基于meff指数的多尺度景观破碎化空间特征研究

2017-07-13 05:23谷晓阳喻根王晓辉
安徽农业科学 2017年13期

谷晓阳 喻根 王晓辉

摘要 采用CBC算法计算的meff指数,基于GIS技术,以宁国市、乡镇、1 km2格网3种不同空间尺度区域为报告单元,选取城市建设区域、道路、农田、采矿区、采伐区、水体6类景观破碎因子组成景观破碎几何量度,研究宁国市景观破碎空间分布特征。结果表明,基于3种报告单元的meff值为0~422.92 km2;宁国市景观破碎空间分布特征明显,破碎程度较重区域空间上呈“人”字形分布,城区破碎化水平最高,市域西北部、南部部分地区破碎程度相对较轻。

关键词 景观破碎;空间分布特征;meff指数;多尺度报告单元;景观联通性;宁国市

中图分类号 P901 文献标识码

A 文章编号 0517-6611(2017)13-0046-06

Spatial Distribution Characteristics of Multi-scale Landscape Fragmentation Based on meff Index——Taking Ningguo City as an Example

GU Xiao-yang1,YU Gen1,WANG Xiao-hui2

(1.School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei,Anhui 230009;2.Research Academy of Environmental Sciences of Anhui,Hefei,Anhui 230009)

Abstract The study investigated variation in meff measured by municipal counties,towns and grids of one square kilometer within Ningguo City.The fragmentation geometry was developed by overlaying highways,roads,urbanized areas,agricultural areas,mining areas,cutting areas and the waters.The meff index was calculated by cross-boundary connections (CBC) procedure.The meff values varied from 0 to 422.92 km2 based on three reporting units in Ningguo City,there were obvious characteristic of landscape fragmentation.Spatial distribution of the areas with low meff value shares a feature of herringbone.Degree of landscape fragmentation was the highest in urban area (0.26 km2),with the lowest in northwest and south areas in Ningguo City.The meff values calculated by CBC procedure can satisfied the requirement of analyzing the spatial distribution characteristics of multi-scale landscape fragmentation.

Key words Landscape fragmentation;Spatial distribution characteristic;Multi-scale reporting unit;Effective mesh size;Landscape connectivity;Ningguo City

景观破碎化是大型生境斑块在人为及自然破碎因子影响下破碎分离成小型独立斑块的过程[1]。城市化建设、道路扩张及大面积密集型农耕等一系列人类活动导致景观破碎化日趋严重[2-4]。景观破碎化是导致野生动物数量骤减、生物多样性破坏的主要原因之一[5-6]。景观破碎化过程使原有的景观在结构、功能、生态过程等方面发生改变,造成生态网络连通性受阻[2,7]、生物核心栖息地被破坏[2],基因流遭受干扰[8]、外来物种入侵[9]、生物多样性下降甚至造成原有生物灭绝[1,6]等多种不良影响。同时,频繁发生的道路致死现象以及交通噪音也是干扰生物分布与迁徙不可忽视的原因[10-12]。因此,掌握区域景观破碎水平、控制破碎程度加劇已成为生态保护的重要课题[1-2,8]。

目前在定量化分析景观破碎程度领域,大多采用传统景观格局指数进行研究[1,13-16],主要有斑块个数、平均斑块大小、面积加权指数等多个指标[17]。传统指数具有不针对生态过程,只描述地表离散景观组成、形状、连接度等特点[18],由于其在斑块面积连续性变化的情况下,难以准确连贯地反映破碎情况,因此存在难以灵活表现景观破碎进程的弊端[2,19]。由Jager等提出的meff(Effective mesh size)指数很好地解决了这一问题[5,20-21]。

国外学者利用meff指数对景观破碎化的研究主要集中在以下几个方面:制定多种景观破碎几何量度,对研究区域进行多种空间尺度下的破碎化特征分析[2,8];对计算meff指数的CUT(Cutting-out)、CBC(Cross-boundary connections)2种方法进行比较分析,并对算法进行优化[2,5,8];对比研究传统景观格局指数与meff指数[20];根据人口密度、国民生产总值等数据构建景观破碎预测模型进行预测分析[2];基于不同时间维度对同一研究区域进行破碎化分析,探究景观破碎化程度随着时间的变化特征[22];利用meff指数与其他多种指数分析景观空间格局[23-25]。然而,国内采用meff指数对景观破碎化空间分布现状的研究较少。李太安[21]以道路为主要破碎因子,采用CBC方法计算meff指数,对我国多空间尺度的景观破碎化现状进行评估,掌握了我国破碎化空间分布特征;李灿等[26]和高江波等[27]将meff指数作为研究变量进行空间变异性分析;刘世梁等[28]利用meff指数进行空间相关性分析;王聃同等[29]基于meff指数进行粒度效应分析,在景观空间格局分析领域发挥了一定作用。在此基础上,结合国际领域研究成果,meff指数在定量化表现景观破碎程度上还可以发挥更大作用。目前,关于安徽省景观破碎的研究数量较少,且多采用传统景观格局指数对斑块分布特征[30-31]、景观格局[32]或土地覆被特征[33-34]进行分析,对宁国市景观破碎的评价研究鲜见报道。

