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    基于不同粒度的濕地土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及其景觀指數(shù)動(dòng)態(tài)1)

    2014-03-06 03:19:52張長勤李鑫孫力董斌李欣陽汪慶盛書薇楊李楊少文汪濤
    關(guān)鍵詞:景觀區(qū)域生態(tài)

    張長勤 李鑫 孫力 董斌 李欣陽 汪慶 盛書薇 楊李 楊少文 汪濤

    (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),合肥,230036)

    景觀生態(tài)學(xué)中,時(shí)間粒度是指某一現(xiàn)象或事件發(fā)生的頻率或時(shí)間間隔;空間粒度是指景觀中最小的可辨識單元所代表的特征長度、面積或體積[1]。景觀指數(shù)在土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測中具有重要的指示作用,傳統(tǒng)的景觀指數(shù)計(jì)算大多通過Fragstats軟件進(jìn)行運(yùn)算;但是,空間數(shù)據(jù)因聚合而改變其粒度或柵格單元的大小時(shí),分析結(jié)果也會(huì)隨之改變[2]。粒度往往反映了不同的生態(tài)學(xué)過程在不同空間尺度上所起的主導(dǎo)作用,由于生態(tài)系統(tǒng)的等級性、生態(tài)過程中的多尺度特征及土地利用景觀格局對生態(tài)過程的影響,均隨尺度的變化而表現(xiàn)出不同的特征,因此,相同的景觀格局在不同的景觀尺度下可能得出不同的結(jié)果[3]。濕地,被稱為“地球之腎”。按照《國際濕地公約》定義,廣義的濕地不僅是指天然或人工、常久或暫時(shí)的沼澤地、濕原、泥炭地或水域地帶,還指靜止或流動(dòng)、或?yàn)榈胂趟蛳趟w者,包括低潮時(shí)水深不超過6m 的水域。由于濕地的原生性和脆弱性,導(dǎo)致濕地土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對粒度效應(yīng)的響應(yīng)更為劇烈。近年來,粒度效應(yīng)越來越廣泛的應(yīng)用于土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等景觀格局研究領(lǐng)域。殷賀等[4]指出,傳統(tǒng)的研究框架,已經(jīng)不能適應(yīng)區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的要求,需要分析尺度特征才能實(shí)現(xiàn)不同尺度下的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的協(xié)調(diào)和對接。傅麗華等[5]指出,要借助景觀粒度效應(yīng),在區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中建立新的土地利用評價(jià)體系。冀亞哲等[6]運(yùn)用GIS 和景觀分析手段,研究不同粒度和矢量數(shù)據(jù)之間的變化特征和機(jī)理。徐麗等[7]運(yùn)用變異函數(shù)和擬合函數(shù),對合肥市2002年土地利用景觀指數(shù)進(jìn)行了分析。此外,在國際上,Almo Farina[8]最早提出的景觀等級與結(jié)構(gòu)理論是景觀尺度分析的主要理論之一。Xu Shenlai[9]等將景觀指數(shù)運(yùn)用到城市景觀強(qiáng)度中,并分析不同的時(shí)間粒度下景觀指數(shù)對城市景觀強(qiáng)度的影響。傳統(tǒng)的粒度研究,大多集中于對不同空間粒度景觀指數(shù)的簡單的比較,很少將空間和時(shí)間粒度結(jié)合,引入到濕地土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。鑒于此,本文以安徽省升金湖國家自然保護(hù)區(qū)(以下簡稱保護(hù)區(qū))為研究對象,運(yùn)用ArcGIS 軟件和Fragstats 軟件,將保護(hù)區(qū)的土地利用分類模板進(jìn)行30、50、100、300、500 m 的柵格重采樣,分析景觀指數(shù)變化情況,構(gòu)建土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)綜合模型,提高綜合模型準(zhǔn)確性,為保護(hù)區(qū)的土地資源利用及管理提供科學(xué)依據(jù)。根據(jù)粒度調(diào)整后的評價(jià)模型得出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的上升導(dǎo)致過冬的鳥類數(shù)量減少,據(jù)統(tǒng)計(jì),1986—2011年間,保護(hù)區(qū)內(nèi)白頭鶴的數(shù)量由517 只減少到了494 只,白鶴由32只減少到了0 只。

    1 研究區(qū)域概況

    升金湖國家自然保護(hù)區(qū),位于安徽省池州市境內(nèi),瀕臨長江(116°55' ~117°15'E,30°15' ~30°30'N)。1986年,升金湖保護(hù)區(qū)經(jīng)安徽省人民政府批準(zhǔn)建立,1997年晉升為國家級自然保護(hù)區(qū),是以保護(hù)淡水湖泊系統(tǒng)和珍稀、瀕危鳥類為主體的濕地類型保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)總面積為33 340 hm2,其中升金湖湖面面積13 300 hm2。升金湖是長江中下游極少受到污染的淺水湖泊,水質(zhì)優(yōu)良。保護(hù)區(qū)以升金湖為主體,由升金湖及周圍的灘地組成,區(qū)內(nèi)生物資源極其豐富,生物種類繁多。

