豫西黃土丘陵區(qū)景觀格局特征分析與變化研究

趙勝朝，王福嶺，劉明欣，徐建昭

(1.河南省水土保持監(jiān)測總站，河南 鄭州 450008；2.鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450008)

0 引言

豫西黃土丘陵區(qū)位于河南省西北部，行政區(qū)劃上包含鄭州市、洛陽市、焦作市、三門峽市4個省轄市的19個縣(市、區(qū))和1個濟源示范區(qū)，土地總面積2.71萬km2，約占河南省土地總面積的16.23%。屬第二階梯向第三階梯過渡的交錯地帶，地質(zhì)條件復雜，地表破碎，人為活動頻繁，加劇了水土流失，造成了區(qū)域大片土地貧瘠，是河南省生態(tài)環(huán)境比較脆弱的區(qū)域之一，同時也是河南省脫貧攻堅成果鞏固提升的重要區(qū)域。分析研究基于2000、2010、2015年遙感數(shù)據(jù)，應用GIS技術以及景觀結(jié)構(gòu)分析軟件分析豫西黃土丘陵區(qū)及各類型的景觀指數(shù)，并對研究區(qū)景觀格局特征及變化進行分析，預期得到區(qū)域景觀格局的變化規(guī)律，為當?shù)厮亮魇е卫頉Q策提供理論依據(jù)。

1 斑塊數(shù)

斑塊數(shù)是研究范圍內(nèi)斑塊的數(shù)量。該指標用來衡量目標景觀的復雜程度，斑塊數(shù)量越多表明景觀構(gòu)成越復雜。斑塊數(shù)反映景觀的空間格局，斑塊數(shù)大，破碎度高，斑塊數(shù)小，破碎度低。

2015年，整個研究區(qū)斑塊數(shù)總共2.21萬個，研究區(qū)斑塊數(shù)從2000—2010年不斷增加，隨后減少，即研究區(qū)2000—2010年、2011—2015年2個時間段，前者景觀破碎度及景觀復雜性相對后者更高(見圖1)。從各縣(市、區(qū))分布來看，盧氏縣斑塊數(shù)最多，占整個研究區(qū)域的10.10%，其次是靈寶市，占整個研究區(qū)域的9.30%，第三是濟源市，占整個研究區(qū)域的8.40%，而孟州市、湖濱區(qū)、義馬市斑塊數(shù)最少。一般來說，區(qū)域地形相對較為平坦，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較為快速時，開發(fā)力度較大，大規(guī)模成片開發(fā)導致區(qū)域斑塊數(shù)量較少，景觀異質(zhì)性及復雜性較低，而地形復雜時，情況相反。從研究區(qū)斑塊數(shù)分布來看，研究區(qū)東部地形相對平坦，開發(fā)難度小，成片開發(fā)多，區(qū)域斑塊數(shù)相對較少，而西部地形起伏較大，開發(fā)導致更多的破碎，斑塊數(shù)較多，相應的開發(fā)帶來的干擾更大。

圖1 研究區(qū)2000—2015年斑塊化變化圖

2 平均斑塊面積

平均斑塊面積為研究區(qū)域內(nèi)的全部斑塊的面積平均值。該數(shù)值用于反映整體景觀的完整性以及破碎化程度，該數(shù)值越小表明景觀較破碎，破碎化程度較高。平均斑塊面積能夠指證景觀的破碎強度，如一般情況在景觀級別上一個較小平均斑塊面積值的景觀比一個擁有較大平均斑塊面積值的景觀更破碎。統(tǒng)計結(jié)果如下所示。計算方法：

(1)

式中：MPS為平均斑塊大小，TS為研究范圍的總面積，NP為斑塊個數(shù)。

從時間上看，研究區(qū)平均斑塊面積大小從2000—2010年不斷減少，隨后增加，即與斑塊數(shù)結(jié)果相似，研究區(qū)2000—2010年、2011—2015年2個時間段，前者景觀破碎度相對后者更高。從整個研究區(qū)各縣(市、區(qū))的平均斑塊面積大小分布來看，研究區(qū)西部縣(市、區(qū))平均斑塊面積較高，說明研究區(qū)西部縣、區(qū)景觀完整性較高、破碎化程度較低，當?shù)貙ι鷳B(tài)環(huán)境保護較好。而研究區(qū)東部各縣(市、區(qū))整體平均斑塊面積較低，景觀破碎度較高。

