基于景观生态学的东北典型黑土区水土流失治理研究

基于景观生态学的东北典型黑土区水土流失治理研究

0生态工程建设与区域尺度的关系人类活动是景观变化的重要动力。在景观生态学中,以往关注的重点是人类活动的负面影响,包括不合理人类活动对景观结构的破坏和作为一种干扰因子对景观功能的损害。生态建设是人类能动恢复和重建受损生态系统的重要措施,是一种积极的人类活动。在自然环境日益受到破坏、生态危机不断出现的今天,尤其在中国人口压力大、经济欠发达的国情下,生态建设战略更为必要。加强区域生态建设,维护国土安全已成为国家的战略需求。农业景观是受人类活动强烈影响的景观类型,农业地区的景观变化主要表现为人类对土地的垦殖、城镇化等造成景观空间格局变化,进而影响景观要素间的能流、物流和物种流等生态过程。对于生态农业或农区生态建设的研究一直是国内农林生物科学和资源、生态、环境科学的重点之一,但多数均为技术层面的应用研究,从景观和区域的宏观尺度所进行的基础性研究较少。区域或景观生态建设是在较大空间尺度范围内,经过合理安排和组织,对景观单元的优势比重和空间配置进行调控,使地区社会经济发展的同时,自然环境不发生退化,甚至持续好转的人类活动。运用格局—功能的思路,在区域尺度上研究生态建设工程对景观影响与调控的定量评价和典型案例还不多。本文尝试以此为切入点,选择全国生态建设的先进典型-黑土区拜泉县为例,在县域空间水平上,探讨区域生态建设对农业景观结构与水土保持功能的影响,为定量评估人类活动的景观生态影响探索研究思路,也为当地或同类地区土地利用结构调整和农业可持续发展规划提供科学参考。1研究领域的总结和研究方法1.1农业生态环境拜泉县位于黑龙江省中西部(125°30′～126°31′E,47°20′～47°55′N),小兴安岭余脉向松嫩平原过渡地带,总面积3599km2。地形地貌:低丘陵(30%)—波状高平原(47.1%)—平原(16.6%)—漫滩地(3.8%);土壤(类):黑土(67.86%)—黑钙土(14.36%)—草甸土(17.21%)—沼泽土(0.45%)—盐土(0.22%);植被:垦前为草原和森林植被,现为部分天然次生林、天然草地和人工林;气候:温带大陆性季风气候,年均温1.2℃,年均降水量488.2mm。耕地占总土地面积的70%,农业人口占总人口的90%,属于黑土丘陵漫岗区典型农业县,是中国重要的商品粮生产基地之一,同时又是水土流失严重的县域,20世纪70年代末水土流失面积占总面积的59.9%。由于历史上乱砍滥伐森林和毁草开荒,建国后人口压力逐渐加大,以及政策和管理上的失误,使该县自然环境受到严重的破坏。20世纪70年代末森林覆盖率仅为3.7%,黑土层厚度由1m下降到0.3m,土壤有机质由8%下降到3%,水土流失面积2.15×105hm2,其中风蚀面积4.8×104hm2,自然灾害不断,农田产量低,农民年收入不足百元,农业生产和社会经济发展面临严峻的挑战。20世纪80年代初期该县开始试点生态农业建设,1986年提出以小流域为治理单元的生态建设战略决策,经过多年来大规模植树造林、治坡治沟和小流域综合治理,生态环境有了明显的改观。生态建设在全县尺度上推进,规模大、历时长、效果卓著,具有区域或景观生态建设的特点。本文以1989～2002年县域空间水平景观类型转移与布局调整,林网宏观结构变化,水库塘坝蓄水调洪与灌溉功能变化为研究对象,定量分析区域生态建设工程对农业景观结构与水土保持功能的调控。1.2学习方法1.2.1基础地理信息技术中国科学院卫星遥感地面站:拜泉县遥感数据(1989年8月2日Landsat-5TM,2002年8月30日Landsat-7ETM+)。国家基础地理信息中心:拜泉县1∶10万地形图(1969年)。