全 文 ：黄土丘陵小流域景观格局指数的粒度效应*
邱摇 扬1**摇 杨摇 磊2 摇 王摇 军3 摇 张摇 英1 摇 孟庆华4 摇 张晓光5
( 1 北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京 100875; 2 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北
京 100085; 3 国土资源部土地整理中心,北京 100035; 4 国家林业局调查规划设计院,北京 100055; 5 河北省林业局防沙治沙
工程管理办公室, 石家庄 050081)
摘摇 要摇 采用基于 GIS的景观格局分析法,研究了 1975—2007 年黄土丘陵沟壑区大南沟小
流域景观格局指数在 1 ~ 50 m 粒度范围内的粒度效应.结果表明:研究区小流域景观格局指
数的粒度效应明显,不同年份之间的差异显著;该区景观格局指数的粒度效应可分为 5 种类
型,即稳定不变型、平稳降低型、波动降低型、波幅增强型和不规则变化型.研究区景观的斑块
丰富度属于稳定不变型,即随着粒度增大保持不变;边界长度、边界密度、景观形状指数、聚合
度指数和蔓延度指数属于平衡降低型,即随着粒度增大呈显著的线性降低趋势;分维数随粒
度增大呈波动递减趋势,属于波动降低型粒度效应;景观总面积、Shannon多样性指数和 Shan鄄
non均匀度指数的波幅呈显著增大趋势,属于波幅增强型粒度效应;不规则变化型粒度效应的
景观格局指数包括斑块数、斑块密度、平均斑块面积、最大斑块指数、破碎度指数和景观分离
度指数. 1975 年研究区上述景观格局指数的粒度效应与其他年份之间的差异显著,甚至截然
相反.
关键词摇 景观格局摇 尺度摇 粒度效应摇 黄土丘陵小流域
文章编号摇 1001-9332(2010)05-1159-08摇 中图分类号摇 Q149摇 文献标识码摇 A
Grain effect of landscape pattern indices in a gully catchment of Loess Plateau, China. QIU
Yang1, YANG Lei2, WANG Jun3, ZHANG Ying1, MENG Qing鄄hua4, ZHANG Xiao鄄guang5
( 1School of Geography, Beijing Normal University, Beijing 100875, China; 2State Key Laboratory of
Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of
Sciences, Beijing 100085, China; 3Land Consolidation and Rehabilitation Center, Ministry of Land
and Resources, Beijing 100035, China; 4 Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry
Administration, Beijing 100055, China; 5Sand Control Project Management Office, Hebei Provincial
Forestry Bureau, Shijiazhuang 050081, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(5): 1159-1166.
Abstract: By using landscape pattern analysis based on GIS, this paper studied the grain effect of
landscape pattern indices with a scale 1 -50 m in a gully catchment of the Loess Plateau, China
from 1975 to 2007. In the catchment, the grain effect was obvious, and differed significantly with
year. The grain effect had five types, i. e. , stable, stable decreasing, undulatory decreasing, am鄄
plitude鄄accreting, and anomalistic changing. With increasing grain, the stable grain effect showed a
stable patch richness density, the stable decreasing grain effect showed a decreasing trend of total
edge, edge density, landscape shape index, aggregation index, and contagion index, the undulato鄄
ry decreasing grain effect showed an undulatory decreasing trend of perimeter鄄area fractal dimen鄄
sion, the amplitude鄄accreting grain effect showed an amplitude increasing trend of total area, Shan鄄
non爷s diversity index, and evenness index, and the anomalistic changing grain effect showed an
anomalistic change of patch number, patch density, mean patch area, largest patch index, splitting
index, and landscape division index. In 1975, the grain effect of all the indices differed significant鄄
ly from that in other years, and even, was in opposite.
Key words: landscape pattern; scale; grain effect; gully catchment of Loess Plateau.
*国家基础研究发展计划重点项目 (2007CB407204)、国家自然科学基金项目 (30970503)和国家科技支撑计划项目 (2006DAJ05A08,
2008BAB38B02)资助.
**通讯作者. E鄄mail: qiuyang69@ 263. net
2009鄄11鄄23 收稿,2010鄄03鄄03 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 5 月摇 第 21 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2010,21(5): 1159-1166
摇 摇 景观格局指数是量化景观空间特征的主要方法
之一[1-4] .景观格局指数能定量描述景观的空间形
态、结构和异质性,可以实现同一时段不同景观空间
格局的比较研究以及同一景观不同时段空间格局的
动态分析和不同景观不同时段空间格局动态的比较
研究,在景观空间分析中被普遍应用[5-8] .
