基于m_eff指數(shù)的多尺度景觀破碎化空間特征研究

谷曉陽 喻根 王曉輝

摘要 采用CBC算法計算的meff指數(shù)，基于GIS技術(shù)，以寧國市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1 km2格網(wǎng)3種不同空間尺度區(qū)域為報告單元，選取城市建設(shè)區(qū)域、道路、農(nóng)田、采礦區(qū)、采伐區(qū)、水體6類景觀破碎因子組成景觀破碎幾何量度，研究寧國市景觀破碎空間分布特征。結(jié)果表明，基于3種報告單元的meff值為0～422.92 km2；寧國市景觀破碎空間分布特征明顯，破碎程度較重區(qū)域空間上呈“人”字形分布，城區(qū)破碎化水平最高，市域西北部、南部部分地區(qū)破碎程度相對較輕。

關(guān)鍵詞 景觀破碎；空間分布特征；meff指數(shù)；多尺度報告單元；景觀聯(lián)通性；寧國市

中圖分類號 P901 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2017）13-0046-06

Spatial Distribution Characteristics of Multi-scale Landscape Fragmentation Based on meff Index——Taking Ningguo City as an Example

GU Xiao-yang1，YU Gen1，WANG Xiao-hui2

（1.School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei，Anhui 230009；2.Research Academy of Environmental Sciences of Anhui，Hefei，Anhui 230009）

Abstract The study investigated variation in meff measured by municipal counties，towns and grids of one square kilometer within Ningguo City.The fragmentation geometry was developed by overlaying highways，roads，urbanized areas，agricultural areas，mining areas，cutting areas and the waters.The meff index was calculated by cross-boundary connections （CBC） procedure.The meff values varied from 0 to 422.92 km2 based on three reporting units in Ningguo City，there were obvious characteristic of landscape fragmentation.Spatial distribution of the areas with low meff value shares a feature of herringbone.Degree of landscape fragmentation was the highest in urban area （0.26 km2），with the lowest in northwest and south areas in Ningguo City.The meff values calculated by CBC procedure can satisfied the requirement of analyzing the spatial distribution characteristics of multi-scale landscape fragmentation.

Key words Landscape fragmentation；Spatial distribution characteristic；Multi-scale reporting unit；Effective mesh size；Landscape connectivity；Ningguo City

景觀破碎化是大型生境斑塊在人為及自然破碎因子影響下破碎分離成小型獨(dú)立斑塊的過程[1]。城市化建設(shè)、道路擴(kuò)張及大面積密集型農(nóng)耕等一系列人類活動導(dǎo)致景觀破碎化日趨嚴(yán)重[2-4]。景觀破碎化是導(dǎo)致野生動物數(shù)量驟減、生物多樣性破壞的主要原因之一[5-6]。景觀破碎化過程使原有的景觀在結(jié)構(gòu)、功能、生態(tài)過程等方面發(fā)生改變，造成生態(tài)網(wǎng)絡(luò)連通性受阻[2，7]、生物核心棲息地被破壞[2]，基因流遭受干擾[8]、外來物種入侵[9]、生物多樣性下降甚至造成原有生物滅絕[1，6]等多種不良影響。同時，頻繁發(fā)生的道路致死現(xiàn)象以及交通噪音也是干擾生物分布與遷徙不可忽視的原因[10-12]。因此，掌握區(qū)域景觀破碎水平、控制破碎程度加劇已成為生態(tài)保護(hù)的重要課題[1-2，8]。

目前在定量化分析景觀破碎程度領(lǐng)域，大多采用傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)進(jìn)行研究[1，13-16]，主要有斑塊個數(shù)、平均斑塊大小、面積加權(quán)指數(shù)等多個指標(biāo)[17]。傳統(tǒng)指數(shù)具有不針對生態(tài)過程，只描述地表離散景觀組成、形狀、連接度等特點(diǎn)[18]，由于其在斑塊面積連續(xù)性變化的情況下，難以準(zhǔn)確連貫地反映破碎情況，因此存在難以靈活表現(xiàn)景觀破碎進(jìn)程的弊端[2，19]。由Jager等提出的meff（Effective mesh size）指數(shù)很好地解決了這一問題[5，20-21]。

