廟島群島北五島景觀格局特征及其生態效應

池 源, 石洪華, 王恩康, 郭 振,豐愛平, 麻德明

國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061

廟島群島北五島景觀格局特征及其生態效應

池 源, 石洪華*, 王恩康, 郭 振,豐愛平, 麻德明

國家海洋局第一海洋研究所, 青島 266061

海島由于自然特征的空間差異、人類活動的日益增強以及生態系統的脆弱性,其景觀格局空間分異性明顯且生態效應趨于復雜。以廟島群島北五島為研究區,基于現場調查和3S技術,從景觀尺度、海島尺度和區塊尺度分析海島景觀格局空間特征,進而探討景觀格局與凈初級生產力(NPP)、植物多樣性和土壤性質的關系。結果顯示：(1)不同尺度景觀格局均表現出了空間差異。景觀尺度上,針葉林、闊葉林和草地3類植被景觀面積最大,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數總體較高,建筑用地也具有較大規模,其斑塊密度較高,平均形狀指數處于最低值,裸地也具有一定規模,其各項景觀指標處于中間位置;海島尺度上,隨著海島面積、人口和GDP的增加,斑塊密度和人為干擾指數均明顯增大;區塊尺度上,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數與海拔呈顯著正相關,人為干擾指數與海拔和坡度均呈顯著負相關。海島面積、地形和人類活動分別是北五島景觀格局的基本因子、重要限制因子和直接驅動因子。(2)海島景觀格局的生態效應與尺度密切相關。景觀尺度上,各項生態效應指標在不同景觀類型上均具有顯著差異,海島尺度上的生態效應指標對景觀格局的響應不甚靈敏;區塊尺度上,生態效應指標與景觀格局指數表現出了顯著的簡單相關性和偏相關性,但二者結果具有差異。NPP和土壤水分主要受到景觀類型和植被生長狀況的影響,多樣性和土壤養分同時受到景觀類型和景觀格局破碎度、邊緣效應的影響,人為活動強度的增大地帶來了各項生態效應指標的降低。控制建設規模、優化景觀布局與改進開發利用方式是維系海島生態系統穩定性的重要措施。

海島; 景觀格局; 空間特征; 尺度; 生態效應; 廟島群島北五島

景觀格局是自然和人文因子綜合作用于地理空間上的表現結果,隨著人類活動的日益頻繁,地表景觀格局愈發受到人為干擾的作用[1],而景觀格局特征及變化又對生態系統的結構、功能和過程產生著重要影響[2- 6]。海島是重要生態功能的貯存庫,是維護國家權益的重要平臺,也是人類居住生活的載體以及保護與利用海洋的支點[7-9]。由于獨特的自身條件和復雜的外界干擾,海島生態系統具有明顯的脆弱性,主要表現在其面臨干擾時更容易受到損害,且難以通過自身調節能力恢復[9- 12]。近年來,海島開發利用活動日趨頻繁,造成海島自然景觀割裂,人工景觀增多,景觀格局發生顯著變化[13- 16]。景觀格局深刻地作用于海島生態系統[17],植被生產力、植物多樣性和土壤肥力作為海島生態系統功能的重要表現形式,均受到景觀類型和格局變化的影響[18- 19]。島群是區域中位置相鄰海島的群聚形態,島群中不同海島在面積、形狀等基礎地理信息上可能存在較大不同[20],海島內部在地形等方面也具有明顯的空間差異,再加上人類活動的非均質發展,造成海島景觀格局分異性愈加明顯,生態系統效應更加復雜。同時,不同海島相互聯系又相對獨立,景觀格局對人類活動響應靈敏且空間差異性顯著,使得海島成為景觀格局及其生態效應研究的天然試驗場[21]。然而,目前關于海島景觀格局特征及其與生態系統服務功能相互關系的深入分析還鮮見報道。

圖1 廟島群島北五島景觀類型和植物群落調查樣地 Fig.1 Landscape types and plant community sampling plots on five northern islands orthern slands of Miaodao Archipelago

本文以廟島群島北五島為研究區,以海島景觀格局為核心,基于現場調查和3S技術,從景觀尺度、海島尺度和區塊尺度對景觀格局特征進行分析,進而探討景觀格局對海島植被凈初級生產力(NPP)、植物多樣性和土壤性質的影響,以期闡釋自然和人為因子影響下海島生態系統的變化特征,為海島生態系統保護提供參考,并從其區域典型性上豐富景觀格局特征及其生態效應的研究。

1 研究區概況

廟島群島位于山東半島北側,黃渤海交匯處,是我國北方海島的集中分布區。砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島和北隍城島共5個有居民海島構成廟島群島北部區域的主體,合稱“北五島”。北五島位于渤海海峽中部,海島之間較為分散,呈典型的鏈狀分布(圖1)。該區域屬于東亞季風氣候區,年均氣溫12.0℃,1月平均氣溫-1.6℃,7月平均氣溫24.5℃;年均降水量537.1mm,降水多集中在6—9月;日照較為充足,年均日照時數2612h。北五島地勢起伏明顯,最高點海拔為202m,位于大欽島。海島原生林木發育較差,廣泛種植了人工防護林,以黑松和刺槐為優勢種;原生草本植物種類繁多,分布廣泛[18]。北五島以海水養殖、捕撈、旅游為主要產業,不同海島之間社會經濟發展具有差異,海島作為開發和保護海洋的重要支點和海島居民生活的主要載體,海洋經濟的發展直接帶動了海島空間的開發利用,住宅及公共設施建造、道路碼頭建設、農田開墾、人工林種植等使得北五島景觀類型復雜多樣。

