（土壤学专业论文）北京山区景观格局演变及其环境影响分析——以门头沟区为例.pdf

摘要 伴随着人1 3 的快速增长和社会经济的迅速发展，山地资源和环境问题已成为人类关注的重大 问题之一。充分了解山区景观格局的变化情况不仅对山区的经济发展具有重要意义，而且还可 以正确引导生态环境的建设保证山区资源的有效开发，实现山区土地资源的可持续利用。 本文基于景观水平上，围绕门头沟区景观格局的动态变化、环境特征演变、景观类型的相互 转换及景观格局变化对生态环境的影响展开分析，结果表明： ( 1 ) 在整个研究区中，林地始终是优势景观，园地、林地和建设用地景观的边缘效应更加显 著。除耕地外的其他景观类型相互之间的干扰较少，景观连接性良好，但部分景观类型以零散细 小的斑块存在。使得景观整体表现出破碎化加重的趋势。 ( 2 ) 自然环境差异影响着景观格局变化的速率和方向，耕地、园地、林地、牧草地主要通过 温度条件、光照条件、土壤性状、水土流失等因素的差异来反映其在高程、坡度、坡向、土壤、 母质上的变化。而建设用地、交通用地、水域和未利用地则侧重于地形特征来分析景观在高程、 坡度、坡向的变化。 ( 3 ) 从景观类型转化矩阵入手，可以分析景观类型的净变化和交换变化情况，并通过实际转 移面积百分比与相应的理论频数的对比来总结景观类别的转化规律。 ( 4 ) 对生态体系空间结构合理程度的判断是通过景观优势度来反映的优势物种在很大程度 上决定着生态体系的性质，对生态体系的动态变化起着主导作用。备分区林木景观的组成状况对 涵养水源、保持水土都具有重要作用，景观的功能和稳定性深受人类干扰的影响，可以应用散布 与并列指数、聚集度和景观多样性来反映生态体系的阻抗干扰能力。 关键词：景观格局：环境特征演变；类型转换：生态环境影响 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o p u l a t i o ns o c i e t ya n de c o n o m i c ，m o u n t a n i o u sr e g i o na n de n v i r o n m e n t i s s u e sh a v eb e e no n eo ft h em o s ta t t e n t i o n a lp r o b l e m s k n o w nt h ec h a n g eo fl a n d s c a p ep a t t e r n s u f f i c i e n c yn o to n l yh a v es i g n i f i c a n tm e a n i n g sf o rt h ee c o n o m i cg r o w i n g ，b u ta l s o c a nl e a dt h e c o n s t r u c t i o no fe n t i r o n m e n tr i g h t l y , e n s u r et h ee f f e c t i v ee x p l o i t a t i o no fm o u n t a i n o u sr e s o u r c e ，a c h i e v e t h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to f m o u n t a i n o u sl a n dr e $ o u r c 七 i n t h i sp a p e r , b a s e d0 1 3t h el e v e lo fl a n d s c a p e a n a l y s i sa r ee n c l o s dt h ec h a n g i n gf e a t u r eo f l a n d s c a p ep a t t e r n ，e v o t u t i v er u l e so fl a n d s c a p ee n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，t r a n s f o r m a t i o na m o n g l a n d s c a p et y p e sa n dt h ee f f e c to ne n t i r o n m e n to fc h a n g el a n d s c a p ei nm e n t o u g o u d i s t r i c t a l lt h er e s u l t i n d i c a t e st h a tf o r e s t r yl a n di st h ed o m i n a n c el a n d s c a p e e d g ee f f e c t so fg a r d e nl a n da n df o r e s t r yl a n da n d m s i d e n t i a la n di n d u s t r i a la r e ad i s t i n c t l y b e s i d e sc u l t i v a t e df i e l d s ，o t h e rl a n d s c a p eh a v el e s si n t e r f e r e n c e ， l a n d s c a p ec o n n e c t i v i t y i sw e l l ，i nt h el a n d s c a p e 。