國外學(xué)者利用meff指數(shù)對景觀破碎化的研究主要集中在以下幾個方面：制定多種景觀破碎幾何量度，對研究區(qū)域進(jìn)行多種空間尺度下的破碎化特征分析[2，8]；對計算meff指數(shù)的CUT（Cutting-out）、CBC（Cross-boundary connections）2種方法進(jìn)行比較分析，并對算法進(jìn)行優(yōu)化[2，5，8]；對比研究傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)與meff指數(shù)[20]；根據(jù)人口密度、國民生產(chǎn)總值等數(shù)據(jù)構(gòu)建景觀破碎預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測分析[2]；基于不同時間維度對同一研究區(qū)域進(jìn)行破碎化分析，探究景觀破碎化程度隨著時間的變化特征[22]；利用meff指數(shù)與其他多種指數(shù)分析景觀空間格局[23-25]。然而，國內(nèi)采用meff指數(shù)對景觀破碎化空間分布現(xiàn)狀的研究較少。李太安[21]以道路為主要破碎因子，采用CBC方法計算meff指數(shù)，對我國多空間尺度的景觀破碎化現(xiàn)狀進(jìn)行評估，掌握了我國破碎化空間分布特征；李燦等[26]和高江波等[27]將meff指數(shù)作為研究變量進(jìn)行空間變異性分析；劉世梁等[28]利用meff指數(shù)進(jìn)行空間相關(guān)性分析；王聃同等[29]基于meff指數(shù)進(jìn)行粒度效應(yīng)分析，在景觀空間格局分析領(lǐng)域發(fā)揮了一定作用。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國際領(lǐng)域研究成果，meff指數(shù)在定量化表現(xiàn)景觀破碎程度上還可以發(fā)揮更大作用。目前，關(guān)于安徽省景觀破碎的研究數(shù)量較少，且多采用傳統(tǒng)景觀格局指數(shù)對斑塊分布特征[30-31]、景觀格局[32]或土地覆被特征[33-34]進(jìn)行分析，對寧國市景觀破碎的評價研究鮮見報道。

寧國市生物豐度較高，森林資源覆蓋率高達(dá)75.3%，野生植物有1 700余種，野生動物290種，其中屬于國家保護(hù)的野生動物有26種，省級保護(hù)的野生動物51種，境內(nèi)分布著自然保護(hù)區(qū)[35]。同時，寧國市堅持生態(tài)立市發(fā)展戰(zhàn)略，大力開展生態(tài)紅線規(guī)劃建設(shè)與生態(tài)保護(hù)工作，爭創(chuàng)安徽省生態(tài)保護(hù)與建設(shè)示范區(qū)，在安徽省生態(tài)保護(hù)工作中占據(jù)重要地位[36]。因此，定量化分析寧國市景觀破碎空間分布特征具有重要意義，有利于決策者在科學(xué)評價的基礎(chǔ)上制定生態(tài)規(guī)劃方針、開展生態(tài)保護(hù)工作。筆者以寧國市為例，采用CBC算法計算meff指數(shù)，選取4種不同空間尺度的報告單元，以城市建設(shè)用地、道路、農(nóng)田等為景觀破碎因子，組合成景觀破碎幾何量度，對寧國市景觀破碎空間特征進(jìn)行多空間尺度的分析研究，掌握景觀破碎情況，幫助決策者在科學(xué)評價的基礎(chǔ)上合理制定寧國市生態(tài)保護(hù)方針，維護(hù)景觀連通性。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧國市位于安徽省東南端，東依天目山，西接黃山余脈，地勢南高北低，東西山川起伏，坐落在長江一級支流水陽江的上游。地理坐標(biāo)118°36′～119°24′ E，30°17′～30°47′ N，市域東西長75.5 km，南北寬55.3 km，總面積2 487 km2。自然條件復(fù)雜，地跨天目山脈和宣郎廣丘陵區(qū)，地形高低錯落，自然環(huán)境呈立體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，適于生物繁衍生息，生物資源種類較豐富，境內(nèi)分布著一處省級自然保護(hù)區(qū)（板橋自然保護(hù)區(qū)）。因此，寧國市在生物多樣性維持與生境保護(hù)方面具有重要意義[36]。寧國市地理區(qū)位見圖1。

