生態(tài)移民安置區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)格局的尺度效應(yīng)
——以寧夏紅寺堡為例

(湖北省襄陽市南漳縣長坪鎮(zhèn)政府 湖北 襄陽 441053)

隨著城市化的迅速發(fā)展，城市下墊面性質(zhì)也在不斷變化，區(qū)域內(nèi)部的大型景觀斑塊不斷被侵蝕，景觀破碎化不斷加劇[1]。景觀破碎化致使生境斑塊日益破碎化，景觀連通性不斷降低，城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能削弱[2-3]。作為支持自然生命系統(tǒng)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green infrastructure，GI)，既為保護生物多樣性、維護生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等提供重要的空間載體與保障，也在不斷維護城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[4-6]。2001年以來，國家對居住在生存環(huán)境惡劣、“一方水土養(yǎng)不起一方人”地區(qū)的貧困人口組織實施了易地扶貧搬遷[16-18]，累計搬遷680萬余人。本文以紅寺堡為研究區(qū)，基于Arc GIS10.0、ENVI5.0、Guidos等軟件平臺，采用MSPA和景觀連通性分析方法，對2015年GI時空格局和景觀連通性水平進行了定量分析與評價。研究結(jié)果可為紅寺堡GI網(wǎng)絡(luò)格局優(yōu)化提供重要的參考和依據(jù)，對其他生態(tài)移民安置區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)格局的規(guī)劃與建設(shè)也具有一定的借鑒意義。

一、研究區(qū)概況

紅寺堡位于寧夏中部干旱帶，地處105°43′～106°42′E,37°28′～37°37′N之間(圖1)，縣域面積共2767平方公里，總?cè)丝?79390人，回族人口占總?cè)丝诘?2%以上。地勢南高北低，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干旱少雨，晝夜溫差大。1999年開始建設(shè)，2009年設(shè)立吳忠市轄區(qū)。是在“八七”和寧夏“雙百”扶貧攻堅計劃，建設(shè)的國家最大的易地生態(tài)移民扶貧開發(fā)區(qū)，截止2015年，異地搬遷安置寧南山區(qū)8縣移民23萬人。

二、研究方法

(一)數(shù)據(jù)來源及處理

以紅寺堡2015年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，遙感影像來自于USGS(美國地質(zhì)勘探局)下載的分辨率為30m×30m的Landsat數(shù)據(jù)。在ENVI5.0軟件中對遙感影像進行配準和幾何校正，使遙感影像與基圖像幾何形狀相匹配，采取將目視解譯與監(jiān)督分類中的最大似然法相結(jié)合的解譯方法，結(jié)合土地利用調(diào)查資料進行解譯。對解譯結(jié)果進行野外精度驗證，通過對解譯結(jié)果進行隨機選點和GPS點屬性校驗，使土地利用類型解譯結(jié)果的準確率達到95%以上。本研究的分類方法是結(jié)合土地利用分類參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010—2007)和全國遙感監(jiān)測土地利用/覆蓋分類體系以及生態(tài)移民安置區(qū)的特點，將紅寺堡生態(tài)移民安置區(qū)分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地和沙地7種景觀類型。

(二)基于MSPA方法的景觀分類及特征

首先，基于研究區(qū)的土地利用類型圖，提取出林地、草地、水體作為研究區(qū)的GI要素并將其作為前景，其他用地類型作為背景。然后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為30m×30m的TIFF格式二值柵格數(shù)據(jù)文件。最后，基于Guidos軟件，采用八鄰域和30m邊緣寬度進行MSPA分析，得到互不重疊的7類景觀(表1)，并對GI時空格局變化進行了定量評價。

