空間粒度變化對土壤景觀格局指數(shù)影響的定量分析

王世舉

摘要基于巢湖流域土壤類型圖，使用ArcGIS 10.1和Fragstats 4.2，并選擇5個景觀格局指數(shù)，研究了巢湖流域景觀格局指數(shù)隨空間粒度的變化趨勢，并且計算了變異系數(shù)。結(jié)果表明：巢湖流域土壤類型圖最適合進(jìn)行景觀格局分析的空間尺度范圍在30～60 m。

關(guān)鍵詞土壤景觀格局指數(shù)；空間粒度；巢湖流域

中圖分類號P901文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）11-0182-04

AbstractBased on the soil type map of Chaohu Lake Basin， and by using ArcGIS 10.1 software and Fragstats 4.2 software， and selected 5 landscape pattern index， the article explored the trends of landscape indices with the spatial granularity of Chaohu Lake Basin， and calculated the coefficients of variation. The results showed that for the soil type map of Chaohu Lake Basin， the most suitable landscape spatial scales for the analysis were 30-60 m.

Key wordsSoil landscape pattern index；Grain size；Chaohu Lake Basin

生態(tài)學(xué)研究的方向主要是時間及空間尺度問題，而時間、空間尺度的研究都離不開對粒度的探討，目前的空間粒度選擇多根據(jù)研究區(qū)的行政單位，但區(qū)域內(nèi)空間異質(zhì)性無法得到展現(xiàn)，所以引入景觀學(xué)中關(guān)于空間粒度的定義可以更深入地研究尺度問題。空間粒度的含義是研究區(qū)域的最小可以被認(rèn)知的像元的大小[1]。景觀格局的演進(jìn)是研究人類活動與景觀格局變化聯(lián)系的基礎(chǔ)，在景觀生態(tài)學(xué)中，景觀的功能結(jié)構(gòu)與空間粒度關(guān)系十分密切，大部分生態(tài)學(xué)效應(yīng)會隨著空間粒度的變化而發(fā)生很大改變[2]。近年來，粒度問題成為景觀生態(tài)學(xué)的研究熱點，如董躍宇等[3]以最佳空間粒度為切入點對碧塔海流域景觀格局進(jìn)行分析。馮永玖等[4]也探討了景觀格局破碎化對粒度特征及其變異的影響。

評價景觀格局的方法通常有兩種：景觀格局指數(shù)計算方法和地理統(tǒng)計學(xué)方法。景觀指數(shù)作為定量化研究景觀格局的手段之一，且景觀格局指數(shù)方法相對于其他評價方法更加方便和有效，因此應(yīng)用的范圍更加普遍[5]。經(jīng)過30多年的迅速發(fā)展，當(dāng)前已有的景觀指數(shù)已達(dá)幾百種，并產(chǎn)生了很多景觀格局分析軟件用來分析景觀指數(shù)。但是當(dāng)前的景觀格局計算軟件主要運用柵格影像進(jìn)行計算，造成了所謂的“可塑性面積單元問題”，即在分析遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)、土地利用矢量數(shù)據(jù)時，常常出現(xiàn)計算結(jié)果隨著像元大小的不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象[6]。筆者根據(jù)巢湖流域土壤類型圖，選用5個常用的景觀格局指數(shù)，通過控制變量法，即計算同一景觀指數(shù)在選定的空間粒度下的值，研究景觀格局指數(shù)在粒度變化下的變化規(guī)律，探討景觀指數(shù)的恰當(dāng)粒度，旨在為分析巢湖流域土壤類型的景觀格局提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)概況巢湖地處安徽中部，合肥與蕪湖之間，是我國五大淡水湖之一，流域面積13 486 km2。流域海拔最高為1 498 m，最低為-2 m。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。位于東南丘陵與長江中下游平原的過渡地帶，地勢西南高東北低，地貌大致分為山地、丘陵、盆（谷）、崗地、平原五大類型。巢湖流域涉及14個區(qū)（縣），分別為包河區(qū)、含山縣、居巢區(qū)、岳西縣、廬江縣、廬陽區(qū)、瑤海區(qū)、肥東縣、肥西縣、舒城縣、蜀山區(qū)、金安區(qū)、長豐縣、霍山縣。

