趙珍珍，馮建迪

(山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

景觀生態(tài)學(xué)作為一門以地理學(xué)和生態(tài)學(xué)為主體的綜合交叉學(xué)科，近年來在生態(tài)環(huán)境變化評價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。生態(tài)環(huán)境變化的過程也是景觀結(jié)構(gòu)在不斷改變的過程，可以通過相關(guān)模型去描述景觀的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)空關(guān)系等。在國外，景觀生態(tài)學(xué)的研究很早就引起了重視，早在1939年，Troll[1]就提出了景觀生態(tài)學(xué)的概念，由此建立了地理學(xué)和生態(tài)學(xué)之間的聯(lián)系。之后各國政府和學(xué)者在推動景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展方面做出了不懈努力，代表性的國家包括前蘇聯(lián)、澳大利亞、德國、荷蘭、捷克、加拿大、北美等，代表學(xué)者包括Zonneveld、Naveh、Forman等[2-4]。景觀生態(tài)學(xué)的理論基礎(chǔ)愈加牢固，有關(guān)景觀生態(tài)學(xué)的專著、雜志不斷出現(xiàn)，且成立了國際景觀生態(tài)協(xié)會(International Association of Landscape Ecology，IALE)[5-7]。中國關(guān)于景觀生態(tài)學(xué)的研究起步較晚，通過借鑒國外政府和學(xué)者的研究成果，從1988年開始中國開始了系統(tǒng)的景觀生態(tài)學(xué)研究，相繼建立了景觀生態(tài)學(xué)研究室，召開了全國景觀生態(tài)學(xué)學(xué)術(shù)討論會[8-9]。

早期景觀生態(tài)學(xué)的研究重點(diǎn)在于對景觀格局變化的描述[10-11]，后來，學(xué)者們開始對景觀格局變化機(jī)制和變化過程模擬進(jìn)行研究[12-15]。景觀格局，亦指景觀空間格局，是指景觀要素的結(jié)構(gòu)和空間分布[16-18]。其中，土地利用景觀格局表征的是不同土地利用類型的斑塊之間鑲嵌的空間表現(xiàn)形式，隨外界環(huán)境的干擾而發(fā)生變化。常用景觀生態(tài)學(xué)的方法定量地描述景觀格局的動態(tài)變化，根據(jù)描述的景觀要素的不同，可將景觀格局指數(shù)分為三類：斑塊水平(patch level)、類型水平(class level)和景觀水平(land level)[19-20]。由于對單個(gè)斑塊進(jìn)行描述缺乏地理學(xué)意義，實(shí)踐中常以類型為單位對斑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。因此，通常把斑塊水平并入到類型水平，景觀指數(shù)則簡化為景觀類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)。

將景觀格局變化及其機(jī)制的研究應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境變化中，有助于更加全面地認(rèn)識生態(tài)環(huán)境變化的過程，為生態(tài)環(huán)境變化地區(qū)的資源與環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)[21-25]。景觀格局變化與生態(tài)環(huán)境變化之間的關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容，兩者之間相互作用?，F(xiàn)有的研究中缺乏對景觀格局和生態(tài)環(huán)境變化的綜合研究，單一描述景觀格局的變化已不能滿足需求。隨著遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)以及景觀格局分析軟件的發(fā)展，探討景觀格局與生態(tài)環(huán)境變化之間的關(guān)系成為可能。

因此，本文構(gòu)建能夠反映生態(tài)環(huán)境變化的景觀格局指數(shù)集，注重景觀格局與生態(tài)環(huán)境之間的響應(yīng)關(guān)系，闡明長時(shí)間序列下的科爾沁沙地景觀時(shí)空演變特征。同時(shí)，在方法和技術(shù)方面，除了利用常用的景觀格局分析軟件Fragstats，還要加強(qiáng)遙感監(jiān)測手段，以此促進(jìn)景觀格局變化研究的發(fā)展，使研究成果在科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境改善方面發(fā)揮作用。