拜泉县土地局1∶10万土地利用现状图(1989年)、林业局1∶5万森林资源分布图(1989年)、水利局1∶10万小流域及水库塘坝分布图(2001年);拜泉县水利志、土地利用调查报告和统计年鉴等文字资料。在遥感影像处理软件ERMapper(5.5)支持下进行影像和纸质图件的几何精校正(RMS<1),地理信息系统GIS下数字化以上纸质图件并进行投影定义和格式转换。1.2.2景观类型的确定及遥感解译景观分类系统依据《中国土地利用现状调查技术规程》,综合本文研究目的和野外考察结果等因素而制定。菜地、园地面积较小,归并于旱地。林网较多,将乔木林地划分为块状乔木林地和线状乔木林地(林网)。最终将拜泉农业景观确定为6个一级类型(耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地),15个二级类型(旱田、水田,块状乔木林地、林网、灌木林地,天然草地、人工草地,河流、水库、塘坝,城镇、农村居民点、公路,荒芜地和沼泽)。结合以上数字化纸质图件,在GIS支持下,人机交互目视解译遥感影像得到景观类型数据。2003年10月和2004年6、9月进行详细的野外考察和分类验证,并利用GPS采点145个,记录每个点的空间坐标和实际地物类型等信息。利用PCArc/Info3.4D软件空间分析功能将野外GPS实测点与影像空间连接评价影像解译精度,解译结果的分类总精度为82.07%。1.2.3模型计算和分析方法选择类型水平的斑块总面积(CA)、类型面积百分比(PLAND)、斑块数(NP)、周长—面积加权分维数(PAFRAC)、邻接指数(PLANDJ)等景观指数进行统计分析。指数由景观格局分析软件FRAGSTATS3.3计算获得。GIS支持下生成景观一级类型耕地、林地、草地、建设用地和未利用地的空间转移矩阵,分析13a来景观类型变化的数量和空间关系。Arc/InfoGIS平台上,计算林网条数、面积、接点数、网格数等结构参数值,代入林网景观度量指标计算带斑比、优势度、连接度和环度,通过网格面积统计,并与耕地空间叠加估算林网防护农田面积。利用GIS将地形图等高线生成数字高程模型DEM(30m×30m),并产生坡度图。在水文分析模块中提取水库塘坝的汇水区,并与景观要素图、坡度图叠加统计集水区面积、集水区坡耕地面积和灌溉水田面积。景观格局指标见表1。2结果与分析2.1不同时期的格局指数和景观转移矩阵通过对拜泉县1989和2002年景观格局的比较(取样区放大以示例林网变化)(图1),计算了类型水平上不同时期的格局指数(表2)和景观转移矩阵(表3)。从景观要素的空间分布和类型斑块面积来看,拜泉县是以耕地为背景基质,城镇和农村居民点、林草地和水体等为镶嵌斑块,道路和林带为廊道的典型基质-斑块-廊道农业景观。2.1.1林草斑块空间分布由表2可见,所有类型斑块数量均在增长,增长幅度依次为:林地>草地>耕地>水域>未利用地>建设用地。从景观类型面积百分比来看,除耕地比例有所下降外,其它类型均有所增加,其中林地增加幅度最大,增加面积达17728.56hm2。耕地在两个时期均是该县的优势景观类型,而面积和数量增长较大的是林草斑块。表明适当减少耕地面积,增加林草覆盖率是该县县域空间水平生态建设的主要措施之一。分维数和邻接指数反映了斑块空间配置的特征。从分维数来看,林地、草地和未利用地有所增加,而其它类型均有所减小,林草地的分维数增大是由于天然次生林和草原得到自然恢复和保护,未利用地的分维数增大是由于荒地和沼泽面积有所增加,而该类型受人类干预较少而保持其自然边界。耕地、水域和建设用地分维数的减小是由于具有直线边界的林带、道路、堤坝和梯田等的增加,使这些类型的斑块形状更趋规则化和简单化。由邻接指数变化可知,除建设用地的聚集度略有增加外,其它类型聚集度均在减小。这是由于随着社会经济的发展和土地利用的调整,相邻较近的居民点逐渐扩展连接,而其它类型由于斑块数量的迅速增加使类型内部各斑块之间的邻接度降低,景观的破碎化程度进一步加大。