大城市邊緣區(qū)景觀破碎化空間異質(zhì)性
——以北京市順義區(qū)為例

李 燦，張鳳榮,*，朱泰峰，曲衍波

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 2. 山東財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，濟(jì)南 250014)

大城市邊緣區(qū)景觀破碎化空間異質(zhì)性
——以北京市順義區(qū)為例

李 燦1，張鳳榮1,*，朱泰峰1，曲衍波2

(1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193; 2. 山東財(cái)經(jīng)大學(xué)公共管理學(xué)院，濟(jì)南 250014)

探索大城市邊緣區(qū)景觀破碎化格局及其空間異質(zhì)性特征，有助于把握景觀動(dòng)態(tài)的變化機(jī)制及其生態(tài)問(wèn)題。以北京市順義區(qū)這一典型大城市邊緣區(qū)為例，基于土地利用分類數(shù)據(jù)，采用有效粒度尺寸方法，對(duì)1992年、1999年和2009年景觀破碎化空間變異進(jìn)行了地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，主要包括尺度依賴性、空間異質(zhì)性、空間格局及其生態(tài)過(guò)程的分析。研究結(jié)果表明：1)景觀破碎化空間變異具有明顯的尺度依賴性特征，由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性較高；1992年和1999年景觀破碎化空間總變異相對(duì)緩和，2009年空間總變異強(qiáng)烈；通過(guò)不同尺度上的異質(zhì)性對(duì)比，選取1000m幅度作為研究區(qū)景觀破碎化的空間異質(zhì)性分析較為適宜。2)景觀破碎化空間異質(zhì)性表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，土地利用斑塊破碎化不斷加劇，其中1999—2009年間的表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈。3)景觀破碎化高值區(qū)呈現(xiàn)出由東部向西部轉(zhuǎn)移的態(tài)勢(shì)，并且其空間布局具有集聚性與分散性的顯著特征，空間上相似屬性聚集與相異屬性聚集的空間格局十分突出。4)景觀破碎化空間自相關(guān)作用主要來(lái)自高強(qiáng)度社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，并表現(xiàn)出明顯的區(qū)位特征。該研究結(jié)果可為土地、城鎮(zhèn)規(guī)劃以及景觀生態(tài)建設(shè)提供參考。

景觀破碎化；地統(tǒng)計(jì)學(xué)；異質(zhì)性；尺度；空間自相關(guān)；順義區(qū)

景觀破碎化表現(xiàn)為景觀要素在外力作用下原來(lái)連續(xù)景觀逐步變?yōu)樵S多彼此隔離的不連續(xù)的斑塊鑲嵌體的過(guò)程[1]，在此過(guò)程中，頻繁的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)景觀格局的影響大大超出了自然因素的干擾，成為景觀破碎化的主導(dǎo)因素[2- 3]。當(dāng)前，我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化加速發(fā)展時(shí)期，土地利用變化所引發(fā)的景觀格局變化強(qiáng)烈，景觀空間異質(zhì)性顯著[4]；特別是在大城市邊緣區(qū)，隨著城鎮(zhèn)建設(shè)不斷擴(kuò)張和現(xiàn)代化交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與發(fā)展，景觀破碎化態(tài)勢(shì)非常明顯。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)城市邊緣區(qū)景觀格局動(dòng)態(tài)開(kāi)展了一系列的研究，如在景觀格局變化與模擬[5- 6]、景觀生態(tài)規(guī)劃[7]、城市建設(shè)用地景觀破碎化[8]、土地變化機(jī)制及其驅(qū)動(dòng)力[9- 10]等方面取得了卓有成效的研究成果，為全方位理解城市邊緣區(qū)的景觀格局特征提供了豐富的研究參考。但是針對(duì)大城市邊緣區(qū)景觀破碎化空間異質(zhì)性的相關(guān)研究還不多見(jiàn)，鑒于城市邊緣地帶獨(dú)特的城鄉(xiāng)融合特征與景觀動(dòng)態(tài)的不確定性，有必要進(jìn)一步分析景觀破碎化的變異特征及其生態(tài)過(guò)程，以深入理解景觀格局的形成與變化機(jī)制。

由于大城市邊緣區(qū)景觀格局具有明顯的區(qū)域性和累積性特征[11]，由快速城鎮(zhèn)化所引起的景觀破碎化格局典型突出，因此，從土地利用/覆蓋入手，對(duì)該區(qū)域景觀破碎化格局及其空間異質(zhì)性進(jìn)行分析，能積極深入地探索大城市邊緣區(qū)景觀格局作用機(jī)理，為準(zhǔn)確把握該區(qū)域的生態(tài)問(wèn)題提供分析依據(jù)。目前，基于景觀指數(shù)的空間統(tǒng)計(jì)方法是應(yīng)用最為廣泛的景觀格局分析方法[12]，其中，地統(tǒng)計(jì)學(xué)已成為分析空間格局及其變異規(guī)律的有效方法[13]，該方法與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法相比，具有空間統(tǒng)計(jì)分析上的優(yōu)勢(shì)，不僅能有效地揭示區(qū)域化變量在空間上的分布、變異和相關(guān)特征，而且可以將空間格局與生態(tài)過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，有效地解釋空間格局對(duì)生態(tài)過(guò)程與功能的影響[14]。本項(xiàng)研究即選擇北京市順義區(qū)這一典型大城市邊緣區(qū)，利用地統(tǒng)計(jì)學(xué)的半變異函數(shù)定量分析景觀破碎化的空間變異特征，在遵循“尺度-格局-過(guò)程”分析的思路上，先確定其空間變異的典型尺度，然后探索景觀破碎化的空間格局特征，進(jìn)而，分析土地利用變化所引起的景觀破碎化變異的生態(tài)過(guò)程。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of the study area

