刘家峡库区景观空间格局分析

景凌云，何有华，张新民，吴玉峰，孙浩峰，张晓虹，陆惠萍，金毅

(1.甘肃省水土保持科学研究所，730020，兰州;2.兰州大学资源环境学院，730000，兰州)

刘家峡库区景观空间格局分析

景凌云1，2，何有华1，张新民1，吴玉峰1，孙浩峰1，张晓虹1，陆惠萍1，金毅1

(1.甘肃省水土保持科学研究所，730020，兰州;2.兰州大学资源环境学院，730000，兰州)

摘要：为了给研究区域农业生产的合理布局及生态恢复方案提供依据，以刘家峡库区北部东乡县典型小流域碾子沟和库区南部积石山县典型小流域三坪沟为研究对象，采用野外调查和遥感解译的方法，利用ArcGIS、ArcView等软件对航摄地形图进行目视解译，分析土地利用结构、人工干扰方式和强度等对景观空间格局的影响特征。结果表明：1)库区南北景观基质均为未利用土地(主要指荒沟荒坡)，土地利用难度大;2)库区北部景观斑块特征较南部复杂，南部较北部更适合农业生产;3)库区南部景观多样性较北部高，景观类型丰富，而库区北部由于降水少，景观总体受人类活动干扰小，连通性高;4)在土地利用结构和农村产业结构调整方面，库区南部应以加强复合生态农林业生产为主，北部应加强陡坡退耕种草、农牧业协同发展，并实行封育保护，促进生态环境恢复。

关键词：景观格局;景观类型;景观指数;刘家峡库区

现代景观生态学(Landscape Ecology)是一门新兴的、正在深入开拓和迅速发展的学科［1］。景观生态学研究的3大核心内容是景观格局、景观功能和景观变化［2］。景观格局(Landscape Pattern)即景观空间格局，广义包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置［3］，是自然或人为形成的一系列大小形状各异、排列不同的景观要素共同作用的结果，是各种复杂的物理、生物和社会因子相互作用的结果［4］。景观斑块形状的复杂程度、大小、数量、空间组合影响着生物物种的分布、动物的运动、径流和侵蚀以及相应的边缘效应［5］，亦即影响着土地生产力和生态结构及生态功能。陈利顶等［6］利用土地利用现状图对山东省东营市土地利用格局进行了分析，应用景观多样性、优势度、破碎度和分离度指标，分析了人类活动与景观结构之间的关系。卢玲等［7］分析了黑河流域中游地区近20年间景观结构的变化。丁圣彦等［8］利用景观指数分析了近20年来伊洛河流域典型地区的土地覆被与森林景观格局的动态变化。对刘家峡库区景观空间格局的分析有助于研究本区农业生产的合理布局及生态恢复方案的制订。

1 研究区概况

刘家峡库区位于黄河中上游的甘肃临夏回族自治州境内。研究范围以水库为中心，选择库区周围的12个小流域为研究范围，总面积854.80 km2。库区南部和北部地貌类型分属黄土高原丘陵沟壑区第四副区和第五副区，气候类型分属陇中南部冷温带半湿润区和陇中北部冷温带半干旱区，降水量南部积石山境内为550mm，北部东乡境内为385mm，区域内沟壑纵横、沟梁交错，地形破碎，水土流失严重。库区自然植被种类以旱生的灌丛、草本为主，种类贫乏，盖度低，植被分布的垂直地带性差异不明显，但从南至北，随着降水量的减少，植被分布具有明显的水平地带性差异。人口密度南部积石山为262人/km2，北部东乡为 142 人/km2［9-10］。