2 材料與方法

2.1 數據來源與處理

2.1.1 遙感影像

采用WorldView- 1衛星2013年全色波段遙感影像,空間分辨率為0.45m。通過ArcGIS 10.0軟件提取海島輪廓,得到海島面積、周長等基本信息;進而開展人機交互解譯,將北五島景觀分為針葉林、闊葉林、草地、農田、裸地、建筑用地、交通用地和其他硬化地面8類,其中,針葉林和闊葉林分別是以黑松和刺槐為優勢種的人工林,草地主要是海島天然原生草本群落,農田以種植大豆和玉米等農作物為主,裸地是指海岸和島嶼內部的裸巖和裸土地,建筑用地包括島內住宅和公共服務建筑,交通用地主要包括海島碼頭和島內道路,其他硬化地面是指建筑用地和交通用地以外人工鋪裝的密實地面,主要為海帶曬場和廣場等。

采用LANDSAT8衛星2013年8月11日、11月15日和2014年1月2日和4月24日(代表不同季節)4個時相30m分辨率的無云影像。利用ENVI 4.7軟件對影像進行裁切、輻射定標、波段運算得到不同季節的NDVI值(圖1)。采用2011年公布的Aster GDEM第二版DEM數據,垂直分辨率20m,水平分辨率30m;通過ArcGIS 10.0由DEM數據中提取海拔和坡度。

2.1.2 現場調查

2014年7月開展北五島現場踏勘,對北五島地表覆蓋類型進行現場驗證,根據驗證結果對現有數據進行校正,形成最終的北五島景觀類型矢量圖(圖1)。

2015年9月開展北五島植物群落現場調查,綜合考慮海島面積、群落類型和地形等因素,共布設60個20×20m調查樣地(圖1)。運用GPS手持機和電子羅盤測量樣地的經緯度、海拔、坡度和坡向。記錄樣方內出現的全部喬木種,測量所有DBH≥3 cm的植株胸徑、樹高、冠幅等信息,記錄其存活狀態;記錄樣方內出現的全部灌木種,選擇面積為10 m×10 m的兩個對角小樣方進行調查,對其中的全部灌木分種計數,并測量基徑、高度等信息;記錄樣方內出現的全部草本種類,在每個樣地的4角和中心共設置5個1×1m草本植物樣方,記錄樣方內草本植物種類、多度、蓋度、高度等信息。此外,采用多點混合取土樣方法進行表層土壤取樣,在每個樣地內選取3個取樣點,經均勻混合后作為該樣地的土壤樣品,在實驗室內除去其中草根、大石礫等雜質,過2 mm鋼篩并磨細,在105℃高溫下烘至恒重,稱量并計算土壤含水量;全氮采用半微量凱氏法,速效磷采用鹽酸-氟化銨法,速效鉀采用乙酸銨提取法,有機質采用重鉻酸鉀氧化外加熱法。

2.1.3 資料收集

氣象數據來自長島縣氣象站和煙臺福山氣象站監測的多年數據,各島的人口和生產總值來自長島縣統計局相關資料。

2.2 景觀格局空間特征分析

以北五島景觀類型矢量圖為基礎,通過ArcGIS 10.0中的Patch Analyst模塊,采用景觀格局指數,從景觀尺度、海島尺度和區塊尺度對景觀格局特征進行分析。由于Patch Analyst模塊中景觀格局指數數量較多,且相互之間具有一定的相關性,這里挑選具有代表性的景觀格局指數：斑塊密度(PD)反映景觀格局破碎化程度,邊緣密度(ED)反映景觀格局邊緣效應,平均形狀指數(MSI)反映景觀斑塊形狀復雜性。同時,為了反映人類活動對自然生態系統的干擾強度,本文建立了人為干擾指數(HII)指標,其具體計算方法如下：

(1)

式中,HCAi表示人工景觀的面積,HCA1-HCA6分別表示交通用地、建筑用地、其他硬化地面、農田、黑松林和刺槐林;IFi表示第i類人工景觀對海島生態系統的影響系數,不同人工景觀對海島生態系統的影響方式和程度具有較大差別,考慮到人工景觀的特征和海島實際情況,IF1取1.0,IF2和IF3取0.6,IF4取0.4,IF5和IF6取0.2;TLA表示分析尺度內的景觀總面積。

采用Patch Analyst模塊中的Spatial Statistics工具,計算景觀尺度和海島尺度的景觀格局指數;利用Fishnet工具將北五島劃分為200m×200m區塊單元,采用Analysis by Regions工具分析不同區塊單元的景觀格局指數[17]。

