青海省景觀格局核心指數(shù)提取與變化分析

郭蓉，許寰戈

(青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810000)

引言

景觀格局通常指的是不同形狀、大小、屬性的景觀斑塊的空間結(jié)構(gòu)特征，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)，也是不同類型的生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[1]。景觀指數(shù)可以反映景觀斑塊的變化，能夠在雜亂的斑塊鑲嵌中提取潛在的規(guī)律[2，3]。現(xiàn)階段景觀格局主要基于RS與GIS并結(jié)合景觀格局軟件進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者在濕地[4]、草地、森林[5]等方面的景觀格局研究取得了進(jìn)展，另外還有學(xué)者對(duì)城市綠地、國(guó)家公園、典型旅游區(qū)等的景觀格局進(jìn)行研究并解釋其原因。對(duì)景觀格局的模擬研究也成為重要議題，李禎、王云靚、蘇凱等分別進(jìn)行了三江平原[6]、濟(jì)南市[7]、東北森林帶[8]的景觀格局模擬，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全有重要意義。

目前已有成果大多以整個(gè)研究區(qū)為范圍進(jìn)行計(jì)算，如在湘西州[9]、鹽池縣[10]、鞍山市[11]等地的研究，利用土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算景觀格局指數(shù)，從而分析相應(yīng)的景觀格局的變化。雖然這些研究可以很好地反映景觀斑塊的變化，但是區(qū)域較大，如果按照小斑塊進(jìn)行計(jì)算，能夠較好地反映研究區(qū)內(nèi)景觀格局指數(shù)的變化。故本文將青海省2000年、2010年、2018年土地利用數(shù)據(jù)層裁剪為多個(gè)形狀一致的六邊形小斑塊，利用Fragstats軟件批量提取每個(gè)斑塊內(nèi)的核心景觀格局指數(shù)，分析青海省景觀格局在時(shí)間、空間上的變化。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

青海省位于我國(guó)西部，青藏高原東北部，經(jīng)緯度位置為：89°35'E～103°04'E，31°9'N～39°10'N之間，地勢(shì)總體呈現(xiàn)西高東低，地貌復(fù)雜多樣，氣候寒冷干旱，降水時(shí)空差異大，太陽輻射強(qiáng)度自西北向東南遞減。研究區(qū)內(nèi)面積約69萬km2，其中面積占比最大的為未利用地和草地[12]。20世紀(jì)初開始實(shí)行退耕還林、退牧還草等生態(tài)工程，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，林草地面積有所增加，對(duì)生態(tài)保護(hù)起到很大的作用[13]，所以對(duì)青海省景觀格局核心指數(shù)的提取與分析研究意義重大。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

文章2000年、2010年、2018年青海省土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn/)，空間分辨率為1km×1km。參考自然資源部2017年頒布的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)，將原有12個(gè)土地利用類型重分類為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)景觀組分。正六邊形向四周延伸的距離一致，并且可以減少由于格網(wǎng)形狀的邊界效應(yīng)帶來的樣本偏差，所以利用ArcGIS生成大小相同的正六邊形，將其作為掩膜，區(qū)域內(nèi)的土地利用柵格圖層分割成多個(gè)獨(dú)立的樣本單元，采用景觀格局分析軟件Fragstats分別計(jì)算每個(gè)獨(dú)立單元的景觀格局核心指數(shù)。其中，生成六邊形獨(dú)立單元遵循以下兩點(diǎn)：考慮研究區(qū)面積以及土地利用底圖數(shù)據(jù)分辨率，并兼顧計(jì)算的工作量和數(shù)據(jù)處理效率，需協(xié)調(diào)六邊形獨(dú)立樣本單元的面積和數(shù)量；為了保證樣本單元的完整性和形狀的一致性，在研究區(qū)邊緣地帶中，剔除樣本單元面積小于原樣本單元面積85%以下的六邊形樣本單元。

2 研究方法

景觀指數(shù)能夠反映土地利用和景觀格局的變化特征，其包含三種指標(biāo)：斑塊水平指標(biāo)(patch metrics)、類型水平指標(biāo)(class metrics)和景觀水平指標(biāo)(landscape metric)。我們選取凝聚度指數(shù)(COHESION)、斑塊個(gè)數(shù)(NP)、香濃多樣指數(shù)(SHDI)、分離度指數(shù)(SPLIT)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)5個(gè)核心指數(shù)來分析青海省的景觀格局的變化特征。以下為各指數(shù)的詳細(xì)說明：

