年来元谋干热河谷植被景观覆盖格局动态变化研究

年来元谋干热河谷植被景观覆盖格局动态变化研究_干热河谷植被恢复

30年来元谋干热河谷植被景观覆盖格局动态变化研究

杨振寅¹， 刘方炎^{2, 3}，李　昆＊^{2, 3}，李正红²， 孙永玉^{2, 3}

（1. 中国林业科学研究院，北京，100091；2.中国林业科学研究院资源昆虫研究所 昆明650224；3.国家林业局云南元谋荒漠生态定位研究站 元谋 6513002）

摘要：植被景观动态反映其结构和功能随时间发生变化的过程和规律，研究的目的在于了解和掌握景观功能随景观结构变化而变化的过程和规律，从而为人类采取健康的生产生活方式和科学有效的景观调控及管理措施提供科学依据。本研究通过1970年、1990年和2000年三个时段的卫星遥感资料，详细比较分析了元谋盆地干热河谷不同时间植被景观的组成结构、斑块特征及景观要素的空间分布格局，并从斑块密度和边缘密度动态变化，植被景观镶嵌度和聚集度指数动态变化以及斑块粒级结构及面积变化等方面，研究了该地区不同时段下的植被景观动态和变化规律。在此基础上，分析探讨了元谋盆地干热河谷30年来植被覆盖等级变化的空间过程、影响因素和变化发展趋势。

关键词：元谋；干热河谷；景观异质性；遥感

景观的拓扑特征和空间拓扑关系不仅对植被的斑块动态、斑块稳定性和生境质量有重要影响，而且对维持景观整体稳定性、生产力和景观再生能力，维持景观生态过程的完整性和生态系统的健康，保护生物多样性等都具有十分重要的意义。景观要素的斑块特征主要表现为斑块的大小、数量和形状。斑块特征既决定于斑块所处的地形地貌特征和斑块群落特征，以取决于斑块演替阶段和干状况^[1,2]。其中，斑块大小与生态系统的能量流动、物质循环、物种及其它生态学现象与过程都极为相关，其大小、形状及分布对动物的迁移、生物多样性的分布有重要影响^[3,4]。近年来，利用景观和空间的拓扑特征来进行生态学格局分析已成为生态学研究的一种重要方法^[5-8]。本文就植被景观要素斑块的规模和形状动态进行分析，以期为元谋干热河谷区的生态恢复、建设、管理提供科学依据。

1　研究区植被概况

元谋植被覆被率较低，垂直分带明显。海拔1 640m以下的干热河谷区的自然植被为稀树灌木草丛，它是我国植被中较为独特的类型，因生境炎热干燥，与热带干草原的气候条件较接近，形成以禾草为主，杂以灌木、乔木零星分布的Savanna植被类型。乔木树种主要有山合欢、滇榄仁、攀枝花等。灌木以车桑子、华西小石积和清香木为主，其次有黄荆条、余甘子、南蛇藤、西南杭子梢、仙人掌(Pountia monacantiea)等。草本植物有扭黄茅、毛臂形草(Brachiaria villisa)等。植物多具多毛、多刺、肉质多浆、叶革质、树皮厚等干旱适应特征。海拔地带1 600～2 000m，植物种类主要有云南松、思茅松、栎树(Quercus acutissima)等。2 000～2 500m地带主要有云南松、早冬瓜、马樱花(Albizia kallcora)、山茶(Camellia irrawadiensis)等乔、灌树种及一些草本种类。2 500m以上，以云南松为主，其次为滇栲(Castanopsis diversifolia)、马樱花、山茶等针阔叶混交中幼林^[9]。

