利用景观结构分析区域生态系统现状初探

陈佳楠

（内蒙古自治区林业和草原监测规划院，呼和浩特 010020）

地类是反映生态系统景观类型的载体，不同地类之间存在相互作用和影响，利用景观生态学的理论分析，可以比较直观的展示某一区域内各个地类的连通情况和破碎情况，从而能够更明确的展现出该区域不同地类的情况，为制定治理方案提供更直观的数据支持。

1 景观概念

斑块、廊道和基底是组成景观的结构单元。斑块泛指与周围环境在外貌或性质上不同，并具有一定内部均质性的空间单元。斑块可以是草地、耕地、湖泊、居民区或者林地等。廊道是指景观中与相邻两边环境不同的线状或带状结构。比如农田间的防风林带、河流、道路或峡谷等。而基底则是景观中分布最广、连续性最大的背景结构。比如草原上，基底应该是草原基底；农区基底便是农田基底；市区基底则是城市用地等；而林区自然基底是森林基底。斑块—廊道—基底模式为具体而形象的描述景观结构、功能和动态提供了一种空间语言，而且这一模式还有助于考虑景观结构与功能之间的相互关系、便于比较在时间上的变化情况。

2 研究方法

2.1 研究对象景观类型确定

针对浑善达克沙地所选典型区域，在宏观尺度上分析其景观结构特点。在分析前，根据现有的原始资料（在分辨率为2.5 m 的影像上区划的矢量图形、2004年内蒙古自治区荒漠化和沙化土地监测报告及其他相关的信息资料），对数据中20 余项小班因子进行筛选，结合区域研究目的，以地类为主要研究对象，最终确定了9 种景观要素类型：即耕地、有林地、疏林地、灌木林地、其他林地、草地、城镇居民地、水域和未利用地。之后再对区划出的矢量文件栅格化，并根据区划情况确定每个栅格大小为30 m×30 m，得到区域景观分布图。之所以将栅格大小定位30 m×30 m，原因在于文件格式对于边缘的处理方式不同而导致栅格文件在计算边缘参数时会产生误差，这种误差取决于矢量区划时的斑块边界分辨率与栅格化时单位栅格的大小，所以，经过反复试验，最终确定栅格大小为30 m×30 m,这个单位的栅格所产生的总面积误差是最小的。然后将该文件输入FRAGSTATS 中计算相关景观格局指数，以便下一步的分析。

2.2 景观指数选取

FRAGSTATS 是专门用于分析景观结构和情况的一款软件，根据研究需求选取了能提供较精确计算结果的18个指标，其中在斑块类型级别上选取了斑块类型面积（CA）、斑块类型面积比例（PLAND）；在景观级别上选取最大斑块所占景观面积的比例（LPI）、斑块数（NP）、斑块密度（PD）、平均斑块面积（AREA-MN）、斑块面积标准差（AREA—SD)、总边界长度（TE）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、面积加权的平均斑块分维数(FRAC-AM)、散布与并列指数(IJI)、斑块凝聚度（CONESION）、分离度(SPLIT)、聚合度(AI)、景观丰度（PR）、香农多样性指数（SHDI）、香农均匀度指数（SHEI）等。

3 2003年浑善达克沙地典型区域景观格局分析

在浑善达克沙地所选典型局部区域的研究上，结合历年的各类调查及研究资料，在满足本次研究的基础上制定相应的划分标准。在区划并细化的基础上，参考其他研究资料，最终确定以地类为划分基础，以便对本区域景观格局、多样性（异质性）的研究（表1）。典型区域景观分布图见图1。

表1 景观分类及划分标准

3.1 斑块特性分析

由表2 可见，从斑块类型面积（CA）上看，各景观类型间面积分布不均匀，以草地最大，其次为未利用地，灌木林地和乔木林地面积位居第三、四位（表2）。在该区域内，草地在各景观类型中所占面积比例最大，是整个区域景观的基底，是区域中的主体景观，绝对控制着该区域的物质流动和能量交换。占据面积第二位的未利用地主体地类是裸沙地，可见景观中流沙面积较大，是使整个生态系统的评价低的主要因素。灌木林地和有林地的CA和PLAND 都仅次于未利用地，因此，该区域的生态系统并未完全崩溃或恶化，还有一定的自然恢复能力。

表2 2003年研究区域景观斑块面积特征表

某种景观类型的最大拼块所占景观面积的比例（LPI）值越大，证明对应的该景观类型中优势种或内部种的丰富程度越好。由表2可知，草地的LPI值最大，说明该区域的物种主要是生活在草地类型中，这与草地同样是区域景观的基底相符。

