利用景觀結構分析區域生態系統現狀初探

陳佳楠

（內蒙古自治區林業和草原監測規劃院，呼和浩特 010020）

地類是反映生態系統景觀類型的載體，不同地類之間存在相互作用和影響，利用景觀生態學的理論分析，可以比較直觀的展示某一區域內各個地類的連通情況和破碎情況，從而能夠更明確的展現出該區域不同地類的情況，為制定治理方案提供更直觀的數據支持。

1 景觀概念

斑塊、廊道和基底是組成景觀的結構單元。斑塊泛指與周圍環境在外貌或性質上不同，并具有一定內部均質性的空間單元。斑塊可以是草地、耕地、湖泊、居民區或者林地等。廊道是指景觀中與相鄰兩邊環境不同的線狀或帶狀結構。比如農田間的防風林帶、河流、道路或峽谷等。而基底則是景觀中分布最廣、連續性最大的背景結構。比如草原上，基底應該是草原基底；農區基底便是農田基底；市區基底則是城市用地等；而林區自然基底是森林基底。斑塊—廊道—基底模式為具體而形象的描述景觀結構、功能和動態提供了一種空間語言，而且這一模式還有助于考慮景觀結構與功能之間的相互關系、便于比較在時間上的變化情況。

2 研究方法

2.1 研究對象景觀類型確定

針對渾善達克沙地所選典型區域，在宏觀尺度上分析其景觀結構特點。在分析前，根據現有的原始資料（在分辨率為2.5 m 的影像上區劃的矢量圖形、2004年內蒙古自治區荒漠化和沙化土地監測報告及其他相關的信息資料），對數據中20 余項小班因子進行篩選，結合區域研究目的，以地類為主要研究對象，最終確定了9 種景觀要素類型：即耕地、有林地、疏林地、灌木林地、其他林地、草地、城鎮居民地、水域和未利用地。之后再對區劃出的矢量文件柵格化，并根據區劃情況確定每個柵格大小為30 m×30 m，得到區域景觀分布圖。之所以將柵格大小定位30 m×30 m，原因在于文件格式對于邊緣的處理方式不同而導致柵格文件在計算邊緣參數時會產生誤差，這種誤差取決于矢量區劃時的斑塊邊界分辨率與柵格化時單位柵格的大小，所以，經過反復試驗，最終確定柵格大小為30 m×30 m,這個單位的柵格所產生的總面積誤差是最小的。然后將該文件輸入FRAGSTATS 中計算相關景觀格局指數，以便下一步的分析。

2.2 景觀指數選取

FRAGSTATS 是專門用于分析景觀結構和情況的一款軟件，根據研究需求選取了能提供較精確計算結果的18個指標，其中在斑塊類型級別上選取了斑塊類型面積（CA）、斑塊類型面積比例（PLAND）；在景觀級別上選取最大斑塊所占景觀面積的比例（LPI）、斑塊數（NP）、斑塊密度（PD）、平均斑塊面積（AREA-MN）、斑塊面積標準差（AREA—SD)、總邊界長度（TE）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數（LSI）、面積加權的平均斑塊分維數(FRAC-AM)、散布與并列指數(IJI)、斑塊凝聚度（CONESION）、分離度(SPLIT)、聚合度(AI)、景觀豐度（PR）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）等。

3 2003年渾善達克沙地典型區域景觀格局分析

在渾善達克沙地所選典型局部區域的研究上，結合歷年的各類調查及研究資料，在滿足本次研究的基礎上制定相應的劃分標準。在區劃并細化的基礎上，參考其他研究資料，最終確定以地類為劃分基礎，以便對本區域景觀格局、多樣性（異質性）的研究（表1）。典型區域景觀分布圖見圖1。

表1 景觀分類及劃分標準

3.1 斑塊特性分析

由表2 可見，從斑塊類型面積（CA）上看，各景觀類型間面積分布不均勻，以草地最大，其次為未利用地，灌木林地和喬木林地面積位居第三、四位（表2）。在該區域內，草地在各景觀類型中所占面積比例最大，是整個區域景觀的基底，是區域中的主體景觀，絕對控制著該區域的物質流動和能量交換。占據面積第二位的未利用地主體地類是裸沙地，可見景觀中流沙面積較大，是使整個生態系統的評價低的主要因素。灌木林地和有林地的CA和PLAND 都僅次于未利用地，因此，該區域的生態系統并未完全崩潰或惡化，還有一定的自然恢復能力。

表2 2003年研究區域景觀斑塊面積特征表

某種景觀類型的最大拼塊所占景觀面積的比例（LPI）值越大，證明對應的該景觀類型中優勢種或內部種的豐富程度越好。由表2可知，草地的LPI值最大，說明該區域的物種主要是生活在草地類型中，這與草地同樣是區域景觀的基底相符。

