高海拔地区资源景观格局高程分异特征统计分析研究—以羌塘自然保护区为例

2014-10-31田婉婷王亮赵荣徐胜华

遥感信息 2014年4期

田婉婷，王亮，赵荣，徐胜华

（1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，兰州 730070；2.中国测绘科学研究院，北京 100830）

1 引言

地理国情普查综合统计分析的目标之一是以客观反映我国的国土空间布局为出发点，从地理空间的角度，对自然、人文等地理国情普查要素进行统计和分析，为优化国土空间开发格局和各类资源配置提供重要的参考信息。目前地理国情普查综合统计分析实验开展的地区多为海拔较低的地区，由于高海拔地区地理国情普查数据尚未获得，本文采用与地理国情普查数据分类较接近的国家西部测图工程数据为数据源，从方法上研究高海拔地区景观格局随高程的分异情况，为统计分析实验在高海拔地区的开展提供参考。本文选择西藏自治区内的羌塘自然保护区为研究区域，从景观格局的角度对研究区内资源分布情况随高程的分异特征进行统计分析，为资源景观格局在高海拔地区的统计分析研究提供参考。

景观格局通常是指景观的空间结构特征，包括景观组成单元的多样性和空间配置［1］。它既是景观异质性的具体体现，又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果［1－3］。景观指数是能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。景观格局指数法是景观生态学中的空间分析方法之一，研究景观空间格局，对揭示生态状况及空间变异特征具有重大意义［4－8］。

景观格局演变是格局与过程相互作用的产物，其驱动因素包括自然因素和人文因素。自然因素中的地貌特征尤其高程是重要的驱动因子，它通过影响区域内物质和能量的流动和各种干扰的发生频率、强度和空间格局来影响着景观格局演变［2］，目前很多学者对景观指数的高程分异进行研究，张明阳等研究白洋淀流域景观格局随高程的分异情况，邵怀勇等研究巫山县景观格局随高程的变化情况，但研究区域大都是中低海拔地区，羌塘自然保护区地处世界上海拔最高的高原，最低海拔4471m，高程跨度近3000m，是高原荒漠生态系统的代表地区。因此，研究羌塘自然保护区内景观格局随高程的分异特征，有助于增加对保护区景观现状的理解程度，为保护区的规划提供参考。

2 研究区域及数据来源

2.1 研究区概况

羌塘自然保护区位于西藏自治区西北部，昆仑山、可可西里山以南，冈底斯山和念青唐古拉山以北，地理坐标为东经79°42′～82°59′，北纬32°10′～36°32′，总面积约29.8万平方公里，于2000年4月被国务院批准为国家级自然保护区，是世界第二大陆地自然保护区，也是平均海拔最高的自然保护区。主要保护对象为保存完整的、独特的高寒生态系统及多种大型有蹄类动物。

羌塘自然保护区地处高寒地带的藏北高原，平均海拔5000m以上，年平均气温在摄氏零度以下，是高原荒漠生态系统的代表地区。这里不仅有星罗棋布的湖泊，空旷无边的草场以及皑皑的雪山和冰川，而且有众多的濒危野生动植物。因此，对其景观格局进行研究，对全面认识保护区的景观现状特征，合理利用其景观资源具有重要意义，并为保护区的生态旅游、经济开发和环境保护提供科学依据和决策支持。

2.2 数据来源

本研究采用SRTM分辨率为100m的DEM数据，2009年国家西部测图工程1∶5万地表覆盖数据。按照数据中的地表覆盖要素分类方法，保护区内共存在林地、草地、水域与湿地、冰川和永久积雪、城镇工矿交通、荒漠与裸露地六种地表覆盖要素类型，各要素类型的分布情况如图1所示：

图1 羌塘自然保护区地表覆盖类型分布图

图2 羌塘自然保护区高程分级图

3 研究方法

利用DEM数据将研究区划分为六个高程带，以此对保护区地表覆盖类型分布图进行裁切，获得各高程带的地表覆盖类型分布图，在景观格局软件FRAGSTATS和ArcGIS的支持下，计算出不同高程带的景观格局指数，并进行分析。详细的技术路线如图3所示。