2.3 景觀格局的生態效應分析

基于收集資料、現場調查數據和遙感影像,分別計算海島NPP、植物多樣性和土壤性質3方面生態效應指標。

借助不同季節的遙感影像,依據CASA模型[22],構建海島NPP估算模型如下：

NPP(x,t)=APAR(x,t)×ξ(x,t)

(2)

APAR(x,t)=PAR(x,t)×FPAP(x,t)

(3)

ξ(x,t)=ft(t)×fw(w)×ξmax

(4)

圖2 北五島NPP空間分布特征Fig.2 NPP distribution characteristics on five northern islands

式中，NPP(x,t)為x點t月凈初級生產力;APAR(x,t)是指x點t月吸收的光合有效輻射(MJ m-2month-1);ξ(x,t) 表示x點t月的實際光能利用率(g C/MJ);PAR(x,t)為x點t月的光合有效輻射(MJ m-2month-1);FPAR(x,t)為x點t月光合有效輻射吸收比例(%);ft(t)和fw(t)分別為研究區t月的氣溫脅迫因子和水分脅迫因子(%);ξmax為最大光能利用率(g C/MJ)。具體計算方法見[18]。以4月、8月、11月、1月分別代表春、夏、秋、冬四季,計算北五島不同季節的NPP,進而得到全年NPP空間分布圖(圖2)。

廟島群島喬木和灌木種類總體較少,但草本植物發育完整且分布廣泛[19],這里以草本植物為代表進行海島植物多樣性計算。現場樣地調查共記錄草本植物93種,分屬28科、68屬。計算各樣地內草本植物的重要值,方法如下[23]：

(5)

式中,IVs,i為樣地s中物種i的重要值,Abs,i為樣地s內物種i的多度,Abs為樣地s物種多度之和,Cos,i為樣地s內物種i的蓋度,Cos為樣地s物種蓋度之和,Hes,i為樣地s內物種i的高度,Hes為樣地s物種高度之和。

采用目前在國內外相關研究中普遍應用的Shannon-Wiener指數(H′)和Pielou指數(E)計算北五島草本植物多樣性,前者側重于反映群落物種的復雜程度,后者則更加強調群落物種的均勻度。計算方法如下[24]：

(6)

Es=Hs/ln(Ns)

(7)

統計海島土壤含水量、總氮、速效磷、速效鉀和有機質因子,采用IDW內插法得到海島土壤性質空間分布特征。計算土壤肥力指數,方法如下：

(8)

Px,i=Cx,i/Si

(9)

式中,Fx為x點的土壤肥力指數,Px,i為x點因子i的肥力狀況,Cx,i為x點因子i的現狀值,Si為因子i的標準值,包括總氮、速效磷、速效鉀和有機質4項因子,采用《綠色食品產地環境質量標準》(NY/T391- 2000)中土壤肥力分級參考指標的旱地Ⅰ級作為標準值。最終以土壤含水量(MC)和土壤肥力(F)作為景觀格局對土壤性質的生態效應指標。

分別從景觀尺度、海島尺度、區塊尺度分析景觀格局對海島NPP、植物多樣性和土壤性質的影響。景觀尺度上,采用單因素方差分析探討不同景觀類型各生態效應指標的差異和特征;海島尺度上,采用回歸分析分析各島景觀格局指數與生態效應指標的關系;區塊尺度上,運用Zonal Statistics工具,提取不同內區塊內各生態效應指標的平均值,采用相關分析法探討區塊尺度上景觀格局指數與生態效應指標的簡單相關性,進而以植被景觀為控制變量,分析景觀格局指數與生態效應指標兩兩之間的偏相關性。

3 結果與分析

3.1 北五島景觀格局空間特征

3.1.1 景觀尺度

不同景觀類型中,針葉林、草地、闊葉林面積較大,其次為建筑用地,裸地也具有一定規模,其他硬化地面、交通用地和農田面積較小,不足100hm2(表1)。草地和針葉林各項景觀格局指標均較高,闊葉林邊緣密度和平均形狀指數也較高,但斑塊密度偏低;建筑用地和交通用地分別占據了平均形狀指數的最低值和最高值,但前者斑塊密度較高,后者斑塊密度較低;裸地各項指標均處于中間位置,農田和其他硬化地面各景觀指標均較低(表2)。

3.1.2 海島尺度

不同海島面積差異明顯,各島的景觀結構總體較為相似,但又互有差異。面積較大的海島景觀類型更加多樣,農田和其他硬化地面僅在砣磯島和大欽島出現,農田主要分布于砣磯島,其他硬化地面主要以海帶曬場的形式集中于大欽島;北隍城島面積處于中間位置,卻擁有最大規模的裸地;南隍城島面積較小,但交通用地面積明顯較高;小欽島面積最小,其各類景觀規模也都處于最小值(表1)。就景觀格局指數而言,各島斑塊密度由大到小依次為砣磯島、大欽島、小欽島、南隍城島和北隍城島,平均形狀指數與之完全相反,邊緣密度大小順序除了南隍城島明顯較高,其他與斑塊密度基本一致,人為干擾指數大欽島和砣磯島明顯較高,其次為南隍城島和北隍城島,小欽島最小(表3)。

