0.34、0.42和0.56，持續增加，說明研究區域宜林地區在持續造林，改善砒砂巖區景觀現狀，所以斑塊密度增加顯著。草地斑塊密度變化不規律。未利用地斑塊密度在1998年至2003年變化不大，至2008下降迅速，大面積未利用地被沙棘等類型占據，因此斑塊密度下降。

3.2 沙棘工程建設不同時期砒砂巖區各景觀要素類型的斑塊邊緣密度

斑塊邊緣密度是斑塊形狀及斑塊密度的函數，它的大小反映景觀中異質斑塊之間物質、能量、物種及其它信息交換的潛力及相互影響的強度，可以直接表征景觀整體的復雜程度。斑塊密度反映了景觀的破碎化程度和景觀異質性程度。斑塊邊緣密度越大，破碎化程度越大，空間異質性程度越大，反之亦然。

對ARCGIS中拓撲后的屬性表表中的記錄（每一條記錄代表一個斑塊）按某一屬性分類后，將其面積和周長按上述各公式進行統計計算，即可得到各分析指標。通過公式計算各景觀要素類型景觀斑塊邊緣密度，結果見表2。

表2 砒砂巖區不同年份各景觀類型的斑塊邊緣密度

由表中可以看出，區內稀疏植被的斑塊邊緣密度最大，1998、2003和2008年斑塊邊緣密度分別為40.48、31.27和44.21m／hm2，其次是草地、蓋沙地、沙棘、未利用地和林地，景觀邊緣密度最小的是灌叢、居民地和水域。這與景觀要素的總面積是成正比。一般來說，景觀要素的面積越大其邊緣也就越長，邊緣密度也就越大。同時，景觀要素邊緣密度既受景觀要素斑塊大小的影響，也受景觀要素斑塊邊緣形狀的影響，幫不能直接反映景觀要素斑塊分化的具體細節。

從1998、2003、2008年3個年度的斑塊邊緣密度結果分析，蓋沙地邊緣密度逐漸減小，說明總體上蓋沙地面積在逐漸減小，以及部分小斑塊消失，邊界趨于簡單化。沙棘邊緣密度變化明顯，從2003年的11.41增加到2008年的17.85，說明在砒砂巖沙棘生態工程建設中，導致沙棘面積增加，斑塊增加，邊緣密度很好體現這一點。水域在1998年和2003年變化不明顯，到2008年稍有增加，總體上水域面積變化較小。居民地變化顯著，1998年、2003年和2008年的邊緣密度分別為0.09、0.40和1.43，增加了近16倍，說明在區域經濟發展過程中，城市擴張很明顯，使其景觀邊緣密度迅速增加，而且這點從遙感影像上也很明顯地表現出來。灌叢面積變化不大，邊緣密度略有增加，反映該類型零散分布的特點。稀疏植被為本區域景觀的本底，面積大，2008年較1998年有明顯增加，邊緣密度也略有增加。林地面積增加明顯，景觀邊緣密度增加近一倍，說明研究區域除沙棘外，還開展了較大規模的以油松等為主的其他人工造林。草地在1998～2003年期間面積變化不大，邊緣密度略有增加，至2008年面積稍有增加，邊緣密度也有所體現。未利用地在1998～2003年幾乎沒有變化，但至2008年邊緣密度急劇下降，面積也大幅減少，基本源自于砒砂巖區沙棘生態工程的建設結果。

綜合分析可知，斑塊邊緣密度與斑塊面積存在相互依賴性，也存在明顯的差異，而且與人類的經營活動有著密切的關系。因此，在進行景觀格局分析的過程中，要結合多個指標進行綜合分析。

3.3 沙棘工程建設不同時期砒砂巖區各景觀要素類型的景觀聚集度

景觀聚集度是以景觀內不同生態系統的邊界在不同類型之間的分配關系為基礎建立的指標。就景觀整體而言，聚集度指數低可以說明景觀由相對較少的大斑塊組成，而聚集度指數高則說明景觀由許多不同類型的較小斑塊相互交錯分散配置而成。就某一景觀要素而言，聚集度低說明該景觀要素僅以少數幾類大斑塊相團聚，而聚集度指數高說明該類景觀要素在景觀中分散于許多不同景觀要素斑塊之間。聚集度指數計算結果詳見表3。

表3 砒砂巖區不同年份各景觀類型的聚集度指數

由表3中可以看出，聚集度最大的是居民地、蓋沙地及未利用地，其次是稀疏植被、草地和水域，聚集度較低的是沙棘、林地和灌叢。居民地和蓋沙地的聚集度最大，原因是居民地斑塊數量少，而且集中分布，所以聚集度最高；而蓋沙地面積大，在西北部地區集中連片分布，所以其聚集度高。稀疏植被、未利用地和草地的較高聚集度，反映了其中團聚斑塊較多，且被周圍異質斑塊所包圍，與異質景觀類型的連接程度較高，其聚集度指數較大。林地、灌叢和沙棘的聚集度指數最低，說明這幾類僅以少數幾類大斑塊相團聚，且分散于許多不同景觀要素斑塊之間，如沙棘主要分布于溝沿線以下的溝壑中，雖然也與景觀中多種景觀要素相聚集，但其面積和斑塊數有限，所以其聚集度指數較低。

