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    不同空間尺度下景觀格局對人為干擾度的響應(yīng)

    2019-09-19 08:01:55余孟杰吳濤解雪峰蔣國俊沈鎏澄項琦孫曉敏
    安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年16期
    關(guān)鍵詞:景觀格局

    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(shù)據(jù),提取研究區(qū)域的土地利用數(shù)據(jù),并利用ArcGIS?10.3中漁網(wǎng)工具分別創(chuàng)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(shù),構(gòu)建人為干擾強(qiáng)度指標(biāo),通過Pearson?相關(guān)分析來探討不同空間尺度下景觀格局指數(shù)對人為干擾度的響應(yīng),研究金義都市新區(qū)的景觀指數(shù)在不同空間尺度下對人為干擾度做出的響應(yīng)。結(jié)果表明:①人為干擾強(qiáng)度空間分布表現(xiàn)為四周低,中間高。②斑塊密度(PD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)與人為干擾度呈正相關(guān)關(guān)系;蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀聚集度指數(shù)(AI)與人為干擾度呈顯著負(fù)相關(guān)。③在探討評價單元的空間尺度時發(fā)現(xiàn),景觀指數(shù)與人為干擾度的相關(guān)顯著性表現(xiàn)不同,具體表現(xiàn)在:AI在空間尺度為2?000?m時,顯著相關(guān)。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(guān),說明人為干擾度與景觀格局指數(shù)之間的響應(yīng)存在空間尺度差異性。④在處于發(fā)展初期的區(qū)縣尺度下進(jìn)行景觀格局指數(shù)與人為干擾度相關(guān)性分析時,發(fā)現(xiàn)選取評價單元為4?000?m時,得到的相關(guān)性和顯著性結(jié)果較好。

    關(guān)鍵詞?金義都市新區(qū);景觀格局;人為干擾度;空間尺度

    中圖分類號?P901文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)(資源服務(wù))標(biāo)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(tài)學(xué)作為生態(tài)學(xué)、地理科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的綜合交叉學(xué)科,主要研究宏觀尺度上景觀類型的空間格局和生態(tài)過程的相互作用及其動態(tài)變化特征[1-3]。時間尺度和空間尺度問題是景觀生態(tài)學(xué)研究的基礎(chǔ)[4]。景觀格局指數(shù)是現(xiàn)代景觀生態(tài)學(xué)中應(yīng)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(xué)家Jalas[6]提出,后國內(nèi)學(xué)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境和城市等諸多領(lǐng)域的生態(tài)評價研究[8]。劉吉平等[9]采用網(wǎng)格分析法研究景觀指數(shù)的時空分異規(guī)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(yīng)機(jī)制進(jìn)行探討,結(jié)果表明不同時期內(nèi)PLAND、LPI、AI、CONNECT、ED等與人為干擾度有不同的響應(yīng)趨勢;劉富強(qiáng)等[10]利用多期遙感數(shù)據(jù),探討岸線變化和景觀格局變化對人類活動的動態(tài)響應(yīng),結(jié)果表明海岸線長度的變化以及岸線分形維數(shù)的變化均與人為干擾呈負(fù)相關(guān)。

    近年來,景觀格局指數(shù)作為分析景觀格局特征的定量化指標(biāo)得到迅速發(fā)展,人為干擾度與土地利用格局以及尺度效應(yīng)的研究逐漸成為景觀生態(tài)學(xué)者的研究熱點[11-15]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)[16-20],研究區(qū)域尺度大小不同時,景觀指數(shù)及人為干擾度的響應(yīng)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(jìn)一步探討。金義都市新區(qū)作為發(fā)展中的小城鎮(zhèn),可代表中國大多數(shù)小城鎮(zhèn)的發(fā)展現(xiàn)狀,筆者以其為例,探討景觀格局指數(shù)與人為干擾度相關(guān)關(guān)系,尋求最佳劃分尺度,為縣域尺度范圍內(nèi)的人類活動干擾強(qiáng)度的景觀格局相關(guān)研究提供科學(xué)依據(jù)。

