基于移動窗口法的豫西山地丘陵地區(qū)景觀異質(zhì)性分析

李棟科，丁圣彥,*，梁國付，趙清賀，湯 茜，孔令華

(1.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室，開封 475004； 2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院， 開封 475001)

基于移動窗口法的豫西山地丘陵地區(qū)景觀異質(zhì)性分析

李棟科1,2，丁圣彥1,2,*，梁國付1,2，趙清賀1,2，湯 茜1,2，孔令華2

(1.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室，開封 475004； 2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院， 開封 475001)

研究典型區(qū)域景觀異質(zhì)性過程中，對特征尺度的判斷尤為重要?；?S技術(shù)，以豫西山地丘陵地區(qū)鞏義市為研究區(qū)域，在分析其景觀組分與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用半變異函數(shù)和移動窗口相結(jié)合的方法，確定研究景觀異質(zhì)性的特征尺度，并在特征尺度下選取西北—東南方向和東北—西南方向兩條樣線，分析研究區(qū)不同干擾背景下景觀異質(zhì)性的空間特征。結(jié)果表明：豫西鞏義地區(qū)總體上以旱地、建設(shè)用地、水澆地、草地和有林地景觀類型為主，其中旱地所占比例最大(30.9%)，溝渠所占比例最小(0.1%)；根據(jù)特征尺度分析確定研究區(qū)鞏義市景觀異質(zhì)性的合適尺度為1000 m；在特征尺度下，研究區(qū)景觀破碎化以河谷平原和丘陵為主的鞏義東部偏南區(qū)域最高，以人為干擾較少的南部低山有林地區(qū)最低，景觀多樣性分布特征則呈現(xiàn)4個聚集中心，分別為北部河谷平原農(nóng)業(yè)區(qū)、城市建成區(qū)、南部低山區(qū)和東南丘陵區(qū)；不同干擾背景下，鞏義地區(qū)景觀異質(zhì)性根據(jù)城市化程度呈現(xiàn)以市區(qū)為中心向外輻射發(fā)展的特征，同時受海拔高度因素影響較大，即在海拔200 m以下區(qū)域景觀受人為干擾強烈，海拔200—500 m丘陵區(qū)域受海拔因子和人為干擾因子共同作用，海拔500 m以上區(qū)域海拔因子起主導(dǎo)作用。研究結(jié)果可為豫西山地丘陵地區(qū)及同類地區(qū)景觀異質(zhì)性的研究尺度、景觀格局優(yōu)化和土地的有效管理提供依據(jù)。

移動窗口法；特征尺度；景觀異質(zhì)性；山地丘陵地區(qū)；河南西部

景觀生態(tài)學(xué)注重異質(zhì)性的研究[1]，其研究核心是強調(diào)空間異質(zhì)性與生態(tài)過程、尺度之間的相互作用關(guān)系[2- 5]。景觀異質(zhì)性是空間斑塊性和空間梯度的綜合反映[6- 7]，是景觀格局的重要特征。分析景觀異質(zhì)性是研究景觀功能和動態(tài)的基礎(chǔ)，對探索景觀結(jié)構(gòu)與自然生態(tài)過程和社會經(jīng)濟活動的關(guān)系[8- 9]、研究區(qū)土地資源合理利用和可持續(xù)發(fā)展均具有重要的理論和現(xiàn)實意義[10]。目前分析景觀異質(zhì)性多是在深入理解各個景觀指數(shù)對應(yīng)公式及生態(tài)學(xué)意義基礎(chǔ)上[6, 11- 12]，本著代表性、統(tǒng)一性和便于解釋原則，直接用景觀指數(shù)來表征景觀異質(zhì)性。但是，景觀指數(shù)具有尺度效應(yīng)、方向性及其他行為學(xué)特征[2, 13- 15]，目前的研究較少綜合以上特征對區(qū)域景觀異質(zhì)性進行分析。

