青海省景观格局核心指数提取与变化分析

郭蓉，许寰戈

(青海师范大学地理科学学院，青海 西宁 810000)

引言

景观格局通常指的是不同形状、大小、属性的景观斑块的空间结构特征，是景观异质性在空间上的综合表现，也是不同类型的生态过程在不同尺度上作用的结果[1]。景观指数可以反映景观斑块的变化，能够在杂乱的斑块镶嵌中提取潜在的规律[2，3]。现阶段景观格局主要基于RS与GIS并结合景观格局软件进行研究，国内学者在湿地[4]、草地、森林[5]等方面的景观格局研究取得了进展，另外还有学者对城市绿地、国家公园、典型旅游区等的景观格局进行研究并解释其原因。对景观格局的模拟研究也成为重要议题，李祯、王云靓、苏凯等分别进行了三江平原[6]、济南市[7]、东北森林带[8]的景观格局模拟，对区域生态安全有重要意义。

目前已有成果大多以整个研究区为范围进行计算，如在湘西州[9]、盐池县[10]、鞍山市[11]等地的研究，利用土地利用数据为基础计算景观格局指数，从而分析相应的景观格局的变化。虽然这些研究可以很好地反映景观斑块的变化，但是区域较大，如果按照小斑块进行计算，能够较好地反映研究区内景观格局指数的变化。故本文将青海省2000年、2010年、2018年土地利用数据层裁剪为多个形状一致的六边形小斑块，利用Fragstats软件批量提取每个斑块内的核心景观格局指数，分析青海省景观格局在时间、空间上的变化。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

青海省位于我国西部，青藏高原东北部，经纬度位置为：89°35'E～103°04'E，31°9'N～39°10'N之间，地势总体呈现西高东低，地貌复杂多样，气候寒冷干旱，降水时空差异大，太阳辐射强度自西北向东南递减。研究区内面积约69万km2，其中面积占比最大的为未利用地和草地[12]。20世纪初开始实行退耕还林、退牧还草等生态工程，经过十几年的发展，林草地面积有所增加，对生态保护起到很大的作用[13]，所以对青海省景观格局核心指数的提取与分析研究意义重大。

1.2 数据来源与处理

文章2000年、2010年、2018年青海省土地利用数据来源于资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn/)，空间分辨率为1km×1km。参考自然资源部2017年颁布的《土地利用现状分类》(GB/T21010-2017)，将原有12个土地利用类型重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6个景观组分。正六边形向四周延伸的距离一致，并且可以减少由于格网形状的边界效应带来的样本偏差，所以利用ArcGIS生成大小相同的正六边形，将其作为掩膜，区域内的土地利用栅格图层分割成多个独立的样本单元，采用景观格局分析软件Fragstats分别计算每个独立单元的景观格局核心指数。其中，生成六边形独立单元遵循以下两点：考虑研究区面积以及土地利用底图数据分辨率，并兼顾计算的工作量和数据处理效率，需协调六边形独立样本单元的面积和数量；为了保证样本单元的完整性和形状的一致性，在研究区边缘地带中，剔除样本单元面积小于原样本单元面积85%以下的六边形样本单元。

2 研究方法

景观指数能够反映土地利用和景观格局的变化特征，其包含三种指标：斑块水平指标(patch metrics)、类型水平指标(class metrics)和景观水平指标(landscape metric)。我们选取凝聚度指数(COHESION)、斑块个数(NP)、香浓多样指数(SHDI)、分离度指数(SPLIT)、蔓延度指数(CONTAG)5个核心指数来分析青海省的景观格局的变化特征。以下为各指数的详细说明：

(1)斑块个数(NP)：

NP=N

N为各类型斑块数量，NP表示景观单元内所有斑块的总数，其值NP≥1，值的大小与景观的破碎度成正相关关系，常被用来描述整个景观的异质性。

(2)分离度指数(SPLIT)：

aij为景观类型i中j的面积，A为总景观面积，m指斑块类型数，n指斑块个数，1≤SPLIT≤NP2，当值趋于1时，斑块内的景观类型越少，当值趋于NP2时，斑块内的破碎化程度越高。SPLIT表示斑块的空间分布离散程度，可以反映出斑块内受干扰的程度。

(3)蔓延度指数(CONTAG)：

m为景观斑块类型数，Pij代表某一斑块的周长，0≤CONTAG≤100，其值越小说明存在的斑块越多，当值趋于100时，表明景观的连通度越高。一般来说，高蔓延度的斑块中形成了连接性良好的优势斑块，反之，说明斑块内景观破碎化程度较高，斑块内包含要素较多。

(4)凝聚度指数(COHESION)

pij为斑块i和j的共接边长，aij为斑块i和j的面积，A为研究区板块总数量，0≤COHESION≤100，COHESION表示斑块类型的连通性和聚集程度，当值趋于100时，表明区域内的景观较为聚合，当值趋于0时，区域内景观较为分散。

(5)香浓多样指数(SHDI)：

Pi为景观斑块类型i所占比例，i指斑块类型总数，SHDI≥0，反映景观的复杂性，能够描述研究区内土地利用类型的数量及不同类型景观面积所占比例。值越大，表示土地利用越丰富，破碎化程度越高。

