徐秋陽,王巍巍,莫 罹

中國城市規(guī)劃設計研究院, 北京 100044

景觀穩(wěn)定性在景觀生態(tài)學中是一個復雜與重要的論題,其緣起于生態(tài)穩(wěn)定性,但具體的概念、研究與表征方式在學界并不統(tǒng)一[1]。Forman用抗性、持續(xù)性、惰性、彈性[2],鄔建國用抗變性、復原性、持續(xù)性和變異性[3],徐化成用持久性、恢復力和抵抗力等屬性來總結生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。

由于景觀穩(wěn)定性尚沒有統(tǒng)一的概念,其研究與表征方法也各異,因此近年來國內外與景觀穩(wěn)定性相關的研究呈現(xiàn)出多種研究方式、研究對象、研究尺度及計算公式。由于景觀平衡中的干擾和恢復在時間、空間尺度上關系十分復雜[5],Skopek[6]、Ivan[7]、Gobattoni[8]等對生態(tài)穩(wěn)定性、景觀穩(wěn)定性的評價方式進行了探索。一些研究將景觀穩(wěn)定性應用于城市或某類生態(tài)系統(tǒng)的景觀生態(tài)質量、景觀格局的分析與評價中,采用的研究方法多為選取衡量景觀穩(wěn)定性的各類指標,通過主成分分析法來確定各指標的權重,構建景觀穩(wěn)定性評價模型。然而,各個研究的景觀穩(wěn)定性評價模型中所采用的各類指標、指數(shù)或因子都不盡相同,朱永恒等選取土地利用結構指數(shù)、自然景觀多度指數(shù)、農(nóng)業(yè)土地利用多樣性等指數(shù)[9];彭保發(fā)等選取斑塊數(shù)、形狀指數(shù)、優(yōu)勢度等12個景觀指數(shù)[10];彭建等采用景觀多樣性、景觀破碎度、景觀聚集度及景觀分維度4個景觀指數(shù)[11]來評價城市的景觀穩(wěn)定性;Crews-Meyer采用斑塊散布于并列指數(shù)(IJI,Interspersion/Juxtaposition Index)、景觀面積比例(PCT,Percentage landscape area)、平均斑塊分維數(shù)(MPFD,Mean Patch Fractal Dimension)等指標在不同年代間的差異大小來衡量景觀穩(wěn)定性[12];王旭麗等構建山地基質的比例穩(wěn)定性及斑塊特征穩(wěn)定性公式來表征景觀穩(wěn)定性[13];羅格平等則認為綠洲景觀的穩(wěn)定性與香農(nóng)多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)密切相關[14];胡文英等則用景觀斑塊面積和比例的變化來評價梯田的景觀穩(wěn)定性[15];崔文舉等選取邊緣密度、景觀形狀指數(shù)、最大斑塊密度等10個景觀指數(shù);肖化順等選取森林生態(tài)系統(tǒng)的12個景觀指數(shù),張洪云等選取濕地生態(tài)系統(tǒng)的溫度、水文、人類居住農(nóng)業(yè)活動、香農(nóng)多樣性等因子,同樣通過主成分分析得到各指數(shù)、因子權重,構建表征熱帶森林、森林和濕地景觀的穩(wěn)定性的模型[16- 18]。此外,一些研究將景觀指數(shù)的分析應用到區(qū)域規(guī)劃、生態(tài)功能區(qū)劃定中,根據(jù)等級斑塊動態(tài)理論,以及認為景觀破碎化程度越高,景觀穩(wěn)定性越差,選取蔓延度(CONTAG,Contagion Index)、斑塊密度(PD,Patch Density)和總邊緣對比度指數(shù)(TECI,Total Edge Contrast Index)構建景觀穩(wěn)定性的指數(shù)表達公式[19- 20]。

目前,國內雖然已經(jīng)對城市、小區(qū)域及某一特定生態(tài)系統(tǒng)等進行了景觀穩(wěn)定性的研究,但京津冀區(qū)域景觀穩(wěn)定性的研究相對較少,因此,本文將研究范圍選定在尺度較大的京津冀地區(qū),探究如何利用景觀指數(shù)構建景觀穩(wěn)定性計算公式,以及如何對不同年份的景觀穩(wěn)定性分析、對比與評價,以期為今后相似尺度的景觀穩(wěn)定性定量分析與時空對比提供參考。

