洞庭湖區(qū)景觀異質(zhì)性的尺度效應(yīng)研究

段亞鋒　王克林　馮　達

(1.長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙　410000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙　410128；3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙　410125；4.湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙　410007)

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洞庭湖區(qū)景觀異質(zhì)性的尺度效應(yīng)研究

段亞鋒1，2王克林3馮達4

(1.長沙市環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙410000；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長沙410128；3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙410125；4.湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙410007)

【摘要】景觀異質(zhì)性是景觀的基本特征，也是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。景觀的異質(zhì)性隨著研究尺度的改變而變化，不同尺度，各景觀組分的異質(zhì)性表現(xiàn)不同。而異質(zhì)性的大小，直接影響著生態(tài)學(xué)研究過程中樣地尺度的選擇是否合適。本文以我國典型的濕地景觀生態(tài)系統(tǒng)洞庭湖區(qū)為例，采用信息熵法，選取樣線，利用湖區(qū)五期影像資料，借助ArcGIS相關(guān)軟件將樣線與影像資料進行疊加，在800m、1600m、3200m、6400m、12800m五個尺度上，針對水田、旱地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地七種景觀組分進行分析，得到各種景觀組分在不同尺度上的信息熵和最大異質(zhì)性表現(xiàn)尺度，根據(jù)分析結(jié)果，對今后景觀研究過程中樣地尺度的確定提供了一些依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】洞庭湖區(qū)；景觀異質(zhì)性；尺度效應(yīng)

景觀異質(zhì)性主要指景觀內(nèi)部資源或性狀的時空變異程度，是由于環(huán)境要素的時空差異及各種自然和人為干擾作用的時空不均勻性所產(chǎn)生的，它是景觀最基本的特征，也是研究景觀功能和動態(tài)的基礎(chǔ)，對探索景觀結(jié)構(gòu)與自然生態(tài)過程和社會經(jīng)濟活動的關(guān)系具有重要的意義[1-4]。景觀異質(zhì)性隨某一景觀要素出現(xiàn)的相對頻率變化而變化。當(dāng)景觀中僅存在某一景觀要素或該景觀要素完全不存在，對此景觀要素來說景觀是均質(zhì)。當(dāng)某一景觀要素出現(xiàn)在景觀中，并占有一定比例時，景觀開始出現(xiàn)異質(zhì)性，而且異質(zhì)性會隨該景觀要素出現(xiàn)相對頻率的增加作相應(yīng)提高，直至增加到某一臨界閾值時，該景觀要素在景觀中占主導(dǎo)地位。當(dāng)其相對頻率再繼續(xù)增加時，景觀的異質(zhì)化程度又開始下降，景觀重又趨向均質(zhì)化[5]。同時，景觀的這種異質(zhì)性特征具有尺度效應(yīng)，當(dāng)研究尺度發(fā)生變化時，景觀異質(zhì)性表現(xiàn)差異明顯[6，7]。

洞庭湖區(qū)是我國最大的淡水湖泊濕地景觀生態(tài)系統(tǒng)之一[8]。它位于長江中下游最敏感又最脆弱的生態(tài)區(qū)位，同時又是長江從西往東不同景觀生態(tài)的過渡地帶。科學(xué)工作者針對洞庭湖區(qū)的水文、地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、土地利用等方面做了大量的工作[9-13]。但是，鑒于湖區(qū)生態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性，在進行科學(xué)研究，確定研究范圍時，一直缺乏一種可以參照的尺度標(biāo)準(zhǔn)。研究范圍過小，會影像研究結(jié)果的代表性；研究范圍過大，會增加工作量[14]。本文利用洞庭湖區(qū)1980～2015年間的5期影像數(shù)據(jù)，采用信息熵法，討論了洞庭湖區(qū)7種景觀類型在5個不同尺度上的異質(zhì)性表現(xiàn)，為今后研究工作確定研究范圍大小提供了依據(jù)。