2　研究方法

以元谋县境以内海拔低于1600米的区域为基准，利用GIS空间选取分析运算方法，建立研究区界线图。

收集70年代的Landsat MSS数据，90年代的Landsat TM数据，2000年的Landsat ETM数据，进行数据导入、格式转换、投影转换、研究区切割、多波段彩色合成等方面的预处理。 收集该区域的植被分类、土地利用分类的资料和研究成果，拟订初步的反映景观格局状况的植被与土地覆盖分类系统。以2000年的假彩色遥感卫星影像为工作手图，GPS为地面定位采样工具，开展地面进行定位调查，以景观类型的在遥感图像上可解译、可识别为原则，归并草拟的分类系统，形成最终的景观类型分类系统；采集GPS样点，建立遥感判读解译标志样地；采集GPS样点，建立判读精度检验的统计样本。使用提取于DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）的地性控制线，纠正3个年代的卫星影像；采用亚像元分解与可视增强算法，制作假彩色合成图像。目视觉解译2000年的遥感卫星图像，数字化采集景观斑快电子地图与数据库；以2000年的遥感卫星图像、解译斑快图为基准，叠加90年代卫星遥感图像，进行对比解译，数字化采集90年代的景观斑快电子地图与数据库；再叠加70年代卫星遥感图像，进行目视解译分析，数字化采集70年代的景观斑快电子地图与数据库。

本研究采用景观指数计算法来度量和评价景观格局。从景观斑块要素规模、景观密度、景观边缘密度、景观总体镶嵌度和景观聚集度等方面进行景观现状和动态的分析。具体计算公式如下：⑴景观斑块要素规模

①类斑平均面积

式中　N_i—为第i类景观要素的斑块总数（下同）；

A_ij—为第i类景观要素第j类斑块的面积（下同）

②最大和最小斑块面积

⑵景观斑块密度

式中　PD—为景观总体斑块密度；

PD_i—为第i类景观要素的斑块密度；

m—为研究范围内某空间分辨率上景观要素类型总数（下同）；

A—为研究范围内景观总面积

⑶景观边缘密度

式中　P_ij—是景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度

⑷景观总体镶嵌度

式中　PI—为景观总体镶嵌度；

E_t—为景观中异质景观要素斑块间的共同边界总长度；

N_ij—为相邻的第i类景观要素第类斑块和第j类景观要素斑块之间的共同边界总长度（下同）；

D_ij—是根据研究对象的特点和生态学意义确定的第i类景观要素与第j类景观要素之间的生态学

相异程度

式中　PI_i—为i类景观要素的镶嵌度；

E_ti—为i类景观斑块与其他类型斑块共同边界总长度

⑸景观聚集度

式中　RC—为相对聚集度指数；

C—为复杂性指数；

C_max—为C的最大可能取值；

EP_ij—为第i类景观要素与第j类景观要素相邻接的概率

3　结果与分析

3.1　斑块密度和边缘密度动态变化

研究区植被景观要素斑块密度的动态变化如图1所示。由图可知，稀树灌草丛和车桑子灌木林的斑块密度变化趋势基本一致。1970～1990年期间，两者的斑块密度减小，但1990年以后其斑块密度有小幅度增加。与此相对应，赤桉林的斑块密度得以大幅增加，印楝林的斑块密度也在1999年和2000年间明显增加。此外，新银合欢林的斑块密度也略有增加。黄荆条灌木林、锥连栎林、滇榄仁林、思茅松林和云南松林的斑块密度则很稳定，基本没有大的起伏变化。总体上看，在整个研究期内稀树灌草丛的斑块密度最高，车桑子灌木林的斑块密度次之，赤桉林的斑块密度居第三。因此，研究区植被景观的异质性基本上由三者的数量和分布情况确定。由此说明，稀树灌草丛和车桑子灌木林的异质性有降低的趋势，而人工林尤其是赤桉林和印楝林的异质性有增加的趋势，而黄荆条灌木林、锥连栎林、滇榄仁林、思茅松林和云南松林的异质性在30年的时间里基本没有变化。

