生態(tài)移民安置區(qū)綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)格局的尺度效應(yīng)
——以寧夏紅寺堡為例

(湖北省襄陽(yáng)市南漳縣長(zhǎng)坪鎮(zhèn)政府 湖北 襄陽(yáng) 441053)

隨著城市化的迅速發(fā)展，城市下墊面性質(zhì)也在不斷變化，區(qū)域內(nèi)部的大型景觀斑塊不斷被侵蝕，景觀破碎化不斷加劇[1]。景觀破碎化致使生境斑塊日益破碎化，景觀連通性不斷降低，城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能削弱[2-3]。作為支持自然生命系統(tǒng)的綠色基礎(chǔ)設(shè)施(Green infrastructure，GI)，既為保護(hù)生物多樣性、維護(hù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等提供重要的空間載體與保障，也在不斷維護(hù)城市生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[4-6]。2001年以來(lái)，國(guó)家對(duì)居住在生存環(huán)境惡劣、“一方水土養(yǎng)不起一方人”地區(qū)的貧困人口組織實(shí)施了易地扶貧搬遷[16-18]，累計(jì)搬遷680萬(wàn)余人。本文以紅寺堡為研究區(qū)，基于Arc GIS10.0、ENVI5.0、Guidos等軟件平臺(tái)，采用MSPA和景觀連通性分析方法，對(duì)2015年GI時(shí)空格局和景觀連通性水平進(jìn)行了定量分析與評(píng)價(jià)。研究結(jié)果可為紅寺堡GI網(wǎng)絡(luò)格局優(yōu)化提供重要的參考和依據(jù)，對(duì)其他生態(tài)移民安置區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)格局的規(guī)劃與建設(shè)也具有一定的借鑒意義。

一、研究區(qū)概況

紅寺堡位于寧夏中部干旱帶，地處105°43′～106°42′E,37°28′～37°37′N(xiāo)之間(圖1)，縣域面積共2767平方公里，總?cè)丝?79390人，回族人口占總?cè)丝诘?2%以上。地勢(shì)南高北低，屬于溫帶大陸性氣候，氣候干旱少雨，晝夜溫差大。1999年開(kāi)始建設(shè)，2009年設(shè)立吳忠市轄區(qū)。是在“八七”和寧夏“雙百”扶貧攻堅(jiān)計(jì)劃，建設(shè)的國(guó)家最大的易地生態(tài)移民扶貧開(kāi)發(fā)區(qū)，截止2015年，異地搬遷安置寧南山區(qū)8縣移民23萬(wàn)人。

二、研究方法

(一)數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

以紅寺堡2015年TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，遙感影像來(lái)自于USGS(美國(guó)地質(zhì)勘探局)下載的分辨率為30m×30m的Landsat數(shù)據(jù)。在ENVI5.0軟件中對(duì)遙感影像進(jìn)行配準(zhǔn)和幾何校正，使遙感影像與基圖像幾何形狀相匹配，采取將目視解譯與監(jiān)督分類(lèi)中的最大似然法相結(jié)合的解譯方法，結(jié)合土地利用調(diào)查資料進(jìn)行解譯。對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行野外精度驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行隨機(jī)選點(diǎn)和GPS點(diǎn)屬性校驗(yàn)，使土地利用類(lèi)型解譯結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。本研究的分類(lèi)方法是結(jié)合土地利用分類(lèi)參考《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T21010—2007)和全國(guó)遙感監(jiān)測(cè)土地利用/覆蓋分類(lèi)體系以及生態(tài)移民安置區(qū)的特點(diǎn)，將紅寺堡生態(tài)移民安置區(qū)分為耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、未利用地和沙地7種景觀類(lèi)型。

(二)基于MSPA方法的景觀分類(lèi)及特征

首先，基于研究區(qū)的土地利用類(lèi)型圖，提取出林地、草地、水體作為研究區(qū)的GI要素并將其作為前景，其他用地類(lèi)型作為背景。然后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為30m×30m的TIFF格式二值柵格數(shù)據(jù)文件。最后，基于Guidos軟件，采用八鄰域和30m邊緣寬度進(jìn)行MSPA分析，得到互不重疊的7類(lèi)景觀(表1)，并對(duì)GI時(shí)空格局變化進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。

