劉建華 王 戈 楊 斕 劉曉希 于 強 岳德鵬

(1.北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)外語學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

草原是地球上分布最為廣泛的一種生態(tài)系統(tǒng)，草原生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)作用十分明顯[1]。我國有大面積的草原景觀，主要分布在內(nèi)蒙古高原、寧夏黃土高原、東北平原、青藏高原以及新疆部分山區(qū)[2]。北方草原不僅是中國傳統(tǒng)的畜牧業(yè)基地, 而且是我國中原地區(qū)的綠色生態(tài)屏障, 在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、固持碳素和防止沙塵暴等方面發(fā)揮著極其重要的生態(tài)作用。包頭市丘陵草原面積占總面積的75.51%，草原景觀是包頭市的主體景觀類型[3]。包頭市位于北方游牧區(qū)和中原農(nóng)耕區(qū)的交錯地帶，草原景觀的生態(tài)作用至關(guān)重要。

隨著荒漠化問題的加劇，中國北方草原景觀也受到了極大的威脅，草原退化問題已經(jīng)成為目前的研究熱點和難點[4]，草原景觀結(jié)構(gòu)的完整性對于維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定和區(qū)域生態(tài)安全至關(guān)重要，對于草原景觀結(jié)構(gòu)進行準(zhǔn)確評價已經(jīng)成為研究重點[5]。針對景觀結(jié)構(gòu)評價的研究較多，主要利用GIS空間分析方法、地學(xué)信息圖譜方法、園林結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、景觀生態(tài)學(xué)分析法和空間格局分析法等對流域、區(qū)域、森林等進行景觀結(jié)構(gòu)分析評價[6]，而針對草原景觀進行多層次的結(jié)構(gòu)分析目前研究較少。

草原景觀斑塊與森林斑塊間具有一定的相似性，斑塊間進行著各種復(fù)雜的生態(tài)過程，斑塊間通過物質(zhì)與能量的流動耦合維持總體可持續(xù)形態(tài)，形成“斑塊耦合體”。本研究以包頭市為研究區(qū)，基于草原景觀斑塊的“斑塊耦合體”理論[7]，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)和景觀格局指數(shù)分析方法，對包頭市的草原景觀的空間結(jié)構(gòu)、景觀結(jié)構(gòu)以及斑塊耦合體結(jié)構(gòu)進行評價研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

包頭市面積27 768 km2，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，東經(jīng)109°13′～111°26′，北緯40°13′～42°44′，如圖1所示。包頭市深處內(nèi)陸，氣候為典型的溫帶干旱、半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥、夏季炎熱多雨[8]，年平均氣溫2.0～7.7℃，年均降水量175～400 mm，年均蒸發(fā)量2 100～2 700 mm。包頭市可利用地表水總量為9×108m3，地下水補給量為8.6×109m3。黃河流經(jīng)包頭市境內(nèi)214 km，水面寬130～458 m，最大流量6 400 m3/s，年平均徑流量為2.60×1011m3，是包頭市主要用水來源[9]。包頭市海拔范圍為976～2 317 m，地勢中間高南北低，北部丘陵、中部山地、南部平原分別占土地面積的14.49%、75.51%和10%[10]。干旱的氣候條件與起伏的地貌特征使得包頭市生態(tài)環(huán)境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風(fēng)險。近年來，包頭市城市建設(shè)規(guī)模擴張迅速，房地產(chǎn)開發(fā)項目、工業(yè)園區(qū)等建設(shè)項目不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致草地、林地、濕地等生態(tài)用地遭到占用與破壞，生態(tài)風(fēng)險有所升高[11]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選取包頭市2016年夏季成像的Landsat OLI影像數(shù)據(jù)(來自地理空間數(shù)據(jù)云平臺)為研究素材，影像的空間分辨率為30 m，云量低于10%。對影像進行波段合成、圖像增強和幾何校正處理，選擇最大似然監(jiān)督分類法對遙感影像進行目視解譯，提取包頭市的土地景觀類型信息，使用ArcMap 10.4進行細(xì)碎斑塊處理，結(jié)合外業(yè)調(diào)查確定出包頭市草原景觀類型共3類：人工牧草地、天然牧草地、其他草地。利用原始影像計算歸一化差分植被指數(shù)(Normalized difference vegetation index,NDVI)。

