小流域景观构成和分布格局的合理性是评价小流域生态安全和持续发展的基础。对小流域景观斑块按照生态功能进行类型划分, 评价各景观功能类型之间的构成比例和各自的分布格局是从新的思路评价小流域生态安全的一种方法。根据生态功能, 黄土丘陵沟壑区小流域景观斑块可分为3类:生态防护型(森林、灌丛、草地等), 其面积越大, 质量越高, 发挥的生态防护效益就越高; 经济生产型(果园、农田等), 主要发挥经济生产功能, 以满足当地经济持续发展的要求; 生活服务型(村落、道路、河流等), 主要发挥生活服务功能, 以满足当地居民日益增长的对环境文化的需求。具有生态防护功能的植物生态系统的持续发育是小流域环境质量提高的基础, 3种景观类型合理的构成和布局能保证当地生态安全和经济的可持续发展, 调整好三者关系是生态环境建设的根本途径(许晓波等, 2009; 林洋等, 2010)。

近年来, 小流域景观格局的研究大都基于遥感图像, 由于遥感图像解译技术尚处于发展阶段, 错分漏分较多, 图像解译精度不高(秦其明, 2000), 对景观斑块的分析比较粗放, 很难满足小流域尺度的精细划分的要求。因此, 只有利用地形图, 通过现地勾绘, 对小流域尺度的景观斑块进行更精确的认定和鉴别, 才能很好地解决这一问题。县南沟流域位于陕北安塞县, 属于典型黄土丘陵沟壑区, 历史上植被遭受到严重破坏, 生态环境脆弱, 景观斑块细碎, 2000年以来中国科学院水土保持研究所与安塞县合作对该流域进行综合治理和全面规划, 经过近10年的综合治理, 各类景观斑块格局已发生较大变化, 生态环境得到明显改善, 亟需采用更精确的景观构成数据对流域治理效果进行评价。

本研究运用景观生态学的理论和方法, 通过现地勾绘县南沟流域景观斑块类型图、数字化处理景观数据, 进行功能类型划分, 分析不同功能类型景观斑块的构成和分布格局, 对县南沟流域治理效果进行全面评价, 为流域景观格局优化和生态环境恢复提供依据, 也可为同类型小流域治理提供参考。

1 研究区和研究方法 1.1 研究区概况

研究区域设在陕西省安塞县县南沟流域(36°51′30″ N, 109°19′23″ E), 属于黄土高原丘陵沟壑区第Ⅱ副区, 流域面积4 417.98 hm², 海拔1 100~1 400 m, 平均海拔1 200 m, 相对高差100~300 m; 流域属于暖温带半干旱气候区, 年平均气温8.8 ℃, ≥0 ℃的积温3 733.5 ℃; 年均降水量505.3 mm, 降水年际变化大, 且年内分布不均, 且60%~80%集中在7—9月; 平均地面蒸发量为1 800~2 200 mm, 无霜期为157天; 土壤以黄绵土为主; 本区为森林草原区, 主要植被类型为旱生的天然灌木群落, 如狼牙刺(Sophora viciifolia)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等, 人工群落有刺槐(Robinia pseudoacacia)、小叶杨(Populus simonii)、旱柳(Salix matsudana)、柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)等(许晓波等, 2009; 温忠明等, 2004)。20世纪30—70年代, 随着人口的逐渐增加, 流域内森林、灌木遭受肆意砍伐, 草地和灌木被过度放牧, 天然林几乎破坏殆尽, 生态系统退化, 水土流失严重。2000年以来, 中国科学院水土保持研究所与安塞县合作, 结合国家退耕还林工程, 围绕水土保持这一中心任务, 对小流域开展山水田林路的综合治理和全面规划, 采取保护和促进天然植被恢复、人工造林种草、修建水库等措施。特别是2005年以后, 随着农村劳动力向城市转移, 当地土地承载压力减少, 社会经济条件迅速改善, 民众环保意识不断增强, 水土流失得到有效遏制, 生产和生态保护出现良性循环的趋势, 取得较好的成效(王涛, 2006; 张文辉等, 2007; 2009)。流域内各类景观斑块动态过程和群落发育历史清楚, 为本项研究奠定了基础。