表1 MSPA的景觀類(lèi)型及其生態(tài)學(xué)含義

(三)紅寺堡GI網(wǎng)絡(luò)格局的粒度效應(yīng)與邊緣效應(yīng)分析

首先，基于研究區(qū)的土地利用現(xiàn)狀圖，將GI作為前景，其他用地類(lèi)型作為背景，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為T(mén)IFF格式的二值柵格數(shù)據(jù)文件。然后，基于Guidos Toolbox軟件，采用八鄰域分析方法，邊緣寬度(edge width)參數(shù)設(shè)置為4，對(duì)應(yīng)的物理距離為120m，粒度大小分別設(shè)為30、60、120m，進(jìn)行MSPA分析，并將得到的7類(lèi)景觀類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而分析粒度效應(yīng)對(duì)研究區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響。再次，采用同樣的方法，使用粒度為30 m的柵格數(shù)據(jù)，邊緣寬度參數(shù)分別設(shè)置為1、2、4，對(duì)應(yīng)的物理距離分別為30、60、120 m，分析邊緣效應(yīng)對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響。最后，為了表征邊緣寬度的變化對(duì)大、中、小型斑塊及其網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的影響，將核心區(qū)按照面積大小劃分為3類(lèi)，并分別統(tǒng)計(jì)了3類(lèi)核心區(qū)及其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的數(shù)量變化特征。需要說(shuō)明的是，這里的邊緣寬度指MSPA分析時(shí)定義的非核心區(qū)類(lèi)型的寬度和厚度(以像素為單位)，真實(shí)的距離對(duì)應(yīng)邊緣像素的數(shù)量乘以數(shù)據(jù)的像素精度；“邊緣效應(yīng)”指圖形分析時(shí)人為改變邊緣寬度導(dǎo)致的分析結(jié)果的變化，不同于生態(tài)學(xué)意義上景觀邊界兩側(cè)或生態(tài)交錯(cuò)帶生態(tài)系統(tǒng)在生物量、物種組成、理化參數(shù)等方面對(duì)邊界的響應(yīng)。

三、結(jié)果與分析

(一)粒度對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)格局的影響

在粒度分別為30、60、120 m時(shí)，研究區(qū)2015年的GI總面積依次為218230、218202、218213hm2，GI總面積隨著尺度的變化有所減小。由表2可以看出：隨著粒度增加，橋接區(qū)為研究區(qū)的主要景觀類(lèi)型，約占GI總面積的48%，其次是核心區(qū)、邊緣區(qū)和孤島區(qū)；隨著粒度增加，橋接區(qū)的面積先減小后增加，核心區(qū)的面積在不斷減小，邊緣區(qū)和孤島區(qū)的面積都在不斷增加，孔隙和環(huán)道區(qū)的面積都是先較小后增加，分支的面積是先增加后減小；核心區(qū)的數(shù)量是在不斷減少，邊緣區(qū)、橋接區(qū)和分支的數(shù)量都在不斷增加，孤島區(qū)和環(huán)道區(qū)的數(shù)量先減少后增加，孔隙的數(shù)量先增加后減少。一般情況下核心區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诵膮^(qū)的概率較高(轉(zhuǎn)變概率>0.5)，但是核心區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠窟吔缫灿锌赡?0.1～0.5)，還有可能以較低的概率轉(zhuǎn)變成分支、橋接區(qū)、孔隙或非GI要素(轉(zhuǎn)變概率<0.1)，這主要在于非核心區(qū)類(lèi)型要素寬度的增加或是狹長(zhǎng)形的小面積的GI要素的減少.隨著粒度的增加，核心區(qū)面積的減少(像素由30 m增加到60 m時(shí))對(duì)應(yīng)著孔隙、邊緣、分支面積增加，而對(duì)于小面積的核心斑塊粒度的增加很可能導(dǎo)致其轉(zhuǎn)變成孤島類(lèi)型或是完全被移除.由于非核心區(qū)MSPA類(lèi)型要素寬度增加，邊緣區(qū)最有可能轉(zhuǎn)變成橋接區(qū)、分支，或是孤島類(lèi)(粒度P足夠大).孔隙、橋接區(qū)、分支、孤島很可能轉(zhuǎn)變成非GI要素(狹長(zhǎng)形的小面積的GI消失)，而橋接區(qū)、分支、孤島轉(zhuǎn)變成其他MSPA類(lèi)型的可能性相對(duì)較低.總之，隨著粒度增加，MSPA類(lèi)型不穩(wěn)定，處于動(dòng)態(tài)變化(圖2)。

