东山岛海岸带景观破碎化时空梯度分析

巫丽芸,何东进,游巍斌,纪志荣,黄昕宇

福建农林大学林学院, 福州 350002

在全球许多地区,人类活动是目前促成景观改变的主要力量[1]。通过改变土地利用方式,人类活动强烈地影响着景观生态系统的功能、过程及相互作用,并干扰了作为生命支持系统的生态环境的功能发挥[2]。因此,人类活动所带来的景观改变获得了较多的关注,尤其大城市的城市化景观变化问题[3]。然而,一些生态关键区的景观变化则较少人关注。海陆相互作用的海岸带既是社会经济的“黄金地带”,又是区域生态安全防护的关键。前人对海岸带景观变化的研究多是从区域整体的角度对海岸带城市或海岸区域内的生态栖息地的景观结构进行探讨,而从较小尺度出发,对于海岸带的内部结构和功能以及人类活动干扰海岸带的空间差异的分析研究则相对较少。对海岸带景观变化的更为微观的分析,有助于更为清晰地勾勒出主导驱动因子,为海岸带的综合管理提供更具靶向性的依据。

景观破碎化表现为景观要素在外力作用下原来连续景观逐步变为许多彼此隔离的不连续的斑块镶嵌体的过程[4]。景观破碎化的加剧很大程度上支离自然生境[5],直接影响着景观中能量流动、物质循环等生态特征与过程[6],可能给区域生物多样性带来毁灭性和不可逆的后果[7]。因此,随着在生物多样性保护[8]、生态系统管理[9]、景观生态规划[10]、城市化影响[11]等方面的应用不断增多,景观破碎化现象受到了越来越多的关注。然而海岸带中观尺度的景观破碎化梯度时空差异的研究则较少。因此,本研究试图通过缓冲带分割、移动窗口、样点分析等方法对福建省东山岛海岸带的景观破碎化展开研究,聚焦于东山岛景观梯度变化及海岸地带景观破碎的时空差异,旨在解决：(1)从海岸往岛内陆,其景观破碎化是否存在梯度变化特征？(2)景观破碎化在不同海湾、在与海岸线不同距离是否存在梯度变化？(3)景观破碎化过程的主导驱动因子有哪些？

1 研究区概况

东山地理坐标为北纬23°33′—23°47′,东经117°17′—117°35′,位于福建省南部沿海、东海与南海交汇处,东临台湾海峡与台湾岛隔海相望,是大陆距台湾南部最近的县份,为全国第六、福建省第二大海岛。东山岛全境属丘陵地带,地势从东北向西南倾斜,海拔高度较小；气候属南亚热带海洋性季风气候,温暖舒适,光照充足；东山国民经济快速发展,经济实力不断增强。

2 研究方法

为了研究东山岛海岸带景观破碎化的动态变化,本文以1994年TM遥感影像(分辨率30m)、2003年和2011年SPOT遥感影像(分辨率5m)作为基础数据,并收集了东山县行政区划图、东山2010年土地利用/覆盖图、1∶50000地形图等图件资料及统计资料、实地调研材料等(数据来源：福建省地质测绘院)。运用ERDAS Imagine进行遥感影像预处理,并空间匹配统一的投影坐标系统。由于图像具有不同的空间分辨率(TM：30m和SPOT：5m),首先对TM进行了重采样,让其栅格大小与SPOT栅格一致,这样可以在一定程度上减小在景观分析时存在的误差,以便后期定量地比较景观变化[12-14],再通过监督分类与人机交互相结合方法分别提取3期影像的景观类型,将研究区景观类型划分为水域、林地、草地、耕地、建设用地、道路、其他用地(包括未利用地、低覆盖地等)等7类,并对分类精度进行评价, 得出 Kappa 系数分别为：1994年 0. 81、 2003年 0.87、2011年 0.86,获得的3期景观类型图均转为15m×15m栅格形式(图1)。

本研究中选择斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)作为监测研究区景观破碎化的中心指数。同时,选择景观形状指数(LSI)周长面积分维数(PAFRAC)、香农多样性指数(SHDI)、蔓延度指数(CONTAG)、香农均匀度指数(SHEI)作为辅助指数更完善地反映景观变化[8-11,15-17]。采用Fragstats3.3对东山岛3个时期景观进行指数计算,计算方法和指数公式均同Fragstats的表达方式。

