CN101427644B - 水库集水区水源涵养林的空间配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库集水区水源涵养林的空间配置方法，采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行空间格局设计，选用景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、景观分离度指数、嵌块体的分维数、嵌块体形状破碎化指数、嵌块体数目破碎化指数等指数作为数量化指标，对水库集水区水源涵养林种的水平配置和立体配置进行设计。能较为合理的对水库集水区的水源涵养林空间配置与结构进行规划，并较大限度的发挥起水源涵养林的水源保护功能。

Description

水库集水区水源涵养林的空间配置方法

技术领域

本发明涉及一种林业科学中的造林技术，尤其涉及一种水库集水区水源涵养林的空间配置方法。

背景技术

根据自然地理条件，对各个林种及其配置以建立综合的森林体系和达到合理的森林覆盖率，对水源涵养林带的结构与配置、树种选择、营林技术等方面都能够取得很好的技术效果。

现有技术中，通过对于不同地区，特别是灾害严重地区的灾害种类发生发展规律、危害程度等进行分析；对不同营造水源林地区的立地分类、立地评价；对水源涵养林的生态效益，特别是农林田带、林网改善农田小气候，提高农田产量，防止土地沙漠化、防沙固沙、水土保持等方面进行研究和测试；对不同地区的乔灌木树种乃至一些草种的生物学、生态学特性及一些树种的育苗、栽培、管理技术等进行研究；对一些水库集水区的调查等技术措施对水源涵养林进行空间配置。

上述现有技术至少存在以下缺点：

水源涵养林的空间配置与结构不合理，致使水源涵养林不能充分发挥对水源的保护功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种空间配置与结构合理，能充分发挥水源涵养林对水源的保护功能的水库集水区水源涵养林的空间配置方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行空间格局设计，包括对水库集水区水源涵养林种的水平配置和立体配置；

所述空间布局设计中，选用以下至少一项指数作为数量化指标：

景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、景观分离度指数、嵌块体的分维数、嵌块体形状破碎化指数、嵌块体数目破碎化指数；

设pi是研究区景观第i类嵌块体占景观总面积的比例，p1至pm由小到大排列：m是所述研究区景观中嵌块体的总数。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，由于采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行包括水平配置和立体配置的空间格局设计。能使水源涵养林的空间配置与结构合理，充分发挥水源涵养林对水源的保护功能。

具体实施方式

本发明的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其较佳的具体实施方式是，采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行空间格局设计，包括对水库集水区水源涵养林种的水平配置和立体配置。

在进行空间布局设计中，选用以下至少一项指数作为数量化指标：

景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、景观分离度指数、嵌块体的分维数、嵌块体形状破碎化指数、嵌块体数目破碎化指数；

设pi是研究区景观第i类嵌块体占景观总面积的比例，p1至pm由小到大排列；m是所述研究区景观中嵌块体的总数。

所述景观多样性指数用于反应景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化，其计算公式为：

$H=-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pi}\×{\log }_2\left(\mathrm{pi}\right)].$

所述优势度指数用于描述景观由少数几个主要景观要素控制的程度，其计算公式为：

$D=H_{\max }+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pi}\×{\log }_2\left(\mathrm{pi}\right)]$

式中，H_max为最大多样性指数，H_max＝log₂(pm)。

所述均匀度指数用于描述景观里不同景观要素的分配均匀程度，其计算公式为：

$E=\left(\frac{H^{,}}{H_{\max }}\right)\×100\%$

式中，H’是修正了的景观多样性指数，H’的计算公式为：

$H^{,}=-{\log }_2\left[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{pi}}^2\right].$

所述景观分离度指数表示景观中不同嵌块体个体分布的分离程度，其计算公式如下：

$F_i=\frac{G_i}{S_i}$

式中，F_i为崁块体i的景观分离度指数；G_i为崁块体i的距离指数，

m表示景观中嵌块体的总个数，A为景观的总面积；S_i为崁块体i的面积指数，

A_i为崁块体i的面积。

所述嵌块体的分维数用于测定嵌块体形状的复杂程度，其计算公式如下：

$\log \left(\frac{L}{4}\right)=K\×\log \left(A^{\′}\right)+C$

式中，L为嵌块体周长，A′为相应嵌块体面积，C为常数，K为斜率；

嵌块体的分维数Fd＝2K。

所述嵌块体形状破碎化指数用于刻划景观破碎化程度，其计算公式如下：

$\mathrm{FS}1=1-\frac{1}{\mathrm{MSI}},$ $\mathrm{FS}2=1-\frac{1}{\mathrm{ASI}};$