草地的平均斑块面积（AREA-MN）最大，显示其连通性最好。但未利用地即裸沙地的AREA-MN值仅次于作为基底的草地，说明在该区域范围内，裸沙地也具有一定的连通性，且有些区域的连续面积较大，流沙较严重。这里应该注意到其他林地和城镇居民用地这两种地类的AREA-MN值。同样是有着人为活动的地类，从平均斑块面积上看差异很大。其原因在于其他林地是以改善和恢复自然生态为主要活动目的，而城镇居民用地则是对自然生态系统有着极大的破坏作用；另外，该地区许多的居民是以牧业为主，所建居民点面积不是很大且极其分散，这同样也验证了其AREA—MN值小所代表的连通性差的特点。

斑块面积标准差（AREA-SD)最大的也是草地，表明虽然草地为基底，在区域内广泛分布，但较大的标准差表明其在局部区域仍有较小面积的草地分布，说明其在面积分布上的不平衡。未利用地的AREA-SD位居第二位，同样说明有大小不同的沙带或沙丘的存在；相对的，城镇居民用地为AREA-SD中最小的，说明在该区域内，大多数居民点的面积分布虽分散但相对较均衡。

通过对比区域各景观斑块的边界总长度（TE），草地作为基底其TE 最大，其次分别为乔木林地、未利用地、灌木林地、疏林地等。为了说明边缘效应对生活在斑块其中的生物的影响，引入边缘密度（ED）概念。ED为某一景观类型总边界长度与该类型总面积之比。ED 在一定程度上反映了边缘效应的大小：即在一定面积的前提下，总边界长度越大其形状越趋近于线性或带状，其边缘效应越明显，同样表明其破碎程度越高。可以发现草地的ED 值最大，这与其是基底有很大关系。对于其他景观类型，乔木林地的ED 值排在第二位，而其CA 在各景观类型中仅位居第四，说明其边缘效应明显：即大多数乔木林地的形状以带状或线性为主。这种形状的斑块较易受外界影响，这对于较依赖稳定环境条件的物种影响较大，有些基本不可能在其内部生存或繁衍。因此，这种斑块内基本上以那些对生境不敏感或边缘种所占据。而且，由于带状或条状的斑块受外界影响较大，因此更易破碎。通过上述情况可知，未利用地ED也较大，位列区域景观类型的第三，理论上说单从这一指数上看这些裸沙地的边缘效应也较大，便于改造。

3.2 斑块密度特征与形状分析

表3中显示区域景观类型中乔木林地的斑块数（NP）最多，斑块密度（PD）最大，说明两个情况：其一，乔木林地破碎程度最高，边缘效应高的非基底的景观类型更易被外部环境影响而易破碎。其二，密度大也说明乔木林地在区域单位面积上的斑块数量最多，即分布最集中，团聚程度最高。在未利用地上，斑块数量和斑块密度均处于中等程度，也就是说其破碎化和分布上均一般。结合上节所说边缘度相对较高的情况，说明裸沙地中有部分是可以改造或较易改造的。对于斑块数和斑块密度最低的其他林地而言，其破碎程度最小，但同时在区域分布上也最分散。至于耕地也较为分散，在于典型区域是以牧业为主的地区，很多耕地是以生产饲料为主，并不像农区般集中分布。

表3 2003年研究区域景观斑块密度指数与形状指数特征表

景观形状指数（LSI）从一定程度上可以反映该类型斑块的形状复杂程度及与其他斑块镶嵌的复杂程度。区域内乔木林地的LSI 值最大，说明该地类的形状最复杂，最不规则。同时，这种复杂的形状也与其周边其他类型形成复杂的镶嵌结构。裸沙地也同样具有这样的特征，而其他林地由于以未成林地等人工林地为主，多数呈较为规则的形状，故而其LSI值也最低。

面积加权的平均斑块分位数(FRAC-AM)的生态意义在于其是反映景观格局总体特征的重要指标，它在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响。一般来说，受人类活动干扰小的景观分数维值高，而受人类活动影响大的景观分数维值低。草地的FRAC-AM 值最大，反映其受到人为干扰最小，草地作为基底，广泛分布在区域的每一个角落，牧区人口密度相对低，影响也是相对较小的。未利用地由于其地表并无过多可利用资源，环境也相对恶劣，同样受到的人为干扰较小。FRAC-AM 较小的是水域和其他林地，原因在于多数居民点或临时居民点均靠近水域，自然受到的干扰最大。

3.3 景观类型聚散性分析

在有关该地区景观类型聚散性的描述中，这里选用散布与并列指数(IJI)、斑块凝聚度(COHESION)、分离度(SPLIT)、聚合度(AI)4项指数进行分析。

散布与并列指数(IJI)是描述景观空间格局最重要的指标之一。IJI 对那些受到某些自然条件严重制约的生态系统的分布特征反映显著。在表4 中，草地的IJI 值最大，表明其几乎与所有其他类型相接，这与其作为基底有很大关系。城镇用地之所以是第二位，这就与该区域的生态条件的制约有较大关系，该地区大部分处于沙地腹地，自然生态条件严峻，故而居民点的选址都尽可能以临近水域、草场、树林等主要生态环境为依托。排在第三位的未利用地除了有自然因素外，还与人类干预有较大关系，很多人工造林等人工措施均针对沙带，在沙地外围建立各种防护措施，防止沙地的进一步蔓延。与此相对，指数值最小的其他林地所衔接的类型最少，一般只与草地和沙地衔接。

