東山島海岸帶景觀破碎化時空梯度分析

巫麗蕓,何東進,游巍斌,紀志榮,黃昕宇

福建農林大學林學院, 福州 350002

在全球許多地區,人類活動是目前促成景觀改變的主要力量[1]。通過改變土地利用方式,人類活動強烈地影響著景觀生態系統的功能、過程及相互作用,并干擾了作為生命支持系統的生態環境的功能發揮[2]。因此,人類活動所帶來的景觀改變獲得了較多的關注,尤其大城市的城市化景觀變化問題[3]。然而,一些生態關鍵區的景觀變化則較少人關注。海陸相互作用的海岸帶既是社會經濟的“黃金地帶”,又是區域生態安全防護的關鍵。前人對海岸帶景觀變化的研究多是從區域整體的角度對海岸帶城市或海岸區域內的生態棲息地的景觀結構進行探討,而從較小尺度出發,對于海岸帶的內部結構和功能以及人類活動干擾海岸帶的空間差異的分析研究則相對較少。對海岸帶景觀變化的更為微觀的分析,有助于更為清晰地勾勒出主導驅動因子,為海岸帶的綜合管理提供更具靶向性的依據。

景觀破碎化表現為景觀要素在外力作用下原來連續景觀逐步變為許多彼此隔離的不連續的斑塊鑲嵌體的過程[4]。景觀破碎化的加劇很大程度上支離自然生境[5],直接影響著景觀中能量流動、物質循環等生態特征與過程[6],可能給區域生物多樣性帶來毀滅性和不可逆的后果[7]。因此,隨著在生物多樣性保護[8]、生態系統管理[9]、景觀生態規劃[10]、城市化影響[11]等方面的應用不斷增多,景觀破碎化現象受到了越來越多的關注。然而海岸帶中觀尺度的景觀破碎化梯度時空差異的研究則較少。因此,本研究試圖通過緩沖帶分割、移動窗口、樣點分析等方法對福建省東山島海岸帶的景觀破碎化展開研究,聚焦于東山島景觀梯度變化及海岸地帶景觀破碎的時空差異,旨在解決：(1)從海岸往島內陸,其景觀破碎化是否存在梯度變化特征？(2)景觀破碎化在不同海灣、在與海岸線不同距離是否存在梯度變化？(3)景觀破碎化過程的主導驅動因子有哪些？

1 研究區概況

東山地理坐標為北緯23°33′—23°47′,東經117°17′—117°35′,位于福建省南部沿海、東海與南海交匯處,東臨臺灣海峽與臺灣島隔海相望,是大陸距臺灣南部最近的縣份,為全國第六、福建省第二大海島。東山島全境屬丘陵地帶,地勢從東北向西南傾斜,海拔高度較??；氣候屬南亞熱帶海洋性季風氣候,溫暖舒適,光照充足；東山國民經濟快速發展,經濟實力不斷增強。

2 研究方法

為了研究東山島海岸帶景觀破碎化的動態變化,本文以1994年TM遙感影像(分辨率30m)、2003年和2011年SPOT遙感影像(分辨率5m)作為基礎數據,并收集了東山縣行政區劃圖、東山2010年土地利用/覆蓋圖、1∶50000地形圖等圖件資料及統計資料、實地調研材料等(數據來源：福建省地質測繪院)。運用ERDAS Imagine進行遙感影像預處理,并空間匹配統一的投影坐標系統。由于圖像具有不同的空間分辨率(TM：30m和SPOT：5m),首先對TM進行了重采樣,讓其柵格大小與SPOT柵格一致,這樣可以在一定程度上減小在景觀分析時存在的誤差,以便后期定量地比較景觀變化[12-14],再通過監督分類與人機交互相結合方法分別提取3期影像的景觀類型,將研究區景觀類型劃分為水域、林地、草地、耕地、建設用地、道路、其他用地(包括未利用地、低覆蓋地等)等7類,并對分類精度進行評價, 得出 Kappa 系數分別為：1994年 0. 81、 2003年 0.87、2011年 0.86,獲得的3期景觀類型圖均轉為15m×15m柵格形式(圖1)。

本研究中選擇斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)作為監測研究區景觀破碎化的中心指數。同時,選擇景觀形狀指數(LSI)周長面積分維數(PAFRAC)、香農多樣性指數(SHDI)、蔓延度指數(CONTAG)、香農均勻度指數(SHEI)作為輔助指數更完善地反映景觀變化[8-11,15-17]。采用Fragstats3.3對東山島3個時期景觀進行指數計算,計算方法和指數公式均同Fragstats的表達方式。