$\mathrm{MSI}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{SI}\left(i\right)}{m},$ $\mathrm{ASI}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{SI}\left(i\right)}{A};$

$\mathrm{SI}\left(i\right)=\frac{L_i}{\left[4\sqrt{A_i}\right]},$ $A=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i.$

式中，FS1和FS2是嵌块体的形状破碎化指数，MSI是景观嵌块体的平均形状指数，SI(i)是崁块体i的形状指数，L_i是嵌块体i的周长，A_i是崁块体i的面积，A为景观总面积，m是景观中嵌块体总数。

所述嵌块体数目破碎化指数用于表示景观破碎化程度的指数，其计算公式为：

$\mathrm{FN}=\frac{(m-1)}{\mathrm{Nc}}$

式中，m表示景观中嵌块体的总数；Nc表示景观数矩阵方格网中格子总数；FN为景观嵌块体数目破碎化指数，其值越大，景观破碎化程度越大。

在对水库集水区水源涵养林进行空间布局设计时，可以按照以下原则中的一项或多项进行：

增加景观多样性指数；降低景观的优势度指数；提高景观的均匀度指数；降低景观分离度指数；提高景观嵌块体的分维数；降低景观嵌块体形状破碎化指数和嵌块体数目破碎化指数。

本发明采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行的空间格局设计，完成对水库集水区水源涵养林种的水平配置和立体配置。

林种的水平配置是指水源涵养林体系内的各林种在集水区范围内的平面布局和规划。对于具体集水区域，以其周边山系、水系、主要道路网的分布以及土地利用规划为基础，根据当地发展和人民生活的需要，根据当地水土流失特点、涵养水源、保持水土和改善各种生产用地水土条件的需要，进行各水源涵养林种的合理布局和配置。在规划中贯彻“因害设防，因地制宜”、“生物措施和工程措施相结合”的原则。在林种配置形式上，与农田、牧场及其他水土保持设施相结合，采用带、片、网相结合。在水库集水区整体上兼顾入库水系上、中、下游，库滨山系的坡、沟、梁以及岸边的相互关系，林业用地的总体布局考虑在水库集水区范围内的均匀分布和达到一定的林地覆盖率，大致可以为50％～70％。

林种的立体配置是指某一林种内组成的植物种的选择，形成立体的结构。根据防治水土流失和改善生产条件以及立体经济开发的需要以及立地条件、植物种的生物学特性生态学特性来进行立体配置，以形成多功能、多效益的农林复合生态系统。利用植物共生、时间生态位重叠，充分发挥水、土、光、热等资源的生产潜力，不断培肥地力，以达到最大的土地利用率和土地生产力，同时也会取得良好的水源保护作用。

对于一个完整的水库集水区水源涵养林的空间配置，还要考虑通过体系内各个林种的合理水平配置和布局，达到与土地利用等的合理结合，分布均匀，有一定的林木覆盖率各林种间的生态、水文及水土保持效益互补，形成完整的水源涵养林体系，充分发挥其改善生态环境、保持水土、改善水质及涵养水源等的水土保持功能；同时通过各体系内各个林种树种(或植物种)的立体配置形成良好的林分结构，具有生态学和生物学的稳定性，达到加强水库集水区水源涵养林的水源涵养、防止土壤侵蚀、改善水质的功能。同时也创造了持续、稳定、高效的林业生态经济功能。

在空间配置格局的设计中，本发明选用了如下数量化指标：

1、景观多样性指数(Simpson指数)(H)

景观多样性指数反应景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化。当景观由单要素构成时，景观是均质的，其多样性指数为0；由两个以上要素构成的景观，当各景观类型所占的比例相等时，其景观多样性最高，随着各类型所占比例差异增大，景观多样性则下降，计算公式如下：

$H=-\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pi}\×{\log }_2\left(\mathrm{pi}\right)]$

式中，pi是第i类嵌块体占景观总面积的比例，p1至pm由小到大排列；m是研究区景观嵌块体的总数；H为景观多样性指数，其值越大，表示的景观多样性越大。

2、优势度(D)