宁国市生物丰度较高,森林资源覆盖率高达75.3%,野生植物有1 700余种,野生动物290种,其中属于国家保护的野生动物有26种,省级保护的野生动物51种,境内分布着自然保护区[35]。同时,宁国市坚持生态立市发展战略,大力开展生态红线规划建设与生态保护工作,争创安徽省生态保护与建设示范区,在安徽省生态保护工作中占据重要地位[36]。因此,定量化分析宁国市景观破碎空间分布特征具有重要意义,有利于决策者在科学评价的基础上制定生态规划方针、开展生态保护工作。笔者以宁国市为例,采用CBC算法计算meff指数,选取4种不同空间尺度的报告单元,以城市建设用地、道路、农田等为景观破碎因子,组合成景观破碎几何量度,对宁国市景观破碎空间特征进行多空间尺度的分析研究,掌握景观破碎情况,帮助决策者在科学评价的基础上合理制定宁国市生态保护方针,维护景观连通性。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

宁国市位于安徽省东南端,东依天目山,西接黄山余脉,地势南高北低,东西山川起伏,坐落在长江一级支流水阳江的上游。地理坐标118°36′~119°24′ E,30°17′~30°47′ N,市域东西长75.5 km,南北宽55.3 km,总面积2 487 km2。自然条件复杂,地跨天目山脉和宣郎广丘陵区,地形高低错落,自然环境呈立体结构特点,适于生物繁衍生息,生物资源种类较丰富,境内分布着一处省级自然保护区(板桥自然保护区)。因此,宁国市在生物多样性维持与生境保护方面具有重要意义[36]。宁国市地理区位见图1。

1.2 研究方法与数据资料

1.2.1 破碎几何量度。

驱动景观变化的因子为驱动因子,分为自然驱动因子与人为驱动因子[1],自然驱动因子常常在较大时空尺度上作用于景观,可引起大面积的景观变化;人为驱动因子则通常在相对较小的时空尺度上引起景观变化[1]。导致景观破碎化的因子称为景观破碎因子(Landscape Fragmentation Elements),特定的多个破碎因子组合在一起称为破碎几何量度(Fragmentation Geometry,FG)[22]。破碎几何量度通常包含道路、铁路、城市建设区域、工业区、农田等,水域和山体在阻隔动物自由移动的情况下也可被视为破碎因子[2,37]。另外,需注意的是,隧道对景观的破碎化影响应根据其长度区别对待,一般认为长度超过1 km的隧道,对其所在区域的景观连通性不存在影响,同时也不存在交通噪声影响,因此不能作为破碎因子[2]。不同类型的生态系统之间导致其破碎的因子差异很大[38-39],因此应根据不同研究区域和研究目的选取适宜的破碎因子制定破碎几何量度,从而充分体现研究区特点,突出研究目的。

主要高速公路、二级公路、一般公路、铁路、城市建设区域、农田、湖泊、河流等水域、采矿活动区域及采伐活动区域作为破碎因子,构建破碎几何量度。对于自然破碎因子的选择,主要考虑水体与山体2个因素。Jaeger等[2]研究认为,集水区面积大于3 000 km2的水体,海拔高度在2 500 m以上或1 500 m以上同时坡度超过2°的山体则属于能够对大部分陆生动物起到阻隔作用的破碎因子。由于宁国市多分布丘陵,山体高度较低,利用宁国市DEM数据以及提取的坡度图分析发现,不存在满足划分标准的区域,因此山体不被视为破碎因子。宁国市水系复杂多样,除天然水体外还存在大量的人为原因形成的水库、沟渠、坑塘,交错相连,考虑到有人为活动干扰,对景观的改变起到诸多影响,水体已经不能单纯地视为自然破碎因子,因此不区分集水区面积大小,将全部水体作为破碎因子进行分析。在人为因子的选择中,根据宁国市现有道路将其细分为主要高速公路、二级公路、一般公路、铁路4类,其中高速公路为宁绩高速、宣桐高速;二级公路为省道S215、S104;一般公路包括等级低于二级公路且路面有铺装的道路;不考虑农村道路、乡间小路及其他使用率较低、路面无铺装的道路[21]。城市建设区域包括所有人为活动导致土地原始类型发生改变并为人类生存生活所服务的区域,如城区、乡镇居民区、工业区等。考虑到宁国市存在采矿活动及广泛种植经济林(山核桃、板栗等)[35],因此,除道路、建成区等传统的破碎因子外,加入了采矿区和采伐区。农田则指全部农业活动用地,包括旱地、水田、菜地、果园等。