對于特定研究區(qū)域，選擇合適的研究尺度對研究結(jié)果尤為重要。有研究表明，利用地統(tǒng)計學(xué)中的半變異函數(shù)和移動窗口法都可以較好地分析景觀指數(shù)與空間變量的變異關(guān)系，以及判定研究區(qū)域的特征尺度。其中，移動窗口法最早由Whittaker提出用于分析植被沿水分梯度的變化[16]，隨后被應(yīng)用于城鄉(xiāng)交錯帶景觀異質(zhì)性等方面的研究[17]，其原理是在研究區(qū)內(nèi)選取一定大小的窗口進行移動，形成新的可在地理信息系統(tǒng)(GIS)中運算的數(shù)據(jù)圖形[18]，實現(xiàn)在區(qū)域或地區(qū)尺度上對景觀指標的量化[19- 20]，從空間尺度上明確展示景觀異質(zhì)性特征；半方差分析是把統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)的大小作為一個距離的函數(shù)來反映一個采樣點與其相鄰采樣點的空間關(guān)系的一種地統(tǒng)計學(xué)方法，可用于分析特征尺度，目前已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。但是，綜合半變異函數(shù)和移動窗口法來判定區(qū)域景觀特征尺度的研究較少。

鞏義市位于中岳嵩山北麓，地貌類型多樣，地勢南高北低，山地、丘陵、平原類型齊全。近年來，隨著區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展，該地區(qū)的景觀發(fā)生了巨大變化，引起較多關(guān)注。但是，大部分學(xué)者多從村域和農(nóng)戶角度研究農(nóng)田生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入產(chǎn)出特征、農(nóng)田系統(tǒng)能量投入產(chǎn)出特征、農(nóng)戶遷居模式等[21- 23]，以及從恢復(fù)生態(tài)學(xué)角度研究森林景觀恢復(fù)[24]，較少從景觀生態(tài)學(xué)角度研究不同干擾背景下景觀異質(zhì)性變異特征。

因此，本研究基于地理信息系統(tǒng)，采用移動窗口法和半變異函數(shù)相結(jié)合的方法，以鞏義市為研究區(qū)域，探討該區(qū)域景觀異質(zhì)性變化的特征尺度和景觀空間變異特征，以期為研究區(qū)域土地的有效管理及可持續(xù)利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

作為豫西地區(qū)經(jīng)濟活力較高的三縣之一的鞏義市[25]，位于黃河中游地區(qū)，處于國家第2臺階向第3臺階過渡邊緣，地理位置介于北緯34°31′—34°52′，東經(jīng)112°49′—113°17′，在河南省省會鄭州與古都洛陽之間，南依嵩山，北臨黃河，地勢東南高西北低(圖1)。鞏義市土地總面積為1041 km2，其中山地、丘陵面積共919 km2，河谷、平原面積117 km2，屬典型的山地丘陵地區(qū)。山地分布著保護較完整的大面積林地，植物資源豐富，以溫帶落葉闊葉林為主；低山丘陵地區(qū)以荒山灌草叢、經(jīng)濟林和人工林為主；河谷平川地區(qū)以精耕細作的農(nóng)業(yè)為主，或者是農(nóng)林間作。鞏義地處暖溫帶半濕潤偏干旱區(qū)，屬于溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫14.4 ℃,7月最熱，平均氣溫27.3 ℃，1月最冷，平均氣溫0.2 ℃，平均的降雨量為640.9 mm，無霜期為220 d。

圖1 鞏義市地理位置圖及海拔梯度Fig.1 Location and DEM of Gongyi City

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 數(shù)據(jù)選擇

本研究選用的數(shù)據(jù)有：2011年鞏義市土地利用現(xiàn)狀圖(當?shù)卣块T提供，比例尺較大，數(shù)據(jù)涉密)，比例尺為1∶1萬；2012年鞏義實地調(diào)查得出的景觀類型組成、地貌特征和高程等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理平臺

本研究所采用的數(shù)據(jù)處理軟件主要為：Fragstats 3.3、ArcGIS 9.3以及SPSS 17.0、GS+ 7.0數(shù)據(jù)分析等軟件。

2.1.3 景觀分類

在對研究區(qū)景觀功能認識的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地利用現(xiàn)狀，將研究區(qū)景觀類型劃分為旱地、建設(shè)用地、水澆地、草地、有林地、灌木林、河流、內(nèi)陸灘涂、道路、果園、水庫坑塘、裸地、溝渠共13種景觀類型，并由矢量格式轉(zhuǎn)換為柵格格式，柵格大小為30 m×30 m，進而進行格局指數(shù)的計算。