斑块凝聚度(COHESION)表示区域内某一景观类型斑块的整体情况；分离度(SPLIT)一般表示斑块间的分离程度或者说是同类各斑块的间距，也在一定程度上表示斑块的破碎程度。由表4 可知，基底的整体性最好，连通程度也最高，其对应的SPLIT也是最小的；未利用地的整体程度也较高，说明在2003年裸沙地是具有一定的连通性的，其对应的分离度也是较小的；其他类型的CONESION 值依次以灌木林地、疏林地、耕地等减小。这里有两种景观类型较为特殊即乔木林地和其他林地。按照斑块凝聚度，乔木林地的连通性较差，但其分离度的值相对并不高，说明乔木林地虽然整体性差，在斑块间连通性不好，但斑块间相距较近，即其破碎程度较大。而其他林地的整体性并不很差，但其SPLIT很大，仅次于城镇用地，表示其破碎程度虽然不大，但斑块间间距很大，这与其他林地的斑块数量很少有关。

聚合度（AI）指数反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。若一个景观由许多离散的小斑块组成，其聚集度的值相对较小，比如表4中的城镇用地和乔木林地；当景观中以少数大斑块为主或者同一类型斑块高度链接时，其聚集度的值则相对较大，如草地。至于水域、未利用地、灌木林地，疏林地等其AI值位于中间的，则表示其有一定的连通性或以较大图斑为主但在局部区域也有小面积的图斑分布。

3.4 景观多样性（异质性）分析

景观多样性的描述中，选用3 个指数分别是景观丰度（PR）、香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）。PR 代表的是某一区域内景观类型的数量，也就是所划分地类的数量。SHDI等于零表示整个景观仅由一个拼块组成；SHDI 增大，说明斑块类型增加或各斑块类型在景观中呈均衡化趋势分布。当区域内各斑块类型在面积比例相同时，指数值达到最大。SHEI 和SHDI 一样，也是比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的一个有力手段，而且SHEI还可以从一定程度上反映优势度的情况，即SHEI 值较小时优势度一般较高，可以反映出景观受到一种或少数几种优势拼块类型所支配；SHEI趋近1时优势度低，说明景观中没有明显的优势类型且各拼块类型在景观中均匀分布。在表5中，SHEI等于0.38，相对较小，说明区域内受到至少一种主要景观类型的控制，有明显的优势斑块的存在，这种优势斑块就是草地。

表5 景观多样性指数特征表

4 讨论与结论

综上所述，2003年浑善达克典型区域是以草地为基质，其他各景观类型镶嵌其中。作为基质的草地无论从连通性、整体性、破碎程度均最佳；而乔木林地连通性较差、边缘效应较明显、破碎程度也较高；未利用地即裸沙地也具有一定的连通性，表示该区域在2003年时生态环境较恶劣，有进一步恶化的可能。而裸沙地有不少斑块具有一定的边缘效应，易破碎，这一特点有利于对其进行有效的治理。同时在对区域整体和各景观类型的景观指数分析中不难发现，浑善达克典型区域内城镇居民用地的面积是以交通用地为主，这是典型的廊道，其密度的大小是各类景观斑块的增加的主导因素，也是造成景观整体破碎程度大小的主要因素之一。

需要注意的是不能简单地将破碎度作为衡量一个区域生态系统好坏的唯一标准，还要看该区域其他的各项指标。一般来说，对于有一定人类经济生产规模的区域而言，一味地追求低破碎度，会严重限制该区域的发展水平。这需要合理布局、规划工业用地、城镇用地、耕地及交通用地，科学的保护和管理自然生态体系。对于已经被破坏的区域，采取多种方式如土地整理、用地置换等，调整景观组分、结构和格局。使区域内的生态与地区发展既独立又有交织，互相协调。

经过本次利用Fragstats 对典型区域的试探性分析，通过引入景观生态学相关概念作为对生态系统变化情况的研究结果与实际的调查结果基本吻合，这说明利用景观生态学有关指数的分析、对比，是可以达到监测的目的的。而且这种方法更直观地表现出各个地类现状。如果设定时间跨度，还可以从中发现各个地类的变化及相互作用，以便更准确地梳理某一区域生态系统的发展趋势，为制定沙化防治、治理方案和生态建设方案提供可靠的技术支持。