順義區(qū)位于北京市東北部，地理位置處于北緯40°01′—40°18′，東經(jīng)116°28′—116°59′之間，總面積為1019.37 km2，約占北京市土地總面積的6.22%，轄19個(gè)建制鎮(zhèn)，400余個(gè)行政村。全區(qū)地處燕山山脈南麓，華北平原北端，屬于潮白河沖洪積扇平原的中下段，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，除東北邊緣有小部分低山丘陵外，平原面積占總面積的95.7%，海拔多在24—45m之間。境內(nèi)水資源相對(duì)豐富，土層深厚，具有較為優(yōu)越的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，素有“京郊糧倉(cāng)”之稱。順義區(qū)屬北京市近郊區(qū)，是北京城市發(fā)展空間新格局中“東部發(fā)展帶”上的重要節(jié)點(diǎn)，受大城市發(fā)展的輻射作用顯著；在北京市加快建設(shè)順義新城的戰(zhàn)略推動(dòng)下，順義區(qū)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，呈現(xiàn)出明顯的郊區(qū)城市化態(tài)勢(shì)，土地利用變化強(qiáng)烈，景觀破碎化趨勢(shì)明顯。

1.2 研究方法

1.2.1 景觀破碎化指數(shù)

有效粒度尺寸能有效地反映景觀面積權(quán)重和結(jié)構(gòu)上的差異性特征，該指數(shù)融合了生態(tài)過(guò)程、景觀組分與空間格局，可以更為綜合、客觀地表征景觀的破碎化狀況[15]。有效粒度尺寸越小，破碎化程度就越高。計(jì)算公式表示為：

式中，m表示景觀i的有效粒度尺寸，n為景觀i中非破碎斑塊的數(shù)量，aij表示斑塊ij的面積，A為景觀總面積。該指標(biāo)等于某一斑塊類型中所有斑塊面積的平方和除以景觀總面積，然后除以10000轉(zhuǎn)化為hm2。該指數(shù)值的變幅為：最小值為柵格大小，此時(shí)相鄰柵格之間的類型均不相同；最大值為景觀面積，此時(shí)該景觀具有唯一的類型。

1.2.2 半變異函數(shù)

地統(tǒng)計(jì)學(xué)是以區(qū)域化變化理論為基礎(chǔ)，借助半變異函數(shù)，揭示變量的空間異質(zhì)性，其基本原理和方法在諸多文獻(xiàn)中有比較詳細(xì)的描述[13,16- 17]，在此不再贅述。半變異函數(shù)定義為：

式中，h為兩樣本點(diǎn)的空間分隔距離，Z(xi)與Z(xi+h)分別是區(qū)域化變量Z(x)在空間位置xi和xi+h上的觀測(cè)值(i=1,2,…，N(h))，N(h)是分隔距離為h時(shí)的樣本對(duì)總數(shù)。半變異函數(shù)是地理現(xiàn)象分布中的空間依賴性與空間異質(zhì)性的一個(gè)綜合性衡量指標(biāo)，主要參數(shù)包括：塊金值C0、基臺(tái)值C0+C及變程(rang)A0。半變異函數(shù)反映了空間分布的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)性(自相關(guān)性)兩方面的變化，塊金值C0表示隨機(jī)部分(尺度效應(yīng)、測(cè)量誤差等)的空間異質(zhì)性，較大的塊金值表明在小尺度下存在著重要的生態(tài)過(guò)程，而C則表示空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性，所以基臺(tái)值C0+C則表示系統(tǒng)屬性或區(qū)域化變量的最大變異，基臺(tái)值越大，表示總的空間差異性程度越高。塊金值與基臺(tái)值之比C0/(C0+C)則反映了隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比重，C/(C0+C)則反映了結(jié)構(gòu)因素對(duì)總空間異質(zhì)性的貢獻(xiàn)程度。此外，由于受到各種外部輸入因子的影響，變量的空間依賴性和空間異質(zhì)性水平在不同的方向上差異顯著，因此半變異函數(shù)還具有各向同性和各向異性的特征。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究所使用數(shù)據(jù)包括：覆蓋順義區(qū)的Landsat TM遙感影像數(shù)據(jù)(1992-09-07和1999-08-02)和ETM+數(shù)據(jù)(2009-09-22)，其中TM數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國(guó)際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，ETM+數(shù)據(jù)(Level-4)來(lái)源于中科院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心，空間分辨率均為30m。在ENVI4.8平臺(tái)上對(duì)三期TM/ETM+遙感影像進(jìn)行空間配準(zhǔn)、重采樣等預(yù)處理，配準(zhǔn)誤差小于0.5個(gè)像元，采用監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法，并結(jié)合研究區(qū)域土地利用現(xiàn)狀圖對(duì)遙感影像解譯進(jìn)行調(diào)整和糾正，獲得土地利用分類信息。為適應(yīng)軟件運(yùn)行要求，運(yùn)用Nearest neighbor方法重采樣成90m分辨率。順義區(qū)土地利用類型分為：建設(shè)用地(城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)用地和交通用地)、農(nóng)田(耕地和園地)、綠地(林地和草地)、水域(河流、灘涂、水庫(kù)、坑塘等水體)和其他土地(開(kāi)發(fā)土地、未利用地)共5類，分類結(jié)果經(jīng)檢驗(yàn)Kappa系數(shù)分別為0.86、0.84和0.89，其精度能滿足本次研究的需要。