1.3 草原景觀分類

包頭市草原景觀由于其植被蓋度不均勻，可以進一步進行分類和分區(qū)。本研究根據(jù)包頭市土地利用二級分類數(shù)據(jù)集合遙感影像提取NDVI數(shù)據(jù)。根據(jù)景觀分類的主導(dǎo)因子原則和NDVI，將研究對象草原景觀在ArcGIS中按照自然段點法進行分級[12]。

包頭市全域有28 009個作業(yè)管理單元(草地斑塊)，127 437個不同用地類型斑塊(小班)。共有32種用地類型，其中草地類3種，按NDVI將其分為12個等級，如表1所示。

1.4 景觀格局指數(shù)

為了全面揭示包頭市草原景觀的格局特征，從斑塊特征、空間鄰接度、景觀多樣性等多個方面，分別在景觀水平和類型水平上選取景觀指數(shù)，對草原景觀的空間格局、形狀特征、聚集程度等進行分析。

表1 草原景觀分級Tab.1 Grassland landscape stratification

其中景觀水平上選取25個指數(shù)，類型水平上選取24個指數(shù)。

景觀水平上的指數(shù)分別是TA、NP、PD、LPI、LSI、AREA_MN、AREA_AM、AREA_RA、AREA_SD、AREA_CV、GYRATE_MN、GYRATE_AN、GYRATE_MD 、GYRATE_RA、GYRATE_SD GYRATE_CV、FRAC_MN、CONTAG、PLADJ、IJI、COHESION、DIVISION、MESH、SPLIT、AI。

類型水平上的指數(shù)分別是CA、PLAND、NP、PD、LPI、TE、ED、AREA_MN、AREA_AM、AREA_MD、AREA_RA 、AREA_SD、AREA_CV、GYRATE_MN、GYRATE_AM、GYRATE_MD、GYRATE_RA、GYRATE_SD、GYRATE_CV、CLUMPY、PLADJ、IJI、DIVISION、AI。各指數(shù)采用FRAGSTATS4.2軟件進行計算，公式及說明參照文獻[13]。

1.5 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

利用ArcGIS軟件中空間關(guān)系建模等功能，把草原景觀斑塊耦合體抽象成由N個節(jié)點、E條邊構(gòu)成的草原景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)G=(N，E)，其中節(jié)點代表一種草原景觀類型，網(wǎng)絡(luò)中的邊代表草原景觀斑塊間相互作用的公共邊界[14]。然后利用空間統(tǒng)計中的工具把網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為表，再將表調(diào)整為Pajek能識別的.net格式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

1.5.1度及度分布

在一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，生態(tài)節(jié)點vi與其他的節(jié)點通過邊相連，這個節(jié)點的度就是與該生態(tài)節(jié)點相連接的邊數(shù)，即生態(tài)節(jié)點之間的生態(tài)廊道的數(shù)量[15]。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)節(jié)點的度的大小是不同的，如果度越大，那么說明這個生態(tài)節(jié)點的重要性越高，這個生態(tài)節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的地位越高[16]。網(wǎng)絡(luò)的平均度是衡量一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)[17]。計算公式為

(1)

式中k——網(wǎng)絡(luò)平均度

ki——每個節(jié)點的度

i——節(jié)點編號

在復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，生態(tài)節(jié)點的度在統(tǒng)計學(xué)上服從一定的分布函數(shù)，這個分布函數(shù)用P(k)來表示[18]。生態(tài)節(jié)點的度分布P(k)代表了在一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，度為k的生態(tài)節(jié)點的占比，分布函數(shù)P(k)就是度為k的生態(tài)節(jié)點被抽取到的概率[19]。

