天水市土地利用景觀格局的幅度效應研究

張韌瓔,劉學錄

甘肅農業大學資源與環境學院,蘭州 730070

0 前言

景觀生態學主要研究某一空間尺度范圍內的景觀格局與生態過程[1]。景觀格局—過程研究是景觀生態學研究的主要模式,對于格局與過程關系的研究,就是研究其依賴尺度的特點,即尺度效應。目前對景觀格局的研究主要是空間異質性的研究[2]和景觀動態的研究[3-4],通常在區域景觀動態分析方面,多采用景觀指數分析景觀格局特征及空間異質性。景觀指數能夠高度濃縮景觀格局信息[5],反映景觀結構組成和空間配置等特征。土地利用景觀格局在空間上表現為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌體,具有明顯的空間異質性和尺度依賴性[6-7],進行景觀格局尺度效應對研究土地利用格局與尺度間的關系有深遠影響。空間尺度一般分為幅度和粒度,幅度通常指研究所涉及的空間范圍(長度或面積)[8],研究區面積或長度決定了研究的空間幅度。粒度是最小可辨識的單元所代表的特征長度、面積或體積。在研究中改變幅度、改變粒度或幅度和粒度同時改變時,都會產生空間效應。因此尺度的選擇尤為重要,尺度太大,往往會忽略細節;尺度太小,忽略總體的變化規律。近年來,許多學者對粒度變化景觀格局分析的影響方面研究較多[9-18],對空間幅度變化研究相對較少。目前對景觀格局尺度效應的研究,多采用梯度分析與景觀格局指數相結合的方法,即運用ArcGIS 對遙感數據解譯分析,用梯度分析法中緩沖帶法[19][20]獲得幅度樣帶,結合景觀格局指數或空間自相關性分析等對景觀格局空間變化規律進行分析研究,而采用梯度環與景觀格局指數相結合的方法對土地利用景觀格局進行研究較少。梯度環法在取樣方面有依據可循,避免了隨機取樣產生的誤差,全面的揭示空間變化的規律。本文從空間幅度角度出發,以天水市為研究區域,運用梯度環與景觀格局指數相結合的方法,定量分析天水市土地利用景觀格局空間結構變化。

1 研究區及研究方法

1.1 研究區概況

天水市位于甘肅省東南部,介于東經104°35′— 106°44′、北緯34°05′—35°10′之間,東西長197 km,南北寬122 km,土地總面積為1.42 萬hm2。天水市是甘肅省第二大城市,為中國歷史文化名城和全國優秀旅游城市,現轄秦州區、麥積區、武山縣、甘谷縣、清水縣、秦安縣、張家川回族自治縣。天水市屬隴中黃土高原丘陵區,地勢西部和東北高,東南相對較低,海拔在1000—2100 m 之間。屬溫帶大陸性和亞熱帶氣候類型,年均氣溫11.1 ,℃年均降水491.7 mm,年均日照2100 小時。

1.2 數據來源及處理

基礎數據源自于天水市2 區5 縣2015年變更庫的矢量數據、天水市土地利用總體規劃等。運用ArcGIS10.2 對2015年天水市2 區5 縣土地利用矢量數據進行識別、拼接處理、重新分類,得到2015年天水市土地利用景觀類型矢量圖。基于ArcGIS10.2平臺下的Spatial Analysis 擴展模塊,將矢量格式的數據轉換為柵格格式(TIFF 格式)的數據,并運用景觀格局分析軟件Fragstats4.2 進行景觀格局指數的計算,完成景觀格局指數變化分析。

1.3 景觀要素的劃分

景觀要素的劃分是景觀格局分析的基礎,為更好地反映土地利用景觀在空間上的變化。本文采用的景觀分類體系以土地利用狀況為主,參考國土資源部2017年頒布的《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017),將原有14 個土地利用類型簡化至7個景觀要素,即耕地、園地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。

1.4 景觀格局指數的選擇

景觀指數通常能夠高度濃縮景觀格局信息,其特征可以在單一斑塊、斑塊類型和景觀3 個水平上進行分析。目前多從景觀水平和景觀類型水平選取指標來反映景觀格局的空間異質性。本文結合天水市實際情況,從景觀類型水平和景觀水平兩個方面共選取了8 個景觀格局指標,分別為表征景觀面積和優勢度的景觀斑塊面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(LPI)、蔓延度(CONTAG)、Shannon 多樣性指數(SHDI)、Shannon 均勻度指數(SHEI),表征景觀破碎化程度的斑塊密度指數(PD),表征景觀形狀復雜程度的平均分維度指數(FRAC_MN) 、 景 觀 形 狀 指 數(LSI),并 用Fragstats4.2 軟件對各景觀格局指數進行計算。具體指標的計算方法及特征描述見表1。

