張 郢 陳 華 王建柱 黃應(yīng)平
(1.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院,湖北 宜昌 4430022;2.宜昌市森林資源監(jiān)測站,湖北 宜昌 443002;3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)
景觀生態(tài)學(xué)的研究最早起源于歐洲,而“景觀生態(tài)學(xué)”一詞是在20世紀早期由德國著名的地理學(xué)家Troll提出的[1-2].研究景觀生態(tài)學(xué)的重點就是研究不同尺度之間空間結(jié)構(gòu)單元的異質(zhì)性或者斑塊性,以及生態(tài)學(xué)中生境的變化過程與景觀空間格局變化兩者之間存在的相互作用.在景觀空間格局的研究中,對研究區(qū)域的時空進行一個合理的量度所得出的結(jié)果就是尺度,一般用來表示尺度的單位是粒度和幅度[3].對某一研究區(qū)進行景觀格局指數(shù)的研究,尺度的選擇是第一步也是關(guān)鍵核心的一步,對于景觀格局分析而言,研究區(qū)景觀格局分析結(jié)果的準確性和可靠性與尺度的選擇密切相關(guān)[4-5].景觀格局在不同時間和不同空間所表現(xiàn)出的復(fù)雜性和變異性即景觀要素的異質(zhì)性,二者有時能相互替代[6].從看似凌亂無序的景觀布局中,發(fā)現(xiàn)其變化的規(guī)律性,找出引發(fā)景觀格局變化的影響因素是景觀格局分析的目的和意義所在[7].正是因為景觀格局在景觀生態(tài)學(xué)中舉足輕重的作用,自20世紀80年代以來景觀格局在北美乃至全球的景觀生態(tài)學(xué)研究中一直占據(jù)重要地位[8].景觀格局尺度效應(yīng)的研究有助于尺度推繹和深入研究,通過計算由小尺度格局到大尺度格局的一系列格局指數(shù)或過程演變,分析景觀格局的尺度效應(yīng)揭示景觀格局隨尺度變化的規(guī)律性[9].尺度、格局、過程三者存在一定的相互關(guān)系[10].粒度是表示尺度的單位之一,分析粒度效應(yīng)對景觀面積變化和景觀指數(shù)變化的影響,需要先對于研究區(qū)域空間數(shù)據(jù)或圖像資料進行粒度的轉(zhuǎn)化,研究小尺度到大尺度時必須進行跨尺度推繹,此過程會有數(shù)據(jù)信息的聚合及信息轉(zhuǎn)移[11].粒度的轉(zhuǎn)化獲得需要借助ArcGIS軟件的支持,將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù),柵格對應(yīng)的最大分辨率或像元大小即粒度的大小[12],將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)并加載到Fragstates 4.0軟件進行景觀格局指數(shù)計算.不同研究區(qū)域的主要景觀類型不同,各類景觀結(jié)構(gòu)布局不同,以及景觀內(nèi)部斑塊的大小數(shù)量等指標不同,研究特定區(qū)域存在不同的適宜粒度大小,并不存在最佳粒度,只有適合研究區(qū)域的適宜粒度[13].運用景觀格局指數(shù)去研究土地利用類型、土地景觀格局空間分析的方法已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[14-15],陳利頂[16]、Haase D[17]分析了現(xiàn)代生態(tài)學(xué)包含的景觀格局的研究方法,如圖表、文字以及景觀格局指數(shù)等[18-20],賈寶全[21-22]、黃越,王鵬對干旱地區(qū)進行了景觀生態(tài)的研究,都取得了具有影響力的成果.陳利頂?shù)萚23]指出,通過多種景觀格局指數(shù)的聯(lián)合應(yīng)用及定量研究景觀格局演變與生態(tài)過程之間的關(guān)系,可以有效的解釋景觀生態(tài)過程.