2 研究方法

利用1∶1万航摄地形图，结合临夏回族自治州行政区划图，在ArcGIS、ArcView等软件的支持下，采用野外调查和遥感解译的方法，建立小流域土地利用现状信息库。

2.1 景观类型的选取

景观类型的划分采用土地利用现状类型［11-12］，结合研究区特点和研究目的，在确定的研究范围内，分别选择对库区南北具有代表性的2个典型小流域为重点研究对象，南部选择积石山县境内的三坪沟小流域，北部选择东乡县境内的碾子沟小流域，并将典型流域内土地利用划分为耕地、林地、人工草地、未利用土地(主要指荒沟荒坡)、水域、村庄、道路7种景观类型。各景观类型面积占流域总面积的比例见表1。

2.2 景观格局分析指标

2.2.1 平均斑块面积Ss与平均斑块周长Le面积和周长是最基本的空间特征，计算其他空间特征指标的基础。从生物学角度，斑块大小直接影响能量和营养的分配、物种的数量和组成。

表1 不同景观类型用地面积及比例Tab．1 Area and proportion of different landscape type

2.2.2 斑块形状指数Is在相同周长情况下，圆形面积最大。将斑块周长与同面积圆的周长之比定义为斑块形状指数Is，越接近于1.0，斑块圆度越好。

2.2.3 斑块便耕系数Al对耕地斑块，斑块圆度的好坏并不能直接说明在农业生产中是否便于耕作，为此，引入斑块便耕系数Al予以说明斑块耕作的难易程度。

式中：L为斑块周长;L*为相同面积理想耕作形状斑块周长，将长宽比按1.7∶1设置的长方形斑块假定为理想耕作形状［13］。

斑块便耕系数越接近于1，说明耕作越方便;反之，若越偏离于1，说明耕作难度越大。

2.2.4 斑块分维数Fd常用来测定斑块形状的复杂程度。在分维几何中斑块的分维数采用周长与面积之间的关系进行计算。

式中：Fd为分维数，理论值范围为1.0～2.0，1.0表示形状最简单的正方形斑块，2.0表示等面积下周边最复杂的斑块。

2.2.5 景观多样性指数Ldi景观多样性指数是指景观在结构、功能以及随时间变化方面的多样性，是用来度量景观组成复杂程度的指数，景观多样性包括类型多样性、格局多样性和斑块多样性［14］。根据信息论原理，参照Shannon-Weaver多样性指数，景观多样性可表示为

式中：Ldi为景观多样性指数;Pi为景观类型i所占面积的比例;n为土地利用景观类型的数目。H值越大，表示景观多样性越高。

2.2.6 景观破碎度指数Lpi景观破碎度指数是用来描述景观的破碎化程度，该值越大，景观破碎化程度越高，公式［15］为

式中：Lpi为景观破碎度;N为被测景观中的斑块总数;C为研究区内景观的总面积与最小斑块面积的比值。

2.2.7 景观优势度指数Lai景观优势度指数是表示景观多样性与最大多样性的偏离程度，或描述景观结构中一种或几种景观类型支配整体景观的程度［15］。优势度指数越大，表明偏离程度越大，即组成景观各景观类型所占比例差异越大，或者说某一种或少数几种景观类型占优势;优势度小则表明偏离程度小，即组成景观的各种景观类型所占比例大致相当;优势度为零，表示组成景观的各种景观类型所占比例相等，景观完全均质，即由一种景观类型组成。公式为

式中：Lmax为最大多样性指数;n为景观类型总数，表明研究区各类型景观所占比例相等时，景观具有最大的多样性指数。

3 结果与分析

依据各景观指标计算公式，得到了三坪沟、碾子沟小流域的各景观指数，详见表2、3、4。

表2 三坪沟、碾子沟流域景观类型斑块基本特征指数Tab．2 Patch characteristics basic indices of landscape types of Sanpingou and Nianzigou watershed

表3 三坪沟、碾子沟流域景观类型斑块特征指数Tab．3 Patch characteristics indices of landscape types of Sanpingou and Nianzigou watershed

表4 三坪沟、碾子沟流域景观空间构型指数Tab．4 Indices of landscape spatial structure of Sanpingou and Nianzigou watershed