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)包含兩市一省,即北京市、天津市兩個直轄市和河北省,是我國最重要的政治和文化中心,大部分地區(qū)屬于海河流域,隨著城市化的快速發(fā)展,區(qū)域內部資源、環(huán)境、與生態(tài)問題也日益凸顯[21]。在京津冀協(xié)同發(fā)展的背景下,京津冀城市群迅速發(fā)展,在區(qū)域層面研究環(huán)境、生態(tài)問題是具有現(xiàn)實意義的。本文以京、津、冀三者行政區(qū)邊界為研究范圍,研究1980、2000和2010三個年份的景觀穩(wěn)定性。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

基礎數(shù)據(jù)為經(jīng)過ArcGIS 10.2校核糾正的中科院遙感所解譯的1980、2000和2010三年的京、津、冀土地利用數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)精度為30 m,總面積為21.6萬km2。由于數(shù)據(jù)來源與解譯方式一致,能夠保證各期數(shù)據(jù)包含同樣的水田、旱地、有林地等24種地類(圖1),便于橫向、縱向對比。京津冀地區(qū)耕地類(水田、旱地)與林草類(有林地、灌木林地、高中低覆蓋度草地等)面積占比較高,其次為建設用地(城鎮(zhèn)建設用地、農(nóng)村居民點及其他建設用地)及水域濕地類(河渠、湖泊、水庫坑塘等)。

圖1 三期京津冀土地利用圖Fig.1 Land use of Beijing-Tianjin-Hebei region in three times

2.2 景觀穩(wěn)定性模型構建

由于景觀指數(shù)能夠高度濃縮景觀格局信息,定量反映其結構組成和空間配置[22],因此,本文也同樣選擇景觀指數(shù)來構建衡量景觀穩(wěn)定性的模型。

由于很多景觀指數(shù)之間不滿足相互獨立的統(tǒng)計性質[23],且大多指數(shù)之間有極高的相關性[24],因此,在選擇景觀指數(shù)時,單個景觀指數(shù)應當能較好地描述景觀格局,反映景觀格局與過程之間的聯(lián)系,指數(shù)體系中的各個景觀指數(shù)應當具有相互獨立性,實際應用時景觀指數(shù)應具有較強的縱向和橫向比較能力[25]。此外,模型的構建不是越復雜越冗雜越好[24- 26],此外,由于盡管指數(shù)作為描述性量度不能直接用于統(tǒng)計檢驗,在整個景觀需要作為一個樣本分析時,需要景觀所屬變量總體的特征數(shù)(平均數(shù)和方差)[22]。故結合京津冀實際情況,選擇景觀鑲嵌體層面的密度指標——斑塊密度(PD)、形狀指標——面積加權平均形狀指數(shù)(AWMSI,Area-Weighted Mean Shape Index)、邊緣指標——總邊緣對比度指數(shù)(TECI)、多樣性指標——香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI,Shannon′s Diversity Index)、聚散性指標——聚集度指數(shù)(AI,Aggregation Index)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)六種相關性相對較小的指數(shù)來表征景觀穩(wěn)定性[19],其中,景觀穩(wěn)定性的計算公式為:

式中,S代表景觀穩(wěn)定性(Landscape Stability),C代表蔓延度指數(shù)(CONTAG),P代表斑塊密度(PD),T代表總邊緣對比度指數(shù)(TECI)。景觀鑲嵌體的蔓延度越高,斑塊密度、總邊緣對比度越小,則景觀穩(wěn)定性越高,當前的景觀系統(tǒng)土地類型越不容易因干擾或擾動發(fā)生改變。其余3種景觀指數(shù)的總體特征數(shù)(即平均數(shù)、極值、方差等)可作為比較不同時期景觀穩(wěn)定性是否發(fā)生顯著變化的依據(jù)。