3 破碎度指數(shù)

破碎度表示景觀被分割的破碎程度，反應景觀空間格局的復雜性，在某種程度上反映了人類對景觀的擾動程度。它是由自然或者開發(fā)活動破壞所引起的景觀由單一、均質(zhì)與連續(xù)的總體趨向于復雜、異質(zhì)與不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過程，景觀破碎化是生物多樣性失去的主要起因之一。計算方法：

Ci=Ni/Ai

(2)

式中：Ci為景觀i的破碎度，Ni為景觀i的斑塊數(shù)，Ai為景觀i的總面積。

從時間變化上看，2000—2015年研究區(qū)破碎度指數(shù)總體是呈上升趨勢的(見圖2)，但增加幅度較小，表明雖然受到人為干擾，研究區(qū)域景觀破碎化水平變化較小，區(qū)域開發(fā)建設整體上未造成大的環(huán)境干擾。從空間分布上看，景觀破碎化與經(jīng)濟發(fā)展水平相關性較高，濟源、鞏義、義馬、滎陽、洛陽等經(jīng)濟較好縣市，開發(fā)強度較大，景觀破碎化指數(shù)較高，而盧氏、嵩縣、靈寶等縣市，景觀破碎化指數(shù)較低。對于一定面積的每一種生態(tài)系統(tǒng)來說，斑塊數(shù)越少，平均面積越大，破碎化程度越低，越能充分發(fā)揮其生態(tài)效益，而由于城市發(fā)展，人類對各種景觀類型、自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾越來越強，在對生態(tài)環(huán)境保護不力的情況下，會導致各種景觀類型、生態(tài)系統(tǒng)斑塊數(shù)量越來越多，破碎化程度越來越高，濟源、鞏義等正是表現(xiàn)出這種特征；而隨著人類大規(guī)模開發(fā)的進行，景觀類型又會趨于單一化、均質(zhì)化，又會降低破碎度指數(shù)。

圖2 研究區(qū)2000—2015年破碎度指數(shù)圖

4 聚集度指數(shù)

聚集度指數(shù)指景觀中不同斑塊類型的非隨機性或者聚集程度。該指數(shù)越小，表明景觀是由很多相互交錯且分散分布的小斑塊組成的，異質(zhì)程度較高，反之該指數(shù)越高說明景觀是由數(shù)量較少面積較大的斑塊組成，異質(zhì)程度較低，景觀完整性較好，相對的破碎化程度較低。計算方法：

C=2ln(N)=∑∑Pijln(Pij)

(3)

式中：N是景觀中斑塊類型總數(shù)，Pij是斑塊類型i與j相鄰的概率。

從時間延續(xù)上看，2000—2015年研究區(qū)聚集度指數(shù)總體是呈平穩(wěn)態(tài)勢(見圖3)，調(diào)查區(qū)景觀整體較為穩(wěn)定，也進一步印證了調(diào)查區(qū)15 a破碎度指數(shù)變化不大的結(jié)果。從空間分布上看，在調(diào)查區(qū)西部縣(市、區(qū))具有高的聚集度指數(shù)，說明西部縣、區(qū)內(nèi)景觀斑塊面積大。而東部縣、區(qū)較西部來說聚集度指數(shù)較低，說明東部縣(市、區(qū))斑塊以小面積居多，因而其破碎度指數(shù)高于西部縣、區(qū)，印證了破碎度指數(shù)較大的原因。

圖3 研究區(qū)2000—2015年聚集度指數(shù)圖

5 多樣性指數(shù)

多樣性指數(shù)是指景觀元素或者生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能以及隨時間演變方面的多樣性。隨著該值的減小，景觀結(jié)構(gòu)組成的復雜性也趨于減小。香農(nóng)多樣性指數(shù)在景觀級別上為各斑塊類型面積比乘以其值的自然對數(shù)之后的和的負值。多樣性指數(shù)對景觀中各斑塊類型非均勻分布形態(tài)較為敏感。研究顯示在同一景觀中景觀生態(tài)學的多樣性與生態(tài)學物種的多樣性兩者之間關系通常呈正態(tài)分布。計算方法：

