商洛市景观格局粒度效应响应及景观格局分析

房舒 赵培

摘 要：基于景观格局粒度响应能更科学准确地研究区域景观格局特征，为促进地区可持续发展、制定环境修复政策提供理论依据。以秦岭南麓商洛市为研究对象，基于2020年商洛市土地利用状况，探讨商洛市景观粒度效应响应，确定最适宜商洛市景观格局研究的粒度。并在此粒度下，研究商洛市景观格局特征。结果表明，商洛市景观级别和斑块类型级别的最适宜研究粒度都为90 m。商洛市整体生态环境较好，但仍存在斑块破碎化程度高，有一定脆弱性的问题。未来发展中应更加注意提升林地和水域斑块的稳定性，实现经济发展与生态保护的双赢。

关键词：景观格局指数；粒度效应；最适宜粒度；景观格局特征

中图分类号：P901    文献标识码：Ａ     文章编号：1674-0033（2023）02-0022-09

引用格式：房舒，赵培.商洛市景观格局粒度效应响应及景观格局分析[J].商洛学院学报，2023，37（2）：22-30.

Abstract： Landscape pattern based on grain size effect can more scientifically and accurately help study the characteristics of regional landscape pattern， and provide a theoretical basis for promoting regional sustainable development and formulating environmental restoration policies. Taking Shangluo City in the south of Qinling Mountains as the research object， based on the land use status of Shangluo City in 2020， the response of landscape grain size effect in Shangluo City was discussed to determine the most suitable granularity for the study of landscape pattern in Shangluo City. And under this granularity， the characteristics of landscape pattern in Shangluo City were studied. The results showed that the most suitable research grain size of landscape level and patch type level in Shangluo City was 90 m. The overall ecological environment of Shangluo City was good， but there were still problems of high degree of patch fragmentation and certain vulnerability. In the future， we should pay attention to enhance the stability of forest land and water patches， and achieve a win-win between economic development and environmental protection.

Key words： landscape pattern index; grain size effect; most suitable grain size; landscape pattern characteristics

景观格局指数能定量化地探究景观格局特征，为区域的生态安全和可持续发展提供基础数据，在土地利用方式的提升、景观格局的优化等多个领域广泛应用[1-3]。尺度是决定景观格局研究科学与否的关键，景观格局指数对空间尺度的变化非常敏感，景观格局的尺度效应是景观格局特征推绎的基础[4-5]。尺度包括时间和空间尺度，空间尺度包含空间幅度和粒度[6]。在研究过程中，研究区域和研究年限确定后，时间尺度和空间幅度也随之确定，尺度效应只需关注粒度[7]。景观格局粒度效应响应，是指随空间数据栅格单元大小改变，景观格局指数发生改变的过程，目的是通过临界点或转折点确定研究景观格局的最佳粒度[8]。已有研究者针对不同的行政区、经济区、流域、山地、河谷等进行了景观格局效应响应研究[1-3，9]。基于景观格局粒度响应，在最适宜粒度下研究区域景观格局特征可为促进地区可持续发展、制定环境修复政策提供理论依据和技术支持[10]。

秦岭是我国南北气候的分界线和重要的生态屏障[11]。2019年9月陕西省修订的《秦岭生态环境保护条例》中将保护秦岭生态环境，实现经济社会可持续发展提上新的高度[12]。习近平总书记来陕考察时多次强调秦岭生态环境问题。然而多年来秦岭生态环境保護和修复研究主要集中在秦岭北麓[13]。秦岭南麓资源丰富、环境优美，经济发展和生态环境建设之间的矛盾突出[14]。研究发现秦岭东南部生态风险较高，且有继续增高的趋势[15]。虽然早有学者在2008年就提出要及早关注秦岭南麓生态环境的保护，但目前为止针对秦岭南麓生态环境评价及修复的研究相对较少。

商洛市地处陕西省东南部，是全国生态环境建设重点试点示范区。随着人口增长、经济发展，商洛市生态风险问题日益突出[16]。保护水源地生态环境，确保受水区水质水量安全，实现人与自然和谐共处，一直是该区的热点问题，但是针对商洛市开展的相关研究较少。因此，本文以秦岭南麓的商洛市为研究对象，探讨商洛市景观粒度效应响应，在最适宜的粒度下，研究商洛市景观级别和斑块类型级别的景观格局特征，为秦岭南麓的景观格局优化和可持续发展提供依据。

1  研究区概况

商洛市（108°34′～111°01′E，33°02′～34°24′N）地处陕西省东南部，是处于秦岭南麓的城市，也是长江水系汉江支流丹江的源头。商洛市是南水北调中线工程的重要水源地，是典型的山区水源地[17]。

商洛市的地形有盆地、低山和中山三大类，是以中低山为主的土石山区，土壤主要以褐土、棕壤、黄棕壤为主。气候主要为南暖温带向北亚热带过渡的大陆性山地季风气候，四季分明，雨热同期，是陕西省林业大市、重点林区。年均降水量为710～930 mm，年均气温为7.8～13.9 ℃，日照约为1 860～2 130 h，无霜期为210 d。

