長沙縣金井河流域景觀多樣性分析

摘要：在景觀生態學原理的指導下，運用ArcGIS軟件對圖形屬性的數據統計功能和計算軟件Fragstats 3.3的數據批處理功能，計算得到長沙縣金井河流域5個標段各自的景觀多樣性描述指標。結果表明，金井河流域景觀總面積為28.43 km2，其中耕地和林地占總面積的60.3%，為主要基底。各類斑塊共300個，其中Ⅴ標段斑塊密度最高，為21.09個/km2，而Ⅱ標段斑塊密度較低，為8.03個/km2，流域不同標段的斑塊密度不均勻。流域景觀多樣性沿河流流動線型梯度呈現一定的變化規律，流域近城市端受人工干擾較嚴重，景觀類型信息量增加，景觀破碎化加劇，景觀類型分布較均勻。各標段聚合度都超過81.00%，斑塊之間團聚程度良好，存在明顯的優勢斑塊，各標段的破碎化程度都較低。

關鍵詞：金井河流域；景觀多樣性；景觀指數；香農指數；聚合度；長沙縣

中圖分類號：P901 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）17-4135-05

Landscape Diversity Analysis of Jinjing River in Changsha County

CHEN Xin，CHEN Yue-Hua，PAN Deng

（College of Landscape Architecture， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004，China）

Abstract： Based on the landscape ecology principles，using the data statistic function of ArcGIS and the data processing functions of Fragstats 3.3 we obtained the landscape diversity description index of 5 sections in Jinjing river. The research results showed that， the total landscape area of Jinjing river was 28.43 km2 with 60.3% of field and woodland as the main substrate. There were 300 plaques to cover all river basin. The patch density wss the highest of 21.09 ones/km2 in the V section， but the patch density was the least of 8.03 ones/km2 in the II section. The different sections of the patch density was uneven. Landscape diversity showed some variation along the river which suffered serious artificial interference in the areas close to the city. At the same time， the landscape type information increased， and landscape fragmentation was aggravated， and distribution of the landscape types was more uniform. The degree of agglomeration was more than 81% in every sections. The agglomeration had a high level between the plaque. There were obvious advantage plaque and the low fragmentation in every section.

Key words： Jinjing river； landscape diversity； landscape index； Shannon index； degree of agglomeration； Changsha county

收稿日期：2012-11-26

基金項目：全國重點地區中小河流治理項目（XYTC2010-08-05）

作者簡介：陳 鑫（1987-），男，湖南長沙人，在讀碩士研究生，研究方向為園林植物與觀賞園藝，（電話）13787069345（電子信箱）

chenxin_6803@126.com；陳月華（1964-），女，湖南常德人，副教授，（電話）0731-85623029（電子信箱）chenyuehua@126.com。

要實現區域景觀的生態效益，應該注重該區域中景觀多樣性的水平。景觀多樣性（Landscape diversity）是指景觀單元在結構、功能及其時間變化方面的多樣性，是景觀水平上生物多樣性的表征，在景觀水平上保證景觀多樣性就能保證多種生態系統共存并與異質的立地條件相適應，使景觀的總體生產力水平達到最高，各種功能正常發揮，景觀生態系統的穩定性達到一定的水平[1]。景觀多樣性的研究包括斑塊多樣性、類型多樣性和格局多樣性3個方面[2]。由于景觀多樣性的研究場地多在空間尺度上較廣，并且景觀多樣性指標量較大，許多學者在前期的研究中需要借助各類軟件平臺和模型[3-5]；在軟件輔助計算的基礎上，很多城市的景觀多樣性空間特性及景觀格局的研究取得了一定成果。

長沙縣金井河處于城郊區域，聯系著10余個村落，生態系統在一定程度上受到自然和人為的干擾，對該區域景觀多樣性進行分析，全面了解流域景觀格局特征和生態優劣狀況，進而研究其形成原因，對今后該區域景觀生態品質的提高有重要的指導意義。

