不同空間尺度下景觀格局對人為干擾度的響應

余孟杰　吳濤　解雪峰　蔣國俊　沈鎏澄　項琦　孫曉敏

摘要?基于Landsat?TM遙感數據，提取研究區域的土地利用數據，并利用ArcGIS?10.3中漁網工具分別創建不同尺度的評價單元。分別計算每種尺度下的景觀格局指數，構建人為干擾強度指標，通過Pearson?相關分析來探討不同空間尺度下景觀格局指數對人為干擾度的響應，研究金義都市新區的景觀指數在不同空間尺度下對人為干擾度做出的響應。結果表明：①人為干擾強度空間分布表現為四周低，中間高。②斑塊密度（PD）、香農多樣性指數（SHDI）、香農均勻度指數（SHEI）與人為干擾度呈正相關關系;蔓延度指數（CONTAG）、景觀聚集度指數（AI）與人為干擾度呈顯著負相關。③在探討評價單元的空間尺度時發現，景觀指數與人為干擾度的相關顯著性表現不同，具體表現在：AI在空間尺度為2?000?m時，顯著相關。而PD、CONTAG、SHDI及SHEI在空間尺度為4?000?m時，與人為干擾度的顯著相關，說明人為干擾度與景觀格局指數之間的響應存在空間尺度差異性。④在處于發展初期的區縣尺度下進行景觀格局指數與人為干擾度相關性分析時，發現選取評價單元為4?000?m時，得到的相關性和顯著性結果較好。

關鍵詞?金義都市新區;景觀格局;人為干擾度;空間尺度

中圖分類號?P901文獻標識碼?A

文章編號?0517-6611（2019）16-0059-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.16.019

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Response?of?Landscape?Pattern?at?Different?Spatial?Scales?to?Hemeroby—Taking?Jinyi?New?District?of?Zhejiang?as?an?Example

YU?Meng?jie，WU?Tao，XIE?Xue?feng?et?al?（School?of?Geography?and?Environmental?Sciences，Zhejiang?Normal?University，Jinhua，Zhejiang321004）

Abstract?Based?on?Landsat?TM?remote?sensing?data，land?use?data?of?the?study?area?were?extracted，and?fishing?net?tools?in?ArcGIS?10.3?were?used?to?create?evaluation?units?of?different?scales，the?landscape?pattern?index?of?each?scale?was?calculated?separately，and?the?hemeroby?index?was?constructed.The?Pearson?correlation?analysis?was?used?to?investigate?the?response?of?the?landscape?pattern?index?to?hemeroby?at?different?spatial?scales.To?study?the?response?of?the?landscape?index?of?Jinyi?New?District?to?hemeroby?at?different?spatial?scales.The?results?show：①The?spatial?distribution?of?hemeroby?is?low?in?the?periphery?and?high?in?the?middle;②Plaque?density?（PD），Shannon?diversity?index?（SHDI），Shannon?uniformity?index?（SHEI）?were?positively?correlated?with?hemeroby;contagion?index?（CONTAG），landscape?aggregation?index?（AI）?and?human?interference?degree?is?significantly?negatively?correlated.③When?discussing?the?spatial?scale?of?the?evaluation?unit，it?is?found?that?the?correlation?between?the?landscape?index?and?the?hemeroby?is?different.The?specific?performance?is?as?follows：?AI?is?significantly?correlated?when?the?spatial?scale?is?2000m.PD，CONTAG，SHDI?and?SHEI?are?significantly?correlated?with?hemeroby?when?the?spatial?scale?is?4?000?m，indicating?that?there?is?spatial?scale?difference?in?the?response?between?hemeroby?and?landscape?pattern?index.④When?the?correlation?between?landscape?pattern?index?and?hemeroby?is?analyzed?at?the?district?and?county?scales?at?the?initial?stage?of?development，it?is?found?that?when?the?evaluation?unit?is?4000m，the?correlation?and?significance?results?are?better.