2.2 景觀指數(shù)的選取

景觀破碎化程度和多樣性指數(shù)是衡量景觀異質(zhì)性的重要指標。根據(jù)前人研究，本文采用最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)代表景觀破碎化程度，破碎化程度越高，空間異質(zhì)性程度就越大，反之破碎化程度越低，空間異質(zhì)性就越?。徊捎孟戕r(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(CONTAG)、景觀均勻度指數(shù)(SHEI)代表研究區(qū)的景觀多樣性，其中，SHDI代表景觀要素的多少和各景觀要素面積占比的變化，CONTAG描述景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)的團聚程度或延展趨勢，SHEI則表示景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)的分配均勻程度。

2.2.1 最大斑塊指數(shù)(LPI)

LPI用于揭示最大斑塊對整個景觀(或類型)的影響程度:

(1)

式中，aij是景觀中斑塊的面積，A為景觀總面積。

2.2.2 斑塊密度指數(shù)(PD)

PD反映斑塊破碎化程度，同時也反映景觀空間異質(zhì)性程度。斑塊密度越大，破碎化程度就越高，空間異質(zhì)性程度就越大，反之，破碎化程度越低，空間異質(zhì)性就越小:

(2)

式中，PD整個景觀的斑塊密度，Ni斑塊數(shù)量，A景觀的總面積。

2.2.3 香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)

SHDI值大小反映景觀要素的多少和各景觀要素面積占比的變化:

(3)

式中，Pi表示景觀類型i所占面積的比例，m表示景觀類型數(shù)。

2.2.4 聚集度指數(shù)(CONTAG)

CONTAG用于描述景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)的團聚程度或延展趨勢：

(4)

式中，Pi為第i種景觀類型所占景觀總面積的比例，m為景觀類型種類數(shù)。gik為隨機選擇的兩個相鄰的柵格屬于類型i和k的概率。蔓延度指數(shù)通常是用來度量景觀斑塊形狀的復(fù)雜程度。取值范圍：0

2.2.5 景觀均勻度指數(shù)(SHEI)

SHEI用于揭示景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)的分配均勻程度。

(5)

式中，Pi為第i種景觀類型占景觀總面積的比例，m為景觀類型的種類數(shù)。

2.3 移動窗口法

首先，將矢量格式的土地利用圖轉(zhuǎn)換為柵格格式(30 m×30 m)；其次，將柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fragstats3.3軟件中，采用標準法計算研究區(qū)整體景觀水平上最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、聚集度指數(shù)(CONTAG)、景觀均勻度指數(shù)(SHEI)等景觀指數(shù)；利用移動窗口法，移動窗口半徑分別設(shè)為500，750，1000，1250，1500，1750，2000 m，從研究區(qū)左上角開始移動，每次移動1個柵格，計算每個窗口內(nèi)上述景觀指數(shù)值(根據(jù)Fragstats3.3使用說明書，對于窗口邊界上不能被整分的柵格由Fragstats3.3軟件自動判定取舍)，并賦予各個窗口的中心柵格，最終獲得各個景觀指數(shù)的空間分布柵格圖。

2.4 半變異函數(shù)

地統(tǒng)計學(xué)是一系列檢測、估算變量在空間上的相關(guān)關(guān)系和格局的統(tǒng)計方法[26]，半方差分析(又稱變異函數(shù)分析)是地統(tǒng)計學(xué)中的一個重要組成部分[27- 30]，目前已在生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。本研究在移動窗口法的基礎(chǔ)上，采用地統(tǒng)計學(xué)中的半變異函數(shù)方法判定景觀特征尺度。半變異函數(shù)是把統(tǒng)計相關(guān)系數(shù)的大小作為一個距離的函數(shù)。區(qū)域化變量Z(x)在點x和x+h處的值Z(x)與Z(x+h)差的方差的一半稱為區(qū)域化變量Z(x)的半變異函數(shù)[31]，記為r(h)。定義為：

r(x,h)= 1/2Var[Z(x)-Z(x+h)]