1 研究區(qū)概況

科爾沁沙地的地理位置為42°30′-45°30′N，119°-124°E，行政上主要隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)的科爾沁左翼中旗、通遼市、科爾沁左翼后旗、開魯縣、庫倫旗和奈曼旗，如圖1所示。科爾沁沙地北鄰大興安嶺南麓余脈，南抵黃土丘陵，東起東北平原，西至內(nèi)蒙古高原，是中國最大的沙地，面積約為4.23萬km2。該地區(qū)從第四紀(jì)以來沉積了深厚的松散沙質(zhì)沉積物，這些沙質(zhì)主要以大于0.001 mm的結(jié)構(gòu)松散、黏性很差的中沙和細(xì)沙為主，為土地沙化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[26-27]?？茽柷呱车氐耐寥揽煞譃榈貛酝寥篮头堑貛酝寥?，前者以栗鈣土為主，后者以風(fēng)沙土和草甸土為主[28]。由于該地區(qū)風(fēng)速大，沙含量高，且人類干擾程度大，故風(fēng)沙土成為科爾沁沙地分布范圍最廣的土壤，主要分布在科爾沁左翼中旗、科爾沁左翼后旗、奈曼旗、庫倫旗和開魯縣。該類土壤的質(zhì)地粗，保肥儲水能力差，不適合植被生存，因此風(fēng)沙土的植被覆蓋度低，以裸沙為主。

圖1 科爾沁沙地的地理位置Fig.1 Location of Horqin Sandy Land

氣候?yàn)榘敫珊禍貛Т箨懶约撅L(fēng)區(qū)，年均降水量為300～400 mm，且多集中于夏季，年平均風(fēng)速約為3.7 m/s，風(fēng)大是該地區(qū)氣候的最突出特點(diǎn)之一，區(qū)內(nèi)以西遼河水系為主。植被以草原植被為主，森林植被次之，根據(jù)土壤基質(zhì)，可分為鹽生植被和沙生植被，前者以鹽爪爪、鹽角草、芨芨草等旱生植物為主，后者以駱駝刺、梭梭、仙人掌等耐沙埋、抗沙侵蝕的植物為主。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)信息提取

選取科爾沁沙地1980s、1990年、2000年、2010年、2014年和2016年共六期遙感影像為數(shù)據(jù)源，于“地理空間數(shù)據(jù)云”平臺下載(http://www.gscloud.cn/)。其中，1980s采用分辨率為80 m的Landsat MSS，1990年、2000年和2010年均采用分辨率為30 m的Landsat TM，2014年和2016年均采用分辨率為30 m的Landsat OLI，其條帶號/行編號為(120,29)、(120,30)、(121,29)和(121,30)，各時(shí)期影像獲取時(shí)間為植被生長狀態(tài)良好的7至9月中下旬，且云量小于1%。聯(lián)合ENVI和ArcGIS軟件，進(jìn)行影像輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、鑲嵌和裁剪等處理，獲取各時(shí)期科爾沁沙地遙感影像。

根據(jù)研究區(qū)、數(shù)據(jù)源的特點(diǎn)以及分析精度的要求，參照GB/T 21010-2007《土地利用現(xiàn)狀分類》，將科爾沁沙地景觀類型劃分為5類：植被、水體、建筑用地、沙地和耕地。通過建立影像解譯標(biāo)志，基于監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法，獲取各時(shí)期科爾沁沙地景觀空間分布圖(圖2)，建立科爾沁沙地景觀空間數(shù)據(jù)庫。該方法在提高解譯速度的同時(shí)，又能夠保證解譯精度?；诳茽柷呱车鼐坝^空間數(shù)據(jù)庫，借助Fragstats軟件，計(jì)算各時(shí)期景觀格局指數(shù)，以此來揭示科爾沁沙地近35年來景觀空間格局的演變特征。

2.2 景觀格局指數(shù)的選取

景觀格局指數(shù)高度濃縮了景觀格局信息，可以從不同角度定量地、概括地反映景觀格局[29-30]。隨著對景觀格局研究的深入，景觀格局指數(shù)的數(shù)量高達(dá)60個(gè)，但有些格局指數(shù)相互之間表征的生態(tài)學(xué)意義相似，或者某些格局指數(shù)代表的生態(tài)學(xué)意義不明確[31-32]。本文以反映科爾沁沙地景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境響應(yīng)為應(yīng)用背景，根據(jù)各指數(shù)的生態(tài)學(xué)意義，將7個(gè)指數(shù)劃分為4類：景觀面積類指數(shù)、景觀多樣性指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)、景觀干擾度指數(shù)，見表1。

圖2 1980s—2016年科爾沁沙地景觀空間分布圖Fig.2 Landscape spatial distribution of Horqin Sandy Land from 1980s to 2016

表1 景觀格局指數(shù)計(jì)算方法及其生態(tài)學(xué)含義
Tab.1 Calculating method of landscape pattern index and its ecological implication

