分析尺度對祁連山地區(qū)小尺度斑塊提取的影響

分析尺度對祁連山地區(qū)小尺度斑塊提取的影響

近年來，生態(tài)研究中的比例問題越來越受生態(tài)學(xué)家的影響，尤其是景觀生態(tài)學(xué)的研究。規(guī)模分析是景觀生態(tài)學(xué)的重要組成部分，規(guī)模思維貫穿景觀生態(tài)學(xué)的整個過程。尺度具有多樣性和相對性,即不同現(xiàn)象和生態(tài)過程對應(yīng)不同尺度,尺度的選擇直接或間接作用于景觀格局特征分析過程及與各種景觀指數(shù)相關(guān)的一些生態(tài)學(xué)過程——能流、物流、生物流,所以,在兩者之間關(guān)系不確定的情況下,相關(guān)問題的研究結(jié)果存在偏差,甚至導(dǎo)致不同結(jié)論。在景觀生態(tài)學(xué)研究中,對景觀結(jié)構(gòu)、格局、過程與變化的研究是在一定觀測和分析尺度下進(jìn)行的,選取不同的觀測和分析尺度,將可能檢測到不同的現(xiàn)象,所以尺度研究的根本目的在于通過適宜的觀測和分析或模擬尺度來揭示和把握尺度現(xiàn)象中的規(guī)律性,簡化研究過程已期得到相對準(zhǔn)確的研究結(jié)果?？臻g尺度效應(yīng)的研究包括兩個方面的內(nèi)容:一是研究區(qū)域(extent)變化引起的尺度效應(yīng);二是分析尺度(resolution)變化導(dǎo)致的尺度效應(yīng)[12,16,17,18,19,20]。其中,目前基于“3S”技術(shù)的景觀生態(tài)學(xué)研究,尺度變化主要集中在由矢量數(shù)據(jù)向柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化中的尺度效應(yīng)分析,而對于不同顯示精度(比例尺)的機(jī)助目視解譯的研究尚不多見,特別是針對高山云杉-高山草甸景觀的研究。為此,選擇祁連山北麓青海云杉-高山草甸景觀為研究對象,從斑塊面積、形狀、密度等數(shù)量化指標(biāo)入手,探討解譯顯示精度對機(jī)助目視解譯信息提取的影響,為黑河流域典型生態(tài)系統(tǒng)的需水量計算和適宜尺度的景觀結(jié)構(gòu)特征分析提供理論依據(jù)。1土壤和植被組成研究區(qū)位于祁連山中段西水林區(qū)排露溝流域(38°24′N,100°17′E),流域總面積2.85km2,長4.25km,縱坡比降1∶4.2,海拔2600～3800m。流域陽坡為草地,陰坡、半陰坡為斑塊森林景觀,年平均氣溫-0.6～2.0℃,年降水量363mm,蒸發(fā)量1052mm,年日照時數(shù)1893h,年平均相對濕度為60%。研究區(qū)土壤和植被隨山地地形而形成明顯的垂直分布帶,主要土壤類型有山地森林灰褐土、山地栗鈣土以及亞高山灌叢草甸土3個類型,土壤機(jī)械組成中粘粒含量(<0.002mm)約占9%,粉粒含量(0.002～0.05mm)約占80.3%,沙粒含量(>0.05mm)約占18.8%,土壤孔隙大小分布指數(shù)為5.39。成土母質(zhì)主要是泥炭巖、礫巖、紫紅色沙頁巖等。有機(jī)質(zhì)含量中等,pH值7.0～8.0。森林類型是以青海云杉(Piceacrassifolia)林為主,呈斑塊狀或條狀分布在陰坡、半陰坡;祁連圓柏(Sabinaprezewalskii)林呈小斑塊狀分布于陽坡、半陽坡;灌木優(yōu)勢種有:金露梅(Potentillafruticasa)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)和吉拉柳(Salixgilashanica)等,草本主要有珠牙蓼(Polygonumviviparum)、黑穗苔(Carexatrata)和針茅(Stipasp)等。