人类活动影响下喀斯特区域景观格局梯度分析

　第18卷第12期

2009年12月

长江流域资源与环境

Resources and Environment in t he Yangtze Basin

Vol.18No.12

Dec.2009

　

文章编号:100428227(2009)1221187206

人类活动影响下喀斯特区域景观格局梯度分析张笑楠1,2,3,王克林1,23,张明阳1,2,3,张　伟1,2,凡非得1,2,3

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所,湖南长沙410125;2.中国科学院环江喀斯特生态系统观测

研究站,广西环江547100;3.中国科学院研究生院,北京100049)

摘　要:在ARCGIS和景观结构分析软件FRA GSTA TS3.3的支持下,分析了喀斯特区域广西环江县不同人类活动强度样带1988年和2005年2个时期的景观格局变化特征,以及2005年研究区4种主要景观类型的格局特征随人类活动强度的梯度变化规律。研究结果表明,环江县景观分布不均匀,林地是研究区的基质景观类型;在景观水平上,随着人类活动强度的降低,样带景观的破碎化程度降低,形状复杂程度升高,景观斑块的分布趋于集中;在景观类型水平上,研究区4种主要的景观类型在梯度带中能够很好的反映出格局的变化特征,其中,各景观类型的面积比重、破碎度和分维数随人类活动强度的梯度变化趋势较为明显,聚集度和连通性的梯度变化幅度相对较小。

研究揭示了景观格局沿人类活动强度的梯度变化规律,可为研究区自然资源的合理开发及可持续发展提供参考。

关键词:广西;喀斯特;人类活动强度;景观格局

文献标识码:A

景观格局是指景观元素斑块和其他结构成分的类型、数量以及空间分布与配置模式,它作为自然与人为因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映,既是各种干扰因素相互作用的结果,又影响着区域的生态过程和边缘效应[1,2]。景观格局的梯度变化受到降水、高程等自然因素的影响,同时,人为干扰也是不可忽视的重要因素[3]。随着人口的增加和科学技术的进步,人类对自然的影响越来越广泛和深入,使景观类型及其分布格局发生了巨大的变化,人类干扰对景观的影响成为生态学家关注的关键课题之一[4,5]。

喀斯特区域是世界上生态最脆弱的地貌类型区之一,地质背景条件非常脆弱,为了缓解不断增加的人口压力,人类对自然的开发强度增大,改变了合理的景观结构,加速了该地区土地石漠化、土壤退化和肥力耗竭、生物多样性减少等生态环境问题的恶化[6]。当前,我国学者对喀斯特区域景观格局特征及其影响因素进行了研究,取得了一定的成果[7～10],但研究多集中在景观格局特征及其自然影响因素上,对人为干扰与景观格局的关系缺乏深入分析。本研究以喀斯特地貌广泛发育的广西环江县为研究区域,运用定量化的人类活动强度指数作为人类干扰程度强弱的表征,研究喀斯特区域景观格局随人类活动强度变化所呈现出来的梯度分异特征,揭示人类干扰与喀斯特景观格局的相互关系,对该地区自然资源的合理开发及可持续发展具有重要意义。

1　研究地区与研究方法

1.1　研究区概况

选择喀斯特地貌广泛发育的广西环江毛南族自治县为研究区。该县位于广西西北部,地处云贵高原东南缘,九万大山南麓,界于107°51′～108°43′E, 24°44′～25°33′N之间,总面积约4500km2。地貌类型多种多样,有山地、丘陵、峰林谷地、峰丛洼地、羽形河谷、台地等,其中山地占全县总面积的5119%,主要分布在东部、北部和西部,西部与西北部多为石山,东部多为土岭。气候属南亚热带向中亚热带过渡的季风气候区,气候温暖,雨量充沛,年均降雨量为1389～1750mm。自然土壤有红壤、黄红壤、黄壤、棕色石灰土、黑色石灰土5个土壤亚类,

收稿日期:2008210224;修回日期:2008212204

基金项目:中国科学院西部行动计划项目(KZCX22XB2208);中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目(ISACX2L YQ Y2QN20704);

国家973计划资助项目(2006CB403208)

作者简介:张笑楠(1982～　),女,河南省许昌人,博士研究生,主要从事景观生态学和水土保持研究.E2mail:zzzxn@https://www.360docs.net/doc/e72793093.html,

3通讯作者E2mail:kelin@https://www.360docs.net/doc/e72793093.html,

大部分成土母岩为石灰岩、页岩和砂页岩,造壤能力低。在亚热带高原季风湿润气候和当地水热条件的作用下,喀斯特极为发育。

1.2　景观类型的划分

景观类型的划分是参考中国《土地利用现状调查技术规程》中的土地用途、利用方式、覆盖特征等因素作为分类依据,结合本区域的特点,将景观斑块类型划分为11类,分别为水田、旱地、有林地、灌木林、其他林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、建设用地和未利用地(表1)。