景觀生態(tài)學(xué)是一門交叉科學(xué),研究景觀生態(tài)學(xué)的方法同樣具有多樣化的特點[24].主要方法為“3S”技術(shù),將遙感技術(shù)與景觀生態(tài)學(xué)的研究相結(jié)合,仍有許多問題有待解決,如研究某一區(qū)域所需要選擇的合適空間分辨率等[25-27].本文將宜昌市西陵區(qū)的GF-1號高分辨率遙感影像和外業(yè)調(diào)查土地利用小班數(shù)據(jù)結(jié)合,對宜昌市西陵區(qū)景觀情況進行分析.為進一步開展該地區(qū)景觀格局空間動態(tài)變化研究提供支持.
本文研究數(shù)據(jù)來源于相關(guān)部門提供的宜昌市西陵區(qū)土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),以及實地勘測數(shù)據(jù),運用ArcGIS軟件,以林業(yè)部門《森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》為劃分標準,確定宜昌市西陵區(qū)土地利用主要類型,運用繪圖軟件進行土地利用現(xiàn)狀圖的繪制,該圖將宜昌市西陵區(qū)土地利用類型劃分為6類:有林地喬木類;有林地灌木類;人工苗圃類;耕地類;建筑類;水域類.在ArcGIS10.0軟件中,將土地利用現(xiàn)狀圖以矢量轉(zhuǎn)化為柵格,轉(zhuǎn)化過程中像元大小即柵格大小,進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析.圖中柵格的大小即研究景觀適宜粒度中粒度的大小.
1.2.1 粒度梯度的選擇
將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格狀的柵格,轉(zhuǎn)化過程所運用的方法是最大面積方法(RAM),網(wǎng)格可以為長方形或正方形,該網(wǎng)格就是柵格單元,即景觀格局尺度單位粒度,在各個柵格單元上定義該柵格所對應(yīng)的屬性值來表示實際景觀類型.結(jié)合研究區(qū)域的具體景觀情況,以保證最小景觀斑塊能夠表達為目的,使形成的柵格數(shù)據(jù)與實際的土地利用分布圖無限接近,又能最大程度地減小研究數(shù)據(jù)的復(fù)雜性[28].
矢柵轉(zhuǎn)換中柵格數(shù)據(jù)的表達,設(shè)研究區(qū)域的矢量數(shù)據(jù)中面積最小的矢量多邊形的面積為A,矢量多邊形在柵格邊長為H時由于柵格太大,將其完全包并無法顯示;矢量多邊形在柵格邊長為H/2時才能得到顯示.所以,合理的柵格尺寸為[29]:
式中,i=1,2,3,…,n(區(qū)域多邊形數(shù)).
本研究區(qū)域中,主要從景觀類型水平進行研究,最小景觀面積為苗圃類景觀面積16.03 hm2,根據(jù)公式(1)計算可得到最小柵格尺寸200.16 m,因此,在矢柵轉(zhuǎn)換過程中確定最小像元大小即柵格大小為200 m.另外,考慮最小景觀類型苗圃類景觀在矢柵轉(zhuǎn)化過程中會隨著柵格大小的增加而消失,導(dǎo)致信息的缺失而不利于研究,在轉(zhuǎn)化的過程中苗圃類景觀在粒度290 m處出現(xiàn)了第一次完全消失,在粒度330 m處出現(xiàn)第二次完全消失(見表1),在整個研究過程中粒度290~330 m階段出現(xiàn)兩次景觀信息的大量缺失,說明該區(qū)域的適宜粒度研究在此階段已經(jīng)處于不穩(wěn)定階段,但此階段就整個研究過程而言存在一定的意義,所以最大轉(zhuǎn)換像元邊長選擇330 m.因此,本文矢柵轉(zhuǎn)換中選擇像元大小即柵格大小范圍為200~330 m.柵格的選取以10 m為間隔,200~330 m為研究粒度范圍.