1.2.2 报告单元。

报告单元(Reporting Unit)是具有不同空间尺度和明确界限的区域[40],其划分界限可以是行政区划边界[2,5,8,21]、生态区划界限[8,21,41]、河流流域界线[8]或具有一定分辨率的格网等[2]。不同空间尺度的报告单元满足了对不同范围的研究区域进行研究的要求,同时也有利于对同一研究区域进行多层次的破碎特征研究。

笔者拟定了3种报告单元,分别为宁国市级行政区、街道、乡、镇(简称乡镇)级行政区及1 km2格网[2]。3种报告单元空间上呈嵌套式分布(图2)。1 km2格网有利于呈现细微斑块的破碎分布特征,具有更高的分析精度,在研究中被用來更细致地表现破碎的详细分布情况,分析特定区域的破碎特征[2]。

1.2.3 景观破碎指数(meff)。

meff指数表示同一斑块内任意2点相互联通且不被障碍物阻隔的概率(Probability)[2,5,20]。该指数涉及动物扩散的生态过程,可与大范围的动物活动相关联[8]。因此,meff指数还可以理解为位于同一区域不同位置的2个动物个体,不受道路、城市建设区域等破碎因子的阻隔,能够不期而遇(Co-occurrence)的可能性大小[2,20],将概率与报告单元面积相乘,就转换成了具有一定尺寸的区域面积,即meff[20]。meff指数代表了生物移动自由度的高低,从而指示了区域内景观破碎的水平,meff的值越小则景观破碎程度就越严重。

计算meff指数的方法有2种,分别是CUT算法和CBC算法。

CUT算法计算公式如下[20]:

式中,j表示报告单元;i表示报告单元j中斑块个数;Aij表示报告单元j中第i个斑块的面积;Atj表示报告单元i的总面积。

CBC算法计算公式如下[5]:

式中,j表示报告单元;i表示报告单元j中斑块个数;Aij表示报告单元j中第i个斑块的面积;Atj表示报告单元j的总面积;Aijcmpl表示报告单元j中第i个斑块的完整面积。

研究发现[5],CUT算法会受到报告单元边界的影响导致计算的meff值存在偏差,这是由于报告单元界线与生境斑块实际边界不一致的情况下,斑块被报告单元边界所切割,在计算中忽略了完整斑块延伸至报告单元边界之外的部分,从而导致了误差的出现,这被称为“边界问题”。CBC算法是在CUT算法的基础上经过更新而提出的[5],解决了“边界问题”,消除了计算误差,因此,该研究采用CBC算法对meff指数值进行计算。

1.2.4 数据来源与处理。

研究中使用的基础数据包括宁国市各级行政区划图、道路数据、数字高程模型(DEM)、宁国市土地利用分类图;数据来源分别为安徽省测绘局提供的1∶5万宁国市基础地理数据及DEM、宁国市国土局提供的1∶1万宁国市土地利用类型数据(2013年8月10日)。研究用到的工具为ArcGIS软件、Google Earth客户端、meff指数ArcGIS计算工具(版本1.0),该工具是Girvetz等基于Visual Basic 6.0 dll针对ArcGIS 9.1开发的自动计算meff指数的工具,利用GIS空间数据与属性数据,依据公式(1)、(2),分别计算出meffCUT和meffCBC的值[5]。由于笔者只采用CBC算法,因此只选取meffCBC结果进行分析。

利用ArcMap投影变换功能,将各基础数据坐标统一为Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_40。测量隧道长度,剔除超出1 km的路段不作为破碎因子。利用ArcToolbox中Buffer工具对道路进行缓冲区处理,考虑到不同等级道路路面宽度、交通量及对道路两旁环境影响程度高低等多种因素,缓冲区宽度设定为高速公路双侧50 m,二级公路双侧30 m,一般公路双侧15 m,铁路双侧15 m[2,21]。利用Union工具合成景观破碎几何量度FG,并利用Dissolve工具对图斑进行整合归类处理,使同属性图斑合并,优化属性表。利用Fishnet工具生成1 km2格网,利用Slope工具对DEM数据进行坡度提取,利用计算meff指数工具计算meff值。