1 研究區概況

金井河位于湖南省長沙市長沙縣，該流域位于北緯28°19′～28°32′，東經113°10′～ 113°25′，集雨面積726 km2，河長63 km，主要河床寬30～80 m，落差75.6 m，河流坡降1.2‰。流域范圍內地勢北高南低，東陡西緩，主要地貌大致可分為丘陵和崗地。金井河發源于長沙縣馬坡嶺，經蒲塘、金井、高橋、螺嶺橋、路口、上市沙、金江水庫、雙江口，在果園鎮境內自白石灣注入撈刀河。金井河屬撈刀河的一級支流湘江二級支流。該流域洪水由暴雨形成，洪水陡漲陡落，一般洪水不到1 d，根據螺嶺橋水文站1959-2006年觀測資料分析，洪水主要發生在4～8月，出現年最大洪峰幾率為98.0%，5～7月出現年最大洪峰幾率為73.0%。金井河流域周邊植物群落比較豐富，以鄉土植物與野生樹種為主，屬亞熱帶針闊葉混交林區域，植被群落層次多樣，林相類型區別明顯，主要樹種為樟樹、楓楊、苦楝和構樹等。由于人工干擾的影響，金井河流域存在大部分無堤防、防洪能力差、河岸崩坍嚴重、河道局部淤塞嚴重等問題。

2 分析方法

2.1 研究方法

以深圳市水務規劃設計院提供的1∶10 000的遙感影像圖及湖南省益陽市水利水電勘測設計研究院提供的比例1∶10 000的CAD平面布置圖等為基礎資料，將研究區域分為5個調查標段，分別為城鎮—果園段（Ⅰ）、果園—路口段（Ⅱ）、路口—高橋段（Ⅲ）、高橋—金井段（Ⅳ）及金井—青石段（Ⅴ），并界定由河道中心線向兩側延伸300 m為流域及周邊的研究區范圍，同時建立以生態、景觀方面專家為負責人的調查小組，進入到研究區域現場進行分標段分小組的實地調查。調查中系統地記錄各種相應現狀，并對圖紙進行手工勾繪，完善圖紙中模糊、變化的地塊信息；在內業處理中，根據現狀調查數據，運用ArcGIS軟件對原有地形圖進行修改完善，對每一斑塊進行描繪編號后在ArcGIS中導出具有每一斑塊編號、斑塊周長、斑塊面積等信息的屬性表，同時在ArcGIS軟件中將矢量圖轉柵格，將柵格圖加載到景觀指數計算軟件Fragstats 3.3中進行批量化的計算，最終得出能夠反映景觀多樣性的指數。

衡量景觀格局特征最常用的方法是采用景觀生態學指數[6]。斑塊多樣性考慮景觀中斑塊的總數，單位面積上的斑塊數目、斑塊面積大小和斑塊的形狀，在Fragstats 3.3軟件中能涉及到的指標基礎上選用斑塊密度、平均斑塊面積和面積加權平均形狀指數對斑塊多樣性進行指數描述；類型多樣性多考慮景觀中不同景觀類型的數目多少及其占總面積的比例，通過Fragstats 3.3軟件計算出的香農多樣性指數和香農均勻度指數進行描述；而格局多樣性指數考慮不同類型的空間分布，同類型間的連接段和連通性、相鄰斑塊間的聚集和分散程度，通過Fragstats 3.3軟件計算出的聚合度指數描述[7，8]。

2.2 分析指標選取

1）斑塊密度（PD）。PD=■×105，其中A為景觀面積，N為斑塊數目，斑塊密度單位為個/km2。PD為0時，表示景觀區域中不存在或存在極少的斑塊類型，而PD的值達到100時，則表示全部景觀區域由一類或近似于一類的斑塊組成。斑塊密度衡量組成景觀區域斑塊的稀密程度，同時也是確定斑塊多樣性、優勢類型的重要指標之一。