在ArcGIS軟件的支持下,在1994年、2003年和2011年3期景觀類型圖上分別以海岸線為界線,向島內陸以500m為間隔做緩沖帶,整個島嶼范圍內共劃分出26個緩沖帶(圖2),然后運用Fragstats3.3分別計算26個緩沖帶的景觀指數,從而分析從海岸帶往內的景觀破碎梯度變化特征。

采用Fragstats的移動窗口法,整個研究區內從左上角開始移動,每次移動1個柵格,計算窗口內的景觀指數值,并將該值賦給該窗口的中心柵格,最后形成景觀指標柵格圖[18]。

移動窗口半徑的確定是十分重要的,過大或過小都無法準確反映區域的景觀特征。因此首先得確定東山島景觀指標計算的窗口半徑。在移動窗口法的基礎上,移動窗口半徑分別設為250,500,750,1000,1250,1500,1750,2000m,采用地統計學中的半變異函數方法來判定景觀特征尺度。半變異函數詳細計算過程見文獻[19-21]。半變異函數的基本參數,包括塊金值C0、偏基臺值C、基臺值C+C0、變程A0、塊基比C0/(C+C0)。塊基比可以估算隨機因子在空間總變量中的重要性,進而反映變量在空間上的變異程度,其值大小代表空間變異程度的高低,值越小,說明空間自相關越明顯,也就越穩定[17,22-23]。本研究運用ArcGIS10.2模擬在不同移動窗口半徑下景觀破碎化的半變異函數,通過塊基比的變化規律來分析景觀指數的空間特征對尺度的響應。當塊基比達到相對穩定時,表明景觀指數在空間的變異趨于穩定,認定為這個尺度是合適表達研究區景觀指數的窗口半徑[17,22-23]。在此窗口半徑下,采用移動窗口法所獲得的景觀指數圖則被采用來反映東山島景觀破碎化的空間分異。

本研究需要更微觀更詳細地反映沿海海岸的景觀變化情況,考慮到距離海岸線200m是福建省沙質海岸沿?；闪值慕缇€,也是許多沿海省規定的海岸退縮線界線[24-25],而距離海岸線500、1000m[26-27]則是許多國家地區規劃海岸綜合管理區的范圍,同時考慮到縣城城市化可能對景觀產生的影響,因此設置距離海岸線200、500、1000m及橫切東山縣城中心等4條樣線,并每隔200m取樣點(圖3),利用ArcGIS的Sample命令,提取每個樣點的景觀指數值,對海岸帶及海島城市化的影響進行梯度分析。

圖2 東山島緩沖帶劃分Fig.2 The buffer zones of Dongshan Island

圖3 東山島樣點分布Fig.3 Sampling points distribution of Dongshan Island

3 結果與分析

3.1 景觀破碎化的緩沖帶格局分析

圖4 景觀破碎化的緩沖帶梯度變化特征Fig.4 Changes of landscape fragmentation along the buffer zones

沿著26個緩沖帶,各緩沖帶景觀破碎化在近18年內表現出相似的梯度變化特征(圖4)。最大斑塊指數(LPI)大致出現從沿海到內陸逐漸上升的趨勢。在1、2緩沖帶,即距海岸1000m范圍內,2003年和2011年 LPI均高于1994年；在3—13緩沖帶,即城鎮集中區域,2003年和2011年 LPI均低于1994年,尤其是2011年第9緩沖帶,即穿越東山縣城中心區,LPI指數為所有指數中的最低值；在14—19緩沖帶,2003年和2011年 LPI又高于1994年；而在20—26緩沖帶,LPI則3期均呈現一定的上升趨勢,但隨著時間卻表現為2003年比1994年明顯降低,2011年又比2003年明顯降低。

各緩沖帶的斑塊密度指數(PD)也呈現出一定的規律性。除個別緩沖帶(第17、18)外,其余各帶2003年和2011年的指數均大于1994年,而2011年有16個緩沖帶的指數值高于2003年；1994年和2003年的指數曲線較為平緩,但2011年的指數卻波動很大；在1、2緩沖帶, 2011年PD低于2003年；在3—13緩沖帶,2011年 PD波動強烈；在15—18緩沖帶,2011年 PD低于2003年；而在18—26緩沖帶,2011年PD高于2003年。

從以上分析可以看出,景觀破碎化程度隨時間在不斷增強；近海岸地帶和西北部森林地帶的破碎化程度有所緩和、下降,而城鎮集中區域和西北部近內陸地帶則景觀破碎化程度在加??；2011年PD指數的波動特征與人類干擾的強度及土地價值的差異密不可分,城鎮區域破碎化程度加劇。