(1)斑塊個(gè)數(shù)(NP)：

NP=N

N為各類型斑塊數(shù)量，NP表示景觀單元內(nèi)所有斑塊的總數(shù)，其值NP≥1，值的大小與景觀的破碎度成正相關(guān)關(guān)系，常被用來描述整個(gè)景觀的異質(zhì)性。

(2)分離度指數(shù)(SPLIT)：

aij為景觀類型i中j的面積，A為總景觀面積，m指斑塊類型數(shù)，n指斑塊個(gè)數(shù)，1≤SPLIT≤NP2，當(dāng)值趨于1時(shí)，斑塊內(nèi)的景觀類型越少，當(dāng)值趨于NP2時(shí)，斑塊內(nèi)的破碎化程度越高。SPLIT表示斑塊的空間分布離散程度，可以反映出斑塊內(nèi)受干擾的程度。

(3)蔓延度指數(shù)(CONTAG)：

m為景觀斑塊類型數(shù)，Pij代表某一斑塊的周長(zhǎng)，0≤CONTAG≤100，其值越小說明存在的斑塊越多，當(dāng)值趨于100時(shí)，表明景觀的連通度越高。一般來說，高蔓延度的斑塊中形成了連接性良好的優(yōu)勢(shì)斑塊，反之，說明斑塊內(nèi)景觀破碎化程度較高，斑塊內(nèi)包含要素較多。

(4)凝聚度指數(shù)(COHESION)

pij為斑塊i和j的共接邊長(zhǎng)，aij為斑塊i和j的面積，A為研究區(qū)板塊總數(shù)量，0≤COHESION≤100，COHESION表示斑塊類型的連通性和聚集程度，當(dāng)值趨于100時(shí)，表明區(qū)域內(nèi)的景觀較為聚合，當(dāng)值趨于0時(shí)，區(qū)域內(nèi)景觀較為分散。

(5)香濃多樣指數(shù)(SHDI)：

Pi為景觀斑塊類型i所占比例，i指斑塊類型總數(shù)，SHDI≥0，反映景觀的復(fù)雜性，能夠描述研究區(qū)內(nèi)土地利用類型的數(shù)量及不同類型景觀面積所占比例。值越大，表示土地利用越豐富，破碎化程度越高。

3 結(jié)果分析

3.1 斑塊個(gè)數(shù)(NP)

從圖1我們可以看到，2010～2018年青海省斑塊個(gè)數(shù)(NP)的值在空間上呈現(xiàn)的整體規(guī)律大致相似，表現(xiàn)為東北邊緣地區(qū)NP值的高值最集中，且格爾木市、玉樹市、德令哈市等市的市駐地以及下轄縣駐地區(qū)域NP值也較高，西南部和西北部的NP值較低。青海省東北部是省內(nèi)人類活動(dòng)最強(qiáng)烈的區(qū)域，且被影響的區(qū)域連片分布，其對(duì)景觀格局指數(shù)產(chǎn)生很大影響，這里人口集中，城鎮(zhèn)化水平高，土地利用類型多樣，包含了耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種類型，景觀破碎化程度高；人類活動(dòng)劇烈的區(qū)域相對(duì)分散使得其他縣市的NP高值離散分布；而在西北部未利用地面積相對(duì)較大，在西南部草地占面積較大，故每個(gè)景觀斑塊中土地利用類型單一，NP值較低，景觀破碎化程度也較低。在青海省中部，未利用地、草地還有部分水域相間分布，故NP值的大小介于東北邊緣與西南和西北部之間。從年際變化來看，2000～2010年NP值在空間上的變化并不明顯，但西北部NP值略有升高，西南部NP值也有所增加，景觀破碎化程度略微增高；2010～2018年NP值發(fā)生了明顯改變，主要出現(xiàn)在兩個(gè)區(qū)域，一是青海省南部的大部分區(qū)域，二是青海湖相鄰的西北部，NP值降低，景觀破碎化程度下降。

3.2 分離度指數(shù)(SPLIT)

分離度指數(shù)(SPLIT)的較高值分布在青海省的東北部以及格爾木市、玉樹市、德令哈市等市的市駐地以及下轄縣駐地區(qū)域，這些區(qū)域內(nèi)的土地利用類型多樣，斑塊內(nèi)受干擾的程度較強(qiáng)，西北、西南和東南部的SPLIT值是比較小的，表明這些區(qū)域內(nèi)斑塊的空間分布離散程度較低，斑塊內(nèi)受干擾程度很小，這與NP值的空間分布是相呼應(yīng)的。2000～2010年SPLIT值變化微弱，2010～2018年變化的區(qū)域集中分布于青海省東南部和青海湖西北部，斑塊內(nèi)受干擾的程度顯著降低(如圖2)。