2）平均斑塊面積（MPS）。MPS=■×10-4。平均斑塊面積（MPS）是景觀區域中斑塊總面積與斑塊個數的比值，MPS值能反映景觀的破碎度，如在若干景觀區域中，MPS的值越小就表示該區域中斑塊類型更為破碎。

3）面積加權平均形狀指數（AWMSI）。AWMSI=■SHAPEij=■，SHAPEij=■，Pij為斑塊ij周長，minPij為斑塊ij同面積的最小周長（此處面積以柵格數目計算）。aij為斑塊ij的面積，A′為斑塊總面積。AWMSI是對斑塊邊緣形狀的一種描述，AWMSI值越大斑塊邊緣形狀越復雜。該指標是度量景觀復雜性的重要指標之一，對許多生態過程都有影響，如斑塊的邊緣形狀影響動物的遷移、覓食等活動，也影響植物的種植與生產效率[9]。

4）Shannon-Weiner多樣性指數（SHDI）。多樣性指數（Diversity index）是指景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化[10]，多樣性指數與種類豐富度及種類分布的均勻度有關。當景觀是由單一要素構成時，景觀是均質的，其多樣性指數為0；由兩個以上要素構成的景觀，當各景觀類型所占比例相等時，其多樣性為最高[11，12]，主要通過Shannon-Weiner指數進行描述。SHDI=-■（Pi）（log2Pi），其中S是生態系統總數，Pi是每一生態系統占的面積百分比[2]。

5）Shannon-Weiner均勻性指數（SHEI）。景觀均勻性描述景觀里不同景觀類型的分配均勻程度，一個景觀有S種生態系統，計算它的均勻性就是要將它的多樣性與同樣也有S種但完全均勻（即各種生態系統所占面積完全相等，均占1/S）的景觀多樣性相比。例如對于Shannon-Weiner多樣性指數進一步計算均勻性， SHEI=H′/H′（max）[2]。式中H′是現實景觀的多樣性，即修正了的Shannon-Weiner指數，H′=-log2[■（Pi）2]； H′（max）是完全均勻情況下的景觀多樣性，H′（max）=S（■log2S）=log2S。

6）聚合度指數（AI）。AI=（■）×102，gij為景觀類型ij的斑塊之間的臨界量，max gij為景觀類型ij的斑塊之間的最大臨界數值。AI表示景觀區域中景觀類型之間的空間格局聚散程度，或者是景觀類型中斑塊之間的聚散程度，當AI=0時，景觀類型（斑塊）之間相互不聯系，以獨立的形式存在于景觀之中，而AI=1時，景觀類型（斑塊）之間完全融合，成為單一的斑塊。

3 金井河流域景觀多樣性分析

3.1 景觀類型區劃

經過實地考察及圖紙分析后，依據金井河流域周邊景觀特點，將流域周邊景觀類型分為耕地、林地、草地、建設用地、水域及未利用地6類。通過ArcGIS軟件分標段對流域內的6種景觀類型進行區劃和統計，得到研究區（河道中心線兩側300 m）范圍內的總面積為28.43 km2，其中耕地面積9.79 km2（34.4%）、林地面積7.36 km2（25.9%）、草地面積0.54 km2（1.9%）、建設用地面積4.32 km2（15.2%）、水域面積3.58 km2（12.6%）及未利用地面積2.84 km2（10.0%）。

3.2 標段指數分析

3.2.1 斑塊多樣性指數分析 根據實地調查及ArcGIS對場地的輔助分析功能，統計得到金井河Ⅰ～Ⅴ標段中各景觀類型分布情況（表1）。由表1可以看出，各標段中耕地及林地所占比例較大，而未利用地及草地所占比例較小。