1.2.2 景觀格局指數(shù)選擇
景觀指數(shù)一般分為3類:即斑塊指數(shù)、類型指數(shù)、景觀指數(shù),本文主要是對各類型景觀和整個研究區(qū)的總體景觀進行研究,主要選取適合研究類型水平和整體水平的景觀格局指數(shù)進行研究.類型水平指數(shù)選取能指示各類型景觀斑塊形狀的景觀形狀指數(shù)、景觀形狀變異指數(shù)和平均形狀指數(shù),能指示各類型景觀內(nèi)斑塊破碎程度的斑塊密度,能指示各類型景觀斑塊的非隨機性和聚集程度的聚集度指數(shù)、聚合指數(shù)及歸一化指數(shù),能指示各類型景觀斑塊面積與周長關(guān)系的平均周長面積比、平均分維、周長面積變異指數(shù),能指示各類景觀的景觀類型最大斑塊的面積及占整個景觀的面積比,確定優(yōu)勢景觀的最大斑塊指數(shù)、以及能指示景觀斑塊變化是否受嚴重自然條件制約的散步與并列指數(shù)12種具有代表性的類型水平景觀指數(shù);整體水平景觀指數(shù)選取平均形狀指數(shù)、凝聚度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)等9個典型的整體水平景觀指數(shù).
對不同轉(zhuǎn)化像元按大小梯度進行矢柵轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生不同柵格大小的土地利用類型柵格圖像,以區(qū)域原始矢量圖計算的面積為基準面積,通過換算產(chǎn)生柵格面積與真實面積之間的誤差,計算公式如下[30].
其中,E代表損耗區(qū)域面積,Ag代表不同柵格尺寸的區(qū)域面積,Ab代表原始矢量參考區(qū)域面積.
2.1.1 粒度效應(yīng)對整體水平景觀面積影響
宜昌市西陵區(qū)實際總面積為8 098.2 hm2,以此作為折線圖縱坐標零值,將不同粒度下所得到的柵格總面積與宜昌市西陵區(qū)實際總面積進行差值比較,得到的差值就是對應(yīng)粒度下的損失面積值如圖1所示.
圖1 不同粒度下區(qū)域整體面積損失
粒度效應(yīng)變化曲線波動隨著粒度的增加,形成大小不一的山峰狀形狀,波峰由低變高再變低,損失面積的大小絕對值在55 hm2左右.損失面積在粒度200~250 m階段內(nèi),變化值絕對值由大變小再逐漸變大,當(dāng)粒度在240 m處,損失面積的絕對值達到最大,達51.50 hm2,但當(dāng)粒度為250 m時損失面積絕對值最小,為1.78 hm2,基本與整體區(qū)域基準面面積相等.從粒度260 m處開始,損失面積由大變小再變大再次減小,其中在260 m處損失面積達到全程最大為54.34 hm2.但當(dāng)粒度達290 m時,面積最小的景觀類型苗圃消失,導(dǎo)致原始景觀整個景觀的消失,該粒度下柵格數(shù)據(jù)所涵蓋的信息與原始地類信息相差較大,所以不能視為適宜粒度.由于每個柵格面積的大小在選擇粒度大小時已被確定,在矢柵轉(zhuǎn)換過程中,各類型景觀由于與相鄰景觀的格局分布不同及所占整個區(qū)域的面積不同,在不同柵格面積大小下,會發(fā)生景觀間的相互吞并,優(yōu)勢景觀可能吞并劣勢景觀,也有可能優(yōu)勢景觀被并入劣勢景觀.此過程中存在的面積差值越大,損失面積就越大,差值為零,損失面積就為零.所以在考慮適宜研究粒度時,不能單一的考慮損失面積的大小,還要考慮各類景觀信息在隨粒度的變化過程中與原始景觀信息相比有無較大的差異情況.
最小粒度200 m時,損失面積有較大波動,隨粒度不斷增加,波動幅度減小,且在粒度250 m處出現(xiàn)損失面積最小值,而隨著粒度的不斷增大,損失面積呈較大幅度波動,當(dāng)粒度為290 m時,最小面積類型景觀消失,造成與原始信息相比完整的一類型景觀信息丟失,所以粒度290 m不能被確定為適宜研究粒度.綜上因素,在整個研究范圍內(nèi),粒度250 m為適宜的研究粒度.