半變異函數(shù)曲線可以反映一個采樣點與其相鄰采樣點的空間關(guān)系。在半變異函數(shù)曲線上有兩個非常重要的點，即間隔為0時的點和半變異函數(shù)趨勢平穩(wěn)時的拐點，由這兩個點產(chǎn)生4個相應(yīng)的參數(shù)：塊金值(Nugget)、變程(Range)、基臺值(Still)、偏基臺值(Partial Still)。理論上，空間變異是永恒存在的，樣點任意一方或兩者共同作用產(chǎn)生了塊金值(Nugget)，記為C0，當采樣點間距增大時，r(h)從初始的塊金值達到一個相對穩(wěn)定的常數(shù)，該常數(shù)就為基臺值，記為C+C0?；_值與塊金值間的差值為偏基臺值，也就是結(jié)構(gòu)方差C。塊金值與基臺值比值即為塊基比，記為C0/(C+C0)，其值可以估算隨機因素在空間總變量中重要性，進而反映變量在空間上的變異程度。C0/(C+C0)的比值大小代表空間變異程度的高低，其值越小，說明空間自相關(guān)越明顯，也就越穩(wěn)定[23,32- 33]。本研究通過地統(tǒng)計軟件GS + 模擬各個移動窗口下景觀指數(shù)半變異函數(shù)模型，根據(jù)各個景觀指數(shù)的C0/(C+C0)值的變化規(guī)律，分析不同指數(shù)的空間變異特征對尺度變換的響應(yīng)。結(jié)合前人研究，當比值達到穩(wěn)定狀態(tài)時，即說明景觀指數(shù)在空間的變異趨于穩(wěn)定，可判定為研究區(qū)域景觀的特征尺度[32- 33]。

2.5 樣線設(shè)置

鞏義市地勢是自東南向西北呈階梯狀急劇降低，分別為中山、低山、丘陵、河谷平川,樣線選取盡量覆蓋所有景觀類型。本文選取西北—東南方向樣線，長為28.3 km；東北—西南方向樣線，長為30.5 km；然后基于特征尺度，利用ArcGIS軟件中3D Analyst功能模塊將兩條樣線上的信息提取并進行梯度變化分析。

圖2 鞏義市2011年景觀分類圖及樣線設(shè)置Fig.2 The classified map of Gongyi city and transects setting in 2011

3 結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)景觀的基本特征

該地區(qū)占較大面積的景觀類型是旱地，面積為322.0 km2，占總面積的30.9%，為該地區(qū)的基質(zhì)；其次為建設(shè)用地，水澆地，草地和有林地的面積，其面積分別為190.0，142.4、135.2 km2和125.8 km2，占總面積的比例分別為18.2%、13.7%、13.0%、12.1%；其他景觀類型面積比較小，均未超過總面積的10.0%(表1)。

3.2 特征尺度

根據(jù)景觀格局指數(shù)空間變異特征值趨勢圖(圖3)，在多個連續(xù)尺度上對區(qū)域景觀斑塊組成與構(gòu)型的空間變異特征進行探討，且在此基礎(chǔ)上確定景觀斑塊組成與構(gòu)型的分析尺度(特征尺度)。

圖3中橫坐標(X軸)代表不同的窗口半徑，縱坐標(Y軸)代表的是塊基比值(C0/(C0+C))。塊基比值越低，空間變異程度越低，空間自相關(guān)性越明顯，也就越穩(wěn)定；越高，空間變異程度越高，越不穩(wěn)定。3個景觀格局指數(shù)的穩(wěn)定性隨著窗口半徑的增加呈現(xiàn)先增加后降低，到一定數(shù)值后趨于穩(wěn)定，因此可以進行特征尺度的判定。結(jié)果表明，粒度750 m和粒度為1000 m時，趨勢圖上出現(xiàn)明顯的拐點。窗口為500 m和750 m時呈現(xiàn)上升趨勢，變化不穩(wěn)定，因此750 m并不能反映研究區(qū)域的特征尺度。3個景觀指數(shù)的空間變異特征值在1000 m左右時開始趨于穩(wěn)定，表明該尺度可以反映研究區(qū)景觀格局變化空間變異特征的內(nèi)在尺度。另外，尺度過大(1250、1500、1750、2000 m)會致使較多的空間信息規(guī)律損失。因此，本研究選擇1000 m作為分析鞏義市景觀格局的理想特征分析尺度。

表1 各景觀類型的面積及所占比例

圖3 景觀格局指數(shù)空間變異特征值趨勢圖Fig.3 The trend of characteristic values of spatial heterogeneity within different extents

