平原地貌景观格局的空间幅度效应

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0625

摘要/Abstract

摘要：

探究特定地貌景观格局空间幅度效应的最佳尺度，有助于为该地貌土地规划和管理决策提供科学依据。本研究选择黄淮海平原地区3个100 km×100 km的正方形区域为研究对象，采用2020年的Landsat-8遥感影像数据解译成土地利用类型图，通过计算景观格局指数和ArcGIS空间分析等方法，分析平原地貌景观格局的空间幅度效应及其变异规律。结果表明，相同地貌内的不同景观组分特征存在差异；3个研究区的景观格局均具有明显的空间幅度效应，随着空间幅度逐渐增大，景观格局的幅度效应逐渐减小并呈现平稳状态。在20~25 km幅度范围内，尺度效应差异最明显；在21~90 km或26~90 km幅度范围内，尺度效应差异较小；在大于90 km幅度范围内，幅度效应消失，表明90 km是大尺度范围下平原地貌研究景观格局的“临界阈”幅度。

关键词: 平原地貌, 景观格局, 景观指数, 空间幅度, 尺度效应

Abstract:

Exploring the optimal scale of the spatial extent effect of a particular landscape pattern helps provide a scientific basis for land planning and management decisions for that landscape. In this paper, three pieces of 100 km×100 km square areas in the Yellow Huaihai Plain were selected as research objects, and the Landsat-8 remote sensing image data of 2020 were used to interpret the land use type maps. The spatial extent effect of the landscape pattern of the plain landscapes and its variation pattern were analyzed by calculating the landscape pattern index and conducting ArcGIS spatial analysis. The results showed that there were differences in the characteristics of the different landscape components within the same landscape. The landscape patterns in the three study areas all had obvious spatial extent effects, and with the increase of spatial extent, the extent effects of the landscape patterns gradually decreased and showed a stable state. Within the range of 20 km to 25 km, the difference in extent effect was most obvious; in the range of 21-90 km or 26-90 km, the difference in extent effect was smaller; the extent effect disappeared at the range greater than 90 km, suggesting that 90 km was the ‘critical threshold’ extent for the study of landscape patterns of plains landscapes at large scales.

Key words: plain landscapes, landscape patterns, landscape indices, spatial extent, scale effect

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图/表 17

图1. 黄淮海平原区位及研究区

图2. 研究区景观格局图

图3. 空间幅度的设定与变化示意图

景观指数	表达式	参数描述
斑块面积百分比 (PLAND)	$P L A N D = ∑ j = 1 n a i j A × 100 %$	反映景观中某类斑块的分布情况和数量。a_ij代表第i类景观类型中第j个斑块的面积，A为景观的总面积
斑块结合度 (COHESION)	$C O H E S I O N = 1 - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n p i j ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n p i j a i j 1 - 1 A - 1$	反映景观的连通性和稳定性。p_ij代表第i类景观中第j个斑块的周长
斑块密度 (PD)	$P D = N i A$	反映斑块在景观中的相对分布情况。N_i表示i类景观斑块数，A表示景观总面积
Shannon多样性指数 (SHDI)	$S H D I = - ∑ i = 1 m p i l n p i$	反映景观中不同斑块类型的分布情况。m指景观中斑块类型的总数，P_i指斑块类型i占整个景观的面积比
Shannon均匀度指数 (SHEI)	$S H E I = - ∑ i = 1 m p i l n p i l n m$	反映不同类型斑块在景观中分布的均匀程度。m是指景观中斑块类型的总数，P_i是指斑块类型i占整个景观的面积比。
蔓延度指数 (CONTAG)	$C O N T A G = {1 + ∑ i = 1 m ∑ k = 1 m p i g i k ∑ i = 1 m g i k l n p i g i k ∑ k = 1 m g i k 2 l n m} × 100$	反映景观系统中各景观的连通度和分散度。P_i为i类斑块所占的面积百分比，g_ik为i类斑块和k类斑块毗邻的数量，m为景观中的斑块类型总数
景观分离度 (DIVISION)	$D I V I S I O N = 1 - ∑ i = 1 n a i A$	反映景观中不同斑块之间的空间分离程度。a_i为斑块面积，A为景观总面积
周长面积比分维数 (PAFRAC)	$P A F R A C = 2 N ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i × l n a i j - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j × ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n a i j N ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j 2 - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j$	反映景观中斑块形状的分形程度。a_ij代表第i类景观类型中第j个斑块的面积，p_ij代表第i类景观中第j个斑块的周长

