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山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 摘要 目前，由于湿地景观空间格局变化的问题越来越受到广大学者的关注 和重视，所以，对于湿地生态系统的景观格局的研究成为目前主要的研究 内容。众所周知，湿地生态系统的生境和其内在的生态过程的变化会随着 人类活动的干扰或是自然因素的影响而发生巨大变化，在其生境及生态过 程发生变化的同时，会造成湿地景观空间格局的变化，因此，为了加强湿 地生态系统的保护，对其进行景观格局的研究是不可或缺的，而且对湿地 的景观空间格局变化的研究，可以对湿地生态系统的管理措施的完善、保 护手段的加强和受损生态系统的恢复奠定基础。 本文以山口红树林自然保护区为主要研究对象，利用掌握的遥感数据、 现场勘查和文字材料，以2 0 0 5 年和2 0 0 9 年两期t m 影像为遥感信息源，运用 遥感处理软件，对山口红树林自然保护区的景观进行分类并提取各类景观 信息，构建景观指数体系后，采用景观生态学研究中常用的景观分析软件 f r a g s t a t s 3 3 ，首先确定研究英罗港分区和丹兜海分区的适宜粒度，然后 再在选择好的粒度下，进行这两个分区的景观空间格局变化的研究。因此， 本文不仅有利于山口红树林自然保护区生态系统保护和恢复，而且还为保 护区的可持续发展提供了理论依据。 通过本文所做研究可以得到山口红树林自然保护区的适宜研究粒度， 确定了英罗港分区的适宜粒度范围为( 7 5 m ，1 3 0 m ) ，丹兜海分区的适宜粒度 范围为( 5 5 m ，9 0 m ) ，为了统一粒度，我们选择应用9 0 m 粒度下的英罗港分区 t 和丹兜海分区来进行景观空间格局变化的研究。将这个时期的分区景观格 局的格栅图输入进景观分析软件，选择适当的景观指数，得到这两个时间 段内各分区的景观空间格局变化情况，通过对结果进行分析，得到景观格 局的变化趋势，发现从2 0 0 5 年至2 0 0 9 年间，英罗港分区和丹兜海分区的景 观格局指数都没有发生较大明显变化。在对这两个分区的土地利用结构和 使用方式的研究时发现，英罗港分区的变化集中体现在表现在耕地景观类 型明显增加，而建设用地景观类型、草地景观类型、林地景观类型和水域 景观类型显著减少；丹兜海分区的变化集中体现在建设用地景观类型、草 地景观类型、林地景观类型有所增加，而耕地景观类型、水域景观类型和 未利用土地景观类型逐渐减少。 关键词：适宜粒度景观空间格局驱动力分析山口红树林保护区 i i t h ea n a l y s i s0 nl a n d s c a p ep a t t e r na t d i f f e r e n ts c a l ei nt h es h a n ko u 僵an g r o v er e s e r v e a bs t r a c t m o r et h a nt e ny e a r s ，d u et ot h ep u b l i ca n dm a n ys c h o l a r sp a ym o r e a t t e n t i o no nw e t l a n dl a n d s c a p ep a t t e r nc h a n g e s ；t h em o s ti m p o r t a n ts t u d yi so n t h el a n d s c a p ec h a n g eo fw e t l a n de c o l o g i c a ls y s t e m m e a n w h i l e ，b e c a u s eo f h u m a na c t i v i t ya n dn a t u r a li n t e r f e r e n c et h et w of a c t o r s ，w e t l a n dl a n d s c a p e p a t t e mc a nb ec h a n g e da se c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n c h a n g i n g t h e r e f o r , t h es t u d yo nt h ew e t l a n dl a n d s c a p ep a t t e m ，m a yp r o v i d e t h e f o u n d a t i o nf o rt h em a n a g e m e n t ，p r o t e c t i o no nw e t l a n de c o l o g i c a ls y s t e ma n d r e c o v e r yo fd a m a g e de c o s y s t e mw e t l a n de c o l o g i c a ls y s t e m i nt h i sp a p e r , w es e tt h es h a n k o um a n g r o v er e s e r v ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， b