3.3 特征尺度下景觀異質(zhì)性特征

3.3.1 景觀破碎化空間分析

2011年研究區(qū)景觀破碎化空間分布狀況如圖4所示，最大斑塊指數(shù)有3個高值區(qū)，分別為鞏義市區(qū)、西部河谷平原城鎮(zhèn)建成地區(qū)和南部低山有林地區(qū)，其中最大高值斑塊為鞏義市區(qū)。鞏義市區(qū)和西部河谷平原城鎮(zhèn)建成區(qū)林地和綠地面積較少，景觀類型以建設(shè)用地為主，人為干擾劇烈；而南部低山有林地區(qū)，由于封山育林，人工油松林已初成規(guī)模，林地面積較大，景觀類型以有林地為主，且海拔在800 m以上，地勢較高，人為干擾因素較弱。斑塊密度在以上3個地區(qū)較小，是由于該地區(qū)優(yōu)勢類型斑塊較大且較完整，破碎化程度較低，空間異質(zhì)性較小。斑塊密度較高地區(qū)位于鞏義東部偏南區(qū)域，大致由鞏義城區(qū)東南部近郊向鞏義東部延展，地形以河谷平原和丘陵為主，地勢較平坦，景觀類型多樣，受人類活動影響較大，所以該地區(qū)破碎化程度較高，并且圖中顯示兩指數(shù)的相關(guān)性較高。

圖4 研究區(qū)景觀破碎化空間分布Fig.4 Spatial distribution of landscape fragmentation of the study area

3.3.2 景觀多樣性空間分析

景觀多樣性空間分布如圖5所示，香農(nóng)多樣性指數(shù)低值區(qū)出現(xiàn)在東南丘陵地區(qū)，南部低山地區(qū)和中部建成區(qū)，尤其在有林地占絕對優(yōu)勢東南部地區(qū)，景觀類型較為單一，景觀幾乎是均質(zhì)的，香農(nóng)多樣性值較低；香農(nóng)多樣性指數(shù)高值出現(xiàn)在市區(qū)北部，該地區(qū)為平原地區(qū)，開發(fā)較早，擁有水澆地、旱地、林地、水域、建設(shè)用地等景觀類型。景觀均勻度指數(shù)表現(xiàn)出與其相似分布狀況。聚集度指數(shù)與景觀多樣性指數(shù)有較高負相關(guān)性，鞏義市區(qū)和中部建成區(qū)，以建設(shè)用地、工礦用地為主，受人類活動影響較大，大斑塊團聚程度較高，呈規(guī)則形狀分布；東南丘陵地區(qū)和南部低山丘陵地區(qū)以荒山灌叢、有林地為主，不同生態(tài)系統(tǒng)團聚程度低。

圖5 研究區(qū)景觀多樣性空間分布Fig.5 Spatial distribution of landscape diversity of the study area

3.4 不同干擾背景下景觀異質(zhì)性特征分析

3.4.1 人為干擾背景下景觀異質(zhì)性分析

在西北—東南方向上，鞏義市景觀異質(zhì)性特征如圖6所示。從遠郊到近郊，最大斑塊指數(shù)總體呈下降趨勢，在離中心城區(qū)約5 km處達到拐點，隨后急劇上升，在市中心達到頂點，隨后在城市中心東南近郊最大斑塊指數(shù)迅速下降。這是由于城市建設(shè)用地景觀類型占絕對優(yōu)勢，人為干擾劇烈所致。最大斑塊指數(shù)總體呈現(xiàn)“W”形狀；聚集度指數(shù)呈現(xiàn)類似結(jié)果。景觀均勻度指數(shù)從遠郊到近郊不斷增加，在近郊離城市中心約5 km處達到最大，然后不斷減少，在市中心達到最小值，隨著離城市中心越來越遠，指數(shù)逐漸增加，在遠郊又呈下降趨勢，并向東南方向不斷延伸，總體呈現(xiàn)“M”形狀。香農(nóng)多樣性和斑塊密度也呈現(xiàn)類似結(jié)果。

圖6 景觀水平上的景觀指數(shù)沿西北—東南方向樣線變化Fig.6 Change in landscape-level metrics along the NW-SE transect