研究步驟為：首先，在對(duì)比連續(xù)尺度序列上景觀破碎化空間變異特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用景觀格局分析軟件Fragstats4.0中的“滑窗”功能，分析這些尺度序列上的景觀破碎化空間變異特征；然后，借助ArcGIS9.3的Hawth′s Analysis Tools擴(kuò)展模塊生成3000個(gè)隨機(jī)點(diǎn)(樣點(diǎn))，并借助Spatial Analyst Tools模塊將柵格單元上的景觀破碎化指數(shù)值賦給隨機(jī)點(diǎn)；進(jìn)而，利用GS+7.0計(jì)算(所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)正態(tài)分布檢驗(yàn)并進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，符合正態(tài)分布要求)得到景觀破碎化指數(shù)的半變異函數(shù)和理論擬合模型;之后，在考察空間變異對(duì)尺度變換的響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，確定景觀破碎化空間變異特征分析的尺度;最后，分析典型尺度下的景觀破碎化空間變異及其格局特征，并對(duì)破碎化樣點(diǎn)進(jìn)行空間自相關(guān)性分析。

圖2 研究區(qū)1992年,1999年和2009年景觀類型Fig.2 Landscape types of the study area in 1992, 1999 and 2009

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀破碎化空間變異的尺度特征

2.1.1 景觀破碎化空間變異的尺度依賴性

景觀尺度往往以粒度和幅度來(lái)表達(dá)，并且景觀指數(shù)表現(xiàn)出明顯的尺度依賴性特征，本研究所討論的尺度屬于人為確定的空間分析幅度，即非本征尺度[12,18- 19]。順義區(qū)3個(gè)時(shí)期連續(xù)尺度上空間變異特征值如圖3所示，其中，橫坐標(biāo)為景觀破碎化指數(shù)的計(jì)算幅度，自500m研究幅度開(kāi)始，并每增加100m等級(jí)進(jìn)行考察，縱坐標(biāo)表示塊金值與基臺(tái)值的比值C0/(C0+C)，該比值表示景觀破碎化的空間變異性程度，比值越高，空間變異程度越高，比值越小，空間自相關(guān)越明顯[20]。結(jié)果表明，景觀破碎化空間變異具有明顯的尺度依賴性，整體上各年期不同幅度上的空間自相關(guān)性強(qiáng)烈。1992年景觀破碎化半變異函數(shù)理論模型擬合為指數(shù)模型，在1600m至2300m幅度內(nèi)塊金與基臺(tái)比值表現(xiàn)出劇烈變化，而在500—1600m和2300—3200m幅度范圍內(nèi)呈現(xiàn)相對(duì)平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，塊金基臺(tái)比值分別集中在0.1030和0.1233附近，至3200m后塊金基臺(tái)比值出現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，說(shuō)明在這個(gè)幅度之外，空間異質(zhì)性特征主要取決于系統(tǒng)自身的空間自相關(guān)過(guò)程，隨著景觀指數(shù)的塊金值不斷變小，空間變異特征越來(lái)越不明顯。1999年景觀破碎化指數(shù)呈現(xiàn)階段性特征，1800m幅度以內(nèi)半變異函數(shù)擬合為球狀模型，空間變異程度隨幅度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，其中在1000—1200m范圍內(nèi)塊金基臺(tái)比值集中在0.0256附近，在1400—1700m范圍內(nèi)塊金基臺(tái)比值集中在0.0226左右，說(shuō)明空間變異性在這兩處幅度范圍內(nèi)呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定特征；而在1800—3200m范圍內(nèi)半變異函數(shù)擬合為指數(shù)模型，空間變異特征值圍繞0.1050附近變化，特別是在1800—2300m范圍內(nèi)變化相對(duì)穩(wěn)定。2009年空間變異特征與1999年情況類似，400—2100m幅度范圍內(nèi)半函數(shù)擬合為指數(shù)模型，2200—3200m幅度范圍內(nèi)半函數(shù)擬合為高斯模型，并且兩者都隨著幅度的增加空間變異程度降低；該年份上空間變異程度總體上呈現(xiàn)平緩下降-劇烈變化-平緩下降的特征，塊金基臺(tái)比值分別在400—700m、800—1200m和2700—3200m范圍內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 不同研究幅度下景觀破碎化空間變異特征及其變化趨勢(shì)Fig.3 The trend of characteristic values of spatial heterogeneity at different extents