3.3 蔓延度指數(shù)(CONTAG)

蔓延度指數(shù)(CONTAG)的高值多分布于青海省的西南、東南、西北以及靠近東部邊緣的區(qū)域，這些區(qū)域的斑塊內(nèi)存在連通度極高的優(yōu)勢(shì)斑塊類型，斑塊之間的連接性和連續(xù)性較好，斑塊內(nèi)的優(yōu)勢(shì)景觀類型多為草地或未利用地；東部邊緣及格爾木市等市的市駐地以及下轄縣駐地區(qū)域呈現(xiàn)較高值，說明這些區(qū)域城鎮(zhèn)化水平較高，同時(shí)，城市城鎮(zhèn)的連通度較高；中部地區(qū)以及全省出現(xiàn)分散的低值，表明這些斑塊內(nèi)存在耕地、林地、草地等多種類型的景觀，景觀破碎化程度高且連接性差。2000～2010年CONTAG變化不大，2010～2018年變化比較明顯，變化區(qū)域分布在青海省南部，我們可以看到CONTAG明顯減少，說明該區(qū)域斑塊內(nèi)景觀破碎度增加(如圖3)。

3.4 凝聚度指數(shù)(COHESION)

從圖4中可以看出，凝聚度指數(shù)(COHESION)的高值聚集在青海省草地、未利用地為主的斑塊中，分布在青海省的西南、東南以及西北部，這些區(qū)域景觀較為聚合，連通性和集聚程度高。在東北部出現(xiàn)了低值，這里土地利用類型多樣，景觀破碎化程度高，而在其他區(qū)域，COHESION值出現(xiàn)大面積連片的較高值。這也證明草地、未利用地凝聚度高、破碎度低，而在人類活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)斑塊內(nèi)景觀類型多樣，景觀破碎度高。2000～2010年COHESION值未出現(xiàn)明顯變化，比較穩(wěn)定，2010～2018年在青海省南部以及青海湖東北部出現(xiàn)了COHESION值的大面積增加，表明其凝聚度增加，景觀破碎化程度降低。

3.5 香濃多樣指數(shù)(SHDI)

圖5中，香濃多樣指數(shù)(SHDI)分布規(guī)律十分明顯，與3.1和3.2中NP和SPLIT的表現(xiàn)相似，其高值多分布于青海省東部，在其他地區(qū)也有零星分布，這些區(qū)域的斑塊內(nèi)土地利用類型豐富，景觀復(fù)雜，破碎化程度高，在西南和西北，分布著SHDI的低值，說明斑塊內(nèi)土地利用類型較少。2000～2010年斑塊內(nèi)景觀類型穩(wěn)定，變化不強(qiáng)烈，2010～2018年在青海省東南部SHDI由中高值變?yōu)榈椭担砻鲄^(qū)域的斑塊內(nèi)部破碎化程度降低，土地利用區(qū)域單一。

4 結(jié)論與討論

青海省土地利用類型包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6種類型，它們?cè)诳臻g分布上不均勻，在南部草地面積占比相對(duì)較大，在北部未利用地面積占比較大，所以這些區(qū)域景觀異質(zhì)性低，斑塊內(nèi)的破碎化程度低，且斑塊之間的連通性較好。在青海省東部以及其他城鎮(zhèn)聚集的區(qū)域，人類活動(dòng)比較強(qiáng)烈，土地利用類型豐富，斑塊內(nèi)景觀破碎化程度高。

2000～2018年斑塊內(nèi)景觀格局指數(shù)的大致分布規(guī)律是相似的，與土地利用類型的分布有很大的關(guān)系，而且我們發(fā)現(xiàn)2000～2010年景觀格局指數(shù)的變化程度是十分微弱的，2010～2018年出現(xiàn)了比較大的變化。在變化比較大的區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)為未利用地向草地的轉(zhuǎn)化，主要是因?yàn)閷?shí)施了退耕還林還草工程和三江源生態(tài)保護(hù)工程。這些區(qū)域包括青海湖西北的天駿縣，以及黃河源區(qū)的瑪多縣、興?？h、瑪沁縣等，在20世紀(jì)初開始實(shí)施生態(tài)保護(hù)工程，在2018年已經(jīng)得到顯著改善，草地面積大幅增加，以草地為主的斑塊內(nèi)的景觀破碎化程度也逐漸降低，連通性加強(qiáng)，生態(tài)環(huán)境得到改善。