2.1.2 粒度效應(yīng)對類型水平景觀面積影響
整個研究過程不僅需要對總體研究區(qū)域景觀的適宜粒度進行考慮,還需對各類型景觀的適宜粒度進行分析.類型景觀的適宜粒度選取需考慮的因素眾多,因此要想對研究區(qū)域的空間景觀格局進行深入的了解,研究類型景觀的適宜粒度也是必不可少的.喬木類景觀類型,200~230 m階段損失面積正負交替出現(xiàn),240~270 m階段損失面積變化相對穩(wěn)定,且260 m處出現(xiàn)最小損失面積0.05 hm2,繼而又出現(xiàn)正負交替變化現(xiàn)象,且變化幅度不斷增大,粒度310 m處損失面積值最大,絕對值達99.14 hm2.波動較小的240~270 m階段中,260 m可視為喬木類型景觀適宜研究粒度.
灌木類景觀損失面積起初為-100 hm2,在粒度210 m處突然變?yōu)?0 hm2,之后又出現(xiàn)一個急劇下降到損失面積絕對值最大處的粒度240 m處,損失面積達-186.91 hm2,但到粒度250 m處損失面積較小,且250~290 m處損失面積變化曲線較為平滑,波動較小,損失面積值也均較小,所以粒度250 m可以視為灌木類型景觀的適宜研究粒度.
表1 各景觀類型損失面積
耕地類景觀由起初的粒度200~210 m之間呈急劇下降,之后的210~290 m均呈上升到穩(wěn)定的趨勢,260~290 m處的耕地損失面積均為正值且損失面積變化曲線相對較為平滑,波動較小,粒度270 m處損失面積最小,其值為5.76 hm2,可以視為耕地類型景觀適宜研究粒度.
水域類景觀整體呈正負值交替波動,且圍繞零值波動的正負最大絕對值大小相近,粒度220~250 m之間,損失面積變化曲線相對較為平緩,且粒度230 m處損失面積的絕對值最小,其值為-1.45 hm2,可以視為水域類型景觀最適宜研究粒度.
苗圃類起初呈較小的波動,到290 m處的消失,損失面積達整個苗圃類景觀總面積-16.026 1 hm2,繼而出現(xiàn)的300 m處,損失面積達19.9739 hm2,再到后來的320 m出的整個苗圃類景觀全部消失,粒度290~320 m之間,苗圃類型景觀波動較大,損失信息較多,而粒度210~240 m之間,損失面積變化曲線較為平滑,且粒度240 m處,損失面積最小,其值為1.25 hm2,可以視為苗圃類型景觀的最適宜研究粒度.
建筑類景觀類型,隨粒度的增大210~240 m之間,損失面積變化曲線相對較為平滑,而后240~330 m之間,波動頻率較高,且正負值交替出現(xiàn),粒度220 m處,損失面積較小,其值為3.98 hm2,可以視為建筑類型景觀最適宜研究粒度.
表2 各景觀類型所對應(yīng)的適宜研究粒度
2.2.1 粒度效應(yīng)對類型水平景觀指數(shù)的影響
由于苗圃類型景觀在粒度290 m處全部消失,損失信息太大,所以景觀指數(shù)研究適宜粒度定位200~280 m之間,適宜粒度選擇的基礎(chǔ)上,繼續(xù)對該區(qū)域的景觀指數(shù)做分析,利用Fragstats 4.0計算分析的的結(jié)果,進行類型水平上的不同類型景觀指數(shù)特征對比分析.2017年類型水平上不同地類類型特征的粒度效應(yīng)曲線如圖2~3所示.