表2中列出了斑塊密度、平均斑塊面積和加權平均形狀指數等3個方面的斑塊多樣性指數，標段Ⅲ的景觀面積最大，其后從大到小為Ⅱ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ，5個標段景觀面積的大小取決于人為劃分標段的長度。標段Ⅴ和Ⅳ的PD值處于高位，同時MPS值處于低位，表明該地區斑塊較破碎細小，這與該標段中景觀受人工干擾較多等有關。標段Ⅰ和Ⅱ中AWMSI值較高，表明該區域中斑塊的形狀復雜，而標段Ⅲ和Ⅴ的AWMSI值較低，可能由于該區域大量的人工植樹造林等活動導致斑塊形狀規則、簡單。

參考鄒昶和等[13]的分析方法，分別對6種景觀類型的景觀多樣性進行分析。由表3金井河6個景觀類型的景觀多樣性指數可以發現：①Ⅰ、Ⅳ和Ⅴ標段耕地景觀面積處于最高位，林地景觀面積處于第二位，而在Ⅱ和Ⅲ標段中林地景觀面積處于高位，耕地景觀面積處于第二位，表明耕地和林地構成每個標段的基質，形成主要的能量流和物質流，各標段中耕地和林地面積分配較均勻。耕地的斑塊密度各標段均在2.0～5.5個/km2之間，整段流域耕地分布的格局較均勻，只有河流上游的Ⅴ標段耕地的PD值達到5.42個/km2，同時該段平均斑塊面積也最小，為3.78 hm2，表明Ⅴ標段的耕地斑塊相對破碎。耕地的大體量分布表明金井河流域居民的生活以農業生產為主，耕地均勻地分布在河道周邊，也是居民耕種灌溉時對河水的需求。②林地的PD值依次遞增且各標段相差不大，林地整體沿河道均勻分布，標段Ⅳ和Ⅴ的MPS值相對偏小，這與該地區居民肆意開發山體有關，導致林地的整體性下降。③建設用地主要表示居民建筑和道路等人工痕跡，靠近河流發源處的Ⅳ和Ⅴ標段建設用地分布多，整體呈流域兩端多中間少的態勢，這與居民生活傾向性有關，河流的上游端靠近長沙市衛星城星沙高新區，而下游段則靠近長沙市區，同時也是金井河與瀏陽河交匯處的平原地帶，貿易與交流的方便都將導致居民建筑及交通設施相對于中游段發達，中游的Ⅲ標段PD值小而MPS值大，表明該區域居民的居住形式為離散式聚居，由于是人工景觀，形成斑塊形狀的復雜程度并不高，建設用地AWMSI值整體偏小。④未利用地以人工破壞的裸土和河流周邊灘涂地為主，未利用地的A值標段Ⅰ和Ⅲ較高，分別達到30.25 hm2和23.76 hm2。結合現場調查可知，下游的標段Ⅰ主要的未利用地為灘涂，由于金井河在該區域與瀏陽河交匯，常有洪水泛濫，導致這個區域中河流沖刷、水土流失形成的灘涂地較多，而在標段Ⅲ居民居住分散，土地沒有被充分利用，未利用地主要為土體荒廢形成的裸土地。未利用地的MPS值在Ⅰ標段達到最大，為5.04 hm2，結合該區域的未利用地面積可知，在Ⅰ標段內灘涂地總面積較大，而且形成的灘涂地斑塊成片分布。未利用地的AWMSI值Ⅳ、Ⅴ標段最大，由于該區域的未利用地為一些水土流失產生的裸土地，所以斑塊的形狀相對來說較復雜。⑤水域的PD值在金井河的上游段Ⅳ和Ⅴ標段達到4.00個/km2及以上，金井河由幾條小河流及一個湖泊匯水而成，水域斑塊在上游段較大。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ標段的PD值均較小且相差不大，分別為1.29、1.17和1.12個/km2，而MPS值均較大且相差不大，分別為12.35、17.84和12.84 hm2，表明水域斑塊分散且水域形成一定面積，即沿河道左右兩岸分布的濕地及洼地等。水域AWMSI值偏小，表明由水域形成的斑塊形狀簡單。⑥除開Ⅲ標段，草地的PD值和MPS值都處于低位，草地在整體流域的分布少，但Ⅲ標段草地的PD值和MPS值為其他4個標段的兩倍左右，表明Ⅲ標段居民少量且分散，對于土地的利用不足導致雜草叢生，由于雜草肆意生長，各標準段的AWMSI值偏高，草地斑塊形狀復雜。