2斑塊類型劃分為保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的信息損失最小,在grid模塊下轉(zhuǎn)換矢量數(shù)據(jù)為柵格數(shù)據(jù)時,柵格單元統(tǒng)一設(shè)為3m。所有的景觀指數(shù)計算采用Fragstats3.3完成,并運用excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)單位調(diào)整、數(shù)據(jù)排序、制圖等輔助處理分析。3結(jié)果與分析3.1斑塊等級分析為了保證斑塊等級劃分的合理性,以文中斑塊等級的劃分依據(jù)面積為要素,分析各斑塊等級間是否差異顯著,若差異顯著則說明不同等級斑塊間存在區(qū)別,劃分基本合理,否則無意義。結(jié)果表明(表1),F計算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.05水平和0.01水平F標(biāo)準(zhǔn)值,不同分析尺度的斑塊等級間差異極顯著。說明本文以面積作為標(biāo)準(zhǔn),對斑塊等級的劃分基本合理可行。需要說明的是,文中對斑塊等級的劃分方法不是惟一正確方法,還應(yīng)該存在以面積為標(biāo)準(zhǔn)的其他正確的斑塊等級和以其他因素為標(biāo)準(zhǔn)的正確的等級劃分方式。3.2斑塊面積的尺度效應(yīng)斑塊等級水平尺度效應(yīng)分析如圖1,小斑塊各景觀指數(shù)尺度效應(yīng)曲線斜率大,對尺度依賴性都較強(qiáng)。斑塊數(shù)量、斑塊面積、斑塊密度和周長密度都有階段性下降趨勢(斑塊密度在顯示尺度>1∶8000后略有上升),并在顯示尺度1∶8000處達(dá)到平衡。由于隨顯示尺度增加斑塊密度減小,使平均斑塊面積階段性增大,當(dāng)顯示尺度達(dá)到1∶8000后有所減小,在平均斑塊面積有規(guī)律性變化的尺度效應(yīng)曲線上,1∶8000是拐點。在斑塊形狀不斷趨于規(guī)則過程中,平均斑塊形狀指數(shù)在1∶4000處有不明顯尺度轉(zhuǎn)折點。中斑塊除平均斑塊形狀指數(shù)在1∶4000處有明顯尺度轉(zhuǎn)折點外,各指數(shù)的響應(yīng)模式與小斑塊的對應(yīng)相似。與小斑塊、中斑塊相比,大斑塊對分析尺度的響應(yīng)模式有所區(qū)別,景觀指數(shù)波動明顯。斑塊數(shù)量在1∶8000處有最小值69。斑塊密度(平均斑塊面積)在1∶2000～1∶4000間大幅下降(上升),大于1∶4000后小幅波動平衡。周長密度與平均斑塊形狀指數(shù)明顯階段性減小,在分析尺度大于1∶8000后保持不變,≤1∶4000時顯著下降。斑塊面積變化相對復(fù)雜,尺度效應(yīng)起伏變化強(qiáng)烈,分別于1∶4000和1∶8000處達(dá)到極大值208.25hm2和極小值192.78hm2。存在拐點1∶4000和1∶8000。與等級斑塊間增減相消作用方式有關(guān),斑塊面積的累加和不變的性質(zhì)可能是造成其復(fù)雜變化的原因,當(dāng)某等級斑塊面積減少,其他等級斑塊必然增加相同面積,不存在融合消失,只有小型斑塊向大型斑塊轉(zhuǎn)化。其中,面積累積增加的漸變過程和斑塊類型轉(zhuǎn)化的瞬時過程共同作用,使斑塊面積的尺度效應(yīng)復(fù)雜。利用斑塊面積這種增長相消性質(zhì)可以估算尺度轉(zhuǎn)化中斑塊損失量和增加量。如表2、表3,1∶4000處大斑塊面積增加5.09%(10.09hm2),主要來源于小斑塊和中斑塊損失,1∶6000和1∶8000處巨斑塊面積分別增加5.08%(23.09hm2)與3.40%(16.21hm2)主要來源于中斑塊、大斑塊損失,但是對小斑塊的影響最顯著,小斑塊損失均超過10%,其次是中斑塊,損失超過5%?！?∶4000和>1∶8000時面積絕對變化量都較小。