    2 研究方法

    基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為1986、2002、2011年的Landsat TM時(shí)相相近的遙感數(shù)據(jù)。輔助數(shù)據(jù)包括SPOT5、1∶ 1萬地形圖、保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃圖、DEM 數(shù)字高程、土壤圖以及1986、2002、2011年保護(hù)區(qū)土地利用分類圖(見圖1)、保護(hù)區(qū)景觀數(shù)據(jù)。

    遙感數(shù)據(jù)處理:以Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)為基本數(shù)據(jù)源,利用Edras 圖像處理軟件對Landsat TM 遙感影像(1986、2002、2011年)進(jìn)行遙感影像裁剪、校正、掩膜等預(yù)處理,建立保護(hù)區(qū)土地利用分類圖。將土地利用類型分為8 類:建設(shè)用地、草地、耕地、林地、水域、未利用地、交通用地、園地,并對解譯精度進(jìn)行kappa 系數(shù)驗(yàn)證和野外實(shí)測驗(yàn)證。經(jīng)檢驗(yàn),建立的土地利用分類模板kappa 系數(shù)均達(dá)到85%以上。野外實(shí)測驗(yàn)證共采集208 個(gè)點(diǎn),其中有183 個(gè)點(diǎn)與分類結(jié)果相一致,相一致系數(shù)達(dá)到87.98%,符合遙感影像監(jiān)督分類精度要求。

    圖1 1986—2011年研究區(qū)土地利用分類

    粒度劃分及評價(jià)模型建立:運(yùn)用ArcGIS 軟件對1986、2002、2011年的土地利用分類圖進(jìn)行柵格重分類,將每年的土地利用分類模板劃分粒度為30、50、100、300、500 m 的土地利用分類圖;運(yùn)用Fragstats 軟件求解不同粒度不同年份的景觀數(shù)據(jù),分析景觀數(shù)據(jù)變化情況;運(yùn)用層次分析法及線性回歸法建立土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。

    馬爾科夫鏈模型:馬爾科夫鏈?zhǔn)菙?shù)學(xué)中具有馬爾科夫性質(zhì)離散的時(shí)間隨機(jī)過程。運(yùn)用馬爾科夫鏈模型,根據(jù)土地分類后的景觀數(shù)據(jù),結(jié)合土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型,預(yù)測2015、2020年保護(hù)區(qū)的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)狀況,為土地利用及管理提供科學(xué)依據(jù),防止土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)惡化[10]。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 景觀指數(shù)在不同粒度下的變化特征

    通過ArcGIS 軟件對分類后的土地利用柵格圖進(jìn)行柵格重分類,將研究區(qū)域劃分為粒度為30、50、100、300、500 m 的柵格圖,并運(yùn)用Fragstats 軟件和Excle 軟件進(jìn)行景觀數(shù)據(jù)分析(見圖2)和變異系數(shù)分析(見表1)。通過統(tǒng)計(jì)分析,本文共選取了10 個(gè)與土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性較大的景觀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模,包括邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、拼塊平均大小(MPS)、香農(nóng)多樣性指標(biāo)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指標(biāo)(SHEI)、Simpson 多樣性指標(biāo)(SIDI)、Simpson 均勻度指標(biāo)(SIEI)、修正Simpson 均勻度指標(biāo)(MSIEI)、修正Simpson 多樣性指標(biāo)(MSIDI)、邊緣面積分維(PFARC)。

    由圖2,結(jié)合表1可知,隨著時(shí)間和空間粒度的變化,研究區(qū)各景觀指數(shù)也表現(xiàn)出不同的變化趨勢,說明粒度的變化對景觀指數(shù)的變化具有明顯的作用。其中邊緣密度和景觀形狀指數(shù),總體呈現(xiàn)下降趨勢,并且在300 m 處有較明顯的拐點(diǎn)。拼塊平均大小、香農(nóng)多樣性指標(biāo)、香農(nóng)均勻度指標(biāo)、Simpson 均勻性指標(biāo)、修正Simpson 均勻度指標(biāo)和修正Simpson多樣性指標(biāo),總體呈現(xiàn)上升趨勢,且在50 m 處有較為明顯的拐點(diǎn)。Simpson 多樣性指標(biāo)及邊緣面積分維,隨時(shí)間和空間粒度的波動(dòng)較大,隨著時(shí)間粒度和空間粒度的變化呈現(xiàn)先增后降的趨勢,且在100 m處有明顯的拐點(diǎn)。此外,從景觀指數(shù)的變異系數(shù)上分析得出,邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、拼塊平均大小、香農(nóng)多樣性指標(biāo)、修正Simpson 多樣性指標(biāo)、邊緣面積分維,對粒度變化較為敏感;而香農(nóng)均勻度指標(biāo)、Simpson 多樣性指標(biāo)、Simpson 均勻度指標(biāo)以及修正Simpson 均勻度指標(biāo),對粒度變化的反應(yīng)不敏感。

