砒砂巖區種植沙棘后不同時期的景觀要素組成結構

胡建忠

(水利部水土保持植物開發管理中心,北京 100038)

砒砂巖,一般特指位于黃河中游、出露于鄂爾多斯高原以紅色為主的中生代沉積巖[1],包括了砂巖、粉砂巖和泥巖等多種沉積巖,顏色有紅、棕紅、灰白、黃等。這種巖石的特征,無水時硬如石,遇水則軟如泥,特別是由于冷熱、干濕交替造成的影響,巖石表層常形成一定厚度的碎屑層,在風、水、重力等影響下極易發生侵蝕[2]。砒砂巖區是我國土壤侵蝕最為嚴重的地區,自然侵蝕造成了千溝萬壑的現象。于1999-2008年實施的 “晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態工程”[3],有效改變了區域內的景觀面貌。

景觀要素的組成結構對景觀整體結構與功能具有重要控制作用[4]。景觀要素組成結構可以用景觀要素類型的斑塊數量、面積及其在景觀中的分布情況來反映。一般認為,某景觀要素在整體景觀中所占的面積大、斑塊數量多并且分布范圍廣,則該景觀要素在景觀中可能起較大的作用,對景觀整體的結構、功能和變化特征有更大的控制作用[5]。

本文對 “晉陜蒙砒砂巖區沙棘生態工程”實施前一年 (1998年)、中期 (2003年)、最后一年 (2008年)3個控制年份,通過專用軟件,分類型統計各景觀要素的面積、斑塊數等,對砒砂巖區種植沙棘 (Hippophae rhamnoides)后不同時期景觀組成結構進行分析,以期從理論上進行總結分析,更好地指導類似生態工程建設項目。

1 工程實施前一年 (1998年)砒砂巖區各景觀類型的組成結構

斑塊平均面積 (Ai)是景觀中某類景觀要素斑塊面積的算術平均值,反映該類景觀要素斑塊規模的平均水平。

式中:Ni為第i類景觀要素的斑塊總數 (下同);Aij為第i類景觀要素第j個斑塊的面積。

砒砂巖區景觀要素組成以蓋沙地和稀疏植被為主體,二者面積占總面積的59.95%,其斑塊數占景觀斑塊總數的42.04%,草地和未利用地在整個景觀中也占有較大比重,其面積占景觀總面積的 29.89%,其斑塊數占景觀斑塊總數的40.29%(表1)。

表1 1998年砒砂巖區景觀組成結構

因此,1998年研究區的土地利用與覆蓋是以蓋沙地和稀疏植被為主,其次為草地和未利用地。灌叢、水域、居民地和林地等景觀斑塊分散分布于整體景觀中。面積最大的4種類型,斑塊數占總斑塊數的82.33%,平均斑塊面積與總面積成正比。總體可見,1998年蓋沙地和稀疏灌叢為研究區景觀基質,在控制景觀整體結構、功能和動態過程中起主導作用。

2 工程實施中期 (2003年)砒砂巖區各景觀類型的組成結構

砒砂巖區1999年開始沙棘生態治理工程建設項目,到2003年沙棘面積達到115522.74hm2,占總面積的比例達到5.86%,區域景觀格局開始發生變化。蓋沙地面積有所減少,低于稀疏植被面積。草地和未利用地面積均稍微減小。2003年林地面積較 1998年明顯增加,由原來的3.80%增加到5.46%,說明區域人工造林改造沙區建設也在逐步實施。灌叢面積略有減小 (部分改造為林地)。水域屬于較為穩定的類型,面積基本變化不大。居民地由1998年占總面積的0.16%,增加到2003年的0.35%,增加了1倍多,說明研究區域城鎮建設和發展規模逐漸增大。詳見表2。

表2 2003年砒砂巖區景觀組成結構

從斑塊數比例及斑塊平均面積上來看,蓋沙地斑塊數量減小,斑塊平均面積也在減小;稀疏植被斑塊數及斑塊數量比例均明顯減小,平均斑塊面積則由1998年的28.24hm2增加到2003年的35.68hm2,體現出稀疏植被部分斑塊逐漸連結成更大斑塊的趨勢,從而取代蓋沙地成為區域景觀本底基質。

區域中草地斑塊數量及所占比例較小,草地的斑塊平均面積略有增加;未利用地斑塊數量增加,斑塊平均面積明顯減小,說明在沙棘生態工程建設及其他人工造林過程中大斑塊逐漸消失,形成更多人為改造的小斑塊。林地景觀斑塊數量及其比例增加,斑塊平均面積由11.21hm2增加到2003年的13.02hm2,說明造林建設中使得很多小斑塊聚合,形成部分大斑塊,斑塊平均面積增加。灌叢景觀斑塊數量增加,斑塊平均面積由1998年的12.30hm2減小到2003年的7.86hm2,進一步體現斑塊被人工造林等干擾的效果。居民地景觀斑塊數量增加顯著,斑塊平均面積明顯減小,體現其建設初期的人為干擾特征。水域表現穩定。

