濕地自然保護(hù)區(qū)景觀(guān)格局的景觀(guān)指數(shù)描述

濕地自然保護(hù)區(qū)景觀(guān)格局的景觀(guān)指數(shù)描述

1景觀(guān)格局研究景觀(guān)結(jié)構(gòu)是指不同大小和形狀的景觀(guān)元素的空間排列形式。景觀(guān)格局是景觀(guān)性狀最直觀(guān)的表現(xiàn)形式,也是景觀(guān)生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一。描述景觀(guān)格局可通過(guò)3條途徑:。(1)文字描述;(2)圖、網(wǎng)格描述;(3)景觀(guān)指數(shù)描述。景觀(guān)指數(shù)是指能夠濃縮景觀(guān)格局信息,反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡(jiǎn)單定量指標(biāo)。通過(guò)景觀(guān)指數(shù)描述景觀(guān)格局可使數(shù)據(jù)獲得一定統(tǒng)計(jì)性質(zhì),并可分析不同尺度上的格局特征。遙感、地理信息系統(tǒng)與景觀(guān)生態(tài)學(xué)理論共同形成了對(duì)大尺度景觀(guān)格局進(jìn)行研究的獨(dú)具特色的研究模式,而利用景觀(guān)指數(shù)對(duì)空間格局進(jìn)行定量化研究是這種研究模式的基本內(nèi)容。在對(duì)景觀(guān)格局分析、建立格局與過(guò)程相互聯(lián)系的過(guò)程中及其它理論向景觀(guān)生態(tài)學(xué)滲透的過(guò)程中,形成了許多描述景觀(guān)格局及其變化的景觀(guān)指數(shù)。由于景觀(guān)格局特征可以在3個(gè)層次分析,景觀(guān)格局指數(shù)亦可相應(yīng)地分為斑塊水平指數(shù)、斑塊類(lèi)型水平指數(shù)以及景觀(guān)水平指數(shù)。當(dāng)前,描述景觀(guān)格局的景觀(guān)指數(shù)雖多,但許多景觀(guān)指數(shù)之間不滿(mǎn)足相互獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),因此用一組不相互獨(dú)立的景觀(guān)指數(shù)描述景觀(guān)格局時(shí)自然說(shuō)服力不強(qiáng)。在理想狀態(tài)下存在一個(gè)景觀(guān)指數(shù)體系,用之足以描述景觀(guān)格局但又不冗余。Riitters()用85張土地利用圖為基本數(shù)據(jù)對(duì)55個(gè)景觀(guān)指數(shù)用相關(guān)分析與因子分析法進(jìn)行了兩次維數(shù)壓縮,并經(jīng)綜合分析,選定5個(gè)景觀(guān)指數(shù),認(rèn)為這5個(gè)景觀(guān)指數(shù)既相互獨(dú)立,又能比較全面地描述景觀(guān)格局的各個(gè)方面。2大水面、熱干冷同季鞍山大麥科自然保護(hù)區(qū)屬于省級(jí)自然保護(hù)區(qū),位于臺(tái)安縣西南,包括3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的11個(gè)村,總面積9315hm2。地理位置東經(jīng)122°12′09″～122°18′45″、北緯41°12′28″～41°19′44″。研究區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶?rùn)季風(fēng)氣候。四季分明,雨熱同期,干冷同季,光照豐富,春風(fēng)大,冬季寒冷。年平均氣溫8.2℃;年平均降雨量660mm。研究區(qū)域土壤類(lèi)型由沙土,泥炭沼澤土,鹽漬水稻土,碳酸鹽草甸土等構(gòu)成。