3.2 景觀特征尺度

圖5 景觀破碎化指數空間變異特征值趨勢圖 Fig.5 The trend of characteristic values of spatial fragmentation within different extents

在多個連續尺度上對景觀指數的空間變異特征進行探討(圖5),從而判定特征尺度。結果表明：景觀破碎化指數的塊基比隨窗口半徑的增加而降低,說明隨尺度的變大,空間變異程度越低,空間自相關性越明顯,也越穩定；粒度250、500、750m時,趨勢圖上塊基比顯著下降,變化不穩定,而在1000m左右時開始趨于穩定,則認為這是反映研究區景觀破碎化空間變異特征的內在尺度。因此,東山島景觀破碎化的移動窗口半徑選擇1000m。

3.3 景觀破碎化特征的空間分析

研究區在1000m尺度下景觀破碎化特征變化的時空分異如圖6、7所示,1994年—2003年,LPI正變化率高值區主要集中在西北部低山區、中東部沿海區及南部的部分地區,這些地區大都為有林地區； LPI負變化率高值區主要集中在西北角靠近大陸地帶、中北部區及南部的部分地區,這些地區大都為城鎮和農田集中地帶。2003年—2011年,LPI正變化率高值區主要集中在西北部的南角、東北沿海區及南部的部分地區,總體表現為零星分布； LPI負變化率高值區主要集中在西北角靠近大陸地帶、中北部區及南部的部分地區,這些地區大都為城鎮和農田集中地帶。PD變化率空間分布與LPI大致相反,LPI正變化率高值區往往為PD的負變化率高值區,而LPI負變化率高值區往往為PD的正變化率高值區,兩個指數的相關性較強。以上分析說明中北部和南部城鎮農田集中區,人為干擾日益強烈,破碎化程度不斷增加,而西北部和南部的有林地帶則生態修復良好,破碎化程度持續降低。

圖6 LPI指數變化的空間分布Fig.6 Spatial distribution of LPI change

圖7 PD指數變化的空間分布Fig.7 Spatial distribution of PD change

3.4 景觀破碎化的樣點分析

首先對距離海岸線200、500、1000m 3條樣線上的樣點的景觀特征進行分析(圖8—10)。200m樣線上的樣點LPI指數三期曲線波動基本一致。500m樣線上的樣點LPI指數曲線起伏明顯,尤其是東山島的北部海灣所在的樣點5—28,包括嶼南灣、金鑾灣、馬鑾灣等,為東山島主要的沙質海岸旅游景區,LPI值明顯下降,且2003年和2011年的值低于1994年；樣點29—37為東山海岸蘇峰山位置,為基巖海岸,LPI值明顯升高,且2003年和2011年的值高于1994年；樣點38—72為東山南部海灣,即烏礁灣,為沿海養殖、風力電廠等區域,LPI值3個時期變化波動大。1000m樣線上的LPI指數曲線波動也很大,北部海灣包括的樣點3—23,LPI3個時期變化波動均大,且2011年的值趨向于降低；樣點24—32為東山海岸蘇峰山位置,LPI值明顯升高；樣點33—61的南部海灣,LPI曲線與500m樣線比較總體趨向緩和。

200m樣線上的樣點PD指數3期曲線波動基本一致,但隨時間PD值呈現升高趨勢。500m樣線上的樣點PD指數曲線起伏明顯,樣點29—37蘇峰山位置,PD值明顯下降,北部灣和南部灣PD值大多較高,且隨時間呈現升高趨勢。1000m樣線上的樣點PD指數曲線變化與500m樣線相似。

以上分析可能看出,景觀破碎化程度隨時間在不斷增強；距離海岸線200m處在18年內雖有波動,但變化不是很大,沿海防護林的建設和保護需要使這一地帶破碎化程度不顯著；距離海岸線500m和1000m處則變化劇烈,東山島北部海灣的旅游發展、房地產開發,南部海灣的海產養殖、風力電廠、房地產開發等人為干擾強烈改變著海岸地帶,使其破碎化程度不斷加劇。對3條樣線中的北部海灣樣點和南部海灣樣點進行ANOVA分析,發現破碎化在南北海灣差異不顯著,說明主導人為干擾的差異對海岸帶景觀破碎化并不會造成明顯的空間差異。

圖8 景觀破碎化沿距海岸200m樣線的變化特征Fig.8 Changes of landscape fragmentation along 200m transect from shore line

圖9 景觀破碎化沿距海岸500m樣線的變化特征Fig.9 Changes of landscape fragmentation along 500m transect from shore line