表1 MSPA的景觀類型及其生態(tài)學含義

(三)紅寺堡GI網(wǎng)絡(luò)格局的粒度效應(yīng)與邊緣效應(yīng)分析

首先，基于研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖，將GI作為前景，其他用地類型作為背景，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TIFF格式的二值柵格數(shù)據(jù)文件。然后，基于Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析方法，邊緣寬度(edge width)參數(shù)設(shè)置為4，對應(yīng)的物理距離為120m，粒度大小分別設(shè)為30、60、120m，進行MSPA分析，并將得到的7類景觀類型進行統(tǒng)計，進而分析粒度效應(yīng)對研究區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響。再次，采用同樣的方法，使用粒度為30 m的柵格數(shù)據(jù)，邊緣寬度參數(shù)分別設(shè)置為1、2、4，對應(yīng)的物理距離分別為30、60、120 m，分析邊緣效應(yīng)對GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響。最后，為了表征邊緣寬度的變化對大、中、小型斑塊及其網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的影響，將核心區(qū)按照面積大小劃分為3類，并分別統(tǒng)計了3類核心區(qū)及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)量變化特征。需要說明的是，這里的邊緣寬度指MSPA分析時定義的非核心區(qū)類型的寬度和厚度(以像素為單位)，真實的距離對應(yīng)邊緣像素的數(shù)量乘以數(shù)據(jù)的像素精度；“邊緣效應(yīng)”指圖形分析時人為改變邊緣寬度導致的分析結(jié)果的變化，不同于生態(tài)學意義上景觀邊界兩側(cè)或生態(tài)交錯帶生態(tài)系統(tǒng)在生物量、物種組成、理化參數(shù)等方面對邊界的響應(yīng)。

三、結(jié)果與分析

(一)粒度對GI網(wǎng)絡(luò)格局的影響

在粒度分別為30、60、120 m時，研究區(qū)2015年的GI總面積依次為218230、218202、218213hm2，GI總面積隨著尺度的變化有所減小。由表2可以看出：隨著粒度增加，橋接區(qū)為研究區(qū)的主要景觀類型，約占GI總面積的48%，其次是核心區(qū)、邊緣區(qū)和孤島區(qū)；隨著粒度增加，橋接區(qū)的面積先減小后增加，核心區(qū)的面積在不斷減小，邊緣區(qū)和孤島區(qū)的面積都在不斷增加，孔隙和環(huán)道區(qū)的面積都是先較小后增加，分支的面積是先增加后減小；核心區(qū)的數(shù)量是在不斷減少，邊緣區(qū)、橋接區(qū)和分支的數(shù)量都在不斷增加，孤島區(qū)和環(huán)道區(qū)的數(shù)量先減少后增加，孔隙的數(shù)量先增加后減少。一般情況下核心區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵膮^(qū)的概率較高(轉(zhuǎn)變概率>0.5)，但是核心區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠窟吔缫灿锌赡?0.1～0.5)，還有可能以較低的概率轉(zhuǎn)變成分支、橋接區(qū)、孔隙或非GI要素(轉(zhuǎn)變概率<0.1)，這主要在于非核心區(qū)類型要素寬度的增加或是狹長形的小面積的GI要素的減少.隨著粒度的增加，核心區(qū)面積的減少(像素由30 m增加到60 m時)對應(yīng)著孔隙、邊緣、分支面積增加，而對于小面積的核心斑塊粒度的增加很可能導致其轉(zhuǎn)變成孤島類型或是完全被移除.由于非核心區(qū)MSPA類型要素寬度增加，邊緣區(qū)最有可能轉(zhuǎn)變成橋接區(qū)、分支，或是孤島類(粒度P足夠大).孔隙、橋接區(qū)、分支、孤島很可能轉(zhuǎn)變成非GI要素(狹長形的小面積的GI消失)，而橋接區(qū)、分支、孤島轉(zhuǎn)變成其他MSPA類型的可能性相對較低.總之，隨著粒度增加，MSPA類型不穩(wěn)定，處于動態(tài)變化(圖2)。

表2粒度30、60、120 m時MSPA各景觀類型比重及數(shù)量變化(邊緣寬度120 m)

Table2ChangesofpercentageandnumberofMSPAlandscapetypesat30，60and120mpixelscales(edgewidth，120m)

景觀類型像素30m像素60m像素120m占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量核心區(qū)21.697221.657121.1868孤島7.383357.643198.04330空隙0.3540.2960.343邊緣8.741908.811968.91205環(huán)道區(qū)7.32397.15317.2732橋接區(qū)48.833048.513148.9734分支5.693605.933655.28371合計100100100

(二)邊緣效應(yīng)對GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響

表3邊緣寬度30、60、120m時MSPA各景觀類型比重及其數(shù)量變化(粒度30 m)

Table3ChangesofpercentageandnumberofMSPAlandscapetypesat30，60and120medgewidthscales(pixelsize，30m)