表1　景观类型分类及其标准

Tab.1　Classification of Landscape Components 景观类型分类说明

水田有水源保证和灌溉设施,能正常灌溉,用以种植水稻、莲藕等水生农作物,包括实行水稻和旱地作物轮种的耕地

旱地无灌溉水源及设施,靠降水生长作物的耕地;有水源和浇灌设施,能正常灌溉的旱作物耕地;以种菜为主的耕地,正常轮作的休闲地和轮歇地

有林地郁闭度>30%的天然林和人工林地

灌木林郁闭度>40%、高度在2m以下的矮林地和灌丛林地

其它林地郁闭度为10%～30%的稀疏林地、未成林造林地、迹地、苗圃及园地等

高覆盖度草地覆盖度>50%的天然草地、改良草地和割草地。此类草地一般水分条件较好,草被生长茂密

中覆盖度草地覆盖度在20%～50%的天然草地和改良草地,此类草地一般水分不足,草被较稀疏

低覆盖度草地覆盖度在5%～20%的天然草地。此类草地水分缺乏,草被稀疏,牧业利用条件差

水域天然陆地水域和水利设施用地

建设用地城乡居民点及县镇以外的工矿、交通等用地

未利用地地表土质覆盖或岩石石砾,植被覆盖度在5%以下的土地

1.3　景观格局指数选取

景观格局分析包括对景观个体单元性质、景观组分空间构型和景观整体多样性三方面特征的度量[11]。本文选取了斑块密度(PD)、平均斑块面积(M PS)、面积比重(PL AND)、面积加权分维数(A WM PFD)、聚集度指数(A I)、连通性指数(CO2 H ESION)、香农多样性指数(SHDI)和香农均匀度指数(SH EI)这8个景观格局分析的常用指数,对景观格局特征进行度量与分析。景观格局指标的计算公式和指标含义参见FRA GSTA TS软件说明[12],景观格局指数的计算是通过FRA GSTA TS313软件完成的。

1.4　人类活动强度指数的构建

根据研究区实际情况,参照胡志斌等构建的人类活动强度指数计算模型来定量评价研究区人类活动强度[13],模型计算公式如下:

H i=S i×0.3+R i×0.3

D i×0.4

(1)

式中:D i=1000×lg L i;H i为i像元的人类活

动强度;S i为i像元的居民点影响力值;R i为i像元

的道路影响力值;D i为i像元的地形因子影响力

值;L i为i像元的坡度值。

1.5　数据来源及处理

数据由中国科学院亚热带农业生态研究所和中

国科学院地理科学与资源研究所共同提供。包括环

江县2005和1988年分辨率为30m的Landsat TM

影像、1∶25万D EM数据、1∶25万行政区划图和第

二次土壤普查数据等。

根据景观分类标准(表1),在遥感图像处理软

件Erdas中对Landsat TM卫星影像进行解译判

读,生成研究区两个时期的景观类型图(图1)。根

据居民点和道路影响力分值表(表2),利用ARC2

GIS软件对研究区居民点分布图和道路分布图赋值

后,分别进行反距离权重和线条密度函数插值得到

研究区居民点影响力栅格图和道路影响力栅格图,

由研究区的D EM直接生成坡度栅格图,然后基于

人类活动强度计算模型,运用ARC GIS软件的栅格

运算功能得到研究区人类活动强度空间分布栅格图

(图2)。运用自然间断分类方法(Nat ural Breaks)

将研究区人类活动强度(H i)从强到弱分成1～10

个样带。利用A RCGIS软件的空间分析功能,将1988

年和2005年的景观类型图和10个人类活动强度样

带叠加运算截取两个时段各样带的景观类型图,导

入FRA GSTA TS313软件计算景观格局指数。

表2　居民点和道路影响力分值

Tab.2　Influence of Settlements and Roads

道路影响力居民点影响力

国家干线公路10000县驻地10000

省干线公路8000镇驻地8000

县级公路5000乡驻地5000

乡村路2000村庄2000

小路1000其他居民地1000

2　结果与分析

2.1　研究区景观总体特征

从2005年研究区各景观类型所占的面积比例

来看,灌木林地景观的比例最大,占整个景观的

30102%,其次是有林地和其他林地,分别为

23108%和17151%,旱地景观、高覆盖度草地景观、

水田景观和其他景观类型所占的比例分别为

12157%、8108%、4109%和4165%,林地可看作是研

8811 长江流域资源与环境 第18卷　

图1　广西环江县两个时期的景观类型图

Fig.1　Distribution of the Landscape Types in Two Periods in Huanjiang County ,Guangxi

　

图2　广西环江县人类活动强度分布

Fig.2　Distribution of Anthropogenic Activity

Intensities in Huanjiang County ,Guangxi

　

