黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析

农学学报2012,2(06):54-58Journal of Agriculture0引言地形因素是影响环境变迁、水文过程、生物分布、地貌特征等的重要因素，地形属性的空间分布特征一直是人们用来描述这些空间变化过程的重要指标[1]。

地形特征作为生境条件的一种综合指示，是由海拔、坡向、坡度等构成的多维变量，并对光、热、水、土壤养分等有着不同的影响。

同时，景观格局在时空方面的发展是自然、生物和社会力量复杂相互作用的结果[2-3]。

通过研究景观空间格局的分布和特征，可以反映景观要素之间相互作用的性质、强度和方式[4-6]。

土地利用景观格局指数是对景观空间格局分析的重要方法，它使土地生态过程和空间格局演变相互关联的度量成为可能，并在区域土地景观空间格局分析与功能评价，以及景观规划、设计和管理等领域发挥重要作用[7-9]。

黄土高原是中国乃至世界水土流失最为严重的地区，由于其形成的自然条件，脆弱性成为黄土高原重要的自然属性之一，极易发生水土流失等一系列的环境灾害[10]。

永和县岔口小流域地处黄土高原沟壑区，水土流失成为制约当地经济发展的主要问题。

通过对永和小流域的土地利用景观格局的分析研究，有助于揭示土地利用景观中潜在的规律，探明黄土高原沟壑区土地利用景观格局的空间分布状况，以期为促进研究基金项目：山西省水利厅“永和县岔口小流域坝系监测”项目(2008-7)资助。

第一作者简介：毕如田，男，1963年出生，教授，博导，博士，主要从事资源环境信息技术及土地复垦与规划等研究。

通信地址：030801山西省太谷县铭贤南路1号山西农业大学资源环境学院，Tel ：0354-*******，E-mail ：brt@ 。

收稿日期：2012-03-05，修回日期：2012-03-22。

黄土高原小流域土地利用景观格局与土壤侵蚀风险评价毕如田，张吴平，杨明，曹毅（山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）摘要：地形是景观空间分布格局的重要影响因子，特别是在人为活动占优势的景观中地形条件成为大尺度景观空间分布格局的决定因素。

第二章研究基础与方法２．１研究区域与实验样区概况２．１．１研究区域概况黄土高原位于中纬度我国大陆的中北部，（东经１０１。

１秽．１１４＂３０＇，北纬３３。

５０＇－４０＂１５’），东西纵贯经度１３。

２０７，南北横跨纬度６。

２５７，总面积约为４８．４万平方公里。

东起太行山与华北平原相邻，西起乌鞘岭、日月山同青藏高原相结，南以秦岭和伏牛山为界，北到连，东北一隅则以长城为界并包括内蒙古自治区的林格尔、准格尔两旗与清水、风镇两县的一部分地区。

位于中国地形的第二级阶地，总的地势是西北部海拔高，东南部海拔低，高原一般均在海拔１０００一１５００ｍ上，少数石质山岭在海拔１５００－－２５０（）ＩｌＩ以上，河谷平原多在海拔５００ｍ以下。

黄土高原是我国黄土分布最典型的地区，在长达２０（１余万年的地质历史时期中，黄土的不断堆积以及各种侵蚀外营力的交替作用，造成了黄土高原以塬、粱、峁以及各等级沟壑为主的独特地貌景观””。

同时，由于黄土高原的水热条件组成由南向北的地域分异规图２－２－ｌ陕ｊ￡黄土高原地势及实验分布图律十分明显，造成了黄土高原的各种自然景观都呈现由南向北的逐渐分异，包括黄土颗粒大小的空间分布，侵蚀强度，地貌类型的空间分异，土壤、植被的地域分异等等。

因此，黄土高原作为我国西北自然地理区的重要组成部分，成为了我国地学工作者进行科学研究的重点地区，取得了大量的研究成果，包括：确定了黄土地貌的成因并对黄土地貌的成因类型进行了科学划分：提出了以塬、粱，峁为基本地貌单元特征的黄土地貌类型划分系统与空间分异格局””。