1.2 研究方法 1.2.1 景观类型图的现地勾绘

在2009年8月20日—9月15日, 对整个县南沟流域踏查, 熟悉地形、地标物和不同景观类型斑块的识别特征。将整个流域划分为若干子流域, 由沟掌(寨子湾附近)向沟口(沿河湾附近)分别对各子流域景观类型斑块进行勾绘。野外勾绘中, 分2个小组, 统一携带县南沟流域1:10 000地形图及手持GPS(辅助工具有铅笔、县南沟植物名录、望远镜、标本夹、绘图板等), 一个小组根据地标物及GPS确定勾绘点位置, 对照地形图上等高线起伏及高程点位置, 在地形图上确定对坡斑块位置及边界, 并勾绘到地形图上; 另一小组携带GPS及地形图在对面山坡上确认相应景观斑块位置, 记录斑块特征(如群落高度、盖度、优势种、生长发育特点等)。每个子流域勾绘完成后, 2小组共同修订已勾绘斑块的类型和边界, 将斑块转绘到该流域相同比例尺地形总图上。完成所有子流域景观斑块的勾绘、核查和转绘后, 对总图再作统一清查, 确保勾绘无遗漏、转绘准确无误, 最终完成流域景观斑块图的绘制(张婷, 2007; 林洋等, 2010)。

1.2.2 景观类型图的数字化

将野外实地勾绘的景观斑块图在数字化仪下扫描, 获得栅格图像, 运用ArcGIS地理信息系统对栅格图进行数字化。经过“图像配准、校正—分层矢量化—图幅拼接—拓扑—属性数据录入—专题图制作”等步骤, 建立县南沟流域景观斑块基础图形数据库和属性数据库, 数据库包含各类型斑块的空间位置、数量、面积、周长等信息。

1.2.3 建立县南沟流域景观类型分类系统

根据县南沟流域的景观特点, 综合土地利用类型(宋永昌, 2001; 郭晋平, 2001)、地形特征和植被类型, 确定以景观功能、土地利用类型及群落优势种为主要依据的景观类型分类体系, 将景观类型分为3级(许晓波等, 2009):1级分类主要依据景观类型的生态功能划分, 共划分为3个类型:生态防护型、经济生产型、生活服务型; 2级分类主要以土地利用类型进行划分, 划分为森林、灌丛、草地、农田等13个类型; 3级分类主要以群落优势种进行类型划分, 共划分为刺槐林、旱柳林等30个类型, 详见表 1。

1.2.4 景观指数计算及分析

将数字化后的景观斑块图转化为Grid文件, 并导入Fragstats 3.3景观格局软件中, 选用景观类型斑块数、斑块面积及百分比、斑块平均面积、斑块周长等反映景观最基本结构信息的指数进行统计分析, 研究流域景观斑块的构成(邬建国等, 1992; 张希彪等, 2007; 肖红生等, 2003)。

