天水市土地利用景觀格局的幅度效應(yīng)研究

張韌瓔,劉學錄

甘肅農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,蘭州 730070

0 前言

景觀生態(tài)學主要研究某一空間尺度范圍內(nèi)的景觀格局與生態(tài)過程[1]。景觀格局—過程研究是景觀生態(tài)學研究的主要模式,對于格局與過程關(guān)系的研究,就是研究其依賴尺度的特點,即尺度效應(yīng)。目前對景觀格局的研究主要是空間異質(zhì)性的研究[2]和景觀動態(tài)的研究[3-4],通常在區(qū)域景觀動態(tài)分析方面,多采用景觀指數(shù)分析景觀格局特征及空間異質(zhì)性。景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息[5],反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置等特征。土地利用景觀格局在空間上表現(xiàn)為不同土地利用類型斑塊的鑲嵌體,具有明顯的空間異質(zhì)性和尺度依賴性[6-7],進行景觀格局尺度效應(yīng)對研究土地利用格局與尺度間的關(guān)系有深遠影響。空間尺度一般分為幅度和粒度,幅度通常指研究所涉及的空間范圍(長度或面積)[8],研究區(qū)面積或長度決定了研究的空間幅度。粒度是最小可辨識的單元所代表的特征長度、面積或體積。在研究中改變幅度、改變粒度或幅度和粒度同時改變時,都會產(chǎn)生空間效應(yīng)。因此尺度的選擇尤為重要,尺度太大,往往會忽略細節(jié);尺度太小,忽略總體的變化規(guī)律。近年來,許多學者對粒度變化景觀格局分析的影響方面研究較多[9-18],對空間幅度變化研究相對較少。目前對景觀格局尺度效應(yīng)的研究,多采用梯度分析與景觀格局指數(shù)相結(jié)合的方法,即運用ArcGIS 對遙感數(shù)據(jù)解譯分析,用梯度分析法中緩沖帶法[19][20]獲得幅度樣帶,結(jié)合景觀格局指數(shù)或空間自相關(guān)性分析等對景觀格局空間變化規(guī)律進行分析研究,而采用梯度環(huán)與景觀格局指數(shù)相結(jié)合的方法對土地利用景觀格局進行研究較少。梯度環(huán)法在取樣方面有依據(jù)可循,避免了隨機取樣產(chǎn)生的誤差,全面的揭示空間變化的規(guī)律。本文從空間幅度角度出發(fā),以天水市為研究區(qū)域,運用梯度環(huán)與景觀格局指數(shù)相結(jié)合的方法,定量分析天水市土地利用景觀格局空間結(jié)構(gòu)變化。

1 研究區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天水市位于甘肅省東南部,介于東經(jīng)104°35′— 106°44′、北緯34°05′—35°10′之間,東西長197 km,南北寬122 km,土地總面積為1.42 萬hm2。天水市是甘肅省第二大城市,為中國歷史文化名城和全國優(yōu)秀旅游城市,現(xiàn)轄秦州區(qū)、麥積區(qū)、武山縣、甘谷縣、清水縣、秦安縣、張家川回族自治縣。天水市屬隴中黃土高原丘陵區(qū),地勢西部和東北高,東南相對較低,海拔在1000—2100 m 之間。屬溫帶大陸性和亞熱帶氣候類型,年均氣溫11.1 ,℃年均降水491.7 mm,年均日照2100 小時。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源自于天水市2 區(qū)5 縣2015年變更庫的矢量數(shù)據(jù)、天水市土地利用總體規(guī)劃等。運用ArcGIS10.2 對2015年天水市2 區(qū)5 縣土地利用矢量數(shù)據(jù)進行識別、拼接處理、重新分類,得到2015年天水市土地利用景觀類型矢量圖。基于ArcGIS10.2平臺下的Spatial Analysis 擴展模塊,將矢量格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格格式(TIFF 格式)的數(shù)據(jù),并運用景觀格局分析軟件Fragstats4.2 進行景觀格局指數(shù)的計算,完成景觀格局指數(shù)變化分析。

1.3 景觀要素的劃分

景觀要素的劃分是景觀格局分析的基礎(chǔ),為更好地反映土地利用景觀在空間上的變化。本文采用的景觀分類體系以土地利用狀況為主,參考國土資源部2017年頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017),將原有14 個土地利用類型簡化至7個景觀要素,即耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。