保護(hù)區(qū)農(nóng)田土壤較肥沃,土壤有機(jī)質(zhì)含量平均在24～32mg/g之間,pH值在6～7之間。研究區(qū)域共有維管束植物26科124種,兩棲綱1目3科4種,爬行綱1目3科10種,淡水魚(yú)類(lèi)10科47種,鳥(niǎo)類(lèi)10目21科98種,哺乳類(lèi)7目9科18種。3景觀(guān)指數(shù)法本文所選用景觀(guān)指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和生態(tài)學(xué)含義如下:3.1斑塊面積、發(fā)育程度i利用斑塊周長(zhǎng)與等面積的圓周長(zhǎng)之比值表示斑塊的形狀指數(shù)Di,其公式為:Di=Pi2πAi√(1)Di=Ρi2πAi(1)式中:Pi——斑塊周邊長(zhǎng)度,Ai——斑塊面積;Di——斑塊的發(fā)育程度。Di值越大,說(shuō)明斑塊周邊越發(fā)達(dá)。3.2棲息地破碎指數(shù)3.2.1斑塊數(shù)破碎化指數(shù)這里選用了兩種景觀(guān)斑塊數(shù)破碎化指數(shù)FN1、FN2,FN1為整個(gè)研究區(qū)景觀(guān)斑塊數(shù)破碎化指數(shù),FN2為各類(lèi)景觀(guān)的斑塊數(shù)破碎化指數(shù)。其計(jì)算公式為:FN1=(Np-1)/Nc(2)FN2=MPS(Nf-1)/Nc(3)式中:Nc——景觀(guān)數(shù)據(jù)方格圖的格子總數(shù),Np——景觀(guān)里各類(lèi)型斑塊的總數(shù),MPS——景觀(guān)里各類(lèi)型斑塊的平均斑塊面積(以方格網(wǎng)的格子數(shù)為單位),Nf——景觀(guān)里景觀(guān)斑塊的總數(shù)。3.2.2平均形狀指數(shù)fm該指數(shù)也有兩種:FS1是斑塊平均形狀破碎化指數(shù),FS2是面積加權(quán)平均形狀破碎化指數(shù)。當(dāng)兩種指數(shù)都高時(shí),表示斑塊的破碎化程度較大,其公式為:FS1=1-1/MSI(4)FS2=1-1/ASI(5)MSI=∑i=1mSI(i)/NΜSΙ=∑i=1mSΙ(i)/ΝASI=∑i=1mA(i)SI(i)/AASΙ=∑i=1mA(i)SΙ(i)/ASI(i)=P(i)/[4A(i)????√]SΙ(i)=Ρ(i)/[4A(i)]A=∑i=1mA(i)A=∑i=1mA(i)式中:MSI——景觀(guān)斑塊的平均形狀指數(shù);ASI——用面積加權(quán)的景觀(guān)斑塊平均形狀指數(shù);Sl(i)——景觀(guān)斑塊i的形狀指數(shù)。P(i)和A(i)——景觀(guān)斑塊i的周長(zhǎng)和面積;A——景觀(guān)總面積,m——景觀(guān)總斑塊數(shù)。3.3維數(shù)和修正維數(shù)3.3.1景觀(guān)格局特征分維數(shù)是分維變量的維度,反映了在一定的觀(guān)測(cè)尺度上斑塊和景觀(guān)格局的復(fù)雜程度。通過(guò)斑塊的特征來(lái)反映景觀(guān)格局特征,采用面積—周長(zhǎng)法來(lái)測(cè)定,其公式為:P=kAD/2(6)D=2ln(p/4)lnA式中:P——斑塊周長(zhǎng);A——斑塊面積;D——分維數(shù),且滿(mǎn)足1≤D≤2。3.3.2景觀(guān)分維數(shù)和斑塊面積加權(quán)平均的公式與分維數(shù)相比較,修改分維數(shù)主要考慮了斑塊間的相鄰性(參數(shù)C),并對(duì)斑塊的周長(zhǎng)進(jìn)行了修改,其公式為:Dm=2ln(Pm/4)/lnA(7)Pm=P+[2(A-1)C/Ct-1]式中:Dm——修改分維數(shù);Pm——修改周長(zhǎng);C——相鄰斑塊數(shù)(不包括對(duì)角相鄰);Ct——景觀(guān)中所有斑塊類(lèi)型數(shù),在本文中Ct=12。