草地的平均斑塊面積（AREA-MN）最大，顯示其連通性最好。但未利用地即裸沙地的AREA-MN值僅次于作為基底的草地，說明在該區域范圍內，裸沙地也具有一定的連通性，且有些區域的連續面積較大，流沙較嚴重。這里應該注意到其他林地和城鎮居民用地這兩種地類的AREA-MN值。同樣是有著人為活動的地類，從平均斑塊面積上看差異很大。其原因在于其他林地是以改善和恢復自然生態為主要活動目的，而城鎮居民用地則是對自然生態系統有著極大的破壞作用；另外，該地區許多的居民是以牧業為主，所建居民點面積不是很大且極其分散，這同樣也驗證了其AREA—MN值小所代表的連通性差的特點。

斑塊面積標準差（AREA-SD)最大的也是草地，表明雖然草地為基底，在區域內廣泛分布，但較大的標準差表明其在局部區域仍有較小面積的草地分布，說明其在面積分布上的不平衡。未利用地的AREA-SD位居第二位，同樣說明有大小不同的沙帶或沙丘的存在；相對的，城鎮居民用地為AREA-SD中最小的，說明在該區域內，大多數居民點的面積分布雖分散但相對較均衡。

通過對比區域各景觀斑塊的邊界總長度（TE），草地作為基底其TE 最大，其次分別為喬木林地、未利用地、灌木林地、疏林地等。為了說明邊緣效應對生活在斑塊其中的生物的影響，引入邊緣密度（ED）概念。ED為某一景觀類型總邊界長度與該類型總面積之比。ED 在一定程度上反映了邊緣效應的大小：即在一定面積的前提下，總邊界長度越大其形狀越趨近于線性或帶狀，其邊緣效應越明顯，同樣表明其破碎程度越高。可以發現草地的ED 值最大，這與其是基底有很大關系。對于其他景觀類型，喬木林地的ED 值排在第二位，而其CA 在各景觀類型中僅位居第四，說明其邊緣效應明顯：即大多數喬木林地的形狀以帶狀或線性為主。這種形狀的斑塊較易受外界影響，這對于較依賴穩定環境條件的物種影響較大，有些基本不可能在其內部生存或繁衍。因此，這種斑塊內基本上以那些對生境不敏感或邊緣種所占據。而且，由于帶狀或條狀的斑塊受外界影響較大，因此更易破碎。通過上述情況可知，未利用地ED也較大，位列區域景觀類型的第三，理論上說單從這一指數上看這些裸沙地的邊緣效應也較大，便于改造。

3.2 斑塊密度特征與形狀分析

表3中顯示區域景觀類型中喬木林地的斑塊數（NP）最多，斑塊密度（PD）最大，說明兩個情況：其一，喬木林地破碎程度最高，邊緣效應高的非基底的景觀類型更易被外部環境影響而易破碎。其二，密度大也說明喬木林地在區域單位面積上的斑塊數量最多，即分布最集中，團聚程度最高。在未利用地上，斑塊數量和斑塊密度均處于中等程度，也就是說其破碎化和分布上均一般。結合上節所說邊緣度相對較高的情況，說明裸沙地中有部分是可以改造或較易改造的。對于斑塊數和斑塊密度最低的其他林地而言，其破碎程度最小，但同時在區域分布上也最分散。至于耕地也較為分散，在于典型區域是以牧業為主的地區，很多耕地是以生產飼料為主，并不像農區般集中分布。

表3 2003年研究區域景觀斑塊密度指數與形狀指數特征表

景觀形狀指數（LSI）從一定程度上可以反映該類型斑塊的形狀復雜程度及與其他斑塊鑲嵌的復雜程度。區域內喬木林地的LSI 值最大，說明該地類的形狀最復雜，最不規則。同時，這種復雜的形狀也與其周邊其他類型形成復雜的鑲嵌結構。裸沙地也同樣具有這樣的特征，而其他林地由于以未成林地等人工林地為主，多數呈較為規則的形狀，故而其LSI值也最低。

面積加權的平均斑塊分位數(FRAC-AM)的生態意義在于其是反映景觀格局總體特征的重要指標，它在一定程度上也反映了人類活動對景觀格局的影響。一般來說，受人類活動干擾小的景觀分數維值高，而受人類活動影響大的景觀分數維值低。草地的FRAC-AM 值最大，反映其受到人為干擾最小，草地作為基底，廣泛分布在區域的每一個角落，牧區人口密度相對低，影響也是相對較小的。未利用地由于其地表并無過多可利用資源，環境也相對惡劣，同樣受到的人為干擾較小。FRAC-AM 較小的是水域和其他林地，原因在于多數居民點或臨時居民點均靠近水域，自然受到的干擾最大。

3.3 景觀類型聚散性分析

在有關該地區景觀類型聚散性的描述中，這里選用散布與并列指數(IJI)、斑塊凝聚度(COHESION)、分離度(SPLIT)、聚合度(AI)4項指數進行分析。

散布與并列指數(IJI)是描述景觀空間格局最重要的指標之一。IJI 對那些受到某些自然條件嚴重制約的生態系統的分布特征反映顯著。在表4 中，草地的IJI 值最大，表明其幾乎與所有其他類型相接，這與其作為基底有很大關系。城鎮用地之所以是第二位，這就與該區域的生態條件的制約有較大關系，該地區大部分處于沙地腹地，自然生態條件嚴峻，故而居民點的選址都盡可能以臨近水域、草場、樹林等主要生態環境為依托。排在第三位的未利用地除了有自然因素外，還與人類干預有較大關系，很多人工造林等人工措施均針對沙帶，在沙地外圍建立各種防護措施，防止沙地的進一步蔓延。與此相對，指數值最小的其他林地所銜接的類型最少，一般只與草地和沙地銜接。