2.3 分析過程

首先,以京津冀行政邊界為研究范圍,利用ArcGIS 10.2的Fishnet工具將其劃分為20 km×20 km的網(wǎng)格,裁去研究范圍以外的多余網(wǎng)格,最終形成629個采樣方格,并為其編號。然后,利用ArcGIS 10.2的分析工具中的提取分析將土地利用的矢量數(shù)據(jù)按方格批量分割,利用轉換工具批量將分割的矢量數(shù)據(jù)轉為柵格數(shù)據(jù),形成629個TIF格式的柵格數(shù)據(jù)。接著,將柵格數(shù)據(jù)批量導入Fragstats 4.2中,輸入類別描述(Class description)及邊緣對比度(Edge Contrast,表1)文件,選擇所需的景觀鑲嵌體層面的6項景觀指數(shù)進行批量分析,得到LAND文件形式的分析結果,導入Excel表中進行綜合分析,得到景觀穩(wěn)定性的矢量結果。最后,利用漁網(wǎng)格生成網(wǎng)格點,將景觀穩(wěn)定性歸一化后的數(shù)值連接進入網(wǎng)格點,通過樣條函數(shù)(Spline)插值法得到京津冀景觀穩(wěn)定性的漸變曲面分布圖。

表1 邊緣對比度權重設置

漁網(wǎng)分割方格選擇20 km×20 km的大小有3種考慮:研究面積的大小,基礎數(shù)據(jù)的精度,以及每個方格內包含數(shù)量適中的各類斑塊,以使得后期利用Fragstats 4.2分析各網(wǎng)格柵格時能夠較為準確、充分地分析景觀鑲嵌體層面的密度、形狀、邊緣、多樣性及聚散性。

因斑塊具有不同的邊界類型:曲線或直線、漸變或突變、硬或軟,具有直線、突變和硬的邊界的斑塊與其他斑塊之間具有較高的對比度[27],即具有相對整齊邊界的人工斑塊(例如旱地、城鎮(zhèn)用地)與其他斑塊之間具有較高的對比度。據(jù)此,在設置不同地類斑塊間的邊緣對比度時,遵循以下原則:硬邊界(建設用地、水田、旱地等)與軟邊界(各類林地與草地等)之間>硬邊界與中性硬度邊界(河渠、湖泊、水庫坑塘等)之間>軟邊界與軟邊界之間。此外,生態(tài)功能相似的地類之間,例如湖泊與水庫坑塘之間的邊緣對比度相對較低(表1)。

3 結果與分析

綜合1980、2000和2010年3期的土地利用類型變化(圖2),將629個柵格方格作為6項景觀指數(shù)的總體而統(tǒng)計特征數(shù)的表格(表2),以及三期景觀穩(wěn)定性分布圖(圖3),分析京津冀地區(qū)景觀穩(wěn)定性。

近三十年京津冀建設用地不斷增加,水域、濕地和耕地先減少后上升,而林草經(jīng)歷了先增加后減少。從景觀指數(shù)上來看,PD和AWNSI的平均數(shù)上升、PD方差的小幅上升都表明地類斑塊更加破碎,形狀更加不規(guī)則;而TECI平均數(shù)、方差皆持續(xù)上升表明人工的高對比度“硬邊界”增加;CONTAG平均數(shù)的上升和AI平均數(shù)的下降表明地類斑塊的聚集度在下降,更加趨于分散、擴展和蔓延,柵格內斑塊之間聚集及蔓延程度的差異在逐步減小;SHDI平均數(shù)的不斷上升表明柵格內的斑塊豐富度上升,分布更加均勻。雖然水域濕地、耕地及林草的總面積在波動,但顯然這三十年間它們的分布呈現(xiàn)更加破碎化的狀態(tài)。

圖2 三期京津冀土地利用變化圖Fig.2 Land use change of Beijing-Tianjin-Hebei region in three times

景觀指數(shù)Landscape index198020002010趨勢 Trend斑塊密度PD平均數(shù)1.05 1.05 1.19 先持平后上升→↑Patch Density方差42.77 42.79 44.41 持續(xù)上升↑面積加權平均形狀指數(shù)AWMSI平均數(shù)5.91 5.96 6.14 持續(xù)上升↑Area-Weighted Mean Shape Index方差4.77 4.69 4.47 持續(xù)下降↓總邊緣對比度指數(shù)TECI平均數(shù)25.85 26.15 27.02 持續(xù)上升↑Total Edge Contrast Index方差16.57 16.71 22.82 持續(xù)上升↑蔓延度指數(shù)CONTAG平均數(shù)69.17 68.62 68.98 持續(xù)上升↑Contagion Index方差110.98 97.10 89.30 持續(xù)下降↓香農(nóng)多樣性指數(shù)SHDI平均數(shù)1.13 1.15 1.17 持續(xù)上升↑Shannon's Diversity Index方差0.24 0.22 0.22 下降后持平↓→聚集度指數(shù)AI平均數(shù)96.20 96.18 96.17 持續(xù)下降↓Aggregation Index方差4.64 4.41 4.15 持續(xù)下降↓

