非耕地对耕地系统景观异质性的影响 ——以下辽河平原四个典型县域为例

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景观异质性是维持耕地系统生物多样性及多种生态系统服务功能的基础,非耕地则是耕地系统中的“生态骨骼”,为大部分生态学过程的发生提供有力支撑。然而随着现代化农业的迅速发展,大量非耕地从耕地周边消失,耕地系统呈现出高度均质化、景观结构简单类型单一的现状,导致生物多样性下降及生态系统稳定性降低等一系列后果。已有研究表明通过保留防护林带、草地及树篱等方式构建一定比例的非耕地可以提升景观异质性。但非耕地比例提升,景观异质性并非持续增强,非耕地比例是景观异质性的必要而非充分条件。为在保障耕地面积的前提下有效提升景观异质性,本文以下辽河平原四个典型县域为研究区,在确定最优研究尺度的基础上,采用Rao二次熵指数(Q)表征景观异质性,通过单变量回归分析确定非耕地比例与景观异质性的对应关系,明确营造较强景观异质性的最低非耕地比例阈值,采用冗余分析(RDA)探明林地、水域、草地、沟渠及农村道路五种非耕地类型对景观异质性的影响程度,通过非参数检验确定景观异质性差异较大的耕地系统中非耕地结构特征是否存在显著性差异,通过R语言Vegan包中的Bioenv函数确定提升景观异质性最有效的非耕地组合以及结构特征,最后通过方差分解(VPA)确定非耕地组合及结构对景观异质性的影响程度。研究结果表明:(1)非耕地比例在20%-30%的区间内景观异质性平均值达到最高,约为1.4。不同非耕地比例区间内,景观异质性平均值随非耕地比例提升出现先增强后减弱的趋势,在20%-30%区间中,景观异质性平均达到最强。当耕地系统景观异质性强时,其非耕地比例下限明显高于其他耕地系统,因此强景观异质性需要一定比例的非耕地作为支撑。(2)以下辽河平原县域耕地系统中现存非耕地比例的实际情况为基准,在现有条件下,5%为营造较强景观异质性的最低非耕地比例阈值,非耕地比例为16%至20%区间内提升景观异质性效益最高,非耕地比例为18.6%时,景观异质性的提升空间最大。任意非耕地比例下景观异质性均存在差异。非耕地比例超过5%后,可以实现低比例营造较强景观异质性,非耕地比例超过16%后,景观异质性的差异趋于稳定,达到18.6%时,景观异质性强弱差异最大,非耕地比例超过20%后,景观异质性差异又逐渐缩小,因此非耕地比例为16%至20%区间内景观异质性的提升空间最大。(3)林地是对提升景观异质性贡献最大的非耕地类型,林地+水域+沟渠是提升景观异质性最优的非耕地组合。五种非耕地类型对景观异质性均存在极显著的影响(P<0.01),但不同非耕地类型及组合对景观异质性强弱差异的解释程度不同,其中林地对景观异质性差异的解释率最高,约为29%。(4)非耕地之间的连通性以及边界形状的复杂程度与景观异质性成正比。景观异质性强弱差异较大的耕地系统中,非耕地的景观形状指数(LSI)、平均最近邻体距离指数(ENN-MN)、景观分离度指数(DIVISION)以及景观分割指数(SPLIT)存在显著性差异(P<0.05),结合度指数(COHESION)+聚集度指数(AI)是影响景观异质性最主要的非耕地斑块水平指数组合。(5)非耕地组成及结构的交互作用是景观异质性存在强弱差异的最重要因素。Mantel检验的结果表明,非耕地组成及结构对景观异质性均存在极显著影响(P<0.01)。非耕地组成及结构对景观异质性的独立解释率较弱,分别为8.5%及11.8%,二者的交互作用对景观异质性强弱的解释率达到53.1%。因此,二者的交互作用是对景观异质性影响最强烈的因素。以下辽河平原县域耕地系统中现存非耕地比例为基准,在未来提升景观异质性时,应至少在耕地系统中布局5%的非耕地,且在存在16%至20%非耕地比例的耕地系统中营造连通性强的林地+沟渠+水域的非耕地组合,提升景观异质性效率最高。
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