在東北—西南方向上，鞏義市景觀異質(zhì)性特征如圖7所示。遠郊到市中心距離約13 km，最大斑塊指數(shù)和聚集度指數(shù)的峰值出現(xiàn)在市中心，在近郊變化較為劇烈，出現(xiàn)多次的波動，在市中心西南又有回升趨勢，均勻度指數(shù)，多樣性指數(shù)和斑塊密度出現(xiàn)類似的特點，在市中心出現(xiàn)谷值，在近郊出現(xiàn)峰值，在遠郊指數(shù)相對較低。東北—西南方向的景觀格局指數(shù)在城市郊區(qū)波動具有相類似的特點，變化明顯的地區(qū)出現(xiàn)在離市中心7 km范圍，有多次頻繁的波動，景觀類型復(fù)雜多樣。

圖7 景觀水平上的景觀指數(shù)沿東北—西南方向樣線變化Fig.7 Change in landscape-level metrics along the NE-SW transect

通過對比兩條樣線可以發(fā)現(xiàn)，景觀破碎化程度以市區(qū)為中心向外輻射波動。在城市中心斑塊密度達到最低值，是由于斑塊類型較為單一，主要以建設(shè)用地為主，數(shù)量較少，但每個斑塊的面積較大，從而造成斑塊密度較小。而在城市郊區(qū)，斑塊類型多樣，但每個斑塊的面積較小，從而造成斑塊密度較大，甚至出現(xiàn)峰值。所以由城市中心到郊區(qū)景觀由單一、均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌體。但是，由于選取的兩條樣線方向不同，景觀指數(shù)的變化趨勢也有所不同。東北-西南方向景觀格局指數(shù)變化比較劇烈，這可能與研究區(qū)地勢有關(guān)，如鞏義市中心向西南遠郊方向地勢較平坦，城市建設(shè)用地和水澆地占較大優(yōu)勢，受人為活動影響較大，而鞏義市中心向東南遠郊方向以低山為主，有林地斑塊占較大優(yōu)勢，建設(shè)用地和農(nóng)業(yè)用地相對較少，受人為活動影響較小。因此，推斷鞏義市景觀異質(zhì)性變化受海拔因素影響較大。

3.4.2 景觀異質(zhì)性隨海拔高度變化規(guī)律

豫西鞏義市地處在嵩山北麓，最高峰玉柱峰海拔高度為1487 m，最低點鞏義市沙魚溝鄉(xiāng)洛口灘，海拔為103.8 m，上下海拔落差為1383.2 m，其地勢是自南部向西北呈階梯狀急劇下降。南部和東南部分地區(qū)海拔在1000 m以上，屬中山區(qū)域；由中山區(qū)域向西北方向是一系列海拔在500—1000 m的低山，構(gòu)型成低山區(qū)；由低山區(qū)域再向西北方向為廣闊的黃土丘陵區(qū)，其海拔為200—500 m；丘陵區(qū)西北向即為其境內(nèi)河谷平原區(qū)。

為了進一步分析景觀異質(zhì)性隨海拔高度的變化規(guī)律，結(jié)合圖2，圖6和表2發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)西北-東南方向上，各景觀指數(shù)曲線圖的極值均出現(xiàn)在低海拔受人為干擾嚴重的城市建成區(qū)中心附近。對比最大斑塊指數(shù)(LPI)曲線、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)曲線和景觀均勻度指數(shù)(SHEI)曲線發(fā)現(xiàn)，自西北向東南方向過城市中心后，海拔高度升至200 m出現(xiàn)了較為明顯的較小波幅的連續(xù)波動，說明隨海拔高度攀升，自海拔200 m后人為因素減少而海拔因子開始顯著作用于該研究區(qū)景觀，同時也表明海拔200—500 m黃土丘陵區(qū)是海拔因子和人為干擾共同作用的區(qū)域。當海拔進入500—1000 m低山區(qū)向高海拔區(qū)延展的過程中，景觀異質(zhì)性呈均衡平穩(wěn)波動的態(tài)勢，證明隨著海拔梯度的快速躍升，景觀受海拔因子的影響強烈，人類干擾因素顯著降低。以灌木林和有林地為主的低山區(qū)景觀由于海拔的變化被不同程度的自然分割，適度破碎化，斑塊數(shù)量略有增多，進而增加了生境類型，更有利于生物多樣性的保護。另外最大斑塊指數(shù)(LPI)曲線上峰弧度平滑，略有跨度，下峰急變斗轉(zhuǎn)無弧度，表明當?shù)睾０温洳钭兓^快，確實對景觀產(chǎn)生了明顯影響。對比斑塊密度(PD)曲線和聚集度指數(shù)(CONTAG)曲線發(fā)現(xiàn)，進一步印證當海拔從500—1000 m低山區(qū)到高海拔區(qū)延展的過程中出現(xiàn)較為明顯的均衡平穩(wěn)波動并維持在一個適度水平上，表明隨著海拔的攀升，各類型斑塊面積占比趨于穩(wěn)定，景觀中不同生態(tài)系統(tǒng)的分配均勻度適中，人為干擾因素明顯降低，海拔因子對500 m以上高海拔區(qū)域的景觀變化起主導(dǎo)作用。