1.5 幅度的設定

以2015年天水市2 區5 縣土地利用矢量圖為數據源,運用ArcGIS 10.2 對矢量數據進行識別、重分類和合并,得到天水市土地利用景觀類型矢量圖,并在ArcGIS 10.2 下將其轉換成柵格大小為100m 的TIFF 圖層。

保持粒度大小不變,運用ArcGIS 10.2 做天水市土地利用景觀格局矢量圖的平均中心,以平均中心為輻射原點,向外輻射建立梯度帶,研究土地利用景觀格局平均中心向四周擴散的變化規律。以平均中心為圓心建立第一個梯度緩沖區,并運用ArcGIS 10.2 多環緩沖區功能,以5km 為間隔做多個梯度帶,共生成21 個梯度帶,由中心向外依次為1、2……21。用生成的梯度裁切柵格大小為100m 的天水市土地利用景觀格局柵格圖,得到不同幅度土地利用類型景觀格局圖(圖1)。

表1 景觀空間格局特征指標及其描述 Table1 Description of Landscape pattern indices

圖1 天水市景觀格局圖 Figure1 Map of landscape pattern in Tianshui

2 結果分析

2.1 景觀類型水平的幅度效應

2.1.1 景觀斑塊面積比例(PLAND)的幅度效應

斑塊面積百分比(PLAND)是確定優勢景觀要素的一個指標。從圖2可以看出,各景觀要素的景觀斑塊面積比例隨幅度的增加具有明顯的波動性,幅度效應明顯,但不同景觀要素的景觀斑塊面積比例的幅度效應有差異。景觀斑塊面積比例較小的林地、草地、建設用地、園地的幅度效應相較于耕地更加強烈。從表2可知,各景觀要素的景觀斑塊面積比例幅度效應差異很大,變異系數最大為林地,變異系數為42.26%,最小的是草地,變異系數為13.73%,說明研究區內草地分布聚集,連續性好,穩定性強;林地分布較分散,連續性差,穩定性弱。水域的變異系數僅次于林地,說明水域分布較分散,穩定性較弱,受人為因素劇烈。從圖3中可知,在5—25 km 幅度區間中幅度依賴性最強的景觀要素為未利用地,變異系數為 34.88%,最弱的為耕地,變異系數為7.71%,在該幅度區間內耕地呈聚集分布,連續性強,未利用地受人為因素影響分布較分散,穩定性弱;25—85 km 區間,各景觀要素具有明顯的幅度依賴性,景觀斑塊面積比例的幅度波動較劇烈(2.49%—29.35%),幅度效應強度相較于5—25 km 區間減弱,在25—85 km 區間內幅度依賴最強的為林地,變異系數為29.35%,幅度依賴性最弱的為草地,變異系數為2.49%,林地受幅度帶分割的影響,景觀斑塊面積比例相較于5—25 km而言穩定性降低,草地穩定性最強,分布集中;85 km 幅度以后,景觀斑塊面積比例的變異系數(0.1%—1.32%)變化不明顯,幅度效應消失。

圖2 不同幅度斑塊面積比例變化 Figure2 The area percentage of patches with different extent

表2 斑塊面積百分比變化 Table2 Changes of the area percentage between patches

圖3 斑塊面積百分比的幅度效應區間差異 Figure3 Difference of extent effect about area percentage in different extent section