Key?words?Jinyi?New?District;Landscape?pattern;Hemeroby;Spatial?scale

景觀生態學作為生態學、地理科學和環境科學的綜合交叉學科，主要研究宏觀尺度上景觀類型的空間格局和生態過程的相互作用及其動態變化特征[1-3]。時間尺度和空間尺度問題是景觀生態學研究的基礎[4]。景觀格局指數是現代景觀生態學中應用最廣泛的一種景觀格局分析方法[5]。

人為干擾概念最初由芬蘭植物學家Jalas[6]提出，后國內學者陳愛蓮等[7]首次建議將“hemeroby”一詞翻譯為“人為干擾度”。人為干擾與景觀格局變化被廣泛應用于農業、林業、環境和城市等諸多領域的生態評價研究[8]。劉吉平等[9]采用網格分析法研究景觀指數的時空分異規律，對小三江平原沼澤濕地景觀格局變化及其對人為干擾的響應機制進行探討，結果表明不同時期內PLAND、LPI、AI、CONNECT、ED等與人為干擾度有不同的響應趨勢;劉富強等[10]利用多期遙感數據，探討岸線變化和景觀格局變化對人類活動的動態響應，結果表明海岸線長度的變化以及岸線分形維數的變化均與人為干擾呈負相關。

近年來，景觀格局指數作為分析景觀格局特征的定量化指標得到迅速發展，人為干擾度與土地利用格局以及尺度效應的研究逐漸成為景觀生態學者的研究熱點[11-15]。經研究發現[16-20]，研究區域尺度大小不同時，景觀指數及人為干擾度的響應趨勢不完全相同。在近期的研究中，最佳空間尺度問題有待進一步探討。金義都市新區作為發展中的小城鎮，可代表中國大多數小城鎮的發展現狀，筆者以其為例，探討景觀格局指數與人為干擾度相關關系，尋求最佳劃分尺度，為縣域尺度范圍內的人類活動干擾強度的景觀格局相關研究提供科學依據。

1?數據業源與研究方法

1.1?研究區概況

金義都市新區位于浙江中部，金華市金東區與義烏市結合部（119°41′～120°07′E、29°22′～29°03′N），地處長三角經濟圈和海西協作區交匯點。地勢中部低，南北高，東陽江貫穿其南（圖1）。新區近期規劃區域內有孝順鎮、傅村鎮、曹宅鎮、塘雅鎮、澧浦鎮、上溪鎮、義亭鎮、佛堂鎮。根據國務院批準的《浙江省城鎮體系規劃（2010—2020）》，未來的金義都市區將建成300萬～500萬人口規模的城市，與金華義烏共同形成浙中城市群核心區，成為浙江省第四大都市區和帶動浙江中西部地區經濟社會發展的重要增長極。

1.2?數據獲取與處理

利用地理空間數據云提供的Landsat-8衛星數字產品，在ArcGIS軟件平臺下，對圖像進行預處理，利用人工目視解譯，結合地形圖，參考中國科學院土地利用分類標準，辨別區域土地利用方式類型，將研究區域的土地利用方式劃分為林地、草地、耕地（包括水田和旱地）、河流、湖泊、城鎮及建筑用地以及未利用地7類（圖2）。

1.3?研究方法

1.3.1?評價單元的構建。

以金義新區2016年土地利用類型圖為底圖，利用ArcGIS?10.3中ArcToolbox數據管理模塊中的創建漁網工具，分別創建邊長為1?000、?2?000、4?000以及?8?000?m的網格，每個網格作為一個評價單元，用以評價人類干擾活動強度的空間分異特征。

1.3.2?人為干擾度計算。

基于文獻[21-22]，該研究中將林地的人為干擾度指數（hemeroby?index，簡稱人為干擾度）賦值為2（微弱干擾），湖泊、河流、草地以及未利用地的人為干擾度賦值為3（輕度干擾），灘地的人為干擾度賦值為4（中度干擾），耕地的人為干擾度賦值為5（重度干擾），城鎮與建設用地的人為干擾度賦值為7（完全干擾）[23]。

