景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展.doc

葛方龍等：景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展 2519景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展葛方龍1, 2，李偉峰1，陳求穩(wěn)11. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京10008；2. 中國科學(xué)院研究生院，北京100039摘要：區(qū)域景觀格局演變及生態(tài)效應(yīng)研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點，對人類、自然的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。文章從景觀格局過程生態(tài)效應(yīng)的相互驅(qū)動機制及當(dāng)前的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，綜述了國內(nèi)外景觀格局及其生態(tài)效應(yīng)研究相關(guān)進(jìn)展，集中分析了當(dāng)前研究中的熱點和難點。景觀分類是景觀格局研究的基礎(chǔ)，空間統(tǒng)計分析、轉(zhuǎn)移矩陣分析和景觀指數(shù)分析是研究景觀格局演變的主要手段，新興的元胞自動機理論和方法在景觀格局演變研究中有很大的發(fā)展空間。景觀格局演變驅(qū)動力研究需對自然驅(qū)動力、社會驅(qū)動力進(jìn)行綜合考慮。不同時空尺度下，景觀格局與生態(tài)過程的內(nèi)在機制也不一樣。在此基礎(chǔ)上，提出了今后研究的一些方向，重點是：（1）景觀格局演變的內(nèi)在驅(qū)動機制研究；（2）多尺度下景觀格局和生態(tài)過程（如土壤侵蝕、養(yǎng)分流失等）的耦合研究；（3）“3S”技術(shù)、野外調(diào)查監(jiān)測與格局過程演變模擬模型結(jié)合的應(yīng)用推廣潛力。關(guān)鍵詞：景觀格局；生態(tài)效應(yīng)；土壤侵蝕；土壤養(yǎng)分 中圖分類號：X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-2175（2008）06-2511-09景觀生態(tài)學(xué)是一門新的多學(xué)科之間的交叉學(xué)科，在過去二三十年間得到了飛速的發(fā)展1?？臻g格局、生態(tài)過程與尺度之間的相互作用是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題之一1，而景觀格局的演變及其帶來的生態(tài)效應(yīng)是生態(tài)學(xué)家十分關(guān)注的問題。土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源和物質(zhì)保障，在“人口資源環(huán)境發(fā)展(PRED)”復(fù)合系統(tǒng)中，土地資源處于基礎(chǔ)地位，土地利用反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關(guān)系。1993年國際地圈生物圈計劃（IGBP）和國際全球變化人文因素計劃（IHDP）共同發(fā)起對“土地利用與全球土地覆被變化”的研究，并提出了土地利用的變化機制、土地覆被的變化機制以及區(qū)域和全球模型三個研究重點2。在IGBP和IHDP的推動下，土地利用/覆被研究成為全球變化研究的熱點，許多國際組織和國家都啟動了各自的土地利用/覆被變化研究項目。人們逐漸認(rèn)識到，人類在利用土地發(fā)展經(jīng)濟和創(chuàng)造物質(zhì)財富的同時，也對自然資源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響3。這種影響包含兩個方面的內(nèi)容，一種是有利的影響，合理的開發(fā)利用土地，能夠改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高植被覆蓋率，有利于水土保持的良性運作和生態(tài)系服務(wù)功能價值的提升；另一方面，不合理的干擾如毀林開荒、過度放牧等導(dǎo)致景觀破碎化，從而造成嚴(yán)重的水土流失，降低土地生產(chǎn)力4-5，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的逐步喪失?，F(xiàn)代景觀格局的形成通常不再是單一的自然干擾所致，而往往是自然過程與社會因素共同作用的結(jié)果。由于自然因素與人文社會經(jīng)濟的影響，土地利用結(jié)構(gòu)及土地資源的質(zhì)量不斷發(fā)生變化，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球環(huán)境的變化。分析研究區(qū)域土地利用變化過程、規(guī)律及驅(qū)動因素，了解景觀格局的形成原因與作用機制，明確景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)的影響，能夠讓人類審視與重新規(guī)劃其對自然的行為，為合理的開發(fā)自然環(huán)境，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，推動自然經(jīng)濟社會的良性發(fā)展和調(diào)控人類行為提供科學(xué)的決策依據(jù)6-7。1 景觀格局研究進(jìn)展1.1 景觀分類景觀組分和要素在景觀中是不均勻分布的，從而構(gòu)成不同的景觀生態(tài)類型8，具有異質(zhì)性；同時，景觀在自然界中不同尺度上有著不同的意義和內(nèi)容，具有等級性。正是由于景觀生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性和等級性，使建立景觀生態(tài)分類系統(tǒng)具有可能性和必要性。景觀分類是景觀格局及其動態(tài)過程研究的基礎(chǔ)，景觀異質(zhì)性則是景觀分類的基礎(chǔ)。在一定的空間尺度上，每一個景觀類型是相對均質(zhì)的，其內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)具有相對一致性。在景觀分類過程中通常將具有顯著異質(zhì)性的部分確定為不同的景觀或景觀要素類型，而將相對均質(zhì)的部分確定為相同的景觀或景觀要素。