2 结果与分析

2.1 破碎几何量度

宁国市景观破碎化斑块空间分布(图3)具有以下特点:以宁绩高速公路为分界,宁国市西部、西南部地区分布着较大面积的斑块,其余地区如北部、东部及中部至西南角等区域斑块面积相对较小,宁国市城区附近及宁绩高速、宣桐高速沿线周边区域分布着面积较小的斑块。城市建设區域与农田空间位置相近,在宁国市南部多沿山间河谷两岸分布,集中分布在宁国市北部区域。水体除自然河流外,北部区域分布着大量坑塘。采矿以及采伐用地,由于其面积较小,对斑块整体空间分布及面积影响不大,采矿区主要分布在宁国市西北部港口镇,

在中部、西南部及东部部分地区有少量分布。采伐区在港口镇南部、青龙乡东北部及中溪镇、梅林镇有少量分布。

2.2 多尺度报告单元景观破碎特征

2.2.1 市域尺度破碎化。以市级行政区范围为报告单元,计算出宁国市meff值为169.73 km2。

2.2.2 乡镇尺度破碎化。以乡镇级行政区为报告单元,meff值为0.26~362.67 km2,其中,南极乡、宁墩镇、万家乡、霞西镇、甲路镇、青龙乡meff值均大于市域尺度meff值169.73 km2,表明该6个乡镇景观破碎程度较全市破碎水平较轻,其余13个乡镇meff值小于169.73 km2,景观破碎程度在全市水平之上(表1)。

空间上,景观破碎程度较重区域主要分布在宁国市东北部及中部区域,包括城区、汪溪街道、西津街道、河沥溪街道、南山街道、港口镇、竹峰街道及云梯畲族乡,meff值在0.26~85.61 km2,其中,城区meff值为0.26 km2,破碎程度最为严重,这主要是由于城区已高度城镇化,几乎全部被城市建设用地、道路等覆盖;宁国市西北部以及中部至南部大部分地区破碎程度较轻,包括青龙乡、甲路镇、霞西镇、万家乡、宁墩镇、南极乡,meff值为228.83~362.67 km2,其中,南极乡meff值为362.67 km2,景观破碎程度最轻,这是由于南极乡多丘陵山体,仅分布着较少的农田、人类居住区,无等级较高的道路(表1、图4)。

2.2.3 格网尺度破碎化。

格网尺度下宁国市域整体meff值在0~422.92 km2,景观破碎较重区域meff值为0~99.83 km2,空间上呈“人”字形分布,由宁国市北部分别延伸至西南部和东南部。破碎程度较轻区域仍主要集中分布在宁国市西北部及中部至南部区域,meff值为201.70~422.92 km2(图4)。

将格网尺度下的meff结果图与乡镇级行政区进行叠加分析,宁国市城区全部表现为严重破碎状态;港口镇、河沥溪街道、胡乐镇、南山街道、汪溪街道、西津街道大部分地区及方塘乡、霞西镇、中溪镇、竹峰街道小部分地区表现为严重破碎。破碎程度相对较轻的区域基本与乡镇尺度下景观破碎分析结果一致,即青龙乡、南极乡、万家乡、宁墩镇全部区域破碎程度为相对较轻,霞西镇、甲路镇大部分区域为轻度破碎,方塘乡、胡乐镇、中溪镇、仙霞镇、云梯畲族乡小部分区域为轻度破碎(图4、5)。

以港口镇为例进行基于格网的景观破碎空间特征分析,港口镇meff值在0~263.42 km2,北部至中部大部分区域为严重破碎状态,西南部区域破碎程度较轻(图6)。港口镇北部至中部大部分区域密集分布着城市建设区域及农田,有多条二级公路、一般公路穿过,中部及南部分布着多处采矿区,以上这些景观破碎因子是导致港口镇景观破碎的主要原因。

3 讨论与结论

采用CBC算法计算的meff指数能够多尺度地定量化描述景观破碎空间分布特征。以3种报告单元为基础对宁国市进行多空间尺度景观破碎特征研究,各尺度下宁国市景观破碎空间分布特征基本一致,但随着报告单元尺度的逐渐缩小,呈现出更为细致的景观破碎分布特征。整体上宁国市景观破碎较重区域空间上呈“人”字形分布,即以宁国市城区为中心,由宁国市北部分别延伸至西南部、东南部,宁国市城区具有最小meff值(0.26 km2)、破碎程度最为严重,港口镇、河沥溪街道、胡乐镇、南山街道、汪溪街道、西津街道、霞西镇、中溪镇以及竹峰街道内部部分区域破碎程度也相对严重。西北部、南部部分地区破碎程度相对最轻,主要为南极乡、宁墩镇、万家乡、霞西镇、甲路镇、青龙乡,其中南极乡meff值最大(362.67 km2),景观破碎程度最轻。

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