1研究區(qū)概況

洞庭湖位于長江中游荊江南岸，是一個承納湘、資、沅、澧四水和吞吐長江的洪道型湖泊，受其特殊的地理環(huán)境影響，形成了我國湖泊中面積最大的濕地――洞庭湖區(qū)。洞庭湖區(qū)界于27°55′～30°23′N、110°50′～113°45′E之間，指以洞庭湖為中心，向東、南、西三面過渡的廣大河、湖沖積-淤積平原和環(huán)湖丘陵崗地及外圍的低山區(qū)，具有碟形盆地圈帶狀立體景觀結(jié)構(gòu)的特征。我們選取的洞庭湖區(qū)范圍包括湖南省的岳陽市、岳陽縣、華容縣、沅江市、南縣、湘陰縣、汨羅市、益陽縣、益陽市、安鄉(xiāng)縣、漢壽縣、澧縣、津市、常德市、等14個縣市，總面積22，875km2(據(jù)中國資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫提供的行政區(qū)劃)[15]。

2數(shù)據(jù)來源

在對研究區(qū)景觀功能認(rèn)識的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀，將研究區(qū)景觀類型劃分為水田、旱地、林地、水域、草地、建設(shè)用地和未利用地7種類型。在ERDASIMAGINE軟件環(huán)境下，完成圖像矢量化工作：通過對研究區(qū)1980年的LandsatMSS圖像和1990年、2000年、2010年、2015年的LandsatTM圖像進行目視判讀得到初步解譯結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，采用隨機取樣的布點方式，對樣點進行野外核查，校正初步解譯結(jié)果，得到研究區(qū)5期遙感影像解譯數(shù)據(jù)。

3研究方法

3.1信息熵法

景觀的異質(zhì)性特征可以通過統(tǒng)計方法進行準(zhǔn)確度量，信息熵分析方法是近年來比較成熟的異質(zhì)性分析方法。信息熵法的工作原理是：將一條通過景觀的樣線分成若干等長的樣段，若每一組分在兩個連續(xù)的樣段中同時出現(xiàn)或缺失，則認(rèn)為它們之間不具有異質(zhì)性，若只在一個樣段中出現(xiàn)而在另一個樣段中缺失，則認(rèn)為它們之間具有異質(zhì)性，對整條樣線上所有連續(xù)的樣段都進行比較，通過以下公式計算出該景觀組分在當(dāng)前觀察尺度上的異質(zhì)性信息熵：

(1)

式中：I為異質(zhì)性信息熵；n為觀察到的異質(zhì)性次數(shù)；N表示樣段總數(shù)。I的值越接近1表示異質(zhì)性越強；越接近0表示接近均質(zhì)分布。對樣段進行兩兩合并，將長度增加一倍，然后重復(fù)上述工作，通過這樣多次合并，就可以觀察景觀組分的異質(zhì)性隨尺度的變化趨勢。

3.2實驗設(shè)計

利用ArcGIS軟件，以盡量覆蓋整個湖區(qū)為原則，在已解譯的洞庭湖區(qū)影像圖中布設(shè)4條樣線，分別為：A-A′(南-北方向，全長140800m)、B-B′(東北-西南方向，全長217600m)、C-C′(東-西方向，全長140800m)、D-D′(西北-東南方向，全長166400m)。以800米為樣段長，分別將4條樣線分別均分成176、272、176、208個樣段，按樣段編號對每個樣段命名(如A-A′ 001)，用Arcmap中的intersect命令將4條均分好的樣線與1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5期洞庭湖區(qū)數(shù)字影像疊加，得到不同時期，每一個樣段經(jīng)過的景觀類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)計算出每條樣線各個樣段在該尺度上的信息熵。然后將樣段兩兩合并，分別在1600m、3200m、6400m、12800m尺度重復(fù)上述工作。

圖1　研究區(qū)地理位置及樣線布設(shè)圖

4結(jié)果與分析

4.1研究區(qū)景觀的基本特征

1980—2015年這三十五年中，盡管不同景觀類型面積大小發(fā)生了變化，但各種景觀類型在研究區(qū)所占面積比例基本穩(wěn)定。其中，水田是研究區(qū)占地面積最大的景觀類型，約占總面積45%，是改地區(qū)的基質(zhì)；其次為林地、水域和旱地，分別約占總面積的21%、15%和10%。其他景觀類型面積比較小，均未超過總面積的5%。