黄土高原地貌种类多样，正地貌类型主要有以下几种类型盯町：（１）塬塬为由厚层黄土组成的高地，它的四面或三面被沟谷深切，顶部平坦宽阔，人走在塬上如置身平原，如图２－１．２ａ中所示。

塬的中央部分倾角多为１。

左右，向四周地面明显倾斜，但坡度一般不超过５。

塬边被沟谷分割，参差不齐。

塬边以下坡度急剧变陡，一般在１５。

锄。

以上。

景观基质内斑块数及面积变化对形状指数和分维数的影响分析杨柠腈;常顺利;师庆东【摘要】景观的形状指数和分维数不仅与单个斑块的面积和形状有关,而且与斑块内所包含的异质嵌块个数及大小有重要的关系.景观中常常出现斑块之间包裹和互相镶嵌的情况,这种镶嵌对于斑块的分维数、斑块形状指数都会产生影响,也将对整个斑块的功能产生影响.本研究模拟了基质内包含其他斑块时形状指数与形状分维数的变化特征,结果表明:随着基质内其他斑块的增多,分维数和形状指数值都将变大,分维数将向2趋近,而形状指数将发散.分维数可以更好地作为生态的变量使用,而形状指数由于其发散性则必须加以处理后才有可能应用于生态模型中.本研究为景观形状指数的选择与应用提供了参考.【期刊名称】《新疆大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】4页(P532-534,540)【关键词】景观斑块;异质嵌块;形状指数;分维数;形状模型指数【作者】杨柠腈;常顺利;师庆东【作者单位】新疆大学新疆绿洲生态重点实验室,资源与环境科学学院,干旱生态环境研究所,新疆乌鲁木齐830046;新疆大学新疆绿洲生态重点实验室,资源与环境科学学院,干旱生态环境研究所,新疆乌鲁木齐830046;新疆大学新疆绿洲生态重点实验室,资源与环境科学学院,干旱生态环境研究所,新疆乌鲁木齐830046【正文语种】中文【中图分类】P9010 引言Forman提出了物种多样性与面积成正比，面积越大其多样性指数越高[1]．生态学的岛屿生物学理论也支持这一结论，斑块的面积与斑块提供的功能成正比，斑块面积成为重要的生态学参数[2]．但是，斑块的形状是影响景观功能的另一个重要的因素，斑块的形状对生物与非生物流动有重要意义，由于边缘效应，在景观生态学中认为，正方形或圆形斑块最紧密，功能效率最大．Helliwell研究认为马来西亚热带雨林中植物组成和群落结构的变化取决于林窗的形状[3]；King发现，在美国新泽西州干砂砾土松树林地区，蜂巢密度随生境宽度化而明显不同[4]；Forman 曾对新泽西州2ha林中蘑菇的多样性进行了研究，从等径嵌块体到狭长嵌块体．其物种多样性减半并有一个阈限反应[1]；Temple对一块长扁形，宽度小于2倍边缘效应的39ha的生境斑块和一个接近正方形的46ha生境斑块进行了对比，结果发现长扁型生境敏感鸟类数量为0，而接近正方形生境鸟类数量为6[5]．中国人工林带的面积很大，据统计年鉴2000—2015年新疆完成造林面积280×104hm2[6]，但是，在人工条带林中少有较大型的动物，相反，在足够大的面状斑块中，尤其是自然斑块中具有更多的生物多样性．李斌利用地理信息系统技术结合景观斑块形状指数和分形分析方法，对黄土高原地区草原景观斑块的形状以及空间特征进行了分析．表明草原景观斑块与外界的物质、能量交换活跃程度相差较大[7]．这些实例表明斑体宽度或形状对斑块的功能有重要影响，如何将其作为一个景观生态学指标具有实践意义．自然界中，斑块的形状是多种多样的，自然过程造成的斑块常表现出不规则的复杂形状，而人为斑块(如农田、居民区、城市等)往往表现出较规则的几何形状[8]．斑块形状和特点可以用长宽比、周界—面积比以及分维数等方法来描述．根据形状和功能的一般性原理，紧密型形状在单位面积中的边缘比例小，有利于保蓄能量、养分和生物；而松散型形状(如长宽比很大或边界弯延多曲折)易于促进斑块内部与外围环境的相互作用，尤其是能量、物质和生物方面的交换[9]．如何将景观斑块的形状变化与其功能联系起来是非常有意义的，这将为景观建设与规划、景观功能评价等提供思路和指导．景观斑块的形状与斑块边界的特征(如形状、宽度、可透性等)对生态学过程的影响可能是多种多样、极为复杂的，而这方面的实际研究不多，目前很少有人把斑块形状作为斑块功能或其他生态变量进行研究．