景观生态系统是具有一定结构和功能的土地镶嵌体,在外界干扰和自身演替作用下,其结构和功能呈现着剧烈变动。研究表明,在不断变化的土地利用过程中,景观生态系统的结构及其组分也在变化,并使景观破碎化程度加大,生物多样性降低[1,2],以及土壤环境和水环境质量下降[2,3],更为严重的是造成不同程度的土地退化[4,5],从而造成景观生态质量的下降;但通过合理的规划和管理土地资源,也会形成较好的景观生态环境,实现可持续发展[6~10]。所以,有必要对景观生态质量进行评价,分析不同土地利用结构和人为干扰下的景观生态质量差异性,为土地规划、利用和生态管理提供理论基础。
1景观生态质量的衡量标准
景观生态质量(LsEQ,LandscapeEcologicalQuality)是指景观生态系统维持自身结构与功能稳定性的能力,其衡量标准就是景观生态系统的稳定性。景观生态系统的稳定性取决于景观生态系统稳定程度和系统干扰程度两大方面。若干扰程度大于稳定程度,景观生态系统趋于非稳定态,景观生态质量较低;若干扰程度小于稳定程度,景观生态系统趋于稳定态,景观生态质量较高。生态学干扰是土地利用活动对景观生态系统的破坏程度(图1),这些干扰都是人为的,主要有土地利用活动导致的土地破碎化、城镇与农村居民点以及交通线建设活动对土地生态系统的干扰、土地利用过于单一化等。景观生态系统稳定程度是指景观生态系统自身的一些自然生态特征所决定的系统稳定性。总体来说,这些特征适宜于生态学过程的进行,对景观生态系统的持续发展演化起到积极作用,主要有土地的植被覆盖度、自然景观面积大小和形状、土地利用形成的有利于生态学过程的土地结构、河流廊道等。
2景观生态系统的干扰程度和稳定程度
2.1景观生态系统的干扰程度下列有关景观格局事件对景观生态系统造成明显干扰,可做景观生态系统受干扰程度的表征。1)景观破碎化:人们对土地的利用使得土地形成形状不同、大小各异的斑块。景观破碎化主要表现为斑块数量增加而面积缩小,斑块形状趋于不规则,内部生境面积缩小,廊道被截断以及斑块彼此隔离[11]。景观破碎化对一些物种带来一系列的影响,如影响种群的大小和灭绝速率、扩散和迁入、种群遗传和变异、种群存活力等;改变生态系统中的一系列重要关系,捕食者-食物、寄生物-寄主、传粉者-植物以及共生关系等[12,13],对土地生态系统中的生物流产生阻碍作用。因此,景观破碎化是生物多样性丧失的重要原因之一[14~17]。但也有人认为,中等程度的干扰水平能维持较高的多样性,并不是完全不受干扰的景观具有最大的生物多样性。2)建设用地干扰度:人类对土地的建设活动包括城镇建设、农村居民点建设和交通用地建设等,它们是外部的人类活动对景观生态系统的干扰,阻隔了生物的迁移和物质能量的移动,影响了景观生态系统的自然纯度。从空间尺度来说,当干扰面积与景观总面积之比较小时,景观一般表现出稳定态;当干扰面积与景观总面积之比增大时,景观稳定性趋于下降;从时间尺度来说,景观稳定性也表现出相似的趋势[18,19]。交通线路主要是公路和铁路,公路包括农村道路、一般公路和高级公路三个不同的等级;铁路可分为单轨铁路与双轨铁路。交通线对景观的影响有:(1)公路的存在方便于人类活动对田块的干扰(田块),所以可用行政村公路密度表示人类活动的干扰度,如公路上行驶汽车尾气的排放、噪声的污染、飞扬尘土的污染以及公路上杂物冲刷到两侧农田中等等。(2)交通线成为两侧斑块生态学过程的障碍,阻隔了物种交流和物质循环等。所以,交通线密度越大,其影响越大,景观生态质量稳定性越差。3)单一化土地利用度:在景观生态系统中,土地利用过于单一化,景观生态质量将降低。因为单一化的土地利用会导致生物多样性减少,既包括生境多样性降低,也包括物种多样性的下降。这一点在Odum的生态系统发展战略中早已论述过[20],关键在于确定单一土地利用面积的适度大小问题,论文采用Haber测算的结果。在分异土地利用战略中[21],单一的土地利用类型不能超过8~10hm2[22],特别强调在人口密集地区。