3.1 高程带划分

研究区内的高程范围是4471m～7065m，由于研究区内海拔较低的地区面积占比大，且地表覆盖类型较为复杂，所以在4471m～5600m范围内每间隔300m分一级，而海拔较高的地区面积占比较小，植被覆盖类型单一，尤其是6000m以上，只存在三类景观要素，故将6000m以上单独划为一级。研究区内高程分为6级：

图3 技术路线

表1 研究区高程分级

3.2 确定景观格局指数

景观格局可以在3个层次上分析：（1）单个斑块（individual patch）；（2）由若干单个斑块组成的斑块类型（patch type或class）；（3）包括若干斑块类型的整个景观镶嵌体（landscape mosaic）。因此，景观格局指数亦可相应地分为斑块水平指数（patch－level index）、斑块类型水平指数（class－level index）以及景观水平指数（landscape－level index）［1］。

为了分析羌塘自然保护区景观格局随高程的分异特征，通过深入了解景观格局指数的意义［9］，本文利用FRAGSTATS软件，在计算了大量的景观指数的基础上，通过相关性分析并结合研究区自然环境级研究目的［10－13］，在斑块类型水平上选择了景观类型百分比（PLAND）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、景观形状指数（LSI）、聚集度指数（AI）、共6个指数，在景观水平上（除景观类型百分外），另增加了多样性指数（SHDI）、均匀度指数（SHEI）共7个指数。

4 结果分析

4.1 不同高程带景观类型分布情况

景观类型百分比（PLAND）等于某一斑块类型的总面积占整个景观面积的百分比。其值趋于0时，说明景观中此斑块类型十分稀少；其值等于100时，说明整个景观只由一类斑块组成。PLAND是确定优势景观元素的依据之一；也是决定景观中的生物多样性、优势种和数量等生态系统指标的重要因素。

羌塘自然保护区景观类型百分比随高程分布情况如下图所示，林地景观所占百分比较少，且仅分布在高程级别1～5（4471m～6000m）范围内；草地景观所占的景观百分比最大，在高程分级1～3级（4471m～5300m）范围内，面积占比随海拔的升高而增大，在4～6级（5300m～7065m）面积占比逐渐减少，说明草地景观是羌塘自然保护区的优势景观，但其分布的优势高程区域也是受到限制的；水域与湿地景观占比随高程增加呈下降的趋势并逐渐趋近于零，主要分布在海拔较低的地区；冰川和永久积雪在1～3级（4471m～5300m）高程带内基本没有分布，在4～6级（5300m～7065m），随着高程的不断增加，面积占比剧增，最高达到80%，说明在高海拔地区，冰川和永久积雪属于优势景观；城镇工矿交通在保护区内分布较少，由于高海拔环境对人类活动制约较大，故城镇工矿交通景观主要分布在低海拔地区，荒漠与裸露地景观类型百分比随高程分布曲线比较曲折，说明荒漠与裸露地对高程的选择性较强。

图4 羌塘自然保护区景观类型百分比随高程分布情况

4.2 斑块密度和最大斑块指数随高程分异情况

斑块密度（PD）等于单位面积斑块数，反映了景观破碎程度，斑块密度越大，则斑块越小，破碎化程度越高。

从斑块类型的角度看，林地的PD随高程递增的变化不明显，斑块破碎度在各高程带都比较小；草地和荒漠与裸露地的PD随高程增加的变化趋势大体相同，都经历了先减小后增加的过程，这两类景观在整个高程范围内的破碎化程度都不是很大；水域与湿地和城镇工矿交通的PD随海拔的升高整体呈下降趋势，但水域与湿地的破碎化程度比城镇工矿交通的大；冰川和永久积雪的PD随高程增加整体呈上升趋势。

从景观水平来看，在第1～4级（4471m～5600m）高程范围内，景观的PD随着高程的递增而递减，因为在这个高程范围内各斑块类型的破碎程度均较小，而在第5～6级（5600m～7065m）高程范围内，景观的PD随高程的递增而增加，景观的破碎化程度也加深，因为，随着地形起伏的增加作为主要景观类型的草地与冰川和永久积雪的斑块密度在增加，且变化幅度较大。

