張曉陽，梁國付，丁圣彥,*

(1.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室， 開封 475004; 2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，開封 475004)

不同干擾背景下農(nóng)業(yè)景觀異質(zhì)性
——以鞏義市為例

張曉陽1,2，梁國付1,2，丁圣彥1,2,*

(1.教育部黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)重點實驗室， 開封 475004; 2.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，開封 475004)

景觀異質(zhì)性包括景觀組成和構(gòu)型的異質(zhì)性，而人為干擾是形成異質(zhì)性景觀的主要影響因素。以河南省鞏義市為例，在以建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地為主體的景觀中各選取一個4km×4km的樣區(qū)，采用移動窗口算法，以100、250、500、1000、1250m和1500m為移動窗口半徑，借用蔓延度(CONT)和均勻度(SHEI)指數(shù)，分析了不同干擾背景下景觀異質(zhì)性的空間變化特征。結(jié)果表明：隨著移動窗口半徑的增大，各景觀類型的蔓延度和均勻度指數(shù)的最大值逐漸遞減，最小值逐漸遞增(建成區(qū)除外)；建成區(qū)和農(nóng)田景觀蔓延度指數(shù)的平均值均大于丘陵和山地景觀，均勻度指數(shù)的平均值則相反；4種類型景觀的均勻度指數(shù)和蔓延度指數(shù)都呈顯著相關(guān)關(guān)系，除建成區(qū)1000m及以上移動窗口半徑外，R2都大于0.9；擬合曲線的β值基本呈遞增趨勢。文中對于人為干擾強度的差異性和景觀異質(zhì)性的尺度依賴性分析，為構(gòu)建合理的景觀格局提供了理論依據(jù)。

干擾；景觀異質(zhì)性；景觀指數(shù)；移動窗口；鞏義市

景觀格局是由各種生物以及非生物之間相互作用的產(chǎn)物[1- 2]，其形成的驅(qū)動因素不僅包括地理環(huán)境要素的影響，同時還包括人為活動強度的影響，而后者越來越成為影響景觀格局的重要因素。大量的研究也已經(jīng)證實由人類活動引起的土地利用類型的變化，不僅改變了原有的景觀格局，同時對異質(zhì)性景觀的形成也起到重要的作用[3- 7]。Farina認為景觀異質(zhì)性是指景觀中不同類型的斑塊在空間上鑲嵌的復(fù)雜性[8]。Forman則認為景觀異質(zhì)性是景觀結(jié)構(gòu)在空間分布上的非均勻性和隨機性[9]。在農(nóng)業(yè)景觀中，異質(zhì)性的景觀常常變?yōu)檗r(nóng)田和自然植被交錯分布的小尺度鑲嵌體，進而影響物種之間的相互作用、生態(tài)系統(tǒng)的基本功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的發(fā)揮。景觀異質(zhì)性對不同的生態(tài)過程具有重要的影響，如何才能更準確的量化景觀的異質(zhì)性特征是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點內(nèi)容[10- 11]。研究景觀的異質(zhì)性首先要區(qū)分不同的景觀類型，同時還要明確景觀異質(zhì)性的驅(qū)動因素和尺度的依賴性[1,12]。由于景觀異質(zhì)性具有非線性特征，因此將不同尺度下的景觀指數(shù)進行對比分析時發(fā)現(xiàn)相同研究區(qū)的景觀異質(zhì)性會產(chǎn)生不同的結(jié)果[13- 15]，因此研究景觀異質(zhì)性，尺度問題是關(guān)鍵。大量的研究也已經(jīng)充分證明了景觀格局具有很強的尺度依賴性。景觀是由斑塊、廊道和基質(zhì)組成的，景觀中不同生境斑塊的面積、大小和形狀，廊道的長度和寬度，基質(zhì)的類型和面積等，不僅反映了景觀的組成和結(jié)構(gòu)特征，同時也能從中探究出其形成的驅(qū)動因素。對景觀組成、結(jié)構(gòu)、格局和異質(zhì)性等的分析需要借助于景觀指數(shù)進行量化，由于景觀異質(zhì)性具有尺度依賴性[16- 18]，因而決定了景觀指數(shù)同樣具有尺度依賴性的特征[19- 20]。以不同干擾強度為背景，從不同的尺度上分析景觀的組成和構(gòu)型特征，不僅能反映出空間尺度上景觀異質(zhì)性的差異性和變化的規(guī)律性特征，同時也能揭示出各類型景觀格局、過程和尺度效應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系，為景觀的規(guī)劃與設(shè)計、管理與保護等提供有效依據(jù)。