3.1 景观类型斑块基本特征指数分析

景观斑块基本特征指数是景观格局分析的基础，同时受自然环境和人为因子的制约，具有重要的生态意义。从表1可以看出：库区南部和北部均由未利用土地(主要指荒沟荒坡)对景观起着支配作用，即库区景观基质均为未利用土地(主要指荒沟荒坡)，人工化的景观贫乏;但北部的基质对景观起到绝对控制作用，占到景观结构的将近60%，南部基质的控制作用相对较弱。

3.2 景观类型斑块特征指数分析

3.2.1 斑块形状指数 斑块形状取决于自然地貌的平面形态。形状指数计算的结果是2类代表小流域未利用土地(主要指荒沟荒坡)的形状指数均＞2，斑块圆度差，形状复杂，这些斑块大都临近水库岸边。碾子沟流域除林地、村庄、道路景观形状指数低于三坪沟外，其余景观形状指数均高于三坪沟流域。说明主要受自然因素的影响，库区北部丘五区碾子沟小流域景观类型斑块形状复杂程度高于库区南部丘四区三坪沟小流域。

3.2.2 斑块分维数 分维数大小反映了人类活动对景观的影响，一般介于1～2之间。分维数越接近于1，斑块的自相似性越强，形状也越有规律。碾子沟流域耕地、人工草地分维数高于三坪沟流域，说明碾子沟流域耕地、人工草地的斑块边界较复杂，受人类活动的影响较小，与库区人口分布特征相一致。

3.2.3 斑块便耕系数 便耕系数可大致反映耕地斑块在农业生产中耕作的难易程度。库区南部丘四区代表小流域三坪沟耕地斑块便耕系数为1.58，北部丘五区碾子沟流域为1.74，均大于1.5，说明库区总体耕作难度大，劳动效率低，但南部略优于北部。

3.3 景观空间构型指数分析

3.3.1 多样性指数与优势度指数 库区南部丘四区三坪沟流域多样性指数大于库区北部丘五区碾子沟流域，表明丘四区景观多样性高于丘五区，即景观组成复杂程度高，景观类型丰富。与之相对应的是，丘四区三坪沟流域优势度指数明显低于丘五区碾子沟流域，说明丘四区景观结构中几个主要的景观类型支配、控制景观的程度低于丘五区的碾子沟流域，碾子沟流域各景观类型所占比例差别较大。

3.3.2 破碎度指数 破碎度可反映景观空间结构的复杂性，同时在一定程度上反映了人类对景观的干扰程度。库区丘四区三坪沟流域破碎度指数远高于库区丘五区碾子沟流域，表明北部碾子沟流域景观较为完整，由未利用土地(主要指荒沟荒坡)等较大的斑块组成，人类活动干预少，开发程度低，景观连通性较高;由于三坪沟流域耕地占到总面积的37.12%，且降水较碾子沟流域多，因此，人类活动干预强度高，整体上破碎度指数相对较高。

4 结论与讨论

1)库区南北均以未利用土地(主要指荒沟荒坡)为明显基质，对景观格局起控制作用，说明库区自然条件差，土地利用难度大。

2)库区北部景观斑块形状总体比库区南部复杂，耕地斑块便耕系数高于南部，农业生产条件南部较好。

3)由于气候条件的差异导致了库区南北部的土地利用现状不同：库区南部较北部降水多致使景观多样性库区南部高于北部，景观类型丰富，景观结构中几个主要的景观类型控制景观的程度低于库区北部;库区北部较南部干旱，以未利用土地(主要指荒沟荒坡)为明显基质，因此，景观相对于南部总体受人类活动干扰小，较为完整，连通性高。

4)在土地利用结构和农村产业结构调整方面，库区南部应以加强复合生态农林业生产为主，北部应加强陡坡退耕种草、农牧业协同发展。对北部大面积荒坡应实行封育保护，促进生态自然修复。