利用公式（1），分別計算每一個評價單元的干擾指數，將計算結果作為網格中心點值，在

ArcGIS?10.3空間分析模塊中進行柵格差值。分別對1?000?m×1?000?m、2?000?m×?2?000?m、4?000?m×4?000?m以及8?000?m×8?000?m?這4種尺度的人為干擾度進行Kring插值分析，生成人類活動干擾度時空分布圖。具體計算公式如下：

M=ni=1f?i×H?i（1）

式中，M為統計單元人為干擾指數;n為統計單元內地表覆蓋的斑塊數;f?i為當前斑塊i的面積與統計單元總面積的比值;H?i為當前斑塊類型的人為干擾度相對值。

1.3.3?景觀格局指數計算。

基于研究區域景觀分布特點以及景觀格局指數的生態學意義，從景觀水平上選取?6個景觀格局指數分析量化金義都市新區景觀格局對人類干擾活動的空間尺度上的響應關系，包括斑塊數量（NP），斑塊密度（PD），最大斑塊占景觀面積比（LPI），景觀形狀指數（LSI），蔓延度指數（CONTAG），香農多樣性指數（SHDI），香農均勻度指數（SHEI），景觀聚集度指數（AI）。指數計算方法、含義和公式見文獻[24]。

2?結果與分析

2.1?土地利用類型的景觀格局分布特征

計算金義都市新區2016年不同利用類型的土地景觀格局指數，結果見表1。結合表1與圖2可知：該區域用地類型以耕地和林地為主，斑塊類型面積（CA）分別為24?255.26與23?527.35?hm2，分別占比40.64%和39.42%。城鎮與建設用地面積次之，為?8?968.77?hm2;草地與湖泊斑塊密度（PD）遠大于其他利用類型土地，結合圖2可知，草地與湖泊零散分布于整個區域，破碎化程度高，耕地、林地、河流斑塊PD值小，破碎化程度低;金義都市新區處于初期發展階段，城鎮與建設用地并未連成片狀，最大斑塊占景觀面積比（LPI）小;各類土地形狀指標（LSI）均遠大于1，表明景觀形狀比較復雜;分布較為集中的灘地、草地、耕地、林地以及未利用地的景觀連接度（CONNECT）較高，而較為散布的城鎮與建設用地以及湖泊連接度較低;林地主要分布于研究區域四角，聚合度（AI）高，耕地分布于研究區域中部地平地區，聚合度也較高。

2.2?不同空間尺度下人為干擾度分析

參考前人的研究[25]，并結合實際情況將金義都市新區人為干擾強度劃分為5個等級：低干擾強度（HI≤3）、中低干擾強度（3

從圖3整體可看出，研究區域大體上呈現中間高干擾，四周低干擾的分布趨勢。干擾低值區（HI<4）主要分布在研究區域東、北、南、西北四角，該區域多為山地，地勢較高，多分布林地，人類活動較弱。干擾高值區（HI>5）主要分布在金衢盆地內部，沿杭金衢高速和滬昆高速鐵路（金義線）沿線，自西南向東北。該區域地形平坦，起伏較小，從整體上看，自2012年新區啟動以來，研究區域中部人類活動顯著，使該區域?人為干擾度分布情況。人為干擾強度較高，成為中高干擾強度區和高干擾強度區。

從圖3看，評價單元空間尺度越小，干擾細節越顯著，干擾的異質性和干擾細節差異越明顯，便于直觀地了解研究區域人為干擾度空間分布狀況。結合表2分析如下：1?000?m、?2?000?m以及4?000?m尺度下，均為中高干擾等級評價單元面積最大，而面積最小的為高干擾等級與中低干擾等級的評價單元;尺度越小，如1?000?m尺度下，計算工作量大，但是相應的精確度高。而在4?000?m與8?000?m尺度下，面積占比較小的高干擾等級單元被面積占比較高的單元均值化，面積為0，所以尺度越大，計算工作量越小，但是結果越粗略，極值往往被均值化，以至于不能表現干擾度的空間細節差異。