規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和完全隨機網(wǎng)絡(luò)的度分布特征是完全不同的，完全隨機網(wǎng)絡(luò)的度分布被稱作Poisson分布[20]。而實際的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不是完全的隨機網(wǎng)絡(luò)，它并不遵循完全的Poisson分布。實際網(wǎng)絡(luò)的度分布一般呈現(xiàn)出一定的冪律分布，這種分布特征在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論中稱為無標(biāo)度性[21]。如果一個網(wǎng)絡(luò)完全呈現(xiàn)出冪律分布的特征，那么這個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)稱為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。實際的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)同時具有均勻性和非均勻性，度分布同時包含冪律分布和Poisson分布的特征[22]。

1.5.2平均路徑長度

對于一個復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，兩個生態(tài)節(jié)點vi和vj如果能夠通過多個生態(tài)廊道相互連通，且有多種途徑可以聯(lián)通，這兩個生態(tài)節(jié)點之間的距離dij是生態(tài)廊道聯(lián)通路徑的最短路徑上生態(tài)廊道的數(shù)量。如果兩個生態(tài)節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中不能通過生態(tài)廊道相連，就表明它們之間的距離無窮大，它們之間的生態(tài)能量的流動效率是零。當(dāng)一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中存在兩個生態(tài)節(jié)點之間的距離是無窮大時，這個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通性會較低[23]。

一個復(fù)雜生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中任意兩個生態(tài)節(jié)點之間的距離的最大值稱為該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的直徑P，計算公式為

(2)

平均路徑長度L是評價網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，對于一個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個生態(tài)節(jié)點之間的距離在計算得到后，對其取平均值就是該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度，計算公式為

(3)

平均路徑長度具有重要意義。在實際網(wǎng)絡(luò)中，比如一個交通網(wǎng)絡(luò)，平均路徑長度代表了兩個交通站之間最短連接通道上經(jīng)過交通站的平均數(shù)量[24]。對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，平均路徑長度代表了兩個生態(tài)節(jié)點之間的最短生態(tài)廊道上的生態(tài)節(jié)點的平均數(shù)量。對于實際的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點的數(shù)量不能反映平均路徑長度，節(jié)點數(shù)目多，平均路徑長度不一定就大，節(jié)點數(shù)目多的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度一般卻很小。

1.5.3聚類系數(shù)

(4)

對于整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，得到所有節(jié)點的聚類系數(shù)后，將所有生態(tài)節(jié)點聚類系數(shù)取平均值，就得到了這個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)C，計算公式為

(5)

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)的取值范圍是0～1，當(dāng)所有節(jié)點都是孤立的，即沒有任何連接邊時，C=0，當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)中的任意兩個節(jié)點都是直接相連時，C=1。C越大，表明生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)節(jié)點之間的聯(lián)系越緊密，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中各個生態(tài)節(jié)點的直接聯(lián)系程度越大。網(wǎng)絡(luò)直徑越小、聚集系數(shù)越大的網(wǎng)絡(luò)小世界特性越強，反之越弱。絕大多數(shù)的實際網(wǎng)絡(luò)都具有聚類效應(yīng)，這表明實際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)并不是完全均勻網(wǎng)絡(luò)，也不是完全非均勻網(wǎng)絡(luò)[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 草原景觀分區(qū)

根據(jù)土地利用類型數(shù)據(jù)，在包頭市全域內(nèi)共提取28 009個草地斑塊。大塊草原景觀斑塊分布在包頭市北部，由于中部山脈分布大量灌木林地，導(dǎo)致中部草原景觀斑塊破碎。城區(qū)位于包頭市南部，大量農(nóng)田分布在城區(qū)周圍，導(dǎo)致南部草地景觀類型為其他草地，且為破碎板塊。全域內(nèi)天然牧草地斑塊數(shù)量最多，共14 675個，大塊(面積大于1 km2)分布在包頭市北部，細(xì)碎斑塊(面積小于0.01 km2)分布在中部、南部。其他草地共有12 438個，大部分位于包頭市南部，部分位于北部和中部。人工牧草地斑塊數(shù)量最少，共有896個，均為細(xì)碎斑塊，分布于包頭市中部,具體分布如圖2所示。