表1 北五島景觀分類結果/hm2

表2 景觀尺度景觀格局指數計算結果

表3 海島尺度景觀格局指數計算結果

3.1.3 區塊尺度

各景觀格局指標在區塊尺度上均表現出了更加明顯的異質性(圖3)。斑塊密度和邊緣密度在砣磯島和大欽島內部空間分布差異顯著,但在南隍城島和北隍城島上不明顯,平均形狀指數則與之表現出相反的特征;人為干擾指數空間分布呈現“兩極化”特征,在砣磯島和大欽島尤為典型,說明人為干擾在海島內部空間上具有區域集中性。同時,小欽島由于面積較小,其內部景觀格局具有一定的空間分異性,但不甚顯著。

圖3 北五島景觀格局空間特征Fig.3 Spatial characteristics of landscape pattern on

3.2 北五島景觀格局的生態效應

3.2.1 景觀尺度

不同景觀類型的各項生態效應指標均具有顯著性差異(P<0.01)。就NPP而言,闊葉林最高,針葉林、農田和草地其次,交通用地、其他硬化地面、建筑用地和裸地較低。就多樣性指標而言,Shannon-wiener指數在針葉林和草地中明顯較高,建筑用地、裸地、交通用地和其他硬化地面其次,闊葉林和農田較低;Pielou指數在針葉林中最高,其次為草地、農田、交通用地和裸地,闊葉林、建筑用地和其他硬化地面總體偏低。就土壤指標而言,含水量在針葉林和刺槐林較高,其次為草地和農田,其余景觀類型總體偏低;肥力在針葉林、闊葉林和草地中較高,農田則明顯偏低,其余類型則處于中間位置(表4)。

3.2.2 海島尺度

不同海島的各項生態效應指標也均具有顯著性差異(P<0.01)。分析海島尺度上景觀格局指數與生態效應指標的關系可得(圖4—圖6),NPP平均密度、Shannon-Wiener指數和土壤含水量與各景觀格局指數均未表現出明顯的關系,Pielou指數隨著邊緣密度的增加顯著上升,土壤肥力隨著邊緣密度的增加顯著下降,但與其他指數未見明顯關系。

表4 不同景觀類型的生態效應指標

圖4 海島尺度上景觀格局指數與NPP平均密度的關系Fig.4 Relationship between landscape pattern indices and mean density of NPP in island scale

圖5 海島尺度上景觀格局指數與生物多樣性的關系Fig.5 Relationship between landscape pattern indices and biodiversity in island scale

圖6 海島尺度上景觀格局指數與土壤性質的關系Fig.6 Relationship between landscape pattern indices and soil property in island scale

3.2.3 區塊尺度

區塊尺度上景觀格局指數與生態效應指標的簡單相關分析結果顯示(表5),NPP平均密度與斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數呈顯著正相關,與人為干擾指數呈顯著負相關;Shannon-Wiener指數與斑塊密度、邊緣密度和人為干擾指數呈顯著負相關,與平均形狀指數呈顯著正相關,Pielou指數與人為干擾指數顯著負相關,與其他指標未見顯著相關性;土壤含水量與斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數呈顯著正相關,與人為干擾指數呈顯著負相關,土壤肥力與各景觀格局指數均無顯著相關性。以植被景觀為控制變量的偏相關分析結果與簡單相關分析表現出了明顯的差異(表5),NPP和土壤含水量與大部分景觀格局指數的相關系數明顯減小,相關性變為不顯著;Shannon-Wiener指數與各景觀格局指數的偏相關性仍顯著,其中與斑塊密度和邊緣密度的負相關性明顯增大,與平均形狀指數和人為干擾指數的相關性有所減弱;Pielou指數與各景觀格局指標的相關性仍不顯著;土壤養分與景觀格局指標的偏相關性相比簡單相關性有了明顯的增強,其中與斑塊密度和邊緣密度呈顯著負相關,與人為干擾指數呈顯著正相關。

表5 區塊尺度上景觀格局指數與生態效應指標的相關性

**在0.01水平(雙側)顯著相關, *在 0.05水平(雙側)顯著相關

4 討論與結論

4.1 討論4.1.1 研究思路探討

(1)研究區典型性

廟島群島全境屬山東省長島縣管轄,北五島是長島縣北部的5個有居民海島,與之相對應的是由南長山島、北長山島、廟島、小黑山島和大黑山島組成的“南五島”,南五島是長島縣政治、經濟和文化中心,距離大陸較近,海島分布聚集,人類開發利用活動更加劇烈,島陸之間和海島之間交通相對頻繁,也得到了諸多學者的關注和研究[13,18- 19]。相對而言,北五島距離大陸較遠,海島分布較為分散,航運交通不甚發達,人類活動程度相對南五島而言較低,相關研究也鮮見報道。然而,北五島各島面積大小不一,輪廓形狀各異,海島之間開發利用程度差別較大,人類活動具有明顯的空間分異性,使得北五島各島之間和海島內部景觀格局差異的驅動因子更加復雜,開展北五島景觀格局特征及其與生態系統服務功能的相互關系研究具有重要的意義和獨特的優勢。