1 模拟的景观参数与方法景观生态学已经构造了多个关于斑块形状的指数，其中分维数FD（Fractal Dimension Index）和斑块形状指数SI（Shape Index）是最具有代表性的指数[8]．这些形状指数都是反映实际景观形状对于标准形状（圆或方）的偏离程度[6]，本次模拟以方形为标准，对于方形斑块来说，分维数采用公式FD=2Ln(P/4)/LnA 计算；形状指数采用公式计算；式中FD为分维数，SI为形状指数，P为周长，A为面积．景观斑块随着边界的复杂程度加大，形状指数和分维数都增加．刘学录利用正方形格子网法，研究了一个正方形在周长不变的情况下由方形变为不同比例矩形时形状指数和分维数变化的情况，结果表明，景观要素的形状指数随着其长宽比的增加而增加，并且与分维数的变化趋势相同，但是变化幅度比分维数大[10,11]．景观的形状指数和分维数不仅与单个斑块的面积和形状有关，而且与斑块内所包含的异质嵌块个数有重要的关系．自然界中常常出现斑块之间互相镶嵌的情况，在人类活动能力加强的情况下，斑块之间相互包含的现象加剧，这些嵌块的变化将对其他斑块的功能产生影响，而镶嵌与包含首先是反映在斑块的各类形状指数的变化上．因而研究斑块内镶嵌异质体的面积变化和个数变化引起的各形状指数变化，对于此后将形状指数应用于景观的相关模型参数计算以及景观生态学的实际应用具有现实意义．2 斑块内包含一个增长嵌块体时分维数和形状指数的变化在景观分析中经常见到一个斑块中包含了另外一个异质体，异质体的大小变化将对这个斑块的功能产生影响，同时影响这个斑块的形状指数．例如在森林或草地中逐渐扩大的城市和农村，对原有森林和草地功能的影响．表1模拟了一个斑块中包含了另外一个嵌块体时，随着嵌块体的面积变化，原斑块形状指数的变化特征．利用一个100×100=10 000个格子构成一个网格区、为原斑块，每个格子的边长1 m，总面积为10 000 m2，分别计算该原斑块内包含一个周长逐渐增加正方形嵌块时，原斑块形状指数和分维数的变化情况．从表1中可以看出，随着内部嵌块体边长的增加，原斑块分维数和形状指数也随着增加，嵌块体边长趋近100时，原斑块趋近于线状，等于100时，原斑块彻底消失；在这个变化过程中形状指数的增长要快于分维数，当嵌块边长大于80 m时，在边长增长情况下，形状指数迅速上扬，呈发散状态．表1 斑块内包含一个面积变化嵌块体时分维数和形状指数的变化注：原斑块为正方形，边长Le=100 m，周长Pe=4Le=400 m；面积Ae=10 000 m2；变化的嵌块为正方形，其中，Li为内部嵌块边长；Ai为内部嵌块面积；Pi为内部嵌块周长；Ae-Ai为总面积去除嵌块的面积；Pe+Pi为斑块与内嵌体周长之和；FD为斑块分维数；SI为斑块形状指数．类型 Li Ai Pi Ae-Ai Pe+Pi FD SI 1 0 0 0 10 000 400 1.000 1.000 2 10 100 40 9 900 440 1.022 1.106 3 20 400 80 9 600 480 1.044 1.225 4 33.3 1 111 133.3 8 888.9 533.3 1.076 1.414 5 40 1 600 160 8 400 560 1.094 1.528 6 50 2 500 200 7 500 600 1.123 1.732 7 58.8 3 460 235.3 6 539.8 635.3 1.154 1.963 8 66.7 4 444 266.7 5 555.6 666.7 1.187 2.237 9 70.7 5 000 282.9 4 999 682.9 1.207 2.414 10 80 6 400 320 3 600 720 1.268 3.000 11 90.9 8 264.5 363.6 1 735.5 763.6 1.408 4.580 12 98.9 9 783.6 395.6 216.4795.6 1.965 13.4473 斑块内包含多个嵌块体时分维数和形状指数的变化在现实情况中，一个斑块中可能包含不止一个嵌块体，而是含有多个嵌块体．这些异质嵌块体增加了斑块的周长/面积比值，使得斑块的形状指数和分维数变化．本模拟中使用的嵌块体边长为4 m，模拟嵌块体的数目增加后斑块的形状指数和分维数的变化，表2的数据是在大斑块内分别包含了1∼481个面积相同的嵌块体，大于481嵌块体时，原斑块趋于线状，再增加时原斑块消失，由此来观察斑块分维数FD和形状指数SI的变化情况．