圖2 草地分布Fig.2 Grassland distribution

提取包頭市全域內(nèi)NDVI，由于包頭市南部為城區(qū)，人工植被密集且周圍有大量農(nóng)田，導(dǎo)致南部NDVI值較高。大塊天然牧草地分布在北部，導(dǎo)致北部NDVI較低。大面積灌木林地分布在包頭市中部，導(dǎo)致中部NDVI偏低。且中部有少量農(nóng)田，導(dǎo)致中部小區(qū)域內(nèi)NDVI較高，研究區(qū)NDVI分布如圖3所示。

圖3 研究區(qū)NDVI分布Fig.3 NDVI distribution in study area

對包頭市全域內(nèi)草地按NDVI進行草地斑塊分級，共12級，等級大致從北到南部逐漸升高。北部大塊天然牧草地等級為1、2、3級，由于天然牧草地NDVI較低，導(dǎo)致分級等級偏低。中部溫度、降水量等自然因素均優(yōu)于北部，所以中部牧草地NDVI較高，分級等級較高。南部自然因素較好且有河流分布，大部分為人工草地，因此南部草地NDVI最高，分級為最高等級，研究區(qū)NDVI分級如圖4所示。

2.2 草原景觀斑塊格局分析

景觀尺度景觀格局指數(shù)如表2所示。包頭市全域內(nèi)草原景觀總面積2 008 001 km2,斑塊密度為19.92個/km2,最大斑塊占草原景觀面積比指數(shù)較高，鄰近度指數(shù)為54.867%。相似臨近百分比指數(shù)和散布與并列指數(shù)較高，斑塊凝聚指數(shù)為99.833%。景觀分割指數(shù)較低，為0.971 7。有效粒度面積為56 919.15 km2，分離度較低，為35.278 1%,聚合度較高，為98.984 1%。

類型尺度景觀格局指數(shù)如表3所示。1級斑塊與草原景觀百分比較低，斑塊密度較低，散布與并列指數(shù)最低。2級斑塊與草原景觀百分比較高，斑塊密度較低，聚合度較高。3級斑塊與草原景觀百分比較高，聚合度較高。4級斑塊與草原景觀百分比最高，散布與并列指數(shù)較高。5級斑塊與草原景觀百分比較高，最大斑塊指數(shù)較高，散布與并列指數(shù)較高。6級斑塊與草原景觀百分比較高，斑塊密度較高，散布與并列指數(shù)較高。7級斑塊與草原景觀百分比較高，斑塊密度較高，最大斑塊指數(shù)較高，散布與并列指數(shù)較高，景觀分割指數(shù)較高，聚合度較高。8級斑塊與草原景觀百分比較低，斑塊密度較高，最大斑塊指數(shù)低，聚合度較低，相似臨近百分比指數(shù)較低，類型分裂指數(shù)、聚合度較低。9級斑塊與草原景觀百分比較低，類型分裂指數(shù)較高。10級斑塊與草原景觀百分比較低，斑塊密度較低。11級斑塊密度較低，類型分裂指數(shù)最高。12級最大斑塊指數(shù)最低，類型分裂指數(shù)最高。

圖4 研究區(qū)NDVI分級Fig.4 NDVI classification of study area

參數(shù)景觀面積/km2斑塊密度/(個·km-2)最大斑塊指數(shù)/%平均分維數(shù)鄰近度指數(shù)/%相似臨近百分比指數(shù)/%數(shù)值200800119.9210.92841.117654.86798.9618參數(shù)散布與并列指數(shù)/%斑塊凝聚指數(shù)/%景觀分割指數(shù)有效粒度面積/km2分離度/%聚合度/%數(shù)值75.563199.8330.971756919.1535.278198.9841

表3 類型尺度景觀格局指數(shù)Tab.3 Landscape pattern index in type scale

2.3 草原景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

利用ArcGIS對包頭市全域內(nèi)草原景觀進行重分類，共分為12級。用要素轉(zhuǎn)點工具提取各等級的草原景觀重心，如圖5所示。由于黃河位于包頭市南部，導(dǎo)致植被覆蓋度大致為從南到北遞減。根據(jù)各級源地空間上的連接關(guān)系，不同等級間若相連接，則兩者之間的相關(guān)系數(shù)為1，構(gòu)建草原景觀的鄰接矩陣，如表4所示。

