商洛市景觀格局粒度效應(yīng)響應(yīng)及景觀格局分析

房舒 趙培

摘 要：基于景觀格局粒度響應(yīng)能更科學(xué)準(zhǔn)確地研究區(qū)域景觀格局特征，為促進(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展、制定環(huán)境修復(fù)政策提供理論依據(jù)。以秦嶺南麓商洛市為研究對象，基于2020年商洛市土地利用狀況，探討商洛市景觀粒度效應(yīng)響應(yīng)，確定最適宜商洛市景觀格局研究的粒度。并在此粒度下，研究商洛市景觀格局特征。結(jié)果表明，商洛市景觀級別和斑塊類型級別的最適宜研究粒度都為90 m。商洛市整體生態(tài)環(huán)境較好，但仍存在斑塊破碎化程度高，有一定脆弱性的問題。未來發(fā)展中應(yīng)更加注意提升林地和水域斑塊的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)的雙贏。

關(guān)鍵詞：景觀格局指數(shù)；粒度效應(yīng)；最適宜粒度；景觀格局特征

中圖分類號：P901? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ? ? ?文章編號：1674-0033（2023）02-0022-09

引用格式：房舒，趙培.商洛市景觀格局粒度效應(yīng)響應(yīng)及景觀格局分析[J].商洛學(xué)院學(xué)報(bào)，2023，37（2）：22-30.

Abstract： Landscape pattern based on grain size effect can more scientifically and accurately help study the characteristics of regional landscape pattern， and provide a theoretical basis for promoting regional sustainable development and formulating environmental restoration policies. Taking Shangluo City in the south of Qinling Mountains as the research object， based on the land use status of Shangluo City in 2020， the response of landscape grain size effect in Shangluo City was discussed to determine the most suitable granularity for the study of landscape pattern in Shangluo City. And under this granularity， the characteristics of landscape pattern in Shangluo City were studied. The results showed that the most suitable research grain size of landscape level and patch type level in Shangluo City was 90 m. The overall ecological environment of Shangluo City was good， but there were still problems of high degree of patch fragmentation and certain vulnerability. In the future， we should pay attention to enhance the stability of forest land and water patches， and achieve a win-win between economic development and environmental protection.

Key words： landscape pattern index; grain size effect; most suitable grain size; landscape pattern characteristics

景觀格局指數(shù)能定量化地探究景觀格局特征，為區(qū)域的生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在土地利用方式的提升、景觀格局的優(yōu)化等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。尺度是決定景觀格局研究科學(xué)與否的關(guān)鍵，景觀格局指數(shù)對空間尺度的變化非常敏感，景觀格局的尺度效應(yīng)是景觀格局特征推繹的基礎(chǔ)[4-5]。尺度包括時(shí)間和空間尺度，空間尺度包含空間幅度和粒度[6]。在研究過程中，研究區(qū)域和研究年限確定后，時(shí)間尺度和空間幅度也隨之確定，尺度效應(yīng)只需關(guān)注粒度[7]。景觀格局粒度效應(yīng)響應(yīng)，是指隨空間數(shù)據(jù)柵格單元大小改變，景觀格局指數(shù)發(fā)生改變的過程，目的是通過臨界點(diǎn)或轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定研究景觀格局的最佳粒度[8]。已有研究者針對不同的行政區(qū)、經(jīng)濟(jì)區(qū)、流域、山地、河谷等進(jìn)行了景觀格局效應(yīng)響應(yīng)研究[1-3，9]?；诰坝^格局粒度響應(yīng)，在最適宜粒度下研究區(qū)域景觀格局特征可為促進(jìn)地區(qū)可持續(xù)發(fā)展、制定環(huán)境修復(fù)政策提供理論依據(jù)和技術(shù)支持[10]。

秦嶺是我國南北氣候的分界線和重要的生態(tài)屏障[11]。2019年9月陜西省修訂的《秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》中將保護(hù)秦嶺生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提上新的高度[12]。習(xí)近平總書記來陜考察時(shí)多次強(qiáng)調(diào)秦嶺生態(tài)環(huán)境問題。然而多年來秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)研究主要集中在秦嶺北麓[13]。秦嶺南麓資源豐富、環(huán)境優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)之間的矛盾突出[14]。研究發(fā)現(xiàn)秦嶺東南部生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高，且有繼續(xù)增高的趨勢[15]。雖然早有學(xué)者在2008年就提出要及早關(guān)注秦嶺南麓生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，但目前為止針對秦嶺南麓生態(tài)環(huán)境評價(jià)及修復(fù)的研究相對較少。