巨斑塊的數(shù)量、斑塊密度(平均斑塊面積)在1∶2000～1∶6000之間線性增加(減小),顯示尺度≥1∶6000后不隨尺度變化而變化,斑塊面積在1∶4000～1∶8000間大幅增加,而≤1∶4000或≥1∶8000時則處于平衡。周長密度與平均斑塊形狀指數(shù)1∶2000～1∶4000線性減小,≥1∶4000后達(dá)到平衡狀態(tài)。小尺度下巨斑塊破碎化減小,形狀規(guī)則,大多數(shù)指數(shù)當(dāng)分析尺度>1∶6000后都有不受尺度變化影響的趨勢。就斑塊等級水平而言,1∶4000與1∶8000處是尺度閾值,1∶4000是尺度響應(yīng)強(qiáng)烈的下限,1∶8000是尺度響應(yīng)變?nèi)趸蛳У纳舷?根據(jù)尺度對景觀指數(shù)的影響可將分析尺度分為≤1∶4000,1∶4000～1∶8000,≥1∶8000三個尺度域。斑塊數(shù)量、斑塊面積、斑塊密度尺度效應(yīng)由小斑塊和中斑塊的整體下降到大斑塊的波動變化,巨斑塊的整體上升趨勢,表現(xiàn)在尺度效應(yīng)上即下降→過渡→上升,巨斑塊尺度效應(yīng)的增加或減少階段性最明顯,當(dāng)分析尺度達(dá)到1∶6000后斑塊數(shù)量、斑塊密度保持不變,1∶8000后斑塊面積尺度響應(yīng)減弱。同時,尺度效應(yīng)變化幅度隨斑塊面積增大而減小,斑塊數(shù)量極差:小斑塊(267)>中斑塊(109)>大斑塊(8)>巨斑塊(2);斑塊密度極差:小斑塊(6.80)>中斑塊(0.47)>大斑塊(0.028)>巨斑塊(0.0037)。小斑塊變化速率最快,其次為中斑塊,而大斑塊和巨斑塊表現(xiàn)出相似特征,均較小。揭示隨分析尺度的增加小型斑塊數(shù)量迅速減少,大型斑塊緩慢增加;目視解譯中大型斑塊對小型斑塊融合后的響應(yīng)不敏感,小型斑塊是分析尺度響應(yīng)敏感斑塊。驗證分析尺度對數(shù)據(jù)的影響主要由中小斑塊損失造成。斑塊化的另一個指標(biāo)平均斑塊面積,除巨斑塊外,各級斑塊平均斑塊面積隨顯示尺度增加有逐漸聚合增大現(xiàn)象。同時伴隨著小面積級別斑塊轉(zhuǎn)化為大面積級別斑塊,導(dǎo)致一定尺度后平均斑塊面積有所下降(中小斑塊1∶8000,大斑塊1∶4000～1∶6000)。巨斑塊平均斑塊面積尺度效應(yīng)在1∶2000～1∶6000間下降,>1∶6000后保持平衡,巨斑塊一方面面積增加,另一方面伴隨有數(shù)量增加,分析尺度從小到大對應(yīng)的斑塊數(shù)依次為5、6、7、7、7,轉(zhuǎn)化而來的斑塊,面積多處于大斑塊和巨斑塊臨界值,所以其平均斑塊面積對應(yīng)有減小→平衡的變化趨勢,也是導(dǎo)致斑塊等級越高,平均斑塊面積變幅越大的原因,這與前述結(jié)論并不矛盾,是景觀破碎化降低的表現(xiàn)。平均斑塊面積從另一個方面論證了景觀破碎化隨尺度增加而減小。從周長密度、平均斑塊形狀指數(shù)都隨顯示尺度增加而持續(xù)減小來看,所有斑塊形狀都趨于規(guī)則化,周長密度有上述變幅逐級減小現(xiàn)象,而平均斑塊形狀指數(shù)變幅卻逐級增加,說明一方面小型斑塊的大量消失使斑塊越小邊界變化越大,是目視解譯中對數(shù)據(jù)提取量影響的體現(xiàn);另一方面斑塊面積越大,形狀越不規(guī)則。從景觀指數(shù)變化來看,不同分析尺度下獲取的數(shù)據(jù)不同,各種景觀指數(shù)隨分析尺度變化而明顯變化,在景觀格局特征上表現(xiàn)出差異性,這種差異是由于不同解譯尺度造成的,并非景觀特征本身隨分析尺度的變化而發(fā)生改變。必將影響到以景觀格局特征為要素的土壤、生物、小氣候等其他后續(xù)研究。綜合分析各指數(shù)的尺度效應(yīng)可見,多數(shù)小斑塊\,中斑塊有相同的變化趨勢,即階段性變化,各指數(shù)尺度效應(yīng)相同尺度區(qū)域?qū)?yīng)相似;大斑塊和巨斑塊景觀指數(shù)受融合中小斑塊和顯示尺度增加雙重影響有增有減,但以大斑塊景觀指數(shù)波動變化,小尺度時變化顯著,大尺度時波動平衡,以及巨斑塊指數(shù)在分析尺度達(dá)到1∶6000以后變化非常緩慢為特點,且大斑塊和巨斑塊與中小斑塊相比變化幅度小(除斑塊面積、平均斑塊形狀指數(shù))。