鞏義市以農(nóng)業(yè)景觀為主體，主要地貌類型有平原、丘陵和山地，各類型地貌海拔高度的差異性顯著，因此土地利用方式呈現(xiàn)多樣化特征。根據(jù)人為干擾強度和自然環(huán)境要素的差異性特征，分別在以建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀為主體的區(qū)域選取一個樣方，從不同尺度上分析景觀組成和構(gòu)型的差異性，揭示景觀格局的變化特征和驅(qū)動因素，為該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鞏義市位于中原腹地河南省西部，介于鄭州市和洛陽市之間，地處34°31′—34°52′N和112°49′—113°17′E之間，東西長約43km，南北寬約39km，總面積約1042km2(圖1)。鞏義市地處暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為583mm，雨季多集中在7—9月，占全年降水量的70%，雨熱同期。南依嵩山，北臨黃河，地勢南高北低，地貌類型多樣，主要有平原、丘陵和山地，山地主要位于東部和南部地區(qū)，丘陵主要位于中部和北部地區(qū)，伊洛河和黃河沿岸為地勢平坦的沖積平原。全市耕地面積約3.4萬hm2，其中農(nóng)田有效灌溉面積1.55萬hm2，糧食年產(chǎn)量維持在15萬t左右，交通地理位置優(yōu)越，礦產(chǎn)資源豐富，工業(yè)起步早、基礎(chǔ)好，經(jīng)濟發(fā)展水平較高，其綜合經(jīng)濟實力連續(xù)18a位居河南省首位，連續(xù)9屆躋身全國百強縣(市)。

圖1 鞏義市位置圖Fig.1 Location of the Gongyi City

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源主要有：研究區(qū)的2009年1∶1萬的土地利用現(xiàn)狀圖和野外調(diào)查數(shù)據(jù)。在ArcGIS9.3中的空間分析模塊支持下，將土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成像元為5m×5m的柵格數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的實際情況將土地利用類型劃分為：水澆地、旱地、果園、林地、灌木林、草地、河流、坑塘、灘涂、建設(shè)用地、道路和裸地12種景觀類型。數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析采用SPSS17.0。

2.2 樣方和指數(shù)的選取

基于景觀生態(tài)學(xué)原理，根據(jù)人為干擾強度和自然環(huán)境要素的差異性特征，分別在以建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀為主體的區(qū)域選取一個4km×4km的樣方(圖2)，采用FRAGSTATS4.1中的移動窗口算法，分別以100、250、500、1000、1250m和1500m為移動窗口半徑大小，借用表征景觀組成的香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)和表征景觀構(gòu)型的蔓延度指數(shù)(CONT)，揭示不同移動窗口半徑下各類型景觀異質(zhì)性的差異性和變化規(guī)律。

圖2 樣方分布圖Fig.2 The distribution of plots

(1)香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon′s Evenness Index，SHEI)

香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)計算公式為：

式中，Pi為景觀中i類型斑塊占景觀總面積的比例，m為景觀中存在的斑塊類型的數(shù)量。香農(nóng)均勻度指數(shù)的取值范圍是0≤SHEI≤1。該指數(shù)的計算結(jié)果與多樣性指數(shù)有著密切的關(guān)系，當景觀中只存在一種斑塊類型時，此時SHDI=0，繼而SHEI=0；隨著不同斑塊類型數(shù)量的增多，SHDI的指數(shù)值逐漸增大，當SHEI=1或接近1時，則說明各類型斑塊均勻的分布在景觀中且各類型斑塊面積比例趨于相等。

(2)蔓延度指數(shù)(CONT)

CONT計算公式為：

式中，Pi為第i種斑塊類型所占景觀總面積的比例,m為景觀中存在的斑塊類型的數(shù)量，gik表示基于重復(fù)計算的相鄰像元中斑塊類型i和k的數(shù)量。蔓延度的取值范圍是0

3 不同移動窗口半徑下景觀異質(zhì)性特征分析

3.1 景觀異質(zhì)性特征分析

隨著移動窗口半徑從100、250、500、1000、1250m和1500m逐漸增大，建成區(qū)、農(nóng)田和丘陵景觀的最大蔓延度指數(shù)和最大均勻度指數(shù)呈遞減趨勢，山地景觀也基本呈遞減趨勢，但最大蔓延度指數(shù)和最大均勻度指數(shù)的最低值均在1000m移動窗口半徑。各景觀類型的最小蔓延度指數(shù)和最小均勻度指數(shù)基本呈遞增趨勢，但有不規(guī)則的波動，其中建成區(qū)最小蔓延度指數(shù)(在1000m及以上移動窗口半徑)和最小均勻度指數(shù)的值均為0；丘陵景觀的最小蔓延度指數(shù)在1000m移動窗口半徑的值為0；而山地景觀的最小蔓延度指數(shù)和最小均勻度指數(shù)的值在1000m移動窗口半徑的數(shù)值最大(圖3)。