2.1.2 典型研究幅度選取

對(duì)整個(gè)研究區(qū)而言，研究幅度的變化導(dǎo)致景觀破碎化空間格局及其生態(tài)過(guò)程的表征發(fā)生變化，直接影響對(duì)其空間異質(zhì)性的理解。一般來(lái)說(shuō)，在小幅度范圍內(nèi)，能窺視更多的細(xì)節(jié)特征，而大幅度卻容易忽略局部范圍的變化情況，即空間變異性會(huì)隨尺度的增加而降低，但是它們之間的關(guān)系是難以確定的[21- 22]，因此選取適宜的研究尺度成為探索景觀破碎化指數(shù)空間變化規(guī)律的基礎(chǔ)。而進(jìn)行多尺度研究和尺度效應(yīng)分析是對(duì)研究對(duì)象充分理解和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的關(guān)鍵[12]，其目的是利用不同尺度上獲得比較全面的空間格局信息，深入了解景觀破碎化的空間變化特征；并且測(cè)定不同尺度上的空間異質(zhì)性有助于認(rèn)識(shí)在哪一尺度上異質(zhì)性控制的某一生態(tài)過(guò)程[16]。由于塊金基臺(tái)比值在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，能夠反映景觀破碎化的空間變異及其內(nèi)在尺度特征[20]。因此，為分析景觀破碎化指數(shù)在不同尺度上空間特征及其尺度效應(yīng)，分別選擇1992年500、1000m和2800m，1999年1000、1500m和2200m，2009年500、1000m和3000m作為各年份上的高、中、低三種分析幅度，分別考察不同幅度水平下的景觀破碎化空間變異及其尺度效應(yīng)。

2.1.3 典型幅度下景觀破碎化空間變異特征

基臺(tái)值通常表示系統(tǒng)內(nèi)總的變異，而塊金基臺(tái)比值可以作為研究對(duì)象空間自相關(guān)的分類依據(jù)，一般若該比值小于25%，屬于強(qiáng)度空間自相關(guān)，若比值在25%—75%，屬于中等程度空間自相關(guān)，若比值在75%以上，屬于弱空間自相關(guān)[17]。從表1可以看出，3個(gè)時(shí)期不同幅度下的C0/(C0+C)絕大多數(shù)在25%以內(nèi)，說(shuō)明景觀破碎化空間自相關(guān)強(qiáng)烈，表明由空間自相關(guān)部分(結(jié)構(gòu)因素)引起的空間異質(zhì)性較高。由空間自相關(guān)系數(shù)Moran′sⅠ可知，該指數(shù)反映空間鄰接和空間近鄰的區(qū)域單元屬性值的相似程度[18]，不同幅度下的Moran′sⅠ在0—1之間，說(shuō)明景觀破碎化均存在正的空間自相關(guān)，且Moran′sⅠ隨著研究幅度的擴(kuò)大而上升，表明在較大幅度上破碎化格局的相似性更強(qiáng)，相似屬性的破碎化空間集聚作用明顯。變程與Moran′sⅠ表現(xiàn)出相同的變化特征，隨幅度的增加而變大，即景觀破碎化空間依賴的范圍也隨之而變大，并且在大尺度上具有明顯的空間自相關(guān)性特征，但是其空間變化的差異程度明顯降低。分維數(shù)表示半變異曲線的曲率，代表了變程范圍內(nèi)空間變異的速度，3個(gè)時(shí)期各幅度下的分維數(shù)均較高，在1.848—1.956之間，意味著在各自變程范圍內(nèi)景觀破碎化空間變異的程度較大；同時(shí)分維數(shù)隨幅度的增加而降低，表明隨著研究幅度變大，變程范圍內(nèi)的空間變異程度降低。對(duì)比不同幅度上的分維數(shù)大小，可知小幅度上的破碎化空間變異的速度大，敏感性高。

表1 不同幅度下景觀破碎化指數(shù)半變異函數(shù)模型及參數(shù)

從各個(gè)年份半變異函數(shù)擬合的模型及其參數(shù)來(lái)看，在不同分析幅度上的差異也比較明顯。1992年指數(shù)模型的擬合度隨幅度的增加而提高。由塊金基臺(tái)比值C0/(C0+C)可知，3個(gè)分析幅度上由隨機(jī)部分引起的空間異質(zhì)性占總空間異質(zhì)性的比重分別為10.13%、10.38%和12.17%，三者相差不大，說(shuō)明該年份景觀破碎化空間異質(zhì)性主要源自于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)因素的作用結(jié)果，即土地利用空間結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，各類型斑塊破碎度不大。隨著幅度的改變，塊金值、塊金與基臺(tái)比值不斷變大，景觀破碎化空間變異的塊金效應(yīng)呈現(xiàn)出來(lái)，由隨機(jī)部分所造成的空間異質(zhì)性不斷增加。1999年景觀破碎化同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間自相關(guān)特征，2200m幅度下半變異曲線擬合為指數(shù)模型，塊金值為0.0192，隨機(jī)因素對(duì)破碎化空間異質(zhì)性的貢獻(xiàn)值為10.36%；而1000m和1500m幅度下均擬合為球狀模型，并且兩者各項(xiàng)參數(shù)水平相差不大，隨機(jī)因素所造成的空間異質(zhì)性貢獻(xiàn)值僅為2.28%和2.39%。2009年500m和1000m幅度下半變異曲線擬合為指數(shù)模型，塊金基臺(tái)比值為0.1256和0.0960；而3000m幅度下擬合為高斯模型，塊金基臺(tái)比值為0.2706，此時(shí)隨機(jī)因素對(duì)總空間變異程度的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。