1.4 景觀格局指數(shù)的選擇

景觀指數(shù)通常能夠高度濃縮景觀格局信息,其特征可以在單一斑塊、斑塊類型和景觀3 個水平上進行分析。目前多從景觀水平和景觀類型水平選取指標來反映景觀格局的空間異質(zhì)性。本文結(jié)合天水市實際情況,從景觀類型水平和景觀水平兩個方面共選取了8 個景觀格局指標,分別為表征景觀面積和優(yōu)勢度的景觀斑塊面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、蔓延度(CONTAG)、Shannon 多樣性指數(shù)(SHDI)、Shannon 均勻度指數(shù)(SHEI),表征景觀破碎化程度的斑塊密度指數(shù)(PD),表征景觀形狀復(fù)雜程度的平均分維度指數(shù)(FRAC_MN) 、 景 觀 形 狀 指 數(shù)(LSI),并 用Fragstats4.2 軟件對各景觀格局指數(shù)進行計算。具體指標的計算方法及特征描述見表1。

1.5 幅度的設(shè)定

以2015年天水市2 區(qū)5 縣土地利用矢量圖為數(shù)據(jù)源,運用ArcGIS 10.2 對矢量數(shù)據(jù)進行識別、重分類和合并,得到天水市土地利用景觀類型矢量圖,并在ArcGIS 10.2 下將其轉(zhuǎn)換成柵格大小為100m 的TIFF 圖層。

保持粒度大小不變,運用ArcGIS 10.2 做天水市土地利用景觀格局矢量圖的平均中心,以平均中心為輻射原點,向外輻射建立梯度帶,研究土地利用景觀格局平均中心向四周擴散的變化規(guī)律。以平均中心為圓心建立第一個梯度緩沖區(qū),并運用ArcGIS 10.2 多環(huán)緩沖區(qū)功能,以5km 為間隔做多個梯度帶,共生成21 個梯度帶,由中心向外依次為1、2……21。用生成的梯度裁切柵格大小為100m 的天水市土地利用景觀格局柵格圖,得到不同幅度土地利用類型景觀格局圖(圖1)。

表1 景觀空間格局特征指標及其描述 Table1 Description of Landscape pattern indices

圖1 天水市景觀格局圖 Figure1 Map of landscape pattern in Tianshui

2 結(jié)果分析

2.1 景觀類型水平的幅度效應(yīng)

2.1.1 景觀斑塊面積比例(PLAND)的幅度效應(yīng)

斑塊面積百分比(PLAND)是確定優(yōu)勢景觀要素的一個指標。從圖2可以看出,各景觀要素的景觀斑塊面積比例隨幅度的增加具有明顯的波動性,幅度效應(yīng)明顯,但不同景觀要素的景觀斑塊面積比例的幅度效應(yīng)有差異。景觀斑塊面積比例較小的林地、草地、建設(shè)用地、園地的幅度效應(yīng)相較于耕地更加強烈。從表2可知,各景觀要素的景觀斑塊面積比例幅度效應(yīng)差異很大,變異系數(shù)最大為林地,變異系數(shù)為42.26%,最小的是草地,變異系數(shù)為13.73%,說明研究區(qū)內(nèi)草地分布聚集,連續(xù)性好,穩(wěn)定性強;林地分布較分散,連續(xù)性差,穩(wěn)定性弱。水域的變異系數(shù)僅次于林地,說明水域分布較分散,穩(wěn)定性較弱,受人為因素劇烈。從圖3中可知,在5—25 km 幅度區(qū)間中幅度依賴性最強的景觀要素為未利用地,變異系數(shù)為 34.88%,最弱的為耕地,變異系數(shù)為7.71%,在該幅度區(qū)間內(nèi)耕地呈聚集分布,連續(xù)性強,未利用地受人為因素影響分布較分散,穩(wěn)定性弱;25—85 km 區(qū)間,各景觀要素具有明顯的幅度依賴性,景觀斑塊面積比例的幅度波動較劇烈(2.49%—29.35%),幅度效應(yīng)強度相較于5—25 km 區(qū)間減弱,在25—85 km 區(qū)間內(nèi)幅度依賴最強的為林地,變異系數(shù)為29.35%,幅度依賴性最弱的為草地,變異系數(shù)為2.49%,林地受幅度帶分割的影響,景觀斑塊面積比例相較于5—25 km而言穩(wěn)定性降低,草地穩(wěn)定性最強,分布集中;85 km 幅度以后,景觀斑塊面積比例的變異系數(shù)(0.1%—1.32%)變化不明顯,幅度效應(yīng)消失。