從景觀動態變化角度進行分析，蓋沙地聚集度在1998年、2003年和2008年分別為0.93、0.92和0.91，說明一些蓋沙地小斑塊在消失，大斑塊在逐漸聚集，與項目區沙棘等生態建設工程的影響密不可分。水域聚集度指數從1998年至2003年變化不大，2008年有所降低。居民地1998年至2003年聚集度指數有所降低，2003年至2008年又稍有增加，充分體現城市化擴張的進程。灌叢的聚集度指數從1998年到2008年一直降低，說明灌叢由分散的小斑塊逐漸匯聚成較大斑塊，呈現擴展的趨勢。稀疏植被、林地和草地聚集度指數呈現先增加后降低的趨勢，從其面積逐年增加的動態變化格局上充分體現這種變化。未利用地聚集度指數逐漸減小，表明其逐漸被其他景觀要素占據的特點。沙棘聚集度指數從2003年的0.8609增加到2008年的0.8674，變化不大，體現了沙棘斑塊數量在增加，斑塊密度增加，且分散分布于許多不同斑塊之間的特點，并未形成大片集中分布的格局所致。

3.4 沙棘工程建設不同時期砒砂巖區各景觀要素類型的景觀破碎度

景觀破碎度是指景觀要素被分割的破碎程度，反映景觀空間結構的復雜性和人類活動對景觀結構的影響程度。破碎度F越大，表示景觀斑塊越破碎，它在一定程度上反映了人為對景觀干擾程度。區內景觀斑塊數破碎度計算結果列于表4。

表4 砒砂巖區不同年份各景觀類型的破碎度

從表4中可見，從3個階段景觀破碎化指數總體來看，沙棘、林地和灌叢3類破碎度較大，其次為水域、草地和未利用地，破碎度較小的為稀疏植被、居民地和蓋沙地。沙棘和林地大部分均為人工種植，破碎化明顯，擬成星火之勢；而灌叢本身就是鑲嵌在沙區中的，所以破碎度較大。水域、草地和未利用地的破碎化指數居中，相比較而言，這3類的人為干擾程度小一些，主要還是自然分布的特征。稀疏植被和蓋沙地為研究區域本底，面積大，更多斑塊易于連接在一起，故破碎度小；而居民地分布更為集中。

從景觀動態變化的角度分析可知，蓋沙地破碎度在增加，人為防沙治沙以及各種干擾活動均可導致景觀破碎度增加。水域破碎度先減小后增加，該類型在沙區受年際降水量影響較大，其破碎度的增加可能主要來自于2008年的降水量突然增加的結果。1998～2003年居民地破碎度呈現增加的趨勢，但2003～2008年破碎度基本變化不大。灌叢破碎度指數1998～2008年一直在增加，稀疏植被的破碎度指數先減小后增加。林地破碎度指數1998～2008先減小后增加，造成林地破碎化格局的可能原因，一方面是人工造林面積持續增加；另一方面說明人類對林地的經營管理還不夠合理，尤其是沙區人工林的破碎化還是比較嚴重，這方面原因也是分不開的。人為干擾的加劇，以及對森林資源進行不合理的開采，使森林不斷的分割、大斑塊被分割成許多小的斑塊、自然環境的整體結構被破壞、森林內部生境面積縮小、森林廊道被切斷，這些因素都會影響物種和物質的交流。草地破碎化指數總體上表現增加的趨勢，主要源自其面積的增加，斑塊數量的增加。未利用地破碎化指數持續增加，面積持續減小，表明在沙棘生態工程建設中一部分未利用地如砒砂巖被改造成沙棘林或者其他類型，導致未利用地破碎化指數增加。沙棘破碎化指數從2003年0.1391減小到2008年的0.1326，呈微弱減小，在造林面積幾乎增加一倍的前提下，部分斑塊整合到一起，且人工造林一般面積較大，故破碎度指數有所下降。

但景觀斑塊數的增加對景觀斑塊數破碎化指數有很大影響，景觀斑塊數越多，其景觀斑塊數破碎化指數就越大。因此，斑塊數破碎化指數所揭示的結果只能作為一個衡量區域景觀破碎化程度的參考標準，而不能作為重要的或唯一的標準，還要結合其它破碎化指數的計算結果。