圖2 類型水平指數(shù)景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線(減小趨勢)
圖3 類型水平指數(shù)景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線(無規(guī)則)
不僅各類型景觀的面積受空間粒度的影響,一些景觀格局指數(shù)也會受到空間粒度大小的影響,即不同粒度下,同一景觀類型的同一景觀指數(shù)會不同.在Fragstats4.0軟件中可以計算的不同級別的景觀指數(shù)共計有50多個,選取其中的12個經(jīng)典景觀指數(shù)作為類型水平的景觀分析指數(shù),按照各指數(shù)粒度效應(yīng)曲線變化趨勢的不同可以分2類:
1)第一類型景觀指數(shù),隨著粒度的增大,呈現(xiàn)景觀指數(shù)減小的趨勢,但苗圃類型的景觀在該區(qū)域處于劣勢景觀,所占面積僅研究區(qū)總面積的0.20%,該類型的景觀指數(shù)偶爾會出現(xiàn)突變與較大偏差,(圖2)各類景觀類型景觀指數(shù)粒度效應(yīng)變化曲線總體呈下降的趨勢.聚合指數(shù)表示各斑塊聚散團聚程度,聚合指數(shù)越高,說明該景觀的斑塊完整性越好,斑塊團聚程度越高;聚合指數(shù)越低,說明該景觀斑塊的破碎離散程度較高,團聚程度較差[31].從聚合指數(shù)粒度效應(yīng)變化曲線來看,建筑類型景觀的聚合指數(shù)最高,說明該類型景觀以少數(shù)大斑塊為主或類型斑塊高度相連,其次是水域,喬木,灌木,最后是苗圃,可見苗圃類型景觀斑塊分散且斑塊面積較小.隨著粒度的增大,各類型的景觀形狀愈加簡單.聚集度指數(shù)是指示景觀中不同斑塊類型空間布局的非隨機性和斑塊的聚集程度,建筑類型景觀斑塊團聚程度較高,苗圃類型景觀團聚程度較低,較為分散,與聚合指數(shù)顯示結(jié)果相一致.平均周長面積比是指示斑塊形狀指標的一種指數(shù),比值越低說明相同面積里斑塊的個數(shù)減少,隨粒度的增大平均周長面積比逐漸減小,且所有景觀類型中灌木的比值最小,說明灌木的斑塊連接度較好,斑塊形狀最為簡單.苗圃景觀類型最高,說明苗圃類型景觀斑塊形狀最為復(fù)雜.斑塊密度是指示斑塊破碎程度和斑塊數(shù)量的指標.研究區(qū)域所有類型景觀斑塊密度指數(shù)的粒度效應(yīng)曲線隨粒度的增大,呈現(xiàn)下降的趨勢,說明該區(qū)域各類型景觀單位面積內(nèi)的斑塊數(shù)目減少,灌木類型景觀的斑塊密度最大,說明單位面積里灌木的斑塊數(shù)最多,也說明其景觀的團聚程度較高.
2)第二類景觀指數(shù)隨粒度的變化曲線差異較大,無明顯規(guī)律,代表性指數(shù)最大斑塊指數(shù),景觀形狀變異系數(shù)(圖3).受某種自然條件嚴重制約的生態(tài)系統(tǒng)的分布特征對散步與并列指數(shù)反應(yīng)較為顯著,從圖3可以看出耕地、建筑、喬木類型景觀的散步與并列指數(shù)較高,而水域、灌木、苗圃類型景觀散步與并列值較低.歸一化形狀指數(shù)指示景觀類型形狀復(fù)雜程度,歸一化形狀指數(shù)越高景觀形狀越來越簡單,建筑類型景觀歸一化形狀指數(shù)最低在0.2左右,說明建筑類型景觀形狀最為復(fù)雜;耕地類景觀的歸一化形狀指數(shù)值多在0.8~1.2之間,說明耕地類型景觀的景觀形狀相對較為簡單.
2.2.2 粒度效應(yīng)對整體水平景觀指數(shù)的影響
在整體水平景觀指數(shù)中,選取9個具有代表性的指數(shù)進行分析,其粒度變化曲線如圖4所示,2017年宜昌市西陵區(qū)整體水平景觀指數(shù)凝聚度指數(shù)、聚合度指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、蔓延度指數(shù)、平均形狀指數(shù)、平均分維數(shù)、香農(nóng)均勻度指數(shù)等大部分粒度效應(yīng)變化曲線隨粒度的增加呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢,平均形狀指數(shù)與香濃多樣性指數(shù)值較為接近,且在粒度220 m處基本完全重合,說明粒度的增大對大部分整體水平景觀指數(shù)并無明顯的影響.香農(nóng)多樣性指數(shù)的高低指示著景觀在不同時期或不同類別的景觀格局的多樣性和異質(zhì)性,香濃多樣性指數(shù)越高則表明一個景觀系統(tǒng)中,土地利用類型越多,各景觀類型斑塊的破碎程度越高.圖4可以看出香農(nóng)均勻度指數(shù)在0.7左右趨近于1,說明研究區(qū)域中,各類景觀分布均勻沒有特別明顯的優(yōu)勢類型景觀.蔓延度指數(shù)指標描述的是景觀里不同類型景觀斑塊的聚集或擴散程度.由圖4可知該區(qū)域蔓延度指數(shù)值在40左右,說明該區(qū)域優(yōu)勢景觀連接性一般.圖4中有少部分指數(shù)隨粒度的增大粒度效應(yīng)曲線呈現(xiàn)下降趨勢,如景觀形狀指數(shù),可以看出隨粒度的增加景觀中組成各類型景觀的斑塊形狀指數(shù)逐漸規(guī)則.