(4)

式中：i=1…m表示斑塊類型數(shù)量；pi表示斑塊類型i所占景觀面積的比例。

香農(nóng)指數(shù)主要包括2個要素：①品種數(shù)目；②品種中個體分配上的平均性或均勻性。品種數(shù)目多，可提高多樣性；同樣，品種之間個體分配的均勻性增加也會使多樣性提高，當一個區(qū)域內(nèi)各類景觀要素面積相差較大、優(yōu)勢度明顯時，多樣性指數(shù)較低；反之，則在區(qū)域各景觀要素中，存在優(yōu)勢度較弱的某種景觀要素時，多樣性指數(shù)較高。從時間變化上看，2000—2015年，研究區(qū)域多樣性指數(shù)先增加后減少，2000—2010年，由于人類活動的干擾，區(qū)域主要景觀類型耕地、林地面積都有所減少，其它類型面積有所增加，景觀類型更加多樣，多樣性指數(shù)升高，而2010—2015年，區(qū)域耕地面積減少，建設用地面積增加，景觀類型主要是耕地減少為建設用地，多樣性指數(shù)減少。從空間分布上看，研究區(qū)東部較西部有更多的多樣性，主要是由于西部的優(yōu)勢景觀更明顯，而東部區(qū)域內(nèi)耕地、林地、建設用地等景觀要素優(yōu)勢度接近，沒有優(yōu)勢突出的土地利用類型。

6 結(jié)論

①2000—2015年的15 a間，景觀生態(tài)風險整體呈現(xiàn)加劇演變，高生態(tài)風險區(qū)的基質(zhì)景觀類型以耕地為主，受人類活動影響后的損失度較強。但研究區(qū)破碎度指數(shù)、聚集度指數(shù)總體上變化不大，表明研究區(qū)域雖然受到人為干擾，研究區(qū)域景觀破碎化水平變化較小，區(qū)域開發(fā)建設整體上未造成大的環(huán)境干擾，研究區(qū)景觀整體較為穩(wěn)定。②研究區(qū)景觀格局空間分布上總體表現(xiàn)為西部縣(市、區(qū))具有高的聚集度指數(shù)，低的破碎化指數(shù)，西部縣(區(qū))內(nèi)景觀斑塊面積大，景觀破碎化強度較低。而東部縣(區(qū))較西部來說聚集度指數(shù)較低，破碎化指數(shù)較高，東部縣(市、區(qū))斑塊以小面積居多。③研究區(qū)生態(tài)風險空間集聚形態(tài)以低-低集聚和高-高集聚為主，呈現(xiàn)為低-低集聚區(qū)域表現(xiàn)增加演變，高-高集聚區(qū)域表現(xiàn)先增加后減少演變。生態(tài)風險高值集聚區(qū)(H-H)主要集中分布在盧氏縣-洛寧縣-靈寶縣，這一區(qū)域?qū)儆邳S土低山丘陵區(qū)，地表覆蓋類型多樣，景觀優(yōu)勢度較低且景觀分布不均勻。④研究區(qū)域水土保持工作應堅持“小范圍治理、大面積保護”的原則，保護現(xiàn)有的森林資源不再遭到破壞，同時加快促使水土流失最嚴重的陡坡耕地(坡度在15°以上)的退耕還林還草、生態(tài)移民等，做好四個結(jié)合，一是低山丘嶺區(qū)生態(tài)經(jīng)濟高效治理開發(fā)與坡改旱梯基本農(nóng)田建設與大面積坡耕地水土流失綜合治理相結(jié)合，二是“人工治理和生態(tài)修復”相結(jié)合，三是植被快速建造與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，四是土地整治工程建設與水土資源合理利用相結(jié)合，構(gòu)建小流域生態(tài)系統(tǒng)的科學合理模式，實現(xiàn)山丘區(qū)自然資源、生態(tài)、經(jīng)濟、社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。