1.2數(shù)據(jù)來源研究數(shù)據(jù)來源于巢湖流域圖、地貌圖、行政區(qū)劃圖和土壤類型圖，通過ArcGIS 10.1軟件數(shù)字化處理，得到土壤類型矢量圖（圖1）。其中圖斑總數(shù)為493，包括的土壤亞類型共有15種，分別是暗黃棕壤（Dark yellowbrown soils）、棕壤（Brown soils）、淹育水稻土（Submergenic paddy soils）、漂洗水稻土（Bleached paddy soils）、潛育水稻土（Gleyed paddy soils）、潮土（Chao soils）、潴育水稻土（Waterloggogenic paddy soils）、石灰?guī)r土（Limestone soils）、石質(zhì)土（Lithosol）、粗骨土（Skeletal soils）、紫色土（Purple soils）、紅壤（Red soils）、脫潛水稻土（Take off the latent paddy soils）、黃棕壤（Yellowbrown soils）、黃褐土（Yellowcinnamon soils）。

1.3研究方法首先運用ArcGIS 10.1軟件將土壤類型矢量圖轉(zhuǎn)化為柵格類型數(shù)據(jù)，再使用ArcGIS 10.1軟件的ArcToolBox工具箱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，將土壤類型圖分別轉(zhuǎn)化為空間粒度為30、60、90、120、150、180、210、240、270、300、400、500 m的12種柵格數(shù)據(jù)，并使用Fragstats 4.2軟件計算所選取的景觀格局指數(shù)值。

景觀格局指標(biāo)繁多龐雜，但各有意義。在Fragstats 4.2軟件中，景觀格局指數(shù)分為三大類：斑塊、斑塊類型和景觀。斑塊和斑塊類型水平是單個斑塊或者不同類型斑塊進(jìn)行分析，景觀水平是研究整體的水平。因為主要是研究區(qū)域的全部特征，所以選取斑塊數(shù)量（NP）、斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、周長面積分維數(shù)（PAFRAC）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）這5個景觀格局指數(shù)，并在景觀水平上作分析。景觀格局指數(shù)的含義及計算方法見表1。利用Excel對結(jié)果進(jìn)行線性分析，并計算變異系數(shù)，得出不同空間粒度下景觀格局指數(shù)的變化趨勢折線圖，并據(jù)此進(jìn)一步分析空間尺度變化對景觀格局指數(shù)的變化效應(yīng)。

2結(jié)果與分析

2.1不同空間粒度下指數(shù)值運用Fragstats 3.4軟件進(jìn)行計算，得到在12個不同空間粒度下的5個景觀格局指數(shù)值，結(jié)果見表2。

2.2空間粒度變化對景觀格局指數(shù)的影響

2.2.1空間粒度變化對斑塊數(shù)量（NP）的影響。從圖2可以看出，隨著像元大小的改變，斑塊數(shù)量在整體上呈現(xiàn)下降趨勢，在空間粒度90、300、400、500 m處有轉(zhuǎn)折點。NP可以代表整個景觀的空間異質(zhì)性，也可以代表景觀的破碎度，兩者存在正比例關(guān)系。NP會改變大部分生態(tài)進(jìn)程，可以決定物種及其次生物種的空間排列特點，或者影響不同物種的相互作用和共同生存的系統(tǒng)恒定性。

2.2.2空間粒度變化對斑塊密度（PD）的影響。從圖3可以看出，隨著空間粒度的增加，和斑塊數(shù)量值一樣，斑塊密度整體上呈現(xiàn)下降趨勢，空間粒度90、120、270、300、400、500 m處有明顯拐點。說明空間粒度的改變會影響斑塊的合并，進(jìn)而影響對應(yīng)指數(shù)值，空間粒度越大，對斑塊集聚度變化的聯(lián)系越密切。

2.2.3空間粒度變化對景觀形狀指數(shù)（LSI）的影響。從圖4可以看出，隨著像元大小的改變，景觀形狀指數(shù)整體呈現(xiàn)下降趨勢，在空間粒度90 m時該指數(shù)有顯著的降低趨勢。說明在小于90 m像元大小范圍內(nèi)，研究區(qū)域的形狀變得更加規(guī)整。而在粒度大于300 m之后，研究區(qū)域的形狀指數(shù)降低趨勢更加明顯。

2.2.4空間粒度變化對周長面積分維數(shù)（PAFRAC）的影響。周長面積分維數(shù)是基于統(tǒng)計回歸方法的景觀指數(shù)，反映了不同空間尺度的形狀的復(fù)雜性，取值范圍為1～2，值大于1表示斑塊形狀復(fù)雜化。從圖5可以看出，隨著像元大小的增加，周長面積分維數(shù)整體呈現(xiàn)上升趨勢，在空間粒度60、90、120、150、240、300 m處有轉(zhuǎn)折點。