2.3?不同空間尺度景觀格局指數與人為干擾度相關分?析

將景觀格局指數（NP、PD、LPI、LSI、CONTAG、SHDI、SHEI、AI）與人為干擾度進行Pearson相關分析。結果表明（表3），在2?000?m尺度下，AI與人為干擾度均呈顯著負相關，表明隨著人類活動增強，所有斑塊不斷破碎化，呈間斷分布，AI值越小。

在4?000?m的空間尺度下，PD與人為干擾度呈顯著正相關，表明人為干擾強度越大，斑塊破碎化程度越高，PD值則越大;SHDI、SHEI均與人為干擾度呈顯著正相關，此階段研究區域正處于快速發展初期，區域景觀異質性隨著人類活動加強而增加，多樣性（SHDI）增加，并持續增加一段時間，干擾度大的斑塊不斷擴大，兼并區域內原本占大部分面積的林地與耕地斑塊，各組分均勻程度越來越高，SHEI越大;人為干擾度高的城鎮與建設用地等斑塊占景觀主導位置;而CONTAG與人為干擾度呈顯著負相關，表明人類的開發建設導致金義新區中原完整的斑塊類型更大限度的趨于破碎化與間斷分布，CONTAG值越小。

綜上所述，結合劉吉平等[10]、劉富強等[9]的研究成果，發現景觀格局指數對人為干擾度的變化存在一定響應，但不同地區、不同時間段、不同空間尺度時，景觀格局指數對人為干擾度的響應不同。而金義都市新區建設過程中，中部平原地區的人類活動不斷加強，導致PD、CONTAG、SHDI、SHEI以及AI都對人類活動均做出不同程度的響應，可較好地表征人為干擾的方向與強弱。在該研究案例中，空間尺度為?4?000?m時，PD、CONTAG、SHDI、SHEI、AI均與人為干擾度呈顯著相關性，即分析景觀格局指數與人為干擾度的尺度響應問題時，空間評價單元尺度過大或過小均不恰當。在金義都市新區中，選取空間尺度為4?000?m效果較好。

3?結論與討論

（1）研究區域呈現四周低干擾、中間高干擾的現狀，原因主要歸結于地形與交通，地勢低，交通沿線的區域，人類活動較強，城市建設發展較好，人為干擾強度等級便高;而四周地勢較高區域，多分布林地，不便于開展城市建設，人為干擾強度較低。

（2）通過對金義都市新區的人為干擾強度與景觀格局指數的Pearson相關性分析，可以明確人類活動對其景觀格局指數的值有顯著影響，主要表現在PD、SHDI、SHEI隨著人類活動的增強即人為干擾強度的增加而增加;而CONTAG及AI隨著人為干擾度強度的增強而減小。表明人為干擾強度變化也是影響景觀指數變化的驅動因素之一。

（3）從空間尺度方面來看，該研究分別分析每個尺度下，相關景觀格局指數與人為干擾度的Pearson相關性。結果表明，當空間尺度為2?000?m和4?000?m時，相應景觀格局指數與人為干擾強度呈現顯著相關性。

（4）該研究以2016年的金義都市新區為例，探討在區縣尺度下，景觀格局指數與人文干擾度的相關性。彼時金義都市新區正處于初期快速發展城市建設階段，人類活動迅速增加，對景觀格局的干擾加強，相應指數也做出相應。而當選取不同空間尺度的評價單元時，工作量及結果不同，通過對比選取最優尺度區間。結果表明，當研究區域為發展初期的區縣時，選取空間尺度為4?000?m探討人為干擾度與景觀格局指數問題最佳。

該研究利用不同空間尺度下的不同評價單元，通過對比不同評價單元的人為干擾度值與對應景觀指數的相關性，對研究區域進行分析，以達到對比分析的效果。對于尺度的選取仍存在進一步研究的可能，在該研究中沒有深入探討，在將來的研究中有待完善。該研究以金義都市新區為例，探討與此區域面積相近的發展中的區縣區域的景觀指數與人為干擾度相關性，給相似研究區域的研究工作提供一個空間尺度上的參考。

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