綜上所述，豫西鞏義地區(qū)海拔200 m以下區(qū)域景觀受人為干擾強烈；海拔200—500 m丘陵區(qū)域是海拔因子和人為干擾因子共同作用的過度區(qū)域，且隨著海拔上升人為干擾因子對景觀作用力逐步減弱；海拔因子對500 m以上高海拔區(qū)域的景觀變化起主導(dǎo)作用。

表2 景觀異質(zhì)性與海拔的相關(guān)性

4 結(jié)論和討論

本文基于鞏義市2011年30 m×30 m柵格圖像數(shù)據(jù)，運用景觀生態(tài)學(xué)、空間統(tǒng)計學(xué)的理論與方法[34- 35]，在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，對豫西山地丘陵典型地區(qū)的鞏義市的景觀格局進行探討。研究表明，基于GIS的梯度和景觀指數(shù)分析，利用移動窗口的方法定量地測定景觀空間格局及其變化規(guī)律是可行的，且可實現(xiàn)景觀指標的空間化與可視化，有利于直觀地了解區(qū)域景觀格局和對干擾進行定量化研究[36- 37]。

采用移動窗口計算景觀格局指數(shù)時，移動窗口半徑大小的選擇對于分析景觀格局的變化有重要影響。在鞏義市山地丘陵地區(qū)，當移動窗口半徑較小時，景觀格局指數(shù)變化較大，當移動窗口半徑到1000 m或更大時，景觀格局指數(shù)變化相對比較平緩。本研究結(jié)果表明，采用1000 m移動窗口半徑來分析研究區(qū)景觀格局時，既能保留梯度特征，又能通過景觀指標的變化真實地反映空間格局的變化。在不同的區(qū)域，隨著景觀組成和構(gòu)型的變化，景觀異質(zhì)性也在不斷變化，分析景觀格局時采用的移動窗口半徑也不一樣，但是本研究提出的方法，可以為研究其它地區(qū)時選擇合適的研究尺度提供參考。

移動窗口形成的景觀指數(shù)空間分布圖，集中形成了4個中心，分別為鞏義市區(qū)、東南丘陵地區(qū)、南部低山地區(qū)和北部平原河川農(nóng)業(yè)區(qū)，這與鞏義地區(qū)空間格局的分布特點密切相關(guān)。中心地區(qū)周圍約5 km處是景觀格局指數(shù)變化最強烈的地區(qū)，這4個中心恰恰代表鞏義4種不同程度的人為干擾區(qū)。市區(qū)是人為干擾最大的區(qū)域，山地區(qū)人為干擾最小，景觀表現(xiàn)為均質(zhì)化的城市景觀，景觀要素類型少，最大斑塊指數(shù)大，多樣性低；河川平原和丘陵地區(qū)人為干擾程度居中，多樣性高，聚集度低。人類活動對鞏義景觀的影響取決于離城市中心的距離，沿兩樣線能清楚識別出城市化中心，鞏義城市空間的擴展受其特殊地形結(jié)構(gòu)的影響，主要從市區(qū)沿東部和北部進行拓進和擴張。從另一個方面說明，所選用表示景觀組成和構(gòu)型方面的指數(shù)，如多樣性指數(shù)、蔓延度指數(shù)等可以很好地表征研究區(qū)景觀格局特征，對于這些指數(shù)深入地分析，可以很好理解和區(qū)域景觀異質(zhì)性特征。此外，除人為干擾外，海拔高度對研究區(qū)景觀異質(zhì)性也起到相當重要的作用，如在地勢較為平坦的低海拔地區(qū)(200 m以下)受人為影響顯著，在中海拔丘陵地區(qū)(200—500 m)景觀異質(zhì)性受海拔高度和人為干擾共同作用，而在500 m以上的高海拔區(qū)域，海拔因子對景觀變化起主導(dǎo)作用。