yt h em a e n so ft h er e m o t es e n s i n gd a t aw h i c hw eg o t ，f i e l ds u r v e ya n do t h e r m e t r i a l s ，a m o n gt h e m ，t h er e m o t es e n s i n gd a t ai s2 0 0 5a n d2 0 0 9t mi m a g e ， u s i n gg i s ，g o tt h el a n d s c a p ec l a s s i f i c a t i o na n de x t r a c t e dl a n d s c a p ei n f o r m a t i o n o fs h a n k o um a n g r o v er e s e r v e t h e nb u i l d i n gt h el a n d s c a p ei n d e xs y s t e mt o r e s e a r c ht h ec h a n g e so ns h a n k o um a n g r o v er e s e r v e sl a n d s c a p e ，a n dd oc h a n g e a n a l y s i s t h i sp a p e r i sn o to n l yb e n e f i c i a lt os h a n k o um a n g r o v er e s e r v e e c o l o g i c a ls y s t e mp r o t e c t i o na n dr e c o v e r y , b u ta l s of o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t t op r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i s i nt h i sp a p e r , w ec o u l dc o n f i r mt h et h es c a l er a n g eo fy m g l u oi s ( 7 5 m ， i i i 1 3 0 m ) ，a n dd a n d o ui s ( 5 5 m ，9 0 m ) i no r d e rt ou n i f yt h es c a l eo ft h et w o r e s e r v e s ，w ec h o s et h e9 0 m a st h es u i t a b l es c a l et oa n a l y s et h el a n d s c a p ep a t t e m u s i n gf r a g s t a t s 3 3 ，w eg o tt h el a n d s c a p ep a t t e mr e s u l tb e t w e e nt h ey e a ro f 2 0 0 5 a n d2 0 0 9 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h er e s u l t s ，w eg o tt h ev a r i a t i o nt e n d e n c y , a n d t h el a n d s c a p ei n d e x e sh a df e wc h a n g e a n dt h el a n d u s et y p e sa n ds t r e n g t ho f t w or e s e r v e sh a dc h a n g e d i ny i n g l u or e s e r v e ，t h ec o n s t r u c t i o nl a n d ，g r a s s l a n d ， f o r e s t l a n d ，a n dw a t e r sh a dd e c r e a s e d ，t h ep l o u g hh a di n c e r e s e d i nd a n d o u r e s e r v e ，t h ep l o u g h ，w a t e r sa n du s e l e s sl a n dh a dd e c r e a s e d ，t h ec o n s t r u c t i o nl a n d ， g r a s s l a n d ，f o r e s t l a n dh a di n c e r e s e d k e y w o r d s ：s c a l e ；l a n d s c a p e ；s h a n k o um a n g r o v er e s e r v e i v 广西大学硕士掌位论文 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 1 1 国内外研究进展 第一章绪论弟一早瑁下匕 目前，湿地生态系统的研究已经逐渐被众多学者作为深入研究的重要研究内容，而 有关湿地生态系统的保护、管理和恢复等研究内容逐渐开始成为当前国内外研究的主要 热门问题。 