基于Ripley′s K函數的綠洲景觀格局演變分析
——以張掖市甘州區為例

羅 君, 孫振亓, 張學斌

(1.甘肅農業大學 資源與環境學院, 蘭州 730070; 2.西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070; 3.中國科學院西北生態環境資源研究院 冰凍圈科學國家重點實驗室, 蘭州 730000; 4.中國科學院大學 資源與環境學院, 北京 100049)

對土地利用格局與生態過程及其尺度效應的研究是國內景觀生態學研究的特色重點領域，是景觀生態學研究的核心[1]。現有的土地利用景觀格局研究主要結合土地利用情況進行景觀生態風險評價[2-6]和基于土地利用數據的景觀格局變化[7-13]及其驅動力分析上[14-18]，研究方法以對土地利用狀況的統計分析與單一尺度下各類景觀格局指數結合為主。景觀生態學迅速發展初期，人們利用景觀格局指數將復雜的自然現象用數值簡單化，極大增強了人類認識自然的能力。然而目前絕大部分景觀指數來源于數理統計和幾何特征與空間關系的數學表達，指數本身并沒有生態學意義。同時對于景觀格局的研究，選擇適宜的研究尺度，對景觀格局的分析和過程的研究才有意義。通過多尺度景觀格局分析，可構建一個景觀格局隨尺度變化的特征曲線，從而將特征曲線與相應生態過程對應[19]。多距離空間聚類分析是一種能夠在不同空間尺度下對景觀格局進行分析的空間點格局分析法。通過該方法可獲得空間特征尺度和強度兩個指數，可較好反映景觀類型的空間聚集程度，并具有簡單高效等優點[20]。目前國內對張掖市甘州區景觀格局進行研究的案例較少，尚無應用多距離空間聚類分析方法研究張掖市甘州區景觀格局的案例。本研究借助GIS技術，應用多距離空間聚類分析方法從多個空間尺度上對張掖市甘州區人工綠洲區域的景觀格局進行分析，結合空間自相關分析方法，研究其1987—2016年景觀格局的聚集特征及其變化，以期為張掖市甘州區的可持續發展及景觀規劃提供科學依據。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

張掖市甘州區位于河西走廊中部，南依祁連山，北鄰龍首山與合黎山，地處東經100°6′—100°52′，北緯38°32′—39°24′，屬溫帶大陸性氣候。研究區以甘州區范圍內海拔低于1 600 m的河西走廊地勢平緩區為主，相比南北兩山區域，該區域屬綠洲區域，灌溉農業發達，人文景觀豐富，景觀變化較為頻繁，具有典型研究意義(圖1)。

圖1 甘州區位置及DEM

1.2 數據來源及預處理

土地利用數據通過對1987年、2000年、2011年、2016年張掖市甘州區的遙感影像數據解譯得到，遙感數據來源于美國USGS 網站(http:∥glovis.usgs/Imgviewer)，張掖市DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，為排除甘州區南北兩山區域景觀數據對研究結果的影響，使用ArcGIS 10.2軟件對各年份土地利用數據大致沿海拔1 600 m等高線進行裁剪，保留各年份的人工綠洲區域作為研究對象(圖2)。

圖2 甘州區土地利用數據

2 研究方法

2.1 空間自相關

景觀格局的最大特征就是空間自相關性。美國地理學家Tobler[21]在1969年提出：任何事物之間都存在相關性，鄰近事物之間相關性更強。空間自相關分析可檢驗某類地物的某一屬性是否與相鄰空間上該類地物的該屬性相關，以及相關性強弱。應用ArcGIS 10.2軟件中的數據管理工具將張掖市甘州區綠洲區域土地利用數據中的面要素圖斑按用地類型提取后分別轉換為點要素，然后在空間統計工具箱中利用空間自相關(Moran′sI)分析工具進行不同年份的空間自相關分析。

2.2 Ripley′s K函數分析

Ripley′s K函數分析把局部景觀視為空間內的一個點，繪制點位置分布圖，以點圖為基礎分析景觀空間分布格局，是點格局分析的最常用方法。設n是研究區內景觀點個數，A是研究區面積，Ripley′s K函數被定義為：

(1)

式中：n為景觀點個數；d為距離尺度；dij是景觀點i與j之間的距離；A為研究區面積。Besag[22]提出用L(d)取代K(d)，并對K(d)作開平方的線性變換，以保持方差穩定。在隨機分布的假設下L(d)期望值為0，L(d)為：

(2)

在ArcGIS 10.2軟件空間統計工具箱中利用多距離空間聚類分析(Ripley′s K函數)工具對各年份各景觀類型的點位置圖進行Ripley′s K函數分析及顯著性檢驗。設置起始距離與距離步長均取值3 km，計算30次；Ripley′s K指數偏離隨機性的顯著性檢驗采用蒙特卡洛模擬法，置信度設置為99%；邊界校正設置為simulate outer boundary values。