3.2.2 類型多樣性指數分析 香農指數反映了一個標段中不同景觀類型分布的復雜化和均勻化程度。從表2中香農多樣性指標數據可以看出，從標段Ⅰ到標段Ⅴ的SHDI呈現高低交替的態勢，這主要和人工干擾相關，人為活動對生態系統影響較大的區域其景觀信息也隨之豐富，景觀類型復雜化程度增加。景觀均勻度指數（SHEI）表示各景觀類型（生態系統）面積的分配比例，當標段景觀內6種景觀類型都存在且所占總面積比例相等時景觀的均勻度是最佳的，即每種景觀類型的比例為1/6，SHEI=1時景觀的多樣性最佳，各標段SHEI進行比較可以看出，Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅰ>Ⅱ，其中Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ和Ⅰ標段的SHEI指標大小相近，表示各類景觀類型的均勻度相似，但離最佳值“1”存在一定差距，Ⅱ標段的SHEI指標最小，景觀均勻度相對于其他4個標段較差。

3.2.3 格局多樣性指數分析 研究選取聚合度作為格局多樣性的描述指標，從表2可以看出，各標段的聚合度均達到81%以上，具有良好的景觀類型（生態系統）之間的聚集程度，該態勢有利于景觀類型（生態系統）之間的物質及能量交流，且能提升生態系統的自我恢復能力。從表3可以看出，同種景觀類型中斑塊之間的聚集程度，各標段中耕地的AI值均達到82%以上，Ⅱ標段最高，達到87.58%，在現場調查中發現這是由于在Ⅱ標段中存在大面積的蔬菜基地導致耕地的AI值達到高位；林地的AI值都超過80%，雖然林地的聚合度處于良好水平，但由于部分區域人工開山取石導致原始植被狀態被破壞；建設用地中Ⅰ標段AI值達到最高，為84.12%，其次為Ⅴ標段的82.13%，其余標段AI值較低，表明其余標段的建筑用地分布分散。未利用地方面Ⅱ標段AI值最高，而Ⅴ標段最低，這是因為Ⅱ標段河流對駁岸沖刷嚴重形成大面積聚合的河漫灘，而Ⅴ標段水土保持良好，未利用地面積較少且分散，能在短時間內自我恢復。水域AI值在Ⅰ和Ⅲ標段有所降低，在這兩個區域存在若干洼地和濕地，相對分散于主河道周邊，整體水域團聚效果良好。草地是6類景觀類型中所占面積比重最小的一類，草地整體AI值稍低，主要是野生草地零星地分布于河道周邊。

4 小結

金井河流域內耕地和林地構成流域景觀的主要基質。耕地總體沿河道分布較為均勻，Ⅰ標段地處兩河交匯處，土地肥沃，斑塊分布密度居中，除Ⅴ標段的斑塊分布較為破碎外，其他標段斑塊整體性較高，且形狀較為規則簡單；林地Ⅳ和Ⅴ標段的斑塊平均面積較小，同時斑塊形狀比較規則，這是肆意開發山林所形成的結果；建設用地的分布呈兩端集中、中間分散的態勢，這與居民對于貿易交流方便的傾向性有關，建設用地為人工景觀，斑塊形狀整體較規則；未利用地分布聚集程度存在明顯差異，主要為集中在Ⅰ標段的灘涂地和Ⅲ段的裸土地，且Ⅰ和Ⅲ標段中斑塊的平均面積處于高位，Ⅳ、Ⅴ標段的未利用地主要為一些水土流失而產生的不規則裸土地，分布較為分散且形狀復雜；水域分布以貫穿標段的河道為主，在金井河的發源處Ⅳ和Ⅴ標段存在多條匯水河流及河塘，水域斑塊密度大，而Ⅰ～Ⅲ標段斑塊分布分散且斑塊平均面積相似，主要是濕地和洼地，形狀規則。草地面積在各標段所占比重和平均斑塊面積都較低，布局分散，主要為野生草地零星生長，形狀復雜。