2.1.2 斑塊密度(PD)的幅度效應

斑塊密度(PD)能反映景觀空間格局以及體現空間異質性,它在一定程度上也與景觀破碎度有關聯。從圖4可以看出,各景觀要素的斑塊密度曲線具有明顯的幅度依賴性,總體上隨幅度的增加呈現先上升后下降的趨勢,但各景觀要素斑塊密度的幅度效應有所不同。依據曲線變化趨勢,可以將曲線分為3 個區間,即5—25 km、25—85 km 和＞85 km幅度區間。從表3可以看出,各景觀要素斑塊密度的幅度效應有所差異,造成斑塊密度差異的原因是由于幅度變化影響各景觀要素斑塊的破碎化程度,即幅度帶人為地將完整的斑塊分割,城市化進程中建設用地占用造成的斑塊破碎化;其中變異系數最大的景觀要素為園地(36.15%),最小的為水域(11.56%),說明研究區園地的斑塊分布聚集且破碎化程度高,水域分布較均勻,破碎化程度低。從圖5可知,各景觀要素的斑塊密度在不同的幅度區間內幅度效應存在差異。在5—25 km 幅度區間范圍內,各景觀要素具有明顯的幅度依賴性,且各景觀要素的幅度效應波動(11.82%—36.87%)劇烈,其中幅度依賴性最強的景觀要素為林地,變異系數為36.87%,幅度依賴性最弱的為建設用地,變異系數為11.82%,說明林地斑塊破碎化程度高,分布較分散,而建設用地分布較集中,可能是由于建設用地占用了林地及其他景觀要素,造成其他景觀要素斑塊破碎化程度增加;在25—85 km 區間,斑塊密度的幅度效應減弱,但波動依舊很劇烈(2.88%—22.73%),在該區間范圍內幅度依賴性最強的景觀要素為園地,最弱的為水域,說明在該幅度區間內園地斑塊破碎化程度高,斑塊密度變異系數大(22.73%),而水域斑塊連續性程度高(2.88%),破碎化程度降低;＞85 km 幅度范圍,斑塊密度的變異系數(0.43%—1.18%)變化不明顯,幅度效應消失,在該幅度區間內破碎化程度不再隨幅度變化而發生改變。

圖4 不同幅度斑塊密度變化 Figure4 Changes of patch density in Different extent

表3 斑塊密度變化 Table3 Changes of patch density

圖5 斑塊密度的幅度效應區間差異 Figure5 Difference of extent effect about patch density in different extent section

2.1.3 平均分維度指數(FRAC_MN)的幅度效應

從圖6可以看出,各景觀要素的平均分維數指數具有明顯的幅度依賴性,不同景觀要素幅度效應差異明顯。根據平均分維數曲線變化特征,大體可分為3 種變化:平均分維數隨著幅度的增加而降低;隨著幅度的增加而增加;隨著幅度的增加,曲線不發生變化。從表4可知,各景觀要素平均分維數的幅度效應存在差異,變異系數最大的景觀要素為水域,其數值為0.37%,最小的為園地,變異系數為0.11%,這是由于各景觀要素受到人類活動的影響,使得水域平均分維數的變異系數高于其他景觀要素,由于人類對水域進行各類建設活動,故水域受人為干擾程度強,斑塊形狀趨于復雜,但其他景觀要素受人類活動的影響(如基礎設施建設),變異系數差異不明顯,說明城市化建設引起了各景觀要素不同程度的變化。在圖7中,5—25 km 區間范圍內,各景觀要素平均分維數的幅度波動(0.18%—0.94%)劇烈,未利用地在該幅度區間的幅度依賴性最強,變異系數為0.94%,園地的幅度依賴性最弱,變異系數為0.18%,說明在該幅度區間內,人類對未利用地的影響作用增強,斑塊未利用地形狀趨于不規則,而園地受人為因素影響較弱;在25—85 km 區間,平均分維數的波動性(0.03%—0.28%)減緩,平均分維數的幅度依賴性最強的依舊為未利用地,變異系數為0.28%,最弱的為草地,變異系數為0.03%,說明在該幅度區間內未利用地依舊受到人為因素(幅度帶分割)的影響,而草地受人為干擾程度降低,由于被分割的斑塊合二為一,草地斑塊形狀趨于簡單;＞85 km 幅度,各景觀要素平均分維數的變異系數趨近于0(0%—0.01%),說明在該幅度區間內人為干擾對各景觀要素的影響作用減弱,幅度效應消失。

2.2 景觀水平的幅度效應

圖6 不同幅度平均分維數變化 Figure6 Changes of the average fractal dimension index in different extent

表4 平均分維數變化 Table4 Changes of the average fractal dimension index

圖7 平均分維數的幅度效應區間差異 Figure7 Difference of extent effect about area the average fractal dimension index in different extent section

