洞庭湖區景觀異質性的尺度效應研究

段亞鋒　王克林　馮　達

(1.長沙市環境監測中心站，湖南 長沙　410000；2.湖南農業大學，湖南 長沙　410128；3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙　410125；4.湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙　410007)

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洞庭湖區景觀異質性的尺度效應研究

段亞鋒1，2王克林3馮達4

(1.長沙市環境監測中心站，湖南 長沙410000；2.湖南農業大學，湖南 長沙410128；3.中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南 長沙410125；4.湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙410007)

【摘要】景觀異質性是景觀的基本特征，也是景觀生態學研究的重要內容之一。景觀的異質性隨著研究尺度的改變而變化，不同尺度，各景觀組分的異質性表現不同。而異質性的大小，直接影響著生態學研究過程中樣地尺度的選擇是否合適。本文以我國典型的濕地景觀生態系統洞庭湖區為例，采用信息熵法，選取樣線，利用湖區五期影像資料，借助ArcGIS相關軟件將樣線與影像資料進行疊加，在800m、1600m、3200m、6400m、12800m五個尺度上，針對水田、旱地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地七種景觀組分進行分析，得到各種景觀組分在不同尺度上的信息熵和最大異質性表現尺度，根據分析結果，對今后景觀研究過程中樣地尺度的確定提供了一些依據。

【關鍵詞】洞庭湖區；景觀異質性；尺度效應

景觀異質性主要指景觀內部資源或性狀的時空變異程度，是由于環境要素的時空差異及各種自然和人為干擾作用的時空不均勻性所產生的，它是景觀最基本的特征，也是研究景觀功能和動態的基礎，對探索景觀結構與自然生態過程和社會經濟活動的關系具有重要的意義[1-4]。景觀異質性隨某一景觀要素出現的相對頻率變化而變化。當景觀中僅存在某一景觀要素或該景觀要素完全不存在，對此景觀要素來說景觀是均質。當某一景觀要素出現在景觀中，并占有一定比例時，景觀開始出現異質性，而且異質性會隨該景觀要素出現相對頻率的增加作相應提高，直至增加到某一臨界閾值時，該景觀要素在景觀中占主導地位。當其相對頻率再繼續增加時，景觀的異質化程度又開始下降，景觀重又趨向均質化[5]。同時，景觀的這種異質性特征具有尺度效應，當研究尺度發生變化時，景觀異質性表現差異明顯[6，7]。

洞庭湖區是我國最大的淡水湖泊濕地景觀生態系統之一[8]。它位于長江中下游最敏感又最脆弱的生態區位，同時又是長江從西往東不同景觀生態的過渡地帶。科學工作者針對洞庭湖區的水文、地質、生態環境、土地利用等方面做了大量的工作[9-13]。但是，鑒于湖區生態環境的復雜性，在進行科學研究，確定研究范圍時，一直缺乏一種可以參照的尺度標準。研究范圍過小，會影像研究結果的代表性；研究范圍過大，會增加工作量[14]。本文利用洞庭湖區1980～2015年間的5期影像數據，采用信息熵法，討論了洞庭湖區7種景觀類型在5個不同尺度上的異質性表現，為今后研究工作確定研究范圍大小提供了依據。

1研究區概況

洞庭湖位于長江中游荊江南岸，是一個承納湘、資、沅、澧四水和吞吐長江的洪道型湖泊，受其特殊的地理環境影響，形成了我國湖泊中面積最大的濕地――洞庭湖區。洞庭湖區界于27°55′～30°23′N、110°50′～113°45′E之間，指以洞庭湖為中心，向東、南、西三面過渡的廣大河、湖沖積-淤積平原和環湖丘陵崗地及外圍的低山區，具有碟形盆地圈帶狀立體景觀結構的特征。我們選取的洞庭湖區范圍包括湖南省的岳陽市、岳陽縣、華容縣、沅江市、南縣、湘陰縣、汨羅市、益陽縣、益陽市、安鄉縣、漢壽縣、澧縣、津市、常德市、等14個縣市，總面積22，875km2(據中國資源與環境數據庫提供的行政區劃)[15]。

2數據來源

在對研究區景觀功能認識的基礎上，根據土地利用現狀，將研究區景觀類型劃分為水田、旱地、林地、水域、草地、建設用地和未利用地7種類型。在ERDASIMAGINE軟件環境下，完成圖像矢量化工作：通過對研究區1980年的LandsatMSS圖像和1990年、2000年、2010年、2015年的LandsatTM圖像進行目視判讀得到初步解譯結果。在此基礎上，采用隨機取樣的布點方式，對樣點進行野外核查，校正初步解譯結果，得到研究區5期遙感影像解譯數據。