指數(shù)類型指數(shù)名稱計(jì)算方法及含義景觀面積類指數(shù)斑塊數(shù)目(NP)NPi=Ni;其值為某類景觀斑塊數(shù)量,能夠用來反映景觀的結(jié)構(gòu),同時(shí)也能簡單直觀的反映景觀要素的破碎度平均斑塊面積(MPS)MPSi=∑nj=1aij/Ni;其值反映景觀異質(zhì)性的關(guān)鍵指標(biāo),同時(shí)也能夠很好的表征景觀要素的破碎度景觀多樣性指數(shù)Shannon多樣性(SHDI)SHDIi=-∑mk=1(RilnRi);其值主要用來度量景觀的均勻度和豐富度,尤其對發(fā)現(xiàn)景觀要素不規(guī)則分布最為敏銳,突出非優(yōu)勢景觀要素對信息的貢獻(xiàn)Shannon均勻度(SHEI)SHDIi=-∑mk=1(RilnRi)/lnm;其值衡量景觀多樣性與優(yōu)勢度景觀破碎度指數(shù)斑塊密度(PD)PDi=Ni/A;其值反映景觀要素的破碎度和景觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度聚集度(CONTAG)CONTAGt=[1+∑mk=1∑nj=1(pijlnpij)/2lnm]×100;其值反映研究區(qū)景觀內(nèi)各類型景觀斑塊的聚集和延展程度,是研究景觀空間格局的重要指標(biāo)之一景觀干擾度指數(shù)面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)AWMPFDi=∑nj=1(2ln0.25pij/lnaij×(aij/∑nj=1)]);其值衡量景觀空間格局總體特征,同時(shí)也能衡量人類活動的干擾強(qiáng)度,其值越大,景觀受到人類干擾的程度越小;反之,景觀受到人類干擾的程度則越大

表1中，Ni為景觀類型i的累計(jì)斑塊數(shù)量；MPSi的平均斑塊面積，aij為景觀類型i的第j個(gè)斑塊的面積；SHDIt為t時(shí)期的多樣性指數(shù)，Rk為景觀類型k的面積與景觀總面積的比值，m為景觀類型的取值；SHEIt為t時(shí)期的均勻度指數(shù)；PDi為景觀類型i的斑塊密度，A為研究區(qū)景觀總面積；CONTAGt為t時(shí)期的景觀聚集度，pij為景觀類型i的第j個(gè)斑塊的周長，n為景觀類型i的斑塊數(shù)目；AWMPFDi為景觀類型的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)，aij為景觀類型i的第j個(gè)斑塊的面積。

3 科爾沁沙地景觀格局變化分析

3.1 景觀類型構(gòu)成比例及面積的動態(tài)變化

1980s—2016年期間，科爾沁沙地各景觀類型構(gòu)成比例波動性較大(圖3)。植被景觀和沙地景觀呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，分別表現(xiàn)為“減少-增加-減少-增加-增加”和“增加-減少-增加-減少-減少”。2010年以前，植被景觀面積持續(xù)性減少，這一現(xiàn)象與當(dāng)?shù)赝恋亻_發(fā)政策、人口增長和放牧業(yè)發(fā)展有關(guān)，與此同時(shí)，沙地景觀不斷擴(kuò)張，生態(tài)環(huán)境不斷惡化。2010年以后，植被景觀不斷恢復(fù)，沙地景觀也得到了控制，生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)。研究期內(nèi)，耕地景觀和建筑用地景觀面積穩(wěn)步提升，自2010年起，耕地所占比重超過植被，成為該地區(qū)最大的景觀。水體景觀面積持續(xù)性減少，2016年水體景觀的比重僅為1.72%，這一現(xiàn)象與該地區(qū)氣候變化及社會經(jīng)濟(jì)因素密切相關(guān)。

表2 1980s—2016年科爾沁沙地景觀類型構(gòu)成比例
Tab.2 The proportion of landscape types in Horqin sandy land from 1980s to 2016 %

景觀類型1980s年1990年2000年2010年2014年2016年植被43.0736.8838.6934.6435.5438.32水體2.862.602.511.911.741.72建筑用地2.562.612.672.873.013.07沙地21.0627.4522.3224.7219.9716.02耕地30.4530.4633.8135.8639.7440.87