    1?數(shù)據(jù)業(yè)源與研究方法

    1.1?研究區(qū)概況

    金義都市新區(qū)位于浙江中部,金華市金東區(qū)與義烏市結(jié)合部(119°41′~120°07′E、29°22′~29°03′N),地處長三角經(jīng)濟(jì)圈和海西協(xié)作區(qū)交匯點。地勢中部低,南北高,東陽江貫穿其南(圖1)。新區(qū)近期規(guī)劃區(qū)域內(nèi)有孝順鎮(zhèn)、傅村鎮(zhèn)、曹宅鎮(zhèn)、塘雅鎮(zhèn)、澧浦鎮(zhèn)、上溪鎮(zhèn)、義亭鎮(zhèn)、佛堂鎮(zhèn)。根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《浙江省城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2010—2020)》,未來的金義都市區(qū)將建成300萬~500萬人口規(guī)模的城市,與金華義烏共同形成浙中城市群核心區(qū),成為浙江省第四大都市區(qū)和帶動浙江中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要增長極。

    1.2?數(shù)據(jù)獲取與處理

    利用地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat-8衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品,在ArcGIS軟件平臺下,對圖像進(jìn)行預(yù)處理,利用人工目視解譯,結(jié)合地形圖,參考中國科學(xué)院土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),辨別區(qū)域土地利用方式類型,將研究區(qū)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(zhèn)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(gòu)建。

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

    1.3.2?人為干擾度計算。

    基于文獻(xiàn)[21-22],該研究中將林地的人為干擾度指數(shù)(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(zhèn)與建設(shè)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(shù),將計算結(jié)果作為網(wǎng)格中心點值,在

    ArcGIS?10.3空間分析模塊中進(jìn)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(jìn)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(tǒng)計單元人為干擾指數(shù);n為統(tǒng)計單元內(nèi)地表覆蓋的斑塊數(shù);f?i為當(dāng)前斑塊i的面積與統(tǒng)計單元總面積的比值;H?i為當(dāng)前斑塊類型的人為干擾度相對值。

    1.3.3?景觀格局指數(shù)計算。

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

    2?結(jié)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(qū)2016年不同利用類型的土地景觀格局指數(shù),結(jié)果見表1。結(jié)合表1與圖2可知:該區(qū)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(zhèn)與建設(shè)用地面積次之,為?8?968.77?hm2;草地與湖泊斑塊密度(PD)遠(yuǎn)大于其他利用類型土地,結(jié)合圖2可知,草地與湖泊零散分布于整個區(qū)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(qū)處于初期發(fā)展階段,城鎮(zhèn)與建設(shè)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(biāo)(LSI)均遠(yuǎn)大于1,表明景觀形狀比較復(fù)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(zhèn)與建設(shè)用地以及湖泊連接度較低;林地主要分布于研究區(qū)域四角,聚合度(AI)高,耕地分布于研究區(qū)域中部地平地區(qū),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(jié)合實際情況將金義都市新區(qū)人為干擾強(qiáng)度劃分為5個等級:低干擾強(qiáng)度(HI≤3)、中低干擾強(qiáng)度(3

    從圖3整體可看出,研究區(qū)域大體上呈現(xiàn)中間高干擾,四周低干擾的分布趨勢。干擾低值區(qū)(HI<4)主要分布在研究區(qū)域東、北、南、西北四角,該區(qū)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(qū)(HI>5)主要分布在金衢盆地內(nèi)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(qū)域地形平坦,起伏較小,從整體上看,自2012年新區(qū)啟動以來,研究區(qū)域中部人類活動顯著,使該區(qū)域?人為干擾度分布情況。人為干擾強(qiáng)度較高,成為中高干擾強(qiáng)度區(qū)和高干擾強(qiáng)度區(qū)。

    從圖3看,評價單元空間尺度越小,干擾細(xì)節(jié)越顯著,干擾的異質(zhì)性和干擾細(xì)節(jié)差異越明顯,便于直觀地了解研究區(qū)域人為干擾度空間分布狀況。結(jié)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(yīng)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(jié)果越粗略,極值往往被均值化,以至于不能表現(xiàn)干擾度的空間細(xì)節(jié)差異。