2.2景观生态系统的稳定程度1)土地利用结构:土地利用结构是指一定景观单元中各土地利用类型及其面积的对比关系。不同土地利用类型对景观生态质量的作用是不同的,其中,林地最好、草地和园地其次、耕地与水域再次、建设用地最差。同时,土地利用结构也包含景观连接度,在景观单元中,动植物生境彼此连通,将促进动植物迁移或运动,增加景观单元中的生物多样性。如果主要土地利用类型的面积超过一定的比例,构成景观中相互连通的景观斑块(连通斑块),则使景观破碎化对种群动态的影响大大降低。所以,景观连接度与生物多样性呈正相关关系[23]。本文取值为60%[24],即景观基质面积达到60%,就构成连通斑块。2)自然景观多度:自然景观多度代表了野生动植物与人类和谐相处的程度,自然景观面积越大分布越均匀,则野生动植物与人相处的和谐程度越好。自然景观主要是指自然植被覆盖的土地或受保护的土地,如林地、草地、苇地和滩涂等用地。3)农业土地利用多样性:农业土地利用多样性表示景观中生产系统的多样化程度,包括畜牧业和农区林地系统等。多样性化的农业用地有利于生物的迁移,而且农业土地利用多样化通常是农民抵抗风险的管理策略的一部分(防止作物欠收和经济崩溃),但它也是衡量区域农业系统灵活性和恢复力以及农业系统抵抗波动和抓住机遇的能力的有用指标[25]。在具体研究中,农业土地利用类型主要包括耕地、园地、林地、牧草地和其它农用地。4)河流密度:单位面积河流长度越长,对耕作业和其它行业所释放的污染物的吸纳能力和稀释能力将增大,而且有利于水生生物生长发育繁衍和生物扩散,满足动植物对水的需求,提高了生物多样性,保护了生态环境。5)植被覆盖度:植被覆盖度的提高,有利于生物的迁移和生存环境的改善,也有利于防止水土流失。所以,植被覆盖度是影响景观生态系统稳定程度的重要因素之一。
3景观生态质量评价
3.1评价单元景观生态质量评价考虑的是景观的生态学特征,而生态土地分类是一个描述和划分地球表面具有不同生态学特征区域的过程[26],所以景观生态质量评价单元的确定应从生态土地分类的角度来确定。参照加拿大和美国的生态土地分类分级方法,选取生态组(生态土地类型集)作为景观生态质量评价单元。为资料收集方便,评价单元采用与生态组相对应的村级行政单位。
3.2评价指标
3.2.1指标选取原则(1)系统性原则。选取的指标应反映景观生态质量的主要内涵,既包括生态学干扰方面的指标,也包括稳定程度方面指标;(2)主导因素原则。选取影响景观生态质量的主导因素,这既可减少评价的工作量,同时也可保证评价精度;(3)差异性原则。景观生态质量的每一方面都可以用多个指标衡量,但这些指标往往相互重复,且有些指标在评价区域变化不大。因此,指标选取时应选择那些在评价区域有明显变化且能代表景观生态质量变化的指标;(4)可量度原则。有些指标可能对景观生态质量影响比较大,但无法获取准确的数据,在评价中很难发挥其作用,且容易受到主观影响,因此在具体评价中应尽量避免选取这些指标。#p#分页标题#e#
3.2.2景观生态质量的评价指标关于景观生态质量的评价指标研究较少,中国部分学者做出了积极的探索[27,32]。作者依据影响景观生态系统受干扰程度和稳定程度的相关因素,选取了下列指标(表1)。
3.3评价方法
3.3.1单项指标评价方法(1)景观破碎度指数:x1=(Np-1)/Nc式中,x1为景观破碎度指数,Nc为景观单元的数据矩阵方格网中格子总数,Np是景观单元各类斑块总数。为方便起见,用研究区最小的斑块面积去除总面积的值代替Nc。(2)建设用地干扰度:x2=β2/A式中,x2为建设用地干扰度,βi为景观单元中建设用地总面积(km),A为景观评价单元总面积(km)(下同)。(3)单一化土地利用优势度指数:x3=δi/A式中,x3为单一土地利用优势度,δi为景观单元中≥10hm2的土地利用斑块总面积(除去水域、林地和草地类型)。(4)交通线密度:x4=φi/A式中,x4为交通线密度,φi为交通线长度(km)。在特定研究区,以农村道路为基准,一般公路(如乡道、县道)对景观生态干扰能力是农村道路的3倍,高级公路(省道、国道、高速公路等)是农村道路的5倍,单轨铁路是农村道路的2倍,双轨铁路是农村道路的4倍。(5)土地利用结构指数:先根据对景观生态质量贡献程度,把土地利用类型定性指标定量化:林地取值为3、草地和园地取值为2、耕地和水域取值为1、建设用地取值为0。然后,各土地利用类型得分为其面积比例与景观生态质量贡献标准的乘积。如,林地在景观单元中面积比例20%,贡献标准为3,则林地得分为20%乘以3,即0.6。如果景观基质(一定是面积最大的土地利用类型)面积比例≥60%,则土地利用类型得分为100%与贡献标准的乘积。