增加嵌块后可以看出，斑块内所含嵌块体的个数超过40个以后形状指数呈显著增长，且呈发散状态，而分维数仍在2以内，参见表2．表2 基质内包含边长不变，嵌块体个数变化时分维数和形状指数的变化注：Ls为嵌块体边长，I为嵌块体个数，其余各指数含义参见表1注．类型Ls I Ai Pi Ae-Ai Pe+Pi FD SI 1 4 0 0 0 10 000 400 1 1 2 4 1 16 16 9 984 416 1.008 692 1.040 833 3 4 41 656 656 9 344 1 056 1.219 788 2.731 099 4 4 81 1 296 1 296 8 704 1 696 1.333 783 4.544 713 5 4 121 1 936 1 936 8 064 2 336 1.416 294 6.503 357 6 4 161 2 576 2 576 7 424 2 976 1.483 772 8.634 833 7 4 201 3 216 3 216 6 784 3 616 1.543 092 10.975 53 8 4 241 3 856 3 856 6 144 4 256 1.597 984 13.574 26 9 4 281 4 496 4 496 5 504 4 896 1.650 921 16.498 41 10 4 321 5 136 5 136 4 864 5 536 1.703 901 19.844 46 11 4 361 5 776 5 776 4 224 6 176 1.758 902 23.756 66 12 4 401 6 416 6 416 3 584 6 816 1.818 309 28.463 32 13 4 441 7 056 7 056 2 944 7 456 1.885 56 34.353 98 14 4 481 7 696 7 696 2 304 8 096 1.966 53 42.166 674 结论从景观分维数和景观形状指数的几种情况中可以分析得出，斑块形状指数SI与分维数FD均能反映斑块内包含不同异质体时的特征变化．当斑块为完整正方形时，分维数FD为1，而形状复杂时（或接近于线状时）分维数趋近于2．而形状指数SI在斑块形状为完整正方形时，其值为1，而当班块形状趋于复杂时，其形状指数逐渐增大且具有发散性．分维数可以更好地作为生态的变量使用，而形状指数由于其发散性则必须加以处理后才可使用．本文对形状指数的特征研究为将这些指数引入到生态学模型中提供了思路，将这些指数实际应用于生态学模型时，还可结合其他的生物、物理、化学、生态等变量．参考文献：【相关文献】[1]福尔曼R,戈德罗恩M.景观生态学[M].肖笃宁,张启德,赵羿,等译.北京:科学出版社,1990.[2]赵羿,刘月辉.实用景观生态学[M].北京:中国科学出版社,2001.[3]Helliwell D R.Valuation of wildlife resources[J].Regional Studies,1969,3:41-49.[4]King R T.Wildlife and man[J].New York Conservationist,1966,20(6):8-11.[5]Temple S A.Predicting impacts of habitat fragmentation on forest birds:a comparison of two models[M].Madison:University of Wisconsin Press,1986.[6]新疆维吾尔自治区统计局.新疆统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2016.[7]李斌,张金屯.黄土高原草原景观斑块形状的指数和分形分析[J].草地学报,2010,18(2):141-147.[8]邬建国.景观生态学[M].北京:高等教育出版社,2007.[9]肖笃宁,李秀珍,高峻,等.景观生态学[M].北京:科学出版社,2010.[10]刘学录,董旺远,林慧龙.景观要素的形状指数与形状特征的的关系[J].甘肃科学学报,2000,12(3):17-20.[11]刘学录.盐化草地景观中的斑块形状指数及其生态学意义[J].草业科学,2000,17(2):50-52.。