圖4 整體水平景觀特征指數(shù)的粒度變化曲線
通過對整體及各類型景觀損失面積及適宜粒度分析,得出宜昌市西陵區(qū)整體適宜研究粒度為250 m,各類型適宜研究粒度分別為喬木類型景觀適宜粒度240 m,灌木類適宜粒度250 m,耕地類適宜粒度270 m,水域類適宜粒度230 m,苗圃類適宜粒度240 m,建筑類適宜粒度220 m.整體景觀指數(shù)適宜粒度200~280 m之間.
對2017年宜昌市西陵區(qū)景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)進行分析發(fā)現(xiàn):在類型景觀水平上,不同的景觀格局指數(shù)所指示的臨界粒度值不同,但主要的臨界粒度集中在:230 m、240 m、250 m、260 m;在整體水平上,粒度效應(yīng)并不明顯,有少數(shù)景觀指數(shù)表現(xiàn)出相對明顯的粒度效應(yīng),臨界粒度值主要為230 m、270 m.不同景觀類型在同一景觀指數(shù)上表現(xiàn)的粒度效應(yīng)也有所不同,主要表現(xiàn)在:粒度變化曲線呈減小趨勢的景觀指數(shù)中,斑塊密度、聚集度指數(shù)、聚合指數(shù)表現(xiàn)出相對較強的粒度效應(yīng),斑塊密度值中灌木>喬木>耕地>苗圃,建筑與水域粒度效應(yīng)變化曲線介于喬木與耕地之間,兩者交叉并進無明顯大小之分,且灌木與喬木在粒度210 m、230 m、240 m有明顯粒度效應(yīng),其它類型景觀粒度效應(yīng)較弱;在聚集度指數(shù)和聚合指數(shù)中各類型景觀指數(shù)值表現(xiàn)出:建筑>水域>喬木>灌木>耕地,耕地和苗圃表現(xiàn)出較強的粒度效應(yīng),主要臨界粒度為240 m、250 m、260 m、270 m,其它類型景觀在該指數(shù)中均無明顯粒度效應(yīng).粒度效應(yīng)變化曲線無規(guī)則的景觀指數(shù)中歸一化形狀指數(shù)、景觀形狀變異系數(shù)、周長面積變異系數(shù)、平均形狀指數(shù)表現(xiàn)出相對較強粒度效應(yīng),且主要臨界粒度為240 m、250 m.從折點來看,不同類型景觀下的景觀指數(shù),臨界粒度基本相同,粒度240 m為主要臨界粒度.
6種景觀類型中喬木、水域、灌木3種景觀類型,顯示出較完整的景觀特征,可能與其自然形成人工干預(yù)較少有關(guān),而建筑、苗圃、耕地3種景觀類型受人工干預(yù)較多則在景觀完整度上顯示較差.本研究一方面確定了研究區(qū)域適宜的研究粒度閾值,另一方面表明了所選景觀格局指數(shù)對粒度變化的響應(yīng)程度大小,明確了各景觀指數(shù)的變化趨勢和走向,既可為宜昌市西陵區(qū)城市發(fā)展整體規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù),也可為預(yù)測未來宜昌市西陵區(qū)景觀變化趨勢提供一定的理論依據(jù).