景观生态学是近些年来逐步开始兴起的新兴学科，生态学和系统分析的方法主要作 为其重要的理论依据。景观生态学可以研究景观空间结构与其功能之间的相互关系，以 及可以用来进行研究景观空间格局的变化，尤其重视中尺度的景观结构和生态过程关系 研究【1 】。景观空间格局的变化主要是因为系统功能与生态过程之间发生了变化，其景观 异质性的差异则反映出景观格局的空间特性。目前，有关生态、环境等方面的研究也已 融入了景观生态学 2 , 3 1 。近年来，由于随着人为活动和自然因素对湿地生态系统造成的干 扰和破坏，使得湿地景观生态研究也逐渐成为了当前主要的热点【4 】。 1 9 8 0 年之后，由于学者对湿地生态系统研究的不断加深，有关湿地景观格局的研究 手段已经开始由原来的定性化表达而逐渐深入到利用相关技术手段，如遥感( r s ) 与地理 信息系统( g i s ) 技术相结合，来进行定性定量的表达 5 】。为了能从不同的时空尺度上对研 究区域进行分析，可以通过r s 技术获取不同尺度下的空间信息【6 j ：基于其强大的空间信 息处理功能和分析功能，地理信息系统技术( g i s ) 可以做到对不同的景观空间布局进行快 速、准确地标定以及对景观格局演变进行清晰地表示，而遥感技术和空间地理系统技术 已经在景观格局研究上发挥了巨大的作用，所以对于湿地景观的研究，这两种技术手段 都作出巨大贡献。 1 1 1 国内研究进展 1 9 8 0 年开始，“湿地”问题才开始被我国学者关注，而且将“湿地”这一概念流传至 今。2 0 世纪中期，许多中科院有关湿地生态系统研究的各个方面的著作及文献都被中科 院院长陈宜瑜主编的中国湿地研究一书收录【7 。0 1 。 不同的土地利用方式构建的镶嵌体或有不同生态系统构建的具有异质性的地域组 成的景观，可以表现出多种不同的类型，如不同的土地覆被类型或土地利用类型【1 1 1 。景 观格局的不同不仅可以体现出空间异质性差异，还可以体现在不同的尺度上，各种生态 过程会随着尺度的不同而产生不同的结果，这是由于各种生态系统它们在土地利用覆被 类型的比例、空间分布位置及排列组合的关系不同构成了不同的景观格局【l 羽。景观格局 的分析主要是以分析景观空间异质程度为研究重点，重点是要研究在景观镶嵌体中存在 的一系列生态过程的变化。生态过程的变化主要存在两种形式，一种是垂直过程的变化， y , - 西大国巴硕士学位论文 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 一种是水平过程变化，垂直过程主要产生在某种生态系统的内部或是某个景观结构单元 中，而在水平过程产生的变化则不相同，主要是发生在两个或两个以上的生态系统中或 是多种景观结构单元中。能够用以研究景观结构空间配置关系的不同和景观结构单元表 现出的空间特征不同的分析方法就是景观格局分析方法【13 1 。有关在景观空间格局在动态 和静态变化的研究上，国内和国外众多学者已经探索出了一些研究方法，国内外学者主 要在城市绿地状况、土地利用覆被类型的现状和变化、不同梯度内的覆被特征等方面进 行研究。 景观格局是由各具有不同空间信息量的景观结构单元和在空间上的配置差异所构 成的，因此景观格局可以表现出景观的空间结构特性。有关景观功能和景观类型变化的 研究内容是对于景观格局研究的基础和关键的部分【1 4 1 。景观格局动态变化是指，随着时 问尺度的变化，景观又在各种人类活动干扰或是自然因素的干扰下( 正干扰或负干扰) ， 以及在生态系统内交互演替的作用下，景观空间结构和生态系统服务功能也跟随发生变 化【l5 1 ，尤其是在人类活动和自然因素干扰强度大的影响下会造成景观的破碎化程度变得 更加恶化。在景观格局研究方面，众多学者和研究人员主要是对各研究区进行景观指数 体系构建，之后再对这些景观指数的变化结果进行分析研究 1 6 - 2 2 。因此，景观格局变化 的研究不单单可以揭露研究区内各景观随时间变化而发生的演变趋势和规律，并且对人 类活动对景观格局变化造成什么样的影响( 正影响或负影响) ，从而我们可以知道从哪 些方面入手对其进行合理的保护管理，防止景观格局的破碎程度加剧，进而模拟和预测 研究区的景观格局未来可能产生什么样的变化趋势，并可以为研究景观空间格局与生态 过程变化之间的相互作用联系提供理论基础 2 3 , 2 4 。我们对于景观空问格局的理解和认 识，主要是对比不同的景观类型在结构和过程上的不同，以及对各景观指数的定量化的 研究 2 5 , 2 6 。站在研究方法的角度上来观察，有关进行景观空间格局数量化分析的研究方 法有很多种，这些方法普遍运用在景观空间格局变化的研究中。对景观格局定量化的分 析研究主要是从景观指数计算发展到景观空间格局变化的模拟。目前，就我国景观生态 学研究而言，所采用的研究方法主要包括三种方式： ( 1 ) 景观指数分析法 景观指数可以将景观格局的空间信息进行高度浓缩，由于其具有简便的计算方法， 就有助于我们站在定量化的角度来对景观空间格局变化的进行研究，为研究景观空间格 局演变机理与生态过程之问相互作用关系的研究提供基础数据。所以，景观指数分析法 是我们对景观空间格局进行定量化研究和明确景观空间格局变化与生态过程之间相互 作用关系最常常用到的研究方法。