图5 羌塘自然保护区斑块密度随高程分布情况

最大斑块指数（LPI）等于各斑块类型中的最大斑块面积与景观总面积之比的百分数，其值的大小决定着景观中的优势种。

从斑块类型水平来看，由最大斑块面积比可以看出，林地和水域与湿地随高程分异的趋势基本是随着高程的递增，LPI递减，不同的是在第1级（4471m～4700m）高程带中，水域与湿地的LPI较大；在高程级别1～5级（4700m～6000m）范围内，以草地的LPI最大，草地在这5个高程带中，面积最大，占有较大的优势；在第6级（6000m～7065m）高程带中则以冰川和永久积雪的LPI最大，冰川和永久积雪在海拔6000m以上优势较大；而其他景观类型随高程的分布趋势不是很明显，说明这些景观类型的LPI受垂直地带性的影响不显著。综上所述，各景观类型的LPI随高程带的分布特征，最主要由该景观类型在整个景观中的面积占比所决定的，面积占比越大，对景观格局的影响越大，其LPI也就越大。

景观水平的LPI值等于斑块类型水平的最大值（在1～5级高程带内草地的LPI值最大，在第6级高程带内冰川和永久积雪的LPI最大）。由各高程带景观水平的LPI可以看出，在第1～3级（4471m～5300m）和第6级（6000m～7065m）高程带内，LPI值较大，这主要是因为1～3级高程带内占绝对优势的景观为草地，第6级高程带内以冰川和永久积雪为主导景观，而在4～5级（5300m～6000m）高程带内，LPI值比较小，说明这两级高程带内各景观类型分布比较均衡，景观结构比较复杂，几乎不存在占绝对优势的斑块。

图6 羌塘自然保护区最大斑块指数随高程分布情况

4.3 边缘密度和景观形状指数高程分异情况

边缘密度（ED）是单位面积的斑块边界数量，反映景观中异质性斑块之间物质、能量和物种交换的潜力及相互影响的强度，可直接表征景观整体的复杂程度［14］。

从斑块类型的角度来看，林地的ED随高程变化不明显，可见林地景观的边缘密度受垂直地带性的影响不大；草地和城镇工矿交通的ED随高程的逐渐增加呈递减趋势，说明随着海拔的上升，这两种景观类型受到其他景观的干扰程度越小，景观形状趋于简单，但草地的边缘密度整体上大于城镇工矿交通的边缘密度，也是第1～5级（4471m～6000m）高程范围内，所有景观类型中ED最大的景观，形状最为复杂，这与草地在保护区内绝对优势的面积占比有关；在第1级（4471m～4700m）高程范围内，水域与湿地的ED随高程递增而增大，在第2～6级（4700m～7065m）高程范围内，随高程升高而递减，这说明，在海拔较低的地区，水域与湿地受其他景观干扰程度较强，形状较为复杂，随着海拔的上升，整体景观结构趋于简单，自身斑块面积减少，ED逐渐减小，最终趋近于零；冰川和永久积雪的ED在第4～6级（5300m～7065m）高程范围内剧增，即由于垂直地带性的原因，使得冰川和永久积雪的形状越来越复杂；荒漠与裸露地在第1级（4471m～4700m）高程范围内ED随高程递增而减小，在第2～6级（4700m～7065m）高程范围内，随高程升高而增大。

从景观水平看，边缘密度在第1～4级（4471m～5600m）高程范围内随着高程的增加而逐渐减小，在此高程范围内，景观的边缘密度与草地的走势基本一致，可见，草地作为优势景观对整个景观的边缘密度有着重要的影响；在5～6级（5600m～7065m）高程范围内，景观的边缘密度随海拔升高而增大，在此高程范围内，冰川和永久积雪作为优势景观，其边缘密度影响着整个景观的边缘密度。

图7 羌塘自然保护区边缘密度随高程分布情况

景观形状指数（LSI）是通过计算整个景观形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状复杂程度的。当景观中只有一个正方形斑块时，LSI＝1；当景观中斑块形状不规则或偏离正方形时，LSI值增大。