尺度(scale)可以用粒度(grain)和幅度(extent)
来描述,空间粒度(即空间分辨率)是景观中最小可
辨识单元所代表的特征长度、面积和体积[1-4] .尺度
(幅度和粒度) 变化对景观指数具有显著的影
响[9-13] .由于现有的景观格局分析程序多使用栅格
数据,造成了“可塑性面积单元问题冶,景观格局指
数的计算结果随着粒度不同而发生变化[4,14-15] . 最
近的一些研究表明,景观格局指数的尺度效应中,某
些景观指数表现出不随景观类型变化的普遍性尺度
推绎规律,有些景观格局指数存在简单的线性或幂
函数关系,有的格局指数存在阶梯状递变,而大多数
则变化多端[14,16-18] . Turner[16]研究发现,随着粒度
的增加,土地覆被类型数减少较慢,多样性指数呈线
性下降趋势,而优势度指数和聚集度指数的下降规
律并不呈线性趋势.一些学者通过研究指出,在研究
不同景观或同一景观在不同时间的格局时,需分析
所选用景观指数的影响因子以及景观数据的特征,
以选择适宜的景观指数和相应的粒度[19-23] . O爷Neill
等[19]研究认为,对于小斑块特征敏感的景观格局指
数而言,粒度应该比研究对象的最小斑块小 2 ~ 5
倍;而应用优势度(dominance)和聚集度(contagion)
等对大斑块特征敏感的景观指标时,取样单元面积
必须比最大斑块大 2 ~ 5 倍. 目前,景观格局指数的
粒度效应研究在土壤侵蚀强度、土地利用结构变化
较大的黄土丘陵沟壑区比较薄弱[24-27] .黄土丘陵沟
壑区延河流域景观格局的粒度效应研究表明,景观
指数随粒度变化的第一尺度域是选择适宜粒度的较
好取值范围,1 颐 25 万土地利用图进行景观指数计
算的适宜粒度范围在 70 ~ 90 m,1 颐 50 万土地利用
图的适宜粒度范围在 90 ~ 120 m[24] .本文在土地利
用调查的基础上,采用基于 GIS的景观格局分析法,
研究了 1975—2007 年黄土丘陵沟壑区大南沟小流
域景观格局指数在 1 ~ 50 m 范围的粒度效应,对景
观格局指数粒度效应的类型及其影响因子进行了分
析,以期为黄土丘陵沟壑区生态恢复与土地利用规
划提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区位于陕西省安塞县大南沟小流域(36毅
52忆—36毅 54忆 N, 109毅 16忆—109毅 18忆 E ),面积 3郾 5
km2 .该区年均降水量 549 mm.地貌类型为典型黄土
丘陵沟壑地貌,地形破碎,沟壑纵横. 土壤类型为黄
土母质上发育的黄绵土,土质疏松,抗蚀抗冲性差,
土壤侵蚀剧烈,水土流失严重.小流域内自然植被破
坏殆尽,垦殖指数较高,土地利用以耕地、休闲地、荒
草地、间作地、果园、林地和灌木地为主[27-30] .
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 土地利用图的获取及处理摇 采用遥感解译与
实地勾绘法,获得大南沟小流域 1975、1998、2002、
2004、2005 和 2007 年 1 颐 1 万土地利用图. 1975 年
有农地、果园、林地和荒草地 4 种土地利用类型,共
24 个斑块;1998—2005 年有农地、果园、林地、荒草
地和退耕地 5 种土地利用类型,45 ~ 70 个斑块.
基于 ArcGIS 9郾 0,将 6 幅土地利用图数字化,并
将矢量数据转为栅格数据. 根据黄土丘陵沟壑区特
殊的地貌条件,采用优势规则处理法(即优势类型
法) [18,24],栅格单元从 1 ~ 50 m 每隔 1 m 生成一张
栅格图导入 Fragstats 进行景观格局分析,分别计算
下述 16 项景观格局指数. 在此基础上,以粒度为横
坐标,以每个年份相应的各项景观格局指数为纵坐
标,比较分析小流域景观格局指数的粒度效应.