斑塊凝聚度(COHESION)表示區域內某一景觀類型斑塊的整體情況；分離度(SPLIT)一般表示斑塊間的分離程度或者說是同類各斑塊的間距，也在一定程度上表示斑塊的破碎程度。由表4 可知，基底的整體性最好，連通程度也最高，其對應的SPLIT也是最小的；未利用地的整體程度也較高，說明在2003年裸沙地是具有一定的連通性的，其對應的分離度也是較小的；其他類型的CONESION 值依次以灌木林地、疏林地、耕地等減小。這里有兩種景觀類型較為特殊即喬木林地和其他林地。按照斑塊凝聚度，喬木林地的連通性較差，但其分離度的值相對并不高，說明喬木林地雖然整體性差，在斑塊間連通性不好，但斑塊間相距較近，即其破碎程度較大。而其他林地的整體性并不很差，但其SPLIT很大，僅次于城鎮用地，表示其破碎程度雖然不大，但斑塊間間距很大，這與其他林地的斑塊數量很少有關。

聚合度（AI）指數反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度。若一個景觀由許多離散的小斑塊組成，其聚集度的值相對較小，比如表4中的城鎮用地和喬木林地；當景觀中以少數大斑塊為主或者同一類型斑塊高度鏈接時，其聚集度的值則相對較大，如草地。至于水域、未利用地、灌木林地，疏林地等其AI值位于中間的，則表示其有一定的連通性或以較大圖斑為主但在局部區域也有小面積的圖斑分布。

3.4 景觀多樣性（異質性）分析

景觀多樣性的描述中，選用3 個指數分別是景觀豐度（PR）、香農多樣性指數（SHDI）和香農均勻度指數（SHEI）。PR 代表的是某一區域內景觀類型的數量，也就是所劃分地類的數量。SHDI等于零表示整個景觀僅由一個拼塊組成；SHDI 增大，說明斑塊類型增加或各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢分布。當區域內各斑塊類型在面積比例相同時，指數值達到最大。SHEI 和SHDI 一樣，也是比較不同景觀或同一景觀不同時期多樣性變化的一個有力手段，而且SHEI還可以從一定程度上反映優勢度的情況，即SHEI 值較小時優勢度一般較高，可以反映出景觀受到一種或少數幾種優勢拼塊類型所支配；SHEI趨近1時優勢度低，說明景觀中沒有明顯的優勢類型且各拼塊類型在景觀中均勻分布。在表5中，SHEI等于0.38，相對較小，說明區域內受到至少一種主要景觀類型的控制，有明顯的優勢斑塊的存在，這種優勢斑塊就是草地。

表5 景觀多樣性指數特征表

4 討論與結論

綜上所述，2003年渾善達克典型區域是以草地為基質，其他各景觀類型鑲嵌其中。作為基質的草地無論從連通性、整體性、破碎程度均最佳；而喬木林地連通性較差、邊緣效應較明顯、破碎程度也較高；未利用地即裸沙地也具有一定的連通性，表示該區域在2003年時生態環境較惡劣，有進一步惡化的可能。而裸沙地有不少斑塊具有一定的邊緣效應，易破碎，這一特點有利于對其進行有效的治理。同時在對區域整體和各景觀類型的景觀指數分析中不難發現，渾善達克典型區域內城鎮居民用地的面積是以交通用地為主，這是典型的廊道，其密度的大小是各類景觀斑塊的增加的主導因素，也是造成景觀整體破碎程度大小的主要因素之一。

需要注意的是不能簡單地將破碎度作為衡量一個區域生態系統好壞的唯一標準，還要看該區域其他的各項指標。一般來說，對于有一定人類經濟生產規模的區域而言，一味地追求低破碎度，會嚴重限制該區域的發展水平。這需要合理布局、規劃工業用地、城鎮用地、耕地及交通用地，科學的保護和管理自然生態體系。對于已經被破壞的區域，采取多種方式如土地整理、用地置換等，調整景觀組分、結構和格局。使區域內的生態與地區發展既獨立又有交織，互相協調。

經過本次利用Fragstats 對典型區域的試探性分析，通過引入景觀生態學相關概念作為對生態系統變化情況的研究結果與實際的調查結果基本吻合，這說明利用景觀生態學有關指數的分析、對比，是可以達到監測的目的的。而且這種方法更直觀地表現出各個地類現狀。如果設定時間跨度，還可以從中發現各個地類的變化及相互作用，以便更準確地梳理某一區域生態系統的發展趨勢，為制定沙化防治、治理方案和生態建設方案提供可靠的技術支持。