从斑块类型角度看，林地、冰川和永久积雪、荒漠与裸露地随海拔高度的变化不显著，说明这三类景观的LSI受高程影响较小，但林地的LSI值相对较小，这表明林地的形状较简单；从LSI随高程分布图上可以看出，草地、水域与湿地的LSI走势与城镇工况交通的LSI走势大体相近，说明，人类活动对草地和水域与湿地这两类景观的LSI影响较大，人类干扰越大，LSI越大，景观的形状就越复杂。

从景观水平看，整体景观的LSI随高程变化趋势与草地景观随高程变化的基本吻合，一方面说明草地景观在保护区内的优势地位，其形状指数影响着整个景观的形状指数，同时由分布曲线可以看出，LSI并没有随着海拔的逐渐升高而连续呈上升趋势，这说明保护区内的优势景观适宜在高海拔、高寒地区生长，因为景观的斑块没有因为高海拔区地势崎岖、环境恶劣的影响，而具有被地形干扰的印记，斑块形状也没有趋于复杂的趋势。

图8 羌塘自然保护区景观形状指数随高程分布情况

4.4 聚集程度高程分异情况

集聚度指数（AI）反映景观中不同斑块类型的非随机性或聚集程度。如果一个景观由许多离散的小斑块组成，其聚集度的值较小；当景观中以少数大斑块为主或同一类型斑块高度连接时，其聚集度的值则较大。聚集度指数明确考虑斑块类型之间的相邻关系，因此能够反应景观组分的空间配置特征。

从斑块类型角度看，林地的AI随高程上升，大体呈增大趋势，虽然林地景观在整个保护区内面积占比较小，但斑块连片分布，聚集程度很高；草地、荒漠与裸露地和的城镇工矿交通AI随海拔的升高变化较小，大体呈上升趋势，说明高程对这三类景观的AI影响较小，但城镇工矿交通的聚集度远低于其他两类景观；水域与湿地的AI随高程的分异的变化幅度很大；冰川和永久积雪的AI随高程升高呈上升趋势，这是因为随着高程增加，冰川和永久积雪面积大幅增加，斑块成片分布。

从景观角度来看，景观的AI随高程变换的趋势大体上与草地景观的相同，随海拔上升呈缓慢的递减趋势，只是在第6级高程带内，AI受该高程带内的优势景观冰川和永久积雪影响，呈递增趋势，景观整体的聚集程度较高。

图9 羌塘自然保护区聚集度指数随高程分布情况

4.5 多样性程度高程分异情况

多样性指数（SHDI）和均匀度指数（SHEI）是两个仅适用于景观水平的指数。多样性指数反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。当景观是由单一类型构成时，多样性指数为0，表明景观是均质的；当景观由两个以上类型构成时，若各景观类型所占比例相等时，其景观的多样性指数最高；各景观类型所占比例差别增大，则景观的多样性下降。均匀度指数描述景观中不同景观类型分配的均匀程度，其值越大，表明景观各组成成分分配越均匀。当其值趋于1，则表明景观内部各类型均匀分布，没有优势类型凸现。

从图9可以看出，保护区内景观的SHDI在各个高程带分布的差异较大，其中第3～4级（5000m～5600m）高程范围内的多样性指数明显低于其他高程带，在这两个高程带内，草地的面积占比高达90%，其他各景观类型占比很少，导致该高程带内的景观多样性低；第1级（4471m～4700m）和第5级（5600m～6000m）高程带内，各景观类型的占比相对较均匀，故多样性指数较高。但总体来讲，由于羌塘自然保护区的特性，保护区内景观类型比较简单，草地面积占保护区总面积的86%，因此保护区内的多样性指数整体偏低，都小于1，景观异质性水平较低。SHEI随高程分布的趋势与SHDI一致，即景观的均匀度分布和多样性分布基本一致。

图10 羌塘自然保护区多样性指数、均匀度指数随高程分布情况

5 结论

本文利用景观生态学中的景观格局指数随高程的分异情况来反映研究区域内资源分布格局随高程的分异情况，目前景观格局指数较多，本文分别从优势性、复杂性、聚集度和多样性四个方面选取了较有代表性的指数进行实验分析，得出试验区内各地表覆盖类型以上四个方面特征随高程的分异情况：

