基于Markov的福建省溪南半島植被景觀動態變化預測

郭娜 劉劍秋 潘志斌

摘要在遙感和地理信息系統技術的支持下，利用1994和2008年兩個時期的影像圖作為信息源，獲取福建省溪南半島各景觀要素類型的轉化數據，確定相應的轉移概率矩陣，并應用馬爾科夫模型原理，運用MATLAB7.0軟件定量預測出未來2022、2036、2050、2064年植被景觀情況。結果表明，溪南半島林地的恢復狀況形勢好轉，生態條件將有所提高，溪南半島的植被景觀生態將向著和諧的方向發展，為“海西寧德工業區”的規劃、管理及其資源使用與保護提供科學的指導。

關鍵詞植被景觀；馬爾科夫；動態變化

中圖分類號S181.3；Q94文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）23-07913-04

作者簡介郭娜（1986- ），女，福建龍巖人，助教，碩士，從事植物資源與植物生態學研究。

收稿日期20140626福建省溪南半島屬閩東南丘陵地形區，多數區域海拔在400 m以下，主要為丘陵地貌、沖海積平原，少數為低山地貌。根據《中國植被》分區，溪南半島屬于中國東部濕潤森林區、亞熱帶常綠闊葉林帶、南亞熱帶季風常綠闊葉林地帶，其植被較為豐富，成分較為復雜，是復合景觀生態系統的基質，對景觀具有控制作用。研究區植被景觀格局除了受自然演替的影響，如生態習性、立地條件、自然災害等，隨著經濟的快速發展，城鎮規模逐年擴張以及“海西寧德工業區”的規劃建設，該研究區受人為干擾力度不斷增強，地帶性原生植物已不復存在，使原來單一的植被景觀生態結構發生了較大的變化，日趨復雜。因此，分析該區域的植被景觀格局動態以實現其監測、規劃、管理十分必要。目前，有關植被景觀格局動態變化預測的研究鮮見，主要集中在農業景觀、濕地景觀、流域景觀、城市與城郊景觀等。有鑒于此，筆者試圖以福建省溪南半島為例，結合景觀生態學原理和“3S”技術，利用Markov對當地的植被景觀進行動態模擬和預測，以探討未來時段植被景觀格局的動態變化，為溪南半島中長期的發展規劃與有效保護提供參考。

1研究區概況

福建省溪南半島位于霞浦縣西南部，地理坐標為119°47′～120°00′ E、26°38′～26°49′ N，地處長三角、海峽西岸和臺灣三大經濟區的核心紐帶地區，主要包括以溪南鎮為主體的并含沙江鎮和鹽田鄉部分行政村的溪南半島，屬于中亞熱帶濕潤海洋性季風氣候區，四季分明、雨量充沛、溫暖濕潤、夏長冬短、光照充足。自然植被景觀僅在少數區段有分布，主要為次生季風常綠闊葉林、暖性針葉林（地帶性植被）、竹林、灌草叢和草叢、紅樹植物群落、互花米草鹽沼等；人工植被景觀主要為經濟林植被和農作植被，為研究區最主要的植被類型。非植被景觀主要包括水體、灘涂和建筑用地3類景觀，作為溪南半島景觀的嵌塊體。

2數據來源與分析方法

2.1數據來源與圖像預處理該研究選用的遙感數據主要為1994、2008兩個時段的TM/ETM+圖像，其影像均比較清晰，沒有云霧，從而為影像的解譯提供了良好的基礎。非遙感數據主要有溪南半島的行政區劃圖、林相圖；地類控制點野外調查數據；1∶10 000地形圖；森林資源二類調查數據等。

數據預處理是遙感應用的第一步，其將直接影響遙感數據的質量，從而影響了圖像分析的精度。故該研究以經過坐標配準的研究區的1∶10 000的地形圖為基準，應用遙感圖像處理軟件ERDAS IMAGE 8.7中數據處理（Data prep）模塊下的幾何糾正命令（Geometric correction）分別對1994、2008年TM/ETM+影像進行了幾何精校正。

此外，由于景觀分類是景觀格局和功能研究的基礎，是景觀生態規劃與管理的前提[4]。筆者進行了研究區的遙感影像分類，為動態變化預測提供基礎數據。鑒于現有遙感影像圖難以有效區分出不同樹種的林分空間分布，但可以分辨針葉、闊葉樹種和純林、混交林等森林類型特點，以此構建分類體系，將研究區植被分為暖性常綠針葉林、季風常綠闊葉林、灌叢和疏生草叢、暖性竹林、經濟林植被、草叢鹽沼、農作植被7類，同時結合研究區實際需要，將非植被景觀分為水體景觀、灘涂景觀和建筑景觀（、）。

