包頭市草原景觀斑塊耦合網絡結構特征研究

劉建華 王 戈 楊 斕 劉曉希 于 強 岳德鵬

(1.北京林業大學精準林業北京市重點實驗室， 北京 100083； 2.北京林業大學外語學院， 北京 100083)

0 引言

草原是地球上分布最為廣泛的一種生態系統，草原生態系統的生態作用十分明顯[1]。我國有大面積的草原景觀，主要分布在內蒙古高原、寧夏黃土高原、東北平原、青藏高原以及新疆部分山區[2]。北方草原不僅是中國傳統的畜牧業基地, 而且是我國中原地區的綠色生態屏障, 在調節氣候、涵養水源、固持碳素和防止沙塵暴等方面發揮著極其重要的生態作用。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和中原農耕區的交錯地帶，草原景觀的生態作用至關重要。

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，草原退化問題已經成為目前的研究熱點和難點[4]，草原景觀結構的完整性對于維持區域生態環境穩定和區域生態安全至關重要，對于草原景觀結構進行準確評價已經成為研究重點[5]。針對景觀結構評價的研究較多，主要利用GIS空間分析方法、地學信息圖譜方法、園林結構設計方法、景觀生態學分析法和空間格局分析法等對流域、區域、森林等進行景觀結構分析評價[6]，而針對草原景觀進行多層次的結構分析目前研究較少。

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雜的生態過程，斑塊間通過物質與能量的流動耦合維持總體可持續形態，形成“斑塊耦合體”。本研究以包頭市為研究區，基于草原景觀斑塊的“斑塊耦合體”理論[7]，結合GIS空間分析技術和景觀格局指數分析方法，對包頭市的草原景觀的空間結構、景觀結構以及斑塊耦合體結構進行評價研究。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

包頭市面積27 768 km2，位于內蒙古自治區西部，東經109°13′～111°26′，北緯40°13′～42°44′，如圖1所示。包頭市深處內陸，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。黃河流經包頭市境內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環境較為脆弱，面臨較高的水土流失與土地沙漠化、荒漠化風險。近年來，包頭市城市建設規模擴張迅速，房地產開發項目、工業園區等建設項目不斷涌現，導致草地、林地、濕地等生態用地遭到占用與破壞，生態風險有所升高[11]。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

1.2 數據來源與處理

本文選取包頭市2016年夏季成像的Landsat OLI影像數據(來自地理空間數據云平臺)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進行細碎斑塊處理，結合外業調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(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。本研究根據包頭市土地利用二級分類數據集合遙感影像提取NDVI數據。根據景觀分類的主導因子原則和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

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，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，類型水平上選取24個指數。

景觀水平上的指數分別是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。各指數采用FRAGSTATS4.2軟件進行計算，公式及說明參照文獻[13]。

1.5 復雜網絡模型

利用ArcGIS軟件中空間關系建模等功能，把草原景觀斑塊耦合體抽象成由N個節點、E條邊構成的草原景觀斑塊耦合網絡G=(N，E)，其中節點代表一種草原景觀類型，網絡中的邊代表草原景觀斑塊間相互作用的公共邊界[14]。然后利用空間統計中的工具把網絡轉換為表，再將表調整為Pajek能識別的.net格式的網絡數據。

1.5.1度及度分布

在一個生態網絡中，生態節點vi與其他的節點通過邊相連，這個節點的度就是與該生態節點相連接的邊數，即生態節點之間的生態廊道的數量[15]。

生態網絡中生態節點的度的大小是不同的，如果度越大，那么說明這個生態節點的重要性越高，這個生態節點在生態網絡中的地位越高[16]。網絡的平均度是衡量一個生態網絡結構的重要指標[17]。計算公式為

(1)

式中k——網絡平均度

ki——每個節點的度

i——節點編號

在復雜生態網絡中，生態節點的度在統計學上服從一定的分布函數，這個分布函數用P(k)來表示[18]。生態節點的度分布P(k)代表了在一個生態網絡中，度為k的生態節點的占比，分布函數P(k)就是度為k的生態節點被抽取到的概率[19]。

規則網絡和完全隨機網絡的度分布特征是完全不同的，完全隨機網絡的度分布被稱作Poisson分布[20]。而實際的生態網絡不是完全的隨機網絡，它并不遵循完全的Poisson分布。實際網絡的度分布一般呈現出一定的冪律分布，這種分布特征在復雜網絡理論中稱為無標度性[21]。如果一個網絡完全呈現出冪律分布的特征，那么這個復雜網絡稱為無標度網絡。實際的生態網絡大多數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

對于一個復雜生態網絡，兩個生態節點vi和vj如果能夠通過多個生態廊道相互連通，且有多種途徑可以聯通，這兩個生態節點之間的距離dij是生態廊道聯通路徑的最短路徑上生態廊道的數量。如果兩個生態節點在生態網絡中不能通過生態廊道相連，就表明它們之間的距離無窮大，它們之間的生態能量的流動效率是零。當一個生態網絡中存在兩個生態節點之間的距離是無窮大時，這個生態網絡的聯通性會較低[23]。

一個復雜生態網絡中任意兩個生態節點之間的距離的最大值稱為該生態網絡的直徑P，計算公式為

(2)