究区的基质景观类型。2005年研究区平均斑块面积

12116hm 2,比1988年的25169hm 2减少了52167%,而同期平均斑块密度为8121块/km 2,比1988年的3189块/km 2上升了111105%,说明研究区的景观破碎化程度日益严重。这主要是由于20世纪90年代以来,国家在部分喀斯特区域实施移民政策,环江县作为典型的环境移民大县,再加上自身人口增长等原因,对景观的人为干扰强度增大,致使景观破碎化程度大幅度增高。另外,整个景观的多样性指数由1988年的1177上升到2005年的1179,景观均匀度由1988年的0173上升到2005年的0175,而

景观丰富度却没有变化,说明景观多样性的增加是

由于各种景观类型日趋均匀分布的结果[14]。2.2　景观水平的梯度分析

在景观水平上,随着人类活动强度的降低,2005年景观斑块密度呈现出先升高后波动下降的变化规律,1988年景观斑块密度则大致呈现出递减的变化规律。两时段平均斑块面积(图3b )的变化趋势与斑块密度(图3a )相反。人类活动强度对景观破碎化程度的影响显著,随着人类活动强度的下降,景观破碎程度降低,平均斑块面积增大,该结果与周华锋等[4]的研究有类似之处。与1988年相比,除了第1带,其余各样带2005年的斑块密度均大于1988年,平均斑块面积均小于1988年,总体而言,由于人类

活动不断分割景观使得原来成为整体的自然景观分化成为不同类型景观,景观破碎度增加,而2005年第1带斑块密度比1988年有所下降,则源于在人口高密集地区人类定向选择的干扰活动使一定景观类型退化或消失,居民点、工矿用地等建设用地及耕地的面积比重及平均斑块面积增大,从而降低了斑块密度[15]。面积加权分维数是景观中单个斑块的分维数以面积为基准的加权平均值,用来表征景观斑块形状的复杂程度,景观的分维数与人类活动存在内在的制约或影响关系,即景观形状复杂程度受人口数量、人类活动强度等因素的影响。由图3c 可以看出,随着人类活动强度的降低,研究区两个时期景观的面积加权分维数均呈现出波动上升的趋势,景观形状愈加复杂,而在人类活动密集的区域,景观规

9

811　第12期 张笑楠等:人类活动影响下喀斯特区域景观格局梯度分析

划平整,故形状趋向于简单化。聚集度指数是度量景观离散程度的指数,由图3d 可以看出,聚集度随人类活动强度的变化趋势与平均斑块面积较为一致,随着人类活动强度的降低,景观斑块的分布趋于集中。多样性指数是一种基于信息理论的测量指数,多样性指数的大小反映景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化。一般来说,在人口集中、人类活动强烈的地区,由于自然景观受到改造的程度大,土地多被集中开垦为农业、工矿、城市及农村居

民用地,景观类型减少,多样性指数偏低[16]。本研

究中,研究区两个时期的多样性指数先升高,然后缓慢降低,在第4带后又有所升高并趋于稳定的规律,表明整体上多样性指数随着人类活动程度的降低而有所升高,而在农用地、建筑用地等人为景观分布较多的第1带到第3带,在人类规划的作用下,景观多样性表现出先升后降的规律。由图3f 看出,均匀性指数呈现出与多样性指数相似的变化规律,即景观的均匀度分布和多样性分布基本一致

。

图3　景观水平上的格局指数沿样带的变化

Fig.3　Changes of Landscape 2Level Metrics Along Transects of Anthropogenic Activity Intensities

2.3　类型水平的梯度分析

在景观类型层次,本研究依据生态学中的“源”“汇”景观理论[17],并参考喀斯特区域景观类型与石漠化关系的研究结果[18,19],主要选取了在研究区分布最广,与石漠化关系密切的旱地、灌木林地、低覆盖度草地和未利用地4种景观类型,以2005年为例分析人类活动强度对其格局特征产生的影响。

由图4a 可以看出,随着人类活动强度的降低,旱地景观的面积比重从第1带的3516%降到第2带的718%,之后在10%左右波动;灌木林地景观的面积比重则呈现出波动上升的趋势,在第10带达到最高,为3519%,这可能是在人类干扰小的条件下,旱地、水田等人为景观减少,灌木林地等自然景观面积大幅度增加,斑块成片分布。除了第1带,其余各带景观类型的面积比例,大致为灌木林地>旱地>未利用地>低覆盖度草地,其中未利用地景观和低覆盖度草地景观在各样带中所占面积比重均较低且比较稳定,分别在2%和013%左右波动。未利用地的斑块密度随着人类活动强度的变化具有较为明显

的波动特征,斑块密度值在第5带最高,结合其平均斑块面积的变化,可以看出未利用地的破碎度先有所升高,以第5带最为破碎,之后呈波动下降趋势。随着人类活动强度的下降,低覆盖度草地的斑块密