如在區(qū)域尺度上，黃土丘陵區(qū)土地利用通常可以劃分為森林、灌叢、草地、農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用土地以及水域這幾種主要類型。土地利用分類對景觀格局有非常重要的影響，如對同一景觀采取不同分類方案能夠產(chǎn)生不同景觀格局，但其影響機制目前尚不清楚9，這也是實際工作中應(yīng)當(dāng)注意的問題。景觀分類最重要的是對景觀類型進(jìn)行準(zhǔn)確的識別，這直接決定了景觀分類的精度，也是進(jìn)行景觀格局分析的基礎(chǔ)。提取景觀類型的方法有很多，早期的研究通常是集中國土、林業(yè)、測繪部門的土地覆被/利用的數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，遙感數(shù)據(jù)大量應(yīng)用于景觀格局研究，成為提取景觀信息的重要手段。監(jiān)督和非監(jiān)督分類方法是兩種最傳統(tǒng)的遙感圖像分類方法，這兩種方法都是基于光譜信息統(tǒng)計模式分類的。非監(jiān)督分類方法比較簡單，在不清楚待分類別的類型的情況下也可以使用，但是判別精度較差，所以一般只在待分類數(shù)目通常不是很多，地物、地形信息較為簡單的情況下可以應(yīng)用。監(jiān)督分類精度較高，但是需要事先建立訓(xùn)練樣本，這就需要對分類地物、地形事先有足夠的了解。值得注意的是，單一地依靠地物的光譜特征很多時候并不能反映出真實的地物類型，因此這兩種方法有時候?qū)σ恍﹫D像分類并不準(zhǔn)確，近年來，人們對這兩種方法進(jìn)行了一些改進(jìn)，如優(yōu)化迭代非監(jiān)督分類等，提高了分類的精度109。 異物同譜和同物異譜是基于地物光譜特征進(jìn)行分類過程中常常出現(xiàn)的問題，影響地物的分類精度。分形維數(shù)能有效表現(xiàn)圖像紋理的復(fù)雜度和粗糙度，從而揭示地物類型內(nèi)在的自相似性，因此，基于分形紋理特征的分類方法引起了人們的重視。由于在一定范圍內(nèi)，分形特征是獨立于分辨率和視角而穩(wěn)定存在的物質(zhì)表示量，這一特性正是這一分類方法的依據(jù)11。分形維數(shù)的穩(wěn)定性是利用分形理論進(jìn)行景觀分類所面臨的主要問題之一，還有在不同分類精度下計算量差別很大，如何提高分形維數(shù)的穩(wěn)定型和優(yōu)化計算是該方法進(jìn)一步研究的重點。人工智能技術(shù)在遙感分類領(lǐng)域中應(yīng)用的越來越廣泛和深入，典型的有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類和專家系統(tǒng)分類方法。許多學(xué)者提出應(yīng)用BP網(wǎng)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自組織映射模型等多種分類器對遙感圖像進(jìn)行分類12。采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對遙感影像分類，一定程度上可以提高分類的準(zhǔn)確性。影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類的主要因素有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、遙感數(shù)據(jù)的維數(shù)和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多少。當(dāng)前，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在著訓(xùn)練速度慢、不易收斂到全局最優(yōu)等缺點，還有較大的改進(jìn)空間。專家系統(tǒng)分類也屬于人工智能分支，由用戶界面、推理器和知識庫組成。專家分析方法和經(jīng)驗被事先輸入到知識庫中，據(jù)此對待分類影像地物的多種屬性進(jìn)行分析和判斷，并最終確定地物類型。有學(xué)者通過分析不同土地利用類型的遙感影像特征，建立起遙感專家分類決策模型庫，實現(xiàn)了不同土地利用類型信息的自動分類提取13。專家系統(tǒng)的工作主要是利用推理機制進(jìn)行，因此要充分發(fā)揮專家系統(tǒng)的推理判斷能力，數(shù)據(jù)翔實的專家知識庫顯得尤為重要，這也是建立專家分類系統(tǒng)的難點。綜上所述，景觀分類是景觀格局研究的基礎(chǔ)，而不斷豐富的遙感數(shù)據(jù)源和快速發(fā)展的遙感分類技術(shù)已經(jīng)成為景觀分類研究的主要手段，未來還有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?.2 景觀格局分析與模擬目前，景觀格局特征和格局演變的研究方法主要有空間統(tǒng)計分析、轉(zhuǎn)移矩陣分析、景觀指數(shù)分析法以及基于元胞自動機的景觀模擬等14。空間統(tǒng)計分析是最基礎(chǔ)的分析方法，利用土地利用/覆被變化遙感分類結(jié)果，可以統(tǒng)計各個類型土地的面積、比例以及不同時期各類型土地的增減狀況等。馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣分析是根據(jù)不同時期遙感影像的分類結(jié)果，采用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)學(xué)模型，通過疊加分析得到土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣，轉(zhuǎn)移矩陣可以直觀的看出某種類型土地的流失方向以及某一類型土地新增面積的來源15。景觀指數(shù)分析法是從景觀分析的角度，借用景觀生態(tài)學(xué)中的各種空間格局分析方法來分析和認(rèn)識土地利用/覆被變化的基本格局特征和演變規(guī)律16。常用的景觀指數(shù)有斑塊的面積、斑塊的周長、斑塊形狀指數(shù)、斑塊的分形分維數(shù)、斑塊平均面積、斑塊面積標(biāo)準(zhǔn)差、破碎度指數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、聚集度指數(shù)等，這些指數(shù)可以從斑塊尺度、類型尺度和景觀尺度3個層次來反映土地利用/覆被變化的格局特征17。由于目前的土地利用/覆被格局?jǐn)?shù)據(jù)主要是一種非連續(xù)的類型變量，而景觀指數(shù)又能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的基本特征，因此，景觀指數(shù)正被廣泛地應(yīng)用于目前的土地利用/覆被變化格局研究中18-,19。