2  数据来源与研究方法

2.1 数据来源

下载商洛市2020年夏季Landsat 8遥感影像，进行预处理和增强处理后，在ENVI5.3中进行非监督ISODATA分类，将商洛市土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、居民用地、未利用土地六类，分类后总精度大于90%。

2.2 研究方法

研究路线如图1所示。首先从15～450 m选取了22个不同的粒度，其中15～210 m粒度之间的间隔设为15 m，210～450 m粒度之间的间隔设为30 m。然后依据文献[9]及研究区的土地利用特征，选择了景观和斑块类型两个级别中较为常用且能代表不同指标类别的景观指数。在景观级别上选择了8个景观格局指数（见表1），在斑块类型级别上选择了6个景观格局指数（见表2）。最后运用景观格局指数计算软件FRAGSTATS 4.2，计算了不同粒度两个级别的景观格局指数，并制作粒度响应曲线，结合SPSS回归分析曲线估计结果，得到适宜商洛市景观格局研究的最适宜粒度，并在此粒度下计算和分析商洛市景观格局特征。

3  结果与分析

3.1 景观级别的景观指数粒度选择

2020年商洛市8个景观级别的景观指数的粒度响应曲线如图2所示。由图2可以看出，8个景观级别的景观指数的响应曲线有三种趋势。第一种，曲线无明显规律，包括面积—边缘指标的LPI（平稳—波动上升）、聚散性指标的PD（下降—上升—下降）和IJI（平稳上升—波动下降）及多样性指标的SHEI（不断波动）。第二种，景观指数随粒度增大呈上升趋势，包括形状指标的PAFRAC，其粒度响应曲线在粒度为45 m处出现拐点，在360 m后出现小幅度上下波动。第三种，景观指数随粒度增大呈下降趋势，包括SPLIT、AI、LSI，均属于聚散性指标，其中SPLIT较为特别，属于波动下降。AI随粒度增大呈平稳下降，下降趋势无明显变化。LSI在粒度为210 m处出现拐点，下降趋势变大。

将景观级别的景观指数与粒度的关系进行模拟，结果如表3。大部分景观级别的景观指数的尺度效应可以较好地用函数模拟。其中多样性指标的SHEI没有合适的函数模拟，PAFRAC适合用幂函数模拟，而其他指数均适合用三次函数模拟。聚散性指标IJI与面积—边缘指标的LPI的拟合R2<0.9。而形状指标的PAFRAC与聚散性指标AI、LSI的拟合均有R2>0.97。

结合景观格局指数粒度效应曲线和曲线拟合的结果，得到商洛市景观级别的景观指数第一尺度域为75～105 m，最适宜研究粒度为90 m（见表4）。

3.2 斑块类型级别的景观指数粒度选择

2020年商洛市6个斑块级别的景观指数的粒度响应曲线如图3所示。

由图3可以看出，6个斑块级别的景观指数的响应曲线有四种趋势。第一种，景观指数曲线无明显规律，包括面积—边缘指标的LPI和聚散性指标的PD、NP。LPI的粒度响应图中，居民地、水域、未利用地的LPI几乎无变化；草地的LPI在15～210 m呈上升趋势，但之后有小幅下降，LPI在210 m之后出现较大波动；林地的LPI在粒度为15～105 m小幅波动，在105～150 m波动变大，之后为波动上升；耕地的LPI总体呈现波动下降的趋势。PD的粒度响应图中，未利用地的PD几乎无变化；水域的PD在15～195 m呈略微上升趋势，之后呈现略微下降趋势；居民地、草地、林地的PD均呈现随粒度的增大而下降的趋势；耕地的PD在粒度为15～45 m呈现略微下降趋势，粒度在45～210 m呈现上升趋势且上升幅度先小后大，在210 m之后呈下降趋势。NP的粒度响应图与PD变化趋势相似。第二种，景观指数随粒度增大而增大，为形状指标的PAFRAC。居民地、草地、林地、耕地的PAFRAC均有随粒度的增大而上升的趋势，其中居民地的上升趋势较为明显；但对于未利用地来说，没有明显的上升或下降趋势，存在较大波动；而对于水域来说，则存在整体下降趋势。第三种，景观指数随粒度增大呈下降趋势，为聚散性指标AI。在其粒度响应图中，所有土地利用类型均存在明显的景观指数随粒度增大而下降的趋势，其中草地、林地的下降趋势较小，水域的下降趋势较大，未利用地在粒度为195 m之后呈现出波动下降。第四种，景观指数基本不随粒度增大变化，为面积—边缘指标的PLAND。其中草地、林地的景观指数均在粒度为420 m处出现一不明显的拐点；耕地的景观指数整体上存在较小的波动。