(2)人為干擾指數的建立

北五島景觀分類得出的8種景觀類型中,僅有草地和裸地屬于海島自然景觀,其余的黑松林、刺槐林、建筑用地、交通用地、其他硬化地面和農田均屬于人工景觀。人工景觀對原生生態系統帶來干擾但影響程度不一,為了表征海島受到人為干擾的程度及其空間特征,本文提出了人為干擾指數(HII)指標,在該指標的計算中,不同人工景觀影響系數(IF)的確定十分關鍵。交通用地不但在施工過程中深刻改變海島地形地貌,破壞生物棲息地,在運營期還通過船舶、車輛排放污染物等方式對海島帶來持續的影響[9],其影響程度最高,影響系數取1;建筑用地和其他硬化地面的影響主要表現在施工期的改變海島地表形態、破壞植被,之后的影響相對較小[9],影響系數取0.8;農田開墾往往將自然界的植物群落改造成大面積種植特定的農作物,改變原生植物群落結構,影響生物多樣性[25],影響系數取0.4;人工林雖然能夠幫助維持海島生態系統穩定性,但實質上也是一種人為干擾,可能會對原生植物群落構成威脅[26-27],影響系數取0.2,進而計算北五島人為干擾程度及其空間分布特征。人為干擾指數考慮了不同人類活動的影響程度差異,同時具有計算簡便、數據可獲取性強以及普適性等優點,可為合理地開發利用海島提供重要參考。

(3)景觀格局生態效應指標的選擇

景觀格局演變的生態效應涉及大氣環境效應、水環境效應、生態系統服務效應、城市熱島效應等方面[1,28- 29]。對于海島生態系統而言,特別是本文研究的廟島群島北五島,人為影響下景觀格局變化帶來的污染物排放量總體較小,海島基本無地表徑流,因此引起的大氣和水環境效應較小;海島城鎮建設能夠造成地表溫度的空間差異[30],但北五島城鎮建設程度相對不高,熱島效應也有限。實際上,北五島景觀格局演變主要表現在自然景觀面積不斷萎縮且被割裂,人工景觀面積增大,景觀類型不斷增多,景觀格局空間分異性增強,進而對海島生態系統產生影響。海島NPP不僅能夠直接反映植被群落的生產能力,還是判定生態系統碳源/匯和調節生態過程的主要因子[31],而且對不同開發利用類型響應靈敏[18];海島植物多樣性在維持和調控生態系統物質循環、能量流動和穩定性等方面具有重要的基礎性作用[32- 33],同時也越來越受到人類活動的干擾[19];土壤作為海島生態系統的基底,不但為植物生長提供場所和養分,還在有機質還原、元素循環中發揮著關鍵作用[34],而景觀格局變化對土壤生態過程構成重要影響,不同景觀類型條件下的土壤含水量、營養元素往往存在顯著差異[35- 36]。因此,本文選擇海島NPP、植物多樣性和土壤性質3方面進行景觀格局的生態效應分析,能夠較為全面地反映景觀格局影響下海島生態系統的變化特征。

4.1.2 景觀格局空間特征成因

從景觀尺度來看,植被景觀(針葉林、闊葉林和草地)構成了北五島的景觀基質,其規模較大且分布廣泛,闊葉林多分布在坡腳,往往連片分布,連通性較好,斑塊密度較小;針葉林多在背坡、坡肩、坡頂等區域,地形較為復雜,既存在連片分布的情況,又有較多的小斑塊分布于其他植被景觀中,使得斑塊密度較高;草地景觀在北五島整個區域分布廣泛,有的與針葉林、闊葉林毗鄰,有的在建筑用地中零星分布,從而擁有著最高的斑塊密度。另外,植被生長受到復雜地形影響[37],使得斑塊輪廓較為曲折,同時各種植被景觀往往彼此相連,邊界綿長且復雜,使得各類植被景觀的邊緣密度和平均形狀指數均較大。建筑用地規模僅次于植被景觀,集中分布在海拔較低、坡度較小的區域,在其他區域呈零星分布狀態[19],斑塊密度較高,其斑塊形狀規整,邊界平直,平均形狀指數處于最小值。道路用地是交通用地的主要組成部分,其景觀特征細長,曲折蜿蜒地在海島上分布,從而擁有最大的平均形狀指數,但其規模有限,且連通性較好,因而斑塊密度較低。裸地一部分為裸巖,主要分布于海島四周,一部分位于海島內部以裸土地的形式存在,裸巖斑塊形狀細長,邊界較為平直,裸土地單個斑塊面積小,形狀不規則,呈分散分布狀態,使得裸地各景觀指標總體上處于中間位置。其他硬化地面和農田面積均較小,僅在砣磯島和大欽島有分布,斑塊面積較小且形狀規整,二者各項景觀格局指標均偏低。