3.5 沙棘工程建設不同時期砒砂巖區的景觀多樣性指數

景觀多樣性是借用生物多樣性概念提出的用來描述和評價景觀異質性水平的一個概念，它也有多種不同的測度指標。景觀多樣性指數是指景觀類型的豐富度和復雜度，多考慮不同的景觀類型在景觀中所占面積的比例和類型的多少［8］。景觀類型越多，各景觀類型越均勻，多樣性指數越大。景觀多樣性指數越高，景觀的異質性程度越高。同生物多樣性指數的測度一樣，確定研究對象的分類單位和空間分辨率大小，對測度結果有顯著影響。因此，對研究結果的分析比較，應當放在相同的背景和尺度上進行。影響景觀多樣性指數大小的因素一是景觀中景觀要素類型的數量，這決定于研究對象的生態學尺度和空間分辨率；二是各景觀要素類型間的面積分配比例關系。景觀的最大多樣性指數僅由景觀要素類型的數量決定，而對由一定數量的景觀要素類型組成的景觀而言，其中各景觀要素類型之間面積分配越均勻，其多樣性指數越高，與這些要素的空間分布格局無關［9，10］。

景觀要素優勢度指數來源于群落生態學中種群優勢度的概念，用來反映景觀組成和結構受某種和某些景觀要素控制的程度，由于考慮了景觀要素的空間分布關系，是反映景觀要素在景觀中地位和作用的一個適當指標。與景觀多樣性指數不同的是，它以景觀要素為對象進行分析，而景觀多樣性指數的研究對象是景觀總體。如果某些景觀要素具有較高的優勢度，則至少從一個側面說明它對景觀整體結構、功能及其變化的控制作用較強。但實際應用中也應考慮其原始數據取值方法、測度方法和計算方法的不同。項目區景觀多樣性指數、景觀均勻度指數、優勢度指數的計算結果見表5。

表5 砒砂巖區不同年份的景觀多樣性指數

隨著沙棘等生態工程的推進，研究區域景觀多樣性指數和均勻度指數都有所提高，整個景觀優勢度指數逐漸降低。表明該區域景觀類型分類包含的景觀成分復雜，景觀破碎化程度較高，景觀單元信息豐富，其信息的含量和信息的不定性較大，故景觀多樣性指數較大。景觀的均勻度指數側重表現各景觀單元均勻程度，趨勢與景觀多樣性變化一致，說明該區域景觀格局受人為干擾較大，形成眾多格局，比較接近小景觀單元。

4 結論與討論

（1）砒砂巖區沙棘生態工程實施3個時期，稀疏植被的斑塊密度都最大，說明其破碎化程度最高，景觀異質性最高，充分表現其散布于整個景觀本底的特點。沙棘斑塊密度2003年為0.74，2008年變為0.78，5年內略有增加，是區域沙棘生態工程建設的結果。林地景觀斑塊密度也持續增加，說明研究區域宜林地區在持續造林。蓋沙地的斑塊密度隨時間變化有減小的趨勢，說明在沙棘等生態工程建設過程中，消滅了一些小的蓋沙地斑塊，體現了一定的蓋沙地治理成效。

（2）區內稀疏植被的斑塊邊緣密度最大，其次是草地、蓋沙地、沙棘、未利用地和林地，景觀邊緣密度最小的是灌叢、居民地和水域。這與景觀要素的總面積是成正比的。沙棘邊緣密度變化明顯，從2003年的11.41增加到2008年的17.85，說明在砒砂巖沙棘生態工程建設中，導致沙棘面積增加，斑塊增加，邊緣密度很好體現這一點。

（3）聚集度最大的是居民地、蓋沙地及未利用地，其次是稀疏植被、草地和水域，聚集度較低的是沙棘、林地和灌叢。居民地和蓋沙地的聚集度最大，原因是居民地斑塊數量少，而且集中分布，所以聚集度最高；而蓋沙地面積大，在西北部地區集中連片分布，所以其聚集度高。沙棘聚集度指數從2003年的0.8609增加到2008年的0.8674，變化不大，體現了沙棘斑塊數量在增加，斑塊密度增加，且分散分布于許多不同斑塊之間的特點，大片集中分布的格局并未形成。

（4）景觀破碎化指數以沙棘、林地和灌叢3類較大，其次為水域、草地和未利用地，較小的為稀疏植被、居民地和蓋沙地。沙棘和林地大部分均為人工種植，破碎化明顯，擬成星火之勢；而灌叢本身就是鑲嵌在沙區中的，所以破碎度較大。沙棘破碎化指數從2003年0.1391減小到2008年的0.1326，呈微弱減小，部分斑塊融合在一起，使破碎度指數有所下降。

（5）隨著沙棘等生態工程的推進，區域內景觀多樣性指數和均勻度指數都有所提高，整個景觀優勢度指數逐漸降低。表明該區域景觀類型分類包含的景觀成分復雜，景觀破碎化程度較高，景觀單元信息豐富，其信息的含量和信息的不定性較大，特別是受人為干擾較大所致。

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