說明不同等級斑塊對分析尺度敏感性不同,小面積斑塊尺度效應(yīng)敏感,貢獻(xiàn)大。3.3不同景觀類型的斑塊土地利用類型及尺度變化各種土地利用類型隨顯示尺度增加斑塊數(shù)量減少,導(dǎo)致平均斑塊面積增大,斑塊密度、平均斑塊形狀指數(shù)減小(圖2)。青海云杉、高山草甸斑塊數(shù)量單調(diào)減少,當(dāng)顯示尺度達(dá)1∶8000后基本不變;作為優(yōu)勢土地利用類型,青海云杉、高山草甸平均斑塊面積大幅增加,1∶8000后也有保持平衡狀態(tài)趨勢。與表達(dá)斑塊化密切相關(guān)的斑塊密度尺度效應(yīng)雖然與平均斑塊面積有相反的變化趨勢,但都表達(dá)相同信息,尺度轉(zhuǎn)折點也相同。表征斑塊形狀復(fù)雜程度的平均斑塊形狀指數(shù)和周長密度,青海云杉、高山草甸對前者響應(yīng)強(qiáng)烈,在1∶4000處有臨界值,后者無明顯臨界值。高山灌叢斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長密度(平均斑塊面積)在分析尺度1∶2000～1∶4000之間速度減小(增加)最快,此后緩慢降低(升高),于1∶8000時達(dá)平衡狀態(tài)。平均斑塊形狀指數(shù)緩慢減小中1∶8000處有不明顯突變點。分析尺度1∶4000處斑塊面積有不明顯尺度轉(zhuǎn)折點。相比較而言,裸地斑塊數(shù)量多,平均斑塊面積小,平均斑塊形狀指數(shù)小,是破碎化嚴(yán)重,斑塊形狀規(guī)則的一種土地利用類型。尺度對裸地斑塊面積、平均斑塊形狀指數(shù)沒有明顯影響,斑塊數(shù)量、斑塊密度均在1∶4000和1∶8000處,周長密度在1∶4000處有不明顯臨界閾。各種景觀類型的景觀指數(shù)除斑塊面積外,斑塊數(shù)量、平均斑塊面積、斑塊密度、平均斑塊形狀指數(shù)、周長密度對顯示尺度響應(yīng)強(qiáng)烈,尺度閾出現(xiàn)在1∶4000～1∶8000之間,其中,1∶4000和1∶8000處居多,高于或低于尺度閾,景觀指數(shù)發(fā)生迅速增減變化,尺度閾內(nèi)景觀指數(shù)不隨尺度變化而變化或變幅較小。一些土地利用類型的部分景觀指數(shù)存在兩個尺度閾1∶4000和1∶8000或1∶4000和1∶6000,其中,1∶4000是景觀指數(shù)發(fā)生劇烈變化的上限,當(dāng)小于1∶4000時指數(shù)劇增或劇減,1∶8000是指數(shù)平衡的下限,大于1∶8000后指數(shù)不隨分析尺度的變化而變化。如表2表3,不同景觀類型間斑塊損失與融合以1∶4000中最明顯,凈變化50.06hm2,主要是青海云杉和高山草甸面積損失,分別為4.51%(10.02hm2)和3.56%(12.92hm2),使高山灌叢面積增加33.33%(22.65hm2);其次為1∶6000時,主要發(fā)生次要景觀類型7.02%(6.36hm2)高山灌叢和9.25%(10.65hm2)裸地轉(zhuǎn)化成4.69%(16.43hm2)高山草甸。顯示尺度≥1∶8000后多數(shù)景觀類型面積不明顯的波動,其中青海云杉面積不斷增加,1∶8000到1∶10000間增加最多為3.00%(6.55hm2),主要來源于高山灌叢和少部分高山草甸、裸地的損失。對土地利用類型的分析得出與上述相似結(jié)論,1∶4000與1∶8000處是尺度閾值,1∶4000是尺度響應(yīng)強(qiáng)烈的下限,1∶8000是尺度響應(yīng)變?nèi)趸蛳У纳舷?根據(jù)尺度對景觀指數(shù)的影響可將分析尺度分為小于1∶4000,1∶4000～1∶8000,大于1∶8000三個尺度域。