官司河流域土地覆被景觀穩定性及其環境效應

劉延國，王 青，王 軍

（1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽621010；2.四川省遙感中心，成都610081）

景觀穩定性是生態學與景觀生態學研究的一個復雜而又非常重要的內容，但目前國內外對景觀穩定性的定義并不統一，多借用生態系統穩定性的概念來解釋［1－5］。生態系統的穩定性一般包括抵抗力、恢復力、持久性和變異性4個方面的內涵，對于受非正常外力干擾的系統而言，抵抗力和恢復性是測度其穩定性的主要指標；對于受環境因子正常波動干擾的系統而言，持久性和變異性是衡量系統穩定性的指標［6－10］，而這些指標又可從側面定量刻畫區域的生態環境效應。由此可見，景觀的穩定性是相對的，而變異是絕對的，它是由區域自然變化過程和人類活動共同決定的。近年來，雖有學者從林分結構特征及農業生產潛力等方面對官司河流域進行了定量化研究［11－15］，但缺乏對流域從景觀穩定性角度的評價研究。本文從景觀的格局，即景觀中斑塊、廊道和基質的空間組合出發，在分析其變化及其相互轉換的基礎上，深入分析官司河流域景觀的穩定性及其環境效應，對了解涪江流域乃至川西北地區的景觀變化，促進生態環境的定向恢復提供重要參考。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

官司河流域位于川中丘陵區北部的綿陽市新橋鎮境內，是龍門山前緣向盆地的過渡地帶，屬淺－深切割的丘陵地貌，平均海拔600m以下，屬典型的農林復合生態系統區，其地理坐標介于東經104°46′—104°49′，北緯31°23′—31°37′；整個流域面積為20.11 km2，屬北亞熱帶濕潤季風氣候，氣溫與年降水的地域分布變化很小，年均溫16℃，年均降水量921mm；流域農耕地面積占50%以上，主要種植水稻、小麥及玉米三種糧食作物，森林植被主要為20世紀80年代以來，通過封山育林形成的次生林和營造的人工林，主要類型為柏木林地、櫟類林地、馬尾松林地以及以三者各自為主要林分類型的混交林地，均分布在海拔520～630m范圍內。

1.2 研究方法

1.2.1 數據來源及處理 本文將1995年9月和2005年9月2個不同時期30m多光譜與15m全色波段通過小波變換融合后的彩色影像作為基本信息源，并以2005年9月IKNOS影像作為輔助，在ERDAS IMAGE 8.5及ArcGIS 9.0軟件的支持下，以1∶10萬地形圖、野外實地調查及相關的各種統計圖件作為數據源，結合研究區實際，參照我國《土地利用現狀分類》標準分類系統［16－17］，將研究區域劃分為人工景觀：T1城鎮、T2村莊、T3公共交通用地和T4耕地及半自然景觀、T5水域、T6柏木林地（柏木純林及以其為主的混交林）、T7櫟類林地（麻櫟、栓皮櫟及其為主的混交林）和T8馬尾松林地（馬尾松純林及其為主的混交林），共計8大景觀類型，采用監督分類結合目視解譯的方法，得到1995年和2005年研究區景觀斑塊類型的矢量數據。

1.2.2 景觀穩定性指標選取及分析方法 官司河流域景觀屬于半自然及人工景觀，其穩定性除了由斑塊固有特征所體現的自然穩定性外，更主要體現為人為干擾引起的斑塊間轉換為主要特性的人為穩定性，因此可由以下三個指標及景觀格局的轉移矩陣來分析［2，4］。

（1）基質（自然、半自然景觀）的比例穩定性。基質的比例越趨近于50%，該景觀的穩定性就越高，公式為：

式中：SM——基質的穩定指數；M——基質的比例。SM的值越趨近于1，基質的穩定性越高。

（2）斑塊特征穩定性。能夠反映斑塊穩定性特征的主要為斑塊數量、斑塊面積和斑塊形狀。因反映斑塊形狀的指數較多且大多數反映的主要是斑塊形狀的相似性和復雜程度，因此，本研究僅以斑塊的數量和面積的變化率來反映其穩定性。基本公式如下：

式中：SP——斑塊的景觀穩定指數；Δni——第i類斑塊數量的變化率；Δai——第i類斑塊面積的變化率；ni1，ni2——第i類斑塊初期和末期的斑塊數量；ai1，ai2——第i類斑塊初期和末期的斑塊面積。SP越接近于1，斑塊穩定性越高。