1.2 研究方法與數(shù)據(jù)資料

1.2.1 破碎幾何量度。

驅(qū)動景觀變化的因子為驅(qū)動因子，分為自然驅(qū)動因子與人為驅(qū)動因子[1]，自然驅(qū)動因子常常在較大時空尺度上作用于景觀，可引起大面積的景觀變化；人為驅(qū)動因子則通常在相對較小的時空尺度上引起景觀變化[1]。導(dǎo)致景觀破碎化的因子稱為景觀破碎因子（Landscape Fragmentation Elements），特定的多個破碎因子組合在一起稱為破碎幾何量度（Fragmentation Geometry，F(xiàn)G）[22]。破碎幾何量度通常包含道路、鐵路、城市建設(shè)區(qū)域、工業(yè)區(qū)、農(nóng)田等，水域和山體在阻隔動物自由移動的情況下也可被視為破碎因子[2，37]。另外，需注意的是，隧道對景觀的破碎化影響應(yīng)根據(jù)其長度區(qū)別對待，一般認(rèn)為長度超過1 km的隧道，對其所在區(qū)域的景觀連通性不存在影響，同時也不存在交通噪聲影響，因此不能作為破碎因子[2]。不同類型的生態(tài)系統(tǒng)之間導(dǎo)致其破碎的因子差異很大[38-39]，因此應(yīng)根據(jù)不同研究區(qū)域和研究目的選取適宜的破碎因子制定破碎幾何量度，從而充分體現(xiàn)研究區(qū)特點(diǎn)，突出研究目的。

主要高速公路、二級公路、一般公路、鐵路、城市建設(shè)區(qū)域、農(nóng)田、湖泊、河流等水域、采礦活動區(qū)域及采伐活動區(qū)域作為破碎因子，構(gòu)建破碎幾何量度。對于自然破碎因子的選擇，主要考慮水體與山體2個因素。Jaeger等[2]研究認(rèn)為，集水區(qū)面積大于3 000 km2的水體，海拔高度在2 500 m以上或1 500 m以上同時坡度超過2°的山體則屬于能夠?qū)Υ蟛糠株懮鷦游锲鸬阶韪糇饔玫钠扑橐蜃印Ｓ捎趯巼卸喾植记鹆?，山體高度較低，利用寧國市DEM數(shù)據(jù)以及提取的坡度圖分析發(fā)現(xiàn)，不存在滿足劃分標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域，因此山體不被視為破碎因子。寧國市水系復(fù)雜多樣，除天然水體外還存在大量的人為原因形成的水庫、溝渠、坑塘，交錯相連，考慮到有人為活動干擾，對景觀的改變起到諸多影響，水體已經(jīng)不能單純地視為自然破碎因子，因此不區(qū)分集水區(qū)面積大小，將全部水體作為破碎因子進(jìn)行分析。在人為因子的選擇中，根據(jù)寧國市現(xiàn)有道路將其細(xì)分為主要高速公路、二級公路、一般公路、鐵路4類，其中高速公路為寧績高速、宣桐高速；二級公路為省道S215、S104；一般公路包括等級低于二級公路且路面有鋪裝的道路；不考慮農(nóng)村道路、鄉(xiāng)間小路及其他使用率較低、路面無鋪裝的道路[21]。城市建設(shè)區(qū)域包括所有人為活動導(dǎo)致土地原始類型發(fā)生改變并為人類生存生活所服務(wù)的區(qū)域，如城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民區(qū)、工業(yè)區(qū)等?？紤]到寧國市存在采礦活動及廣泛種植經(jīng)濟(jì)林（山核桃、板栗等）[35]，因此，除道路、建成區(qū)等傳統(tǒng)的破碎因子外，加入了采礦區(qū)和采伐區(qū)。農(nóng)田則指全部農(nóng)業(yè)活動用地，包括旱地、水田、菜地、果園等。