2.2 1000m幅度下景觀破碎化空間異質(zhì)性分析

2.2.1 景觀破碎化指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征

通過(guò)前述分析得知，3個(gè)時(shí)期典型幅度上景觀破碎化的空間總變異相差不大，其中1992年與1999年的變異特征比較接近，最大空間總變異均出現(xiàn)在1000m研究幅度上，且模型擬合度均在0.92以上，理論模型擬合優(yōu)良；而2009年基臺(tái)值呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，即該年份景觀破碎化空間變異明顯，3000m研究幅度上的基臺(tái)值相對(duì)較大，說(shuō)明該研究幅度下的景觀破碎化空間異質(zhì)性特征突出。然而，景觀破碎化是在同一方法下基于有效粒度尺寸(柵格)進(jìn)行的分析，其計(jì)算的誤差在尺度效應(yīng)的影響下，隨著幅度的增加，較大幅度內(nèi)部較小尺度上的破碎化空間變異容易被忽視，這種尺度所產(chǎn)生的誤差以塊金效應(yīng)表現(xiàn)出來(lái)[23]，同時(shí)，較大的塊金值也意味著較小尺度上的某種生態(tài)過(guò)程不可忽視[16]。從表1可以看出，3000m幅度下的塊金值最大，說(shuō)明該研究幅度下忽略了較小尺度上的空間變異，因此，考慮到大城市邊緣區(qū)縣域尺度景觀破碎化的空間格局及其土地利用結(jié)構(gòu)特征，在借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[24- 26]，選取1000m幅度作為研究順義區(qū)土地景觀破碎化空間變異較為適宜。

對(duì)3個(gè)年份1000m研究幅度下的景觀破碎化指數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知(表2)，1999—2009年變異系數(shù)變化的幅度明顯高于1992—1999年的水平，說(shuō)明近十年來(lái)破碎化空間變異加速，破碎化斑塊的變化呈現(xiàn)出逐步縮小的趨勢(shì)；特別是破碎化指數(shù)中值水平加速下降，表明空間破碎化越來(lái)越強(qiáng)烈，微小景觀斑塊數(shù)量不斷增加，土地利用空間轉(zhuǎn)換頻率持續(xù)提高。3個(gè)年份上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的偏態(tài)值和峰度值都接近于零，說(shuō)明有效粒度尺寸空間樣點(diǎn)數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布總體；數(shù)據(jù)偏態(tài)值為正值，且峰度值在后期轉(zhuǎn)為正值，說(shuō)明數(shù)據(jù)差異逐漸變大且多分布在平均數(shù)附近，反映出后期多數(shù)區(qū)域內(nèi)景觀破碎變化劇烈。

表2 不同年份下景觀破碎化指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征

2.2.2 景觀破碎化指數(shù)時(shí)間分異特征

景觀破碎化半變異函數(shù)的動(dòng)態(tài)如圖4所示，1992年與2009年擬合為指數(shù)模型，1999年擬合為球狀模型。整體而言，空間變異的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)表現(xiàn)出一定的相似性，空間自相關(guān)性顯著，并且其空間變異程度在時(shí)間上表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)；在變程范圍內(nèi)的空間異質(zhì)性變化強(qiáng)烈，空間變異與距離呈正相關(guān)，當(dāng)距離增加超過(guò)變程時(shí)，破碎化在空間上的差異不明顯，此時(shí)空間自相關(guān)性可以忽略。3個(gè)時(shí)期的分異特征主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)塊金值C0表示隨機(jī)部分的空間異質(zhì)性特征，3個(gè)時(shí)期塊金值C0分別為0.0169、0.0045和0.0221，表明塊金作用較小，在1000m研究幅度之內(nèi)的破碎化變異特征并不顯著，該研究幅度能較好地反映景觀破碎化的空間異質(zhì)性特征。2)基臺(tái)值(C0+C)代表區(qū)域化變量系統(tǒng)中最大的變異，3個(gè)時(shí)期分別為0.1628、0.1970和0.2302，說(shuō)明景觀破碎化空間變異隨時(shí)間的推移而不斷加劇，其中，2009年基臺(tái)值相對(duì)突出，表明1999—2009年間控制破碎化的某些因子的空間變異性明顯增強(qiáng)。3)3個(gè)時(shí)期空間異質(zhì)性中的隨機(jī)變異均小于空間自相關(guān)變異，并且相差較大，說(shuō)明由空間自相關(guān)部分引起的空間異質(zhì)性占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖4 3個(gè)時(shí)期1000m幅度下景觀破碎化半變異函數(shù)及其理論模型Fig.4 Semivariogram and its theoretical model of effective mesh size at 1000m extent, 1992, 1999, 2009