（3）斑塊密度穩定性。不論是絕對密度還是相對密度，變化率越小，景觀格局越穩定。斑塊密度穩定性可以用以下公式表示為：

式中：SD——景觀穩定指數；ΔD——景觀密度變化率。SD越接近于1，景觀格局穩定性將越高，D1，D2——研究初期和末期的景觀密度；

式中：SDi——第i類景觀結構組分的穩定指數；ΔDi——第i類景觀結構組分的相對密度變化率；Di——第i類景觀組分的相對密度；Di1，Di2——第i類景觀組分初期和末期的相對密度；Ni——斑塊總數；Ai——斑塊總面積。SDi越接近于1，景觀結構組分的穩定性就越高。

2 結果與分析

從表1可以看出，城鎮、村莊、公共交通用地、耕地、水域、柏木林地、櫟類林地、馬尾松林地8大類景觀組分的面積分布極不均衡，耕地的面積最大，為研究區人工景觀的基質，馬尾松林地為區域半自然景觀的基質，結合實地調查，公共交通用地及部分水域中的水系為研究區景觀的廊道，村莊、柏木林地、櫟類林地為研究區景觀斑塊；2005年與1995年相比，總體上柏木林地、櫟類林地及馬尾松林地面積都有所增加，耕地面積減小，這與近年來流域的退耕還林及封山育林等生態恢復工程措施有直接聯系。

表1 官司河流域區景觀結構組分類型

2.1 基質的穩定性

表2為研究區半自然景觀的基質穩定性指數，從中可看出基質的穩定性較低，兩個時段變化相對較小，總體上穩定性有所提高，說明近年來流域實施的退耕還林及林分結構優化調整等生態工程恢復措施已初顯成效。

表2 官司河流域景觀的基質穩定性指數

2.2 斑塊的穩定性

表3為研究區景觀斑塊穩定性指數。從斑塊特征穩定性來看：城鎮、水域的穩定性最高，其次為馬尾松林地、櫟類林地、柏木林地及公共交通用地，耕地及村莊的斑塊穩定性最低，它們的景觀穩定指數從高到低依次為：0.777，0.732，0.621，0.383，0.367，0.351，0.281，－1.821；景觀斑塊在＜4 000m2的尺度范圍內，馬尾松林地穩定性最高，在4 000～10 000m2尺度上，柏木林地穩定性最高，耕地及村莊的穩定性最低。

從斑塊密度穩定性來看，柏木林地、城鎮穩定性最高，其次為水域、馬尾松林地、村莊及櫟類林地，公共交通及耕地穩定性最低，其指數從高至低依次為：0.815，0.691，0.605，0.534，0.325，0.288，－0.656，－6.537；景觀斑塊在＜4 000m2尺度上，水域馬尾松林地穩定性最高，在4 000～10 000m2尺度上，柏木林地穩定性最高，在＞10 000m2尺度上，水域及城鎮穩定性最高。

綜合斑塊特征穩定性和密度穩定性兩個方面來分析得出，中小尺度的柏木林地及馬尾松林地對整個區域的景觀穩定性起著至關重要的作用，應給予很好的保護，區域的耕作及居住特征決定了耕地及村莊穩定性的降低。

表3 官司河流域景觀斑塊穩定性指數

2.3 景觀的類型轉換及環境效應分析

利用ArcToolbox下的Overlay命令，對1995—2005年景觀類型矢量文件進行空間疊加，應用Statistics命令提取各種土地利用類型之間轉化的面積，從而建立1995—2005年景觀類型空間轉移矩陣，結果見表4。

從表4可以看出，流域景觀空間格局發生了很大變化，主要表現在以下幾個方面：

（1）耕地的變化。10a間，耕地的轉化最為復雜，所有的景觀類型都參與了轉化，由其他類型轉換為耕地的面積為133.014hm2，主要來源于轉化程度最大的馬尾松林地、柏木林地、水域及公共交通用地，耕地轉化為其他類型的面積為480.513hm2，亦主要轉化為上述四種類型，轉出量遠大于轉入量，總面積呈減少趨勢；

（2）水域的變化。10a間，其他類型轉化為水域的面積為86.490hm2，主要來源于耕地、馬尾松林地及柏木林地；而由水域轉化為其他類型的面積為48.734hm2，亦主要轉化為耕地、馬尾松林地及柏木林地，轉出量遠小于轉入量，總面積呈增加趨勢；

（3）3種林地景觀類型轉化。10a間，3種林地類型中，馬尾松林地的轉化程度最為劇烈，轉入面積達245.221hm2，轉出面積達70.124hm2；其次為柏木林地，轉入面積達180.928hm2；櫟類林地轉化程度最小，轉入及轉出量均小于10hm2，但三者轉入量均大于轉出量，總面積均呈增加趨勢；

總體上看，官司河流域的景觀類型轉移規律反映了該區景觀格局趨向良好方向發展，體現在耕地→水域、耕地→有林地的轉化過程上。隨著水域及有林地面積的擴大，流域物種多樣性會相應有所增加，生態系統功能逐步提高并趨向良性發展，為當地社會經濟可持續發展提供基礎條件。