1.2.2 報告單元。

報告單元（Reporting Unit）是具有不同空間尺度和明確界限的區(qū)域[40]，其劃分界限可以是行政區(qū)劃邊界[2，5，8，21]、生態(tài)區(qū)劃界限[8，21，41]、河流流域界線[8]或具有一定分辨率的格網(wǎng)等[2]。不同空間尺度的報告單元滿足了對不同范圍的研究區(qū)域進(jìn)行研究的要求，同時也有利于對同一研究區(qū)域進(jìn)行多層次的破碎特征研究。

筆者擬定了3種報告單元，分別為寧國市級行政區(qū)、街道、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)（簡稱鄉(xiāng)鎮(zhèn)）級行政區(qū)及1 km2格網(wǎng)[2]。3種報告單元空間上呈嵌套式分布（圖2）。1 km2格網(wǎng)有利于呈現(xiàn)細(xì)微斑塊的破碎分布特征，具有更高的分析精度，在研究中被用來更細(xì)致地表現(xiàn)破碎的詳細(xì)分布情況，分析特定區(qū)域的破碎特征[2]。

1.2.3 景觀破碎指數(shù)（meff）。

meff指數(shù)表示同一斑塊內(nèi)任意2點(diǎn)相互聯(lián)通且不被障礙物阻隔的概率（Probability）[2，5，20]。該指數(shù)涉及動物擴(kuò)散的生態(tài)過程，可與大范圍的動物活動相關(guān)聯(lián)[8]。因此，meff指數(shù)還可以理解為位于同一區(qū)域不同位置的2個動物個體，不受道路、城市建設(shè)區(qū)域等破碎因子的阻隔，能夠不期而遇（Co-occurrence）的可能性大小[2，20]，將概率與報告單元面積相乘，就轉(zhuǎn)換成了具有一定尺寸的區(qū)域面積，即meff[20]。meff指數(shù)代表了生物移動自由度的高低，從而指示了區(qū)域內(nèi)景觀破碎的水平，meff的值越小則景觀破碎程度就越嚴(yán)重。

計算meff指數(shù)的方法有2種，分別是CUT算法和CBC算法。

CUT算法計算公式如下[20]：

式中，j表示報告單元；i表示報告單元j中斑塊個數(shù)；Aij表示報告單元j中第i個斑塊的面積；Atj表示報告單元i的總面積。

CBC算法計算公式如下[5]：

式中，j表示報告單元；i表示報告單元j中斑塊個數(shù)；Aij表示報告單元j中第i個斑塊的面積；Atj表示報告單元j的總面積；Aijcmpl表示報告單元j中第i個斑塊的完整面積。

研究發(fā)現(xiàn)[5]，CUT算法會受到報告單元邊界的影響導(dǎo)致計算的meff值存在偏差，這是由于報告單元界線與生境斑塊實際邊界不一致的情況下，斑塊被報告單元邊界所切割，在計算中忽略了完整斑塊延伸至報告單元邊界之外的部分，從而導(dǎo)致了誤差的出現(xiàn)，這被稱為“邊界問題”。CBC算法是在CUT算法的基礎(chǔ)上經(jīng)過更新而提出的[5]，解決了“邊界問題”，消除了計算誤差，因此，該研究采用CBC算法對meff指數(shù)值進(jìn)行計算。