3 工程實施最后一年 (2008年)砒砂巖區各景觀類型的組成結構

區域內 2008年沙棘面積增加至164282.81hm2,占總面積的8.33%,居于第5位,逐步對區域景觀格局產生了更大的影響。沙棘生態工程的實施,使得以砒砂巖為主體的未利用地面積進一步縮小,稀疏植被面積雖然增加不大,但在整個景觀中的優勢水平更加凸顯。總體上看,這一時期稀疏植被的面積占總面積的比例達到33.18%,在區域景觀格局中具有絕對優勢;其次是草地面積,占總面積的18.39%,較2003年略有增加;蓋沙地面積占總面積比例為14.21%,居于第3位;未利用地面積減少顯著,由2003年占總面積13.52%,減小到2008年的10.29%(高于沙棘處于第4位),主要被稀疏植被、灌叢及沙棘所占據;林地面積繼續增加,由原來占總面積比例5.46%增加到8.32%,主要來自于區域生態造林建設的效果,造林樹種主要為油松;灌叢稍有增加,水域幾乎沒有變化,這兩類均表現穩定;居民地由2003年占總面積的0.35%,增加到2008年的1.32%,增加了近4倍,反映出這一區城發展建設的速度與規模,也是城鎮化發展的具體體現。詳見表3。

表3 2008年砒砂巖區景觀組成結構

分析2008年斑塊數量及平均面積可見,除了灌叢和未利用地景觀斑塊數量明顯下降外,其余斑塊數量均呈增加趨勢。沙棘、居民地、灌叢和林地四類的斑塊平均面積呈增加趨勢,其余類型斑塊面積呈下降趨勢。沙棘、居民地和林地主要是人為改造即 “引進斑塊”的作用,使部分小斑塊連結成更大的斑塊,平均面積增加,而灌叢常常分布于不同森林類型邊緣,與自然修復、人工造林等有著密切關系,面積呈上升趨勢。蓋沙地斑塊平均面積減小,且減小幅度較大,從2003年的 39.23hm2減小到 2008年的21.12hm2。稀疏植被進一步占據研究區域更大的空間,使其進一步呈分散分布格局,斑塊平均面積從2003年的35.68hm2減小到 2008年的29.93hm2。草地斑塊平均面積稍有減小,主要來自于斑塊數量的增加。未利用地總面積由2003年的 266512.50hm2減少至 2008年的202780.84hm2,減少面積多數轉為砒砂巖區沙棘種植面積,斑塊數量也減小,但總體上斑塊平均面積變化不大,也說明了沙棘生態工程集中治理的特點。水域在總面積變化不大的前提下,斑塊數量的增加導致斑塊平均面積減小顯著。

綜上所述,砒砂巖區在沙棘及其他造林生態工程建設的實施基礎上,區域景觀格局發生了很大變化,景觀本底由蓋沙地和稀疏植被分庭抗衡,逐漸過渡到以稀疏植被、灌叢、林地和沙棘等各類植被為主。沙棘漸漸成為區域景觀的重要組成部分,對區域景觀格局的重新調整起著越來越重要的作用。此外,未利用地的大幅度下降也體現出沙棘生態建設的效果及對區域景觀格局的影響。變化最小的是水域類型。草地和灌叢也是變化較小的類型。居民地是完全在人為干擾條件下呈現劇烈變化的類型,體現區域經濟活動和發展的程度。斑塊數量總體上呈現增加趨勢,也體現區域人為干擾痕跡較重的現象。隨著區域沙棘生態建設工程的進一步實施,研究區域景觀格局將進一步發生變化,各景觀類型的動態變化過程將會隨之發生相應變化。

[1] 金爭平.砒砂巖區水土保持與農牧業發展研究[M].鄭州:黃河水利出版社,2003.

[2] 王愿昌,吳永紅,寇權.砒砂巖分布范圍界定與類型區劃分[J].中國水土保持科學,2007,5(1):14-18.

[3] 胡建忠.砒砂巖區生態建設的一種創舉-沙棘模式[J].中國水利,2007,(6):25-27.

[4] 肖篤寧.景觀生態學—理論、方法及其應用[M].北京:中國林業出版社,1991.

[5] 許慧,王家驥.景觀生態學的理論與應用[M].北京:中國環境科學出版社,1993.