1郾 2郾 2 景观格局指数 摇 本文选择下述 16 项景观格
局指数进行分析.
1)斑块数(number of patches,NP)指整个景观
或景观中某景观类型的斑块数量. 斑块数在一定意
义上可以揭示景观的破碎化程度.
2)边界长度(total edge,TE)指景观中所有斑块边
界的总长度或景观中各类型斑块边界的总长度(m).
TE =移
N
k = 1
ek 摇 摇 (TE 逸0)
式中:ek 为景观中斑块 k 的边界长度或景观中某类
斑块 k的边界长度(m);N为斑块总数.
3)总面积 ( total area, TA) 指景观的总面积
(hm2),是其他一些与面积有关指数的计算依据.
4)斑块密度(patch density,PD)指景观或景观
中某一类型的单位面积斑块数量(个·km-2).
5)平均斑块面积( average area of patch). 整个
景观的斑块平均面积 = (m2 /个)斑块总面积 /斑块
总数;单一景观类型的斑块平均面积 =某类型的斑
0611 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
块总面积 /该类型的斑块总数量.平均斑块面积可描
述景观粒度,在一定意义上能揭示景观破碎化程度.
6)边界密度(edge density,ED)指单位面积中斑
块的边界长度(m·hm-2),其算式如下:
ED= EA 摇 摇 (ED逸0)
式中:E为边缘总长度(m);A为景观总面积(hm2).
ED=0 表示景观中斑块之间没有边缘,即整个景观
由 1 个斑块构成.
7)斑块丰富度(patch richness density,PRD)指
单位面积上的斑块数目(个·km-2 ). 在同样面积
下,斑块丰富度值的大小反映了斑块类型的多样性.
8)景观形状指数(landscape shape index,LSI)的
计算公式如下:
LSI= EEmin
摇 摇 (LSI逸1)
式中:E为景观中斑块边缘总长度(包括景观边界和
背景边缘,像元数);Emin为景观中边缘总长度的最
小值(像元数),当景观总面积(A)等于正方形边长
的平方(n2)时,Emin =4n,当 n24n+2,当 A>n(1+n)时,Emin =4n+4. LSI=1 表示景观
由一个正方形斑块构成,其值越大,表示景观形状越
不规则或景观中的边缘总长度越大.
9)分维数(perimeter鄄area fractal dimension,PAF鄄
RAC)指景观不规则几何形状的非整数维数,其公式
如下:
PAFRAC =
2
N移
m
i = 1
移
n
j = 1
(lnpij 伊 lnaij) - 移
m
i = 1
移
n
j = 1
lnpij 伊 移
m
i = 1
移
n
j = 1
lnaij
N移
m
i = 1
移
n
j = 1
lnp2ij - 移
m
i = 1
移
n
j = 1
lnpij
(1 臆 PAFRAC 臆2)
式中:aij 为第 i类景观第 j个斑块的面积(m2);pij 为
第 i类景观第 j个斑块的周长(m);N为景观中的总
斑块数. PAFRAC = 1 表示景观形状简单(如正方
形),其值越大表示景观斑块形状越复杂.
10)破碎度指数(splitting index,SPLIT)表示景
观中斑块的破碎程度,其算式如下:
SPLIT = A
2
移
m
i = 1
移
n
j = 1
a2ij
(1 臆 SPLIT 臆景观总像元数)
式中:aij为第 i类景观第 j个斑块的面积;A为景观总
面积. SPLIT = 1表示景观由 1个大斑块构成,SPLIT
值越大表示景观越分离,景观中小斑块数量越多.
11)聚合度指数( aggregation index,AI)表示景
观中同类斑块的聚集程度(% ),其算式如下:
AI = 移
m
i = 1
gii
gii
æ
è
ç
ö
ø
÷
max
伊 Pé
ë
êê
ù
û
úúi 伊 100摇 (0臆 AI臆100)
式中:P i 为第 i类斑块面积占总面积的比例;gii 为同
种斑块类型 i的所有像元之间的邻接数;gii max 为同
种斑块类型 i的所有像元之间最大邻接数,gu max = Ai
- n2,式中,Ai 为第 i类斑块的总面积(像元数),n为
正方形的边长(像元数) .当第 i类斑块总数(mi) = 0
时,gii max = 2n(n - 1);当 mi 臆 n时,gii max = 2n(n -
1) + 2m - 1;当 mi > n时,gii max = 2n(n - 1) + 2m
- 2.对于一定的 P i 来说,AI = 0 表示斑块类型聚集
度最低(即每类斑块的像元之间都不邻接),其值越
大表示同类斑块的聚集度越高,AI = 100表示景观由
1 个斑块构成.