宗良纲、孙亚杰及郭泺等人 2 7 2 9 】就采用景观指数分析 法，对南京、北京、广州三地分别进行景观格局变化的分析研究，结果表明景观格局发 生了明显的变化，由于受到城市化过程和人为活动强烈的干扰，使得这三个地区的景观 结构发生较大的变化，变得更加复杂，而且景观破碎程度明显，景观类型更加丰富多样。 景观格局指数法可以定量分析景观空间的分布情况、结构及其异质性，而景观格局动态 变化的研究内容主要包括以下内容：同一景观格局随时间变化而产生的动态演变分析、 2 广西大学硕士掌位论文山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 不同景观在不同的尺度空间( 时间尺度或空间尺度) 景观格局演变动态分析和不同景观 在相同的时间尺度对比研究。由于尺度依赖性在景观格局中有所体现并有紧密联系【3 0 j 。 因此，我们可以将生态学研究的基础以尺度问题来作为奠定基础【3 1 1 。目前，众多专家学 者开始对景观指数分析法进行深入研究，因此景观指数分析法成了当前有关景观格局动 态分析的主要研究方法。景观格局指数分析法，不仅运用到景观格局分析软件，而且还 要运用到计算机、地理信息系统、遥感技术等多种技术方法，更具有方便计算、迅速快 捷的特征，因此得到了广泛的应用，如赵军等 3 2 】对天祝草原景观格局进行分析研究，定 量分析了景观结构单元斑块的空间特征和空间异质性；角媛梅等【33 】对哈尼梯田景观空间 格局进行分析研究，不仅对景观斑块类型进行分析，同时还分析了景观空间格局的分异 特征。但是这一方法具有很强的尺度依赖性，在景观生态学中，粒度和幅度通常作为用 来表达尺度的指标【3 4 1 。由于景观空间信息会因为景观结构单元的结合或是栅格大小而造 成粒度变化或是航拍时的分辨率的不同而发生变化，这是因为景观指数具有一定的尺度 效应，而景观空间数据又是可以被不同的景观指数所体现的，因此，尺度不同进而会造 成景观指数值的变化然后会影响到景观的空间特征信息【35 3 6 j 。因此，选择合适的景观分 析尺度成为了分析景观格局与过程的一个至关重要的因素，如赵晓燕等人【37 】在研究西安 城市景观格局时选取了1 0m - 1 5 0 m 下7 种不同粒度等级进行粒度计算，通过分析研究发 现，当粒度为2 0 m 时，是最能准确细致的反映出西安市景观格局的粒度尺度；潘竞虎等 人【38 】选取了1 8 种不同粒度等级下的兰州安宁区的景观空间格局进行分析研究，研究表 明，当在安宁区景观空间格局下的粒度确定为1 0 m 时，则是对其进行研究分析景观格局 的最适宜粒度。另外，由于大部分的景观指数的生态学意义在大部分的情境下都是不能 够进行准确描述的，甚至很表达不清的，因此，景观格局指数本身同样也存在有显著的 局限性，例如，景观格局指数和景观格局变化的内在机制与某些生态过程变化的关系不 具备一致性的【3 9 1 ，而且景观指数由于对取样尺度敏感性的不同因而会对景观功能特征具 有不敏感性 4 0 1 ，导致大多数景观指数的计算结果很难进行景观生态学上解释。林孟龙等 4 1 】对台湾宜兰利泽简湿地景观空间格局进行研究时指出，景观指数只是可以从空间几何 特性上来解释景观在景观斑块与景观尺度的空间联系。孟陈等【4 2 】对上海市景观格局进行 粒度的变化分析，并得出适宜尺度为1 0 2 0 m ；高艳，毕如田等 4 3 , 4 4 以山西省闻喜县为例， 对各景观指数在不同的粒度范围进行分析：曹银贵，周伟掣4 5 以三峡库区为研究对象， 研究各景观指数在不同粒度上的变化；陈端吕，宋涛对西洞庭湖区森林景观指数进行粒 度效应得出最适宜研究粒度域；侯绍洋，李贻学【4 6 】对山东莱芜市的山区和平原进行了景 观指数研究，得出平原景观指数计算的适宜粒度范围是1 2 0 1 4 0 m ，而得到的山区的景观 格局研究适宜粒度区间为9 0 11 0 m 。王宪礼等 47 】根据s h d i 、s h e i 、刃，、彳辟6 种景观指 数对辽河三角洲湿地景观的格局进行了分析。汪爱华等【4 8 分析研究三江平原沼泽湿地的 景观格局变化，研究结果表明，三江平原沼泽湿地的景观格局在1 9 8 0 2 0 0 0 年有很大变 化；张明祥等【4 9 】以1 9 9 4 1 9 9 7 年为时间尺度，研究辽宁双台河口自然保护区，并得到保 护区濒海湿地景观的动态变化特征。蒋卫国等【5 0 】应用r s 和g i s 手段，对1 9 8 6 年和2 0 0 0 年 3 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 的三江平原湿地景观空间格局进行动态变化研究。因此景观指数分析对于表达景观空间 单元的几何特性是适宜的，但是需要借助其他的研究方法，比如对于遥感图的判定和景 观格局分布图的确定，可以用来了解研究区的景观格局的整体变化和研究区内所存在的 生物与研究环境之间的联系。在对研究区的景观格局单元进行定量化分析时，采用景观 指数分析方法来描述景观格局整体特性具有方便快捷的优点，当然，它也存在有一定的 缺点。 1 1 2 国外研究进展 1 9 9 0 年，湿地学才开始渐渐步入发展期，而湿地一词也得以开始在一些学术著作中 显现。目前，欧洲有关湿地的研究所涵盖的了很多方面。 