3研究方法

3.1信息熵法

景觀的異質性特征可以通過統計方法進行準確度量，信息熵分析方法是近年來比較成熟的異質性分析方法。信息熵法的工作原理是：將一條通過景觀的樣線分成若干等長的樣段，若每一組分在兩個連續的樣段中同時出現或缺失，則認為它們之間不具有異質性，若只在一個樣段中出現而在另一個樣段中缺失，則認為它們之間具有異質性，對整條樣線上所有連續的樣段都進行比較，通過以下公式計算出該景觀組分在當前觀察尺度上的異質性信息熵：

(1)

式中：I為異質性信息熵；n為觀察到的異質性次數；N表示樣段總數。I的值越接近1表示異質性越強；越接近0表示接近均質分布。對樣段進行兩兩合并，將長度增加一倍，然后重復上述工作，通過這樣多次合并，就可以觀察景觀組分的異質性隨尺度的變化趨勢。

3.2實驗設計

利用ArcGIS軟件，以盡量覆蓋整個湖區為原則，在已解譯的洞庭湖區影像圖中布設4條樣線，分別為：A-A′(南-北方向，全長140800m)、B-B′(東北-西南方向，全長217600m)、C-C′(東-西方向，全長140800m)、D-D′(西北-東南方向，全長166400m)。以800米為樣段長，分別將4條樣線分別均分成176、272、176、208個樣段，按樣段編號對每個樣段命名(如A-A′ 001)，用Arcmap中的intersect命令將4條均分好的樣線與1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5期洞庭湖區數字影像疊加，得到不同時期，每一個樣段經過的景觀類型的數據，根據式(1)計算出每條樣線各個樣段在該尺度上的信息熵。然后將樣段兩兩合并，分別在1600m、3200m、6400m、12800m尺度重復上述工作。

圖1　研究區地理位置及樣線布設圖

4結果與分析

4.1研究區景觀的基本特征

1980—2015年這三十五年中，盡管不同景觀類型面積大小發生了變化，但各種景觀類型在研究區所占面積比例基本穩定。其中，水田是研究區占地面積最大的景觀類型，約占總面積45%，是改地區的基質；其次為林地、水域和旱地，分別約占總面積的21%、15%和10%。其他景觀類型面積比較小，均未超過總面積的5%。

4.2樣線信息熵計算結果分析

4.2.1時間變化規律

由于4條樣線經過的范圍不同，而整個湖區不同區域自然地理狀況和生態環境各異，在1980—2015年這三十五年中社會經濟發展狀況也各不相同，因此4條樣線的各景觀組分在不同時期、不同尺度上得到的信息熵并不相同。但是，結果所反映的時間異質性信息熵值的變化趨勢是相同或相似的。受篇幅限制，本文僅列出樣線A-A′的異質性信息熵計算值以年代為單位做的散點圖(圖2)。以樣線A-A′為例，說明景觀組分異質性尺度變化的時間規律。

(1)除1980年外，其他年份的信息熵散點圖基本構架相似。1980年圖形的主要不同表現在旱地信息熵在6400m尺度和12800尺度上：1980年旱地信息熵的最大表現尺度是6400m，之后，6400m尺度上的異質性信息熵降低，12800m尺度信息熵增高，成為旱地最大信息熵表現尺度。

(2)信息熵數據顯示，總的來說，隨著時間的推移，除旱地和建設用地的個別尺度之外，其他景觀組分在各個尺度上信息熵的值均穩中有升，說明近35年來洞庭湖區大部分景觀組分在各尺度上總體異質性在逐漸增加。但是同時，曲線形狀在不同年代基本保持穩定，說明盡管信息熵的絕對值隨時間發生了變化，但是景觀組分之間的相對大小基本保持穩定。

(3)就不同景觀類型而言，水域在不同尺度水平上信息熵值最大，表現出的異質性最為明顯；其次為建設用地；草地和未利用地信息熵值較小，異質性相對比較低。水田最大異質性表現尺度為1600m或3200m，在超過6400m的尺度上，不同年代水田異質性信息熵均為0，表現出很強的均質性；旱地的最大異質性表現尺度為6400m或12800m，同時，在其他尺度上，旱地也表現出較為明顯的異質性；林地在12800m的尺度上異質性明顯，表現為明顯的宏觀異質性；草地和未利用地具有相似的異質性表現，異質性隨尺度的增加而增強，但信息熵的值總體不高；水域的異質性在不同尺度觀察時變化幅度最大；建設用地最大異質性表現尺度為6400m和12800m，在其他尺度上異質性信息熵值也比較高。

4.2.2空間變化規律

上圖2反映了樣線A-A′在1990年、2000年、2010年2015年四個年份的異質性信息熵變化規律具有高度的一致性。通過計算比較，其他3條樣線也表現出相同的規律。受篇幅限制，我們以2015年信息熵為例分析研究區異質性尺度效應的空間變化規律(圖3)。