利用FRAGSTATS和APACK等景觀分析軟件能非常便捷的計算有關(guān)景觀指數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是，運用景觀指數(shù)進(jìn)行景觀格局研究的時候，決不能僅僅停留在對景觀變化現(xiàn)象的描述，更應(yīng)當(dāng)深入發(fā)掘景觀指數(shù)的生態(tài)學(xué)內(nèi)涵，這樣才能更有利于進(jìn)一步理解景觀格局變化的內(nèi)在機制。元胞自動機是指一類許多相同單元組成的，根據(jù)一些簡單的鄰域規(guī)則及能在系統(tǒng)水平上產(chǎn)生復(fù)雜結(jié)構(gòu)和行為的離散性動態(tài)性模型20。在景觀格局變化研究中，元胞自動機能夠利用鄰域規(guī)則，根據(jù)局部小尺度上的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬較大尺度的景觀動態(tài)變化特征。元胞自動機能夠較好的模擬景觀格局與過程，這是因為它具有自身獨特的特點和優(yōu)勢。首先，元胞自動機是一個基于微觀個體相互作用的時空動態(tài)模型，只要確定研究對象的空間以及初始狀態(tài)和轉(zhuǎn)換規(guī)則，它可以自行迭代運算，模擬景觀格局的演化進(jìn)程；其次，元胞自動機對時空信息的離散化處理很適合建立起計算機模型；再次，元胞自動機本身不受元胞空間尺度和時間尺度的影響；最后，元胞自動機的元胞結(jié)構(gòu)和GIS中的柵格一樣，所以它很方便與GIS、RS等系統(tǒng)集成。因此，元胞自動機的方法、理論很適合對時空尺度依賴性很強的景觀格局變化研究。目前，元胞自動機在城市增長、擴散模擬中取得了很多研究成果，但是對于非城市的土地利用演變模擬較少，這主要是由于轉(zhuǎn)換規(guī)則難以確定所造成，因此，雖然元胞自動機在模擬土地利用變化上具有獨特的優(yōu)勢，但是也面臨諸多困難，需要進(jìn)一步的深入研究。隨著對格局演變機制的動態(tài)研究和GIS、計算機技術(shù)的發(fā)展，元胞自動機在景觀格局演變方面的研究具有很大的發(fā)展空間。1.3 尺度問題尺度是景觀生態(tài)學(xué)研究中的一個基本概念，通常人們認(rèn)為尺度代表研究對象在空間或時間上的量度1。從本質(zhì)上來說，尺度是自然界所固有的特征，然而，基于不同的研究目的和興趣，生態(tài)學(xué)家對尺度的理解卻不盡相同，如尺度還可以是用于信息收集和處理的時間或空間單位，或者是由時間或空間范圍決定的一種格局變化等21-22。粒度與幅度是尺度的具體表達(dá)。以空間尺度為例，粒度是所取研究區(qū)域中的最小可辨識單元所代表的特征長度、面積或者體積（如樣方或者像元），幅度則是整個研究區(qū)域的范圍。景觀格局與過程的關(guān)系只有在一定尺度下才有意義，不同尺度下的研究結(jié)果往往大相徑庭，即存在所謂的尺度效應(yīng)23。不同空間尺度下的土地利用/覆被變化特征往往不同，而在相同空間尺度下，不同時間尺度的土地利用/覆被變化特征也會有所不同，非常短或非常長的時間段都有可能掩蓋土地利用/覆被變化的真實情況。尺度對于土壤侵蝕模型的預(yù)測有很大的影響，Rudi等24在黃土高原小流域的研究表明，隨著時間步長和空間柵格尺度的增加，預(yù)測的水土流失量呈現(xiàn)減少趨勢。運用土壤侵蝕模型預(yù)測土壤侵蝕量，選擇合適的時空尺度的顯得非常重要，對于黃土高原大南溝小流域而言，柵格尺度不宜大于20 m，而時間步長不應(yīng)大于30 s，否則可能造成誤差較大的后果24。傅伯杰等在黃土丘陵區(qū)的研究25也表明，在不同尺度下，土地利用與土壤養(yǎng)分、水分以及水土流失的影響機制并不相同，目前，對中小尺度區(qū)域的研究成果并不能滿足大規(guī)模綜合治理與開發(fā)的需求。因此，尺度問題與尺度分析方法也越來越受到學(xué)者的重視。尺度轉(zhuǎn)換（Scaling）是景觀生態(tài)學(xué)研究面臨的主要問題之一。尺度轉(zhuǎn)換一般來說包括尺度上推和尺度下推，由于不同尺度域下生態(tài)過程也通常不一致，怎樣提高不同尺度域下尺度轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性仍是當(dāng)前需要解決的問題26。目前，嘗試解決有關(guān)尺度問題的方法和理論很多，如分形理論27、小波分析28、譜分析29-30、回歸分析等，也取得了一些有意義的結(jié)果。近年來，陳利頂26基于“源匯”理論，針對某一具體生態(tài)過程，提出了一種跨空間尺度的景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，將景觀空間格局與生態(tài)過程緊密結(jié)合起來，取得了較好的結(jié)果。但這些方面的研究尚待深入，盡管研究的難度很大，多尺度的綜合研究必將成為土地利用/覆被變化遙感監(jiān)測研究的重要發(fā)展方向之一8。1.4 景觀演變驅(qū)動力景觀格局演變驅(qū)動力的研究也是當(dāng)前研究的熱點14。影響景觀格局的變化是多種因素綜合作用的結(jié)果，通?？煞譃樽匀或?qū)動力和社會經(jīng)濟驅(qū)動力兩大類型，而且在不同時空尺度上，兩種驅(qū)動力也發(fā)揮了不同的作用。坡度、坡向、高程以及氣候、水文和土壤等要素是影響景觀格局變化的主要自然驅(qū)動因子。在較短的時間尺度內(nèi)，氣候條件的變化占主導(dǎo)地位，對土地利用與植被覆被具有制約作用，能夠影響植物的種類及其分布。除了氣候因素之外，地形地貌也是影響景觀分異的重要因素31。有研究表明32-33黃土丘陵區(qū)斑塊形狀受地貌形態(tài)因素影響顯著，集中體現(xiàn)在林地和荒坡地上。與自然驅(qū)動力相比，人為驅(qū)動因子越來越受研究者關(guān)注。人文驅(qū)動因子主要包括人口變化、技術(shù)進(jìn)步、政治經(jīng)濟體制變革、文化價值觀念改變等。自人類社會誕生以來，社會經(jīng)濟活動對景觀結(jié)構(gòu)、功能起著非常重要的影響。人口增長、經(jīng)濟發(fā)展以及政策方面的因素與土地利用格局變化關(guān)系密切，甚至可以是導(dǎo)致區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)換的主導(dǎo)驅(qū)動因子。逐步回歸方法是當(dāng)前景觀格局演變驅(qū)動機制研究的主要方法14,19。