景觀類型邊緣寬度30m邊緣寬度60m邊緣寬度120m占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量核心區(qū)62.623540.8915521.6972孤島2.93074.673227.38335孔隙3.351302.61780.354邊緣18.8172815.525088.74190環(huán)道區(qū)2.632566.08857.3239橋接區(qū)4.8624423.3110648.8330分支4.869706.926835.69360合計100100100

由表3可見，在邊緣寬度為30m時，核心區(qū)為主要景觀類型，面積占研究區(qū)GI總面積的62.6%，其次為邊緣區(qū)、橋接區(qū)和分支，邊緣寬度為60m的時，主要景觀類型也是核心區(qū)，面積占研究區(qū)GI總面積的40.89%，其次是橋接區(qū)和邊緣區(qū)，邊緣寬度為120m時橋接區(qū)為主要景觀類型，面積占研究區(qū)GI總面積的48.83%，其次是核心區(qū)、邊緣和孤島；核心區(qū)、孔隙、邊緣區(qū)面積都在減小，孤島、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)面積都在增加，分支區(qū)面積先增加后減小；在景觀類型的數(shù)量方面只有孤島區(qū)在逐漸增加，其余景觀類型的數(shù)量都在逐漸減小。這主要是因為邊緣寬度的增加，使核心區(qū)面積的最小尺寸增大，同時導致非核心區(qū)類型要素寬度增加，因此減少了被歸類為核心區(qū)的像素數(shù)量，導致核心區(qū)面積丟失，進而引起其他MSPA景觀類型增加，且增幅較大，如孤島、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)面積的增加(圖3)。邊緣寬度值越大，邊緣、孔隙類越容易轉(zhuǎn)變成分支和橋接區(qū)，或是孤島和孔隙轉(zhuǎn)變成邊緣.當邊緣寬度大于60 m時，橋接區(qū)和環(huán)道區(qū)增加的速度比邊緣寬度小于60 m時的增速緩慢，因為邊緣寬度較大時，橋接區(qū)和環(huán)道區(qū)很可能轉(zhuǎn)變成孤島類。

表4 GI網(wǎng)絡(luò)的景觀類型核心區(qū)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的變化(粒度30 m)

由表4可見，邊緣效應(yīng)對小、中、大面積的核心區(qū)數(shù)量也有非線性的影響，并且小面積的核心區(qū)受邊緣效應(yīng)的影響尤為明顯。粒度效應(yīng)和邊緣效應(yīng)都會對MSPA類型產(chǎn)生影響，但是，與粒度變化相比，邊緣寬度增加使核心區(qū)、孤島類、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)的變幅遠大于粒度增加時的變化幅度。表明邊緣效應(yīng)對MSPA類型的影響更大，而粒度效應(yīng)的影響則很微小。由邊緣效應(yīng)引起的MSPA類型的比例變化與粒度效應(yīng)引起的類似。但是，粒度增加會導致空間信息丟失，而邊緣寬度的增加，不會導致信息的丟失和景觀格局的改變。

四、討論

基于MSPA方法的GI網(wǎng)絡(luò)格局研究是景觀格局分析的一個新框架，本文采用形態(tài)學空間格局分析(MSPA)方法對生態(tài)移民安置區(qū)紅寺堡的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)格局尺度效應(yīng)進行分析本文采用該方法，對研究區(qū)2015年GI網(wǎng)絡(luò)格局與連通性的粒度效應(yīng)、邊緣效應(yīng)和距離效應(yīng)進行定量評價。結(jié)果表明：研究區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)的MSPA類型對尺度、粒度效應(yīng)是敏感的。相對于邊緣寬度的增加，粒度變化對景觀類型的影響較小，對分析結(jié)果影響不大，而邊緣效應(yīng)的影響則比較明顯，且邊緣寬度增加對GI大中小面積的核心區(qū)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量有著非線性的影響。事實上，粒度增加，會導致空間信息丟失，而邊緣寬度的增加，不會導致信息丟失，因為尺寸參數(shù)(size parameter)的變化沒有改變前景要素的組分和格局。不同的研究尺度、邊緣寬度可能會導致MSPA的分析結(jié)果不同，對于不同尺度、邊緣寬度的MSPA類型變化的分析有助于我們選擇合適的粒度大小和邊緣寬度，并更好地理解GI的空間格局和與生態(tài)過程。

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