m o s to ft h ep a t c h e sa r es m a l la n dd i s p e r s e ， f r a g m e n t a t i o no f l a n d s c a p ea r ew o r s e e n v i r o n m e n t a ld i v e r s i t ya f f e c t ss p e e da n dd i r e c t i o no fc h a n i g e si nl a n d s c a p ep a t t e r n ，c o m p a r e d w i t h1 9 9 0 ，c u l t i v a t e df i e l d sa n dg a r d e nl a n da n df o r e s t r yl a n da n dg r a s s l a n dc o n s i d e rt h ef a c t o r so f t e m p e r a t u r e ，i l l u m i n a t i o n , t h ec o n d i t i o no fs o i la n ds o i le r o d et or e f l e c tt h ec h a n g ei na l t i t u d e ，s l o p e ， a s p e c t ，n a t i v er o c ka n ds o i li n2 0 0 4 r e s i d e n t i a la n di n d u s t r i a la r e aa n dn - a n s p o r t a t i o ni n s t a l l a t i o na n d w a t e ra r e aa n du n e x p l o i t e di a n d 黜i n c l i n e dt ou s ec h a r a c t e r so ft e r r a i nt oa n a l y s i st h ev a r i a t i o ni n a l t i t u d e ，s l o p e ，a s p e c td u r i n gt h es t u d yp e r i o do f t i m e t h r o u g ht h el a n d s c a p et r a n s f o r m a t i o nm 出a n a l y s i s , l a n d s c a p en e tc h a n g e s w a pc h a n g ec a nb e r e f l e c t e d c o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lp e r c e n to f t r a n s f o r m a t i o na r e aa n dt h e o r e t i cf r e q u e n c eo f i t ，t h el a w o f t r a n s f o 仃n a t i o na r es u m m 捌z e d t h er a t i o n a l i t yo f t h es p a c es t r u c t u r eo f e c o l o g ys y s t e mi sr e f l e c t e db yd o m i n a n c ei n d e x , t h e d o m i n a n ts p e c i e sd e c i d et h ep r o p e r t yo f e o o l o g ys y s t e ma n dd y n a m i cc h a n g eo fi t t h ec o m p o s i t o no f f o r e s tl a n d s c a p eh a v ei m p o r t a n te f f e c t so ns e l f - r e s t r a i n ts o u r c ea n dp r e s e r v el a n d t h ef u n c t i o na n d s t a b i l i t yi sa f f e c t e db yh u m a ni n t e r f e r e ，i n t e r s p e r s i o na n d j u x t a p o s i t i o ni n d e xa n dp a t c hc o h e s i o ni n d e x a n ds h a n n o n sd i v e r s i t yi n d e xc a nb eu s e dt or e f l e c tt h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo f e c o l o g ys y s t e m k e yw o r d s ：l a n d s c a p ep a t t e r n ；e v o l u t i v er u l e so fl a n d s c a p ee n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c ；l a n d s c a p et y p e t r a n s f o r m a t i o n ；t h ee f f e c to ne n t l r o n m a n tc h a n g e i i 独创性声明 y9 3 8 7 5 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：互蔷 时间：，耐年多月肜日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名； 导师签名： 王蔷 毒气刁 时问；匈形年歹月4 日 时间： 撕萨护，尸日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及研究意义 伴随着近半个世纪以来人口的快速增长和社会经济的迅速发展，山地资源和环境问题己成为 人类关注的重大问题之一。北京市是一个多山的地区，山区资源的开发、利用与环境保护在实现 可持续发展战略中占有非常重要的地位，复杂的山区地形形成了丰富多样的山区土地资源，为 农林牧副产业的综合发展提供了有利的条件。但是长期以来。由于对山区土地资源缺乏正确的认 识，土地利用格局极不合理，造成了水土流失、地退化、山地灾害、生态环境恶化等环境问题。 山区土地资源没有得到合理的开发，不能充分发挥山区优势，人民生活困苦。因此，合理利用山 区资源对山区经济发展和生态环境建设具有重要意义。 近些年，门头沟区的景观格局发生了很太的变化，景观格局豹变化影响了许多生态现象，如 动物的迁徙、地表水的径流、侵蚀和物种的多样性及干扰的传播或边缘效应等，因此，如何实现 景观格局的定量化研究，如何对景观的动态变化进行分析，景观的动态变化对生态环境有哪些影 响等都是山区景观生态规划需要解决的问题。因此，对这些问题的研究不仅可以实现景观格局的 优化，而且可以正确； 导生态环境的建设，保证山区资源的有效开发实现山区土地资源的可持 续利用。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 景观格局分析国内外研究进展 景观格局分析是景观生态学基本理论研究的重要组成部分，也是景观生态评价、规划、管理 及建设等应用方向的基础。分析目的在于从看似无序的景观中发现潜在的有意义的有序或规律， 并把景观的空间特征与时间过程联系起来，研究其随时间的变化、演替和外界干扰对景观结构的 影响希望能确定产生和控制景观格局的因子和机制，从而能够更为清楚地研究和把握景观结构 与生态过程相互作用的内在规律性这对于区域生态环境状况评价是十分有效的手段。 在景观格局研究方面，以美国学派最为活跃和成熟。以f o r m a n ( 1 9 9 5 ) 、e g r i s s e r ( 1 9 8 4 ) 、 m t i l r l l e r ( 1 9 8 9 。1 9 9 1 ) 等为代表的美国学派，把景观生态学研究建立在现代科学和系统生态学 基础上形成了从景观空间格局分析、景观生态功能研究、景观动态变化分析一直到景观控制和 管理的一整套方法从而成为当今景观研究的熏心与主流。其在研究景观格局与功能方面有不少 成功范例，如f o r m a n 按景观元素的构型和结构特征划分了四种基本景观类型它们是散置斑块 景观、网络景观、交指状景观和棋盘格子景观，并同时研究了决定这些空间结构特征的因素与参 数以及不同景观结构对其生态过程的影响。又如许慧( 1 9 9 3 ) 对法国西部乡村树篱网景观结构与 其间多种物种分布格局之间的关系进行研究，深刻反映出网络结构对各种生物流运动的重要控制 功能。 我国景观格局研究从1 9 8 9 年召开的第一届全国景观生态学讨论会之后有了长足进展，也涌 现出一批高水平的论文。从所发表文章的研究工作来看，我国目前景观格局研究受北美学派的影 响很大，研究主要集中于对景观的结构、功能和动态研究上。以肖笃宁( 1 9 9 0 ) 对沈阳西郊景观 l 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 结构变化的研究作为典范，我国学者运用北美学派的研究方法开展了内容涉及流域景观( 崔海亭， 1 9 9 i ) 、城市与城郊景观( 肖笃宁，1 9 9 0 ；谢志霄，1 9 9 6 ) 、农业景观( 傅伯杰，1 9 9 5 ：张柏，1 9 9 8 ) 、 湿地景观( 王宪札，1 9 9 7 ) 、森林景观( 邵国帆，1 9 9 1 i 郭晋平，1 9 9 9 ) 、沙漠景观( 常学礼，1 9 9 8 ) 、 干旱区绿洲景观( 王根绪1 9 9 9 ) 等的景观结构与动态变化研究。很多论文应用了g i s 、遥感与 统计分析模型等先进方法和手段，其中以傅伯杰( 1 9 9 5 ) 在这方面开展的工作较为突出。他在对 陕北米脂县黄土区农业景观的空间格局研究中，将g i s 和景观空间分析模型相结合，用g i s 显示 景观的空间分布，用定量模型测定景观的空间格局并取得了更为精确的分析结果，从而为当地的 资源优化管理提出合理建议。 1 2 2 景观格局分析方法研究综述 近年来，国内外对景观格局分析的方法研究也不断发展。李哈滨( 1 9 8 9 ) 对分析景观结构或 空问格局的方法总结为作图法、概率分布法、指数法、空阔相关法、地统计学法、图论。