景觀類型的斑塊個(gè)數(shù)和平均斑塊面積可以定量的反映對應(yīng)景觀類型的破碎程度以及景觀的異質(zhì)性。植被景觀的斑塊個(gè)數(shù)與平均斑塊面積成負(fù)相關(guān)，因?yàn)镸PS是由某一類型景觀面積與該類型景觀斑塊個(gè)數(shù)的比值得到，當(dāng)NP增大，景觀面積不變的情況下，MPS的值減小，反之則增大。NP與景觀破碎度基本上呈正相關(guān)，MPS與景觀破碎度呈負(fù)相關(guān)。1980s—2016年，NP總體上增加，MPS總體上減少，表明植被景觀在這一時(shí)期的景觀破碎度增大。

與植被景觀的動態(tài)變化過程不同，研究期間，水體景觀NP和MPS指數(shù)均呈現(xiàn)減少的趨勢。近35的時(shí)間內(nèi)，水體景觀的斑塊數(shù)量一直在減少，從1980s的877個(gè)直接減少到2016年的715個(gè)，同時(shí)水體景觀的面積也在一直減少，所以MPS也同樣地表現(xiàn)出減少狀態(tài)，從1980s的129.5 km2減少到2016年的95.5 km2。建筑用地斑塊個(gè)數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，平均斑塊面積呈現(xiàn)增加的趨勢。由于建筑用地景觀斑塊個(gè)數(shù)不斷減少以及該類景觀面積不斷增加，所以MPS在不斷地快速的增長。沙地景觀的斑塊個(gè)數(shù)和平均斑塊面積波動性非常大，且兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。NP的動態(tài)變化過程為“減少-增加-減少-增加”，MPS的動態(tài)變化過程為“增加-減少-增加-減少”。耕地景觀的斑塊個(gè)數(shù)先增加后減少，平均斑塊面積的變化趨勢與NP變化過程正好相反，表現(xiàn)出“減少-增加”的特點(diǎn)。

圖3 1980s—2016年科爾沁沙地景觀面積類指數(shù)動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of landscape area index in Horqin Sandy Land from 1980s to 2016

3.2 景觀多樣性的變化

科爾沁沙地景觀水平上的Shannon多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)變化趨勢基本上一致，均呈現(xiàn)出“增加-減少-不變-減少”。SHDI和SHEI指數(shù)值的動態(tài)變化反映了科爾沁沙地在1980s—2016年期間景觀空間格局越來越簡單，且各景觀類型越來越不平衡，少數(shù)景觀(耕地和植被)的支配地位越來越高，使得研究區(qū)內(nèi)景觀多樣性降低。

圖4 1980s—2016年科爾沁沙地景觀Shannon多樣性指數(shù)與Shannon均勻度指數(shù)動態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of diversity and evenness indexes in Horqin Sandy Land from 1980s to 2016

3.3 景觀破碎度分析

從景觀類型水平上分析，1980s到2016年，植被景觀的PD值由0.103 3增大至0.115 8，說明單位面積的植被斑塊數(shù)量增多，植被景觀破碎度增大。水體景觀PD值從1980s的0.022，減少到2016年的0.018，按照NP、MPS和PD指數(shù)與景觀破碎度的關(guān)系，可以判定水體景觀的破碎度并沒有增強(qiáng)。建筑用地景觀的PD值由0.075減少到0.074，根據(jù)NP、MPS和PD指數(shù)值得變化，可以發(fā)現(xiàn)建筑用地景觀的破碎程度在減弱，說明科爾沁沙地由20世紀(jì)八十年代放牧?xí)r期的分散式流動性居住，到二十一世紀(jì)逐漸轉(zhuǎn)為集中定居。沙地景觀的PD值從0.050減少到0.042，期間其破碎度經(jīng)歷了“減弱-增強(qiáng)-減弱-增強(qiáng)-增強(qiáng)”，總體來說，沙地景觀的破碎度是減弱的。耕地景觀的PD值由0.097先增加到0.138最后減少到0.093，根據(jù)NP、MPS和PD指數(shù)值得變化，可以發(fā)現(xiàn)耕地景觀的破碎程度呈現(xiàn)出“增大-減小”的趨勢。

圖5 1980s—2016年科爾沁沙地斑塊密度和聚集度指數(shù)動態(tài)變化Fig.5 Dynamic change of patch density and aggregation indexes in Horqin Sandy Land from 1980s to 2016

從景觀水平上分析，1980s—2016年期間，CONTAG總體變化趨勢為不斷增大，從1980s的55.76，增大到2016年的57.71。聚集度指數(shù)的增大反映了科爾沁沙地景觀的破碎度減弱，優(yōu)勢景觀的連通性增大。