景观指数	表达式	参数描述
斑块面积百分比 (PLAND)	$P L A N D = ∑ j = 1 n a i j A × 100 %$	反映景观中某类斑块的分布情况和数量。a_ij代表第i类景观类型中第j个斑块的面积，A为景观的总面积
斑块结合度 (COHESION)	$C O H E S I O N = 1 - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n p i j ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n p i j a i j 1 - 1 A - 1$	反映景观的连通性和稳定性。p_ij代表第i类景观中第j个斑块的周长
斑块密度 (PD)	$P D = N i A$	反映斑块在景观中的相对分布情况。N_i表示i类景观斑块数，A表示景观总面积
Shannon多样性指数 (SHDI)	$S H D I = - ∑ i = 1 m p i l n p i$	反映景观中不同斑块类型的分布情况。m指景观中斑块类型的总数，P_i指斑块类型i占整个景观的面积比
Shannon均匀度指数 (SHEI)	$S H E I = - ∑ i = 1 m p i l n p i l n m$	反映不同类型斑块在景观中分布的均匀程度。m是指景观中斑块类型的总数，P_i是指斑块类型i占整个景观的面积比。
蔓延度指数 (CONTAG)	$C O N T A G = {1 + ∑ i = 1 m ∑ k = 1 m p i g i k ∑ i = 1 m g i k l n p i g i k ∑ k = 1 m g i k 2 l n m} × 100$	反映景观系统中各景观的连通度和分散度。P_i为i类斑块所占的面积百分比，g_ik为i类斑块和k类斑块毗邻的数量，m为景观中的斑块类型总数
景观分离度 (DIVISION)	$D I V I S I O N = 1 - ∑ i = 1 n a i A$	反映景观中不同斑块之间的空间分离程度。a_i为斑块面积，A为景观总面积
周长面积比分维数 (PAFRAC)	$P A F R A C = 2 N ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i × l n a i j - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j × ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n a i j N ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j 2 - ∑ i = 1 m ∑ j = 1 n l n p i j$	反映景观中斑块形状的分形程度。a_ij代表第i类景观类型中第j个斑块的面积，p_ij代表第i类景观中第j个斑块的周长

表1. 景观格局指数及其描述

区域	景观要素	面积/km²	面积比/%	斑块数量/个	斑块比/%
区域1	耕地	5212.15	52.12	40191	15.82
	草地	2535.07	25.35	101841	40.08
	水域	220.20	2.20	11650	4.59
	建设用地	1882.44	18.82	76336	30.04
	未利用地	150.15	1.51	24058	9.47
区域2	耕地	8185.00	81.86	12623	11.23
	林地	123.11	1.23	34725	30.89
	草地	13.20	0.13	1922	1.71
	水域	171.23	1.71	25883	23.03
	建设用地	1506.69	15.07	37249	33.14
区域3	耕地	8038.12	80.38	23190	10.97
	林地	528.19	5.28	93143	44.04
	草地	33.61	0.34	7139	3.38
	水域	245.32	2.45	10750	5.08
	建设用地	1151.26	11.51	76346	36.10
	未利用地	3.51	0.04	913	0.43

表2. 研究区景观组分类型

图4. 斑块面积百分比的幅度效应

区域	景观组分	最大值	最小值	平均值	变异系数
区域1	耕地	63.36	36.56	55.84	5.93
	草地	33.97	23.60	25.62	5.01
	水域	2.20	0.28	1.78	13.69
	建设用地	28.29	11.25	15.87	15.09
	未利用地	1.49	0.06	0.92	52.17
区域2	耕地	96.42	81.87	87.04	3.48
	林地	2.28	0.92	1.53	19.40
	草地	0.25	0.03	0.11	36.87
	水域	2.02	0.80	1.54	13.65
	建设用地	15.07	0.92	9.79	32.01
区域3	耕地	94.54	73.26	80.62	4.89
	林地	5.27	0.18	3.03	47.36
	草地	0.34	0.04	0.15	36.04
	水域	17.92	0.06	6.52	75.80
	建设用地	12.01	4.99	9.66	21.02
	未利用地	0.04	0.02	0.02	46.54