研究区植被景观要素斑块边缘密度的动态变化如图2所示。从图可知，1970～2000年间，黄荆条灌木林、锥连栎林、滇榄仁林、思茅松林和云南松林的斑块边缘密度比较平稳，基本没有变化，而稀树灌草丛、赤桉林斑块的边缘密度变化最明显，车桑子灌木林、新银合欢林斑块的边缘密度虽有变化，但并不明显。印楝的迅速发展，也使它的边缘密度显明较突出。1970～2000年间，稀树灌草丛的斑块边缘密度大幅下降，说明它的复杂性在下降。这可能是由于稀树灌草丛的面积减少，分布区有所减小，斑块异质性下降所至。这使它的斑块边缘密度从1970年的第1位降到2000年的第2位。因此，虽然稀树灌草丛的边缘密度有所下降，但它依然很高，仍然保持了较高的复杂性。车桑子灌木林的斑块边缘密度基本保持不变，由于稀树灌草丛边缘密度的下降使其边缘密度从第2位上升为第1位，但密度绝对值较稳定，所以复杂性并没有增加。1970～2000年间，赤桉林的斑块边缘密度迅速上升，增加幅度也较大，斑块边缘密度值一直居第3位。因此，它的复杂性一直在增加。这是由于用赤桉的大面造林，增加了它的分布范围、种植面积，从而增加赤桉林斑块的异质性导致的。

图1　植被景观要素斑块密度的动态变化

图2　植被景观要素斑块边缘密度的动态

3.2　植被景观镶嵌度和聚集度指数动态变化

图3　植被景观要素的镶嵌度动态

图4　植被景观要素的聚集度动态

图3表明，在整个研究区间，新银合欢林、赤桉林、印楝林和黄荆条灌木林的镶嵌度高于其它植被景观要素，说明它们与相邻要素斑块间的生态学对比度可反差很大，其它周围的景观异质性程度较高。总体上，与基质差异较大的植被景观要素的镶嵌度指数一般都较高。

研究区植被景观要素按镶嵌度的动态变化情况可分为如下三类：车桑子灌木林、黄荆条灌木林、滇榄仁林、赤桉林和新银合欢林等镶嵌度增加的类型；思茅松林和云南松林等镶嵌度减小的类型；稀树灌草丛和锥连栎林等镶嵌度比较平稳的类型。由于车桑子灌木林周边区域的立地条件一般都较好，是营造人工林的主要区域，因此随着人工林的增加其镶嵌度也相应增加。赤桉林、新银合欢林和印楝的面积是具有一定规模的人工林，它们的规模种植增加了植被的景观异质性，同时也使它们的镶嵌度增加。思茅松林和云南松林是较早营造的人工林，在研究区内它们的生态适应性相对较差，随着时间的推移出现了退化现象有融入基质的倾向，因此其镶嵌度呈减小趋势。

研究区植被景观要素的聚集度动态变化如图4。从图可知，研究区植被景观要素的聚集具有如下两个明显的特点：除赤桉林外，所有要素的聚集在整个研究期内一直处于稳定状态；在整个动态变化过程中，所有要素的聚集度指数都很高。聚集度指数高，说明该景观要素与较多的异质景观要素斑块相邻接，景观异质性程度高，该景观要素要么属于人为干扰或控制的景观要素，要么处于景观物质、能量或物种流动的交汇点，发生斑块转换和演替的可能性大，必须加入额外的能量才能维持其现有结构。这一原理在研究区植被景观中充分体现，云南松林、思茅松林、印楝林、新银合欢林、赤桉林均为人为控制的景观要素；滇榄仁林、锥连栎林和黄荆条灌木林分布面积较小，是植被景观中物种流动的交汇点；稀树灌草丛、车桑子灌木林则是与它们植被景观要素物种交汇点。目前来看，云南松林、思茅松林、印楝林、新银合欢林、赤桉林确实须要通过施肥等投入额外的能量才能使它们维持现有的结构和正常的生长，否则面临退化的问题。长期以来，滇榄仁林、锥连栎林和黄荆条灌木林基本没有特殊的管护和额外的能量投入，它们的面积、相对优势度等均处于退化或保持平稳的状态。