描述黄土高原的地表形态特征
黄土高原是中国北方干旱草原的名称，它具有独特的地表形态特征，
构成了我国广袤的草原景观。

一、地形
黄土高原的地形多为丘陵和平原。

其中，远处的山脉分布式层状的，
呈东西向延伸；脊线处多为孤立的单个山丘；近处的丘陵分布散乱，
多山多岭，构成典型的“山村交错”的景象。

二、坡度
在黄土高原的山坡变化较大，但大体来说坡度不太陡，最大仅达25°；而大多数丘陵地最大坡度仅达15°-20°，局部会出现较陡的坡度，如悬崖等。

三、地势
在黄土高原，典型的地势呈“水泥盆”状，由陡坡和平缓联接，两者
之间多呈斜面，斜坡上覆盖着少量植被。

四、植被
受自然环境的影响，黄土高原的植被以分布稀疏的矮草为主。

有的地
方覆盖了灌木，但大多数只有少量的草本植物，植被的覆盖率很低，
严重造成土壤的沙漠化。

五、土壤
黄土高原的土壤主要为黄土天然质，由于土壤植被稀疏，土壤灰渣层多薄，大多数地方土壤的质量也比较差，水分极易流失，难以保持土地肥力。

总之，黄土高原具有多重地表形态特征，地形多为丘陵和平原，坡度不太陡，地势呈“水泥盆”状，植被以分布稀疏的矮草为主，植被覆盖率很低，土壤主要为黄土天然质，大多数土壤的质量也比较差，水分极易流失，难以保持土地肥力。

由此可见，黄土高原是一处富有特色的地貌景观，但因其特殊的地形和气候条件，需要我们加以保护。

第27卷第1期地理与地理信息科学V01．27 No．1 2011年1月G e o g r a p h y and Geo—Info rma tion Sc ie nc e J an u a ry 2011黄土高原典型地貌类型的土地利用分形特征杨洋，毕如田’(山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801)摘要：以山西省闻喜县1：1万土地利用现状数据库为数据源。

运用GIS技术。

基于DEM数据及地貌特征将闻喜县分为河谷、塬地、丘陵、tll地4种地貌，计算各地貌下不同士地类型的分维数和稳定数，并对计算结果进行分析比较。

结果表明：不同的地貌特征不仅对土地利用结构有影响。

对其分维指数和稳定性指数也有影响；相同地貌特征下不同的土地类型分维数和稳定性指数存在着差异。

分维数越高土地利用类型的结构越复杂，稳定性指数越高土地利用类型的结构越简单。

通过对分维数和稳定性指数的研究可为优化土地利用结构和可持续利用土地资源提供依据。

关键词：分形；地貌特征；七地利用结构；分维数；稳定性指数中图分类号：F30l文献标识码：A文章编号：1672--0504(2011)01--0101--04土地分类、土地评价、土地利用规划、自然区划和区0引言域发展战略等方面的应用[11；朱晓华等应用分形理合理的土地利用是当今研究的热点之一，以往论对中国土地空间分形结构及其机制问题进行了探的区域土地利用结构分析主要基于土地利用类型图讨，提出土地结构分维所能体现出的信息主要受土对图斑的数量、形状、面积及其构成等进行分析，采地类型本身几何属性的影响[63；谢花林等建立了东用的数量指标主要有多度、频度、面积比、重量值江源流域土地利用空间数据库，运用分形模型对江等【lj。