從海島尺度來看,海島景觀格局一方面受到海島自然特征的制約,另一方面,社會經濟條件的差異也是重要的驅動因子。分析各島景觀格局與自然和人文因子的關系,選取海島面積(Area)、輪廓復雜度(ISI)、人口、生產總值(GDP)共4項因子(圖7),其中輪廓復雜度用海島平均形狀指數(Island Shape Index, ISI)表示,其計算方法為：ISI=Length/[2×(π×Area)0.5],海島形狀為圓形時,ISI為1,形狀越來越復雜和不規則,ISI逐漸增大[38]。海島面積、人口和GDP與景觀格局指數的關系表現出了相同的特征,隨著海島面積、人口和GDP的增加,斑塊密度和人為干擾指數均明顯增大,其他指數變化特征不明顯;海島輪廓復雜度與各景觀格局指數均未見明顯關系。經相關分析可得,海島面積、人口和GDP三者之間兩兩呈顯著正相關。可以發現,海島面積的增大一方面使得可容納的景觀類型和斑塊數量增多,另一方面也帶來了海島人口和GDP的顯著增加;人口和GDP作為衡量海島社會經濟狀況的基本指標,直接帶來人工景觀的增多以及自然景觀的縮減和變化。

圖7 各島景觀格局指數與影響因子的關系Fig.7 Relationship between landscape pattern indices and impact factors in different islands

從區塊尺度來看,景觀格局可能受到地形的制約。地形因子與光照、溫度、水分等生態條件有密切的關系,體現了對生境條件的綜合性指示能力[39],同時能夠對人類活動構成制約,影響景觀格局的形成與變化[40]。提取各區塊的平均海拔和坡度,并與景觀格局指數進行相關分析,結果顯示斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數與海拔呈顯著正相關,與坡度無顯著相關性,人為干擾指數與海拔和坡度均呈顯著負相關(表6)。結合上述分析,海拔較低、坡度較小的區域往往連片分布著建筑用地,其生態系統影響系數較高,海拔較高、坡度較大的位置多分布著天然草地、裸地以及影響系數較小的人工林,使得人為干擾指數與海拔和坡度呈負相關;海拔較高的區域除了植被景觀外,還分散分布著諸多建筑用地、交通用地和其他硬化地面小斑塊,加之植被景觀本身斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數較高,使得這海拔與這3個景觀格局指標呈顯著正相關;較大的坡度對人類開發行為構成限制,且隨著坡度的增大,裸地逐漸增多,而裸地的各項景觀指標均適中,使得坡度與各指標的相關性不顯著。不同景觀格局指數之間也表現出了明顯的相關性,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數三者之間兩兩呈顯著正相關,人為干擾指數與斑塊密度和邊緣密度呈顯著正相關,與平均形狀指數未見顯著相關性,這是由于人類活動直接帶來了斑塊數量和邊緣長度的增加,因為構建了形狀復雜的人工林和形狀規整的建筑用地、交通用地,使得其與平均形狀指數相關性不顯著。可以發現,地形對海島景觀格局特征構成了明顯的影響。

表6 區塊尺度景觀格局指數與地形因子相關分析結果

綜上,海島面積是北五島景觀格局的基本因子,面積大小直接決定了其能夠承載的人口和經濟規模;地形是景觀格局的重要限制因子,地形能夠對人類活動和植被空間分布進行限制;人類活動是景觀格局變化的主要驅動因子,使得不同景觀類型具有鮮明的格局特征,不同海島和不同區塊的景觀格局具有明顯的空間異質性。

4.1.3 景觀格局生態效應探析

就景觀尺度而言,針葉林的NPP、多樣性和土壤水肥均處于較高位置,闊葉林除了多樣性偏低外,其余指標也均較高,這說明人工林在固碳、提升土壤質量方面發揮著重要作用,這與王曉麗等[41]和馬志敏等[36]的研究結果相一致;現場調查發現,北五島闊葉林下草本植物多為單一優勢種如中華隱子草、披針葉苔草等,蓋度較高,生物量豐富,但多樣性較低;針葉林下草本植物生物量相對較小,但種類豐富多樣,多樣性指數較高[19]。草地的多樣性和土壤水肥指標值也較高,這一方面說明海島原生植物群落擁有較為豐富的多樣性,另一方面也表明了草地在保水保肥方面具有一定優勢,這與高君亮等[42]的研究結果相一致,但由于個體特征,草地NPP處于中間位置。農田作為人工干預較強的植被景觀,其物種單一,且北五島農田開墾總量較小,基本無農田土壤增肥措施,使得農田生物多樣性和土壤指標均偏低,這與尤民生等[25]與李東等[43]的研究結果相呼應。解譯精度和海島實際情況使得非植被景觀中混有部分植被,因此裸地、建筑用地、交通用地和其他硬化地面也具有一定的生態效應指標值,但總體處于較低位置。可以發現,人工林景觀總體上帶來了正向的生態效應,這表明海島人工林種植取得了明顯的成效,也說明了黑松和刺槐是海島人工林種植的理想樹種[18]。同時,城鄉建設、農田開墾、道路建造等人類活動不可避免地會對海島生態系統構成威脅,控制開發利用規模、優化建設布局與改進建造方式是減少其負面影響的重要措施。