2.2景觀動態預測方法景觀動態模擬是指研究景觀格局發展的動態，分析景觀功能、景觀要素的變化，生物量與生

溪南半島1994年植被景觀分類溪南半島2008年植被景觀分類產力的變化等，常見的景觀動態模擬有馬爾柯夫模型、轉移鑲嵌體模型、元胞自動機模型等[1]，其中馬爾科夫模型通常利用轉移矩陣來模擬景觀斑塊從一種類型轉變為另一種類型的動態規律，是最常用的景觀空間動態模型。隨著景觀生態學的發展，馬爾柯夫模型逐漸被廣泛用于解決植被生態預測與景觀變化[2]。

馬爾科夫過程是無后效性的一種特殊的隨機運動過程[3-7]。如果隨機過程X（n）在時刻t+1狀態的概率分布只與時刻t的狀態有關，而與t以前的狀態無關，則稱隨機過程X（n）為一個馬爾柯夫鏈。在t時刻它處于狀態Xi，t+1時刻，它將以概率Pij處于狀態Xj，而轉移概率Pij則反映了各種隨機因素的影響。

P{X（n+1）=j/X（n）=i}=Pij（n）（1）

式中，Pij（n）為在時刻t的一步轉移概率。

3結果與分析

3.1研究區植被景觀格局景觀的結構特征是由斑塊、廊道、基質等景觀要素類型、大小（面積）、形狀、密度、結構、紋理、數量和組合關系等特征決定的，其中面積變化是基本和最易識別的，是景觀要素穩定性和演替的縮影[8]。

溪南半島植被景觀類型非常豐富，14年來各植被景觀類型面積比例變化明顯。

1994～2008年，暖性常綠針葉林由1994年的3 746.69 hm2增加至2008年的6 211.86 hm2，年平均增加了176.08 hm2，形成了馬尾松廣泛分布的植被景觀格局。農作植被年

研究區1994～2008年各植被景觀類型面積

植被景觀類型1994年面積∥hm2所占比例∥%2008年面積∥hm2所占比例∥%1994～2008年變化

hm2/A暖性常綠針葉林3 746.6917.286 211.8628.66176.08季風常綠闊葉林707.363.261 676.577.7369.23灌叢和疏生草叢5 335.8124.611 502.486.93-273.81暖性竹林162.470.75279.271.298.34經濟林植被1 817.028.38665.443.07-82.26草叢鹽沼977.764.511 284.295.9221.89農作植被3 375.9715.574 665.4521.5292.11水體373.241.72586.592.7115.24灘涂5 036.2823.234 294.4619.81-52.99建筑144.780.67510.972.3626.16合計21 677.3710021 677.37100

變化為 92.11 hm2，至2008年為4 665.45 hm2，所占比例為21.52%，為研究區的主要群落。總體看來，植被景觀所占的面積分別為74.38%、75.12%，為復合景觀生態系統的基質，對景觀具有控制作用，而非植被景觀整體變化幅度不是很大。

3.2馬爾科夫預測根據馬爾科夫隨機過程理論，可以利用初始狀態概率矩陣模擬出某一初始年后若干年的各景觀要素類型的面積比例。

3.2.1初始狀態矩陣的確定。以1994年溪南半島遙感影像分類圖統計出各景觀要素的面積，計算出初始狀態概率，生成初始狀態矩陣：

3.2.2轉移概率矩陣。研究以年為單位，把溪南半島的景觀變化分成一系列離散的過程，把灌叢和疏生草叢景觀轉移為其他景觀類型的轉移概率作為第一行，草叢鹽沼景觀轉化為其他景觀類型的轉移概率作為第二行，依此類推，建立初始轉移概率矩陣（步長為1a），如所示。

研究區1994～2008年各植被景觀要素類型轉移概率矩陣%

植被景觀類型灌叢和疏

生草叢草叢鹽沼建筑經濟林植被季風常綠

闊葉林農作植被水體灘涂暖性常綠

針葉林暖性竹林灌叢和疏生草叢93.850.030.050.400.371.480.0103.780.04草叢鹽沼0.0595.880.130.0101.561.270.260.850建筑0.030.1698.37001.3100.020.110經濟林植被1.440.010.6193.060.132.630.0102.110季風常綠闊葉林0.40000.5896.040.38001.581.01農作植被0.440.410.410.030.0197.640.130.010.930水體0.012.460.18001.1394.700.690.820灘涂00.730.01000.160.3698.660.070暖性常綠針葉林0.260.0100.421.890.360096.760.29暖性竹林0.33001.483.640.12001.0493.39

由可知，溪南半島中的各種植被景觀要素類型在不同程度地轉入和轉出，但是總體變化不大，各景觀要素類型比例均保持在90%以上。其中，灌叢和疏生草叢主要轉變為暖性常綠針葉林，暖性常綠針葉林和暖性竹林主要是轉變為季風常綠闊葉林，這是自然演替的結果；草叢鹽沼和經濟林植被主要轉變為農作植被，是人工墾殖為耕地的結果；非植被景觀在這14年來，轉出面積為926.87 hm2，占非植被景觀總面積的16.94%，說明非植被景觀之間的演替不是很明顯，主要轉出為草叢鹽沼（11.60%），是互花米草繁殖能力強，大量蔓延的結果。因此，近14年來，溪南半島景觀具有較強的抗性，景觀格局處于相對穩定狀態。