    2.3?不同空間尺度景觀格局指數(shù)與人為干擾度相關(guān)分?析

    將景觀格局指數(shù)(NP、PD、LPI、LSI、CONTAG、SHDI、SHEI、AI)與人為干擾度進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。結(jié)果表明(表3),在2?000?m尺度下,AI與人為干擾度均呈顯著負(fù)相關(guān),表明隨著人類活動增強(qiáng),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(guān),表明人為干擾強(qiáng)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(guān),此階段研究區(qū)域正處于快速發(fā)展初期,區(qū)域景觀異質(zhì)性隨著人類活動加強(qiáng)而增加,多樣性(SHDI)增加,并持續(xù)增加一段時間,干擾度大的斑塊不斷擴(kuò)大,兼并區(qū)域內(nèi)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(zhèn)與建設(shè)用地等斑塊占景觀主導(dǎo)位置;而CONTAG與人為干擾度呈顯著負(fù)相關(guān),表明人類的開發(fā)建設(shè)導(dǎo)致金義新區(qū)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(jié)合劉吉平等[10]、劉富強(qiáng)等[9]的研究成果,發(fā)現(xiàn)景觀格局指數(shù)對人為干擾度的變化存在一定響應(yīng),但不同地區(qū)、不同時間段、不同空間尺度時,景觀格局指數(shù)對人為干擾度的響應(yīng)不同。而金義都市新區(qū)建設(shè)過程中,中部平原地區(qū)的人類活動不斷加強(qiáng),導(dǎo)致PD、CONTAG、SHDI、SHEI以及AI都對人類活動均做出不同程度的響應(yīng),可較好地表征人為干擾的方向與強(qiáng)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(guān)性,即分析景觀格局指數(shù)與人為干擾度的尺度響應(yīng)問題時,空間評價單元尺度過大或過小均不恰當(dāng)。在金義都市新區(qū)中,選取空間尺度為4?000?m效果較好。

    3?結(jié)論與討論

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

    (2)通過對金義都市新區(qū)的人為干擾強(qiáng)度與景觀格局指數(shù)的Pearson相關(guān)性分析,可以明確人類活動對其景觀格局指數(shù)的值有顯著影響,主要表現(xiàn)在PD、SHDI、SHEI隨著人類活動的增強(qiáng)即人為干擾強(qiáng)度的增加而增加;而CONTAG及AI隨著人為干擾度強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小。表明人為干擾強(qiáng)度變化也是影響景觀指數(shù)變化的驅(qū)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(guān)景觀格局指數(shù)與人為干擾度的Pearson相關(guān)性。結(jié)果表明,當(dāng)空間尺度為2?000?m和4?000?m時,相應(yīng)景觀格局指數(shù)與人為干擾強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著相關(guān)性。

    (4)該研究以2016年的金義都市新區(qū)為例,探討在區(qū)縣尺度下,景觀格局指數(shù)與人文干擾度的相關(guān)性。彼時金義都市新區(qū)正處于初期快速發(fā)展城市建設(shè)階段,人類活動迅速增加,對景觀格局的干擾加強(qiáng),相應(yīng)指數(shù)也做出相應(yīng)。而當(dāng)選取不同空間尺度的評價單元時,工作量及結(jié)果不同,通過對比選取最優(yōu)尺度區(qū)間。結(jié)果表明,當(dāng)研究區(qū)域為發(fā)展初期的區(qū)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(shù)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(yīng)景觀指數(shù)的相關(guān)性,對研究區(qū)域進(jìn)行分析,以達(dá)到對比分析的效果。對于尺度的選取仍存在進(jìn)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(qū)為例,探討與此區(qū)域面積相近的發(fā)展中的區(qū)縣區(qū)域的景觀指數(shù)與人為干擾度相關(guān)性,給相似研究區(qū)域的研究工作提供一個空間尺度上的參考。

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