從圖中縱坐標信息熵的大小可以看出，水域是研究區異質性表現比較突出的景觀類型，水田和草地異質性相對較低。

A—水田；B—旱地；C—林地；D—草地；E—水域；F—建設用地；G—未利用地圖2　不同年代信息熵散點圖

圖3　不同景觀類型的異質性信息熵(2015年)

盡管空間位置發生了變化，但是相同類型的景觀在不同尺度上的異質性信息熵變化趨勢總體上是一致的：旱地、林地、草地、建設用地和未利用地的異質性信息熵隨尺度的增加，在不同的樣線上有不同幅度的增大；水域的異質性最大尺度出現在3200m，尤其在B-B′樣線即西北-東南方向表現明顯。而水田的異質性信息熵在不同樣線穿過的空間位置差別較大，這是湖區種植水稻自然條件優越和人工干預強烈的結果。

5結論與討論

(1)耕地和水體是耕地是研究區主要的景觀類型：湖區耕地斑塊以大面積的多個斑塊團聚為主要存在形式，小面積斑塊較少。水域中人工河、塘往往與天然湖泊相連，形成水域景觀斑塊面積大小不一，連通性較好的格局。從1980—2015年的35年中，湖區景觀破碎度顯著增加，斑塊形狀不規則度加大，不同景觀類型之間的面積差別在縮小。

(2)造成1990年前后異質性信息熵變化較大的重要原因是，在1980—1990年間，洞庭湖進行了大規模的圍墾，主要集中在洲灘的利用上，僅1985—1990年5年間被圍墾面積約30萬畝，加上湖泊泥沙沉積加劇，造成內湖破碎度不斷增加。到80年代末，隨著認識水平的提高和政府對湖泊管理能力的加強，人類的圍墾活動減弱，對景觀影響趨緩。

(3)7種景觀類型中，異質性熵隨尺度增加而呈增加趨勢的有旱地、林地、草地、建設用地和未利用地；水田作為洞庭湖區主要的景觀類型，在本文所選取的研究范圍、樣線布設的4個方向和分析的尺度水平上，在3200m尺度上表現比較穩定的均質性，此尺度上下異質性熵均呈增加趨勢；水域在3200m尺度異質性熵最大，此尺度上下異質性熵均有減小趨勢，但總體上熵值較大。

(5)若在某種景觀組分的最大異質性表現尺度上進行科學研究，此時單個樣地對于整個湖區代表性不強，應盡量選用多個典型樣地，力圖包括所有景觀格局類型。當然，盡可能選擇較低異質性表現的最小尺度作為景觀組分的研究范圍，將在保證研究科學性的前提下，在一定程度上提高工作效率、節約人力和物力。洞庭湖地區，采用典型樣地進行科學研究時，具體而言，①在3200m尺度上進行水田景觀異質性相關的研究將具有很好的代表性；②林地、草地、未利用地可以選取800m作為研究尺度，若尺度增大，一方面可能增加研究的難度，另一方面此尺度以上異質性逐漸增強；③水域的景觀異質性總體較高，在不同方向上差別也較大，所以如果針對于洞庭湖區的水域格局進行研究，建議在整個湖區內進行；④旱地和建設用地在各尺度上異質性明顯，研究全面考慮典型樣地進行分析。

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作者簡介：段亞鋒，博士，主要從事景觀生態與GIS研究

通訊作者：王克林，研究員，主要研究方向為區域生態學

中圖分類號：X21

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0225-04

Scale Effects of Landscape Heterogeneity：ACase Study in Dongting Lake Area

DUAN Yafeng1，2WANG Kelin3FENG Da4

(1 Environmental Monitoring Stations of Changsha，Changsha，Hunan 410000，China；2.HunanAgriculturalUniversity，Changsha，Hunan410128，China；3.InstituteofSubtropicalAgriculture，ChineseAcademyofSciences，Changsha，Hunan410125，China；4.TheSurveyingandMappingResearchBureau，ChangshaHunan410007，China)

Abstract：Landscape heterogeneity is the character of landscape. It is also one of the most important issues in landscape ecology. Landscape heterogeneity is always changed with the research scale changing. Taking the Dongting Lake area as a case，the author adopted an information entropy method to analysis seven kinds of landscapes elements through ArcGIS，including paddy field，try land，forestland，grassland，lake area，construction land and unused land，on different scales. Thus，we got the information entropy of these seven landscape elements and found in which scale some landscape element would get its maximum. According to the results，we put forward some suggestions on how to choose appropriate range when we do research.

Keywords：Dongting Lake area；landscape heterogeneity；scale effects

項目資助：中國科學院知識創新重要方向項目Kzcx2-sw-415；全國生態環境十年變化遙感調查與評估項目STSN-09-05

致謝：感謝中國科學院資源與地理研究所康蘋提供技術支持

引用文獻格式：段亞鋒等.洞庭湖區景觀異質性的尺度效應研究[J].環境與可持續發展，2016，41(4)：225-228.