度波动上升,在第7带后有所下降,而其平均斑块面积在各样带都比较低,其破碎程度表现出先升后降的趋势。总的来说,研究区各样带的未利用地和低覆盖度草地的破碎度明显高于旱地和灌木林地,这与研究区生态环境较为恶劣,宜耕地少,在人多地少的情况下,人们尽其所能地开发土地,未利用地和低覆盖度草地大部分是质量差、开垦难度高的裸岩石砾地、裸土、荒草地、田坎等,分布很不连续,破碎度高。由图4d 可以看出,除了低覆盖度草地的分维数在各样带中均为最低且比较稳定以外,其他3种景观类型的分维数沿人类活动强度梯度的波动特征明显,变化较为复杂。其中,未利用地的分维数波动上升到第5带后趋于稳定;灌木林地的分维数基本呈波动上升趋势,说明随着人类干扰程度的降低,灌木林地的形状趋于复杂;旱地则表现出先下降,在第3

0911 长江流域资源与环境 第18卷　

图4　景观类型水平上的格局指数沿样带的变化

Fig.4　Changes of Class2Level Metrics Along Transects of Anthropogenic Activity Intensities

带达到最低后呈波动上升趋势,这是由于在研究区山地面积大、土层薄且不连续的自然背景条件下,在人类活动强度相对较小的区域,有相当一部分旱地为乱石缝地,地块小,形状较为复杂。4种主要景观类型的聚集度随人类活动强度的梯度变化幅度较小,其中灌木林地和旱地的聚集度较高,平均值分别为96101和95103,低覆盖度草地最低,为22191,未利用地为63153。各景观类型的连通度指数与聚集度指数的变化规律一致,表明研究区灌木林地和旱地多为聚集分布,连通性较好,而低覆盖度草地的斑块分布较为离散,连通性较差。

3　结语

本研究通过对人类活动强度的量化,将桂西北喀斯特区域广西环江县分为10个人类活动强度样带,运用景观格局指数分析了研究区的整体景观格局特征,并在景观和景观类型层次分析了研究区景观格局沿人类活动强度的梯度变化规律。研究结果表明,环江县景观分布不均匀,林地是研究区的基质景观类型。1988和2005年各样带景观格局指数具有相似的变化规律,随着人类活动强度的降低,平均斑块面积增大,斑块密度减少,分维数增大,聚集度增大,多样性和均匀度呈先降后升的趋势。在景观类型水平上,4种主要景观类型的面积比重、破碎度和分维数随人类活动强度的梯度变化趋势较为明显,聚集度和连通性的梯度变化幅度相对较小。研究揭示了景观格局沿人类活动强度的梯度变化规律,然而,人类干扰只是景观分异的驱动因素之一,如果能进一步结合地形、地貌、土壤、水分等自然要素进行分析,能更好地揭示景观格局的变异规律,将是下一步研究的方向。

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GRADIENT ANALYSIS OF LAN DSCAPE PATTERN IN KARST AREA UN DER EFFECTS OF ANTHROPOGENIC ACTIVITIES

ZHAN G Xiao2nan1,2,3,WAN G Ke2lin1,2,ZHAN G Ming2yang1,2,3,ZHAN G Wei1,2,FAN Fei2de1,2,3

(1.Instit ute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences,Changsha410125,China;

2.Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem,Chinese Academy of Sciences,Huanjiang547100,China;

3.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

Abstract:Wit h t he support of ARC GIS and landscape pattern analysis software FRACSTA TS313,t he landscape spatial patterns of t he karst areas experiencing different intensity of ant hropogenic activities in Huanjiang of Guangxi Province were analyzed on t he landscape level and t he class level.The result s showed t hat landscape types of Huanjiang County presented unevenness tendencies,and forest was t he landscape mat rix.Gradient analysis wit h t he landscape2level index showed t hat,wit h t he decrease of ant hropogenic activity,t he landscape in ant hropogenic activity zone was beco ming less fragmented,landscape shape was beco ming more complicated,and landscape aggregation degree was becoming higher.Gradient analysis wit h t he class2level index showed t hat,t he landscape spatial patterns of t he main landscape types in t he st udy ar2 ea could reflect t he gradient variatio n well,especially t he percentage of landscape,f ractal dimension index and f ragmentation index,whereas t he gradient difference of aggregation index and connectivity index were relatively low.Gradient variations in landscape pattern along ant hropogenic activities were clearly presen2 ted,and t his would be usef ul to supply fine ground and knowledge for exploiting resources reasonably and establishing sustainable develop ment plan in t he st udy area.

K ey w ords:Guangxi;karst area;intensity of ant hropogenic activities;landscape pattern 2911 长江流域资源与环境 第18卷