4.2樣線信息熵計算結(jié)果分析

4.2.1時間變化規(guī)律

由于4條樣線經(jīng)過的范圍不同，而整個湖區(qū)不同區(qū)域自然地理狀況和生態(tài)環(huán)境各異，在1980—2015年這三十五年中社會經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r也各不相同，因此4條樣線的各景觀組分在不同時期、不同尺度上得到的信息熵并不相同。但是，結(jié)果所反映的時間異質(zhì)性信息熵值的變化趨勢是相同或相似的。受篇幅限制，本文僅列出樣線A-A′的異質(zhì)性信息熵計算值以年代為單位做的散點圖(圖2)。以樣線A-A′為例，說明景觀組分異質(zhì)性尺度變化的時間規(guī)律。

(1)除1980年外，其他年份的信息熵散點圖基本構(gòu)架相似。1980年圖形的主要不同表現(xiàn)在旱地信息熵在6400m尺度和12800尺度上：1980年旱地信息熵的最大表現(xiàn)尺度是6400m，之后，6400m尺度上的異質(zhì)性信息熵降低，12800m尺度信息熵增高，成為旱地最大信息熵表現(xiàn)尺度。

(2)信息熵數(shù)據(jù)顯示，總的來說，隨著時間的推移，除旱地和建設(shè)用地的個別尺度之外，其他景觀組分在各個尺度上信息熵的值均穩(wěn)中有升，說明近35年來洞庭湖區(qū)大部分景觀組分在各尺度上總體異質(zhì)性在逐漸增加。但是同時，曲線形狀在不同年代基本保持穩(wěn)定，說明盡管信息熵的絕對值隨時間發(fā)生了變化，但是景觀組分之間的相對大小基本保持穩(wěn)定。

(3)就不同景觀類型而言，水域在不同尺度水平上信息熵值最大，表現(xiàn)出的異質(zhì)性最為明顯；其次為建設(shè)用地；草地和未利用地信息熵值較小，異質(zhì)性相對比較低。水田最大異質(zhì)性表現(xiàn)尺度為1600m或3200m，在超過6400m的尺度上，不同年代水田異質(zhì)性信息熵均為0，表現(xiàn)出很強的均質(zhì)性；旱地的最大異質(zhì)性表現(xiàn)尺度為6400m或12800m，同時，在其他尺度上，旱地也表現(xiàn)出較為明顯的異質(zhì)性；林地在12800m的尺度上異質(zhì)性明顯，表現(xiàn)為明顯的宏觀異質(zhì)性；草地和未利用地具有相似的異質(zhì)性表現(xiàn)，異質(zhì)性隨尺度的增加而增強，但信息熵的值總體不高；水域的異質(zhì)性在不同尺度觀察時變化幅度最大；建設(shè)用地最大異質(zhì)性表現(xiàn)尺度為6400m和12800m，在其他尺度上異質(zhì)性信息熵值也比較高。

4.2.2空間變化規(guī)律

上圖2反映了樣線A-A′在1990年、2000年、2010年2015年四個年份的異質(zhì)性信息熵變化規(guī)律具有高度的一致性。通過計算比較，其他3條樣線也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。受篇幅限制，我們以2015年信息熵為例分析研究區(qū)異質(zhì)性尺度效應(yīng)的空間變化規(guī)律(圖3)。

從圖中縱坐標(biāo)信息熵的大小可以看出，水域是研究區(qū)異質(zhì)性表現(xiàn)比較突出的景觀類型，水田和草地異質(zhì)性相對較低。

A—水田；B—旱地；C—林地；D—草地；E—水域；F—建設(shè)用地；G—未利用地圖2　不同年代信息熵散點圖

圖3　不同景觀類型的異質(zhì)性信息熵(2015年)

盡管空間位置發(fā)生了變化，但是相同類型的景觀在不同尺度上的異質(zhì)性信息熵變化趨勢總體上是一致的：旱地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地的異質(zhì)性信息熵隨尺度的增加，在不同的樣線上有不同幅度的增大；水域的異質(zhì)性最大尺度出現(xiàn)在3200m，尤其在B-B′樣線即西北-東南方向表現(xiàn)明顯。而水田的異質(zhì)性信息熵在不同樣線穿過的空間位置差別較大，這是湖區(qū)種植水稻自然條件優(yōu)越和人工干預(yù)強烈的結(jié)果。

5結(jié)論與討論

(1)耕地和水體是耕地是研究區(qū)主要的景觀類型：湖區(qū)耕地斑塊以大面積的多個斑塊團聚為主要存在形式，小面積斑塊較少。水域中人工河、塘往往與天然湖泊相連，形成水域景觀斑塊面積大小不一，連通性較好的格局。從1980—2015年的35年中，湖區(qū)景觀破碎度顯著增加，斑塊形狀不規(guī)則度加大，不同景觀類型之間的面積差別在縮小。