逐步回歸分析是從一元回歸分析開始，按自變量X(景觀格局演變驅(qū)動因子)對標(biāo)準(zhǔn)變量Y(景觀格局)的作用次序，依次每步選入一個對Y作用顯著的自變量，每引入一個自變量要對此前引入的自變量進(jìn)行重新檢驗，直到選入的自變量都顯著、而未被選入的自變量都不顯著為止，從而建立起景觀格局演變驅(qū)動因子回歸方程。郭麗英34和史紀(jì)安35等對榆林市幾種主導(dǎo)土地景觀過程與社會經(jīng)濟指標(biāo)進(jìn)行逐步回歸分析，按照景觀格局演變驅(qū)動因子對景觀格局的作用次序，建立起景觀格局演變驅(qū)動因子回歸方程，從而揭示了不同的土地景觀變化與社會經(jīng)濟要素的相關(guān)關(guān)系。研究表明生態(tài)建設(shè)的政策驅(qū)動和增加農(nóng)民收入的需求驅(qū)動是土地利用變化重要原因，而區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾依然突出。1.5 “3S”技術(shù)在景觀格局研究中的應(yīng)用遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）目前廣泛應(yīng)用于不同尺度的景觀格局研究，尤其是在大尺度的土地利用變化研究方面16，利用航片或TM影像結(jié)合GIS、GPS等工具對區(qū)域景觀格局演變進(jìn)行分析已經(jīng)成為主要的研究手段?；谶b感技術(shù)的土地利用/覆被變化動態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為了定量研究土地利用/覆被變化的重要基礎(chǔ)。從遙感數(shù)據(jù)來源和精度來說36，從早先的可見光發(fā)展到紅外、微波，從單波段發(fā)展到多波段、多角度，從空間維擴展到時空維，各種不同精度分辨率互補，呈現(xiàn)多源化、多波段和高分辨率的特點，極大地滿足了不同應(yīng)用需求、不同精度的土地利用遙感動態(tài)監(jiān)測；從數(shù)據(jù)處理技術(shù)來說，針對基于統(tǒng)計方法結(jié)合人工解譯存在的解譯周期長、重復(fù)性差、對解譯人員依賴性強等不足的問題，隨著各種新理論和新方法如模糊數(shù)學(xué)37-38、專家系統(tǒng)分類法39、決策樹分類法40、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類法41-42的不斷涌現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理的精度越來越高。地理信息系統(tǒng)（GIS）擁有強大的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和空間數(shù)據(jù)建模特性，從而為土地利用/覆被變化研究提供了強大工具支持。全球定位系統(tǒng)（GPS）能夠為研究提供精確的定位支持。GPS定位精度已從百米量級發(fā)展到如今的米級，大大提高了野外定位精度。近年來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，對于海量數(shù)據(jù)處理的能力有了很大的提高。利用“3S”技術(shù)研究土地利用動態(tài)取得了很大的進(jìn)步，研究成果被大量應(yīng)用于實際生產(chǎn)。在進(jìn)行土地利用/覆被變化監(jiān)測時，關(guān)鍵是要排除干擾因素，選擇合適的動態(tài)監(jiān)測方法，以保證所得信息的準(zhǔn)確性和可靠性43。為此，更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源、更精確的分類方法和更加成熟的動態(tài)信息提取方法將是土地利用覆被變化遙感監(jiān)測今后發(fā)展的方向。2 區(qū)域景觀格局演變的生態(tài)效應(yīng)（以水土流失、土壤養(yǎng)分變化為例）2.1 土壤侵蝕的時空變異2.1.1 景觀格局對土壤侵蝕的影響 土壤侵蝕其導(dǎo)致的土壤質(zhì)量退化是全世界的重大環(huán)境問題之一，而土地用變化（LUCC）是引起土壤侵蝕變化的重要原因之一44。土壤侵蝕致使土壤理化性質(zhì)變壞、肥力下降，耕地的糧食產(chǎn)量降低，進(jìn)而致使農(nóng)民改變土地利用方式（棄耕或者種草等），嚴(yán)重的土壤侵蝕更可直接導(dǎo)致土地利用類型的轉(zhuǎn)變，如良田變荒坡45-46。土壤侵蝕是自然因素和人為活動綜合作用的結(jié)果，具體包括氣候、地形、地質(zhì)、植被、土壤和土地利用等因素47。氣候、地形、地質(zhì)、植被、土壤因素相對穩(wěn)定，是土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的潛在條件。地形因子如坡度、坡長、坡向、坡位等對土壤侵蝕的影響方式十分復(fù)雜48。地形坡度是影響徑流和泥沙產(chǎn)生的最重要因素，坡度越陡，匯流時間越短，徑流能量越大，對坡面的沖刷就越劇烈，侵蝕量越大。坡度是我國黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕的主要控制因子之一，同時也是優(yōu)化該區(qū)土地利用格局的重要因子之一49-50。邱揚50等在黃土丘陵區(qū)的觀察表明，從1975年到退耕還林實施工程的過程中，部分陡坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?灌草地，造成林地/灌草地坡度增加，隨著陡坡耕地和休閑地逐步退耕，坡度顯著下降。坡向?qū)ν寥狼治g也有一定的影響，總體趨勢是陽面景觀格局更有利于水土保持，對減少土壤侵蝕的效應(yīng)來說更為明顯51-52。土地利用既與自然條件緊密相關(guān)，又深受人類活動影響，是土壤侵蝕的觸發(fā)因素。土地利用改變了原有地表植被類型及其覆被度和微地形，導(dǎo)致地表入滲、地下水供給、地表徑流等水文學(xué)過程發(fā)生變化，從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕的方式和強度發(fā)生變化53-54。人類活動對土壤侵蝕的發(fā)生具有不定向作用，它既可以通過各種水土保持措施來抑制自然侵蝕的進(jìn)程，又可以通過毀林開荒、開荒修路等破壞性活動加劇土壤侵蝕，不合理的土地利用方式和地表植被覆被的減少對土壤侵蝕具有放大效應(yīng)55-56。異質(zhì)景觀內(nèi)不同的土地利用格局深刻影響著流域的徑流和產(chǎn)沙過程57，如何從景觀尺度上探索不同景觀格局對流域水土流失過程的影響，將水土流失過程與流域景觀格局聯(lián)系起來是目前景觀生態(tài)學(xué)面臨的一個重要難題。