表2粒度30、60、120 m時(shí)MSPA各景觀類(lèi)型比重及數(shù)量變化(邊緣寬度120 m)

Table2ChangesofpercentageandnumberofMSPAlandscapetypesat30，60and120mpixelscales(edgewidth，120m)

景觀類(lèi)型像素30m像素60m像素120m占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量核心區(qū)21.697221.657121.1868孤島7.383357.643198.04330空隙0.3540.2960.343邊緣8.741908.811968.91205環(huán)道區(qū)7.32397.15317.2732橋接區(qū)48.833048.513148.9734分支5.693605.933655.28371合計(jì)100100100

(二)邊緣效應(yīng)對(duì)GI網(wǎng)絡(luò)景觀結(jié)構(gòu)的影響

表3邊緣寬度30、60、120m時(shí)MSPA各景觀類(lèi)型比重及其數(shù)量變化(粒度30 m)

Table3ChangesofpercentageandnumberofMSPAlandscapetypesat30，60and120medgewidthscales(pixelsize，30m)

景觀類(lèi)型邊緣寬度30m邊緣寬度60m邊緣寬度120m占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量占GI總面積的百分比數(shù)量核心區(qū)62.623540.8915521.6972孤島2.93074.673227.38335孔隙3.351302.61780.354邊緣18.8172815.525088.74190環(huán)道區(qū)2.632566.08857.3239橋接區(qū)4.8624423.3110648.8330分支4.869706.926835.69360合計(jì)100100100

由表3可見(jiàn)，在邊緣寬度為30m時(shí)，核心區(qū)為主要景觀類(lèi)型，面積占研究區(qū)GI總面積的62.6%，其次為邊緣區(qū)、橋接區(qū)和分支，邊緣寬度為60m的時(shí)，主要景觀類(lèi)型也是核心區(qū)，面積占研究區(qū)GI總面積的40.89%，其次是橋接區(qū)和邊緣區(qū)，邊緣寬度為120m時(shí)橋接區(qū)為主要景觀類(lèi)型，面積占研究區(qū)GI總面積的48.83%，其次是核心區(qū)、邊緣和孤島；核心區(qū)、孔隙、邊緣區(qū)面積都在減小，孤島、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)面積都在增加，分支區(qū)面積先增加后減小；在景觀類(lèi)型的數(shù)量方面只有孤島區(qū)在逐漸增加，其余景觀類(lèi)型的數(shù)量都在逐漸減小。這主要是因?yàn)檫吘墝挾鹊脑黾樱购诵膮^(qū)面積的最小尺寸增大，同時(shí)導(dǎo)致非核心區(qū)類(lèi)型要素寬度增加，因此減少了被歸類(lèi)為核心區(qū)的像素?cái)?shù)量，導(dǎo)致核心區(qū)面積丟失，進(jìn)而引起其他MSPA景觀類(lèi)型增加，且增幅較大，如孤島、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)面積的增加(圖3)。邊緣寬度值越大，邊緣、孔隙類(lèi)越容易轉(zhuǎn)變成分支和橋接區(qū)，或是孤島和孔隙轉(zhuǎn)變成邊緣.當(dāng)邊緣寬度大于60 m時(shí)，橋接區(qū)和環(huán)道區(qū)增加的速度比邊緣寬度小于60 m時(shí)的增速緩慢，因?yàn)檫吘墝挾容^大時(shí)，橋接區(qū)和環(huán)道區(qū)很可能轉(zhuǎn)變成孤島類(lèi)。