圖10 景觀破碎化沿距海岸1000m樣線的變化特征Fig.10 Changes of landscape fragmentation along 1000m transect from shore line

圖11 景觀破碎化沿橫切縣城中心樣線的變化特征Fig.11 Changes of landscape fragmentation along the transect across the center of the town

其次,對橫切縣城中心樣線上的樣點景觀特征進行分析(圖11)。3個時期的LPI指數未明顯分異,均表現為曲線變化顯著,波動明顯,尤其在近海岸到縣城中心驟升驟降,樣點3呈現低點,樣點5又驟升,樣點9又降升,樣點12,即縣城中心點,又呈現一個低值；PD指數則呈現出隨時間上升的趨勢,1994年曲線較平緩,主要的高值區在島的內陸區,2003年曲線波動,高值區主要集中在樣點10—17,主要為城鎮集中區；2011年曲線波動更為顯著,高值區主要在樣點3、12、21。由此可看出,景觀破碎化隨時間在不斷增強,1994年破碎化程度相對低,但2003年和2011年人為干擾加劇了這一過程,2003年人工干擾主要集中在縣城地帶,使得這一區域破碎化明顯升高,2011年人工干擾趨向分散,在近海岸、縣城中心、島內陸都出現破碎化加劇現象。

3.5 景觀指數的相關分析

本研究采用Pearson相關系數分析景觀破碎化與景觀格局其他方面特征的相關性。結果表明：PD與LPI(R=-0.368,P=0.001)、PD與LSI(R=0.754,P=0.000)、PD與PAFRAC(R=0.804,P=0.000)、PD與CONTAG(R=-0.868,P=0.000)、PD與SHDI(R=0.293,P=0.009)均在0.01水平上顯著相關,PD與SHEI(R=0.279,P=0.013)在0.05水平上顯著相關?？梢?景觀破碎化與其他景觀格局指數有較強的相關性,運用所選擇的景觀破碎化指數能夠反映東山島景觀格局變化的基本特征。

4 結論與討論

在景觀生態學和景觀規劃中,運用景觀指數分析景觀格局變化的研究在近20年內大量出現,尤其是針對城市蔓延問題的研究。然而,較少研究聚焦于景觀格局的區域內部差異。人類活動迅速改變著景觀的結構和構成,所造成的景觀鑲嵌體的改變又被認為顯著影響生態系統的過程和功能,然而,人類活動的強度是存在區域差異的。因此,定量化區域內部的景觀格局差異能為跟蹤和評價人類活動對景觀的影響提供更為精細的信息。

本研究基于GIS和景觀指數,運用緩沖帶分析和移動窗口法、樣點分析等,定量測定福建東山島景觀破碎化特征的時空差異。東山在1992—1995年獲得了“百億新城”建設項目,整個強烈的人為干擾從這個時期開始,然而 “百億新城”項目在完成一期投資后停工,在這之后,1995—2004年東山發展轉向生態建設,先后申請“國家可持續發展試驗區”、“福建省生態農業試點縣”、“國家級生態示范縣”等,2004年到2011年間正是我國房地產開發逐漸狂熱期,東山不可避免地成為了開發的熱點,大型的玻璃廠、房地產企業、旅游開發、鮑魚和對蝦的大量養殖都影響著東山島的景觀結構變遷。正是由于不同時期的投資方向和政策方向的影響,使得東山島景觀破碎化程度隨時間在不斷增強,且由于土地經濟屬性和自然屬性的不同,帶來了人類開發的趨向性,從而使得東山島的景觀破碎化在區域內有顯著差異。其表現為：近海岸地帶、西北部及南部的有林地帶的破碎化程度持續降低,而中北部和南部城鎮農田集中區人為干擾日益強烈,破碎化程度不斷增加；距離海岸線500m和1000m處是東山島沿海人為干擾的強烈地帶,北部海灣的旅游發展、房地產開發,南部海灣的海產養殖、風力電廠、房地產開發等人為干擾強烈改變著這一地帶,使其破碎化程度不斷加劇。隨著地價的上升和經濟農業的發展,東山島人工干擾隨時間趨向分散,破碎化指數曲線波動趨向顯著,城鎮化、旅游和農業發展應該是東山島景觀破碎化的主導驅動因子。

當前,技術的支持使我們可以快速獲得景觀特征的各種指數。但是,如何定量化東山島景觀格局梯度變化特征與驅動因子關系,并能在空間上進行表達,更為準確深入地探討人類活動的區域差異對景觀變化的影響有待深入研究。