3 结果分析

3.1 斑块个数(NP)

从图1我们可以看到，2010～2018年青海省斑块个数(NP)的值在空间上呈现的整体规律大致相似，表现为东北边缘地区NP值的高值最集中，且格尔木市、玉树市、德令哈市等市的市驻地以及下辖县驻地区域NP值也较高，西南部和西北部的NP值较低。青海省东北部是省内人类活动最强烈的区域，且被影响的区域连片分布，其对景观格局指数产生很大影响，这里人口集中，城镇化水平高，土地利用类型多样，包含了耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6种类型，景观破碎化程度高；人类活动剧烈的区域相对分散使得其他县市的NP高值离散分布；而在西北部未利用地面积相对较大，在西南部草地占面积较大，故每个景观斑块中土地利用类型单一，NP值较低，景观破碎化程度也较低。在青海省中部，未利用地、草地还有部分水域相间分布，故NP值的大小介于东北边缘与西南和西北部之间。从年际变化来看，2000～2010年NP值在空间上的变化并不明显，但西北部NP值略有升高，西南部NP值也有所增加，景观破碎化程度略微增高；2010～2018年NP值发生了明显改变，主要出现在两个区域，一是青海省南部的大部分区域，二是青海湖相邻的西北部，NP值降低，景观破碎化程度下降。

3.2 分离度指数(SPLIT)

分离度指数(SPLIT)的较高值分布在青海省的东北部以及格尔木市、玉树市、德令哈市等市的市驻地以及下辖县驻地区域，这些区域内的土地利用类型多样，斑块内受干扰的程度较强，西北、西南和东南部的SPLIT值是比较小的，表明这些区域内斑块的空间分布离散程度较低，斑块内受干扰程度很小，这与NP值的空间分布是相呼应的。2000～2010年SPLIT值变化微弱，2010～2018年变化的区域集中分布于青海省东南部和青海湖西北部，斑块内受干扰的程度显著降低(如图2)。

3.3 蔓延度指数(CONTAG)

蔓延度指数(CONTAG)的高值多分布于青海省的西南、东南、西北以及靠近东部边缘的区域，这些区域的斑块内存在连通度极高的优势斑块类型，斑块之间的连接性和连续性较好，斑块内的优势景观类型多为草地或未利用地；东部边缘及格尔木市等市的市驻地以及下辖县驻地区域呈现较高值，说明这些区域城镇化水平较高，同时，城市城镇的连通度较高；中部地区以及全省出现分散的低值，表明这些斑块内存在耕地、林地、草地等多种类型的景观，景观破碎化程度高且连接性差。2000～2010年CONTAG变化不大，2010～2018年变化比较明显，变化区域分布在青海省南部，我们可以看到CONTAG明显减少，说明该区域斑块内景观破碎度增加(如图3)。

3.4 凝聚度指数(COHESION)

从图4中可以看出，凝聚度指数(COHESION)的高值聚集在青海省草地、未利用地为主的斑块中，分布在青海省的西南、东南以及西北部，这些区域景观较为聚合，连通性和集聚程度高。在东北部出现了低值，这里土地利用类型多样，景观破碎化程度高，而在其他区域，COHESION值出现大面积连片的较高值。这也证明草地、未利用地凝聚度高、破碎度低，而在人类活动强烈的地区斑块内景观类型多样，景观破碎度高。2000～2010年COHESION值未出现明显变化，比较稳定，2010～2018年在青海省南部以及青海湖东北部出现了COHESION值的大面积增加，表明其凝聚度增加，景观破碎化程度降低。

3.5 香浓多样指数(SHDI)

图5中，香浓多样指数(SHDI)分布规律十分明显，与3.1和3.2中NP和SPLIT的表现相似，其高值多分布于青海省东部，在其他地区也有零星分布，这些区域的斑块内土地利用类型丰富，景观复杂，破碎化程度高，在西南和西北，分布着SHDI的低值，说明斑块内土地利用类型较少。2000～2010年斑块内景观类型稳定，变化不强烈，2010～2018年在青海省东南部SHDI由中高值变为低值，表明区域的斑块内部破碎化程度降低，土地利用区域单一。

4 结论与讨论

青海省土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6种类型，它们在空间分布上不均匀，在南部草地面积占比相对较大，在北部未利用地面积占比较大，所以这些区域景观异质性低，斑块内的破碎化程度低，且斑块之间的连通性较好。在青海省东部以及其他城镇聚集的区域，人类活动比较强烈，土地利用类型丰富，斑块内景观破碎化程度高。

2000～2018年斑块内景观格局指数的大致分布规律是相似的，与土地利用类型的分布有很大的关系，而且我们发现2000～2010年景观格局指数的变化程度是十分微弱的，2010～2018年出现了比较大的变化。在变化比较大的区域内，表现为未利用地向草地的转化，主要是因为实施了退耕还林还草工程和三江源生态保护工程。这些区域包括青海湖西北的天骏县，以及黄河源区的玛多县、兴海县、玛沁县等，在20世纪初开始实施生态保护工程，在2018年已经得到显著改善，草地面积大幅增加，以草地为主的斑块内的景观破碎化程度也逐渐降低，连通性加强，生态环境得到改善。