3.3　斑块粒级结构及面积变化

图5　植被景观要素不同粒级斑块数比动态

91.76%和91.58%，说明斑块粒级结构具有较好的稳定性。

图5是研究区植被景观要素不同时期、不同斑块粒级结构斑块数比的动态变化图。从图可知，研究区植被景观要素粒级结构在三个时期的特点基本相同。表现为，以中、小斑块为主。1970年、1990年和2000年，研究区植被景观要素的小斑块、中斑块、中大斑块的斑块数百分比值分别为92.81%、1970年、1990年和2000年，稀树灌草丛和车桑子灌木林的小斑块、中斑块、中大斑块百分比分别为86.67%、78.58%和70.94%，其中小斑块数比分别为55.10%、47.17%和43.45%，中斑块和中大斑块的斑块数比稳定性较好。所以，稀树灌草丛和车桑子灌木林的动态变化主导着整个植被景观要素的粒级动态变化。造林等人为干扰作用，一方面，减少了稀树灌草丛和车桑子灌木林的小斑块数，另一方面增加了斑块数量从而使其小斑块数比降低。

图6　植被景观要素不同粒级斑块面积比动态

在研究期内，稀树灌草丛不同粒级的斑块数比都在减少，而赤桉林不同粒级的斑块数比都在增加，而且稀树灌草丛不同粒级的斑块数比的减幅与相应粒级的赤桉林斑块数比的增幅基本相等。如稀树灌草丛小斑块、中斑块、中大斑块的斑块百分比减幅分别为10.25%、3.62%和0.76%，相应地赤桉林的增幅分别为9.57%、3.95%和0.78%，而且不同粒级赤桉林斑块数比是除稀树灌草丛外变动最大的要素。所以，研究区植被景观斑块主要在稀树灌草丛和造林面积较大的人工林如赤桉林和印楝林之间流转。此外，车桑子灌木林除小斑块的斑块数百分比稍有减少外，其余粒级的斑块百分比都在增加。这是由于车桑子适应性好，具有较好的扩张能力，加之人工营造和管护而产生的。

图6是研究植被景观要素不同时期、不同斑块粒级斑块面积比的动态变化图。从图可以看出，研究区植被景观要素不同粒级斑块面积比的动态特点与斑块数比的变化特点相同。表现为，以中、小斑块的面积比重大。1970年、1990年和2000年，研究区植被景观要素的小斑块、中斑块、中大斑块的面积百分比值分别为55.92%、53.60%和52.48%，稳定性较高。但是，大斑块、超大斑块和巨大斑块的面积比重在各个时期比较稳定，分别约占20%、16%和10%左右。所以，研究区植被景观要素的不同粒级斑块的面积分配较稳定。

说明在研究区内，它们的更新和拓展生境的能力较弱，斑块面积并没有明显扩大或缩小，或者没有大面积造林、或者造林并不成功。这也与它们的斑块数比粒级结构的特点完全一致。而稀树灌草丛和车桑子灌木林的不同粒级斑块面积比的变化向两个方向分化。它们的小斑块、中斑块和中大斑块的面积比例减小，1970年、1990年和2000年的比例分别是52.72%、48.38%和41.94%，而超大斑块和巨大斑块的面积比不断增加，三个时期的比例分别为10.41%、24.78%和24.15%。说明两者具有的生态适应性好，具有较强的繁育扩张能力，虽然因造林而减少了一部分面积，但较大规模的斑块仍然在扩张。它们控制着区域内植被景观的结构和功能动态。不同粒级赤桉林斑块的面积一直在增加，这是大面积造林活动所致。此外，值得注意的是1970年以后，由于受放牧、樵采等的影响以超大斑块和巨大斑块为主的滇榄仁林的面积减少，所以其面积比例大幅降低，直到2000年都没有恢复到30年前的格局。可见，在研究区内既使是原生植被遭到破坏后也很难恢复。这在生态建设和植被恢复中应给予充分重视。

4　结论

（1）本研究通过1970年、1990年和2000年的卫星遥感资料研究元谋干热河谷区不同时间植被景观的组成结构、斑块特征及景观要素的空间分布格局，揭示了研究区植被景观的整体变化的规律和可能影响的因素。

