分析尺度對(duì)祁連山地區(qū)小尺度斑塊提取的影響

分析尺度對(duì)祁連山地區(qū)小尺度斑塊提取的影響

近年來(lái)，生態(tài)研究中的比例問(wèn)題越來(lái)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(gè)過(guò)程。尺度具有多樣性和相對(duì)性,即不同現(xiàn)象和生態(tài)過(guò)程對(duì)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(guò)程及與各種景觀指數(shù)相關(guān)的一些生態(tài)學(xué)過(guò)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(wèn)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(duì)景觀結(jié)構(gòu)、格局、過(guò)程與變化的研究是在一定觀測(cè)和分析尺度下進(jìn)行的,選取不同的觀測(cè)和分析尺度,將可能檢測(cè)到不同的現(xiàn)象,所以尺度研究的根本目的在于通過(guò)適宜的觀測(cè)和分析或模擬尺度來(lái)揭示和把握尺度現(xiàn)象中的規(guī)律性,簡(jiǎn)化研究過(guò)程已期得到相對(duì)準(zhǔn)確的研究結(jié)果?？臻g尺度效應(yīng)的研究包括兩個(gè)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(duì)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(jiàn),特別是針對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)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(xiāo),100°17′E),流域總面積2.85km2,長(zhǎng)4.25km,縱坡比降1∶4.2,海拔2600～3800m。流域陽(yáng)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(shí)數(shù)1893h,年平均相對(duì)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(lèi)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(gè)類(lèi)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(yè)巖等。有機(jī)質(zhì)含量中等,pH值7.0～8.0。森林類(lèi)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(yáng)坡、半陽(yáng)坡;灌木優(yōu)勢(shì)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(lèi)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(shí),柵格單元統(tǒng)一設(shè)為3m。所有的景觀指數(shù)計(jì)算采用Fragstats3.3完成,并運(yùn)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(jí)分析為了保證斑塊等級(jí)劃分的合理性,以文中斑塊等級(jí)的劃分依據(jù)面積為要素,分析各斑塊等級(jí)間是否差異顯著,若差異顯著則說(shuō)明不同等級(jí)斑塊間存在區(qū)別,劃分基本合理,否則無(wú)意義。結(jié)果表明(表1),F計(jì)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(jí)間差異極顯著。說(shuō)明本文以面積作為標(biāo)準(zhǔn),對(duì)斑塊等級(jí)的劃分基本合理可行。需要說(shuō)明的是,文中對(duì)斑塊等級(jí)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(jí)和以其他因素為標(biāo)準(zhǔn)的正確的等級(jí)劃分方式。3.2斑塊面積的尺度效應(yīng)斑塊等級(jí)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(duì)尺度依賴(lài)性都較強(qiáng)。斑塊數(shù)量、斑塊面積、斑塊密度和周長(zhǎng)密度都有階段性下降趨勢(shì)(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(diǎn)。在斑塊形狀不斷趨于規(guī)則過(guò)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(diǎn)。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(diǎn)外,各指數(shù)的響應(yīng)模式與小斑塊的對(duì)應(yīng)相似。與小斑塊、中斑塊相比,大斑塊對(duì)分析尺度的響應(yīng)模式有所區(qū)別,景觀指數(shù)波動(dòng)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(dòng)平衡。周長(zhǎng)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(shí)顯著下降。斑塊面積變化相對(duì)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(diǎn)1∶4000和1∶8000。與等級(jí)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(jí)斑塊面積減少,其他等級(jí)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(guò)程和斑塊類(lèi)型轉(zhuǎn)化的瞬時(shí)過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(lái)源于中斑塊、大斑塊損失,但是對(duì)小斑塊的影響最顯著,小斑塊損失均超過(guò)10%,其次是中斑塊,損失超過(guò)5%?！?∶4000和>1∶8000時(shí)面積絕對(duì)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(shí)則處于平衡。周長(zhǎng)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(shì)。就斑塊等級(jí)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(duì)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(gè)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(dòng)變化,巨斑塊的整體上升趨勢(shì),表現(xiàn)在尺度效應(yīng)上即下降→過(guò)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(shí),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(duì)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(yàn)證分析尺度對(duì)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(gè)指標(biāo)平均斑塊面積,除巨斑塊外,各級(jí)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(shí)伴隨著小面積級(jí)別斑塊轉(zhuǎn)化為大面積級(jí)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(duì)應(yīng)的斑塊數(shù)依次為5、6、7、7、7,轉(zhuǎn)化而來(lái)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(duì)應(yīng)有減小→平衡的變化趨勢(shì),也是導(dǎo)致斑塊等級(jí)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(gè)方面論證了景觀破碎化隨尺度增加而減小。從周長(zhǎng)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(lái)看,所有斑塊形狀都趨于規(guī)則化,周長(zhǎng)密度有上述變幅逐級(jí)減小現(xiàn)象,而平均斑塊形狀指數(shù)變幅卻逐級(jí)增加,說(shuō)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(duì)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(lái)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(jiàn),多數(shù)小斑塊\,中斑塊有相同的變化趨勢(shì),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(dòng)變化,小尺度時(shí)變化顯著,大尺度時(shí)波動(dòng)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(diǎn),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(shuō)明不同等級(jí)斑塊對(duì)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(lèi)型的斑塊土地利用類(lèi)型及尺度變化各種土地利用類(lèi)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(shì)土地利用類(lèi)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(shì)。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(shì),但都表達(dá)相同信息,尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(zhǎng)密度,青海云杉、高山草甸對(duì)前者響應(yīng)強(qiáng)烈,在1∶4000處有臨界值,后者無(wú)明顯臨界值。高山灌叢斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)。分析尺度1∶4000處斑塊面積有不明顯尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)。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(lèi)型。尺度對(duì)裸地斑塊面積、平均斑塊形狀指數(shù)沒(méi)有明顯影響,斑塊數(shù)量、斑塊密度均在1∶4000和1∶8000處,周長(zhǎng)密度在1∶4000處有不明顯臨界閾。各種景觀類(lèi)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(zhǎng)密度對(duì)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(lèi)型的部分景觀指數(shù)存在兩個(gè)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(shí)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(lèi)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(shí),主要發(fā)生次要景觀類(lèi)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(lèi)型面積不明顯的波動(dòng),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(lái)源于高山灌叢和少部分高山草甸、裸地的損失。對(duì)土地利用類(lèi)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(duì)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(gè)尺度域。從斑塊面積優(yōu)勢(shì)度角度考慮,有與等級(jí)斑塊相似的尺度響應(yīng)模式:次要土地利用類(lèi)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(shì)土地利用類(lèi)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(lèi)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(duì)分析尺度響應(yīng)不敏感,斑塊數(shù)量、斑塊密度、周長(zhǎng)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(jiǎn)單。斑塊數(shù)量在顯示尺度小于1∶8000時(shí)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(duì)顯示尺度依賴(lài)性均變?nèi)酢Ｖ荛L(zhǎng)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(diǎn)。平均斑塊形狀指數(shù)在1∶4000時(shí)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(diǎn),兩側(cè)變化趨勢(shì)對(duì)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(shí),相對(duì)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(shí)變化緩慢。說(shuō)明:①各種景觀指數(shù)對(duì)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(duì)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(diǎn)。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(duì)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(gè)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(jí)劃分合理的基礎(chǔ)上,從景觀水平、景觀類(lèi)型水平、斑塊等級(jí)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(zhǎng)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(jí)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(dòng)性變化,但是變化幅度較小,大斑塊變化趨勢(shì)呈現(xiàn)出過(guò)渡性;巨斑