美国和加拿大两个国家是首先开展湿地研究的国家，因此，这两个国家在湿地研究 方面已经取得了很大的进展，但是有关湿地的重视程度，其实是在2 0 世纪中期才开始得 到人们的关注。1 9 7 0 年，美国主要是以沿海湿地和红树林滩涂为主要的研究对象【5 1 1 。而 这两个国家在完成自己的湿地分布调查之后，开始以湿地生态系统的分类作为自己研究 的新方向和新内容，特别是在人为控制环境保护的方面尤为重视。俄国、芬兰等各个国 家也开始着手开展湿地生态系统管理和保护的研究。我们从有关“国际湿地公约”及“人 与生物圈计划”等项目的推出，就可以看出各个国家和地区已然把湿地生态系统保护和 管理作为重点研究内容。北美学派从开始就占据景观生态分析的主导地位，总的来说， 研究景观空间格局变化主要是从重点研究空间格局的变化逐步发展为进行各种生态过 程变化的模拟的分析阶段，所采用的研究方法也是从定性化的结果表达逐步发展到进行 定量性分析，再发展到对景观格局变化的动态模拟。1 9 8 0 年之前，有关景观格局变化的 研究主要是采用定性化的研究方法，如1 9 8 6 年f o 硼a n 【5 2 】年在景观生态学中依据景观 结构的特征进行区分。1 9 8 0 年之后，对于景观格局的研究主要是采用景观指数分析方法， 对所研究区域的景观格局进行定量化分析，并开始采用了3 s 技术，同时，为了更好的模 拟和预测研究区域景观格局变化，也开始建立空间模型，这两种方式已经成为目前景观 格局研究的主要研究内容。1 9 8 9 年，i v e r s o n 、m i l n e 等 5 3 1 采用3 s 技术来对所研究区域的 景观格局的演化过程进行了研究分析；1 9 9 0 年，r o b e r th 5 4 】和g a r d n e r 5 5 】通过建立模型来 模拟和预测景观格局与物种丰富度之间的相互关系，这些研究对于景观生态学研究方法 由当初简单的景观空间格局指数分析到现在的建立景观格局变化模型具有很大的促进 作用。1 9 9 9 年，d a i y u a np a n 等【5 6 j 选择采用马尔柯夫模型来进行研究分析了加拿大 h a u t s a i n t - - l a u r e n t 地区的4 个不同时间段的景观单元演变情况，并通过研究进行了从静 态到动态变化的发展。总的来说，目前国际上对景观空间格局研究探索最早、研究方法 最先进、研究内容最深入的学派是北美学派，北美学派不单单只对景观格局变化与景观 功能的关系进行研究，而且他们还在分析景观格局变化的研究中采用r s 技术和g i s 技 术，同时，在研究景观格局变化时采用数学模型来进行模拟，使得对景观格局分析研究 的方法更具有多样性和创新性，同时也丰富了景观空间格局变化研究的方法。 4 山口红树林自然保护i l k 多尺度- i t - 观格局分析 目前，g i s 技术已经广泛应用于景观格局变化的研究中，在g i s 应用前，前期工作应 准备充分，第一，要收集到足够的能够反映研究区域实际情况的数据，如遥感图、相应 的文字资料和野外调查资料；第二，依据以上材料对研究区的景观进行景观分类及信息 提取；第三，构建景观格局指数体系，分析研究所选区域的景观空间格局。如k e l l y 在对 1 9 8 4 至1 9 9 2 年位于北卡罗来纳州的湿地栖息地进行景观指数的定量化研究中就采用了 分类的l a n d s a tt m 图像，并对尺度变化对景观的影响进行了分析。t o w n s e n d 和w a l s h 5 7 】 对美国北卡罗来纳东北部的r o a n o k e 河下游对景观格局变化进行了研究分析。j o h nw s i m p s o n s s 】等利用g i s 技术，对1 9 4 0 年1 9 8 8 年的美国俄亥俄州进行景观分析，分析其在 斑块形状、景观优势度和均匀度的变化。l o u i s r i v e r s o n 5 9 】对1 8 2 0 年1 9 8 0 年的美国伊 利诺斯州土地利用现状进行分析，得出各土地利用类型如湿地、森林、水体等的百分比、 斑块数量、平均斑块面积、平均斑块周长、平均斑块周长面积比和不规则度。m a t t h i a s t 6 0 】 等研究了s w i s s l o w l a n d s 森林景观格局变化；s p i e sta 掣6 1 】对d o r e g o n 地区的森林景观格 局的变化进行研究；s k o l ed 掣6 2 】进行研究分析了亚马逊流域的森林景观格局变化情况； b al i a nl i 【6 3 j 研究了美国萨瓦纳景观单元斑块变化的情况。 1 2 研究课题简介 1 2 1 课题来源 2 0 1 0 年广西自然科学基金 1 2 2 研究的目的和意义 2 0 0 8 年2 月，国务院批准并同意进行实施广西北部湾经济区发展规划。规划中提 出了指明了经济区发展需要坚持并遵循的原则，其中一条就是明确要以生态环境保护为 主要目的，推行生态环境和经济的协调发展，在坚持生态环境保护与生态建设的大前提 下，提高能源的节省水平和加强生态环境保护，对海域生态环境的保护要加强监督，实 现社会经济与生态系统的可持续发展目标。规划内容还重点强调了对自然保护区、 湿地生态系统等的保护管理，强化生态系统服务功能或恢复受损的生态系统功能。