從斑塊面積優(yōu)勢度角度考慮,有與等級斑塊相似的尺度響應(yīng)模式:次要土地利用類型裸地、高山灌叢和其他,前兩者斑塊數(shù)量變化最顯著,優(yōu)勢土地利用類型青海云杉和高山草甸平均斑塊面積和平均斑塊形狀指數(shù)變化顯著。類型其他,包含線狀地物,其形狀變化最劇烈,邊界最復(fù)雜,斑塊數(shù)量和平均斑塊面積小。3.4顯示尺度響應(yīng)景觀水平上綜合討論各種指數(shù)尺度效應(yīng),如圖3所示。景觀面積對分析尺度響應(yīng)不敏感,斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長密度、平均斑塊形狀指數(shù)(平均斑塊面積)都隨顯示尺度增加而階段性減小(增加),隨顯示尺度增加斑塊有聚合增大、形狀規(guī)則化現(xiàn)象,景觀破碎度減小、結(jié)構(gòu)趨于簡單。斑塊數(shù)量在顯示尺度小于1∶8000時單調(diào)遞減,大于1∶8000后不隨尺度變化而變化。由于數(shù)量的尺度響應(yīng)方式,引起斑塊化指標(biāo)平均斑塊面積從1∶2000～1∶8000單調(diào)上升,斑塊密度單調(diào)下降,達(dá)到1∶8000后兩者對顯示尺度依賴性均變?nèi)?。周長密度既是指示斑塊形狀復(fù)雜程度指標(biāo),也是表達(dá)斑塊破碎化指標(biāo),與上述斑塊密度響應(yīng)模式相似,1∶2000～1∶8000間隨顯示尺度增加而減小,在1∶8000處出現(xiàn)尺度轉(zhuǎn)折點。平均斑塊形狀指數(shù)在1∶4000時達(dá)到平衡,此后保持變化。另外與小型斑塊的相同之處是,各尺度效應(yīng)曲線形態(tài)相似,以1∶6000處為分割點,兩側(cè)變化趨勢對應(yīng)相同,即1∶2000～1∶4000之間與1∶6000～1∶8000之間變化速率快,1∶4000～1∶6000之間與1∶8000～1∶10000之間變化緩慢。同時,相對應(yīng)的兩段曲線形狀也存在相似性,除斑塊密度、平均斑塊面積1∶2000～1∶4000比1∶6000～1∶8000之間變化顯著外,均前者較后者變化強(qiáng)烈,當(dāng)顯示尺度≥1∶8000時變化緩慢。說明:①各種景觀指數(shù)對顯示尺度變化的響應(yīng)具有階段性;②隨顯示尺度增加景觀指數(shù)的變化速率趨于減小,不同顯示尺度下所提取的數(shù)據(jù)差別減小,信息量損失主要發(fā)生在較大顯示尺度下小面積斑塊的融合消失;③大面積斑塊融合小面積斑塊后其本身對數(shù)據(jù)變化貢獻(xiàn)不明顯;④1∶4000和1∶8000處是尺度轉(zhuǎn)折點。從景觀水平而言,1∶4000與1∶8000處是尺度閾值,1∶4000是尺度響應(yīng)強(qiáng)烈的下限,1∶8000是尺度響應(yīng)變?nèi)趸蛳У纳舷?根據(jù)尺度對景觀指數(shù)的影響可將分析尺度分為小于1∶4000,1∶4000～1∶8000,大于1∶8000三個尺度域。4視角解譯的顯示尺度依據(jù)面積因素在斑塊等級劃分合理的基礎(chǔ)上,從景觀水平、景觀類型水平、斑塊等級水平全面分析了各種景觀指數(shù)的尺度效應(yīng)。景觀整體水平上景觀面積是分析尺度弱敏感指數(shù),斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長密度、平均斑塊形狀指數(shù)尺度效應(yīng)曲線,隨分析尺度增加單調(diào)下降,平均斑塊面積尺度效應(yīng)曲線單調(diào)上升。景觀隨顯示尺度增加破碎化減小,斑塊形狀趨于規(guī)則。斑塊等級水平上的小斑塊、中斑塊相應(yīng)的尺度效應(yīng)曲線階段性持續(xù)增減;部分大斑塊波動性變化,但是變化幅度較小,大斑塊變化趨勢呈現(xiàn)出過渡性;巨斑