1.2.4 數(shù)據(jù)來源與處理。

研究中使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括寧國市各級行政區(qū)劃圖、道路數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（DEM）、寧國市土地利用分類圖；數(shù)據(jù)來源分別為安徽省測繪局提供的1∶5萬寧國市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及DEM、寧國市國土局提供的1∶1萬寧國市土地利用類型數(shù)據(jù)（2013年8月10日）。研究用到的工具為ArcGIS軟件、Google Earth客戶端、meff指數(shù)ArcGIS計算工具（版本1.0），該工具是Girvetz等基于Visual Basic 6.0 dll針對ArcGIS 9.1開發(fā)的自動計算meff指數(shù)的工具，利用GIS空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，依據(jù)公式（1）、（2），分別計算出meffCUT和meffCBC的值[5]。由于筆者只采用CBC算法，因此只選取meffCBC結(jié)果進(jìn)行分析。

利用ArcMap投影變換功能，將各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)坐標(biāo)統(tǒng)一為Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_40。測量隧道長度，剔除超出1 km的路段不作為破碎因子。利用ArcToolbox中Buffer工具對道路進(jìn)行緩沖區(qū)處理，考慮到不同等級道路路面寬度、交通量及對道路兩旁環(huán)境影響程度高低等多種因素，緩沖區(qū)寬度設(shè)定為高速公路雙側(cè)50 m，二級公路雙側(cè)30 m，一般公路雙側(cè)15 m，鐵路雙側(cè)15 m[2，21]。利用Union工具合成景觀破碎幾何量度FG，并利用Dissolve工具對圖斑進(jìn)行整合歸類處理，使同屬性圖斑合并，優(yōu)化屬性表。利用Fishnet工具生成1 km2格網(wǎng)，利用Slope工具對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度提取，利用計算meff指數(shù)工具計算meff值。

2 結(jié)果與分析

2.1 破碎幾何量度

寧國市景觀破碎化斑塊空間分布（圖3）具有以下特點(diǎn)：以寧績高速公路為分界，寧國市西部、西南部地區(qū)分布著較大面積的斑塊，其余地區(qū)如北部、東部及中部至西南角等區(qū)域斑塊面積相對較小，寧國市城區(qū)附近及寧績高速、宣桐高速沿線周邊區(qū)域分布著面積較小的斑塊。城市建設(shè)區(qū)域與農(nóng)田空間位置相近，在寧國市南部多沿山間河谷兩岸分布，集中分布在寧國市北部區(qū)域。水體除自然河流外，北部區(qū)域分布著大量坑塘。采礦以及采伐用地，由于其面積較小，對斑塊整體空間分布及面積影響不大，采礦區(qū)主要分布在寧國市西北部港口鎮(zhèn)，

在中部、西南部及東部部分地區(qū)有少量分布。采伐區(qū)在港口鎮(zhèn)南部、青龍鄉(xiāng)東北部及中溪鎮(zhèn)、梅林鎮(zhèn)有少量分布。

2.2 多尺度報告單元景觀破碎特征

2.2.1 市域尺度破碎化。以市級行政區(qū)范圍為報告單元，計算出寧國市meff值為169.73 km2。

2.2.2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度破碎化。以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)為報告單元，meff值為0.26～362.67 km2，其中，南極鄉(xiāng)、寧墩鎮(zhèn)、萬家鄉(xiāng)、霞西鎮(zhèn)、甲路鎮(zhèn)、青龍鄉(xiāng)meff值均大于市域尺度meff值169.73 km2，表明該6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)景觀破碎程度較全市破碎水平較輕，其余13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)meff值小于169.73 km2，景觀破碎程度在全市水平之上（表1）。

空間上，景觀破碎程度較重區(qū)域主要分布在寧國市東北部及中部區(qū)域，包括城區(qū)、汪溪街道、西津街道、河瀝溪街道、南山街道、港口鎮(zhèn)、竹峰街道及云梯畬族鄉(xiāng)，meff值在0.26～85.61 km2，其中，城區(qū)meff值為0.26 km2，破碎程度最為嚴(yán)重，這主要是由于城區(qū)已高度城鎮(zhèn)化，幾乎全部被城市建設(shè)用地、道路等覆蓋；寧國市西北部以及中部至南部大部分地區(qū)破碎程度較輕，包括青龍鄉(xiāng)、甲路鎮(zhèn)、霞西鎮(zhèn)、萬家鄉(xiāng)、寧墩鎮(zhèn)、南極鄉(xiāng)，meff值為228.83～362.67 km2，其中，南極鄉(xiāng)meff值為362.67 km2，景觀破碎程度最輕，這是由于南極鄉(xiāng)多丘陵山體，僅分布著較少的農(nóng)田、人類居住區(qū)，無等級較高的道路（表1、圖4）。