    圖2 1986—2011年研究區(qū)域景觀指數(shù)隨粒度變化

    表1 研究區(qū)域景觀指數(shù)在粒度變化下的變異系數(shù)

    3.2 土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

    不同的景觀指數(shù),對土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)具有不同的指向作用,其對土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的意義也不同;因此,建立土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與景觀指數(shù)之間的關(guān)系模型,有利于科學(xué)合理的預(yù)測土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化情況[11]。但傳統(tǒng)意義上的綜合模型,只是簡單的考慮了單一粒度或者是多種空間粒度情況下的景觀指數(shù)與土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系,并沒有將空間粒度與時(shí)間粒度相結(jié)合,建立土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型。由于濕地系統(tǒng)的原生態(tài)性和多樣性,因此,建立合適的空間粒度有利于科學(xué)合理的預(yù)測濕地的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

    通過相關(guān)性分析可知,在所選擇的景觀因子中,邊緣密度和景觀形狀指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān);而拼塊平均大小、香農(nóng)多樣性指標(biāo)、香農(nóng)均勻度指標(biāo)、Simpson 均勻性指標(biāo)、修正Simpson 均勻度指標(biāo)、修正Simpson多樣性指標(biāo),與粒度呈現(xiàn)正相關(guān)。通過統(tǒng)計(jì)分析可知,在所有景觀因子中,除拼塊平均大小與粒度之間的關(guān)系較小,其他景觀指數(shù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.884,大于0.5;故將粒度因素引入綜合模型中,有利于提高土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)模型的評價(jià)精度,提高土地利用決策的科學(xué)性。基于此,本文選取了粒度影響下的邊緣密度(X1)、景觀形狀指數(shù)(X2)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(X3)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(X4)、Simpson 多樣性指標(biāo)(X5)、Simpson 均勻度指標(biāo)(X6)、修正Simpson 均勻度指標(biāo)(X7)、修正Simpson 多樣性指標(biāo)(X8)、邊緣面積分維(X9),為土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(Y)綜合評價(jià)模型的影響因子;通過層次分析法可得出各因子所占權(quán)重(見表2),且各因子的隨機(jī)一致性比率小于0.1,層次單排序結(jié)果有滿意的一致性。

    通過線性回歸方法將粒度引入景觀指數(shù)。由統(tǒng)計(jì)分析可知,在選擇的9 個(gè)景觀因子中,邊緣密度與景觀形狀指數(shù)的特征值大于1,且主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到91.9%,故選取邊緣密度與景觀形狀指數(shù)作為第一和第二主成分[12]。由此可得出,在粒度影響下的調(diào)整后的景觀指數(shù)綜合模型(Y1):

    將所有調(diào)整后的景觀指數(shù),乘以其在土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的權(quán)重,可得出研究區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(Y)的綜合評價(jià)模型:

    對綜合模型進(jìn)行回歸平方和分析,因變量土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的觀測值,主要受土地利用景觀因子X1~X9的影響;故需要由回歸方程進(jìn)行方差分析,以確保綜合模型的科學(xué)性。由統(tǒng)計(jì)分析可知,其回歸平方和為0.575 6,且其置信水平在0.01 以下,說明建立的回歸模型是顯著的。

    表2 土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)景觀因子權(quán)重

    3.3 土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

    根據(jù)研究區(qū)域不同年份不同粒度的景觀指數(shù),選擇適宜的粒度對研究濕地土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)尤為重要。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用馬爾科夫鏈可以得到以5 a為一個(gè)步長的不同粒度下的景觀指數(shù),本文僅以2015年和2020年為例(見表3),并由圖2得出研究區(qū)域的適宜粒度,分析粒度對應(yīng)的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。由圖2可知,本文選取的景觀指數(shù)的第一尺度域多集中在30 ~50 m 和300 ~500 m;但由于香農(nóng)均勻度指標(biāo)、Simpson 多樣性指標(biāo)、Simpson 均勻度指標(biāo)、修正Simpson 均勻度指標(biāo),對粒度變化的反應(yīng)不敏感,故在選取適宜粒度時(shí)偏向于選取30 ~50 m。