從圖8可以看出,景觀水平下的6 種景觀指數都表現出了明顯的幅度依賴性。根據各景觀指數的曲線變化特征,可分為3 個區間:在5—25 km 幅度區間,斑塊密度指數、景觀形狀指數、Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數隨幅度增加而增加,且Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數曲線的變化趨勢一致,最大斑塊面積和蔓延度指數隨幅度增加而降低;在25—85 km 區間內,斑塊密度指數、最大斑塊面積指數隨著幅度的增加而降低,景觀形狀指數隨幅度的增加而增加,其他3 種景觀指 數在該區間幅度不再隨幅度增加而變化;＞85 km 區間內,6 種景觀指數曲線都趨于平穩,幅度效應逐漸消失。引起曲線變化的原因在于不同幅度帶將原有的斑塊人為分割,導致斑塊數量、景觀形狀發生變化,最大斑塊面積和蔓延度隨之減小,斑塊多樣性增加,Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數變大。不同的景觀指數的幅度效應也存在差異(表5),變異系數最大的是景觀形狀指數(LSI),變異系數最小的是Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數,變異系數均為4.13%,這說明景觀形狀指數受幅度變化,斑塊形狀趨于不規則,而景觀斑塊多樣性程度較低。從圖9可以看出,在5—25 km 區間內,各景觀指數幅度效應(7.38%—50.74%)最為明顯,其中幅度依賴性最強的是景觀形狀指數,變異系數為50.74%,幅度依賴性最弱的景觀指數是Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數,變異系數均為7.38%;25—85 km 區間范圍內,各景觀指數的幅度具有波動性,但變化幅度不大(0.98%—16.14%),景觀形狀指數的幅度依賴性在該區間范圍仍舊最強,變異系數為 16.14%,幅度依賴性最弱仍舊是Shannon多樣性指數和Shannon均勻度指數,變異系數均0.98%;說明在5—85 km 幅度區間內景觀形狀指數對幅度的敏感性強,而Shannon 多樣性指數和Shannon 均勻度指數對幅度的敏感性弱,即幅度變 化對景觀形狀指數的影響作用強于其他景觀指數。85 km 幅度以后,各景觀指數的變異系數變化不大(0.02%—0.49%),受人為影響的各景觀指數趨于穩定,幅度效應逐漸消失。

圖8 不同幅度景觀水平指數變化 Figure8 Variation of the landscape index in different extent

表5 景觀水平指數的幅度變化 Table5 Extent changes of landscape level index

圖9 景觀水平指數的幅度效應區間差異 Figure9 Difference of extent effect about landscape level index in different extent section

3 討論

本文以天水市為研究對象,采用幅度變化的方法,分析不同空間幅度下研究區各景觀要素、景觀格局指數的變化規律和幅度效應。在研究景觀格局尺度效應時需主要關注兩個問題:一是尺度依賴的有效尺度,二是本征或特征尺度。在尺度依賴性的有效尺度選擇方面,杜秀敏[21]認為研究廈門的空間變化的有效幅度為3 km,徐麗華[22]認為24 km 幅度是一個特征操作尺度。在景觀格局空間尺度效應的研究中,在尺度的選擇中具有臨界尺度,在本文的研究中,90 km幅度為研究區的空間尺度效應研究的臨界幅度范圍,超過這一臨界幅度范圍,無論景觀要素,還是景觀指數都失去了尺度依賴性。不同景觀要素由于數量、形狀等特征的差異,尺度依賴性也存在差異,景觀水平上反映景觀格局特征的景觀指數間也存在差異,這與王艷芳[10]、徐麗華[22]等研究結論相似。對于尺度效應的本征或特征尺度的研究比較多,徐麗華[22]認為12 km的幅度為一個本征的操作尺度,但其本質仍舊為有效幅度。有效幅度的研究,對景觀格局空間特征的研究具有深遠的影響。

4 結論

(1)在景觀生態學研究中梯度環多用于生態服務價值研究及城市景觀的景觀格局分析[23-25],較少被用于土地利用景觀格局的幅度效應的分析研究。選用梯度環與景觀指數相結合的方法,研究幅度變化對土地利用景觀格局空間特征變化的影響。

(2)天水市土地利用格局的景觀指數在景觀類型水平和景觀水平均表現出明顯的幅度依賴性。不同景觀要素的幅度效應存在差異,景觀水平指數的幅度效應也存在差異。在5—25 km 幅度區間內,各景觀要素、景觀指數類型之間差異較大,25—85 km 幅度區間內,各景觀要素之間、景觀指數之間的差異較小,而＞85 km 幅度區間,幅度效應的差異不明顯,幅度效應消失。因此在研究天水市土地利用景觀格局的空間幅度效應時,最適宜的幅度半徑為85 km。

(3)空間幅度變化影響各景觀要素的空間分布狀況、景觀破碎化程度及景觀多樣性的變化。研究天水市土地利用格局空間幅度效應,反映土地利用格局的空間特征及空間變化規律,為今后天水市土地規劃與管理、合理進行土地用途管制措施提供參考依據。