圖2 不同幅度斑塊面積比例變化 Figure2 The area percentage of patches with different extent

表2 斑塊面積百分比變化 Table2 Changes of the area percentage between patches

圖3 斑塊面積百分比的幅度效應(yīng)區(qū)間差異 Figure3 Difference of extent effect about area percentage in different extent section

2.1.2 斑塊密度(PD)的幅度效應(yīng)

斑塊密度(PD)能反映景觀空間格局以及體現(xiàn)空間異質(zhì)性,它在一定程度上也與景觀破碎度有關(guān)聯(lián)。從圖4可以看出,各景觀要素的斑塊密度曲線具有明顯的幅度依賴性,總體上隨幅度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,但各景觀要素斑塊密度的幅度效應(yīng)有所不同。依據(jù)曲線變化趨勢,可以將曲線分為3 個區(qū)間,即5—25 km、25—85 km 和＞85 km幅度區(qū)間。從表3可以看出,各景觀要素斑塊密度的幅度效應(yīng)有所差異,造成斑塊密度差異的原因是由于幅度變化影響各景觀要素斑塊的破碎化程度,即幅度帶人為地將完整的斑塊分割,城市化進程中建設(shè)用地占用造成的斑塊破碎化;其中變異系數(shù)最大的景觀要素為園地(36.15%),最小的為水域(11.56%),說明研究區(qū)園地的斑塊分布聚集且破碎化程度高,水域分布較均勻,破碎化程度低。從圖5可知,各景觀要素的斑塊密度在不同的幅度區(qū)間內(nèi)幅度效應(yīng)存在差異。在5—25 km 幅度區(qū)間范圍內(nèi),各景觀要素具有明顯的幅度依賴性,且各景觀要素的幅度效應(yīng)波動(11.82%—36.87%)劇烈,其中幅度依賴性最強的景觀要素為林地,變異系數(shù)為36.87%,幅度依賴性最弱的為建設(shè)用地,變異系數(shù)為11.82%,說明林地斑塊破碎化程度高,分布較分散,而建設(shè)用地分布較集中,可能是由于建設(shè)用地占用了林地及其他景觀要素,造成其他景觀要素斑塊破碎化程度增加;在25—85 km 區(qū)間,斑塊密度的幅度效應(yīng)減弱,但波動依舊很劇烈(2.88%—22.73%),在該區(qū)間范圍內(nèi)幅度依賴性最強的景觀要素為園地,最弱的為水域,說明在該幅度區(qū)間內(nèi)園地斑塊破碎化程度高,斑塊密度變異系數(shù)大(22.73%),而水域斑塊連續(xù)性程度高(2.88%),破碎化程度降低;＞85 km 幅度范圍,斑塊密度的變異系數(shù)(0.43%—1.18%)變化不明顯,幅度效應(yīng)消失,在該幅度區(qū)間內(nèi)破碎化程度不再隨幅度變化而發(fā)生改變。

圖4 不同幅度斑塊密度變化 Figure4 Changes of patch density in Different extent

表3 斑塊密度變化 Table3 Changes of patch density

圖5 斑塊密度的幅度效應(yīng)區(qū)間差異 Figure5 Difference of extent effect about patch density in different extent section

2.1.3 平均分維度指數(shù)(FRAC_MN)的幅度效應(yīng)