它主要描述景观由少数几个主要景观要素控制的程度，其值越大，则说明景观中某一要素或少数要素占优势；反之，则表示景观中各要素所占比例大致相当；当D为0时，表示景观中各要素所占比例相等，景观完全均质。计算公式如下：

$D=H_{\max }+\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{pi}\×{\log }_2\left(\mathrm{pi}\right)]$

式中，pi、m的定义同多样性指数；H_max为最大多样性指数，H_max＝log₂(pm)。

3、均匀度指数(E)

该指数描述景观里不同景观要素的分配均匀程度。计算公式如下：

$E=\left(\frac{H^{,}}{H_{\max }}\right)\×100\%$

式中，E是均匀度的百分数，H’是修正了的景观多样性指数，H’的计算公式为：

$H^{,}=-{\log }_2\left[\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{pi}}^2\right]$

式中，pi和m定义同上。

优势度D与均匀度指数E成负相关。

4、景观的分离度指数

景观分离度指某一景观类型中不同嵌块体个体分布的分离程度。计算公式如下：

$F_i=\frac{G_i}{S_i}$

式中，F_i为景观要素i的分离度；G_i为景观要素i的距离指数，S_i为景观要素i的面积指数，m表示嵌块体总个数，A为景观的总面积，

A_i为景观要素i的面积。

5、嵌块体的分维数

它主要用于测定嵌块体形状的复杂程度。其一般表达式为：

Q(L)＝LFd

式中，Q(L)是在观测尺度L上获得的分维变量，Fd为分维数。

景观生态学中，一般用嵌块体的周长(观测尺度)与面积的回归方程来近似求取嵌块体的分维数，其公式表达为：

$\log \left(\frac{L}{4}\right)=K\×\log \left(A^{\′}\right)+C$

式中，L为嵌块体周长，A′为相应嵌块体面积，C为常数，K为斜率。

Fd＝2K

在计算中，对于区域性及嵌块体数目较多类型采用此式求得分维数。对于只有少数几个嵌块体的类型，其回归无意义，故采用下式近似求取：

$\mathrm{Fd}=\frac{2\log \left(\frac{L}{4}\right)}{\log \left(A^{\′}\right)}$

式中，Fd表示分维数，L表示嵌块体周长，A′表示嵌块体面积。

一般而言，Fd值的理论范围为1.0～2.0。Fd值越接近1，表明嵌块体的自我相似性越强，嵌块体形状越有规律；相反，嵌块体受人干扰程度越大，Fd值越接近2，表示嵌块体形状越复杂。

6、嵌块体形状破碎化指数

它也是刻划景观破碎化程度的指数，其形状公式如下：

$\mathrm{FS}1=1-\frac{1}{\mathrm{MSI}},$ $\mathrm{FS}2=1-\frac{1}{\mathrm{ASI}};$

$\mathrm{MSI}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{SI}\left(i\right)}{m},$ $\mathrm{ASI}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{SI}\left(i\right)}{A};$

$\mathrm{SI}\left(i\right)=\frac{L_i}{\left[4\sqrt{A_i}\right]},$ $A=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i.$

式中，FS1和FS2是两个同一景观要素的嵌块体形状破碎化指数，MSI是景观嵌块体的平均形状指数，SI(i)是景观要素i的形状指数，L_i是景观嵌块体i的周长，A_i是景观要素i的面积，A为景观总面积，m是该景观类型的嵌块体总数。

7、嵌块体数目破碎化指数(FN)

嵌块体数目破碎化指数为表示景观破碎化程度的指数，计算公式为：

$\mathrm{FN}=\frac{(m-1)}{\mathrm{Nc}}$

式中，m表示景观中嵌块体的总数，Nc表示景观数矩阵方格网中格子总数，FN为景观嵌块体数目破碎化指数，其值越大，景观破碎化程度越大。

根据景观格局的理论，高效的空间配置就是增加景观的多样性，根据以上7个数量化指标，降低景观的优势，提高景观的均匀度，降低景观的分离度，提高景观的分维数，降低景观被分割的破碎程度和破碎化指数。同时结合造林学“适地植树”和防护林学“因害设防”的原则，便可对水库集水区水源涵养林进行高效空间配置。