2.3 景觀破碎化空間格局特征

2.3.1 景觀破碎化指數(shù)的空間分布特征

有效粒度尺寸高值代表破碎化程度低，景觀范圍內(nèi)土地利用方式單一、分布連續(xù)，低值代表破碎化程度高，土地利用空間變化劇烈、離散程度高[20]。從圖5可以看出，順義區(qū)景觀破碎化指數(shù)高值區(qū)與低值區(qū)交錯(cuò)分布，通過(guò)3個(gè)時(shí)期對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高值區(qū)不斷增加。從空間分布來(lái)看，1992年?yáng)|部山地平原交接區(qū)域破碎化強(qiáng)烈，西部、南部相對(duì)平穩(wěn)；1999年中部地區(qū)破碎化突出，西北部、東北部景觀格局相對(duì)規(guī)整；2009年除東北部山地、中部城區(qū)中心、西南部機(jī)場(chǎng)等比較大的斑塊區(qū)域外，絕大部分的地區(qū)被高值區(qū)所覆蓋，景觀格局破碎化異常強(qiáng)烈。

圖5 景觀破碎化的空間格局Fig.5 The spatial pattern of effective mesh size

2.3.2 景觀破碎化各向異性分析

景觀破碎化作為反映土地利用空間結(jié)構(gòu)特征的區(qū)域生態(tài)變量，其半變異函數(shù)在空間上除了是間隔距離h的函數(shù)外，還與方向有關(guān)，并且在區(qū)域范圍內(nèi)和各方向上差異明顯，存在空間變異的各向異性[16]。對(duì)照景觀破碎化格局的各向異性來(lái)看(表3)，1992年與2009年空間變異的各項(xiàng)異性特征相似，在E-W和NW-SE方向上分維數(shù)偏大，而1999年則在E-W和NE-SW方向上的分維數(shù)較大，表明在這些方向上景觀破碎化空間變異程度高，并且空間格局復(fù)雜。1992年景觀破碎化各方向變異大小為NW-SEgt;E-Wgt;NE-SWgt;N-S，1999年為E-Wgt;NE-SWgt;NW-SEgt;N-S，2009年為E-Wgt;NW-SEgt;N-Sgt;NE-SW。

表3 景觀破碎化指數(shù)不同方向分維數(shù)

在此，以景觀破碎化最為激烈的2009年各向異性特征為例(圖6)，各方向上變異特征明顯，并且在不同距離上影響破碎化變異的作用強(qiáng)度不一樣，NE-SW方向上的曲線整體上揚(yáng)，表明該方向上破碎化空間相關(guān)程度隨距離增大，并對(duì)破碎化空間過(guò)程起著較重要的作用；N-S、E-W和NW-SE方向上曲線達(dá)到某一個(gè)距離后開(kāi)始下降，不再表現(xiàn)出空間自相關(guān)性，E-W方向上空間自相關(guān)范圍最小，大致為12km，而N-S方向上空間自相關(guān)變化范圍最大，約為15km。

圖6 景觀破碎化空間異質(zhì)性的方向分異模型(2009年)Fig.6 Anisotropic variogram model of effective mesh size, 2009

圖7 景觀破碎化指數(shù)LISA集聚圖Fig.7 LISA cluster map of effective mesh size

2.3.3 景觀破碎化空間集聚特征

各年期局部空間自相關(guān)分析顯示(圖7)，在通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的空間聚集點(diǎn)對(duì)中，主要分為H-H(即景觀破碎化高值點(diǎn)周圍為高值點(diǎn))和H-L(即景觀破碎化高值點(diǎn)周圍為低值點(diǎn))兩種空間聚集類型，即空間上相似屬性聚集與相異屬性聚集的空間格局顯著。H-H類型代表空間異質(zhì)性集聚的正相關(guān)，表現(xiàn)為聚合的空間格局，說(shuō)明破碎化特征不明顯；H-L類型代表空間異質(zhì)性集聚的負(fù)相關(guān)，表現(xiàn)為離散的空間格局，說(shuō)明破碎化特征相對(duì)突出。該分布格局特征表明，大城市邊緣區(qū)破碎化空間差異顯著，集中連片的某一土地利用類型集聚特征突出，同時(shí)交錯(cuò)分布的土地利用分散格局也較為明顯。從圖5可以看出，1992年H-H類型主要分布于西北部和南部，中部偏東和東北角區(qū)域也有零散分布，H-L類型分布區(qū)域較廣，在東北部、東部有大量分布，中部和西南部分布也較多。1999年H-H類型分布相對(duì)零散，主要分布于西北部、中東部等地區(qū)，H-L類型主要分布于西南部和南部區(qū)域。2009年H-H類型空間分布相對(duì)集中，主要分布于西南部、東北部及中部偏東等地區(qū)，H-L類型主要分布于中部、南部、西部及部分東部。

2.4 景觀破碎化生態(tài)過(guò)程分析

2.4.1 土地破碎化特征

通過(guò)對(duì)三個(gè)時(shí)期1000m幅度下景觀破碎化空間格局分析發(fā)現(xiàn)，其空間變異隨時(shí)間推移表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，并且反映出土地利用的破碎化特征，破碎化程度較高的區(qū)域土地利用呈現(xiàn)明顯的空間離散特征，土地利用類型交錯(cuò)分布，而破碎化程度較低的區(qū)域大多位于耕地集中分布區(qū)和城鎮(zhèn)建成區(qū)。借助ArcGIS空間分析功能，有效粒度尺寸在平均值和中值以上的柵格，在1992年景觀破碎化空間格局中面積占到35.01%和35.51%，對(duì)應(yīng)在土地利用上，分別有83.06%和83.04%屬于耕地景觀；在1999年時(shí)面積比重占到37.75%和39.94%，相應(yīng)地有76.74%和76.43%屬于耕地景觀；到2009年，其面積占到37.59%和44.59%，卻只有51.35%和51.73%位于耕地景觀?？偟膩?lái)說(shuō)，有效粒度尺寸位于中值以上柵格的比重呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，究其原因則是因?yàn)槌擎?zhèn)擴(kuò)張加快，連片建設(shè)用地增多；與此對(duì)應(yīng)，該部分破碎化面積中的耕地景觀卻出現(xiàn)加速減少的跡象，說(shuō)明耕地景觀破碎化不斷加劇。

