高海拔地區(qū)資源景觀格局高程分異特征統(tǒng)計分析研究—以羌塘自然保護區(qū)為例

田婉婷，王亮，趙榮，徐勝華

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，蘭州 730070；2.中國測繪科學(xué)研究院，北京 100830）

1 引 言

地理國情普查綜合統(tǒng)計分析的目標之一是以客觀反映我國的國土空間布局為出發(fā)點，從地理空間的角度，對自然、人文等地理國情普查要素進行統(tǒng)計和分析，為優(yōu)化國土空間開發(fā)格局和各類資源配置提供重要的參考信息。目前地理國情普查綜合統(tǒng)計分析實驗開展的地區(qū)多為海拔較低的地區(qū)，由于高海拔地區(qū)地理國情普查數(shù)據(jù)尚未獲得，本文采用與地理國情普查數(shù)據(jù)分類較接近的國家西部測圖工程數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，從方法上研究高海拔地區(qū)景觀格局隨高程的分異情況，為統(tǒng)計分析實驗在高海拔地區(qū)的開展提供參考。本文選擇西藏自治區(qū)內(nèi)的羌塘自然保護區(qū)為研究區(qū)域，從景觀格局的角度對研究區(qū)內(nèi)資源分布情況隨高程的分異特征進行統(tǒng)計分析，為資源景觀格局在高海拔地區(qū)的統(tǒng)計分析研究提供參考。

景觀格局通常是指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，包括景觀組成單元的多樣性和空間配置［1］。它既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果［1－3］。景觀指數(shù)是能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標。景觀格局指數(shù)法是景觀生態(tài)學(xué)中的空間分析方法之一，研究景觀空間格局，對揭示生態(tài)狀況及空間變異特征具有重大意義［4－8］。

景觀格局演變是格局與過程相互作用的產(chǎn)物，其驅(qū)動因素包括自然因素和人文因素。自然因素中的地貌特征尤其高程是重要的驅(qū)動因子，它通過影響區(qū)域內(nèi)物質(zhì)和能量的流動和各種干擾的發(fā)生頻率、強度和空間格局來影響著景觀格局演變［2］，目前很多學(xué)者對景觀指數(shù)的高程分異進行研究，張明陽等研究白洋淀流域景觀格局隨高程的分異情況，邵懷勇等研究巫山縣景觀格局隨高程的變化情況，但研究區(qū)域大都是中低海拔地區(qū)，羌塘自然保護區(qū)地處世界上海拔最高的高原，最低海拔4471m，高程跨度近3000m，是高原荒漠生態(tài)系統(tǒng)的代表地區(qū)。因此，研究羌塘自然保護區(qū)內(nèi)景觀格局隨高程的分異特征，有助于增加對保護區(qū)景觀現(xiàn)狀的理解程度，為保護區(qū)的規(guī)劃提供參考。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

羌塘自然保護區(qū)位于西藏自治區(qū)西北部，昆侖山、可可西里山以南，岡底斯山和念青唐古拉山以北，地理坐標為東經(jīng)79°42′～82°59′，北緯32°10′～36°32′，總面積約29.8萬平方公里，于2000年4月被國務(wù)院批準為國家級自然保護區(qū)，是世界第二大陸地自然保護區(qū)，也是平均海拔最高的自然保護區(qū)。主要保護對象為保存完整的、獨特的高寒生態(tài)系統(tǒng)及多種大型有蹄類動物。

羌塘自然保護區(qū)地處高寒地帶的藏北高原，平均海拔5000m以上，年平均氣溫在攝氏零度以下，是高原荒漠生態(tài)系統(tǒng)的代表地區(qū)。這里不僅有星羅棋布的湖泊，空曠無邊的草場以及皚皚的雪山和冰川，而且有眾多的瀕危野生動植物。因此，對其景觀格局進行研究，對全面認識保護區(qū)的景觀現(xiàn)狀特征，合理利用其景觀資源具有重要意義，并為保護區(qū)的生態(tài)旅游、經(jīng)濟開發(fā)和環(huán)境保護提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用SRTM分辨率為100m的DEM數(shù)據(jù)，2009年國家西部測圖工程1∶5萬地表覆蓋數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)中的地表覆蓋要素分類方法，保護區(qū)內(nèi)共存在林地、草地、水域與濕地、冰川和永久積雪、城鎮(zhèn)工礦交通、荒漠與裸露地六種地表覆蓋要素類型，各要素類型的分布情況如圖1所示：