2 结果与分析 2.1 县南沟流域景观类型的构成

县南沟流域景观类型如图 1所示, 共分布景观类型32类, 结合表 2可以看出, 流域内共分布各类型斑块968个, 平均斑块面积仅4.56 hm²。各景观类型中, 刺槐林(包括成熟刺槐林和幼龄刺槐林)面积最大, 占流域面积的35.12%, 占生态防护型景观面积的44.56%, 共有斑块274个, 平均斑块面积5.66 hm², 构成森林景观的主体; 白羊草-茭蒿+铁杆蒿群丛面积次之, 占流域面积的17.09%, 共有斑块39个, 平均斑块面积19.35 hm², 是流域平均斑块面积的4.2倍, 远大于其他景观类型; 流域内草地景观多为天然植被, 大部分由退耕地撂荒形成, 残存有村民经营的痕迹; 灌丛主要由天然狼牙刺灌丛、人工柠条锦鸡儿灌丛等组成, 草地和灌丛2种景观类型占流域面积的38.22%, 与森林景观面积相当; 斑块类型面积排在前6位的成熟刺槐林、白羊草-茭蒿+铁杆蒿群丛、农田、狼牙刺灌丛、幼龄刺槐林、铁杆蒿+茭蒿群丛占流域面积的82.26%, 占流域斑块数的60.23%, 构成流域景观的主体; 成熟刺槐林、农田、幼龄刺槐林、成熟果园为经营景观(肖笃宁等, 1998), 这4种景观类型斑块数占流域斑块数的43.70%, 平均斑块面积分别为7.15, 7.11, 3.23和3.94 hm², 此4种景观类型斑块微小, 且数量众多, 对流域景观破碎化的贡献较大; 旱柳林、小叶杨林和刺槐、旱柳混交林3种景观类型多分布于村落附近, 位于坡下部分, 与村落相互交错, 面积小, 形状不规则, 受人类干扰严重, 是流域景观格局变化最频繁最剧烈的区域(游珍等, 2007), 共有斑块113个, 总面积159.33 hm², 占流域斑块数的11.67%和流域面积的3.61%, 平均斑块面积分别为1.14, 0.84和2.53 hm², 这3种景观类型平均斑块面积微小, 进一步加剧流域景观的破碎化; 流域内水库沿主干道分布, 位于村庄附近, 共有斑块2个, 总面积4.34 hm², 水库的建设改善流域灌溉和人畜饮水条件, 促进沟底农田的发展, 对流域景观格局变化起了一定的推动作用; 油井景观类型是近年来随着陕北能源基地的建设而出现的, 流域共有此斑块2个, 斑块平均面积0.16 hm², 为流域中比较小的景观类型, 仅占流域面积的0.007%, 随着流域内油井的勘探和开发, 未来油井有增加的趋势, 油田占地绝对面积不大, 但多占用原有优质农业生产和生态建设用地, 尤其是油田修筑附属道路, 对原来的景观斑块起到隔离、分散的作用(李小利等, 2008), 致使流域的景观格局变得更加破碎; 开垦地景观类型共有斑块3个, 平均斑块面积很小, 仅0.33 hm², 由于开垦中多采用大型机械, 对地形的改变较大; 村庄景观类型由村民长期居住形成, 共有斑块20个, 面积65.89 hm², 平均斑块面积3.29 hm², 随着流域人口的增长, 居住区逐渐向外扩展, 其边界与其他景观类型相间错综分布, 导致其平均斑块面积较小, 形状进一步复杂化; 植被调查过程中发现, 流域内已无天然次生林, 这主要是于20世纪30—70年代, 森林资源曾被无节制采伐及过度放牧, 不少天然植被开垦为农田; 主干道在流域内呈骨架状分布, 是流域内重要的廊道景观类型, 主干道多依河修筑, 二者在流域内伴生分布, 相互切割; 流域内其余景观类型面积及斑块数所占甚微, 但它们的出现使景观要素类型变得丰富, 景观分布格局变得复杂, 增加流域景观的异质性, 在加剧流域景观破碎的同时, 也为流域景观格局的演替增添活力。

2.2 县南沟流域景观斑块的粒级结构

斑块粒级结构是指不同大小级别的斑块数量组成状况。为进一步分析不同景观类型斑块的规模, 将全部景观类型斑块按斑块面积分为6个规模等级, 分别称为:微斑块(1 hm²)、小斑块(1~10 hm²)、中斑块(10~50 hm²)、大斑块(50~100 hm²)、超大斑块(100~200 hm²)、巨斑块(＞200 hm²)。用各级斑块的斑块数、面积占流域斑块总数和总面积的比例来描述县南沟流域斑块的粒级结构(郭晋平等, 2000; 郭晋平, 2001), 结果见表 3。

由表 3可以看出, 县南沟流域以小斑块和微斑块为主, 10 hm²以下的微、小斑块占总斑块数的90.60%。小斑块数量最多, 占流域斑块数量的53.51%, 占流域面积的36.60%, 是造成流域整体景观粒级过小的主要原因。微斑块面积占流域面积的4.29%, 占流域斑块数量的37.09%, 微斑块数量过多, 是造成流域景观破碎的重要原因。大斑块、超大斑块面积占流域面积的21.72 %, 但斑块数量太少, 所占比例甚微, 对流域粒级结构影响小。巨斑块在流域内没有分布。中斑块面积比例最大, 占流域面积的1/3以上, 但中斑块数量偏少。由分析可知, 县南沟流域整体属于细粒结构景观。应减少人为活动对县南沟流域景观格局的影响, 促进微小斑块之间或微小斑块与中、大型斑块之间的融合, 改善流域整体粒级过小的问题, 减弱流域景观破碎化(林洋等, 2010)。