表3. 斑块面积百分比的幅度变化 %

图5. 斑块面积百分比的幅度效应区间

图6. 斑块密度的幅度效应

区域	景观组分	最大值/(个/100 hm²)	最小值/(个/100 hm²)	平均值/(个/100 hm²)	变异系数/%
区域1	耕地	9.18	2.94	3.88	17.84
	草地	16.32	9.89	10.53	8.32
	水域	3.47	0.94	1.17	34.04
	建设用地	12.24	7.45	9.22	11.56
	未利用地	2.32	0.36	1.73	36.19
区域2	耕地	1.26	0.06	0.79	37.44
	林地	6.14	3.47	4.50	16.97
	草地	0.33	0.16	0.21	11.77
	水域	5.10	2.03	2.67	11.58
	建设用地	5.11	2.04	3.77	10.79
区域3	耕地	2.36	0.33	1.69	38.09
	林地	9.32	1.24	7.01	27.47
	草地	0.71	0.08	0.40	37.17
	水域	3.06	0.38	0.84	45.90
	建设用地	8.16	5.44	7.20	11.15
	未利用地	0.09	0.01	0.05	44.11

表4. 斑块密度的幅度变化

图7. 斑块密度的幅度效应区间

图8. 斑块结合度的幅度效应

区域	景观组分	最大值	最小值	平均值	变异系数/%
区域1	耕地	99.25	95.00	98.92	0.55
	草地	99.39	91.43	97.88	1.38
	水域	96.63	20.53	91.26	12.47
	建设用地	99.28	86.10	95.50	3.42
	未利用地	79.02	20.53	69.00	20.79
区域2	耕地	99.99	99.94	99.97	0.01
	林地	64.31	30.81	60.52	5.85
	草地	86.21	22.82	72.08	19.86
	水域	79.44	56.19	74.51	5.98
	建设用地	98.96	59.51	94.48	7.57
区域3	耕地	99.99	99.90	99.98	0.02
	林地	90.97	50.65	77.27	15.61
	草地	70.40	57.04	64.06	4.09
	水域	99.34	22.88	94.93	14.77
	建设用地	94.75	70.72	91.32	3.99
	未利用地	73.70	19.96	57.19	24.29

表5. 斑块结合度的幅度变化

图9. 斑块结合度的幅度效应区间

图10. 景观水平指数的幅度效应

区域	景观水平指数	最大值	最小值	平均值	变异系数/%
区域1	PD/(个/100 hm²)	41.83	24.85	26.55	7.82
	PAFRAC	1.50	1.39	1.48	0.84
	CONTAG/%	53.13	42.60	47.69	3.43
	DIVISION	1.00	0.81	0.98	3.14
	SHDI	1.15	0.94	1.07	3.72
	SHEI	0.72	0.58	0.67	3.69
区域2	PD/(个/100 hm²)	14.33	11.16	11.93	7.41
	PAFRAC	1.36	1.17	1.35	1.94
	CONTAG/%	87.91	72.93	77.19	3.70
	DIVISION	0.79	0.07	0.43	51.49
	SHDI	0.56	0.19	0.48	14.71
	SHEI	0.35	0.14	0.30	14.23
区域3	PD/(个/100 hm²)	21.15	9.00	17.18	21.65
	PAFRAC	1.44	1.25	1.43	1.89
	CONTAG/%	86.31	69.86	72.44	4.79
	DIVISION	0.44	0.11	0.35	17.76
	SHDI	0.79	0.23	0.67	15.88
	SHEI	0.44	0.17	0.38	14.04

表6. 景观水平指数的幅度变化

图11. 景观水平指数的幅度效应区间

参考文献 27

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