根據(jù)所提取的草原景觀網(wǎng)絡(luò)，利用度及度分布評價節(jié)點度的情況，利用平均路徑長度分析網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)通情況，利用聚類系數(shù)分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的聚集特點。利用這3個基本統(tǒng)計指標(biāo)對其進行基本結(jié)構(gòu)特征分析。圖6為景觀網(wǎng)絡(luò)度分布圖。

由圖6可知，節(jié)點度為1的草原斑塊節(jié)點有1個，度為6的草原斑塊節(jié)點數(shù)量最多，有5個。度最大值為8，有2個節(jié)點。度分布較多的斑塊等級為5～8級，占據(jù)了包頭市草原景觀的大部分面積，連接度高。由于南部耕地、建筑建設(shè)用地密布，導(dǎo)致等級較高的草原景觀度較低，連通性較差。優(yōu)化前的草原景觀網(wǎng)絡(luò)的整體散點分布既不是典型的冪律分布，也不是Poisson分布，表明該草原景觀網(wǎng)絡(luò)無標(biāo)度性特征強于均勻性特征。

圖5 草原景觀節(jié)點分布圖Fig.5 Grassland landscape node distribution map

1級2級3級4級5級6級7級8級9級10級11級12級1級0100000000002級1011101100003級0101011101004級0110111100105級0101011110106級0011101110007級0111110111008級0111111011009級00001111011010級00100011101111級00011000110112級000000000110

圖6 草原景觀網(wǎng)絡(luò)度分布Fig.6 Grassland landscape network distribution

對于本研究中提取出來的草原生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，任意兩個草原景觀斑塊節(jié)點之間的距離是兩個節(jié)點之間的最短邊數(shù)。利用Matlab編程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度的計算，計算得出包頭市草原生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長度為1.606 1。圖7所示為草原景觀網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度分布。

圖7 草原景觀網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度分布Fig.7 Average path length distribution of grassland landscape network

草原景觀網(wǎng)絡(luò)中，一個生態(tài)節(jié)點可能會同時與其他兩個生態(tài)節(jié)點相連通，所提取的潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)為0.613 1。該草地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的小世界特性并不明顯，導(dǎo)致該潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不具備小世界網(wǎng)絡(luò)的特性。該潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)分布圖如圖8所示。該潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)為0的生態(tài)節(jié)點數(shù)量占生態(tài)節(jié)點總數(shù)的8.33%，有1個，這個節(jié)點與其他節(jié)點不具有集群特點。有3個節(jié)點的聚類系數(shù)為0.67, 2個節(jié)點的聚類系數(shù)為0.73，這些生態(tài)節(jié)點具有明顯集群特征。從圖8可以得到該草原生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有明顯的非均勻性。在空間上的分布可能會存在一些區(qū)域過于集中，而另一些區(qū)域又沒有生態(tài)節(jié)點分布，這樣的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性較大。

3 結(jié)論

(1)以包頭市為研究區(qū)，共提取28 009個草原景觀斑塊，大塊分布在包頭市北部，中部、南部草原斑塊破碎。對研究區(qū)草地按NDVI共分為12級，從北到南等級逐漸升高。

圖8 草原景觀網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)分布Fig.8 Distribution diagram of clustering coefficient of grassland landscape network

(2)基于景觀和類型尺度進行景觀格局指數(shù)計算。在景觀尺度上，包頭市全域內(nèi)景觀相似臨近百分比指數(shù)和散布與并列指數(shù)較高，景觀分割指數(shù)較低。在類型尺度上，1～7級面積所占比例較高，斑塊密度較低，聚合度較高；8～12級面積所占比例較低，類型分裂指數(shù)高，景觀破碎，連通性差。

(3)根據(jù)所提取的草原景觀網(wǎng)絡(luò)，利用度及度分布評價節(jié)點度、平均路徑長度、聚類系數(shù)分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的特點，發(fā)現(xiàn)該草原景觀網(wǎng)絡(luò)的度為6的草地斑塊節(jié)點數(shù)量有5個，度為8的節(jié)點有2個，平均路徑長度為1.606 1，該草原景觀網(wǎng)絡(luò)具有明顯的非均勻性。