從圖6可以看出,各景觀要素的平均分維數(shù)指數(shù)具有明顯的幅度依賴性,不同景觀要素幅度效應(yīng)差異明顯。根據(jù)平均分維數(shù)曲線變化特征,大體可分為3 種變化:平均分維數(shù)隨著幅度的增加而降低;隨著幅度的增加而增加;隨著幅度的增加,曲線不發(fā)生變化。從表4可知,各景觀要素平均分維數(shù)的幅度效應(yīng)存在差異,變異系數(shù)最大的景觀要素為水域,其數(shù)值為0.37%,最小的為園地,變異系數(shù)為0.11%,這是由于各景觀要素受到人類活動的影響,使得水域平均分維數(shù)的變異系數(shù)高于其他景觀要素,由于人類對水域進行各類建設(shè)活動,故水域受人為干擾程度強,斑塊形狀趨于復(fù)雜,但其他景觀要素受人類活動的影響(如基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)),變異系數(shù)差異不明顯,說明城市化建設(shè)引起了各景觀要素不同程度的變化。在圖7中,5—25 km 區(qū)間范圍內(nèi),各景觀要素平均分維數(shù)的幅度波動(0.18%—0.94%)劇烈,未利用地在該幅度區(qū)間的幅度依賴性最強,變異系數(shù)為0.94%,園地的幅度依賴性最弱,變異系數(shù)為0.18%,說明在該幅度區(qū)間內(nèi),人類對未利用地的影響作用增強,斑塊未利用地形狀趨于不規(guī)則,而園地受人為因素影響較弱;在25—85 km 區(qū)間,平均分維數(shù)的波動性(0.03%—0.28%)減緩,平均分維數(shù)的幅度依賴性最強的依舊為未利用地,變異系數(shù)為0.28%,最弱的為草地,變異系數(shù)為0.03%,說明在該幅度區(qū)間內(nèi)未利用地依舊受到人為因素(幅度帶分割)的影響,而草地受人為干擾程度降低,由于被分割的斑塊合二為一,草地斑塊形狀趨于簡單;＞85 km 幅度,各景觀要素平均分維數(shù)的變異系數(shù)趨近于0(0%—0.01%),說明在該幅度區(qū)間內(nèi)人為干擾對各景觀要素的影響作用減弱,幅度效應(yīng)消失。

2.2 景觀水平的幅度效應(yīng)

圖6 不同幅度平均分維數(shù)變化 Figure6 Changes of the average fractal dimension index in different extent

表4 平均分維數(shù)變化 Table4 Changes of the average fractal dimension index

圖7 平均分維數(shù)的幅度效應(yīng)區(qū)間差異 Figure7 Difference of extent effect about area the average fractal dimension index in different extent section

從圖8可以看出,景觀水平下的6 種景觀指數(shù)都表現(xiàn)出了明顯的幅度依賴性。根據(jù)各景觀指數(shù)的曲線變化特征,可分為3 個區(qū)間:在5—25 km 幅度區(qū)間,斑塊密度指數(shù)、景觀形狀指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù)隨幅度增加而增加,且Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù)曲線的變化趨勢一致,最大斑塊面積和蔓延度指數(shù)隨幅度增加而降低;在25—85 km 區(qū)間內(nèi),斑塊密度指數(shù)、最大斑塊面積指數(shù)隨著幅度的增加而降低,景觀形狀指數(shù)隨幅度的增加而增加,其他3 種景觀指 數(shù)在該區(qū)間幅度不再隨幅度增加而變化;＞85 km 區(qū)間內(nèi),6 種景觀指數(shù)曲線都趨于平穩(wěn),幅度效應(yīng)逐漸消失。引起曲線變化的原因在于不同幅度帶將原有的斑塊人為分割,導(dǎo)致斑塊數(shù)量、景觀形狀發(fā)生變化,最大斑塊面積和蔓延度隨之減小,斑塊多樣性增加,Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù)變大。不同的景觀指數(shù)的幅度效應(yīng)也存在差異(表5),變異系數(shù)最大的是景觀形狀指數(shù)(LSI),變異系數(shù)最小的是Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù),變異系數(shù)均為4.13%,這說明景觀形狀指數(shù)受幅度變化,斑塊形狀趨于不規(guī)則,而景觀斑塊多樣性程度較低。從圖9可以看出,在5—25 km 區(qū)間內(nèi),各景觀指數(shù)幅度效應(yīng)(7.38%—50.74%)最為明顯,其中幅度依賴性最強的是景觀形狀指數(shù),變異系數(shù)為50.74%,幅度依賴性最弱的景觀指數(shù)是Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù),變異系數(shù)均為7.38%;25—85 km 區(qū)間范圍內(nèi),各景觀指數(shù)的幅度具有波動性,但變化幅度不大(0.98%—16.14%),景觀形狀指數(shù)的幅度依賴性在該區(qū)間范圍仍舊最強,變異系數(shù)為 16.14%,幅度依賴性最弱仍舊是Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù),變異系數(shù)均0.98%;說明在5—85 km 幅度區(qū)間內(nèi)景觀形狀指數(shù)對幅度的敏感性強,而Shannon 多樣性指數(shù)和Shannon 均勻度指數(shù)對幅度的敏感性弱,即幅度變 化對景觀形狀指數(shù)的影響作用強于其他景觀指數(shù)。85 km 幅度以后,各景觀指數(shù)的變異系數(shù)變化不大(0.02%—0.49%),受人為影響的各景觀指數(shù)趨于穩(wěn)定,幅度效應(yīng)逐漸消失。