2.2.3 格網(wǎng)尺度破碎化。

格網(wǎng)尺度下寧國市域整體meff值在0～422.92 km2，景觀破碎較重區(qū)域meff值為0～99.83 km2，空間上呈“人”字形分布，由寧國市北部分別延伸至西南部和東南部。破碎程度較輕區(qū)域仍主要集中分布在寧國市西北部及中部至南部區(qū)域，meff值為201.70～422.92 km2（圖4）。

將格網(wǎng)尺度下的meff結(jié)果圖與鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)進(jìn)行疊加分析，寧國市城區(qū)全部表現(xiàn)為嚴(yán)重破碎狀態(tài)；港口鎮(zhèn)、河瀝溪街道、胡樂鎮(zhèn)、南山街道、汪溪街道、西津街道大部分地區(qū)及方塘鄉(xiāng)、霞西鎮(zhèn)、中溪鎮(zhèn)、竹峰街道小部分地區(qū)表現(xiàn)為嚴(yán)重破碎。破碎程度相對較輕的區(qū)域基本與鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度下景觀破碎分析結(jié)果一致，即青龍鄉(xiāng)、南極鄉(xiāng)、萬家鄉(xiāng)、寧墩鎮(zhèn)全部區(qū)域破碎程度為相對較輕，霞西鎮(zhèn)、甲路鎮(zhèn)大部分區(qū)域為輕度破碎，方塘鄉(xiāng)、胡樂鎮(zhèn)、中溪鎮(zhèn)、仙霞鎮(zhèn)、云梯畬族鄉(xiāng)小部分區(qū)域為輕度破碎（圖4、5）。

以港口鎮(zhèn)為例進(jìn)行基于格網(wǎng)的景觀破碎空間特征分析，港口鎮(zhèn)meff值在0～263.42 km2，北部至中部大部分區(qū)域為嚴(yán)重破碎狀態(tài)，西南部區(qū)域破碎程度較輕（圖6）。港口鎮(zhèn)北部至中部大部分區(qū)域密集分布著城市建設(shè)區(qū)域及農(nóng)田，有多條二級公路、一般公路穿過，中部及南部分布著多處采礦區(qū)，以上這些景觀破碎因子是導(dǎo)致港口鎮(zhèn)景觀破碎的主要原因。

3 討論與結(jié)論

采用CBC算法計算的meff指數(shù)能夠多尺度地定量化描述景觀破碎空間分布特征。以3種報告單元為基礎(chǔ)對寧國市進(jìn)行多空間尺度景觀破碎特征研究，各尺度下寧國市景觀破碎空間分布特征基本一致，但隨著報告單元尺度的逐漸縮小，呈現(xiàn)出更為細(xì)致的景觀破碎分布特征。整體上寧國市景觀破碎較重區(qū)域空間上呈“人”字形分布，即以寧國市城區(qū)為中心，由寧國市北部分別延伸至西南部、東南部，寧國市城區(qū)具有最小meff值（0.26 km2）、破碎程度最為嚴(yán)重，港口鎮(zhèn)、河瀝溪街道、胡樂鎮(zhèn)、南山街道、汪溪街道、西津街道、霞西鎮(zhèn)、中溪鎮(zhèn)以及竹峰街道內(nèi)部部分區(qū)域破碎程度也相對嚴(yán)重。西北部、南部部分地區(qū)破碎程度相對最輕，主要為南極鄉(xiāng)、寧墩鎮(zhèn)、萬家鄉(xiāng)、霞西鎮(zhèn)、甲路鎮(zhèn)、青龍鄉(xiāng)，其中南極鄉(xiāng)meff值最大（362.67 km2），景觀破碎程度最輕。

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