其它方 法还有变量的空间自相关分析( s p a t i a la u t o c o r r e c t i o na n a l y s i s ) 、趋势面分析( t r e n ds u r f a c e a n a l y s i s ) 、谱分析( s p e c t r a l a n a l y s i s ) 、分形分析( f m c t a l a n a l y s i s ) 、半变异方差分析( s e m i v a r i o g r a m a n a l y s i s ) 以及克里格( k r i g i n g ) 空间差值法等( 0 n d l l ，1 9 8 8 ，1 9 8 9 ；n a v e h ，1 9 9 4 ：r o y ，1 9 9 6 ) 。 笼统的讲，这些方法可分为格局指数法和空间统计学方法。当前地理信息系统( g i s ) 和遥感( r s ) 技术的发展与应用也成为景观结构与动态分析的基本手段，它们与其它方法紧密结合以提供反映 景观结构特征和动态变化特征的空闻模型。在g i s 环境中，景观类型数据通常被存储成两种格式， 一种是栅格数据( r a s t e rd a t a ) ，另一种是矢量数据( v e c t o rd a t a ) ，前者以网格来表示景观表面特 征，每一个网格对应于景观表面的某一面积，如遥感数据等；后者则以点、线和面表示景观的单 元和特征。同样景观数据也包括空间的和非空间的两种形式，空间数据又可分为点格局数据、定 量空间数据和定性空间数据。非空间数据为不具有空间位置关系的数据源。 空间格局的分析步骤( 邬建国，2 0 0 0 ) 般包括：分析研究区域总体特征：收集和预处理数 据( 如野外考察、测量，遥感、图像处理等) ：将数据进行分类并形成景观类型数据：选用适当 的格局分析方法进行知识、规律和信息挖掘；对分析结构加以解释和综台。 景观格局分析常常需要运用各种定量化的指标来进行景观结构描述与评价、构建有关模型， 对景观生态系统空间特征的度量及其指标体系的建立是空间结构研究的深化方向。这种量化分析 不仅有助于人们对景观格局的理解，丽且可以将景观格局与景观过程紧密联系，为了解景观结构 与格局的发生和发展机制，解释各种复杂的景观现象奠定基础。目前，景观生态学已发展了一套 较成熟的景观结构测定、描述和统计的指标体系，从定性分析向定量方法拓展取得了很大进展， 由此产生了很多的景观指数( l a n d s c a p ei n d e x ) ，而随着新技术的发展。还有大量出现、不断完善 的数量分析方法。 景观指数是指能够高度概括景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单 定量指标，已成为定量研究景观格局相动态变化的主要方法之一( 郭晋平，2 0 0 1 ) 。景观指数可 用来描述和表征景观类型之间的分布状况、空间配鼍关系和优势度，也可用来描述和监测景观结 构特征随时间的变化，识别景观中生态学特征的空间梯度( f o r m a n ，1 9 9 5 ；傅伯杰等，2 0 0 1 ) 。 大量文献已经讨论了景观格局分析指标和分析方法( ( y n e i l l ，1 9 8 8 ：t u r n e r ，1 9 8 8 ；肖笃宁1 9 9 1 ： 2 中国农业大学硕士学位论文 第一草鳍记 _ _ 目_ _ | 目s 目i 一l _ ! ! ! - ! g f o m i a n d g o r d r o n ，1 9 9 5 ：邬建国，2 0 0 0 ) 它为揭示景观结构与功能之间的关系、描述景观动 态变化特征提供了研究思路。 据统计，目前用来描述和解释景观格局的指数多达1 0 0 个以上，但是许多景观结构指标之间 有高度的相关性。r i i t t e r s 等( 1 9 9 5 ) 利用8 5 张土地利用图为基本数据对5 5 个景观指数用相关 分析、因子分析法进行了两次维数压缩，将5 5 个景观指标压缩成具有代表性的5 维( 前5 维都 共有 1 的特征根，且能解释5 5 个景观指数的3 3 的变异) 。最后经综合分析。选定5 个景观指 数认为这5 个景观指数既相互独立，又能比较全面地描述景观格局的各个方面，这5 个景观指 数分别是：( 1 ) 平均斑块周长面积比( a v e r a g ep a t c hp e r i m e t e r a r e ar a t i o ) ：( 2 ) 蔓延度( c o n t a g i o n ) ( 3 ) 相对斑块面积( a v e r a g ep a t c hp e r i m e t e r a r e ar a t i oo r t h o g o n a la d j u s t e d ) ：( 4 ) 基于周长面积比 的分维数( f r a c t a ld i m e n s i o nf r o mp e r i m e l c i a r e ar a t i o ) ：( 5 ) 斑块类型数( n u m b e ro f c l a s s e s ) 。 e l i d e 等( 1 9 9 9 ) 依据许多景观指标的不同作用和地位把它们归类成三类：即用于流域完整性的 指标，用于景观稳定性与弹性恢复的指标和用于生物完整性与多样性的指标。其中，基于信息论 的优势度指标( d o m i n a n c e ) 和蔓延度指标( c o n t a g i o n ) ，基于分形几何学的分维数指标( f m c t a l d i m e n s i o n ) 这三个指标在以上的三种分类中排名最高。总之。虽然景观指数的数目繁多t 但大 多数属于以下几类：信息论类型面积与周长比类型，简单统计学指标类型，空间相邻或自相关 类型及分维类型。