商洛市地處陜西省東南部，是全國生態(tài)環(huán)境建設(shè)重點(diǎn)試點(diǎn)示范區(qū)。隨著人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展，商洛市生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)問題日益突出[16]。保護(hù)水源地生態(tài)環(huán)境，確保受水區(qū)水質(zhì)水量安全，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共處，一直是該區(qū)的熱點(diǎn)問題，但是針對商洛市開展的相關(guān)研究較少。因此，本文以秦嶺南麓的商洛市為研究對象，探討商洛市景觀粒度效應(yīng)響應(yīng)，在最適宜的粒度下，研究商洛市景觀級別和斑塊類型級別的景觀格局特征，為秦嶺南麓的景觀格局優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

1? 研究區(qū)概況

商洛市（108°34′～111°01′E，33°02′～34°24′N）地處陜西省東南部，是處于秦嶺南麓的城市，也是長江水系漢江支流丹江的源頭。商洛市是南水北調(diào)中線工程的重要水源地，是典型的山區(qū)水源地[17]。

商洛市的地形有盆地、低山和中山三大類，是以中低山為主的土石山區(qū)，土壤主要以褐土、棕壤、黃棕壤為主。氣候主要為南暖溫帶向北亞熱帶過渡的大陸性山地季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，是陜西省林業(yè)大市、重點(diǎn)林區(qū)。年均降水量為710～930 mm，年均氣溫為7.8～13.9 ℃，日照約為1 860～2 130 h，無霜期為210 d。

2? 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

下載商洛市2020年夏季Landsat 8遙感影像，進(jìn)行預(yù)處理和增強(qiáng)處理后，在ENVI5.3中進(jìn)行非監(jiān)督ISODATA分類，將商洛市土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、居民用地、未利用土地六類，分類后總精度大于90%。

2.2 研究方法

研究路線如圖1所示。首先從15～450 m選取了22個(gè)不同的粒度，其中15～210 m粒度之間的間隔設(shè)為15 m，210～450 m粒度之間的間隔設(shè)為30 m。然后依據(jù)文獻(xiàn)[9]及研究區(qū)的土地利用特征，選擇了景觀和斑塊類型兩個(gè)級別中較為常用且能代表不同指標(biāo)類別的景觀指數(shù)。在景觀級別上選擇了8個(gè)景觀格局指數(shù)（見表1），在斑塊類型級別上選擇了6個(gè)景觀格局指數(shù)（見表2）。最后運(yùn)用景觀格局指數(shù)計(jì)算軟件FRAGSTATS 4.2，計(jì)算了不同粒度兩個(gè)級別的景觀格局指數(shù)，并制作粒度響應(yīng)曲線，結(jié)合SPSS回歸分析曲線估計(jì)結(jié)果，得到適宜商洛市景觀格局研究的最適宜粒度，并在此粒度下計(jì)算和分析商洛市景觀格局特征。

3? 結(jié)果與分析

3.1 景觀級別的景觀指數(shù)粒度選擇

2020年商洛市8個(gè)景觀級別的景觀指數(shù)的粒度響應(yīng)曲線如圖2所示。由圖2可以看出，8個(gè)景觀級別的景觀指數(shù)的響應(yīng)曲線有三種趨勢。第一種，曲線無明顯規(guī)律，包括面積—邊緣指標(biāo)的LPI（平穩(wěn)—波動上升）、聚散性指標(biāo)的PD（下降—上升—下降）和IJI（平穩(wěn)上升—波動下降）及多樣性指標(biāo)的SHEI（不斷波動）。第二種，景觀指數(shù)隨粒度增大呈上升趨勢，包括形狀指標(biāo)的PAFRAC，其粒度響應(yīng)曲線在粒度為45 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)，在360 m后出現(xiàn)小幅度上下波動。第三種，景觀指數(shù)隨粒度增大呈下降趨勢，包括SPLIT、AI、LSI，均屬于聚散性指標(biāo)，其中SPLIT較為特別，屬于波動下降。AI隨粒度增大呈平穩(wěn)下降，下降趨勢無明顯變化。LSI在粒度為210 m處出現(xiàn)拐點(diǎn)，下降趨勢變大。

將景觀級別的景觀指數(shù)與粒度的關(guān)系進(jìn)行模擬，結(jié)果如表3。大部分景觀級別的景觀指數(shù)的尺度效應(yīng)可以較好地用函數(shù)模擬。其中多樣性指標(biāo)的SHEI沒有合適的函數(shù)模擬，PAFRAC適合用冪函數(shù)模擬，而其他指數(shù)均適合用三次函數(shù)模擬。聚散性指標(biāo)IJI與面積—邊緣指標(biāo)的LPI的擬合R2<0.9。而形狀指標(biāo)的PAFRAC與聚散性指標(biāo)AI、LSI的擬合均有R2>0.97。

結(jié)合景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)曲線和曲線擬合的結(jié)果，得到商洛市景觀級別的景觀指數(shù)第一尺度域?yàn)?5～105 m，最適宜研究粒度為90 m（見表4）。