圖1 羌塘自然保護區(qū)地表覆蓋類型分布圖

圖2 羌塘自然保護區(qū)高程分級圖

3 研究方法

利用DEM數(shù)據(jù)將研究區(qū)劃分為六個高程帶，以此對保護區(qū)地表覆蓋類型分布圖進行裁切，獲得各高程帶的地表覆蓋類型分布圖，在景觀格局軟件FRAGSTATS和ArcGIS的支持下，計算出不同高程帶的景觀格局指數(shù)，并進行分析。詳細的技術(shù)路線如圖3所示。

3.1 高程帶劃分

研究區(qū)內(nèi)的高程范圍是4471m～7065m，由于研究區(qū)內(nèi)海拔較低的地區(qū)面積占比大，且地表覆蓋類型較為復(fù)雜，所以在4471m～5600m范圍內(nèi)每間隔300m分一級，而海拔較高的地區(qū)面積占比較小，植被覆蓋類型單一，尤其是6000m以上，只存在三類景觀要素，故將6000m以上單獨劃為一級。研究區(qū)內(nèi)高程分為6級：

圖3 技術(shù)路線

表1 研究區(qū)高程分級

3.2 確定景觀格局指數(shù)

景觀格局可以在3個層次上分析：（1）單個斑塊（individual patch）；（2）由若干單個斑塊組成的斑塊類型（patch type或class）；（3）包括若干斑塊類型的整個景觀鑲嵌體（landscape mosaic）。因此，景觀格局指數(shù)亦可相應(yīng)地分為斑塊水平指數(shù)（patch－level index）、斑塊類型水平指數(shù)（class－level index）以及景觀水平指數(shù)（landscape－level index）［1］。

為了分析羌塘自然保護區(qū)景觀格局隨高程的分異特征，通過深入了解景觀格局指數(shù)的意義［9］，本文利用FRAGSTATS軟件，在計算了大量的景觀指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過相關(guān)性分析并結(jié)合研究區(qū)自然環(huán)境級研究目的［10－13］，在斑塊類型水平上選擇了景觀類型百分比（PLAND）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、聚集度指數(shù)（AI）、共6個指數(shù)，在景觀水平上（除景觀類型百分外），另增加了多樣性指數(shù)（SHDI）、均勻度指數(shù)（SHEI）共7個指數(shù)。

4 結(jié)果分析

4.1 不同高程帶景觀類型分布情況

景觀類型百分比（PLAND）等于某一斑塊類型的總面積占整個景觀面積的百分比。其值趨于0時，說明景觀中此斑塊類型十分稀少；其值等于100時，說明整個景觀只由一類斑塊組成。PLAND是確定優(yōu)勢景觀元素的依據(jù)之一；也是決定景觀中的生物多樣性、優(yōu)勢種和數(shù)量等生態(tài)系統(tǒng)指標的重要因素。