將計算得到的.dbf格式計算結果導入Excel軟件，生成距離值d值、觀測值L(d)值、上包跡線、下包跡線和d值與L(d)值差值DiffK的關系圖。若L(d)值大于上包跡線，則該景觀類型顯著聚集分布；若L(d)值小于下包跡線，則該景觀類型顯著均勻分布；若L(d)值位于上下包跡線之間，則該景觀類型顯著隨機分布。當L(d)值大于d值，且兩條曲線相距越遠即DiffK值越大時，則該景觀類型空間分布聚集程度越強；當L(d)值小于d值，且兩條曲線相距越遠即DiffK值越小時，則該景觀類型空間分布離散程度越強。

3 結果與分析

3.1 空間自相關

對甘州區綠洲區域景觀分布在空間上的平均關聯程度和顯著性進行探測，結果見表1。

表1 空間自相關計算結果

在置信度99%水平下，各年份Moran′sI指數均大于0，表明1987—2016年，研究區域景觀要素之間存在空間正相關性，但其值較小，最大值不超過0.2，表明正相關性不強。Moran′sI指數逐年降低，其中2011—2016年降低速度較快，2016年的Moran′sI指數明顯低于其他年份，其值為0.066 681，趨近于0，表明不同景觀要素的空間異質性增強，景觀格局正在向隨機化發展，2011年后景觀隨機化分布速度明顯加快。

3.2 多距離空間聚類分析

3.2.1 甘州區綠洲區域景觀格局特征 在研究區域，耕地所占面積比例最大，連通性最好，是甘州區綠洲區域的景觀基質；林地和建設用地以斑塊形式鑲嵌其中，水域以廊道形式貫穿綠洲區域中部，草地和未利用地集中分布在綠洲南北側山區，空間上形成山前的未利用地景觀特征，綠洲區的耕地景觀特征。水域、林地所占比例最小，是綠洲農業和生態環境建設的限制性因素。如圖3所示，1987—2016年，研究區耕地、建設用地和林地面積比例逐漸增大，水域、草地和未利用地面積比例不斷減小。草地和建設用地在較大尺度下呈現聚集的空間格局；林地、未利用地和耕地在小尺度下呈現出聚集的空間格局；水域在1987年和2000年在小尺度下呈現出聚集的空間格局，在2011年和2016年在較大尺度下也能夠呈現出聚集的空間格局。隨著空間尺度不斷增大，各用地類型的空間格局均轉為隨機性分布。水域、建設用地和草地的空間聚集程度比未利用地、林地和耕地更強。

3.2.2 甘州區綠洲景觀格局演變特征 隨著空間尺度d值的逐漸增加，某類景觀對應的空間尺度L(d)值出現的第一個峰值相應的d值可表示其空間聚集的特征，其L(d)值的峰值可表示該景觀類型的空間分布聚集程度[23]。

從圖4可以看出，各年份研究區林地的特征空間尺度均為3 km；1987年、2000年、2011年和2016年，林地在12，21，18，39 km內的微分值均大于0，表明在1～12，1～21，1～18，1～39 km的空間尺度上，林地表現為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始呈現為隨機分布特征。將研究尺度統一在24 km范圍來看，1987—2011年均不同程度存在分散化趨勢，但2016年24 km范圍內的微分值均大于0，表明林地的空間集聚強度不斷降低，聚集分布的空間尺度呈現出增加趨勢，說明研究區域林地分布范圍增大，空間聚集分布的特征逐漸減弱，隨機分布特征逐漸增強。

圖3 土地利用變化情況

圖4 林地空間分布特征

從圖5可以看出，水域的特征空間尺度在1987年、2000年和2016年均在9 km處，而2011年在12 km處，同時聚集程度明顯高于其他年份；1987年和2000年在1～27 km的空間尺度上，2011年在1～48 km，2016年在1～54 km的空間尺度上，水域表現為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現出隨機分布特征。水域的空間聚集程度先增強后減弱，聚集分布的空間尺度增大，說明水域的空間分布隨著水域面積的減小聚集性不斷增強。其主要原因由于水是綠洲社會經濟發展的限制性因素，張掖市對黑河流域的開發利用，呈現出各縣區在黑河流域不同斷面上分水取水，流域總體用水量增加，部分小水域、水庫水量無充足水源而斷流，形成分水取水處等小范圍集中趨勢明顯。

從圖6可以看出，未利用地的特征空間尺度在1987年和2016年為3 km，2000年和2011年為6 km；1987年在1～12 km，2000年在1～15 km，2011年在1～24 km，2016年在1～21 km的空間尺度上，未利用地呈聚集分布特征，聚集程度總體增加。隨著空間尺度的增加，開始表現出隨機分布特征。結合甘州區土地利用總體情況看，耕地和建設用地面積不斷增加，未利用地面積不斷減小，表明綠洲范圍不斷擴張，未利用地為綠洲擴張提供了必要的土地資源。

從圖7可以看出，草地的特征空間尺度在1987年為9 km，在2000年和2011年為6 km，2016年為15 km；1987年和2011年在1～54 km，2000年在1～51 km，2016年在1～48 km的空間尺度上，草地表現為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現出隨機分布特征；1987—2016年，草地聚集程度總體增加。