3.2 斑塊類型級別的景觀指數(shù)粒度選擇

2020年商洛市6個(gè)斑塊級別的景觀指數(shù)的粒度響應(yīng)曲線如圖3所示。

由圖3可以看出，6個(gè)斑塊級別的景觀指數(shù)的響應(yīng)曲線有四種趨勢。第一種，景觀指數(shù)曲線無明顯規(guī)律，包括面積—邊緣指標(biāo)的LPI和聚散性指標(biāo)的PD、NP。LPI的粒度響應(yīng)圖中，居民地、水域、未利用地的LPI幾乎無變化；草地的LPI在15～210 m呈上升趨勢，但之后有小幅下降，LPI在210 m之后出現(xiàn)較大波動；林地的LPI在粒度為15～105 m小幅波動，在105～150 m波動變大，之后為波動上升；耕地的LPI總體呈現(xiàn)波動下降的趨勢。PD的粒度響應(yīng)圖中，未利用地的PD幾乎無變化；水域的PD在15～195 m呈略微上升趨勢，之后呈現(xiàn)略微下降趨勢；居民地、草地、林地的PD均呈現(xiàn)隨粒度的增大而下降的趨勢；耕地的PD在粒度為15～45 m呈現(xiàn)略微下降趨勢，粒度在45～210 m呈現(xiàn)上升趨勢且上升幅度先小后大，在210 m之后呈下降趨勢。NP的粒度響應(yīng)圖與PD變化趨勢相似。第二種，景觀指數(shù)隨粒度增大而增大，為形狀指標(biāo)的PAFRAC。居民地、草地、林地、耕地的PAFRAC均有隨粒度的增大而上升的趨勢，其中居民地的上升趨勢較為明顯；但對于未利用地來說，沒有明顯的上升或下降趨勢，存在較大波動；而對于水域來說，則存在整體下降趨勢。第三種，景觀指數(shù)隨粒度增大呈下降趨勢，為聚散性指標(biāo)AI。在其粒度響應(yīng)圖中，所有土地利用類型均存在明顯的景觀指數(shù)隨粒度增大而下降的趨勢，其中草地、林地的下降趨勢較小，水域的下降趨勢較大，未利用地在粒度為195 m之后呈現(xiàn)出波動下降。第四種，景觀指數(shù)基本不隨粒度增大變化，為面積—邊緣指標(biāo)的PLAND。其中草地、林地的景觀指數(shù)均在粒度為420 m處出現(xiàn)一不明顯的拐點(diǎn)；耕地的景觀指數(shù)整體上存在較小的波動。

將斑塊類型級別景觀指數(shù)與粒度的關(guān)系進(jìn)行模擬，結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，大部分斑塊級別的景觀指數(shù)的尺度效應(yīng)可以較好地用函數(shù)模擬，其中LPI的未利用地沒有合適的函數(shù)模擬，林地雖然可以用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模擬但擬合效果差；草地、林地、耕地、水域都可以用三次函數(shù)進(jìn)行較好地模擬。PLAND景觀指數(shù)所有斑塊類型均沒有合適的函數(shù)模擬，粒度效應(yīng)不明顯。PAFRAC景觀指數(shù)中，居民地、林地、水域均可以用三次函數(shù)進(jìn)行模擬，但水域的擬合程度較低；草地可以用對數(shù)函數(shù)進(jìn)行較好地模擬；耕地適宜用S模型模擬；未利用地沒有合適的函數(shù)模擬。PD的景觀指數(shù)除林地適合用二次函數(shù)進(jìn)行模擬外，其余斑塊類型均適合用三次函數(shù)進(jìn)行模擬。NP的函數(shù)擬合結(jié)果與PD相似。AI的六種斑塊類型均可用三次函數(shù)進(jìn)行模擬，且擬合效果好，R2均在0.99以上。

結(jié)合景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)曲線和曲線擬合的結(jié)果，得到商洛市斑塊類型級別景觀指數(shù)第一尺度域?yàn)?5～105 m，最適宜研究粒度為90 m（見表6）。

3.3 商洛市景觀格局特征

商洛市的主要土地利用類型是草地，占總面積的40.83%，接著是林地和耕地，分別占總面積的35.75%和22.45%。居民用地、水域和未利用地的比例都不足1%。最適宜商洛市景觀格局研究的粒度為90 m。90 m粒度下，商洛市景觀級別、斑塊類型級別的景觀指數(shù)如表7、表8。