5)便耕系数不仅与耕地的形状有关，还与斑块面积大小、埂坎高低、地面坡度、耕作道路等多因素有关，尚需进一步研究。

5 参考文献

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［2］Forman R T T，Godronm.Landscape ecology［M］.NewYork：Wiley，1986

［3］邬建国.景观生态学［M］.北京：高等教育出版社，2000

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［7］卢玲，程国栋，李新.黑河流域中游地区景观变化研究［J］. 应用生态学报，2001，12(1)：68-74

［8］丁圣彦，钱乐祥，曹新向，等.伊洛河流域典型地区森林景观格局动态［J］.地理学报，2003，58(3)：354-361

［9］何有华，景凌云，张晓虹，等.刘家峡库区生态承载力研究［J］.草业科学，2011，28(12)：2119-2122

［10］何有华，张晓虹，刘敏，等.刘家峡库区水土流失防治措施体系配置研究［J］.中国水土保持，2011(1)：20-22

［11］肖笃宁.景观生态学理论、方法及应用［M］.北京：中国林业出版社，1991：186-196

［12］角媛梅，马明国，肖笃宁.黑河流域中游张掖绿洲景观格局研究［J］.冰川冻土，2003，25(1)：94-99

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［14］傅伯杰.景观多样性分析及其制图研究［J］.生态学报，1995，15(4)：345-350

［15］O’Neil R V，Krummer J R，Garder R H，et al.Indicesof landscapepattern［J］.Landscape Ecology，1998(1)：153-162

Analysis on the spatial pattern of landscape in Liujiaxia Reservoir Area

Jing Lingyun1，2，He Youhua1，Zhang Xinmin1，Wu Yufeng1，Sun Haofeng1，Zhang Xiaohong1，Lu Huiping1，Jin Yi1

(1.Research Institute of Water and Soil Conservation of Gansu，730020，Lanzhou，China;2.College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，730000，Lanzhou，China)

Abstract：In order to provide the basis for the layout of agricultural production and ecological recovery plan，Nianzigou typical small watershed in Dongxiang County in the north of Liujiaxia Reservoir and Sanpinggou typical small watershed in Jishishan County in south of Liujiaxia Reservioir were researched in this paper.Combined with field investigation，aerial photo were interpreted by ArcGIS and ArcView，impact of land use pattern，the way and intensity of artificial interference on landscape spatial pattern were analysed.The results showed that：1)The landscapematrix in north and south of Liujiaxia Reservoir were waste hillside and gully.It is difficult tomake use of this land.2)Characteristics of landscape patch in north of reservoir area wasmore complex than the south，so ecological condition in south of the reservoir area was suitable for agricultural production.3)Landscape diversity in south of the reservoir area was higher and landscape types was richer than the north，however，landscape in north of the reservoir area was less interfered by human activities than south and higher connectivity because of less precipitation.4)In terms of adjusting land use structure and rural industrial structure，composite ecological agriculture and forestry production could be proposed in south of the reservoir area and grain for grass in steep slope，developing agriculture and husbandry cooperatively and closingmanagement could be proposed to accelerate ecological restoration.

Key words：landscape pattern;landscape type;landscape indices;Liujiaxia Reservoir Area

P931.6

A

1672-3007(2013)04-0111-05

2012-06-29

2013-05-28

甘肃省科技重大专项“庆阳黄土高原雨洪保蓄与水资源高效利用技术的研究与集成”(1203FKDA035);甘肃科技支撑计划项目“水土保持对西部黄土高原河川径流调控作用研究”(1104FKCA146);甘肃省水利厅水利重点科研计划项目“刘家峡水库集水区水土保持林配置技术研究”(甘财农【2012】135号)。

景凌云(1980—)，男，博士研究生，工程师。主要研究方向：水文水资源。E-mail：jinglypada@163.com

(责任编辑：程 云)