由于土地利用随着地貌环境的不同，具有明西东江源流域土地利用空间格局的变化进行了研显的结构、形态、景观、功能等差异，因此探索不同地究，获得了1985年和2000年两个时期各个土地利貌类型的土地利用分形特征，对揭示区域土地利用用类型的分形维数和稳定性指数，并且与景观指数空问分布规律有着芎要意义。

黄土高原丘陵沟壑聚落密集斑块式
摘要：
1.黄土高原的地理特征
2.黄土高原的历史文化
3.黄土高原的民俗风情
4.黄土高原的生态问题及治理
5.黄土高原的未来发展
正文：
黄土高原位于我国中部地区，涵盖了陕西、甘肃、宁夏、河南、山西等省份，是我国最大的高原。

这片土地的地貌特征是丘陵沟壑，聚落密集，形成了独特的斑块式景观。

黄土高原的历史文化底蕴深厚，它是中华文明的重要发源地之一。

在这片土地上，见证了诸多朝代的兴衰，留下了丰富的历史遗迹。

例如，位于陕西的秦始皇兵马俑，就是黄土高原历史文化的瑰宝。

黄土高原的民俗风情独具特色，这里孕育了丰富的民间艺术和民俗文化。

如陕北的秧歌、信天游等，都是黄土高原文化的代表。

这些艺术形式，既体现了当地人民的生活习惯，也展示了他们对美好生活的向往。

黄土高原地区生态环境较为脆弱，水土流失、沙漠化等问题较为严重。

近年来，我国政府加大了对黄土高原的生态治理力度，实施了一系列的生态修复和保护工程，取得了显著的成效。

展望未来，黄土高原地区应充分利用其丰富的历史文化资源和独特的民俗风情，发展文化旅游产业，带动地区经济发展。

同时，继续加大生态治理力
度，改善生态环境，为黄土高原的可持续发展奠定坚实基础。

总之，黄土高原是我国重要的地理、历史文化区域，具有丰富的资源和潜力。

草原斑块形式
草原斑块形式是指草原在地理空间上呈现出不连续的、分散的斑块状分布。

这种形式通常是由于人类活动或自然因素导致的草原退化、破碎化所引起的。

草原斑块形式的主要原因包括：
1. 过度放牧：过量的牲畜放牧会导致草原植被过度损耗，无法恢复，形成碎片化的斑块。

2. 土地利用变化：大规模的农田开垦、城市建设等人类活动使草原面积被划分为零散的小块。

3. 自然因素：自然灾害如火灾、干旱等也会导致草原植被破碎化。

草原斑块形式对生态环境和生物多样性产生了重要影响：
1. 生态功能下降：草原的破碎化会导致水土流失加剧，土壤质量下降，水循环受到破坏，从而降低了草原的水源保持、土壤保持和水分调节等重要生态功能。

2. 物种多样性丧失：草原斑块化限制了物种的迁移和繁衍，导致许多野生动植物难以找到适宜的栖息地，从而引发物种灭绝和生物多样性丧失的问题。

为了改善草原斑块形式，可以采取以下措施：
1. 合理放牧管理：通过科学合理的放牧管理，控制牲畜放牧的数量和时间，避免过度损耗草原植被。

2. 草原恢复与保护：加强对草原的保护力度，禁止非法砍伐和
盗采，积极进行草原植被的恢复和修复工作。

3. 生态修复与重建：通过植树造林、草种播种、水土保持等措施，加强对草原生态系统的修复和重建，提高草原的整体连通性。

4. 土地规划与管理：在土地规划和利用中注重保护草原资源，合理划定草原保护区和农田边界，避免进一步破碎化。

草原斑块形式的治理需要政府、科研机构、农牧民等各方共同参与，形成合力，通过科学管理和综合治理，促进草原生态环境的恢复与保护。