本发明与现有技术中的配置技术相比，更具现实的可行性和可操作性，更加切合实际；在水源保护三大功能方面都有了显著提高，配置后的水源涵养林体系植被类型更优。

按本发明规划后，景观优势度会明显下降，景观均匀度和景观多样性会显著提高，且景观嵌体的破碎化程度会降低，分维数会增加，即规划前后各类景观的各项指数都将向景观格局合理化方向变化，各类植被类型的空间配置渐趋合理，为水源涵养林功能的发挥奠定了坚实的基础。

对空间结构的设计可以从其本身生态性质入手，选择理想的利用方式和方向。在总体规划之前，先将整个集水区分为3级进行，每一级又可分为极度危险区、危险区和非危险区三级，然后依次进行规划。

可以依据景观生态学原理，并根据上述结构布局设计，具体的实施方式可以包括：

对紧靠水库边缘和入库河流两岸的经济林和农田进行规划调整。可进行适当削减，还林还草或营造低密度多层次混交林，避免经济林和农田的农药、化肥、人畜粪便等对水体的污染。

对产量低、品质差及在山坡上的经济林进行改造，主要是营造低密度多层次混交的水源涵养和保护的用材林。

对低效林分和灌草地的改造。对低效林分的改造主要是对其进行灌木化或改造为低密度多层次混交林，来提高林分的水源保护效能。

在条件(人力、物力和财力)允许的情况下，可以将一些纯林改造成低密度多层次的混交林。

为了提高当地居民的经济收入和生活水平，可适当开发一些森林旅游区，但要做好环境保护工作，以免造成水质污染。

本发明专利较为合理的对水库集水区的水源涵养林空间配置与结构进行规划，较大限度的发挥起水源涵养林的水源保护功能等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，采用景观生态规划方法对水库集水区水源涵养林进行空间格局设计，包括对水库集水区水源涵养林种的水平配置和立体配置；

所述空间布局设计中，选用以下至少一项指数作为数量化指标：

景观多样性指数、优势度指数、均匀度指数、景观分离度指数、嵌块体的分维数、嵌块体形状破碎化指数、嵌块体数目破碎化指数；

设pi是研究区景观第i类嵌块体占景观总面积的比例，p1至pm由小到大排列；m是所述研究区景观中嵌块体的总数。

2.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述景观多样性指数用于反应景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化，其计算公式为：

3.根据权利要求2所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述优势度指数用于描述景观由少数几个主要景观要素控制的程度，其计算公式为：

式中，H_max为最大多样性指数，H_max＝log₂(pm)。

4.根据权利要求3所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述均匀度指数用于描述景观里不同景观要素的分配均匀程度，其计算公式为：

式中，H’是修正了的景观多样性指数，H’的计算公式为：

5.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述景观分离度指数表示景观中不同嵌块体个体分布的分离程度，其计算公式如下：

式中，F_i为崁块体i的景观分离度指数；G_i为崁块体i的距离指数，

m表示景观中嵌块体的总个数，A为景观的总面积；S_i为崁块体i的面积指数，

A_i为崁块体i的面积。

6.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述嵌块体的分维数用于测定嵌块体形状的复杂程度，其计算公式如下：

式中，L为嵌块体周长，A′为相应嵌块体面积，C为常数，K为斜率；

嵌块体的分维数Fd＝2K。

7.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述嵌块体形状破碎化指数用于刻划景观破碎化程度，其计算公式如下：

式中，FS1和FS2是嵌块体的形状破碎化指数，MSI是景观嵌块体的平均形状指数，SI(i)是崁块体i的形状指数，L_i是嵌块体i的周长，A_i是崁块体i的面积，A为景观总面积，m是景观中嵌块体总数。

8.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述嵌块体数目破碎化指数用于表示景观破碎化程度的指数，其计算公式为：

式中，m表示景观中嵌块体的总数；Nc表示景观数矩阵方格网中格子总数；FN为景观嵌块体数目破碎化指数，其值越大，景观破碎化程度越大。

9.根据权利要求1所述的水库集水区水源涵养林的空间配置方法，其特征在于，所述空间布局设计按照以下原则中的一项或多项进行：

增加景观多样性指数；降低景观的优势度指数；提高景观的均匀度指数；降低景观分离度指数；提高景观嵌块体的分维数；降低景观嵌块体形状破碎化指数和嵌块体数目破碎化指数。