Spatial Extent Effects of Plain Landscape Patterns

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

Abstract

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

LIN Zihang, LIU Xuelu, LI Xiaobing. Spatial Extent Effects of Plain Landscape Patterns[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2024, 40(22): 53-65.

Figures/Tables 17

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

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

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

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

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

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

References 27

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