在ArcGIS软件的支持下,在1994年、2003年和2011年3期景观类型图上分别以海岸线为界线,向岛内陆以500m为间隔做缓冲带,整个岛屿范围内共划分出26个缓冲带(图2),然后运用Fragstats3.3分别计算26个缓冲带的景观指数,从而分析从海岸带往内的景观破碎梯度变化特征。

采用Fragstats的移动窗口法,整个研究区内从左上角开始移动,每次移动1个栅格,计算窗口内的景观指数值,并将该值赋给该窗口的中心栅格,最后形成景观指标栅格图[18]。

移动窗口半径的确定是十分重要的,过大或过小都无法准确反映区域的景观特征。因此首先得确定东山岛景观指标计算的窗口半径。在移动窗口法的基础上,移动窗口半径分别设为250,500,750,1000,1250,1500,1750,2000m,采用地统计学中的半变异函数方法来判定景观特征尺度。半变异函数详细计算过程见文献[19-21]。半变异函数的基本参数,包括块金值C0、偏基台值C、基台值C+C0、变程A0、块基比C0/(C+C0)。块基比可以估算随机因子在空间总变量中的重要性,进而反映变量在空间上的变异程度,其值大小代表空间变异程度的高低,值越小,说明空间自相关越明显,也就越稳定[17,22-23]。本研究运用ArcGIS10.2模拟在不同移动窗口半径下景观破碎化的半变异函数,通过块基比的变化规律来分析景观指数的空间特征对尺度的响应。当块基比达到相对稳定时,表明景观指数在空间的变异趋于稳定,认定为这个尺度是合适表达研究区景观指数的窗口半径[17,22-23]。在此窗口半径下,采用移动窗口法所获得的景观指数图则被采用来反映东山岛景观破碎化的空间分异。

本研究需要更微观更详细地反映沿海海岸的景观变化情况,考虑到距离海岸线200m是福建省沙质海岸沿海基干林的界线,也是许多沿海省规定的海岸退缩线界线[24-25],而距离海岸线500、1000m[26-27]则是许多国家地区规划海岸综合管理区的范围,同时考虑到县城城市化可能对景观产生的影响,因此设置距离海岸线200、500、1000m及横切东山县城中心等4条样线,并每隔200m取样点(图3),利用ArcGIS的Sample命令,提取每个样点的景观指数值,对海岸带及海岛城市化的影响进行梯度分析。

图2 东山岛缓冲带划分Fig.2 The buffer zones of Dongshan Island

图3 东山岛样点分布Fig.3 Sampling points distribution of Dongshan Island

3 结果与分析

3.1 景观破碎化的缓冲带格局分析

图4 景观破碎化的缓冲带梯度变化特征Fig.4 Changes of landscape fragmentation along the buffer zones

沿着26个缓冲带,各缓冲带景观破碎化在近18年内表现出相似的梯度变化特征(图4)。最大斑块指数(LPI)大致出现从沿海到内陆逐渐上升的趋势。在1、2缓冲带,即距海岸1000m范围内,2003年和2011年 LPI均高于1994年；在3—13缓冲带,即城镇集中区域,2003年和2011年 LPI均低于1994年,尤其是2011年第9缓冲带,即穿越东山县城中心区,LPI指数为所有指数中的最低值；在14—19缓冲带,2003年和2011年 LPI又高于1994年；而在20—26缓冲带,LPI则3期均呈现一定的上升趋势,但随着时间却表现为2003年比1994年明显降低,2011年又比2003年明显降低。

各缓冲带的斑块密度指数(PD)也呈现出一定的规律性。除个别缓冲带(第17、18)外,其余各带2003年和2011年的指数均大于1994年,而2011年有16个缓冲带的指数值高于2003年；1994年和2003年的指数曲线较为平缓,但2011年的指数却波动很大；在1、2缓冲带, 2011年PD低于2003年；在3—13缓冲带,2011年 PD波动强烈；在15—18缓冲带,2011年 PD低于2003年；而在18—26缓冲带,2011年PD高于2003年。

从以上分析可以看出,景观破碎化程度随时间在不断增强；近海岸地带和西北部森林地带的破碎化程度有所缓和、下降,而城镇集中区域和西北部近内陆地带则景观破碎化程度在加剧；2011年PD指数的波动特征与人类干扰的强度及土地价值的差异密不可分,城镇区域破碎化程度加剧。