表4 官司河流域1995－2005年土地利用變化轉移矩陣 hm2

3 結論

官司河流域土地覆被景觀組分的面積分布極不均衡，其中耕地面積最大，為整個流域景觀的基質，林地組分次之，這與流域為典型農林生態復合區的地位相吻合；馬尾松林地作為半自然景觀的基質，其穩定性有所提高，為區域環境正效應的發揮提供保障，但總體來看，無論是人工景觀還是半自然景觀，其穩定性都較低。

從斑塊數量和面積變化率來分析，城鎮、水域的穩定性最高，其次為馬尾松林地、櫟類林地、柏木林地及公共交通用地，耕地及村莊的斑塊穩定性最低；從斑塊密度變化率分析，柏木林地、城鎮穩定性最高，其次為水域、馬尾松林地、村莊及櫟類林地，公共交通及耕地穩定性最低；總體來看，城鎮及水域的穩定性最高，其次為三種有林地，穩定性最差的為耕地及村莊，這與區域生活及耕作方式及區域作為重要的產糧基地的性質密切相關。

從斑塊特征穩定性和斑塊密度穩定性兩個不同的層次進行數據分析所得的結論不相一致，不一致性在＜2 000m2尺度上柏木林地最為明顯，其次為4 000～10 000m2尺度上馬尾松林地，說明中小斑塊柏木林地及馬尾松林地對于流域景觀的穩定性具有重要意義，其也為充分發揮區域農林復合效應的關鍵因素，應特別予以重視，并進行科學合理的保護、規劃和建設。

從景觀轉化角度分析，耕地與水域及三種有林地的轉化最為劇烈，但從其穩定性來看，耕地穩定性最低，而后者則較高，說明流域人工景觀的穩定性主要體現為人類干擾為主的人為穩定性，而自然及半自然景觀雖然轉化率相對較高，但其穩定性仍主要表現為由斑塊固有特性所決定的自然穩定性，即為抗性和持久性，即為斑塊抵抗其他斑塊干擾而維持現狀的特性，這正是區域環境向好的方向發展的基礎所在。

［1］ 鄔建國.景觀生態學：格局、過程、尺度與等級［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］ 白林波，白明生，賈科利，等.銀川市景觀格局動態變化研究［J］.水土保持研究，2011，18（3）：265－267.

［3］ 肖化順，付春風，張貴.流溪河國家森林公園森林景觀穩定性評價［J］.中南林業科技大學學報，2007（1）：88－92.

［4］ 謝高地，甄霖，楊麗，等.涇河流域景觀穩定性與類型轉換機制［J］.應用生態學報，2005，16（9）：1693－1698.

［5］ 王旭麗，劉學錄.基于RS的祁連山東段山地景觀穩定性分析［J］.遙感技術與應用，2009，24（5）：665－669.

［6］ 王國宏.再論生物多樣性與生態系統的穩定性［J］.生物多樣性，2002，10（1）：126－134.

［7］ 柳新偉，周厚誠，李萍，等.生態系統穩定性定義剖析［J］.生態學報，2004，24（11）：2635－2640.

［8］ 黃寶榮，歐陽志云，鄭華，等.生態系統完整性內涵及評價方法研究綜述［J］.應用生態學報，2006，17（11）：2196－2202.

［9］ 張步翀，李鳳民，黃高寶.生物多樣性對生態系統功能及其穩定性的影響［J］.中國生態農業學報，2006，14（4）：12－15.

［10］ 羅格平，周成虎，陳曦.干旱區綠洲景觀尺度穩定性初步分析［J］.干旱區地理，2004，27（4）：471－476.

［11］ 駱宗詩，向成華，陳俊華，等.綿陽官司河流域主要森林群落結構［J］.四川林業科技，2006，27（6）：41－46.

［12］ 陳俊華，龔固堂，朱志芳，等.官司河流域防護林景觀結構及生態功能研究［J］.生態環境學報，2010，19（3）：712－717.

［13］ 王青，李富程，李國蓉，等.基于“壓力—狀態—響應”框架的長江上游防護林健康評價［J］.長江流域資源與環境，2010，19（8）：953－958.

［14］ 李國蓉，王青，俞音，等.官司河流域農業自然生產潛力研究［J］.湖北農業科學，2010，49（2）：334－337.

［15］ 李富程，王青，李國蓉，等.馬爾柯夫過程預測官司河流域土地利用／覆被格局變化［J］.水土保持研究，2009，16（5）：31－39.

［16］ 蔣有緒.中國森林群落分類及其群落學特征［M］.北京：中國林業出版社，1998.

［17］ 陳百明，周小萍.《土地利用現狀分類》國家標準的解讀［J］.自然資源學報，2007，22（6）：994－1003.