農(nóng)業(yè)用地比率、森林覆被率及其標(biāo)識景觀空間格局的景觀多樣性指數(shù)對流域水土流失過程有重要影響。森林覆被率和植被指數(shù)對土壤流失具有負(fù)效應(yīng)、對流域徑流具有正效應(yīng)，可以調(diào)節(jié)徑流和輸沙穩(wěn)定性；農(nóng)業(yè)用地對土壤侵蝕具有正效應(yīng)，加劇了流域土壤流失；景觀空間格局可以有效地降低流域水土流失，對流域水土流失變率也有一定影響，這已被許多研究報道所證實58-59。黃土丘陵溝壑區(qū)是我國水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一。近30年來，國家啟動“陡坡耕地退耕，重建秀美山川”項目，土地利用格局已經(jīng)發(fā)生了顯著的變化，這對土壤、水文和侵蝕特征產(chǎn)生了重大影響。土地利用格局對土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)在斑塊大小、形狀以及斑塊排列順序60。有研究61表明，水土流失過程沿景觀梯度具有明顯的梯度變異，傅伯杰等在陜北黃土高原羊圈溝的研究也表明好的景觀結(jié)構(gòu)有利于保持水土和養(yǎng)分62。張曉明63等研究發(fā)現(xiàn)，對于流域不同時期的土地利用變化，在增加植被覆蓋以及減少坡耕地和落地面積比例的后期土地利用，產(chǎn)流能力較前期下降，分析可能是由于土壤結(jié)構(gòu)改善，土壤入滲和林冠截留的結(jié)果。因此，如何合理的調(diào)整人類活動，既能保證人類社會的生產(chǎn)、生活需要，又能有效的控制水土流失，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展是水土流失過程研究的最終目的。2.1.2 研究方法土地利用格局是空間的概念，土壤侵蝕是一種生態(tài)學(xué)過程，探討土地利用格局與土壤侵蝕關(guān)系的研究，大多是通過空間分布式土壤侵蝕模型，來模擬不同土地利用格局條件下的土壤侵蝕狀況64。土壤侵蝕模擬是十分復(fù)雜的，自然景觀格局的復(fù)雜性、空間異質(zhì)性和有效數(shù)據(jù)獲取是影響土壤侵蝕模型精度的重要因素65。傅伯杰等采用校正的LISEM土壤侵蝕模型，模擬了黃土丘陵溝壑區(qū)小流域5種土地利用格局的水土流失效應(yīng)，研究表明66，退耕還林措施能有效的降低流域出口的洪峰流速，減少徑流總量和侵蝕總量。值得注意的是，時間步長和柵格尺度的劃分對于LISEM模型預(yù)測的精度有很大影響24。索安寧61采取去趨勢典范對應(yīng)分析（DCCA排序）定量分析了黃土高原地區(qū)水土流失過程與土地利用格局之間的關(guān)系。研究表明水土流失過程沿景觀梯度具有明顯的梯度變異，森林對徑流作用明顯，能有效的減少水土流失，而農(nóng)業(yè)景觀區(qū)由于缺乏相應(yīng)調(diào)節(jié)機制，土壤侵蝕嚴(yán)重。此外，在一些景觀破碎度較高的復(fù)合區(qū)域，水土流失的年際變化較大67。Van Rompaey等68應(yīng)用SEDEM模型研究了比利時某小流域不同土地利用下土壤侵蝕狀況，結(jié)果表明隨著林地比例增加和耕地面積減少，土壤侵蝕速率和產(chǎn)沙量也呈逐步下降趨勢。數(shù)字高程模型（DEM）是區(qū)域地面高程的數(shù)字表示，目前已經(jīng)在流域水文和土壤侵蝕模擬分析方面發(fā)揮著非常重要的作用69。建立水文地貌關(guān)系正確的DEM，是進(jìn)行區(qū)域尺度土壤侵蝕評價的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用中主要面臨的問題是分辨率的確定，這也直接影響DEM的精度。DEM的分辨率和空間尺度是密切相關(guān)的，基于不同分辨率的DEM研究景觀格局及其過程有助于解釋其尺度效應(yīng)。而且，基于不同分辨率DEM的流域面積、坡度、坡長、坡位等其他因子也是不同的。因此，目前景觀格局和過程的研究越來越多地借助于空間地理信息。一方面，空間地理信息能夠提供研究中所需的大量地理空間信息，另一方面，多源的、多尺度的空間地理信息的運用對景觀格局和過程研究的影響很大。因此，合理的利用這些多尺度的地理信息為揭示景觀格局和過程的尺度效應(yīng)提供了非常大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。Logistic回歸分析也是土地利用變化研究中常用的方法70，尤其是在土地利用變化驅(qū)動因素方面的研究，利用Logistic回歸分析獲取轉(zhuǎn)換概率能夠模擬未來土地利用變化并估算其對土壤侵蝕的影響71。但是運用Logistic回歸模型對土地利用變化模擬也存在一些不足，最主要的是對于驅(qū)動因子的理解，地形、土壤、坡度、水源等自然變量與經(jīng)濟、人口、政策等人文因素的空間差異是造成模型誤差的重要原因。此外，模型構(gòu)建過程中土地利用數(shù)據(jù)的空間自相關(guān)性對模型也會產(chǎn)生一定的干擾，影響模型的精度，為此，需要對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理?？傮w而言，大多數(shù)研究是“靜態(tài)”的景觀格局特征和水土流失關(guān)系，缺乏景觀格局演變和水土流失過程的“動態(tài)”耦合研究；研究多集中在坡面徑流小區(qū)和小流域兩個單一的尺度上，對流域尺度以上等較大尺度上景觀格局和水土流失的關(guān)系研究相對較少。因此，從景觀格局演變機制來看，動態(tài)、連續(xù)的景觀格局變化過程的研究非常有意義；從流域管理和區(qū)域規(guī)劃的角度來看，流域尺度和區(qū)域尺度上應(yīng)用土壤侵蝕的研究工作顯得更為重要。隨著尺度增加，土壤侵蝕與徑流的發(fā)生機制也發(fā)生明顯變化，這一點也得到國內(nèi)外許多學(xué)者的證實72-73。關(guān)于區(qū)域尺度景觀格局和土壤侵蝕關(guān)系的研究，目前研究多為結(jié)合降雨、地形、土壤等因子開展區(qū)域土壤侵蝕評價工作。實現(xiàn)這一目標(biāo)途徑主要有三種：一類是基于小尺度研究的成果，通過尺度轉(zhuǎn)換方法，結(jié)合野外觀測和室內(nèi)模擬，獲取區(qū)域土壤侵蝕信息，但是利用徑流小區(qū)試驗數(shù)據(jù)通過尺度上推到大尺度上的結(jié)果通常并不能真正反映出景觀的空間變異性和水土流失的尺度變異性74；第二類是直接基于宏觀土壤侵蝕評價因子的區(qū)域土壤侵蝕評價，一般是通過統(tǒng)計學(xué)方法建立相應(yīng)區(qū)域土壤侵蝕模型75，將土地利用變更圖層和土壤侵蝕強度變更圖層進(jìn)行疊加，分析土地利用變化對土壤侵蝕強度變化的影響，進(jìn)行區(qū)域尺度土壤侵蝕評價76-77；第三類是建立基于“3S”技術(shù)的區(qū)域土壤侵蝕模型，如SEMMDE模型。