最后,选取前4位主要土地利用类型,采用加权求和法计算土地利用类型指数:z1=∑4i=1xi•wi=0.4x1+0.3x2+0.2x3+0.1x4式中,z1为土地利用结构指数,xi代表各土地利用类型得分,wi为1~4位土地利用类型权重(∑wi=1),为4种主要土地利用类型。(6)自然景观多度:采用两方面的数据,一是自然景观面积占景观总面积的比例;二是各自然景观斑块分布在景观单元中的均匀度,本文采用观察估计并划分成5个级别:1紧密、2较紧密、3稍均匀、4较均匀、5均匀。计算公式为z2=E(xi/A),式中,z2为自然景观度,E为自然景观斑块在景观单元中分布均匀度,xi为自然景观斑块总面积。(7)农业土地利用多样性:z3=-∑nk=1pkln(pk)式中,z3为农业土地利用多样性指数,Pk=ni/N,其中,ni为景观单元中各农业土地利用类型的面积,N为景观单元中农业土地利用类型的总面积。(8)植被覆盖度:z4=xi/A式中,z4为植被覆盖度,xi为景观单元中被植被覆盖的面积。(9)河流密度:z5=xi/A式中,z5为河流密度,xi为景观单元中河流的长度。
3.3.2单项指标的标准化由于指标都有具体的计算值,所以借鉴模糊数学的思想,在上述指标等级划分的基础上,引入评价因子对景观生态质量的隶属度概念,用(0,3]上的数Y来表示单因子质量指数的大小[33]。
3.3.3综合评价方法
4实证研究
4.1吴江市概况吴江市(原吴江县)地处120°21′4″~120°53′59″E和30°45′36″~31°13′41″N之间,地处中国经济最发达的长江三角洲地区中心位置,交通便利,受上海和苏州经济辐射,社会经济基础较好,是江苏乃至全国经济发展最有活力地区之一(图2)。吴江市全境无山,地势低平,自东北向西南缓慢倾斜,南北高差2.0m左右。属亚热带北缘季风区,年总辐射量为480406.9J/cm2,年平均温度15.7℃,年平均降水量1015.6mm,平均无霜期226天。境内河流纵横,湖荡棋布,大运河贯穿南北,太浦河横贯东西,小河小渠纵横交错。经解放后大力兴修水利,形成典型的江南鱼米之乡。
4.2景观生态质量评价数据及景观评价单元确定吴江市有10个镇和1个农场,共有584个行政村,吴江市景观生态质量评价单元共584个。吴江市国土资源局提供的吴江市土地利用现状图及属性数据库(2004)是本次评价主要数据来源。
4.3景观生态质量评价结果1)总体情况。根据第3节的评价方法,计算吴江市584个行政村的景观生态质量指数,划分为4个等级(图2)。结果表明:YLsEQ变化在0.0973~10.7267之间,其中有300个行政村YLsEQ<1,表明景观呈现不稳定态,景观生态质量较低,大部分布在吴江市的东北;其余284个行政村YLsEQ>1,表明景观呈现出稳定态,景观生态质量较高,大部分布在吴江市的西南。2)乡镇差异。统计各镇不同级别景观生态质量行政村数与全镇总行政村数的比值,并加以合并(表2)。结果表明,吴江市各镇景观生态质量差别较大,5个镇(黎里镇、芦墟镇、盛泽镇、松陵镇和平望镇)的大部分行政村YLsEQ<1;而其它6个镇(军垦农场、桃源镇、震泽镇、横扇镇、七都镇和同里镇)的大部分行政村YLsEQ>1。3)典型评价单元景观生态质量的特征。选取不同等级景观生态质量的典型评价单元(表3),对比发现,在等级较高的单元,干扰程度一般较低(建设用地和公路较少、地块面积较小和景观破碎程度不大等),稳定程度较大(农业土地利用多样性较大、自然景观面积较多、林地和园地等有利于生物流的土地利用类型较多等)。等级较低的单元,景观生态质量表现出相反的特征。
5结果与讨论
以前的文献表明,单独的生态质量评价并不多见,大多数出现在可持续土地利用[34]、土地退化[35]和土地健康评价[36]中,而且评价指标差异较大,往往不能全面地反映区域生态环境状况,所以,选择合适的指标成为景观生态质量评价研究的关键。文章从土地镶嵌体的角度提出了平原地区景观生态质量的评价指标,并根据生态学原理设计了景观生态质量的评价方法,并以吴江市为例进行了实证研究。结果表明,吴江市景观生态质量等级呈西南高、东北低的空间分布态势,各评价单元景观生态质量具有显著的差异性。据此,可以采取一定的规划和管理措施,提高区域景观生态质量的水平,进而逐步实现区域土地资源可持续利用。所以,景观生态质量评价研究对土地生态管理和持续利用具有十分重要的意义。