2.4.2 景觀破碎化空間變化特征

景觀破碎化空間異質(zhì)性隨經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展表現(xiàn)出明顯的區(qū)位特征，主要交通道路沿線一直是破碎化程度高的區(qū)域，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)集聚中心的破碎化空間變異也相對(duì)強(qiáng)烈，隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，一些區(qū)域的景觀破碎化空間變異呈現(xiàn)出低-高-低的趨勢(shì)，如在城鎮(zhèn)擴(kuò)張帶上，隨著新的建成區(qū)的形成，景觀破碎化降低。對(duì)照前述各向異性特征分析可知，南-北方向上潮白河流域一直是破碎化空間變異較大的區(qū)域，這是因?yàn)槌卑缀硬糠趾佣胃珊?，沿河兩岸分布較多的建設(shè)用地，并且與耕地、林地交錯(cuò)分布，土地利用類型及景觀錯(cuò)雜。1992年?yáng)|-西方向上順平路沿線土地利用方式空間變化差異較大，破碎化程度較高，這是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)順平路為北京市城區(qū)通向東部地區(qū)的主要通道，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，許多產(chǎn)業(yè)用地沿道路分布；而東南-西北方向上分維數(shù)較大，則是因?yàn)闁|南部分布有大量的農(nóng)村居民點(diǎn)用地和采礦用地，從而造成破碎化空間上的變化差異相對(duì)較高。

從景觀破碎化空間異質(zhì)性特征來(lái)看，由于塊金效應(yīng)不明顯，即空間自相關(guān)對(duì)景觀破碎化總空間異質(zhì)性的影響較大，反映在土地利用空間結(jié)構(gòu)上，則主要是受高強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響造成的土地利用變化所致。1992年至1999年這一時(shí)期，順義區(qū)處于由傳統(tǒng)郊區(qū)農(nóng)業(yè)大縣向工業(yè)化邁進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期，各級(jí)工業(yè)園區(qū)迅速發(fā)展起來(lái)，特別是在西南方向上，首度機(jī)場(chǎng)作為重要的航空樞紐直接影響著順義區(qū)與北京市城區(qū)之間的交流，在空港經(jīng)濟(jì)強(qiáng)烈輻射作用的影響下，機(jī)場(chǎng)周邊用地形態(tài)變化強(qiáng)烈，破碎化程度較高。1999年后，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的大力推進(jìn)和二三產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，順義區(qū)逐步形成了以西南部天竺、后沙峪、南法信為圍繞首度機(jī)場(chǎng)的空港經(jīng)濟(jì)圈，西北部高麗營(yíng)鎮(zhèn)和趙全營(yíng)鎮(zhèn)迅速崛起的重點(diǎn)鎮(zhèn)，南部李橋鎮(zhèn)國(guó)門商務(wù)區(qū)以及北部北小營(yíng)鎮(zhèn)奧運(yùn)商圈等多個(gè)發(fā)展區(qū)域，加之多項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和順義新城規(guī)劃建設(shè)，從而導(dǎo)致破碎化空間變異在多個(gè)方向上變化激烈，空間分布格局復(fù)雜。從景觀破碎化指數(shù)的空間格局變化來(lái)看，1999年后，隨著城鎮(zhèn)交通建設(shè)的快速發(fā)展，景觀破碎化指數(shù)高值區(qū)的分布由西北、中南部和東部地區(qū)逐步向西南、東南和東北部轉(zhuǎn)移，在此過(guò)程中，原本集中連片的耕地區(qū)域逐漸被城鎮(zhèn)擴(kuò)張和交通建設(shè)所侵占和打破，并且高值區(qū)中的建設(shè)用地景觀上升加快。

3 結(jié)論

(1)景觀破碎化空間變異具有明顯的尺度依賴性特征，由空間自相關(guān)引起的景觀破碎化異質(zhì)性明顯。1992年和1999年景觀破碎化空間總變異相對(duì)緩和，2009年空間總變異強(qiáng)烈，并且在變程范圍內(nèi)的空間變異突出。為有效探索大城市邊緣區(qū)景觀破碎化空間變異特征，通過(guò)不同尺度上的異質(zhì)性對(duì)比，選取1000m幅度作為研究區(qū)景觀破碎化的空間異質(zhì)性分析較為適宜。

(2)順義區(qū)景觀破碎化空間變異隨時(shí)間表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，破碎化斑塊的變化呈現(xiàn)出逐步縮小的趨勢(shì)，其中1999—2009年間景觀破碎化空間變異強(qiáng)烈。