宏觀來看SHDI呈現高低交替的態勢，這主要與人工干擾相關，人為活動對生態系統影響較大的Ⅰ和Ⅴ標段其景觀信息也隨之豐富，景觀類型復雜化程度增加。Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ和Ⅰ標段的SHEI大小相似，表示各類景觀類型的均勻度相似，但離最佳均勻度存在一定差距，Ⅱ標段的SHEI最小，景觀均勻度相對于其他4個標段較差，在后期的河道生態改造中應對不良標段有針對性地提高種類之間個體分配的均勻性或使得景觀中各類主要景觀類型所占比例大致相等，這些都將使得多樣性指數上升。

各標段的聚合度均達到81%以上，具有良好的景觀類型（生態系統）之間的聚集程度。耕地聚合度均超過82%，Ⅱ標段區域存在成規模連片的蔬菜基地，聚合度最高值達到87.58%，耕地之間具有良好的聚集程度；林地的AI值都超過80%，但是由于人工開山取石的原因Ⅳ和Ⅴ標段中林地的聚合程度較其他標段差；建設用地中除Ⅰ標段外，其他標段的建筑和道路分布較為分散；未利用地除河道的Ⅱ和Ⅲ標段外聚合度較低；水域的聚合度在Ⅳ標段較高，各種水體匯聚成河，其他的標段聚合度較低，濕地和洼地等以分散的形式布置；各段草地的聚合度偏低，以零星分散的方式分布在河道周邊。

參考文獻：

[1] 王曉燕，徐志高，楊明義，等.黃土高原小流域景觀多樣性動態分析[J].應用生態學報，2004，15（2）：273-277.

[2] 徐化成. 景觀生態學[M].北京：中國林業出版社，2005.

[3] 王志泰，王志杰，包 玉.基于GIS的銅仁市城市綠地系統景觀格局分析[J].甘肅農業大學學報，2011，46（1）：110-114.

[4] 陳 銘，陳其兵，張 健，等.遙感數據分類基礎上的成都市城市景觀多樣性研究[J].四川林業科技，2005，26（4）：78-82.

[5] 林志壘. 基于ES的植被景觀多樣性評價模型研究[J].中國農學通報，2006， 22（7）：543-546.

[6] FORMAN R T T， GORDON M. Landscape Ecology[M]. Cambridge：Cambridge University Press，1986.

[7] 余新曉，牛健植，關文彬，等.景觀生態學[M]：北京：高等教育出版社，2006.

[8] 布仁倉，胡遠滿，常 禹，等.景觀指數之間的相關分析[J].生態學報，2005，25（10）：2764-2775.

[9] 劉學錄. 鹽化草地景觀中的斑塊形狀指數及其生態學意義[J].草業科學，2000，17（2）：50-52，56.

[10] 王云才. 景觀生態規劃原理[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[11] REID L M， O’DONNELL C P， KELLY J D， et al. Preliminary studies for the differentiation of apple juice samples by chemometric analysis of solid-phase microextraction-gas chromatographic data[J]. J Agric Food Chem，2004，52（23）：6891-6896.

[12] 伍業剛，李哈濱.景觀生態學的數量研究方法[A].劉建國.當代生態學博論[M].北京：中國科學技術出版社，1992. 209-230.

[13] 鄒昶和，李新通，高文蘭，等. 拉市海流域景觀多樣性空間特征分析[J].福建師范大學學報（自然科學版），2012，28（3）：65-71.

（責任編輯 王曉芳）