12)最大斑块指数( largest patch index,LPT)指
景观最大斑块的比例(% )其算式如下:
LPI =
amax
A 伊 100摇 (0 < LPI 臆100)
式中:amax为景观或某类斑块中最大斑块的面积
(m2);A为景观所有斑块或某种斑块类型的总面积
(m2).
13)分离度指数( landscape division index,DIVI鄄
SION)指景观中斑块分离的程度,其算式如下:
DIVISION = 1 - 移
n
j = 1
a jæ
è
ç
ö
ø
÷
A
é
ë
êê
ù
û
úú
2
摇 摇 (0 臆 DIVISION < 1)
式中:a j 为景观中斑块 j或景观中某类斑块 j的面积
(m2);A为景观总面积(m2).当景观中仅有 1 个斑
块时,景观分离度指数为 0,景观分离度指数值越
大,表明景观内斑块组成越破碎、景观越复杂.
14) Shannon 多样性指数 ( Shannon爷 s diversity
index,H忆)的算式如下:
H忆 = - 移
m
i = 1
(P i 伊 lnP i)摇 (H忆 逸0 )
式中:P i 为斑块类型 i 在景观中所占面积比. H忆 = 0
表示景观只有 1 个斑块(没有多样性),其值越大表
示景观多样性越高.
15)Shannon 均匀度指数 ( Shannon爷 s evenness
index,J)的计算公式如下:
16115 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邱摇 扬等: 黄土丘陵小流域景观格局指数的粒度效应摇 摇 摇 摇 摇
J =
- 移
m
i = 1
(P i 伊 lnP i)
lnm 摇 (0 臆 J 臆1)
式中:m 为景观中斑块类型总数 (不包括景观边
界). J=0 表示景观只有 1 个斑块(没有多样性),其
值越大表示景观均匀性越高(即不同斑块类型所占
面积的比例越均匀),J = 1 表示不同斑块类型面积
完全相等.
16)蔓延度指数( contagion index,CONTAG)指
景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度(% ).
CONTAG =
1 +
移
m
i = 1
移
m
k = 1
P i
gik
移
m
k = 1
g
æ
è
çç
ö
ø
÷÷
ik
伊 ln P i
gik
移
m
k = 1
g
æ
è
çç
ö
ø
÷÷
ik
2 ln
é
ë
ê
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
ú
úm
伊
100
(0 < CONTAG 臆100)
式中:gik为斑块类型 i与 k之间的连接数.如果一个景
观由许多离散的小斑块组成,其蔓延度值较小;当景
观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时,
其蔓延度值较大.蔓延度指数表示斑块类型之间的相
邻关系,因此能够反映景观组分的空间配置特征.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 黄土丘陵小流域景观格局指数的稳定不变型
粒度效应
1975—2007 年黄土丘陵小流域景观斑块丰富
度随粒度增大保持不变. 其中,1975 年研究区有 4
种土地利用类型,不同粒度的斑块丰富度均为 4;
1998—2007 年该区有 5 种土地利用类型,不同粒度
的斑块丰富度均为 5. 可见,在 1 ~ 50 m 粒度范围
内,研究区各年份的斑块类型数保持不变.
2郾 2摇 黄土丘陵小流域景观格局指数的平稳降低型
粒度效应
1975—2007 年,随着粒度的增大,研究区景观
的斑块边界长度、斑块边界密度、景观形状指数、聚
合度指数和蔓延度指数均呈显著线性降低趋势(图
1),且这几项景观格局指数与粒度之间均呈极显著
负相关.原因在于随着粒度的增大,景观各斑块形状
和边界趋于简单,小斑块被大斑块融合,使斑块边界
的长度和密度减少、斑块分布的分散性增强,导致景
观形状指数、聚合度指数、蔓延度指数都随之降低.
图 1摇 研究区景观格局指数的平稳降低型粒度效应
Fig. 1 摇 Stable decreasing grain鄄effect of the landscape pattern
indices in the study area.