景觀級別的景觀格局指數(shù)能說明商洛市景觀的整體水平，見表7。LPI的計(jì)算結(jié)果小于10，說明商洛市景觀基質(zhì)不突出，斑塊較為破碎。PAFRAC的計(jì)算結(jié)果為1.57，商洛市景觀形狀復(fù)雜程度不強(qiáng)。PD的計(jì)算結(jié)果為0.52，說明商洛市景觀較統(tǒng)一。SPLIT的計(jì)算結(jié)果為96.27，說明商洛市景觀細(xì)化程度較高。IJI的計(jì)算結(jié)果小于50，說明商洛市斑塊分布聚集程度不明顯。AI的計(jì)算結(jié)果大于80，說明商洛市景觀斑塊間聯(lián)系緊密。LSI的計(jì)算結(jié)果接近150，說明商洛市景觀同類斑塊聚集程度較好。SHEI的計(jì)算結(jié)果大于0.6，說明商洛市景觀類型較為豐富。

斑塊級別的景觀格局指數(shù)用于比較商洛市不同土地利用類型的景觀格局特征，見表8。從LPI來看，草地、耕地、林地斑塊中含有優(yōu)勢度大的斑塊，居民地、水域、未利用地斑塊相對更破碎。從PLAND來看，草地是商洛市的主要景觀類型，占地面積比例大于40%，林地、耕地景觀占地面積比例均大于20%，居民地、水域、未利用地斑塊所占面積比例都較小，均不足1%。從PAFRAC來看，水域的斑塊計(jì)算值最大，形狀最沒有規(guī)律，居民地的斑塊計(jì)算值最小，形狀最為規(guī)則，其他斑塊形狀不規(guī)則。PD和NP的變化趨勢與LPI保持一致。從AI來看，商洛市AI最高的為林地，聚集性最強(qiáng)；最低的為水域，較為分散。

4? 討論與結(jié)論

本文選取了22個(gè)粒度，8個(gè)景觀級別、6個(gè)斑塊類型級別的景觀指數(shù)，對商洛市景觀格局指數(shù)粒度效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在景觀級別和斑塊類型級別最適宜研究區(qū)的景觀粒度都為90 m。這與陳永林等[18]在長沙市的景觀粒度效應(yīng)研究中得出的結(jié)果一致。同時(shí)，翟俊等[19]認(rèn)為流域景觀格局分析的最佳空間粒度為90 m。楊馗等[20]認(rèn)為90 m的粒度能更好地體現(xiàn)空間異質(zhì)性。

整體來看，商洛一區(qū)六縣均位于中國南水北調(diào)中線水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)[17]，而商洛四面環(huán)山，人口少、耕地少、企業(yè)少、經(jīng)濟(jì)增長緩慢，城市土地集約利用、土地投資、經(jīng)濟(jì)水平在陜西省10個(gè)城市中都處于最低水平[21]。商洛的土地利用主要是草地和林地。雖然商洛整體環(huán)境較好，植被碳匯能力超過500 g/（cm2·a）[22]，但是由于商洛處于山區(qū)[23]，仍然存在景觀斑塊細(xì)碎化、破碎化，脆弱化程度高的問題，具有一定的景觀生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

商洛市森林覆蓋率高，但天然次生林的比例較大，進(jìn)行工程管護(hù)的森林面積達(dá)160多萬公頃[24-25]。近年來商洛建成區(qū)植被覆蓋度有所改善[25]，林地景觀雖然存在一定優(yōu)勢，但穩(wěn)定性不足。商洛市山陽縣礦產(chǎn)資源豐富，2005年前因露天開采森林資源遭到破壞，景觀脆弱性增加；但2005年后，礦區(qū)環(huán)境有所改善，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)略有降低[15]。2015年到2019年，商洛的資源利用效率呈上升趨勢[26]。商洛市雖然為南水北調(diào)中線主要供水城市，但其水域斑塊仍存在分散、破碎的問題。為保證供水質(zhì)量，南水北調(diào)中線工程實(shí)施以后商洛市開展了水污染治理、水環(huán)境保護(hù)工作來提高丹江庫區(qū)及上游水質(zhì)質(zhì)量[27]，但對由此帶來的土地結(jié)構(gòu)改變、區(qū)域環(huán)境響應(yīng)缺乏系統(tǒng)性的認(rèn)識和研究，同時(shí)，急需治理的水土流失面積仍有232萬公頃[28]?？梢钥闯?，提高商洛市景觀格局的穩(wěn)定性，主要還是要從林地斑塊和水域斑塊的改善入手。

依托得天獨(dú)厚的氣候資源、優(yōu)美的自然環(huán)境、無公害農(nóng)產(chǎn)品等，商洛市未來的發(fā)展目標(biāo)是打造“中國康養(yǎng)之都”。未來自然空間景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和提升將是商洛城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)，同時(shí)商洛經(jīng)濟(jì)發(fā)展也離不開生態(tài)環(huán)境良好帶來的優(yōu)勢[27]。因此商洛市未來仍需繼續(xù)優(yōu)化景觀結(jié)構(gòu)，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào)的發(fā)展模式。

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