但这种破碎化主要是由于林网、片状林地和草地的增加对农田的分割所致,综合考虑农业生产和环境治理的关系,这种破碎化提高了景观的异质性,对侵蚀控制是有积极意义的。综合看来,林草斑块数量和面积以及其它生态工程的增加,使该县以前较单一的景观控制要素逐渐多样化。由耕地占绝对优势发展为林地、草地和水体比重逐渐增加的趋势。而土地利用结构和土地利用类型与土壤侵蚀强度有密切的关系。林草覆被率的提高增加了景观系统的负反馈结构,这有利于提高景观的稳定性和生产力。但是,值得注意的是,在增加相对稳定斑块的同时,要提高它们之间的连接度和聚集度,使林草斑块集中连片,以增强其侵蚀控制能力。2.1.2山地山地造林在景观类型的空间转化上,减少最大的类型是耕地,依次转移为林地、草地、建设用地、未利用地和水域,增加最大的类型是林地,依次由耕地、建设用地、未利用地、草地和水域转化而来(表3)。这表明,该县农耕地面积的减少,较大程度地转化为林地和草地。而林地的增加除来自于农田林网的建设外,城镇和村屯绿化、荒山荒坡造林力度的加大也是林地大面积增加的重要原因。通过13a来土地利用调整和生态建设,具有较高侵蚀控制能力的林草地得到了很好的恢复和保护。2.2林网网格数量和面积从林网面积、林带条数、带斑比和优势度以及防护农田面积来看(表4),经过13a的进一步建设,林网的数量和分布均匀程度有了较大的提高,其面积增加了4126.98hm2,优势度提高了近7个百分点,结点数和网格数也进一步增多,防护农田面积从48.1%提高到82.2%。农田防护林在全县基本形成了一个比较完整、集中连片的防护体系。但用宏观度量指标来全面衡量,尽管林带增加较多,其连接度和环度却略有下降。这是由于在采伐更新过程或继续造林过程中,林网连接性和环通性受到了补植及时性或地形地势限制性的影响而造成部分缺带断带。网格是林网防护系统的基本单元,它的数量、大小和成型状况与有效防护面积密切相关。提取不同时期林网网格,按照当地设计标准为500m×500m,以相应>25hm2和≤25hm2分级,计算不同大小网格的数量和面积(图2),结果显示大于设计标准25hm2的网格比例还较大(分别为39.4%和32.3%)。截止到2002年,拜泉县林网的经营方向除继续适当增加数量外,更为重要的是通过补植和加带提高现有林网的连接度和环度,将面积较大的网格进一步分割,以使农田斑块受到全面的防护。2.3坝库系统对径流的支撑作用从1989年到2002年,水库由23座增加到138座,塘坝由65座增加到1352座,蓄水能力达到2.4×108m3,汇水面积和设计灌溉面积分别增加了157150和6958.65hm2,汇聚地表超渗径流面积达到景观总面积的43.7%(表5)。黑土丘陵漫岗坡度较小,但坡面较长,汇水面积很大,往往使流量和流速增大,从而增强径流的冲刷能力。坝库系统在拦截径流、贮蓄降水,安全排洪、发展灌溉和水产养殖等方面有重要的作用,能起到对降水径流在宏观意义上的优化时空调控。以不同时期具有灌溉配套设施的水库为例,1989年23座水库和2002年48座水库的汇水面积分别达到75600和115131hm2。更多的径流得到了集蓄利用。以水库为主要灌溉水源的稻田面积增加了937.49hm2(图3)。水库和塘坝的增加不仅为水田开发提供了水源保证,而且在拦蓄泥沙,防止河道淤积等方面也发挥了很大的作用。拜泉县1.5°以上坡耕地面积占全县耕地面积的61.6%,1.5°以上坡耕地均有不同程度的侵蚀。将集水区与坡耕旱地空间叠加,统计分析结果得出:由于水库集水面积的增加,使>1.5°坡耕地泥沙径流拦截面积增加了1420.095hm2,2002年总计达到26286.5hm2(表6)。4生态、景观结构的改善景观尺度上的生态恢复与生态重建,对改善地区生产生活条件,维持区域经济与