A、P定義同前。研究區(qū)域景觀(guān)格局分維數(shù)和修改分維數(shù)用斑塊面積加權(quán)平均和求出。其公式為:Dl=∑i=1m(Ai×Di)(8)Dl=∑i=1m(Ai×Di)(8)式中:Dl——景觀(guān)分維數(shù)或修改分維數(shù);Ai——第i個(gè)斑塊所占景觀(guān)面積的比例;Di——第i個(gè)斑塊的分維數(shù)或修改分維數(shù)。3.4景觀(guān)類(lèi)型的分離度分離度是指某一景觀(guān)類(lèi)型中不同斑塊個(gè)體的分離程度。其公式為:Fi=Di/Si(9)式中:Fi——景觀(guān)類(lèi)型i的分離度;Di——景觀(guān)類(lèi)型i的距離指數(shù);Si=Ai/A?Di=12n/A????√Si=Ai/A?Di=12n/A;A——景觀(guān)的總面積,A——景觀(guān)類(lèi)型i的總面積,n——景觀(guān)類(lèi)型i中的斑塊總數(shù)。4結(jié)果與分析4.1水體斑塊的形狀系數(shù)經(jīng)公式(1)計(jì)算,研究區(qū)域中形狀系數(shù)草地最大2.4803,濕草甸最小1.4122,未利用土地、水域和居民點(diǎn)較大,說(shuō)明這些斑塊較不規(guī)則。草地、未利用土地被人為斑塊所包圍,邊界不整齊;居民點(diǎn)的住戶(hù)散布,邊界也曲折;水域的形狀系數(shù)較大是因?yàn)椴糠趾恿靼邏K所致,其斑塊形狀為狹長(zhǎng)形,且邊緣較復(fù)雜,從而導(dǎo)致具有較大的形狀系數(shù);單獨(dú)的池塘斑塊的邊界不復(fù)雜,形狀系數(shù)也并不大;蘆葦沼澤、闊葉林、針葉林為自然斑塊,受人為干擾較少,所以其形狀系數(shù)相對(duì)較小(圖1)。4.2各景觀(guān)類(lèi)型斑塊的離度分離度描述景觀(guān)類(lèi)型中不同斑塊個(gè)體分布的分離程度。經(jīng)公式(9)計(jì)算,研究區(qū)域內(nèi)斑塊類(lèi)型的分離度最大的是菜地4.099,分離度較大的斑塊類(lèi)型有未利用土地、草地和灌叢斑塊;分離度最小的斑塊是闊葉林0.357?？梢?jiàn),研究區(qū)域內(nèi)各景觀(guān)的分離程度差異較大,菜地是因?yàn)槊娣e太小有較高的分離度。未利用土地、草地這些斑塊類(lèi)型,其在整個(gè)地域空間上常呈孤立的散點(diǎn)狀,被其他類(lèi)型斑塊所隔離,同種類(lèi)型斑塊個(gè)體之間沒(méi)有聯(lián)系,故其值也較大。闊葉林、針葉林面積較大,且分布較集中連片,分離度較小(圖2)。4.3維數(shù)和修正維數(shù)4.3.1景觀(guān)格局的響應(yīng)經(jīng)過(guò)公式(6)計(jì)算,從總體看該地區(qū)斑塊形狀不復(fù)雜。各斑塊類(lèi)型的分維數(shù)相差不大。由于人類(lèi)的活動(dòng)在整體上比較強(qiáng)烈,致使該地區(qū)的景觀(guān)全面受到影響,反映在斑塊分維數(shù)的值上就具有比較接近的值。研究區(qū)域中草地斑塊分維數(shù)最大1.1518,其次是未利用土地斑塊1.1407,濕草甸斑塊最小1.0393。草地、未利用土地斑塊面積小,零散的分布在其它景觀(guān)斑塊中,邊界很容易為其它景觀(guān)類(lèi)型切割成不規(guī)則的齒狀,邊界很曲折,分維數(shù)就表現(xiàn)較高。說(shuō)明景觀(guān)格局在不考慮斑塊的相鄰性和均勻性的情況下,草地有最復(fù)雜的景觀(guān)格局,其次為未利用土地。濕草甸分維數(shù)較小,相對(duì)格局較簡(jiǎn)單(圖3)。4.3.2景觀(guān)分維數(shù)和形狀系數(shù)經(jīng)過(guò)公式(7)計(jì)算,修改分維數(shù)的結(jié)果為:草地斑塊最高1.5034,其次為居民點(diǎn)1.4637,未利用土地斑塊為1.4529,最小為濕草甸斑塊1.1387。