圖3 三期京津冀景觀穩(wěn)定性分布圖Fig.3 Landscape stability of Beijing-Tianjin-Hebei region in three times

從景觀穩(wěn)定性分布圖來看,地類斑塊相對完整、邊界清晰的區(qū)域景觀穩(wěn)定性更高。山地至平原,林、草、田、水、城等多種地類交錯分布的過渡地帶景觀穩(wěn)定性較低,如河北東北部、西北部和西南部;而河北中部及東南部主要為平原,地類主要為田與城,其景觀穩(wěn)定性相對較高。

從1980年至2010年,極穩(wěn)定及極不穩(wěn)定的區(qū)域面積在不斷擴大,例如河北南部、西北部和東部景觀極不穩(wěn)定區(qū)域和北京、天津、河北西南及河北東部的極穩(wěn)定區(qū)域面積在增加。尤其北京、天津、唐山等城市隨城市建成區(qū)面積的不斷增加,人工邊界越發(fā)明顯,其中心城區(qū)的景觀穩(wěn)定性逐步增強;而河北西北部(萬全縣、懷安縣、陽原縣、淶水縣、涿鹿縣等)、東北部(寬城滿族自治縣、遵化市、昌黎縣等)與南部(武安市、寧晉縣、故城縣等)部分區(qū)域處于林、草、耕地、城市交界的位置處,因城鎮(zhèn)建設用地的不斷擴張,或林、草、耕地的破碎化,導致地類斑塊聚集度下降,蔓延度上升,邊界愈發(fā)復雜,景觀穩(wěn)定性逐步降低(圖4)。

圖4 三期京津冀景觀穩(wěn)定性變化圖Fig.4 Landscape stability change of Beijing-Tianjin-Hebei region in three periods

4 討論與應用

從景觀穩(wěn)定性變化的結果來看,城市等級較高,建設用地相對集中連片發(fā)展的城市的總體景觀穩(wěn)定性在提高,典型城市為北京和天津;而城市等級較低,建設用地相對分散布局與發(fā)展的縣級市、縣城總體景觀穩(wěn)定性在降低,典型縣城為文安縣、逐鹿縣。城市集約存量的發(fā)展有助于周邊森林、水系、耕地等的完整保護與修復,減少人工干預,使得區(qū)域景觀斑塊相對完整,提高景觀穩(wěn)定性;而縣城內分散的城鄉(xiāng)用地在用地擴張過程中更易干擾周邊完整的森林、水系、耕地斑塊,發(fā)生斑塊破碎化,降低區(qū)域景觀穩(wěn)定性。

因此,從提高京津冀景觀穩(wěn)定性,增強區(qū)域抗干擾能力的角度,建議城鄉(xiāng)在未來發(fā)展中采用以下建設、保護與修復方式:

在城鄉(xiāng)建設過程中,集約緊湊布局建設用地,存量發(fā)展,控制城市開發(fā)邊界,劃定“三區(qū)三線”,避免城市無序蔓延;

嚴格保留林、草、水域濕地等相對完整的斑塊,劃定生態(tài)紅線,同時修補破碎的斑塊,加強水系連通,使其構成相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng);同時構建生態(tài)廊道加強斑塊之間的聯(lián)系,促進生物的遷徙、物質與能量的交換;整理、集中破碎化的耕地;

針對景觀穩(wěn)定性較差或持續(xù)變差的區(qū)域,形成流域修復、治理方案。

5 結語

盡管景觀指數(shù)在景觀生態(tài)學中已經(jīng)廣泛應用,但是其在不同分析尺度上對景觀特征的反映及與生態(tài)學的過程聯(lián)系在很大程度上尚未得到解答,因此,準確地解釋景觀指數(shù)、分析結果,并建立格局指數(shù)與生態(tài)過程之間的聯(lián)系,以及確定同一研究范圍內不同時期的景觀特征是否存在統(tǒng)計學和生態(tài)學上的顯著差異并不總是很容易的[22,26]。這需要通過緊密結合研究對象的實際情況,合理篩選景觀指數(shù)構建模型進行表征。此外,后期可通過實地調研輔以多樣的研究方法以驗證其準確性。