3.2.3景觀要素動態模擬和預測。利用初始狀態和各景觀要素類型的轉移概率矩陣，借助Matlab7.0軟件，預測了在保持人為干擾不變的情況下，經過n=14步轉移到2008年，得到2008年預測的轉移概率。

查隨機處理數據的附表可得：λ=Χ20.05（9）=16.92。Χ2<λ，由結果可知，預測數據與實測數據吻合情況較好，二者差異不顯著，即利用馬爾科夫模型來預測研究區植被景觀格局變化趨勢是可靠的。用同樣方法，依次求出2022、2036、2050、2064年各景觀要素類型的轉移矩陣，見、所示。

2008～2064年各景觀要素類型面積百分比預測%

景觀類型2008年2022年2036年2050年2064年灌叢和疏生草叢12.587.725.815.114.88草叢鹽沼5.706.366.636.676.57建筑2.213.394.315.065.67經濟林植被5.033.953.683.673.74季風常綠闊葉林7.5110.5912.5513.7714.53農作植被19.4320.8521.4921.9022.24水體2.522.913.063.083.02灘涂19.6216.7214.3612.4210.81暖性常綠針葉林23.9425.3925.4725.3725.36暖性竹林1.462.142.632.963.17

42卷23期郭 娜等基于Markov的福建省溪南半島植被景觀動態變化預測2008～2064年各景觀要素類型面積百分比分布預測結果表明，在未來的56年間，人為干擾將繼續在溪南半島的植被演替中起著重要的作用，將導致當地的植被景觀更加破碎化。同時由于溪南半島三面濱海，山地眾多，交通不便，給了當地植被恢復充足的時間，暖性常綠針葉林、季風常綠闊葉林、暖性竹林的面積呈增加趨勢，灌叢和疏生草叢的面積則下降，這種群落結構的演替符合該研究區域的生物學特性和生態習性，是良性的發展。因此，合理調控溪南半島所受到的干擾，促使其長期發展，科學配置該研究區的植被景觀格局，促進研究區生物多樣性的保護和生態環境的建設。

4討論與結論

1994、2008年植被景觀所占的面積分別為74.38%、75.12%，為復合景觀生態系統的基質，非植被景觀整體變化幅度較小，表明該研究區的自然植被景觀演變是在人為干擾下緩慢進行著。

14年來，溪南半島中的各種植被景觀要素類型在不同程度地轉入和轉出，但是總體變化不大，各景觀要素類型比例均保持在90%以上，景觀格局處于相對穩定狀態。

利用初始狀態和各景觀要素類型的轉移概率矩陣在保持人為干擾不變的情況下，預測了未來的56年間，林地的恢復狀況形勢將朝著和諧的方向發展，生態條件將有所提高。

福建省溪南半島具有優越的區位和港口資源優勢，省委、省政府規劃將溪南半島建設成為石油儲備、天然氣利用、油氣深加工、冶金、機械裝備等項目及其產業配套園區、港口物流園區、配套商貿生活服務區的“海西寧德工業區”。因此隨著項目建設全面開展，決策者和開發者必須對溪南半島原有的植被景觀采取必要的保護措施，注重植被景觀的系統建設與保護，不斷擴大植被生態防護景觀。同時根據景觀美學的要求，對研究區景觀所受到的干擾進行合理的調控和長期的規劃，盡量使工業區的規劃與周圍自然景觀達到協調狀態，使其成為鑲嵌景觀斑塊，既可以降低其脆弱性，保證溪南半島生態系統的穩定性，又可以增強溪南半島的自然性，做到經濟、生態和環境的協調發展。

研究主要采用了馬爾科夫模型進行了溪南半島的植被景觀動態預測，通過Χ2檢驗增加了數據的可靠性。同時，筆者主要采用兩個時期的影像對溪南半島植被景觀變化進行了分析研究，若有多時相長期監測的數據可進一步做景觀格局演變過程的模擬及其驅動機制的研究，這將有助于對未來景觀格局演變方向的把握和對其進行定量預測預報，為“海西寧德工業區”的規劃與管理資源使用與保護提供更為科學的指導。

在1994～2008年，溪南半島內各植被景觀要素主要受到了人為和自然驅動因子的綜合作用，比如城市化進程的加快、海西寧德工業區的建設以及各植物本身生態習性、氣候條件、立地條件等，形成了以暖性常綠針葉林為基質，其他景觀類型鑲嵌于其中的具有較強的穩定性的植被景觀，同時在預測的56年間，該植被景觀也將保持著良性的發展，因此在工業區的規劃、建設、生產運行以及服務期滿后等各個階段中，決策者都應該盡可能地依山體設置各功能區，不要大量開荒，大開大挖，避免給當地植被景觀造成不可挽回的損失。

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