羌塘自然保護區(qū)景觀類型百分比隨高程分布情況如下圖所示，林地景觀所占百分比較少，且僅分布在高程級別1～5（4471m～6000m）范圍內(nèi)；草地景觀所占的景觀百分比最大，在高程分級1～3級（4471m～5300m）范圍內(nèi)，面積占比隨海拔的升高而增大，在4～6級（5300m～7065m）面積占比逐漸減少，說明草地景觀是羌塘自然保護區(qū)的優(yōu)勢景觀，但其分布的優(yōu)勢高程區(qū)域也是受到限制的；水域與濕地景觀占比隨高程增加呈下降的趨勢并逐漸趨近于零，主要分布在海拔較低的地區(qū)；冰川和永久積雪在1～3級（4471m～5300m）高程帶內(nèi)基本沒有分布，在4～6級（5300m～7065m），隨著高程的不斷增加，面積占比劇增，最高達到80%，說明在高海拔地區(qū)，冰川和永久積雪屬于優(yōu)勢景觀；城鎮(zhèn)工礦交通在保護區(qū)內(nèi)分布較少，由于高海拔環(huán)境對人類活動制約較大，故城鎮(zhèn)工礦交通景觀主要分布在低海拔地區(qū)，荒漠與裸露地景觀類型百分比隨高程分布曲線比較曲折，說明荒漠與裸露地對高程的選擇性較強。

圖4 羌塘自然保護區(qū)景觀類型百分比隨高程分布情況

4.2 斑塊密度和最大斑塊指數(shù)隨高程分異情況

斑塊密度（PD）等于單位面積斑塊數(shù)，反映了景觀破碎程度，斑塊密度越大，則斑塊越小，破碎化程度越高。

從斑塊類型的角度看，林地的PD隨高程遞增的變化不明顯，斑塊破碎度在各高程帶都比較??；草地和荒漠與裸露地的PD隨高程增加的變化趨勢大體相同，都經(jīng)歷了先減小后增加的過程，這兩類景觀在整個高程范圍內(nèi)的破碎化程度都不是很大；水域與濕地和城鎮(zhèn)工礦交通的PD隨海拔的升高整體呈下降趨勢，但水域與濕地的破碎化程度比城鎮(zhèn)工礦交通的大；冰川和永久積雪的PD隨高程增加整體呈上升趨勢。

從景觀水平來看，在第1～4級（4471m～5600m）高程范圍內(nèi)，景觀的PD隨著高程的遞增而遞減，因為在這個高程范圍內(nèi)各斑塊類型的破碎程度均較小，而在第5～6級（5600m～7065m）高程范圍內(nèi)，景觀的PD隨高程的遞增而增加，景觀的破碎化程度也加深，因為，隨著地形起伏的增加作為主要景觀類型的草地與冰川和永久積雪的斑塊密度在增加，且變化幅度較大。

圖5 羌塘自然保護區(qū)斑塊密度隨高程分布情況

最大斑塊指數(shù)（LPI）等于各斑塊類型中的最大斑塊面積與景觀總面積之比的百分數(shù)，其值的大小決定著景觀中的優(yōu)勢種。

從斑塊類型水平來看，由最大斑塊面積比可以看出，林地和水域與濕地隨高程分異的趨勢基本是隨著高程的遞增，LPI遞減，不同的是在第1級（4471m～4700m）高程帶中，水域與濕地的LPI較大；在高程級別1～5級（4700m～6000m）范圍內(nèi)，以草地的LPI最大，草地在這5個高程帶中，面積最大，占有較大的優(yōu)勢；在第6級（6000m～7065m）高程帶中則以冰川和永久積雪的LPI最大，冰川和永久積雪在海拔6000m以上優(yōu)勢較大；而其他景觀類型隨高程的分布趨勢不是很明顯，說明這些景觀類型的LPI受垂直地帶性的影響不顯著。綜上所述，各景觀類型的LPI隨高程帶的分布特征，最主要由該景觀類型在整個景觀中的面積占比所決定的，面積占比越大，對景觀格局的影響越大，其LPI也就越大。

景觀水平的LPI值等于斑塊類型水平的最大值（在1～5級高程帶內(nèi)草地的LPI值最大，在第6級高程帶內(nèi)冰川和永久積雪的LPI最大）。由各高程帶景觀水平的LPI可以看出，在第1～3級（4471m～5300m）和第6級（6000m～7065m）高程帶內(nèi)，LPI值較大，這主要是因為1～3級高程帶內(nèi)占絕對優(yōu)勢的景觀為草地，第6級高程帶內(nèi)以冰川和永久積雪為主導(dǎo)景觀，而在4～5級（5300m～6000m）高程帶內(nèi)，LPI值比較小，說明這兩級高程帶內(nèi)各景觀類型分布比較均衡，景觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，幾乎不存在占絕對優(yōu)勢的斑塊。