表4 GI網(wǎng)絡(luò)的景觀類(lèi)型核心區(qū)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的變化(粒度30 m)

由表4可見(jiàn)，邊緣效應(yīng)對(duì)小、中、大面積的核心區(qū)數(shù)量也有非線性的影響，并且小面積的核心區(qū)受邊緣效應(yīng)的影響尤為明顯。粒度效應(yīng)和邊緣效應(yīng)都會(huì)對(duì)MSPA類(lèi)型產(chǎn)生影響，但是，與粒度變化相比，邊緣寬度增加使核心區(qū)、孤島類(lèi)、環(huán)道區(qū)、橋接區(qū)的變幅遠(yuǎn)大于粒度增加時(shí)的變化幅度。表明邊緣效應(yīng)對(duì)MSPA類(lèi)型的影響更大，而粒度效應(yīng)的影響則很微小。由邊緣效應(yīng)引起的MSPA類(lèi)型的比例變化與粒度效應(yīng)引起的類(lèi)似。但是，粒度增加會(huì)導(dǎo)致空間信息丟失，而邊緣寬度的增加，不會(huì)導(dǎo)致信息的丟失和景觀格局的改變。

四、討論

基于MSPA方法的GI網(wǎng)絡(luò)格局研究是景觀格局分析的一個(gè)新框架，本文采用形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)方法對(duì)生態(tài)移民安置區(qū)紅寺堡的綠色基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)格局尺度效應(yīng)進(jìn)行分析本文采用該方法，對(duì)研究區(qū)2015年GI網(wǎng)絡(luò)格局與連通性的粒度效應(yīng)、邊緣效應(yīng)和距離效應(yīng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：研究區(qū)GI網(wǎng)絡(luò)的MSPA類(lèi)型對(duì)尺度、粒度效應(yīng)是敏感的。相對(duì)于邊緣寬度的增加，粒度變化對(duì)景觀類(lèi)型的影響較小，對(duì)分析結(jié)果影響不大，而邊緣效應(yīng)的影響則比較明顯，且邊緣寬度增加對(duì)GI大中小面積的核心區(qū)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量有著非線性的影響。事實(shí)上，粒度增加，會(huì)導(dǎo)致空間信息丟失，而邊緣寬度的增加，不會(huì)導(dǎo)致信息丟失，因?yàn)槌叽鐓?shù)(size parameter)的變化沒(méi)有改變前景要素的組分和格局。不同的研究尺度、邊緣寬度可能會(huì)導(dǎo)致MSPA的分析結(jié)果不同，對(duì)于不同尺度、邊緣寬度的MSPA類(lèi)型變化的分析有助于我們選擇合適的粒度大小和邊緣寬度，并更好地理解GI的空間格局和與生態(tài)過(guò)程。

[1]陽(yáng)文銳,李鋒,何永.2003-2011年夏季北京城市熱景觀變化特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(15):4390-4399.

[2]蒙吉軍,王曉東,尤南山,朱利凱.黑河中游生態(tài)用地景觀連接性動(dòng)態(tài)變化及距離閾值[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2016,27(6):1715-1726.

[3]杜國(guó)明,潘濤,尹哲睿,董金瑋.水田化進(jìn)程中的富錦市耕地景觀格局演化規(guī)律[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2015,26(1):207-214.

[4]唐曉嵐,杜瑤.干旱區(qū)生態(tài)治理及綠色基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建—以新疆塔里木河下游為例[J].干旱區(qū)研究,2011,28(3):413-420.

[5]吳榛,王浩.揚(yáng)州市綠地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34(7):1976-1985.