（2）研究区的植被面积和相对优势一直在增加， 2000年比1970年增加了2.93%和3.1%。但是，基质的主导和控制作用并未改变。1970年以来，车桑子灌木林的面积比、斑块数比始终保持在45%以上；稀树灌草丛面积比、斑块数比始终保持在30%以上。人工乔木林增长迅速。其面积比和斑块数比分别从2.38%和4.82%增至14.21%和20.29%，其中以赤桉林和印楝林的增长速度最快。黄荆条灌木林、锥连栎林、滇榄仁林、思茅松林和云南松林的面积比、斑块数比基本没有变化。

（3）在整个研究期内，稀树灌草丛、车桑子灌木林、赤桉林的斑块密度最高，决定着植被景观的异质性。稀树灌草丛和车桑子灌木林的异质性趋于降低；人工林尤其是赤桉林和印楝林的异质性趋于增加；黄荆条灌木林、锥连栎林、滇榄仁林、思茅松林和云南松林的异质性和边缘密度也基本没有变化。

（4）研究期内，车桑子灌木林、黄荆条灌木林、滇榄仁林、赤桉林和新银合欢林的镶嵌度增加；思茅松林和云南松林的镶嵌度有所减小；稀树灌草丛和锥连栎林等镶嵌度比较平稳。在整个动态变化过程中，所有植被要素的聚集度指数都很高，尤其是人工植被，它们属于人为干扰或控制的景观要素，必须加入额外的能量才能维持其现有结构。

（5）研究期限内，研究区各植被景观要素的空间分布格局特点并没有变化，除滇榄仁林一直为均匀分布，其它所有要素的均呈聚集分布。但是除稀树灌草丛和车桑子灌木林的Morisita指数在上升外，其余要素的指数值都在下降，说明前者的聚集程度在上升，后者的在下降。

参考文献

[1] 肖笃宁. 景观的空间结构指数及其分析方法. 见, 景观生态学:理论,方法和应用(肖笃宁主编) [M]. 北京:中国林业出版社, 1991

[2] 彭少麟, 郭志华, 王伯荪. RS和GIS在植被生态学中的应用及其前景 [J]. 生态学杂志,　1999,　18(5): 52～64

[3] 邬建国. 景观生态学－格局、过程、尺度与等级 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2000: 25～30

[4] 郭志华，肖文发，蒋有绪. 海南岛植被景观的斑块特征 [J]. 林业科学，2004, 40(2): 9～15

[5] Mladenoff D J, White J M A, Pastor J. Comparing spatial pattern in unaltered old-growth and disturbed forest landscapes. Ecological Application, 1993, 3: 294～306

[6] 王宪礼，肖笃宁. 辽河三角洲湿地的景观格局分析. 生态学报，1997, 17(3): 317～324

[7] Nikora V I, Pearson C P, Shandar U. Scaling properties in landscape patterns: New Zealand experience. Landscape Ecology, 1999, 14: 17～33

[8] 刘灿然，陈灵芝. 北京地区植被景观斑块形状的分形分析. 植物生态学报，2000, 24(2): 129～134

[9] 吴征镒，朱彦丞主编. 云南植被 [M]. 北京：科学出版社，1987

A study on dynamic of vegetation coverage change in hot-dry valley during past 30 years

Yang Zhenying¹, Liu Fangyan^1,2, Li Kun^＊1,2, Li Zhenghong², Sun Yongyu^2,3

(1. Chinese Academy of Forest, Beijing, 100091； 2. Research Institute of Resources Insects, the Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, Yunnan, China； 3. Yuanmou Desert Ecosystem Research station, State Forestry Administration, Yuanmou 6513002 )

Abstract: Vegetation landscape dynamics reflects the process and laws which the structure and function of vegetation landscape changed over time. The purpose of the landscape dynamics is to understand and master the process and rules of the landscape function which changed with the landscape structure. So that to provide a scientific basis for healthy human life styles and management measures of landscape. In this study, the structure of vegetation landscape, patch characteristics and spatial pattern of landscape elements in 1970, 1990 and 2000 which from satellite remote sensing data, were studied, and based on these data, we analyzed the spatial process and its development trend of the changed vegetation coverage in Yuanmou dry-hot valley during past 30 years.

Key Words: Yuanmou County, Dry-hot valley, Landscape heterogeneity, Remote sensing