3.4 景觀干擾度分析

干擾是自然界中廣泛存在的一種現(xiàn)象，影響著生態(tài)系統(tǒng)的演變過程，重塑景觀空間格局。某類景觀的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)變化情況能夠反映該類景觀空間格局的復(fù)雜程度以及受到外界環(huán)境干擾的程度。1980s—2016年期間，植被景觀的AWMPFD變化趨勢為“增加-減少-減少-增加-增加”，反映了植被景觀形狀復(fù)雜程度總體上呈現(xiàn)先增大后減小再增大最后增大的趨勢，以及植被景觀受到自然環(huán)境和人類干擾程度的變化為先減小后增大再減小。水體景觀的AWMPFD呈現(xiàn)為“增加-減少-增加”，且總體上增加。由此可以發(fā)現(xiàn)：研究期間，水體景觀形狀復(fù)雜度總體增強(qiáng)，水體景觀受到自然環(huán)境和人類的干擾程度減少。建筑用地景觀的AWMPFD表現(xiàn)為持續(xù)增長，由1980s的1.069增加到2016年的1.086，AWMPFD指數(shù)值與景觀形狀復(fù)雜程度呈正相關(guān)，因此，研究期內(nèi)，建筑用地景觀形狀復(fù)雜度逐漸增大。

圖6 1980s—2016年科爾沁沙地干擾度指數(shù)動態(tài)變化Fig.6 Dynamic change of interference index in Horqin Sandy Land from 1980s to 2016

沙地景觀的AWMPFD呈現(xiàn)為先增大后減小，從1990年開始，該指數(shù)一直減小。由此可以發(fā)現(xiàn)1980s—2016年期間，沙地景觀形狀復(fù)雜度總體上減小，沙地景觀受到自然環(huán)境和人類的干擾程度增大。耕地景觀的AWMPFD與建筑用地走勢相同，表現(xiàn)為不斷增長的趨勢，由1980s的1.26增加到2016年的1.29。表明：耕地景觀形狀復(fù)雜度逐漸增大，受到自然環(huán)境和人類活動的干擾程度逐漸減弱。

4 結(jié)論

以1980s、1990、2000、2010、2014和2016年6期Landsat系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，借助影像預(yù)處理方法、影像監(jiān)督分類方法、景觀格局指數(shù)構(gòu)建方法，對科爾沁沙地近35年間景觀時(shí)空演變特征進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論及討論：

1)1980s—2016年，科爾沁沙地耕地景觀和建筑用地景觀所占比重持續(xù)性增長，水體景觀持續(xù)性減少，而沙地景觀和植被景觀呈現(xiàn)波動性變化，且二者變化趨勢相反。

2)研究期內(nèi)，科爾沁沙地的景觀空間格局越來越簡單，景觀類型越來越不平衡，耕地景觀和植被景觀的優(yōu)勢度不斷增強(qiáng)，尤其是耕地景觀在該地區(qū)的影響越來越大，且分布越來越集中。由此，景觀多樣性降低，且不同斑塊之間的聯(lián)系也降低。

3)總體上，科爾沁沙地的景觀破碎度減弱，優(yōu)勢景觀的連通性增大。其中，沙地景觀、水體景觀、耕地景觀和建筑用地景觀的破碎度減弱，與其20世紀(jì)80年代放牧?xí)r期的分散式流動性居住，到21世紀(jì)逐漸轉(zhuǎn)為集中定居密切相關(guān)。而植被景觀破碎度增強(qiáng)，該現(xiàn)象與當(dāng)?shù)赝恋亻_發(fā)和過度放牧等政策密切相關(guān)。

4)人類干擾對該地區(qū)景觀空間格局演變影響深遠(yuǎn)，早期的墾荒政策、人口增長以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等政策，造成該地區(qū)植被破壞、沙地和耕地?cái)U(kuò)張，生態(tài)環(huán)境變的極其脆弱。進(jìn)入21世紀(jì)以后，國家越來越重視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，先后實(shí)施了一系列保護(hù)和恢復(fù)措施，使得植被覆蓋面積不斷恢復(fù)、沙地得以控制?？傮w上，人類的干擾度減弱。

本文在進(jìn)行景觀干擾度分析時(shí)，未考慮人口、GDP等人文因素以及氣溫、降水等自然因素對景觀的影響，在以后的研究中會將其引入，并且考慮各因子之間的交互作用及其對景觀干擾度的交互影響。