摇 摇 当粒度较小时,斑块边界长度、斑块边界密度、
景观形状指数、聚合度指数和蔓延度指数的波幅均
很小,但随着粒度增大到一定程度后,其波幅也呈现
相对明显的增大趋势. 斑块边界长度、斑块边界密
度、景观形状指数出现拐点的粒度为 15 m,聚合度
指数和蔓延度指数出现拐点的粒度为 30 m(图 1).
2郾 3摇 黄土丘陵小流域景观格局指数的波动降低型
粒度效应
由图 2 可见,研究期间,小流域景观分维数随粒
度增大呈波动递减趋势,属波动降低型指数.尤其是
当粒度增大到 3 m之后,分维数的波幅更加明显.
2611 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 2摇 研究区景观格局指数的波动降低型粒度效应
Fig. 2摇 Undulatory decreasing grain鄄effect of the landscape pat鄄
tern indices in the study area.
2郾 4摇 黄土丘陵小流域景观格局指数的波幅增强型
粒度效应
1975—2007 年,随着粒度的增大,研究区景观
总面积、Shannon多样性指数和 Shannon均匀度指数
的整体变化趋势比较稳定,但呈波幅显著增大式的
波幅增强型粒度效应,以景观总面积的波幅增强效
应尤为明显(图 3).
摇 摇 研究期间,该区景观总面积随粒度增大的变化
趋势一致,在较小粒度时的波幅较小,当粒度增大到
17 m后,总面积的波幅显著增强.
Shannon多样性指数不仅反映了景观内斑块类
型的丰富度,也可反映出每个斑块类型的相对分布.
图 3摇 研究区景观格局指数的波幅增强型粒度效应
Fig. 3摇 Amplitude鄄accreting grain鄄effect of the landscape pattern
indices in the study area.
图 4摇 研究区景观格局指数的不规则变化型粒度效应
Fig. 4摇 Anomalistic鄄changing grain鄄effect of the landscape pattern indices in the study area.
36115 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邱摇 扬等: 黄土丘陵小流域景观格局指数的粒度效应摇 摇 摇 摇 摇
当粒度增大到 10 ~ 15 m后,研究区景观 Shannon 多
样性指数的波幅略有增长,但整体变化极小.
Shannon均匀度指数指景观中各斑块在面积分
布上的均匀程度.当粒度增大到一定程度后,研究区
景观 Shannon 均匀度指数的波幅显著增强,不同年
份的拐点差异较大,1975、1998、2002、2004、2005 和
2007 年的拐点分别为 10、23、26、16、16 和 13 m.
2郾 5摇 黄土丘陵小流域景观格局指数的不规则变化
型粒度效应
随着粒度的增大,研究区斑块数、斑块密度、平
均斑块面积、最大斑块指数、破碎度和景观分离度指
数的整体变化趋势与波幅变化趋势在不同年份间的
差异很大,甚至截然相反(图 4).
摇 摇 研究期间,当粒度增大到 5 m后,研究区景观斑
块数、斑块密度和平均斑块面积的波幅均表现出显
著增强的趋势;但从整体变化趋势来看,1975 年与
其他年份截然不同(图 4). 1975 年,研究区斑块数
和斑块密度最低,且斑块形状相对复杂,使其斑块数
和斑块密度随粒度的增大呈显著增长趋势,而平均
斑块面积则呈显著降低趋势;其他各年份的斑块数
较多、斑块形状相对简单,导致这 3 项景观格局指数
的变化趋势与 1975 年正好相反.
1975 年,随着粒度的增大,研究区最大斑块指
数、破碎度指数和分离度指数的整体变化趋势与其
波幅的变化趋势都与其他年份截然相反(图 4). 随
着粒度的增大,1975 年这 3 项景观格局指数的波幅
均呈显著减弱的变化趋势,其他年份则呈显著增强
的趋势;1975 年研究区最大斑块指数的整体变化趋
势呈显著增大趋势,破碎度指数和分离度指数则呈
显著降低趋势,其他年份这 3 项景观格局指数的整
体变化趋势正好相反.
3摇 讨摇 摇 论
黄土丘陵沟壑区地形破碎,景观破碎化程度较
高,近年来的生态退耕导致土地利用与景观格局显
著变化[26-27] . 1975—2007 年大南沟小流域景观格局
指数的粒度效应明显,不同年份之间的差异显著.可
见,在比较分析不同小流域景观格局或相同小流域
景观格局的变化时,应选择相同的粒度,防止粒度效
应对研究结果的影响[9-10,14,23-24] .