隨著移動窗口半徑從100、250、500、1000、1250m和1500m逐漸增大，建成區(qū)和農(nóng)田景觀蔓延度指數(shù)的平均值均大于丘陵和山地景觀蔓延度指數(shù)的平均值；100m和250m移動窗口半徑均勻度指數(shù)的平均值由大到小的順序依次為丘陵>山地>農(nóng)田>建成區(qū)，500m及以上移動窗口半徑均勻度指數(shù)的平均值由大到小的順序依次為山地>丘陵>農(nóng)田>建成區(qū)(圖4)。

3.2 景觀要素組成與構(gòu)型的相互關(guān)系分析

景觀異質(zhì)性包括景觀組成的異質(zhì)性和景觀構(gòu)型的異質(zhì)性[21]。橫軸表示景觀構(gòu)型隨著景觀要素分布特征的改變其異質(zhì)性增大的特征，景觀要素的類型相同且各類型要素占景觀總面積的比例相同，但是通過改變景觀要素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間分布特征，景觀的構(gòu)型異質(zhì)性就會增大；縱軸表示隨著組成景觀的要素類型的增多，景觀組成的異質(zhì)性也逐漸增大(圖5)[22]。因此，景觀的要素組成類型的多少以及它們的空間分布特征是形成異質(zhì)性景觀的關(guān)鍵因素。

隨著移動窗口半徑從100、250、500、1000、1250m和1500m逐漸增大，不同干擾背景下的建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀的蔓延度指數(shù)與均勻度指數(shù)的值越來越集中于中值區(qū)，離散程度降低，因此擬合曲線能更準確的反映不同移動窗口半徑下蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)之間關(guān)系的變化規(guī)律，但是建成區(qū)1000m及以上移動窗口半徑除外；除了建成區(qū)1000m及以上移動窗口半徑的R2的值都小于0.05，各景觀類型在不同移動窗口半徑的蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈顯著的相關(guān)關(guān)系，R2的值均大于0.9(圖6)。

圖3 建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀的蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)的最大值和最小值Fig.3 The maximum and minimum of contagion index and evenness index of urban area, farmland, hills and mountains

圖4 建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀的蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)的平均值Fig.4 The average of contagion index and evenness index of urban area, farmland, hills and mountains

圖5 景觀異質(zhì)性的結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.5 The structure of the landscape heterogeneity

3.3 景觀結(jié)構(gòu)軌跡的梯度分析

擬合曲線的β值反映了蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)兩個指數(shù)中一個指數(shù)隨另一個指數(shù)的變化幅度。隨著移動窗口半徑從100、250、500、1000、1250m和1500m逐漸增大，農(nóng)田、丘陵和山地景觀擬合曲線的β值基本呈遞增趨勢(圖6和圖7)。建成區(qū)景觀擬合曲線的β值隨移動窗口半徑的增大也基本呈遞增趨勢，但是在1000m移動窗口半徑的β值波動較大；農(nóng)田和山地景觀的β值分別在250m及以上移動窗口半徑和500m及以上移動窗口半徑的變化幅度較小；丘陵景觀的β值隨著移動窗口半徑的增大呈上升趨勢。

圖6 建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀在不同移動窗口半徑蔓延度指數(shù)與均勻度指數(shù)的散點圖Fig.6 The landscape of urban area, farmland, hills and mountains in different moving window radius contagion index and evenness index of scatter plot