景觀格局指數(shù)是有尺度相關(guān)性的，景觀格局指數(shù)本身的尺度相關(guān)性是怎樣的？在表征景觀異質(zhì)性時，隨尺度的變化又是怎樣的？這些問題在理解景觀異質(zhì)性特征、特別是借用景觀格局指數(shù)來分析時，是急需要回答的問題，在下一步研究中還需要深入考慮和分析。此外，分析景觀異質(zhì)性要特別要從景觀不同的粒度和幅度來研究，研究中主要探討了在30 m粒度下，不同干擾程度地區(qū)的景觀異質(zhì)性的幅度相關(guān)特征，而沒有分析別的粒度，以及不同粒度和幅度組合下景觀異質(zhì)性的特征，這對全面理解景觀異質(zhì)性特征有很重要意義，這也是在以后研究中需要深入分析的地方。

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LandscapeheterogeneityofmountainousandhillyareainthewesternHenanProvincebasedonmovingwindowmethod

LI Dongke1,2，DING Shengyan1,2,*，LIANG Guofu1,2，ZHAO Qinghe1,2，TANG Qian1,2，KONG Linghua2

1KeyLaboratoryofGeospatialTechnologyFortheMiddleandLowerYellowRiverRegions,MinistryofEducation，Kaifeng475004，China2CollegeofEnvironment&Planning,HenanUniversity,Kaifeng475001,China

In analyzing landscape heterogeneity in a typical area, appropriate selection of characteristic scale is very important.In this paper, Gongyi City, located in mountainous and hilly area of western Henan Province, has been chosen as our study area.Based on 3S technology, the landscape composition and structure of this area are analyzed.Meanwhile, the characteristic scale of landscape heterogeneity is determined by using the semi-variable function and moving window method.According to the characteristic scale, we selected two sample lines, which extend from the direction of NW to SE and the direction of NE to SW.These two sampled lines are set to analyze the spatial characteristics of landscape heterogeneity under different disturbances.Finally, the results show that landscape of the study area mainly consists of dry land, construction land, irrigated land, grassland and woodland.Among these landscape types, the dry lands have the largest proportion, accounting for 30.9% of the whole area, while the irrigation canals have the least area proportion, accounting for 0.1% of the whole area.Based on the semi-variable function and the moving window method, the characteristic scale for analyzing landscape heterogeneity of the study area is 1000 m.Under this characteristic scale, the landscape fragmentation of the study area is mainly concentrated in the valley plain and hilly regions of the southeastern part of the Gongyi City.The lowest fragmentation regions are in the forestland of southern hilly area of Gongyi City.Landscape diversity of the study area is characterized by four gathering centers, which are the northern valley plain agricultural area, constructed urban areas, the southeast hills and the low mountains in southern area.The first center exhibits the highest landscape diversity, while the landscape diversity of the other three is of the lowest.Under the influence of different disturbances, the landscape heterogeneity of the study area show features of radiating from the city center to surrounding rural area.In addition, landscape heterogeneity is also related to altitude in hilly regions.We find that the landscape heterogeneity has dramatic changes below 200 m because of strong human disturbance.However, at the altitude of 200—500 m, human disturbance and altitude are combined to affect the landscape heterogeneity.In addition, at 500 meters above sea level, altitude is the dominant factor in influencing landscape heterogeneity.The results of this study can provide valuable guidance for further study on landscape pattern optimization and efficient management of land use in the mountainous and hilly area of western Henan Province.

moving window method; characteristic scale; landscape heterogeneity; mountainous and hilly area; Western Henan Province

國家自然科學(xué)基金資助項目(41371195,41071118)

2013- 10- 28;

2014- 04- 01

10.5846/stxb201310282595

*通訊作者Corresponding author.E-mail: syding@henu.edu.cn

李棟科，丁圣彥，梁國付，趙清賀，湯茜，孔令華.基于移動窗口法的豫西山地丘陵地區(qū)景觀異質(zhì)性分析.生態(tài)學(xué)報,2014,34(12):3414- 3424.

Li D K，Ding S Y，Liang G F，Zhao Q H，Tang Q，Kong L H.Landscape heterogeneity of mountainous and hilly area in the western Henan Province based on moving window method.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3414- 3424.