大南沟小流域诸项景观格局指数的粒度效应可
分为 5 种:稳定不变型、平稳降低型、波动降低型、波
幅增强型和不规则变化型,其中不规则变化型的景
观格局指数最多.
研究区斑块丰富度的粒度效应,属于稳定不变
型.在 1 ~ 50 m 粒度范围内,1975 的 4 种斑块类型
以及其他年份的 5 种斑块类型都维持不变,因而斑
块丰富度保持不变[16,24] . 为了保证精度,在分析大
南沟小流域的斑块丰富度时,粒度越小越好[24] . 黄
土丘陵延河流域尺度的研究也表明,斑块丰富度没
有粒度效应[24] .美国凤凰城城市景观和粤北植被景
观的斑块丰富度在一定粒度范围内也属于稳定不变
型,但如果粒度进一步增大后,其斑块丰富度必然下
降[17] .在美国和加拿大的区域尺度上,斑块丰富度
随粒度增大呈不规则变化型的粒度效应[14] .
平稳降低型粒度效应的研究区景观格局指数包
括:边界长度、边界密度、景观形状指数、聚合度指数
和蔓延度指数. 1975—2007 年,随着粒度的增大,这
几项景观格局指数均呈显著线性降低趋势;当粒度
增大到一定程度(即拐点)后,这几项景观格局指数
的波幅呈相对明显的增大趋势,斑块边界长度、斑块
边界密度、景观形状指数的拐点约为 15 m,聚合度
指数和蔓延度指数的拐点为 30 m 左右. 可见,在分
析大南沟小流域这几项景观格局指数时,粒度宜小
于 15 ~ 30 m.与 Turner等[16]的研究结果相似,在黄
土丘陵延河流域尺度上,聚合度指数也呈平衡降低
型的粒度效应[24] .由于景观本底(气候、地貌、土壤、
植被)、人为干扰以及研究尺度的差异,导致景观格
局差异显著,不同地区的粒度效应研究结果相差很
大,甚至截然相反. 辽宁西部的研究表明,在 30 ~
990 m粒度范围内,随着粒度的增加,聚集度指数呈
平衡增加型的粒度效应[18] .在美国和加拿大区域尺
度上,边界密度和景观形状指数呈幂函数降低趋势,
而聚集度指数表现为不规则变化型的粒度效应[14] .
美国凤凰城城市景观的边界长度、边界密度和景观
形状指数也呈较平稳的幂函数降低趋势,聚集度指
数呈波动明显的幂函数降低趋势;粤北植被景观的
这 4 项指数均呈分段式直线下降趋势[17] .
研究区景观分维数的粒度效应属于波动降低
型.研究期间,该区景观的分维数随粒度增大呈波动
递减趋势,原因在于随着粒度的增大,小斑块逐渐融
合到大斑块中,导致斑块形态简化;当粒度增大到 3
m后,分维数的波幅明显加剧.说明在计算大南沟小
流域分维数时,粒度宜小于 3 m.在延河的流域尺度
以及美国和加拿大的区域尺度上,分维数也呈降低
型的粒度效应,但其波幅极小[14,24] . 美国凤凰城城
市景观的分维数呈较平稳的幂函数降低趋势,而粤
北植被景观的这 3 项指数均呈分段直线下降趋
4611 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
势[17] .