2.3 县南沟流域三大景观功能类型的构成

由表 4和图 2可以看出, 县南沟流域三大景观功能类型中, 生态防护型景观类型在流域内分布广, 面积大, 斑块数、斑块面积以及斑块周长均占总流域的3/4以上, 构成流域景观的主体; 经济生产型景观类型在流域内零散分布, 斑块数、斑块面积及斑块周长约占流域的1/5;生活服务型景观类型在流域内零星分布, 所占比例很小, 分别占流域总斑块数、斑块总面积、斑块总周长2.58%, 1.66%和2.44%。生态防护型、经济生产型、生活服务型三大景观功能类型之间的斑块数量比例约为4.39:1:0.14, 斑块面积比例约为3.63:1:0.08, 斑块周长比例约为4.07:1:0.13。这一结果表明, 流域内生态防护型景观面积比例已经达到历史最高水平, 构成流域景观的主体。

2.4 县南沟流域自然景观与人类主导景观的构成

自然景观是指基本维持自然状态、人类干扰较少的景观, 包括:山地景观、水文景观、森林草原景观等(王礼先等, 1999); 人类主导景观是指人类活动对景观演化起主导作用的各类景观, 包括经营景观、人工景观和文化景观等(生态学名词审定委员会, 2006)。由图 3可以看出, 由于长期的人为活动干扰, 县南沟流域内自然景观被侵占、切割, 形成目前自然景观与人类主导景观相间分布的格局。由表 5可以看出, 流域内自然景观与人类主导景观面积之比约为1:2, 而自然景观与人类主导景观的斑块数量比、斑块周长比均小于面积比。二者相比, 自然景观的分布较为整体, 人类主导景观的分布较为零散。

2.5 县南沟流域三大景观功能类型与自然景观-人类主导景观之间的关系

人类通过自身活动对自然环境进行改造, 不同的改造方式, 对流域景观产生不同的影响。自然景观由生态防护型景观类型中天然植被部分构成; 人类主导景观由生态防护型景观类型中的人工植被、经济生产型景观类型和生活服务型景观类型组成(林洋等, 2010)。由表 6可以看出, 人类主导景观中, 生态防护型景观类型的斑块面积和斑块周长约占人类主导景观的2/3, 斑块数量占人类主导景观的近3/4, 说明生态防护型景观类型是构成人类主导景观中的主要部分。经济生产型景观类型的斑块数量、斑块面积、斑块周长分别占人类主导景观的24.47%, 31.90%, 28.22%。生活服务型景观类型的斑块数量、面积分别占人类主导景观的斑块数量面积的3.50%、2.49%, 所占比例很小。以上分析说明, 在县南沟流域, 人们对自然景观的改造主要以生态防护为目的, 流域居民对生态环境的重视程度达到历史最高水平。

3 结论与讨论

通过对县南沟流域景观类型和功能类型构成的分析可以看出, 整个县南沟流域景观类型多样, 斑块数量丰富, 人类活动对流域景观构成及功能类型构成影响大, 尽管存在景观整体粒级微小、景观破碎等问题, 但县南沟流域三大景观功能类型比例基本适宜, 景观构成已经达到相对较好的状态。这主要归因于政府退耕还林(还草)政策的实施、当地居民生态防护意识的提高以及中国科学院水土保持研究所等单位的技术支撑。就全流域来看, 县南沟流域生态防护型景观面积已超过3/4, 实施退耕还林(还草)政策效果显著。未来主要任务是稳定退耕还林(还草)补贴和造林种草补助政策, 加强林地、草地管护, 防止不合理的工程占用, 杜绝“复垦”现象发生, 巩固退耕还林(还草)成果。