就海島尺度而言,景觀格局指數與生態效應指標明顯的相關關系僅見于Pielou指數與邊緣密度、土壤肥力與邊緣密度,其他的相互關系均不顯著,海島尺度上生態效應指標對景觀格局的響應較不靈敏,這與海島面積差異以及各島生態系統特殊狀況有關。地表覆蓋類型及植被生長狀況是海島NPP最主要的影響因子[18],各島的植被景觀占比總體上差異不大,而代表植被生長狀況的NDVI值卻表現出了顯著的差異,砣磯島和北隍城島較高,小欽島居中,大欽島和南隍城島則明顯偏低。結合現場調查可知,砣磯島和北隍城島植被景觀連片分布特征更加明顯,景觀內部區域受到干擾較小,植被較為茂密,長勢良好;大欽島人為干擾最為強烈,尤其是海帶曬場的建造對植被的規模和質量均造成了威脅,南隍城島的牛羊放牧也對植被生長帶來壓力。經分析各島的NPP平均密度與NDVI表現出了明顯的相關性(R2=0.70),這表明各島的NPP更多地受到植被生長狀況的影響,使得其與景觀格局的關系不顯著。多樣性指標在南隍城島相對較高,而在北隍城島最低,這可能是由于南隍城島對外和內部的交通更為頻繁,帶來了物種多樣性的增加,而北隍城島作為廟島群島最北端的海島,交通不甚發達,同時其裸地面積過大,造成海島整體多樣性水平較低。土壤含水量在小欽島遠低于其余四島,可能由于小欽島面積最小,匯水蓄水能力差;土壤養分在北隍城島最高,在南隍城島則最低,這可能與海島植被生長狀況有關。

就區塊尺度而言,NPP平均密度與各景觀格局指數的簡單相關指數具有顯著性,但以植被景觀為控制變量的偏相關性明顯減弱。植被景觀往往擁有較高的NPP平均密度,建筑用地、交通用地、裸地和其他硬化地面則相反,植被景觀總體上斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數較高,人為干擾指數較低,再加上該尺度的評價單元具相同的面積,且忽略了不同海島的差異,使得區塊尺度上NPP與景觀格局指數表現出明顯的簡單相關性;偏相關性的不顯著說明了NPP平均密度對于景觀格局破碎度、邊緣效應和形狀復雜性的響應不靈敏。多樣性指標中,Shannon-Wiener指數與斑塊密度和邊緣密度呈顯著負相關,且偏相關性比簡單相關性更強,景觀破碎化對生物多樣性的威脅已經得到諸多學者的研究證實[3,44- 45],邊緣效應同樣是生物多樣性的重要影響因素[46- 47],北五島植物多樣性除了受到景觀類型的影響之外,景觀格局的破碎度和邊緣效應產生了更加重要的作用。Pielou指數與景觀格局指數的簡單相關分析和偏相關分析結果均不顯著,表明了景觀格局破碎度、邊緣效應和形狀復雜性對群落物種的均勻度影響較小。土壤指標中,土壤含水量與景觀格局指數的關系與NPP指標表現出相同的特征,這是由于土壤含水量的空間分異主要受到景觀類型分布特征的影響[48],與景觀格局的破碎化、邊緣效應等關系不明顯;與之相反,土壤養分與景觀格局指數的簡單相關性不明顯,但剔除了植被景觀影響后表現出了顯著的負相關性,土壤養分的分布和遷移受到景觀鑲嵌格局的制約[48],景觀格局的破碎度和邊緣效應對北五島土壤養分帶來了明顯的影響。值得注意的是,人為干擾指數與生態效應指標的簡單相關性基本為顯著負相關,但偏相關性出現了正相關的情形。這可能是由于人為干擾指數本身就是由各類景觀類型規模經計算得出,以植被景觀為控制變量的偏相關分析的意義不明顯,而簡單相關分析結果能夠更準確地反映人類活動對海島生態系統的影響,人為干擾強度的增大相應地帶來了各項生態效應指標的降低。

格局和過程始終是生態學中極富挑戰性的課題[49],尺度也是景觀生態學研究中的重要因子[50],不同尺度的選擇對景觀格局分析結果及其生態效應具有重要影響[51-53]。本文的研究結果顯示不同尺度景觀格局的生態效應具有差別,能夠為全面揭示海島人類活動影響下自然生態系統的變化特征提供重要參考。在下一步的工作中,應當進一步開展不同尺度上海島生態系統特征及影響因子的研究。

4.2 結論

本文以廟島群島北五島為研究區,基于現場調查和3S技術,從景觀尺度、海島尺度和區塊尺度分析景觀格局空間特征,進而探討海島景觀格局與NPP、植物多樣性和土壤性質的關系。主要結論如下：

(1)北五島景觀尺度、海島尺度和區塊尺度的景觀格局均表現出了空間差異 在景觀尺度上,針葉林、闊葉林和草地3類植被景觀面積最大,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數總體較高,建筑用地也具有較大規模,其斑塊密度較高,平均形狀指數處于最低值,裸地也具有一定規模,其各項景觀格局指標處于中間位置,其他景觀類型面積相對較小。在海島尺度上,隨著海島面積、人口和GDP的增加,斑塊密度和人為干擾指數均明顯增大,其他指數變化特征不明顯;海島輪廓復雜度與各景觀格局指數均未見明顯關系。在區塊尺度上,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數與海拔呈顯著正相關,人為干擾指數與海拔和坡度均呈顯著負相關;不同景觀格局指數之間也表現出了明顯的相關性,斑塊密度、邊緣密度和平均形狀指數三者之間兩兩呈顯著正相關,人為干擾指數與斑塊密度和邊緣密度呈顯著正相關。