圖8 不同幅度景觀水平指數(shù)變化 Figure8 Variation of the landscape index in different extent

表5 景觀水平指數(shù)的幅度變化 Table5 Extent changes of landscape level index

圖9 景觀水平指數(shù)的幅度效應(yīng)區(qū)間差異 Figure9 Difference of extent effect about landscape level index in different extent section

3 討論

本文以天水市為研究對象,采用幅度變化的方法,分析不同空間幅度下研究區(qū)各景觀要素、景觀格局指數(shù)的變化規(guī)律和幅度效應(yīng)。在研究景觀格局尺度效應(yīng)時需主要關(guān)注兩個問題:一是尺度依賴的有效尺度,二是本征或特征尺度。在尺度依賴性的有效尺度選擇方面,杜秀敏[21]認為研究廈門的空間變化的有效幅度為3 km,徐麗華[22]認為24 km 幅度是一個特征操作尺度。在景觀格局空間尺度效應(yīng)的研究中,在尺度的選擇中具有臨界尺度,在本文的研究中,90 km幅度為研究區(qū)的空間尺度效應(yīng)研究的臨界幅度范圍,超過這一臨界幅度范圍,無論景觀要素,還是景觀指數(shù)都失去了尺度依賴性。不同景觀要素由于數(shù)量、形狀等特征的差異,尺度依賴性也存在差異,景觀水平上反映景觀格局特征的景觀指數(shù)間也存在差異,這與王艷芳[10]、徐麗華[22]等研究結(jié)論相似。對于尺度效應(yīng)的本征或特征尺度的研究比較多,徐麗華[22]認為12 km的幅度為一個本征的操作尺度,但其本質(zhì)仍舊為有效幅度。有效幅度的研究,對景觀格局空間特征的研究具有深遠的影響。

4 結(jié)論

(1)在景觀生態(tài)學研究中梯度環(huán)多用于生態(tài)服務(wù)價值研究及城市景觀的景觀格局分析[23-25],較少被用于土地利用景觀格局的幅度效應(yīng)的分析研究。選用梯度環(huán)與景觀指數(shù)相結(jié)合的方法,研究幅度變化對土地利用景觀格局空間特征變化的影響。

(2)天水市土地利用格局的景觀指數(shù)在景觀類型水平和景觀水平均表現(xiàn)出明顯的幅度依賴性。不同景觀要素的幅度效應(yīng)存在差異,景觀水平指數(shù)的幅度效應(yīng)也存在差異。在5—25 km 幅度區(qū)間內(nèi),各景觀要素、景觀指數(shù)類型之間差異較大,25—85 km 幅度區(qū)間內(nèi),各景觀要素之間、景觀指數(shù)之間的差異較小,而＞85 km 幅度區(qū)間,幅度效應(yīng)的差異不明顯,幅度效應(yīng)消失。因此在研究天水市土地利用景觀格局的空間幅度效應(yīng)時,最適宜的幅度半徑為85 km。

(3)空間幅度變化影響各景觀要素的空間分布狀況、景觀破碎化程度及景觀多樣性的變化。研究天水市土地利用格局空間幅度效應(yīng),反映土地利用格局的空間特征及空間變化規(guī)律,為今后天水市土地規(guī)劃與管理、合理進行土地用途管制措施提供參考依據(jù)。