属于波幅增强型粒度效应的研究区景观格局指
数包括:景观总面积、Shannon 多样性指数和 Shan鄄
non均匀度指数. 研究期间,随着粒度的增大,该区
景观总面积、Shannon多样性指数和 Shannon 均匀度
指数的整体变化趋势较稳定,但由于斑块受粒度变
化而出现分割与合并,使这 3 项景观格局指数的波
幅呈显著增大的粒度效应,且以景观总面积的波幅
增强效应最明显.研究区景观总面积粒度效应的拐
点为 17 m,即当粒度增大到 17 m 后,其波幅显著增
强;由于景观总面积是其他相关格局指数的计算基
础,为了提高精度,在计算研究区总面积时需采用
17 m 以下的粒度. 研究区 Shannon 多样性指数和
Shannon均匀度指数粒度效应的拐点分别为 10 ~ 15
m和 10 ~ 26 m,不同年份之间差异很大,说明在计
算该小流域这几项景观格局指数时,粒度宜小于 10
~ 26 m. 在延河流域尺度上,景观总面积、Shannon
多样性指数和 Shannon均匀度指数也呈波幅增强的
趋势,但景观总面积的平均值呈降低趋势[24] . 由于
景观本底、研究尺度、景观格局以及人为干扰的差
异,导致不同地区的粒度效应研究结果相差很大,甚
至截然不同.辽宁西部的研究结果表明,在 30 ~ 990
m粒度范围内,随着粒度的增加,Shannon 多样性指
数呈平衡降低型或稳定不变型的粒度效应[18] .在美
国和加拿大区域尺度上,Shannon 多样性指数的粒
度效应呈阶梯状的不规则变化型[14] .美国凤凰城城
市景观的 Shannon 多样性指数呈平稳线性降低趋
势[17],这与 Turner等[31]的研究结果相似;粤北植被
景观呈稳定不变型的粒度效应[17] .
属于不规则变化型粒度效应的研究区景观格局
指数较多,包括:斑块数、斑块密度、平均斑块面积、
最大斑块指数、破碎度指数和景观分离度指数. 1975
年,这几项景观格局指数的粒度效应与其他年份之
间的差异显著,甚至截然相反,主要原因是 1975 年
的土地利用及其空间格局与其他年份之间的差异显
著[7,17,27] .研究期间,当粒度增大到 5 m 后,研究区
斑块数、斑块密度和平均斑块面积的波幅显著增强,
因此计算粒度宜小于 5 m. 1975 年,研究区斑块数和
斑块密度随粒度增大呈显著增长趋势,而平均斑块
面积呈显著降低趋势,其他年份这 3 项景观格局指
数的变化趋势正好相反. 随着粒度的增大,1975 年
该区最大斑块显著增大,破碎度指数和景观分离度
指数则呈显著降低趋势,其他年份正好相反;1975
年,最大斑块指数、破碎度指数和景观分离度指数的
波幅均显著减弱,其他年份则显著增强.在延河流域
尺度上,1988 和 1993 年斑块数、斑块密度、平均斑
块面积和景观分离度指数的粒度变化效应与大南沟
小流域 1975 年的变化趋势正好相反[24],可能是因
为研究幅度与研究时间不同,导致景观格局的差异
显著.在美国和加拿大区域尺度上,斑块数、斑块密
度和平均斑块面积的粒度效应呈比较一致的幂函数
变化趋势,其中斑块数和斑块密度随粒度的增大呈
显著的幂函数降低趋势,而斑块面积呈显著增加趋
势[14] .在美国凤凰城城市景观和粤北植被景观,平
均斑块面积和最大斑块指数随粒度的增大均呈幂函
数增加趋势;斑块数和斑块密度在美国凤凰城城市
景观呈比较平稳的幂函数降低趋势,在粤北植被景
观表现为分段直线下降趋势[17] .
景观格局指数分析的适宜粒度范围随研究幅度
和研究地区而变化.本研究结果表明,黄土丘陵沟壑
区大南沟小流域尺度上景观格局指数的适宜粒度不
超过 3 ~ 30 m,远小于区域尺度上的适宜粒度范围.
赵文武等[24]研究发现,延河流域尺度上的适宜粒度
范围为 70 ~ 120 m. O爷Neill 等[19]认为,采用粒度为
1 km计算美国东南部区域景观格局指数时,可能忽
略某些面积小于 1 km2 的小斑块.
不同地区的景观格局指数粒度效应相差较大,
同一地区不同幅度甚至相同地区相同幅度不同年份
的景观格局指数粒度效应也存在较大差异. 为了减
少粒度效应导致的误差,需要针对不同地区不同幅
度的景观或区域,分析不同时段的诸项景观格局指
数的粒度效应,在此基础上,选择适宜的景观格局指
数和相应的粒度(或分辨率) [17-21] .
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作者简介 摇 邱 摇 扬,男,1969 年生,博士,副教授. 主要从事
景观生态与土地质量、干扰生态与植物生态、土壤侵蚀与水
土保持研究,发表论文 70 余篇. E鄄mail: qiuyang69 @ bnu.
edu. cn
责任编辑摇 杨摇 弘
6611 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