圖6 羌塘自然保護區(qū)最大斑塊指數(shù)隨高程分布情況

4.3 邊緣密度和景觀形狀指數(shù)高程分異情況

邊緣密度（ED）是單位面積的斑塊邊界數(shù)量，反映景觀中異質(zhì)性斑塊之間物質(zhì)、能量和物種交換的潛力及相互影響的強度，可直接表征景觀整體的復(fù)雜程度［14］。

從斑塊類型的角度來看，林地的ED隨高程變化不明顯，可見林地景觀的邊緣密度受垂直地帶性的影響不大；草地和城鎮(zhèn)工礦交通的ED隨高程的逐漸增加呈遞減趨勢，說明隨著海拔的上升，這兩種景觀類型受到其他景觀的干擾程度越小，景觀形狀趨于簡單，但草地的邊緣密度整體上大于城鎮(zhèn)工礦交通的邊緣密度，也是第1～5級（4471m～6000m）高程范圍內(nèi)，所有景觀類型中ED最大的景觀，形狀最為復(fù)雜，這與草地在保護區(qū)內(nèi)絕對優(yōu)勢的面積占比有關(guān)；在第1級（4471m～4700m）高程范圍內(nèi)，水域與濕地的ED隨高程遞增而增大，在第2～6級（4700m～7065m）高程范圍內(nèi)，隨高程升高而遞減，這說明，在海拔較低的地區(qū)，水域與濕地受其他景觀干擾程度較強，形狀較為復(fù)雜，隨著海拔的上升，整體景觀結(jié)構(gòu)趨于簡單，自身斑塊面積減少，ED逐漸減小，最終趨近于零；冰川和永久積雪的ED在第4～6級（5300m～7065m）高程范圍內(nèi)劇增，即由于垂直地帶性的原因，使得冰川和永久積雪的形狀越來越復(fù)雜；荒漠與裸露地在第1級（4471m～4700m）高程范圍內(nèi)ED隨高程遞增而減小，在第2～6級（4700m～7065m）高程范圍內(nèi)，隨高程升高而增大。

從景觀水平看，邊緣密度在第1～4級（4471m～5600m）高程范圍內(nèi)隨著高程的增加而逐漸減小，在此高程范圍內(nèi)，景觀的邊緣密度與草地的走勢基本一致，可見，草地作為優(yōu)勢景觀對整個景觀的邊緣密度有著重要的影響；在5～6級（5600m～7065m）高程范圍內(nèi)，景觀的邊緣密度隨海拔升高而增大，在此高程范圍內(nèi)，冰川和永久積雪作為優(yōu)勢景觀，其邊緣密度影響著整個景觀的邊緣密度。

圖7 羌塘自然保護區(qū)邊緣密度隨高程分布情況

景觀形狀指數(shù)（LSI）是通過計算整個景觀形狀與相同面積的圓或正方形之間的偏離程度來測量其形狀復(fù)雜程度的。當景觀中只有一個正方形斑塊時，LSI＝1；當景觀中斑塊形狀不規(guī)則或偏離正方形時，LSI值增大。

從斑塊類型角度看，林地、冰川和永久積雪、荒漠與裸露地隨海拔高度的變化不顯著，說明這三類景觀的LSI受高程影響較小，但林地的LSI值相對較小，這表明林地的形狀較簡單；從LSI隨高程分布圖上可以看出，草地、水域與濕地的LSI走勢與城鎮(zhèn)工況交通的LSI走勢大體相近，說明，人類活動對草地和水域與濕地這兩類景觀的LSI影響較大，人類干擾越大，LSI越大，景觀的形狀就越復(fù)雜。