在北 部湾经济区建设和发展的大背景下，区域生态系统的组成、结构和过程不可避免地发生 较大改变，并对生态系统功能将造成较大的影响，经济发展对生态环境保护的压力凸现。 因此对山口红树林自然保护区的景观格局分析不仅弥补了广西区内对景观格局研究的 空白，还为保护区内生态系统服务功能与生态过程之间的关系提供理论基础，更重要的 是可以为山口红树林自然保护区的保护和管理提供科学的理论依据，更具有可持续发展 的意义。 1 2 3 本文主要工作及技术路线 本文的主要内容包括以下三点： ( 1 ) 选取广西山1 3 红树林自然保护区为研究地，在3 s 技术的支持下，结合湿地的区 5 广西大学硕士掌位论文山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 域特点，确定湿地景观分类系统。 ( 2 ) 对山口红树林自然保护区进行适宜粒度范围的确定，其中分为英罗港分区适宜 粒度的确定和丹兜海分区适宜粒度的确定。 ( 3 ) 构建景观指标体系，应用景观分析软件进行景观指数的计算，并对得到结果进 行景观格局变化分析。 本文的技术路线如图1 1 所示： 图1 1 本研究技术路线 f i g l 一1 t h ei l l u s t r a t i v ed i a g r a mo f t h et e c h n i c a lr o u t e 6 山口红树林自然保护区多尺度景观格月分析 2 1 研究区域概况 第二章资料来源及方法 广西山口国家级红树林生态自然保护区是1 9 9 0 年9 月经国务院批准建立的我国首批 ( 5 个) 国家级海洋类型保护区之一。是我国第二个国家级的红树林自然保护区。它于1 9 9 3 年加入了中国人与生物圈，并在第二年被列入中国的重要湿地系统，1 9 9 7 年，其与美国 佛罗里达州鲁克利湾国家河口保护区结为姊妹保护区的关系，并在2 0 0 0 年被联合国的教 科文组织所接受，2 0 0 2 年被列为世界级的湿地级别。 广西山口红树林自然保护区，属海洋部门管理的国家级自然保护区，地理坐标为 2 1 0 2 8 n 一1 0 9 0 4 3 e ，位于广西合浦县沙田半岛的东西两侧，主要是由该半岛东侧和西侧 的海域、陆域及全部滩涂组成( 见图2 1 ) ，属于亚热带海洋季风气候，保护区的总面积 为8 0 0 0 h m 2 ，其中海域面积4 0 0 0 耐，陆域面积4 0 0 0h m 2 ，海岸线共长5 0h m 。其中隶属 广西北海市合浦县管辖，距合浦县城7 7 公里，北海市1 0 5 公里，管理机构为广西山口国 家级红树林自然保护区管理局。 图2 1 山口红树林保护区分布图 f i 9 2 1d i s t r i b u t i o no f m a n g r o v er e s e r v ei ns h a n k o u 2 2 研究数据及方法 2 2 1 研究数据来源 本研究所用到的遥感影像为2 0 0 5 年和2 0 0 9 年t m 遥感影像图，1 ：1 0 0 0 0 土地利用现状 图、统计年鉴及野外调查资源。本文所采用的土地利用分类方式根据中科院的全国土 地分类标准所分类。利用g i s 技术，提取各景观类型的景观空间信息，结合野外勘查、 7 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 相关文字资料和解译的遥感影像特征，并参照国土资源部制定的土地类型分类规范，将 保护区内土地利用景观类型分为耕地景观类型、林地景观类型、草地景观类型、居民建 筑用地景观类型、水域景观类型和未利用土地景观类型等6 种景观类型，然后进行划分 和绘制得到山口红树林保护区( 英罗港分区和丹兜海分区) 的景观空间格局分布图，提 取各土地利用类型景观的空间信息。 2 2 2 研究方法 利用g i s 技术，在2 0 0 5 年和2 0 0 9 年的遥感解译图上确定研究区的范围，并结合野外 勘察用g p s 定位仪测得的坐标进行吻合，最终确定出英罗港分区和丹兜海分区的研究范 围。然后，将确定好的研究区域从遥感解译图中截取出来，并与原解译数据进行正交， 以获得研究区域的空间信息。由于本文中运用到的景观分析软件f r a g s t a t s 3 3 需要输 入格栅形式，因此，在g i s 中将这两个分区的解译图在转化为格栅形式时，转化为 5 m - - 3 0 0 m 不同粒度下4 0 个粒度级别的格栅图。 2 2 3 数据预处理 由于在卫星航拍过程中，遥感图像会受到多方面因素的影响，如大气的折射、地势 的原因、卫星的运动方式等，使得拍摄的遥感影像会存在一定的几何误差，这种几何误 差会影响到遥感影像的质量，因此在遥感信息提取之前，为了确保遥感信息准确无差， 我们必须对遥感影像进行几何纠正，其中纠正方法有很多种，比如进行采样点的对比、 建立几何纠正模型和进行重采样。 因此，本研究也在获得t m 遥感影像之后，对影像图进行了几何纠正，对于不确定 或是模糊地区进行标记，然后通过实地考察来验证遥感图上的不确定的信息，确保在研 究过程中，不会因为遥感图像的存在的误差而导致研究结果的偏离，尽量反映出研究区 真实完整的空间信息。在进行野外勘察比对时，利用g p s 来记录野外勘察时所要监测的 位点，以确保遥感图上的坐标与实际勘察坐标具有一致性，当然，在野外勘察时也要对 所要定位点的周边情况进行了解和拍摄现场照片，这样做的目的是为了能更好的进行影 像图的几何校正，使得解译的准确程度具有科学性和实际性。