3种景观功能类型在一个健康的流域中是不可缺少的, 三者在面积上此消彼长, 在功能上相互依存。其中, 生态防护型景观是基础, 为流域经济生产和居民生活提供适宜的生态环境; 生活服务型景观是必要的组成部分, 为流域居民日常生活提供必不可少的场所和服务; 经济生产型景观是流域经济发展的动力, 为提高居民生活水平提供持续的支持。当3种景观功能类型均能充分发挥其功能时, 流域景观功能类型的构成比例就是健康的。在满足人类生活和生产需要的基础上, 生态防护型景观面积最大、分布最合理时, 流域生态最安全。随着流域居民需求的增大, 经济生产型和生活服务型景观斑块必然扩张, 一旦超过景观功能类型合理的构成比例范围, 就会导致流域水土流失加重, 生态失衡, 威胁流域居民正常的生产和生活。所以, 合理的景观功能类型构成比例存在一个范围区间, 在这个区间内, 即使生态防护型景观面积减小, 也不会导致明显的生态失衡, 一般来说, 自然条件良好的地区合理区间大, 自然条件恶劣的地区合理区间小, 同样规模的调整可能会对自然条件恶劣地区产生更大的影响, 所以, 黄土丘陵沟壑区景观构成比例的调整必须慎重。

对于县南沟流域来说, 坡度大于25°的坡耕地已退耕, 宜林宜草区已绿化, 生态防护型景观面积已基本稳定, 能够支撑小流域生态安全, 未来主要通过提高林草质量、扩大灌草面积、压缩乔木林面积、引入乡土树种促进天然化发育等措施提高生态防护型景观的质量; 经济生产型景观如农田、果园能够满足当地经济持续发展的要求, 油田建设用地将会增加, 未来的主要任务是防治油田开发对生态防护型景观及经济生产型景观中的基本农田和无公害果园的过度侵占和污染, 将其规模和布局控制在合理的范围内; 生活服务型景观(如村庄、水库、道路等)基础设施斑块面积已基本定局, 能够满足流域居民日益增长的需要, 未来主要任务是使布局更加合理。

在县南沟流域, 生态防护型景观根据人为干扰程度可以分为自然景观和人类主导景观, 其中自然景观主要由天然灌草构成, 经过长期的相互融合, 能形成大面积杂灌、杂草群落, 斑块粒级较大; 人类主导景观, 主要由退耕还林(草)形成的人工乔木、灌木及草地构成, 由于原有耕地破碎, 形成的人工植被斑块也比较破碎, 斑块粒级微小, 这些人工植被大多龄级偏小, 物种单一, 水保功能不稳定, 群落多样性较低, 有些物种甚至不能完成自我更新。在这种情况下, 促进人工植被天然化发育, 促进人工和天然植被的融合, 能够有效解决这种困境, 而这种融合必然导致一部分人工微小斑块消失, 流域景观粒级增大。就目前来看, 县南沟流域景观粒级增大有利于流域健康。

本研究采用以地形图为基础、现地勾绘植被斑块图的方法, 这是一种精确的实用技术, 可以将斑块类型精确到优势种, 在植被斑块识别, 特征信息获取, 尤其是在黄土高原丘陵沟壑区小尺度斑块精细划分上具有明显优势, 但这种方法劳动强度大, 信息获取周期长, 要求画图人员具有专业野外识图、绘图能力(林洋等, 2010); 遥感影像解译技术, 能够满足人们快速识别与获取不同信息的需要(秦其明, 2000), 景观类型边界相对清晰, 但是, 目前在操作中存在相似色调误判的问题, 例如将森林误判成灌木, 撂荒地误判成农田, 更无法将斑块类型精确到优势种。建议将现地勾绘和遥感图像解译2种方法相结合, 以确保获取数据的快速精确(林洋等, 2010)。

景观构成是景观分布格局和景观动态研究的基础, 在获取流域高程模型和不同治理阶段景观构成的基础上, 能够获得流域景观在不同地形(海拔、坡度、坡向)、不同治理阶段的分布状况, 研究流域景观在四维的分布变化规律, 值得进一步探索。黄土高原丘陵沟壑区各个小流域景观具有相似的历史背景和人为破坏史, 因此, 县南沟流域景观构成比例、分布格局对同类地区小流域治理有参考意义。