區(qū)域尺度上的研究難點在于流域監(jiān)測點的徑流、泥沙和養(yǎng)分流失特征怎樣與空間上的土地利用格局特征分布聯(lián)系起來。2.2 土壤養(yǎng)分的時空變異土壤養(yǎng)分的分布和遷移受到土地利用鑲嵌格局的影響，不同景觀位置也影響土壤養(yǎng)分的在分布過程25。土壤養(yǎng)分流失通常與水土流失密不可分，在土壤侵蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)，土壤養(yǎng)分的空間分布也反映出土壤流失狀況，因此，研究景觀中不同土地利用格局與土壤養(yǎng)分的空間分布特征，對于深入理解不同景觀組分間相互作用及其對土壤侵蝕的影響具有重要意義。土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起土壤微氣候和植物根系發(fā)生改變，從而加劇或減少土壤養(yǎng)分流失，這一點，已為國內(nèi)外大量研究所證實78。焦峰等79在延安等地選擇典型黃土丘陵不同植被類型區(qū)的不同年限退耕地為試點，應(yīng)用土壤養(yǎng)分系統(tǒng)研究法進(jìn)行了養(yǎng)分分析，并應(yīng)用傳統(tǒng)統(tǒng)計學(xué)對土壤養(yǎng)分變異進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，不同植被類型區(qū)土壤養(yǎng)分性質(zhì)均存在著空間變異且不同退耕年限的土壤養(yǎng)分含量及其變異系數(shù)存在著明顯差別。退耕初期，受耕作和施肥影響，土壤養(yǎng)分含量較高，植被特征指數(shù)呈顯著上升趨勢且變異性較大；隨著耕作施肥活動的停止和植被恢復(fù)對土壤養(yǎng)分的消耗，使土壤養(yǎng)分含量有一個降低的過程，土壤養(yǎng)分的變異也較大；而隨著植被恢復(fù)和群落演替的繼續(xù)，植被枯落物逐步增多，土壤也逐步發(fā)育，植被指數(shù)與土壤養(yǎng)分均呈增長趨勢。 土地利用方式的變化引起水土流失過程和機制發(fā)生改變，也能引起土壤養(yǎng)分流失發(fā)生變化，有研究80表明，由于土壤侵蝕作用，坡面底部N和P的有效性比坡頂高。還有研究81認(rèn)為土地利用與土地覆被的變化引起土壤中有機質(zhì)、全N、全P、全K以及有效態(tài)的N、P、K等養(yǎng)分呈現(xiàn)有規(guī)律變化，當(dāng)土地由草地變?yōu)榱值?、旱地變?yōu)榱值亍⒑档刈優(yōu)樗飼r，總體養(yǎng)分呈增長趨勢。而國外有學(xué)者82研究了土地利用變化對土壤侵蝕和沉積物運營的影響，表明農(nóng)業(yè)景觀的變化引起小流域內(nèi)沉積物減少，但是小流域向鄰近湖泊輸出物質(zhì)卻相對增加。3 研究展望區(qū)域景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的熱點，研究取得了很大的進(jìn)展，但一直有未能攻破的難點。如前文所述，究其原因，主要是格局過程變化機制非常復(fù)雜，受尺度、自然因素、人類活動影響巨大，相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料的獲取也較為困難，因此，繼續(xù)發(fā)展科學(xué)的研究方法，深入地揭示、預(yù)測、評價格局過程效應(yīng)的演變機制（尤其是多尺度）是當(dāng)前亟需解決的問題?；谝陨戏治觯覀冋J(rèn)為，區(qū)域景觀格局變化及其生態(tài)效應(yīng)研究應(yīng)當(dāng)在以下方面予以加強：（1）區(qū)域景觀格局動態(tài)方面，發(fā)展能夠反映生態(tài)過程的景觀格局指數(shù)，重點是明確其生態(tài)學(xué)內(nèi)涵，從而揭示格局過程相互影響的生態(tài)學(xué)機制；（2）加強區(qū)域景觀過程驅(qū)動機制的研究，深入理解景觀格局演變的內(nèi)在驅(qū)動機制，其中社會經(jīng)濟機制與土地利用決策的影響是當(dāng)前研究的一個重要方向，主要包括政治經(jīng)濟體制改革怎樣影響土地利用與土地覆被變化的過程以及國土政策在大尺度區(qū)域范圍對土地利用的影響，這對于預(yù)測未來景觀格局演變具有重要意義，對制定科學(xué)合理的政策、體制，優(yōu)化人類活動格局具有切實可行的應(yīng)用指導(dǎo)意義；（3）加強“3S”技術(shù)、野外調(diào)查監(jiān)測等先進(jìn)技術(shù)方法與景觀格局過程研究的結(jié)合，開展跨尺度尤其是較大尺度下景觀格局和生態(tài)過程（如土壤侵蝕、養(yǎng)分流失等）的耦合研究，從而為區(qū)域景觀生態(tài)設(shè)計和退化土地生態(tài)恢復(fù)重建提供參考。參考文獻(xiàn)：1 WU J, MARCEAT D. Modelling complex ecological systems: an introductionJ. Ecological Modelling, 2002, 153: 1-6.2 王秀蘭, 包玉海. 土地利用動態(tài)變化研究方法探討J. 地理科學(xué)進(jìn)展, 1999, 18 (1): 81-87.Wang Xiulan, Bao Yuhai. Study on the methods of land use dynamic change researchJ. Progress in Geography, 18 (1): 81-87.3 OLLEY J M, WASSON, R J. Changes in the flux of sediment in the Upper Murrumbidgee catchment, Southeastern Australia, since European settlement.J. Hydrological Processes, 2003, 17: 3307-3320.4 SCHOORL J M, VELDKAMP A. Linking land use and landscape process modeling: a case study for the Alora region (south Spain) J. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2001, 85: 281-292.5 VELDKAMP A, KOK K, KONING D, et al. Multi-scale system approaches in agronomic research at the landscape levelJ. Soil Tillage Research. 2001, 58: 129-140.6 范月姣. 遙感與GIS支持下的三峽庫區(qū)土地利用動態(tài)研究D.北京: 中科院研究生院碩士研究生論文, 2000.FanYuejiao. Study on dynamic of land use in Three Gorges reservoir area based on RS and GISD. Beijing: China. M.S. Thesis, Chinese Academy of Sciences, 2000.7 何燕生. 三峽工程與可持續(xù)發(fā)展D. 北京: 中國社會科學(xué)院研究生院博士生論文, 2002.He Yansheng. Three Gorges Project and the Sustainable DevelopmentD. Beijing: China. Ph.D. Dissertation, Chinese Academy of Social Sciences, 2002.8 SCHRODER B, SEPPELT R. Analysis of pattern-process interactions based on landscape models-overview, general concepts, and methodological issuesJ. Ecological Modelling, 2006, 199: 505-516.9 彭建, 王仰麟, 張源, 等. 土地利用分類對景觀格局指數(shù)的影響J. 地理學(xué)報, 2006, 61(2): 157-168.Peng Jian, Wang Yanglin, Zhang Yuan, et al. Research on the influence of land use classification on landscape metricsJ. Acta Geographic Sinica, 2006, 61(2): 157-168.10 李天平,劉洋,李開源. 遙感圖像優(yōu)化迭代非監(jiān)督分類方法在流域植被分類中的應(yīng)用J, 城市勘測, 2008, 1: 75-77.Li Tianping, Liu Yang, Li Kaiyuan. The application of optimal iteration unsupervised classification of remote sensing image in vegetation classification of watershedJ. Urban Geotechnical Investigation & Surveying, 2008, 1: 75-77.11 POTH A, KLAUS D, VOB M, et al. Optimization at multi-spectral land cover classification with fuzzy clustering and the Kohonen feature mapJ. International Journal of Remote Sensing. 2001, 22(8): 1423-1439.12 張友水, 馮學(xué)智, 阮仁宗. 基于GIS的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遙感影像分類研究J. 南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2003, 39(6): 806-813.Zhang Youshui, Feng Xuezhi, Ruan Renzong. Application of Back-Propagation neural network supported by GIS in the classification of remote sensing imageJ. Journal of Nanjing University(Natural Sciences), 2003, 39(6): 806-813.13 張樹清, 陳春, 萬恩璞. 三江平原濕地遙感分類模式研究J. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 1999, 14(1): 54-58.Zhang Shuqing, Chen Chun, Wan Enpu. A study on wetland classifying of remote sensing in Sanjiang PlainJ. Remote Sensing Technology and Application, 1999, 14(10): 54-58.14 張秋菊, 傅伯杰, 陳利頂. 關(guān)于景觀格局演變研究的幾個問題J. 地理科學(xué), 2003, 23(3): 264-270.Zhang Qiuju, Fu Bojie, Chen Liding. Several problems about landscape pattern change researchJ. Scientia Geographica Sinica, 2003, 23(3): 264-270.15 PAN D Y, DOMON G, BLOIS S, et a1. Temporal(1958-1993) and spatial patterns of land use changes in Haut-Saint-Laurent(Quebec, Canada) and their relation to landscape physical attributesJ. Landscape Ecology, 1999, 14:35-52.16 VERBURG P H, SOEPBOER W, VELDKAMP A, et al. Land use change modeling at the regional scale: the CLUE-S modelJ. Environmental Management. 