    由研究區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)模型及圖3可知,研究區(qū)域的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)先降后升的趨勢。土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),從198 6年的1.31 下降到了2002年的1.29,隨后又上升到2011年的2.01;且高土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),主要集中在研究區(qū)域的西北角和東北角,這與研究區(qū)域的越冬鳥類數(shù)量變化相一致。據(jù)統(tǒng)計(jì),1986—2011年間,保護(hù)區(qū)內(nèi)白頭鶴的數(shù)量由517 只減少到了494 只,白鶴由32 只減少到0 只;而白頭鶴與白鶴,主要集中在研究區(qū)域的東北角和西北角。這與研究區(qū)域,對土地利用生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的重視程度以及研究區(qū)域土地資源開發(fā)狀況有關(guān)。最近幾年,由于研究區(qū)域土地利用生態(tài)系統(tǒng)的重視程度有所下降、土地資源的管理權(quán)利不集中、土地資源開發(fā)不合理、土地管理體系不健全,導(dǎo)致研究區(qū)域,特別是研究區(qū)域西北角和東北角的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)有所提高。通過馬爾科夫鏈的運(yùn)算,可以預(yù)測出2015年和2020年的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),將分別達(dá)到2.32 和2.72。由于研究區(qū)域?qū)儆诘湫偷臐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境具有脆弱性和破壞后不易修復(fù)的特性,土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的上升也必將引起整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的破壞[13]。

    表3 2015—2020年升金湖濕地保護(hù)區(qū)景觀指數(shù)

    圖3 1986、2002、2011年研究區(qū)域土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)插值

    4 討論

    土地利用景觀數(shù)據(jù)取值與研究區(qū)域的景觀粒度選擇密切相關(guān),一般研究區(qū)域范圍越小的地區(qū)對于粒度的精準(zhǔn)度要求越高。在本文中,研究區(qū)域的邊緣密度和景觀形狀指數(shù)與景觀粒度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),而拼塊平均大小、香農(nóng)多樣性指標(biāo)、香農(nóng)均勻度指標(biāo)、Simpson 均勻性指標(biāo)、修正Simpson 均勻度指標(biāo)、修正Simpson 多樣性指標(biāo)與粒度呈現(xiàn)正相關(guān)。這與徐麗等[7]運(yùn)用變異函數(shù)和擬合函數(shù),對合肥市2002年土地利用景觀指數(shù)進(jìn)行分析得出的結(jié)論相一致,即空間粒度變化對景觀指數(shù)的影響是顯著的。景觀指數(shù),不僅是作為土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)因子,同時(shí)也是最能反映土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的表征。傳統(tǒng)意義上的研究,大多僅限于對單一時(shí)間粒度下的空間粒度的研究,或者是單一空間粒度下的時(shí)間粒度的研究,很少將時(shí)間粒度與空間粒度相結(jié)合進(jìn)行研究。本研究在評價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),根據(jù)總體的粒度變化特征以及升金湖濕地的狀況,對升金湖國家自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)分析的適宜粒度為30 ~50 m。

    研究區(qū)域的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn),呈現(xiàn)先降后升的趨勢;從1986年的1.31 下降到2002年的1.29,到2011年上升到2.01。這與研究區(qū)域,在不同時(shí)期對土地資源的管理力度以及對濕地土地利用生態(tài)系統(tǒng)的重視程度密切相關(guān)。早期,研究區(qū)域,對土地資源等其他農(nóng)業(yè)資源的開發(fā),多采用粗放型的發(fā)展模式;對土地和漁業(yè)資源的無節(jié)制開發(fā)和利用,也直接導(dǎo)致了21 世紀(jì)初該區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化,魚類和鳥類數(shù)量急劇下降;隨后,該區(qū)加大了對研究區(qū)域土地資源和其他農(nóng)業(yè)資源的開發(fā)管理力度,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也隨之有所下降,生態(tài)環(huán)境得到一定程度的改善。但由于生產(chǎn)生活的需要,研究區(qū)域的管理力度、管理設(shè)施無法與該區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相適應(yīng),特別是對保護(hù)區(qū)管理權(quán)限的劃定不合理,使該區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)面臨較為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。到2011年,研究區(qū)域的土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不降反升,生態(tài)環(huán)境面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

    本文選取了9 個(gè)景觀數(shù)據(jù),作為土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)因子,并將景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)引入模型中,有利于提高土地利用評價(jià)模型的準(zhǔn)確性與科學(xué)性。但并非所有的景觀指數(shù)與土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)線性關(guān)系,故在今后的研究中需要予以區(qū)別對待。

    本文選取了9 個(gè)景觀指數(shù),作為土地利用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的因子,但其中有3 個(gè)對粒度的變化不是很敏感。此外,不同的景觀指數(shù)對粒度的反應(yīng)各不相同。因此,在研究粒度對土地利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)時(shí),要分不同情況進(jìn)行分析。

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