3.2 景观特征尺度

图5 景观破碎化指数空间变异特征值趋势图 Fig.5 The trend of characteristic values of spatial fragmentation within different extents

在多个连续尺度上对景观指数的空间变异特征进行探讨(图5),从而判定特征尺度。结果表明：景观破碎化指数的块基比随窗口半径的增加而降低,说明随尺度的变大,空间变异程度越低,空间自相关性越明显,也越稳定；粒度250、500、750m时,趋势图上块基比显著下降,变化不稳定,而在1000m左右时开始趋于稳定,则认为这是反映研究区景观破碎化空间变异特征的内在尺度。因此,东山岛景观破碎化的移动窗口半径选择1000m。

3.3 景观破碎化特征的空间分析

研究区在1000m尺度下景观破碎化特征变化的时空分异如图6、7所示,1994年—2003年,LPI正变化率高值区主要集中在西北部低山区、中东部沿海区及南部的部分地区,这些地区大都为有林地区； LPI负变化率高值区主要集中在西北角靠近大陆地带、中北部区及南部的部分地区,这些地区大都为城镇和农田集中地带。2003年—2011年,LPI正变化率高值区主要集中在西北部的南角、东北沿海区及南部的部分地区,总体表现为零星分布； LPI负变化率高值区主要集中在西北角靠近大陆地带、中北部区及南部的部分地区,这些地区大都为城镇和农田集中地带。PD变化率空间分布与LPI大致相反,LPI正变化率高值区往往为PD的负变化率高值区,而LPI负变化率高值区往往为PD的正变化率高值区,两个指数的相关性较强。以上分析说明中北部和南部城镇农田集中区,人为干扰日益强烈,破碎化程度不断增加,而西北部和南部的有林地带则生态修复良好,破碎化程度持续降低。

图6 LPI指数变化的空间分布Fig.6 Spatial distribution of LPI change

图7 PD指数变化的空间分布Fig.7 Spatial distribution of PD change

3.4 景观破碎化的样点分析

首先对距离海岸线200、500、1000m 3条样线上的样点的景观特征进行分析(图8—10)。200m样线上的样点LPI指数三期曲线波动基本一致。500m样线上的样点LPI指数曲线起伏明显,尤其是东山岛的北部海湾所在的样点5—28,包括屿南湾、金銮湾、马銮湾等,为东山岛主要的沙质海岸旅游景区,LPI值明显下降,且2003年和2011年的值低于1994年；样点29—37为东山海岸苏峰山位置,为基岩海岸,LPI值明显升高,且2003年和2011年的值高于1994年；样点38—72为东山南部海湾,即乌礁湾,为沿海养殖、风力电厂等区域,LPI值3个时期变化波动大。1000m样线上的LPI指数曲线波动也很大,北部海湾包括的样点3—23,LPI3个时期变化波动均大,且2011年的值趋向于降低；样点24—32为东山海岸苏峰山位置,LPI值明显升高；样点33—61的南部海湾,LPI曲线与500m样线比较总体趋向缓和。

200m样线上的样点PD指数3期曲线波动基本一致,但随时间PD值呈现升高趋势。500m样线上的样点PD指数曲线起伏明显,样点29—37苏峰山位置,PD值明显下降,北部湾和南部湾PD值大多较高,且随时间呈现升高趋势。1000m样线上的样点PD指数曲线变化与500m样线相似。

以上分析可能看出,景观破碎化程度随时间在不断增强；距离海岸线200m处在18年内虽有波动,但变化不是很大,沿海防护林的建设和保护需要使这一地带破碎化程度不显著；距离海岸线500m和1000m处则变化剧烈,东山岛北部海湾的旅游发展、房地产开发,南部海湾的海产养殖、风力电厂、房地产开发等人为干扰强烈改变着海岸地带,使其破碎化程度不断加剧。对3条样线中的北部海湾样点和南部海湾样点进行ANOVA分析,发现破碎化在南北海湾差异不显著,说明主导人为干扰的差异对海岸带景观破碎化并不会造成明显的空间差异。

图8 景观破碎化沿距海岸200m样线的变化特征Fig.8 Changes of landscape fragmentation along 200m transect from shore line

图9 景观破碎化沿距海岸500m样线的变化特征Fig.9 Changes of landscape fragmentation along 500m transect from shore line