圖5 水域空間分布特征

圖6 未利用地空間分布特征

從圖8可以看出，耕地的特征空間尺度在1987年、2000年和2016年均為3 km，2011年為6 km；1987年在1～21 km，2000年在1～15 km，2011年在1～15 km，2016年在1～12 km的空間尺度上，耕地表現為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，開始表現出隨機分布特征；耕地聚集程度在1987—2000年呈現出減弱狀況，在2000—2011年又出現大幅增長情況，而在2016年，耕地聚集程度又出現回落趨勢。由于耕地是綠洲景觀的基質，建設用地呈鑲嵌狀分布在綠洲中，城鄉建設用地的擴張對耕地的占用使得耕地景觀在空間上呈現出破碎化特征，加之近年來甘州區積極推進高標準基本農田建設和土地整治工程建設，使耕地的集聚程度不斷增加，兩因素抑制抵消，呈現出耕地集聚特征的波動現象。

從圖9可以看出，建設用地的特征空間尺度各年份均在9 km處，空間尺度在1～63 km時，表現為聚集分布特征，隨著空間尺度的增加，建設用地開始表現出隨機分布特征。1987—2016年，建設用地的空間聚集程度逐漸降低，所占比例逐漸增大，這很好地體現了張掖市甘州區近30 a來的城鎮化進程。

圖7 草地空間分布特征

圖8 耕地空間分布特征

4 討論與結論

4.1 討 論

張掖市地處我國西北內陸的黑河流域中游地區，降水量低(年均降水量108.6 mm)，而且地表徑流的絕大多數水量來源于降水量(96%)，生態環境形勢嚴峻，生態較為脆弱[24]。隨著近年來河西地區人口增加和當地居民活動加劇，張掖市甘州區綠洲區域的耕地和建設用地所占比例不斷增加，大量未利用地和草地被占用開發為耕地和建設用地(圖4)。林地在從原有地塊向周圍擴展的過程中，其分布范圍擴大，空間聚集性隨之減弱。當地居民不斷加劇的各種活動在很大程度上增加了研究區水資源消耗量，而研究區深居歐亞大陸內部，難以得到外界水資源補給，這使得區域水資源總量逐漸減少，故水域面積在研究區內所占比例不斷下降，水域的空間聚集性增加。不斷擴張的耕地和建設用地將會增加本區域耗水量，影響本區域景觀多樣性，進而威脅到黑河流域內160余萬人口的生存。控制耕地開墾規模、提高土地利用率，盡可能遏制生態環境退化勢在必行。

圖9 建設用地空間分布特征

原本連通的大片未利用地被擴張的耕地切割為數個團塊，使其分布范圍縮小，故未利用地的空間聚集性在上下波動中呈現出逐漸增強的趨勢。被占用的草地多被開發為耕地，同時靠近北山的草地也在逐步向北延伸，但其延伸速度遠低于被開發為耕地速度，因此草地聚集程度總體增加。耕地在研究區域內所占比例最高，連通性最好，1987—2000年，城鎮擴展具有沿其邊界向外依次推進擴展的特點，一些處于連片耕地周圍的零散耕地塊被直接吞噬，這使其分布趨于均勻；2000年后，在一些遠離原連片耕地的未利用地腹地區域開始出現一些小面積的、相距較近的耕地小斑塊分布，同時甘州城區開始加速外擴、城區周圍一些破碎建設用地也有一定擴張，占用了一些耕地，這使得耕地的空間聚集性轉而增強；2011年后，隨著原連片耕地的進一步外擴，2000年后開發的耕地小斑塊被中部連片耕地吞噬，形成整片耕地，因此耕地的空間聚集性又開始減小。隨著城鎮化的進行，城鄉建設用地面積和斑塊數不斷增加，空間分布變得更為隨機，這使得建設用地的集聚程度逐步降低。

4.2 結 論

(1) 1987—2016年，張掖市甘州區綠洲區域耕地、建設用地和林地面積呈現逐漸增大趨勢，水域、草地和未利用地面積呈現逐漸減少趨勢，水域和建設用地的空間集聚性比草地、未利用地、林地和耕地更強。

(2) 張掖市甘州區綠洲區域景觀要素在1987—2016年，均表現出一定的聚集特征，具有較低程度的空間正相關，且相關性逐年減弱，這說明研究區域景觀格局正在向隨機化發展，在2011年后景觀隨機化分布速度明顯加快，景觀空間異質性增強。

(3) 張掖市甘州區綠洲區域草地和建設用地在較大尺度下呈現聚集的空間格局；林地、未利用地和耕地在小尺度下呈現出聚集的空間格局；水域在1987年和2000年在小尺度下呈現出聚集的空間格局，在2011年和2016年在較大尺度下也能夠呈現出聚集的空間格局。隨著研究尺度的增大，各用地類型的空間格局均轉為隨機分布。

(4) 張掖市甘州區綠洲區域大部分自然景觀(草地、水域、未利用地)的空間聚集性在1987—2016年均有不同程度的增強，其面積在研究區域內所占比例不斷下降，而人工景觀(耕地、建設用地)的面積所占比例不斷上升，尤其是2000年之后人工景觀面積擴張速度大大加快，這表明研究區域景觀類型趨向單一，人為活動對景觀格局變化造成了顯著影響。