最后，我们将通过野外勘 察时利用g p s 记录下来的位点坐标及通过a c r v i e w 3 2 软件中的相关工具命令将数据转换 成s h p 文件。 2 2 4 粒度的选取 本文中才采用的多尺度研究主要是根据格栅大小的不同而导致格栅图粒度大小的 不同来作为研究的尺度。众所周知，生态系统都是具有一些自然属性的，而这些自然属 性里面就包括尺度性，然后研究的空间尺度选取的不同得到的景观格局结果变化的情况 不同，所以，对景观格局变化进行研究时，必须要考虑到尺度变化所带来的一系列影响， 因此，本文在进行山口红树林自然保护区的景观格局变化的研究之前必须要先对其粒度 效应进行研究。 8 g - - 西大学硕士学位论文山口红树林自然保护i g 多尺度景观格局分析 效应进行研究。 目前，景观格局空间尺度和景观异质性是众多学者越来越开始关注的两个层面，尤 其是关注景观空间格局变化与尺度变化之间的相互关系，以及尺度是如何引起景观格局 变化的。能够进行景观格局空间特征信息定量化研究的方法之一是景观格局指数分析 法，因此我们选择在不同的粒度尺度下利用景观格局指数分析法来进行研裂6 4 1 。景观格 局的空间特性和所得结果会随着空间尺度的不同而产生不同的变化。而早高低不同的分 辨率下观察到的同一景观格局也会有所变化，这是因为分辨率越高，景观中的异质特性 能够很强的表现出来，而分辨低时，就观察不到景观异质性，取而代之的是能够观察到 景观均质特性。当然，当选择的尺度越小越精细时，那么在分析研究中会由于空间信息 的丰富性而导致在研究过程中难度的上升，因此，在进行景观宏观的研究时，为了避免 研究中大量信息造成的干扰，因此可以选择在较大较粗的尺度上进行研究。所以，目前， 众多学者在景观生态学研究上开展了大量工作，景观生态学研究的热点问题主要集中在 如何确定适宜的分析粒度和空间分辨率效应问题 6 5 , 6 6 。因此，在开展景观格局演变的工 作之前，为了准确的反映出尺度效应对景观格局变化的影响，使得尺度与景观格局变化 的研究具有很好的相关性，我们需要进行适宜粒度的确定。此外，在研究景观格局变化 除了要选择适宜的粒度范围外，还应构建一套适宜景观格局分析的景观指数体系，并通 过景观指数在不同尺度下的粒度效应研究来进行适宜景观尺度选择。 2 2 4 1 适宜粒度选择依据 生态系统的自然属性是具有尺度效应的，很多关于景观格局的研究表明，景观空间 格局会随着尺度的不同可发生改变，由于空间尺度大小的不同，景观生态格局也会随着 相应改变【6 7 1 。景观指数的尺度效应是指，在达到某一尺度后，指数值的变化将不再有较 大波动，而是显现出规律性，而有的指数则在尺度变化中一直呈现出不规则的变化趋势， 没有一定的规律可遵循，因此，判定景观适宜观察尺度，研究各指数的尺度效应，是在 景观格局变化研究中的一个重要内容。很多学者做过的研究表明，不是所有的景观指数 都对粒度变化有很显著的敏感性反应，不同的景观指数的粒度效应各不一样，主要包括 两类：一类是景观指数具有良好的粒度反应，即随着粒度的变化能呈现有规律的变化； 而另一类是景观指数没有明显的粒度效应l 6 引。 2 2 4 2 景观尺度选择方法 要选择及判断景观格局研究的最适宜粒度，我们应该将景观指数的粒度效应作为重 要的研究内容，因此，选择出对粒度变化反应敏感的景观指数是本文研究的一个重要部 分。本文选取了1 1 个景观指数来作为来判别其是否具有粒度效应的分析指标，进行景观 指数粒度上变化趋势的研究，选择出景观类型合适尺度，最终筛选出合适的研究粒度。 因此，本研究所采用数据为山口红树林保护区2 0 0 5 年土地利用现状图，参照全国第 二次土地调查分类标准，将保护区的土地利用类型分为6 大景观类型：林地景观类型、 草地景观类型、居民建设用地景观类型、耕地景观类型、水域景观类型、未利用土地景 观类型六大类型。应用g i s 软件将土地利用变化后生成的6 种景观分别转换成5 m 、1 0 m 、 q 广西大学硕士学位论文 山口红树林自然保护i k 多尺度景观格局分析 ，5 m 、2 0 m ，2 5 m 、3 0 m 13 5 m 14 0 m 14 5 m 、5 0 m 、5 5 m ，6 0m ，6 5 m ，7 0 m 、7 5 m 、8 0 m 、 8 5 m 、9 0m 、9 5 m 、1 0 0m 、1 1 0m 、1 2 0m 、1 3 0m 、1 4 0m 、1 5 0m 、1 6 0 m 、1 7 0 m 、1 8 0 m 、 1 9 0 m 、2 0 0 m 、2 1 0 m 、2 2 0 m 、2 3 0 m 、2 4 0 m 、2 5 0 m 、2 6 0 m 、2 7 0 m 、2 8 0 m 、2 9 0 m 、3 0 0m 等4 0 个不同粒度等级下的栅格图，然后进行不同粒度下的景观指数比较，选择最适宜的 粒度来对景观格局进行分析。 2 2 5 景观格局分析方法 f r a g s t a t s 3 3 是一个可以对景观空间格局的景观指数进行定量化分析的景观应用 软件，它可以从三个层次来对景观空间格局指数进行分析，这三个层次分别是斑块水平、 景观类型水平、景观水平。