2.2.5空間粒度變化對香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）的影響。SHDI能夠直接反映景觀中斑塊類型破碎化分布特征，偏重于稀缺類型占結(jié)果的比例。在研究區(qū)域中，土壤類型越豐富，SHDI值會相應(yīng)地越大。根據(jù)圖6，在粒度較小時（30～240 m），SHDI并無明顯變化趨勢，基本在1.651 0～1.651 5波動，幅度不大，在粒度240、300、400 m處有顯著轉(zhuǎn)折點。

2.3巢湖流域景觀格局指數(shù)在不同粒度下的變異特征從表3可以看出，在一系列不同的空間粒度下，斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、周長面積分維數(shù)均大于0.15，說明這4個景觀格局指數(shù)比較容易受空間粒度變化的影響；香農(nóng)多樣性指數(shù)值在這5個指數(shù)中最小，且與其他4個數(shù)值相差較大，說明該指數(shù)不太容易受空間粒度變化的影響。

2.4景觀分析中的尺度域和適宜粒度選取由于空間粒度和相關(guān)景觀指數(shù)的密切聯(lián)系，所以應(yīng)在數(shù)據(jù)精確的基礎(chǔ)上選取適合較多景觀指數(shù)研究分析的尺度來進(jìn)行景觀格局研究。運用第一尺度域確定適宜粒度范圍，一般第1個粒度拐點決定了適宜粒度大小[7]。根據(jù)變化折線圖的轉(zhuǎn)折點和跳躍區(qū)間來分析研究區(qū)域景觀格局的尺度范圍和最佳粒度（表4）。

當(dāng)景觀格局指數(shù)曲線圖出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，則說明景觀所包含的信息在轉(zhuǎn)折點處發(fā)生了一些大的改變。環(huán)境景觀指數(shù)的尺度轉(zhuǎn)折點并非如圖上所示是一個確切的數(shù)據(jù)，按照實際情況應(yīng)該是一個相對狹窄的范圍。從表4來看，景觀格局指數(shù)的第一尺度域多處于30～90 m區(qū)間內(nèi)，研究區(qū)的適宜尺度在30～60 m。徐麗等[8]研究結(jié)果表明，所選取的22個景觀指數(shù)的第一尺度域的范圍在10～40 m，最佳粒度為20～30 m。郭琳等[9]以黑龍江省巴彥縣為研究區(qū)，應(yīng)用遙感及景觀指數(shù)法，認(rèn)為最佳空間粒度為100 m。耿煥俠等[10]認(rèn)為小區(qū)域景觀分析的最佳粒度為60 m。該研究與上述研究區(qū)域不同，地域面積以及所選粒度大小不同，導(dǎo)致研究結(jié)果不同，但所反映的總體景觀格局特征和變化趨勢基本是一致的。

3結(jié)論與討論

區(qū)域空間粒度的變化與景觀格局指數(shù)有重要的關(guān)聯(lián)[11]。筆者研究巢湖流域土壤類型圖在12個不同間隔的空間粒度下的景觀格局指數(shù)的變化趨勢，得出以下結(jié)論。

（1）斑塊數(shù)量、斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、周長面積分維數(shù)這4個指數(shù)值都與空間粒度有重要的關(guān)系，即都有上升或下降的變化趨勢。在研究區(qū)域空間粒度較小時，存在的明顯轉(zhuǎn)折點數(shù)量較多，當(dāng)研究區(qū)域空間粒度擴大時，轉(zhuǎn)折點數(shù)量減少。香農(nóng)多樣性指數(shù)在120～500 m內(nèi)有較多轉(zhuǎn)折點，在粒度30～120 m內(nèi)均無明顯變化，說明粒度大于120 m后生物多樣性較少；最大斑塊指數(shù)和景觀形狀指數(shù)局限于自身的性質(zhì)，在粒度30～500 m內(nèi)無明顯改變。

（2）根據(jù)景觀格局指數(shù)的第一尺度范圍，能夠確定進(jìn)行景觀分析的最佳粒度大小。對于該研究區(qū)域而言，第一尺度域多集中在30～60 m，最適宜空間粒度可確定為60 m。

（3）該研究所選的5個景觀格局指數(shù)中，有4個對空間粒度變化較為敏感，有1個對空間粒度變化不敏感。景觀格局指數(shù)對空間粒度變化的響應(yīng)不同，景觀類型對空間粒度變化的響應(yīng)也有所不同，需要進(jìn)一步細(xì)化研究，說明在使用對空間粒度變化敏感的景觀格局指數(shù)進(jìn)行景觀格局分析時，應(yīng)該慎重選擇合適的空間粒度，并在應(yīng)用時加以注意[12]。

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