这些指数相互之间的相关性往往很高，因此，同时采用多种指数( 尤其是同一 类型的指数) 往往并不增加“新”信息( r i i t t e r s 等，1 9 9 5 ) 。对于什么是一个“好”的、适应性 和描述性“强”的景观指数，目前还未形成统一标准。o n e i l l 等( 1 9 8 8 ) 认为，运用景观指数或 指数体系描述景观格局时必须考虑3 个方面问题：( 1 ) 指数体系之间是否满足统计上相互独立的 要求，即指数体系中的各个指数能否相互独立地描述景观格局的不同方面；( 2 ) 景观指数或指数 体系对生态过程或数据中错误的敏感程度；0 ) 景观指数随空间分辨率是如何变化的。他们还提 出了景观指数应用的一些经验性原则如斑块大小至少是像素的2 至5 倍景观大小至少是斑块的 2 至5 倍等。 随着景观格局定量化方法取得新进展。对景观格局的变化研究成为国内外学者又一个重要的 研究方向。建立一套度量景观结构的动态变化指标体系，是对景观结构度量体系的进一步完善与 发展。如o d u m 和t u l t l e r ( 许慧等，1 9 9 3 ) 利用1 9 3 5 年到1 9 8 5 年共计五十年的美国佐治亚洲景 观和资源情况的资料对其景观结构交化的研究涉及土地利用变化、景观空间格局、景观多样性 以及模拟景观结构变化四个方面，同时还研究了该州土地利用变化的生态学影响和资源利用趋 势，井根据该州景观结构变化研究结果提出了六点生态环境保护建议。在遥感影像与g i s 结合的 基础上，l u q u e ( 2 0 0 0 ) 对新泽西国家森林保护区的景观组成与结构动态变化进行了研究。并用 景观结构指标对人类活动与自然干扰对景观变化的影响进行评价，结果表明，在1 6 年研究期间， 自然和人类的干扰导致景观结构( 斑块数目、大小和形状) 变化及产生的镶嵌景税，体现了一系 列尺度干扰机制作用的特征。s e i x a s 根据1 0 年l a n d s a tt m 图像，提取出景观异质性指标植 被和土壤变量，并将其用于推断荒滇化过程。结果证明，从生物量上推算出的景艇异质性增加与 荒漠化正反馈模型一致。国内类似的研究起步相对较晚，其中肖笃宁( 1 9 9 0 ) 关于沈阳西郊景观 动态变化的研究和曾辉( 2 0 0 3 ) 关于珠江三角洲东部地区城市化景观动态变化的研究是国内景观 动态遥感应用研究中比较有代表性的工作。赵景柱( 1 9 9 0 ) 对此也进行了有益的# 蔗索，并建立了 两种动态指标序列：一种是单向动态指标序列。用( i ；( t ) 】( i - - i ，2 ，1 3 ) 表示，其中包括 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 类斑均度、斑均度、类斑散度、斑散度、斑块贴近度、斑块形状指标、类斑丰度、斑丰度、带丰 度、带斑比、边缘强度、景观网络的连通度和环度指标；另一种是总体动态指标序列( i ( t ) ) ， 它可以从总体上体现景观空间格局的自然演替规律和人类活动开发规律。另外，美国环保局( e p a ) ( 1 9 9 4 ) 认为景观结构的变化也可以用优势度( d o m i n a n c e ) 、蔓延度( c o n t a g i o n ) 和分数维( f r a c t a l d i m e n s i o n ) 这三个指标来描述，通过计算三维的欧氏距离公式来分析景观结构变化： c h a n g e = ( x 1 x 2 ) 2 + ( y i - y 2 ) 2 + 2 56 的坡地约占到 总面积的7 0 以上， o 平均邻近指数( m e , m p r o x i m i t yi n d e x ，p r o x - m n ) 单位： 平均邻近指数能够度量同类型斑块间的邻近程度以及景观的破碎度，如平均邻近指数值小， 表明同类型斑块间离散程度高或景观破碎程度高；平均邻近指数值大，表明同类型斑块间邻近度 高，景观连接性好。研究证明平均邻近指数对斑块间生物种迁徙或其它生态过程进展的顺利程度 都有十分重要的影响。 一槲：遂2 ( 公式3 - 1 8 ) 中国农业大学硕士学位论文 第三章景观格局变化分析 等 p r o x m n ：l 二! ! ：! ：! ：尘 ( 公式3 - 1 9 ) 川 其中，p r o x - m n = 0 时说明在给定搜索半径内没有相同类型的两个斑块出现。平均邻近指数的 上限是由搜索半径和斑块问最小距离决定的。 3 2 3 景观异质性指数 异质性( h e t e r o g e n e i t y ) 是景观的重要属性。定量描述景观异质性在景观生态学研究中常常 是必需的( 李啥滨等，1 9 9 2 ) 。景观异质性可以通过斑块密度、边缘密度、景观多样性和景观聚 集度等指标加以描述和分析。 斑块密度( p a t c hd e n s i t y ，p d ) 单位：个，平方千米 斑块密度包括景观斑块密度( p d i ) 和景观要素斑块密度( p 阢) 。景观斑块密度是指景观中 包括全部异质景观耍索斑块的单位面积斑块数。景观要素斑块密度是指景观中某类景观要素的单 位面积斑块数。斑块密度是景观破碎度的直接反映它们可以用来反映景观被分割的破碎程度 反映最观空间结构的复杂性，在一定程度上反映人为活动对景观的干扰程度。计算公式如下： p d 。= 等0 0 0 0 0 ) o o o ) p d 。= - 筹( 1 0 0 0 0 ) (