2002, 30:391-405.17 LI X Z, HE H S, BU R C, et al. The adequacy of different landscape metrics for various landscape patternsJ. Pattern Recognition, 2005, 38: 2626-2638.18 LAUSCH A, HERZOG F. Applicability of landscape metrics for the monitoring of landscape change: issue of scale, resolution and interpretabilityJ. Ecological Indicators, 2002, 2: 3-15.19 RAO K S, REKHA P. Land use dynamics and landscape change pattern in a typical micro watershed in the mid elevation zone of central Himalaya, IndiaJ. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2001, 86: 113-123.20 WOLFRAM. S. Cellular automata as models of complexityJ. Nature, 1984, 311: 419-424.21 FARINA A. Principles and methods in landscape ecologyM. London: Chapman & Hall, 1998: 35-49. 22 DAVID P, THOMS P. Ecological scale: Theory and applicationM. Columbia University Press, 1998: 5-16.23 鄔建國. 生態(tài)學(xué)范式變遷綜論J. 生態(tài)學(xué)報, 1996, 16(5): 449-460.Wu Jianguo. Paradigm shift in ecology: An overviewJ. Acta Ecologica Sinica, 1996, 16(5): 449-46024 RUDI H. Effects of gird cell size and time step length on simulation results of the Limburg soil erosion model(LISEM) J. Hydrological Processes, 2005, 19:3037-3049.25 傅伯杰, 陳利頂, 王軍, 等. 土地利用結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程J. 第四紀(jì)研究, 2003, 23(3): 247-255 .Fu Bojie, Chen Liding, Wang Jun, et al. Land use structure and ecological processesJ. Quaternary Sciences, 2003, 23(3): 247-255. 26 陳利頂, 傅伯杰, 徐建英, 等. 基于“源-匯”生態(tài)過程的景觀格局識別方法景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)J, 生態(tài)學(xué)報, 2003, 23(11): 2406-2413.Chen Liding, Fu Bojie, Xu Jianying, et al. Location-weighted landscape contrast index: A scale independent approach for landscape pattern evaluation based on source-sink ecological processesJ. Acta Ecological Sinica, 2003, 23(11): 406-2413. 27 LI B L. Fractal geometry applications in description and analysis of patch patterns and patch dynamicsJ. Ecological Modelling, 2000, 132: 33-50.28 LARK R M, WEBSTER R. Analysis and elucidation of soil variation using waveletsJ. European Journal of Soil Science. 1999, 50: 185-206.29 LUNDQUIST J E, SOMMERFELD R A. Use of fourier transforms to define landscape scales of analysis for disturbances: a case study of thinned and unthinned forest standsJ. Landscape Ecology, 2002, 17: 445-454.30 LOBO A, MOLONEY K, CHIC O, et al. Analysis of fine-scale spatial pattern of a grassland from remotely-sensed imagery and field collected dataJ. Landscape Ecology, 1998, 13: 111-131.31 高群. 三峽庫區(qū)景觀格局變化及其影響因素-以重慶市云陽縣為例J. 生態(tài)學(xué)報, 2005, 10: 85-89.Gao Qun. Landscape changes and human acticities in Three Gorges reservoir area: the case of Yunyang CountyJ. Acta Ecologica Sinica, 2005, 10: 85-89.32 焦峰, 溫仲明, 王飛, 等. 黃土丘陵縣域尺度整體景觀格局分析J. 水土保持學(xué)報, 2005, 19(2): 167-170.Jiao Feng, Wen Zhongming, Wang Fei, et al. Analysis of landscape structure at county scale in Loess hilly regionJ. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(2): 167-170.33 徐勇, 田均良, 劉普靈, 等. 黃土高原坡耕地水土流失地形分異模擬J. 水土保持學(xué)報, 2005, 19(5): 18-21.Xu Yong, Tian Junliang, Liu Puling, et al. Topograhic differentiation simulation of soil water loss of slope farmland in Loess Plateau