(2)造成1990年前后異質(zhì)性信息熵變化較大的重要原因是，在1980—1990年間，洞庭湖進行了大規(guī)模的圍墾，主要集中在洲灘的利用上，僅1985—1990年5年間被圍墾面積約30萬畝，加上湖泊泥沙沉積加劇，造成內(nèi)湖破碎度不斷增加。到80年代末，隨著認(rèn)識水平的提高和政府對湖泊管理能力的加強，人類的圍墾活動減弱，對景觀影響趨緩。

(3)7種景觀類型中，異質(zhì)性熵隨尺度增加而呈增加趨勢的有旱地、林地、草地、建設(shè)用地和未利用地；水田作為洞庭湖區(qū)主要的景觀類型，在本文所選取的研究范圍、樣線布設(shè)的4個方向和分析的尺度水平上，在3200m尺度上表現(xiàn)比較穩(wěn)定的均質(zhì)性，此尺度上下異質(zhì)性熵均呈增加趨勢；水域在3200m尺度異質(zhì)性熵最大，此尺度上下異質(zhì)性熵均有減小趨勢，但總體上熵值較大。

(5)若在某種景觀組分的最大異質(zhì)性表現(xiàn)尺度上進行科學(xué)研究，此時單個樣地對于整個湖區(qū)代表性不強，應(yīng)盡量選用多個典型樣地，力圖包括所有景觀格局類型。當(dāng)然，盡可能選擇較低異質(zhì)性表現(xiàn)的最小尺度作為景觀組分的研究范圍，將在保證研究科學(xué)性的前提下，在一定程度上提高工作效率、節(jié)約人力和物力。洞庭湖地區(qū)，采用典型樣地進行科學(xué)研究時，具體而言，①在3200m尺度上進行水田景觀異質(zhì)性相關(guān)的研究將具有很好的代表性；②林地、草地、未利用地可以選取800m作為研究尺度，若尺度增大，一方面可能增加研究的難度，另一方面此尺度以上異質(zhì)性逐漸增強；③水域的景觀異質(zhì)性總體較高，在不同方向上差別也較大，所以如果針對于洞庭湖區(qū)的水域格局進行研究，建議在整個湖區(qū)內(nèi)進行；④旱地和建設(shè)用地在各尺度上異質(zhì)性明顯，研究全面考慮典型樣地進行分析。

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作者簡介：段亞鋒，博士，主要從事景觀生態(tài)與GIS研究

通訊作者：王克林，研究員，主要研究方向為區(qū)域生態(tài)學(xué)

中圖分類號：X21

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)04-0225-04

Scale Effects of Landscape Heterogeneity：ACase Study in Dongting Lake Area

DUAN Yafeng1，2WANG Kelin3FENG Da4

(1 Environmental Monitoring Stations of Changsha，Changsha，Hunan 410000，China；2.HunanAgriculturalUniversity，Changsha，Hunan410128，China；3.InstituteofSubtropicalAgriculture，ChineseAcademyofSciences，Changsha，Hunan410125，China；4.TheSurveyingandMappingResearchBureau，ChangshaHunan410007，China)

Abstract：Landscape heterogeneity is the character of landscape. It is also one of the most important issues in landscape ecology. Landscape heterogeneity is always changed with the research scale changing. Taking the Dongting Lake area as a case，the author adopted an information entropy method to analysis seven kinds of landscapes elements through ArcGIS，including paddy field，try land，forestland，grassland，lake area，construction land and unused land，on different scales. Thus，we got the information entropy of these seven landscape elements and found in which scale some landscape element would get its maximum. According to the results，we put forward some suggestions on how to choose appropriate range when we do research.

Keywords：Dongting Lake area；landscape heterogeneity；scale effects

項目資助：中國科學(xué)院知識創(chuàng)新重要方向項目Kzcx2-sw-415；全國生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查與評估項目STSN-09-05

致謝：感謝中國科學(xué)院資源與地理研究所康蘋提供技術(shù)支持

引用文獻格式：段亞鋒等.洞庭湖區(qū)景觀異質(zhì)性的尺度效應(yīng)研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(4)：225-228.