圖7 擬合曲線的β值Fig.7 The beta of the fitted curve

4 討論

4.1 不同干擾背景下景觀異質(zhì)性的特征分析

建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀的蔓延度指數(shù)的最大值逐漸遞減(圖3)，說明景觀中各類斑塊高度聚集分布的區(qū)域隨著移動窗口半徑的逐漸增大其聚集程度逐漸降低；最小值逐漸遞增(建成區(qū)除外)(圖3)，則說明景觀中各類斑塊高度離散分布的區(qū)域隨著移動窗口半徑的逐漸增大其離散程度降低，因此景觀的構(gòu)型呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性；而建成區(qū)蔓延度指數(shù)的最小值在1000m及以上移動窗口半徑均為0，說明各類斑塊按照在景觀中所占比例最大程度的離散分布，并且不再隨著移動窗口半徑的增大而改變；丘陵景觀蔓延度指數(shù)的最小值在1000m移動窗口半徑的值為0，然后又迅速上升并呈遞增趨勢，說明在1000m移動窗口半徑下景觀中離散分布大量單一的人工核心斑塊，并且成為影響景觀結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素，但是隨著移動窗口半徑的增大景觀中加入了許多新的斑塊類型，改變了原有的景觀格局，削弱了核心斑塊的主導(dǎo)作用。建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀的均勻度指數(shù)的最大值逐漸遞減(圖3)，說明隨著移動窗口半徑的逐漸增大景觀中斑塊的數(shù)量增多而斑塊的類型變化不顯著，這樣就降低了不同類型斑塊均勻分布的程度；最小值逐漸遞增(建成區(qū)除外)(圖3)，說明隨著移動窗口半徑的逐漸增大景觀中的斑塊類型和數(shù)量逐漸增多，景觀結(jié)構(gòu)的單一性逐漸降低；建成區(qū)均勻度指數(shù)的最小值都為0，則說明由于受到強度人為干擾的影響建成區(qū)中斑塊類型單一，且這些斑塊在不同移動窗口半徑均對景觀格局有主導(dǎo)作用。

人為干擾強度較大的建成區(qū)和農(nóng)田景觀蔓延度指數(shù)的平均值在不同的移動窗口半徑均大于人為干擾強度較小的丘陵和山地景觀，均勻度指數(shù)的平均值則相反(圖4)。這充分體現(xiàn)了由于人為干擾強度的影響，使得人為干擾強度較大的建成區(qū)和農(nóng)田景觀中的斑塊類型單一且分布聚集，相比人為干擾強度相對較小的丘陵和山地景觀中的斑塊類型多樣且分布離散。

4.2 從景觀組成與構(gòu)型中探尋干擾的差異性

不同移動窗口半徑擬合曲線的斜率(β)，揭示了在不同干擾強度和景觀度量尺度下景觀組成和構(gòu)型軌跡的梯度性變化規(guī)律(圖6和圖7)，不僅表征了人為因素對景觀格局影響的規(guī)律性特征，同時也說明較低等級景觀中斑塊的數(shù)量、類型、組成和分布等多因素對較高等級景觀格局的影響。隨著移動窗口半徑從100、250、500、1000、1250m和1500m逐漸增大，農(nóng)田、丘陵和山地景觀擬合曲線的β值基本呈遞增趨勢(圖6和圖7)，說明隨著移動窗口半徑的增大景觀中加入了一些新的斑塊類型使得均勻度指數(shù)逐漸增大，但是這些新加入的斑塊離散分布，進而影響景觀的構(gòu)型使得蔓延度指數(shù)逐漸降低。建成區(qū)蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)R2的值在500m移動窗口半徑值為0.998，而在1000m移動窗口半徑迅速降為0.03(圖6)；β值則由500m移動窗口半徑的-55.347迅速上升為1000m移動窗口半徑的18.983(圖7)，這是由于蔓延度指數(shù)和均勻度指數(shù)都等于0的值成對分布;從景觀的組成上看均勻度指數(shù)為0，說明當移動窗口半徑為1000m時景觀中有大量單一的人工斑塊并且成為建成區(qū)的主要斑塊類型；從景觀構(gòu)型上看蔓延度指數(shù)為0，則說明景觀中各類型斑塊達到最大程度的離散分布；因此形成了單一類型斑塊離散分布的景觀格局特征。

從干擾程度上看，建成區(qū)在1000m移動窗口半徑最大程度的受到干擾的影響，隨后干擾強度逐漸降低；農(nóng)田景觀的β值在250m及以上移動窗口半徑的波動較小，說明干擾強度在250m達到最大且不再隨著移動窗口半徑的增大而改變，同時景觀的組成與構(gòu)型軌跡隨著移動窗口半徑的增大僅僅說明了斑塊數(shù)量的增加而斑塊類型的變化不顯著，因而對景觀構(gòu)型的影響程度較?。簧降鼐坝^在500m及以上移動窗口半徑的β值基本穩(wěn)定，同樣說明干擾強度在500m達到最大且不再隨著移動窗口半徑的增大而改變，同時斑塊的數(shù)量增加而斑塊類型的變化不顯著，對景觀構(gòu)型的影響程度較?。磺鹆昃坝^的β值隨著移動窗口半徑的增大逐漸遞增但是遞增幅度較小，說明隨著移動窗口半徑的逐漸增大景觀中斑塊類型和數(shù)量均有增加，進而影響景觀構(gòu)型小幅度的變化。綜上所述，建成區(qū)景觀的β值波動幅度最大，規(guī)律性不顯著，因此受人為干擾影響最大；農(nóng)田、丘陵和山地景觀的β值波動幅度較小，說明受人為干擾影響不顯著。