(2)海島面積是北五島景觀格局的基本因子 面積大小直接決定了其能夠承載的人口和經濟規模;地形是景觀格局的重要限制因子,地形能夠對人類活動和植被空間分布進行限制;人類活動是景觀格局變化的直接驅動因子,使得不同景觀類型具有鮮明的格局特征,不同海島和不同區塊的景觀格局具有明顯的空間異質性。

(3)海島景觀格局的生態效應與尺度密切相關 景觀尺度上,各項生態效應指標在不同景觀類型上均具有顯著差異,在針葉林、闊葉林、草地中相對較高;海島尺度上的生態效應指標對景觀格局的響應不甚靈敏;區塊尺度上,生態效應指標與景觀格局指數表現出了顯著的簡單相關性和偏相關性,但二者結果具有差異。NPP和土壤水分主要受到景觀類型和植被生長狀況的影響,多樣性和土壤養分同時受到景觀類型和景觀格局破碎度、邊緣效應的影響,人為干擾強度的增大帶來了各項生態效應指標的降低。控制建設規模、優化景觀布局與改進開發利用方式是維系海島生態系統穩定性的重要措施。

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Landscape pattern characteristics and ecological effects on five northern islands of Miaodao Archipelago

CHI Yuan, SHI Honghua*, WANG Enkang, GUO Zhen, FENG Aiping, MA Deming

TheFirstInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Qingdao266061,China

Landscape pattern is the outcome of comprehensive effects of natural and human factors on geographical space, and has a significant impact on the structure, function, and process of ecosystems. An archipelago is an aggregation of multiple neighboring islands, and there are significant differences in the basic features such as areas, shapes, and terrain conditions between and within the islands in an archipelago. Meanwhile, human activities, including urban and rural construction, plantations, and transportation, as well as the vulnerability of island ecosystems, are spatially heterogeneous on an archipelago, which make the landscape types more diversified, resulting in more differential landscape patterns and complex ecological effects. In this study, five northern islands of the Miaodao Archipelago were used as study areas, which are the typical islands in North China, located north of the Shandong Peninsula, at the juncture of the Yellow and Bohai Seas. The driving factors of landscape pattern here are highly complicated. Based on field investigations, 3S technology methods were adopted. Patch density (PD), edge density (ED), mean shape index (MSI), and human interference index (HII) were used as the landscape pattern indices. The landscape patterns were analyzed in landscape, island, and grid scales, respectively. Then, the relationships between landscape pattern and ecological effect indicators, including net primary productivity (NPP), plant diversity, and soil properties, were examined. The results revealed that the landscape patterns showed obvious spatial heterogeneity in different scales. In the landscape scale, coniferous forest, broad-leaf forest, and grassland constituted vegetation landscape, which occupied the largest proportion of island landscape, and their PD, ED, and MSI were generally higher. Construction land also had a larger area and its PD was higher but its MSI was minimal; the area of bare land was smaller than those of the above-mentioned types with median landscape indices; the areas of the other landscape types were < 100 hm2. In the island scale, both PD and HII increased with increases in island area, population, and GDP. In the grid scale, PD, ED, and MSI had significant positive relationships with altitude, whereas HII had significant negative relationships with altitude and slope. Different landscape pattern indices were also related to each other, and there were significant positive correlations among PD, ED, and MSI. HII had significant negative correlations with PD and ED. Island area, terrain, and human activities were the fundamental, limiting, and direct driving factors of the landscape patterns, respectively. The ecological effects of landscape pattern were closely related to the scale selected. In the landscape scale, all the ecological effect indicators showed significant differences in different landscape types. In the island scale, the responses of ecological effect indicators to landscape pattern were insensitive. In the grid scale, ecological effect indicators and landscape pattern indices had significant simple and partial correlations, yet the results of simple and partial correlations showed differences. NPP and soil moisture content were mainly influenced by landscape types and vegetation status. Biodiversity and soil fertility were influenced by landscape types, and the fragmentation and edge effect of landscape pattern. Increased intensity of human activity has led to a decrease in each ecological effect indicator. Construction scale control, optimization of landscape allocation, and improvement of utilization methods are important measures to maintain the stability of island ecosystems.

islands; landscape pattern; spatial characteristics; scale; ecological effects; five northern islands of Miaodao Archipelago

海洋公益性行業科研專項資助項目(201505012, 201305009);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目(2015G13)

2016- 04- 13;

2016- 08- 09

10.5846/stxb201604130672

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shihonghua@fio.org.cn

池源, 石洪華, 王恩康, 郭振,豐愛平, 麻德明.廟島群島北五島景觀格局特征及其生態效應.生態學報,2017,37(4):1270- 1285.

Chi Y, Shi H H, Wang E K, Guo Z, Feng A P, Ma D M.Landscape pattern characteristics and ecological effects on five northern islands of Miaodao Archipelago.Acta Ecologica Sinica,2017,37(4):1270- 1285.