图10 景观破碎化沿距海岸1000m样线的变化特征Fig.10 Changes of landscape fragmentation along 1000m transect from shore line

图11 景观破碎化沿横切县城中心样线的变化特征Fig.11 Changes of landscape fragmentation along the transect across the center of the town

其次,对横切县城中心样线上的样点景观特征进行分析(图11)。3个时期的LPI指数未明显分异,均表现为曲线变化显著,波动明显,尤其在近海岸到县城中心骤升骤降,样点3呈现低点,样点5又骤升,样点9又降升,样点12,即县城中心点,又呈现一个低值；PD指数则呈现出随时间上升的趋势,1994年曲线较平缓,主要的高值区在岛的内陆区,2003年曲线波动,高值区主要集中在样点10—17,主要为城镇集中区；2011年曲线波动更为显著,高值区主要在样点3、12、21。由此可看出,景观破碎化随时间在不断增强,1994年破碎化程度相对低,但2003年和2011年人为干扰加剧了这一过程,2003年人工干扰主要集中在县城地带,使得这一区域破碎化明显升高,2011年人工干扰趋向分散,在近海岸、县城中心、岛内陆都出现破碎化加剧现象。

3.5 景观指数的相关分析

本研究采用Pearson相关系数分析景观破碎化与景观格局其他方面特征的相关性。结果表明：PD与LPI(R=-0.368,P=0.001)、PD与LSI(R=0.754,P=0.000)、PD与PAFRAC(R=0.804,P=0.000)、PD与CONTAG(R=-0.868,P=0.000)、PD与SHDI(R=0.293,P=0.009)均在0.01水平上显著相关,PD与SHEI(R=0.279,P=0.013)在0.05水平上显著相关。可见,景观破碎化与其他景观格局指数有较强的相关性,运用所选择的景观破碎化指数能够反映东山岛景观格局变化的基本特征。

4 结论与讨论

在景观生态学和景观规划中,运用景观指数分析景观格局变化的研究在近20年内大量出现,尤其是针对城市蔓延问题的研究。然而,较少研究聚焦于景观格局的区域内部差异。人类活动迅速改变着景观的结构和构成,所造成的景观镶嵌体的改变又被认为显著影响生态系统的过程和功能,然而,人类活动的强度是存在区域差异的。因此,定量化区域内部的景观格局差异能为跟踪和评价人类活动对景观的影响提供更为精细的信息。

本研究基于GIS和景观指数,运用缓冲带分析和移动窗口法、样点分析等,定量测定福建东山岛景观破碎化特征的时空差异。东山在1992—1995年获得了“百亿新城”建设项目,整个强烈的人为干扰从这个时期开始,然而 “百亿新城”项目在完成一期投资后停工,在这之后,1995—2004年东山发展转向生态建设,先后申请“国家可持续发展试验区”、“福建省生态农业试点县”、“国家级生态示范县”等,2004年到2011年间正是我国房地产开发逐渐狂热期,东山不可避免地成为了开发的热点,大型的玻璃厂、房地产企业、旅游开发、鲍鱼和对虾的大量养殖都影响着东山岛的景观结构变迁。正是由于不同时期的投资方向和政策方向的影响,使得东山岛景观破碎化程度随时间在不断增强,且由于土地经济属性和自然属性的不同,带来了人类开发的趋向性,从而使得东山岛的景观破碎化在区域内有显著差异。其表现为：近海岸地带、西北部及南部的有林地带的破碎化程度持续降低,而中北部和南部城镇农田集中区人为干扰日益强烈,破碎化程度不断增加；距离海岸线500m和1000m处是东山岛沿海人为干扰的强烈地带,北部海湾的旅游发展、房地产开发,南部海湾的海产养殖、风力电厂、房地产开发等人为干扰强烈改变着这一地带,使其破碎化程度不断加剧。随着地价的上升和经济农业的发展,东山岛人工干扰随时间趋向分散,破碎化指数曲线波动趋向显著,城镇化、旅游和农业发展应该是东山岛景观破碎化的主导驱动因子。

当前,技术的支持使我们可以快速获得景观特征的各种指数。但是,如何定量化东山岛景观格局梯度变化特征与驱动因子关系,并能在空间上进行表达,更为准确深入地探讨人类活动的区域差异对景观变化的影响有待深入研究。