5 結(jié)論

研究結(jié)果顯示，隨著移動窗口半徑的逐漸增大，不同干擾背景下建成區(qū)、農(nóng)田、丘陵和山地景觀中斑塊的類型和數(shù)量逐漸增多，蔓延度指數(shù)與均勻度指數(shù)的值越來越趨向于中值區(qū)且離散程度降低，景觀的組成與構(gòu)型越來越多樣，異質(zhì)性水平逐漸增強；從人為干擾程度上看，受人為干擾影響相對較小的丘陵和山地景觀的異質(zhì)性高于受人為干擾影響相對較大的建成區(qū)和農(nóng)田景觀；擬合曲線的β值反映了景觀組成與構(gòu)型軌跡受干擾影響的梯度變化，不同景觀類型受干擾的程度具有明顯的尺度依賴性，應(yīng)當在最適宜的尺度下構(gòu)建合理的景觀結(jié)構(gòu)。

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Analysisofthecharacteristicsofagro-landscapeheterogeneityunderthedifferentdisturbancesacasestudyofGongyiCity

ZHANG Xiaoyang1, 2, LIANG Guofu1, 2, DING Shengyan1,2,*

1KeyLaboratoryofGeospatialTechnologyFortheMiddleandLowerYellowRiverRegions,MinistryofEducation，Kaifeng475004，China2CollegeofEnvironmentandPlanning，HenanUniversity，Kaifeng475004，China

Landscape heterogeneity consists of landscape composition and configuration, while human disturbance is one of the main factors affecting landscape heterogeneity.So far there are few of studies on landscape heterogeneity under the different disturbances by using moving window.Selecting Gongyi City of Henan Province as the study area, this paper is aimed to reveal the characteristics of the agro-landscape heterogeneity under the different intensity of human disturbance.We set up a 4km×4km sample area in urban area, farmland, hilly and mountains respectively.By using moving window, we count the contagion index and the evenness index at landscape level.The moving window radius divided into 100m, 250m, 500m, 1000m, 1250m and 1500m.In order to reflect the features of landscape composition and landscape configuration on multiple scales, we calculate the contagion index and the evenness index in the moving windows radius.Meanwhile the correlation of the two indexes is also studied by curve estimate.Theβof the fitted curve illustrates that the contagion index changes along with the evenness index on the contrary, that is to say, landscape composition changes consistent with landscape configuration in the opposite direction.The study results are as follows: 1) Along with increasing of the moving radius, the maximum of contagion index and evenness index decline gradually in the four landscapes, while the minimum of the two indexes show the opposite trend but urban area; 2) The mean values of contagion index in the urban and farmland landscapes are bigger than the values of the hilly and mountainous landscapes.Otherwise, the mean value of evenness index is showing opposite characteristics from the contagion index; 3) The relationship of the contagion index and the evenness index is significantly negative (R2>0.9) in the four different landscapes.However above the radius of 100m in urban landscape, the correlation of these two indexes in non-significantly negative (R2<0.9).4) Theβvalues of the curve estimate show increasing trend from the radius of 100m to 1500m in the four different landscapes.When the moving window radius increases gradually，there are large numbers of various patches in the landscapes bringing about the whole change of landscape composition and configuration, and this would have an effect on the biodiversity, ecosystem stability and ecological system service.At the landscape level, the more complex landscape composition and configuration, the higher level of landscape heterogeneity.That means the numbers and the types of patches are various, and these patches are grouped in different types.The heterogeneity of hilly and mountains are higher than urban area and farmland, it proves that the human disturbance factors play an important role on the formation of landscape heterogeneity.Because of the human activities make the single type of land use, which reduces the landscape heterogeneity.As above said landscape heterogeneity has a very strong dependence on scales, so analyzing the landscape heterogeneity on multi-scale is very meaningful.We wish our study results can provide theoretical basis for a sustainable landscape management of agro-landscape in future.

disturbance; landscape heterogeneity; landscape index; moving window; Gongyi City

國家自然科學(xué)基金(41371195，41071118)

2013- 10- 30;

2014- 04- 23

10.5846/stxb201310302621

*通訊作者Corresponding author.E-mail: syding@henu.edu.cn

張曉陽，梁國付，丁圣彥.不同干擾背景下農(nóng)業(yè)景觀異質(zhì)性——以鞏義市為例.生態(tài)學(xué)報,2014,34(12):3378- 3385.

Zhang X Y, Liang G F, Ding S Y.Analysis of the characteristics of agro-landscape heterogeneity under the different disturbances：a case study of Gongyi City.Acta Ecologica Sinica,2014,34(12):3378- 3385.