將斑块类型级别景观指数与粒度的关系进行模拟，结果如表5所示。由表5可以看出，大部分斑块级别的景观指数的尺度效应可以较好地用函数模拟，其中LPI的未利用地没有合适的函数模拟，林地虽然可以用指数函数进行模拟但拟合效果差；草地、林地、耕地、水域都可以用三次函数进行较好地模拟。PLAND景观指数所有斑块类型均没有合适的函数模拟，粒度效应不明显。PAFRAC景观指数中，居民地、林地、水域均可以用三次函数进行模拟，但水域的拟合程度较低；草地可以用对数函数进行较好地模拟；耕地适宜用S模型模拟；未利用地没有合适的函数模拟。PD的景观指数除林地适合用二次函数进行模拟外，其余斑块类型均适合用三次函数进行模拟。NP的函数拟合结果与PD相似。AI的六种斑块类型均可用三次函数进行模拟，且拟合效果好，R2均在0.99以上。

结合景观格局指数粒度效应曲线和曲线拟合的结果，得到商洛市斑块类型级别景观指数第一尺度域为75～105 m，最适宜研究粒度为90 m（见表6）。

3.3 商洛市景观格局特征

商洛市的主要土地利用类型是草地，占总面积的40.83%，接着是林地和耕地，分别占总面积的35.75%和22.45%。居民用地、水域和未利用地的比例都不足1%。最适宜商洛市景观格局研究的粒度为90 m。90 m粒度下，商洛市景观级别、斑块类型级别的景观指数如表7、表8。

景观级别的景观格局指数能说明商洛市景观的整体水平，见表7。LPI的计算结果小于10，说明商洛市景观基质不突出，斑块较为破碎。PAFRAC的计算结果为1.57，商洛市景观形状复杂程度不强。PD的计算结果为0.52，说明商洛市景观较统一。SPLIT的计算结果为96.27，说明商洛市景观细化程度较高。IJI的计算结果小于50，说明商洛市斑块分布聚集程度不明显。AI的计算结果大于80，说明商洛市景观斑块间联系紧密。LSI的计算结果接近150，说明商洛市景观同类斑块聚集程度较好。SHEI的计算结果大于0.6，说明商洛市景观类型较为丰富。

斑块级别的景观格局指数用于比较商洛市不同土地利用类型的景观格局特征，见表8。从LPI来看，草地、耕地、林地斑块中含有优势度大的斑块，居民地、水域、未利用地斑块相对更破碎。从PLAND来看，草地是商洛市的主要景观类型，占地面积比例大于40%，林地、耕地景观占地面积比例均大于20%，居民地、水域、未利用地斑块所占面积比例都较小，均不足1%。从PAFRAC来看，水域的斑块计算值最大，形状最没有规律，居民地的斑块计算值最小，形状最为规则，其他斑块形状不规则。PD和NP的变化趋势与LPI保持一致。从AI来看，商洛市AI最高的为林地，聚集性最强；最低的为水域，较为分散。

4  讨论与结论

本文选取了22个粒度，8个景观级别、6个斑块类型级别的景观指数，对商洛市景观格局指数粒度效应进行研究，发现在景观级别和斑块类型级别最适宜研究区的景观粒度都为90 m。这与陈永林等[18]在长沙市的景观粒度效应研究中得出的结果一致。同时，翟俊等[19]认为流域景观格局分析的最佳空间粒度为90 m。杨馗等[20]认为90 m的粒度能更好地体现空间异质性。

整体来看，商洛一区六县均位于中国南水北调中线水源地生态环境保护规划区内[17]，而商洛四面环山，人口少、耕地少、企业少、经济增长缓慢，城市土地集约利用、土地投资、经济水平在陕西省10个城市中都处于最低水平[21]。商洛的土地利用主要是草地和林地。虽然商洛整体环境较好，植被碳汇能力超过500 g/（cm2·a）[22]，但是由于商洛处于山区[23]，仍然存在景观斑块细碎化、破碎化，脆弱化程度高的问题，具有一定的景观生态风险。

商洛市森林覆盖率高，但天然次生林的比例较大，进行工程管护的森林面积达160多万公顷[24-25]。近年来商洛建成区植被覆盖度有所改善[25]，林地景观虽然存在一定优势，但稳定性不足。商洛市山陽县矿产资源丰富，2005年前因露天开采森林资源遭到破坏，景观脆弱性增加；但2005年后，矿区环境有所改善，生态风险略有降低[15]。2015年到2019年，商洛的资源利用效率呈上升趋势[26]。商洛市虽然为南水北调中线主要供水城市，但其水域斑块仍存在分散、破碎的问题。为保证供水质量，南水北调中线工程实施以后商洛市开展了水污染治理、水环境保护工作来提高丹江库区及上游水质质量[27]，但对由此带来的土地结构改变、区域环境响应缺乏系统性的认识和研究，同时，急需治理的水土流失面积仍有232万公顷[28]。可以看出，提高商洛市景观格局的稳定性，主要还是要从林地斑块和水域斑块的改善入手。

依托得天独厚的气候资源、优美的自然环境、无公害农产品等，商洛市未来的发展目标是打造“中国康养之都”。未来自然空间景观结构的稳定和提升将是商洛城市发展的重要基础，同时商洛经济发展也离不开生态环境良好带来的优势[27]。因此商洛市未来仍需继续优化景观结构，寻求经济发展与生态保护相协调的发展模式。

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