平均路徑長度L是評價網絡拓撲結構的重要指標，對于一個生態網絡，網絡中任意兩個生態節點之間的距離在計算得到后，對其取平均值就是該生態網絡的平均路徑長度，計算公式為

(3)

平均路徑長度具有重要意義。在實際網絡中，比如一個交通網絡，平均路徑長度代表了兩個交通站之間最短連接通道上經過交通站的平均數量[24]。對于生態網絡，平均路徑長度代表了兩個生態節點之間的最短生態廊道上的生態節點的平均數量。對于實際的復雜網絡，節點的數量不能反映平均路徑長度，節點數目多，平均路徑長度不一定就大，節點數目多的復雜網絡的平均路徑長度一般卻很小。

1.5.3聚類系數

(4)

對于整個生態網絡，得到所有節點的聚類系數后，將所有生態節點聚類系數取平均值，就得到了這個生態網絡的平均聚類系數C，計算公式為

(5)

生態網絡的平均聚類系數的取值范圍是0～1，當所有節點都是孤立的，即沒有任何連接邊時，C=0，當整個網絡中的任意兩個節點都是直接相連時，C=1。C越大，表明生態網絡中的生態節點之間的聯系越緊密，生態網絡中各個生態節點的直接聯系程度越大。網絡直徑越小、聚集系數越大的網絡小世界特性越強，反之越弱。絕大多數的實際網絡都具有聚類效應，這表明實際復雜網絡并不是完全均勻網絡，也不是完全非均勻網絡[26]。

2 結果與分析

2.1 草原景觀分區

根據土地利用類型數據，在包頭市全域內共提取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，導致中部草原景觀斑塊破碎。城區位于包頭市南部，大量農田分布在城區周圍，導致南部草地景觀類型為其他草地，且為破碎板塊。全域內天然牧草地斑塊數量最多，共14 675個，大塊(面積大于1 km2)分布在包頭市北部，細碎斑塊(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。人工牧草地斑塊數量最少，共有896個，均為細碎斑塊，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NDVI，由于包頭市南部為城區，人工植被密集且周圍有大量農田，導致南部NDVI值較高。大塊天然牧草地分布在北部，導致北部NDVI較低。大面積灌木林地分布在包頭市中部，導致中部NDVI偏低。且中部有少量農田，導致中部小區域內NDVI較高，研究區NDVI分布如圖3所示。

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

對包頭市全域內草地按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，導致分級等級偏低。中部溫度、降水量等自然因素均優于北部，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如表2所示。包頭市全域內草原景觀總面積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較高，鄰近度指數為54.867%。相似臨近百分比指數和散布與并列指數較高，斑塊凝聚指數為99.833%。景觀分割指數較低，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，散布與并列指數較高。5級斑塊與草原景觀百分比較高，最大斑塊指數較高，散布與并列指數較高。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，最大斑塊指數較高，散布與并列指數較高，景觀分割指數較高，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，最大斑塊指數低，聚合度較低，相似臨近百分比指數較低，類型分裂指數、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，類型分裂指數最高。12級最大斑塊指數最低，類型分裂指數最高。

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

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

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

2.3 草原景觀斑塊耦合網絡結構分析

利用ArcGIS對包頭市全域內草原景觀進行重分類，共分為12級。用要素轉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，導致植被覆蓋度大致為從南到北遞減。根據各級源地空間上的連接關系，不同等級間若相連接，則兩者之間的相關系數為1，構建草原景觀的鄰接矩陣，如表4所示。

根據所提取的草原景觀網絡，利用度及度分布評價節點度的情況，利用平均路徑長度分析網絡的聯通情況，利用聚類系數分析生態網絡的聚集特點。利用這3個基本統計指標對其進行基本結構特征分析。圖6為景觀網絡度分布圖。

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

圖5 草原景觀節點分布圖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 草原景觀網絡度分布Fig.6 Grassland landscape network distribution

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

圖7 草原景觀網絡平均路徑長度分布Fig.7 Average path length distribution of grassland landscape network

草原景觀網絡中，一個生態節點可能會同時與其他兩個生態節點相連通，所提取的潛在生態網絡的聚類系數為0.613 1。該草地生態網絡的小世界特性并不明顯，導致該潛在生態網絡不具備小世界網絡的特性。該潛在生態網絡的聚類系數分布圖如圖8所示。該潛在生態網絡的聚類系數為0的生態節點數量占生態節點總數的8.33%，有1個，這個節點與其他節點不具有集群特點。有3個節點的聚類系數為0.67, 2個節點的聚類系數為0.73，這些生態節點具有明顯集群特征。從圖8可以得到該草原生態網絡具有明顯的非均勻性。在空間上的分布可能會存在一些區域過于集中，而另一些區域又沒有生態節點分布，這樣的生態網絡結構不穩定性較大。

3 結論

(1)以包頭市為研究區，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 草原景觀網絡聚類系數分布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計算。在景觀尺度上，包頭市全域內景觀相似臨近百分比指數和散布與并列指數較高，景觀分割指數較低。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，類型分裂指數高，景觀破碎，連通性差。

(3)根據所提取的草原景觀網絡，利用度及度分布評價節點度、平均路徑長度、聚類系數分析生態網絡的特點，發現該草原景觀網絡的度為6的草地斑塊節點數量有5個，度為8的節點有2個，平均路徑長度為1.606 1，該草原景觀網絡具有明顯的非均勻性。