本文选取了1 4 个景观指数，在f r a g s t a t s 3 3 运行计算下， 得到各景观指数在不同的粒度范围下的分析结果，将结果导出，然后利用e x c e l 表来打开， 然后进行数据整理和分析。 由于目前还没有解决景观指数之间的相关性及景观类型的变化对景观指数的影响 和景观指数之间的尺度效应之间所产生的必然联系的关系问题，所以在景观指数的选取 上造成了一定的困难及难度。本研究在选取景观指数时必须要选择那些既能代表景观格 局不同信息的又不会造成信息多余的指数，这样不单能达到本文所要论述的内容而且还 不增加本文的研究难度。本文从描述斑块组成特征、斑块边缘特征、斑块空间特征和多 样性四个方面选择了1 4 个指数( 斑块个撕、景观形状指数l s l 、斑块密度p d 、斑块结 合度c o h e s i o n 、香农多样性指数s h d i 、最大斑块指数三、面积周长比分维数p a f r a c 、 边界密度e d 、观聚合度么，、景斑块凝聚度p c 、香农均匀度指数s h e i 、景观蔓延度 c o n t a g 、破碎度n r 、斑块面积百分比尸以a d ) 进行研究。 2 2 3 1 景观镶嵌体特征指数 由于在研究区域中，不同的景观类型斑块分布复杂多变且不具有规律性。而景观格 局所具备的主要特征之一就是镶嵌结构，因此，对景观镶嵌体结构的研究就是对景观生 态学本质的研究。各景观类型斑块的特征可以反映出各种景观类型斑块之间所存在的相 互关系和各种不同景观所具有的本底空间信息的差异。 1 香农多样性指数( s h d l ) 香农多样性指数可以表示研究区内部生物多样性程度和复杂程度。如果当景观只包 括一种景观类型时，则不具备景观多样性，即其指数值为0 ；如果景观不仅只有一种景 观类型组成时，那么它就具有了一定的多样性，而当每种景观类型结构单元的面积均等 时，那么具有最大的多样性，那么指数值会取到l 。说明景观中的各景观类型结构面积 是否均等关系到多样性指数的大小。 香农多样性指数h 的表达式为【6 9 】： h = 一 l n p i ) i = l 式中，尸f 为第i 种景观单元类型面积占总体景观面积的大小，f 为研究区中全部的景 10 广西大掌硕士掌位论文 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 观类型的数量。 2 香农均匀度指数( s h e o 香农均匀度指数是用来描述景观内所含有的一种或多种景观类型在景观格局的空 间布局情况。在景观中，各景观类型结构单元面积占据整体景观面积的比值越大，说明 该景观类型结构单元的面积最大，同时说明其在整体景观中占据主导地位；当所有的景 观类型结构单元占据整体景观面积的比值越小，说明各种景观类型结构单元的面积大致 均等，那么则不存在景观差异性，即没有哪种景观类型结构占据主导地位，各类型结构 单元的地位一致，表现不出差异性。景观均匀度指数的表达式为7 0 】： 庐( 删，日- - i d g ：( 只2 ) r = l 式中，是被修正过的s i m p s o n 指数，尸f 为第璞景观类型结构单元面积占总面积的百 分比。 3 边界密度( 功 边界密度是用来描述景观类型结构单元在单位面积上边界的长度大小，主要是用来 反映所研究区域内的景观破碎化程度。 e d = e ax 1 旷 式中，e 表示的是景观类型结构单元在景观中的边界总长度；么为景观面积。 4 景观蔓延度( c o n t a g ) 景观蔓延度主要是用来表示在不同的土地利用景观中各景观斑块类型扩展的程度， 但是因为此景观指数内会有一些特定的空间信息，所以，景观蔓延度是进行景观空间格 局分析的一个重要指标。 c 0 删g =l + k = li = 1 。r 县 l n ( p 2 i n ( m ) 1 0 0 式中，p f 是第刑，景观类型结构单元占整体面积的大小，m 为所有的景观类型数量， 肌是第f 种景观类型与第七种景观类型相隔像元的数量。 5 景观聚合度 景观聚合度时用来描述各景观类型结构单元的相互团抱程度。在h e 等【7 l 】人构建出来 的指数最大取值为l ，最小取值为0 。如果在景观中，某一种景观类型具有最大的聚合度， 当么卢1 ，说明该种景观结构单元类型具有最大的凝合性；如果4 卢o 时，则表明这一景观 七一 弘 箬p 广西大学硕士学位论文 山口红树林自然保护区多尺度景观格局分析 要素类型时随机存在景观中，即没有一定的分布规律，具有很大的不确定性。 a h = e g 珈d x - e g m 6 盼e g = 2 力伽- 矽阳= 缈 肋错e g = 2 阳亿一矽+ 2 m j 细 矽 m 锻- e u = 2 n 伽- 矽+ 2 m 2 向缈 m = a f 式中，e q 为第f 斑块类型与第，种斑块类型所拥有的公共边数；朋甜- p ，则表示的是最 大可能存在的公共边数；刀为格栅单元的边界长度，么f 为第i 种景观类型面积。 6 斑块凝聚度( 尸。 斑块凝聚度是用来描述景观类型在生态环境中的破碎程度。凝聚度的数值越大，说 明景观水平上的总体的破碎化程度越低；凝聚度数值越小，则说明景观的破碎化程度越 高。 肚。 1 - 南卜丽1r粥2 蒜卜丽j q = a 暗 p = p s 式中，么为景观类型斑块的面积；尸为景观斑块的周长；为景观中栅格数；s 为格栅 边长。 7 斑块结合度( c o h e s i o 忉 斑块结合