(3)順義區(qū)景觀破碎化空間格局復(fù)雜，1992年?yáng)|部山地平原交接區(qū)域破碎化強(qiáng)烈，1999年中部區(qū)域破碎化相對(duì)突出，2009年全區(qū)呈現(xiàn)大面積的景觀破碎化格局，尤以中、西部區(qū)域強(qiáng)烈。同時(shí)，景觀破碎化空間分布的集聚性與分散性顯著，不僅集中連片的某一土地類型分布集中，而且交錯(cuò)混雜的多種土地類型的分布十分明顯，并且這種格局呈現(xiàn)加劇發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

(4)景觀破碎化主要受高強(qiáng)度經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響，各向異性分析表明，交通路網(wǎng)發(fā)展建設(shè)成為景觀破碎化重要的推動(dòng)力。在土地利用景觀格局上，破碎化程度強(qiáng)烈區(qū)域的土地利用呈現(xiàn)明顯的空間離散特征，突出表現(xiàn)為耕地破碎化不斷加??；同時(shí)，隨著城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，中心城市的輻射作用強(qiáng)烈，景觀破碎化表現(xiàn)出明顯的區(qū)位特征，特別是1999—2009年這一階段，景觀破碎化重點(diǎn)區(qū)域快速向西部、南部等城區(qū)及機(jī)場(chǎng)周邊地區(qū)轉(zhuǎn)移。

4 討論

景觀格局變異特征與尺度轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問(wèn)題之一，探討格局空間變異的作用機(jī)理及其尺度特征是為深入理解景觀格局的有效途徑，本文在分析景觀破碎化空間變異尺度依賴性特征的基礎(chǔ)上，闡釋了各時(shí)期高、中、低研究幅度下的空間變異性，并基于1000m研究幅度下定量地獲得了景觀破碎化的空間變異特征及其格局，分析結(jié)果可為土地、城鎮(zhèn)規(guī)劃以及景觀生態(tài)建設(shè)提供參考。與此同時(shí)，對(duì)區(qū)域景觀格局及其生態(tài)過(guò)程多視角的研究還有待加深，特別是對(duì)景觀格局動(dòng)態(tài)的作用機(jī)制有待進(jìn)一步挖掘。

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Analysisonspatial-temporalheterogeneitiesoflandscapefragmentationinurbanfringearea:acasestudyinShunyidistrictofBeijing

LI Can1, ZHANG Fengrong1,*, ZHU Taifeng1, QU Yanbo2

1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2SchoolofPublicManagement,ShandongUniversityofFinanceandEconomics,Jinan250014,China

In the rapid urbanization process, land use of the urban fringe changes dramatically, and the landscape fragmentation is particularly outstanding. Hence, exploration of landscape fragmentation pattern and its spatial heterogeneity of urban fringe area are helpful to grasp the change mechanism of landscape dynamic as well as its ecological problems. In this study, on the basis of the interpreted land use maps from TM imagery, we utilized a series of moving window analysis and geo-statistic methods combined with effective mesh size to investigate the spatial heterogeneity of landscape fragmentation in Shunyi district, Beijing. The study contents mainly include the scale dependency of spatial heterogeneity, spatial variation character of several typical scale, spatial patterns and its ecological processes on 1000m scale for landscape fragmentation. The results show that, 1) the landscape fragmentation of urban fringe area has obvious characters of scale dependency for spatial heterogeneity, which mainly caused by the spatial autocorrelation; the total spatial variation of landscape fragmentation is not obvious in 1992 and 1999, but in 2009 is very strong. According to the analyses of spatial variance characters at different scales and based on the land use structure of county-wide urban fringe area, we choose 1000 meters as a relatively appropriate scale for analyzing the spatial heterogeneity of landscape fragmentation. 2) During the research period, the spatial heterogeneity of landscape fragmentation shows an obvious upward tendency, and the fragmentation of land use patch is getting more and more serious, especially the fragmentation of arable land in the period of 1999—2009. 3) The high value area of landscape fragmentation shows the momentum of transferring from the east to the west, meanwhile its spatial pattern presents a remarkable feature of the agglomeration and dispersion, which similar attributes gather and otherness attributes gather, and this pattern presents a trend of aggravating. 4) The spatial autocorrelation effect of landscape fragmentation comes from high strength social economic activities, and it exhibits obvious location characteristics, which the radiation effect of the central city is strong and the transport network plays a very important promoting role. These research results can provide a reference for land planning, urban planning and landscape ecological construction. In addition, the multi-view research of landscape pattern and its ecological processes are still necessary to be deepened.

landscape fragmentation; geo-statistic; spatial heterogeneity; scale; spatial autocorrelation; Shunyi

國(guó)家自然科學(xué)基金(41140013，41271111)；北京市優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師人文社科項(xiàng)目(YB20101001901)

2012- 06- 04;

2012- 11- 19

*通訊作者Corresponding author.E-mail: frzhang@cau.edu.cn

10.5846/stxb201206040807

李燦，張鳳榮，朱泰峰，曲衍波.大城市邊緣區(qū)景觀破碎化空間異質(zhì)性——以北京市順義區(qū)為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(17):5363- 5374.

Li C, Zhang F R, Zhu T F, Qu Y B.Analysis on spatial-temporal heterogeneities of landscape fragmentation in urban fringe area: a case study in Shunyi district of Beijing.Acta Ecologica Sinica,2013,33(17):5363- 5374.