從景觀水平看，整體景觀的LSI隨高程變化趨勢與草地景觀隨高程變化的基本吻合，一方面說明草地景觀在保護區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢地位，其形狀指數(shù)影響著整個景觀的形狀指數(shù)，同時由分布曲線可以看出，LSI并沒有隨著海拔的逐漸升高而連續(xù)呈上升趨勢，這說明保護區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢景觀適宜在高海拔、高寒地區(qū)生長，因為景觀的斑塊沒有因為高海拔區(qū)地勢崎嶇、環(huán)境惡劣的影響，而具有被地形干擾的印記，斑塊形狀也沒有趨于復(fù)雜的趨勢。

圖8 羌塘自然保護區(qū)景觀形狀指數(shù)隨高程分布情況

4.4 聚集程度高程分異情況

集聚度指數(shù)（AI）反映景觀中不同斑塊類型的非隨機性或聚集程度。如果一個景觀由許多離散的小斑塊組成，其聚集度的值較??；當景觀中以少數(shù)大斑塊為主或同一類型斑塊高度連接時，其聚集度的值則較大。聚集度指數(shù)明確考慮斑塊類型之間的相鄰關(guān)系，因此能夠反應(yīng)景觀組分的空間配置特征。

從斑塊類型角度看，林地的AI隨高程上升，大體呈增大趨勢，雖然林地景觀在整個保護區(qū)內(nèi)面積占比較小，但斑塊連片分布，聚集程度很高；草地、荒漠與裸露地和的城鎮(zhèn)工礦交通AI隨海拔的升高變化較小，大體呈上升趨勢，說明高程對這三類景觀的AI影響較小，但城鎮(zhèn)工礦交通的聚集度遠低于其他兩類景觀；水域與濕地的AI隨高程的分異的變化幅度很大；冰川和永久積雪的AI隨高程升高呈上升趨勢，這是因為隨著高程增加，冰川和永久積雪面積大幅增加，斑塊成片分布。

從景觀角度來看，景觀的AI隨高程變換的趨勢大體上與草地景觀的相同，隨海拔上升呈緩慢的遞減趨勢，只是在第6級高程帶內(nèi)，AI受該高程帶內(nèi)的優(yōu)勢景觀冰川和永久積雪影響，呈遞增趨勢，景觀整體的聚集程度較高。

圖9 羌塘自然保護區(qū)聚集度指數(shù)隨高程分布情況

4.5 多樣性程度高程分異情況

多樣性指數(shù)（SHDI）和均勻度指數(shù)（SHEI）是兩個僅適用于景觀水平的指數(shù)。多樣性指數(shù)反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例的變化。當景觀是由單一類型構(gòu)成時，多樣性指數(shù)為0，表明景觀是均質(zhì)的；當景觀由兩個以上類型構(gòu)成時，若各景觀類型所占比例相等時，其景觀的多樣性指數(shù)最高；各景觀類型所占比例差別增大，則景觀的多樣性下降。均勻度指數(shù)描述景觀中不同景觀類型分配的均勻程度，其值越大，表明景觀各組成成分分配越均勻。當其值趨于1，則表明景觀內(nèi)部各類型均勻分布，沒有優(yōu)勢類型凸現(xiàn)。

從圖9可以看出，保護區(qū)內(nèi)景觀的SHDI在各個高程帶分布的差異較大，其中第3～4級（5000m～5600m）高程范圍內(nèi)的多樣性指數(shù)明顯低于其他高程帶，在這兩個高程帶內(nèi)，草地的面積占比高達90%，其他各景觀類型占比很少，導(dǎo)致該高程帶內(nèi)的景觀多樣性低；第1級（4471m～4700m）和第5級（5600m～6000m）高程帶內(nèi)，各景觀類型的占比相對較均勻，故多樣性指數(shù)較高。但總體來講，由于羌塘自然保護區(qū)的特性，保護區(qū)內(nèi)景觀類型比較簡單，草地面積占保護區(qū)總面積的86%，因此保護區(qū)內(nèi)的多樣性指數(shù)整體偏低，都小于1，景觀異質(zhì)性水平較低。SHEI隨高程分布的趨勢與SHDI一致，即景觀的均勻度分布和多樣性分布基本一致。