（1）羌塘自然保护区内各资源类型的分布情况受垂直变化影响，各资源有其分布的优势区域。第1～5级（4471m～6000m）高程范围内为草地分布的优势区域；在海拔最高的第6级（6000m～7065m）高程带，冰川和永久积雪有绝对的优势性；

（2）随着海拔的升高资源的复杂程度有着先增大后减小的趋势。在第1～2级（4471m～5000m）高程带内，由于海拔较低，人为景观分布较多，在一定程度上干扰了其他自然景观的分布，导致景观复杂程度增大；从第3级高程带开始，复杂程度随着海拔的升高而降低，说明保护区的内自然资源适宜在高海拔、高寒地区生长。

（3）保护区内资源聚集程度随高程分异特征不明显。说明资源整体呈集中连片分布的趋势，聚集程度很高，资源破碎度较小，主要原因之一是：研究区海拔高，环境恶劣，人为景观较少（仅占保护区总面积的0.11%），人类活动对自然资源的干扰程度较小；

（4）保护区内资源的多样性随高程分异的曲线比较曲折、差异较大，在第2～4级（4700m～5600m）高程带及第6级（6000m～7065m）高程带内多样性明显较低，是因为草地与冰川和永久积雪分别大面积的分布在这两个区间内；保护区内多样性最大值为0.95，说明由于独特的地理条件和气候等条件，资源类型较为单一，景观异质性水平较低，一旦遭到破坏就无法恢复或需要很长时间才能恢复，因此要保护生物多样性，提高保护区生态系统功能，以实现保护区的可持续发展。

6 存在的问题及展望

本研究为地理国情综合统计分析中资源景观格局统计分析在高海拔地区的研究提供了参考，但在研究过程中存在一些问题：本文按采集地表资源的一级类，即草地、林地、水域等六个类别，进行资源景观格局高程分异特征的统计分析研究，得到的结论之一是保护区内景观的多样性指数较小，景观的垂直分异比较简单，在进一步研究过程中可按地表资源42个二级类进行统计分析，比较结论是否存在差异；本文的研究只采用一个时相的数据进行研究，随着地理国情普查工作的进一步开展，综合统计分析工作的不断深入，可以引用更高精度、多时相的地理国情普查数据，开进一步的分析研究，以期更加准确详实的反映研究区的地表特征和不同地表覆盖类型结构组成和空间配置情况、总结规律并进行趋势预测。

［1］邬建国.景观生态学—格局、过程、尺度与等级（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］傅伯杰，陈利顶，马克明.景观生态学原理及应用［M］.北京：科学出版社，2001.

［3］FORMAN R T T.Land mosaics：The ecology of landscapes and regions［M］.Cambridge：Cambridge University Press，1995.

［4］张明阳，王克林，刘会玉，等.白洋淀流域景观空间格局随高程分异研究［J］.干旱区资源与环境，2005，19（4）：75－81.

［5］宋先先，王得祥，赵鹏祥，等.天华山自然保护区景观格局现状及分析［J］.西北林学院学，2011，26（4）：75－79.

［6］张媛媛，李满春，刘永学.浙西低山丘陵区景观格局变化的高程分异研究—以桐庐县为例［J］.测绘科学，2007，32（2）：118－121.

［7］陈楠，杨武年，李娟.巴中市丘陵山区土地利用在地形梯度上的分布特征［J］.水土保持通报，2012，32（1）：185－188.

［8］邵怀勇，仙巍，周万村.基于3S技术的三峡库区不同高程带景观格局研究—以巫山县为例［J］.水土保持通报，2005，25（3）：54－57.

［9］李秀珍，布仁仓，常禹，等.景观格局指标对不同景观格局的反应［J］.生态学报，2004，24（1）：123－134.

［10］林婷.福州市土地利用景观空间格局分析［J］.福建地理，2003，18（3）：16－19

［11］刘亚林，张志.基于遥感测量的土地覆盖景观格局多尺度研究［J］.应用生态学报，2005，16（3）：475－480.

［12］赵永华，贾夏，刘建朝，等.基于多源遥感数据的景观格局及预测研究［J］.生态学报，2013，33（8）：2556－2564.