說(shuō)明不僅考慮斑塊形狀,同時(shí)也考慮斑塊的相鄰性和平均性,草地的景觀(guān)格局仍是最為復(fù)雜的。與分維數(shù)結(jié)果不同的是居民點(diǎn)的修改分維數(shù)大于未利用土地。雖然分維數(shù)能夠反映斑塊的面積和形狀,但是和修改分維數(shù)相比較,其不能表達(dá)景觀(guān)組成的多樣性和斑塊間相鄰性。而修改分維數(shù)既含有形狀和面積的信息,又包含斑塊的相鄰性和平均性的信息。在周長(zhǎng)、面積相等時(shí),當(dāng)相鄰斑塊類(lèi)型有所變化,修改分維數(shù)能反映這種變化,而分維數(shù)則不能。所以,在景觀(guān)斑塊形狀、大小、數(shù)量和空間組合影響著生物物種分布、動(dòng)物遷移和土壤侵蝕等生態(tài)學(xué)過(guò)程和邊緣效應(yīng)的情況下,修改分維數(shù)是一個(gè)比較理想的描述景觀(guān)空間格局的綜合指標(biāo)。比較分維數(shù)和形狀系數(shù)的計(jì)算結(jié)果,分維數(shù)和形狀系數(shù)反映相同的規(guī)律。形狀系數(shù)大的斑塊,分維數(shù)也大;形狀系數(shù)小的斑塊,分維數(shù)也小。但是斑塊之間的分維數(shù)差異不明顯,最大和最小分維數(shù)僅差0.1125;而形狀系數(shù)差異較明顯,最大和最小形狀系數(shù)差1.068以1。從反映斑塊形狀特征來(lái)看,形狀系數(shù)較分維數(shù)表現(xiàn)明顯。4.4破碎化指數(shù)指數(shù)景觀(guān)斑塊形狀破碎化指數(shù)表示斑塊的破碎化程度,當(dāng)兩種指數(shù)都高時(shí),表示斑塊的破碎化程度較大。用公式(4)(5)計(jì)算了兩種景觀(guān)斑塊形狀破碎化指數(shù)得出了整個(gè)研究區(qū)域的景觀(guān)斑塊形狀破碎化指數(shù):FS1=0.822,FS2=0.903;以及各景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)斑塊破碎化指數(shù)(圖4)。由圖4可知,各斑塊類(lèi)型的形狀破碎化指數(shù)與斑塊形狀指數(shù)的分析結(jié)果一致,即未利用土地、水域和斑塊形狀破碎化指數(shù)較大,說(shuō)明這些斑塊較不規(guī)則,此類(lèi)斑塊均系自然斑塊。自然斑塊受人類(lèi)直接干擾的影響較小,邊界不整齊,故而其形狀相對(duì)多樣一些,也不規(guī)則,因而其形狀破碎化指數(shù)較高。天然濕地的部分斑塊破碎度較大,說(shuō)明人為干擾較強(qiáng),對(duì)天然濕地開(kāi)發(fā)利用加強(qiáng)。濕地景觀(guān)的破碎,其大部分面積變成了生態(tài)交錯(cuò)帶或邊緣,此過(guò)程對(duì)濕地鳥(niǎo)類(lèi)和哺乳動(dòng)物影響很大。濕地的破碎,使?jié)竦貎?nèi)部的動(dòng)物賴(lài)以生存的環(huán)境喪失,這些動(dòng)物將被邊緣的動(dòng)物種類(lèi)所代替。濕地邊緣和交錯(cuò)帶面積增加,增加了邊緣種,有利于生物多樣性的保護(hù);同時(shí),對(duì)于那些需要足夠大濕地內(nèi)部生境面積才能滿(mǎn)足其種群發(fā)展要求的動(dòng)物來(lái)說(shuō),濕地斑塊破碎,使?jié)竦貎?nèi)部環(huán)境減少,濕地廊道被切斷,從而影響物種流通,導(dǎo)致物種減少。要采取措施保護(hù)濕地不被破壞,保護(hù)濕地景觀(guān)的完整性。相對(duì)破碎化小的斑塊,人為干擾小,景觀(guān)的同質(zhì)性高,應(yīng)該繼續(xù)保持景觀(guān)完整性。對(duì)于人工斑塊,破碎度的大小只說(shuō)明人類(lèi)利用土地方式和利用現(xiàn)狀的不