圖10 羌塘自然保護區(qū)多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)隨高程分布情況

5 結(jié) 論

本文利用景觀生態(tài)學(xué)中的景觀格局指數(shù)隨高程的分異情況來反映研究區(qū)域內(nèi)資源分布格局隨高程的分異情況，目前景觀格局指數(shù)較多，本文分別從優(yōu)勢性、復(fù)雜性、聚集度和多樣性四個方面選取了較有代表性的指數(shù)進行實驗分析，得出試驗區(qū)內(nèi)各地表覆蓋類型以上四個方面特征隨高程的分異情況：

（1）羌塘自然保護區(qū)內(nèi)各資源類型的分布情況受垂直變化影響，各資源有其分布的優(yōu)勢區(qū)域。第1～5級（4471m～6000m）高程范圍內(nèi)為草地分布的優(yōu)勢區(qū)域；在海拔最高的第6級（6000m～7065m）高程帶，冰川和永久積雪有絕對的優(yōu)勢性；

（2）隨著海拔的升高資源的復(fù)雜程度有著先增大后減小的趨勢。在第1～2級（4471m～5000m）高程帶內(nèi)，由于海拔較低，人為景觀分布較多，在一定程度上干擾了其他自然景觀的分布，導(dǎo)致景觀復(fù)雜程度增大；從第3級高程帶開始，復(fù)雜程度隨著海拔的升高而降低，說明保護區(qū)的內(nèi)自然資源適宜在高海拔、高寒地區(qū)生長。

（3）保護區(qū)內(nèi)資源聚集程度隨高程分異特征不明顯。說明資源整體呈集中連片分布的趨勢，聚集程度很高，資源破碎度較小，主要原因之一是：研究區(qū)海拔高，環(huán)境惡劣，人為景觀較少（僅占保護區(qū)總面積的0.11%），人類活動對自然資源的干擾程度較小；

（4）保護區(qū)內(nèi)資源的多樣性隨高程分異的曲線比較曲折、差異較大，在第2～4級（4700m～5600m）高程帶及第6級（6000m～7065m）高程帶內(nèi)多樣性明顯較低，是因為草地與冰川和永久積雪分別大面積的分布在這兩個區(qū)間內(nèi)；保護區(qū)內(nèi)多樣性最大值為0.95，說明由于獨特的地理條件和氣候等條件，資源類型較為單一，景觀異質(zhì)性水平較低，一旦遭到破壞就無法恢復(fù)或需要很長時間才能恢復(fù)，因此要保護生物多樣性，提高保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能，以實現(xiàn)保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

6 存在的問題及展望

本研究為地理國情綜合統(tǒng)計分析中資源景觀格局統(tǒng)計分析在高海拔地區(qū)的研究提供了參考，但在研究過程中存在一些問題：本文按采集地表資源的一級類，即草地、林地、水域等六個類別，進行資源景觀格局高程分異特征的統(tǒng)計分析研究，得到的結(jié)論之一是保護區(qū)內(nèi)景觀的多樣性指數(shù)較小，景觀的垂直分異比較簡單，在進一步研究過程中可按地表資源42個二級類進行統(tǒng)計分析，比較結(jié)論是否存在差異；本文的研究只采用一個時相的數(shù)據(jù)進行研究，隨著地理國情普查工作的進一步開展，綜合統(tǒng)計分析工作的不斷深入，可以引用更高精度、多時相的地理國情普查數(shù)據(jù)，開進一步的分析研究，以期更加準確詳實的反映研究區(qū)的地表特征和不同地表覆蓋類型結(jié)構(gòu)組成和空間配置情況、總結(jié)規(guī)律并進行趨勢預(yù)測。

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