洞庭湖区景观异质性的尺度效应研究

段亚锋　王克林　冯　达

(1.长沙市环境监测中心站，湖南 长沙　410000；2.湖南农业大学，湖南 长沙　410128；3.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙　410125；4.湖南省测绘科技研究所，湖南 长沙　410007)



洞庭湖区景观异质性的尺度效应研究

段亚锋1，2王克林3冯达4

(1.长沙市环境监测中心站，湖南 长沙410000；2.湖南农业大学，湖南 长沙410128；3.中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南 长沙410125；4.湖南省测绘科技研究所，湖南 长沙410007)

【摘要】景观异质性是景观的基本特征，也是景观生态学研究的重要内容之一。景观的异质性随着研究尺度的改变而变化，不同尺度，各景观组分的异质性表现不同。而异质性的大小，直接影响着生态学研究过程中样地尺度的选择是否合适。本文以我国典型的湿地景观生态系统洞庭湖区为例，采用信息熵法，选取样线，利用湖区五期影像资料，借助ArcGIS相关软件将样线与影像资料进行叠加，在800m、1600m、3200m、6400m、12800m五个尺度上，针对水田、旱地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地七种景观组分进行分析，得到各种景观组分在不同尺度上的信息熵和最大异质性表现尺度，根据分析结果，对今后景观研究过程中样地尺度的确定提供了一些依据。

【关键词】洞庭湖区；景观异质性；尺度效应

景观异质性主要指景观内部资源或性状的时空变异程度，是由于环境要素的时空差异及各种自然和人为干扰作用的时空不均匀性所产生的，它是景观最基本的特征，也是研究景观功能和动态的基础，对探索景观结构与自然生态过程和社会经济活动的关系具有重要的意义[1-4]。景观异质性随某一景观要素出现的相对频率变化而变化。当景观中仅存在某一景观要素或该景观要素完全不存在，对此景观要素来说景观是均质。当某一景观要素出现在景观中，并占有一定比例时，景观开始出现异质性，而且异质性会随该景观要素出现相对频率的增加作相应提高，直至增加到某一临界阈值时，该景观要素在景观中占主导地位。当其相对频率再继续增加时，景观的异质化程度又开始下降，景观重又趋向均质化[5]。同时，景观的这种异质性特征具有尺度效应，当研究尺度发生变化时，景观异质性表现差异明显[6，7]。

洞庭湖区是我国最大的淡水湖泊湿地景观生态系统之一[8]。它位于长江中下游最敏感又最脆弱的生态区位，同时又是长江从西往东不同景观生态的过渡地带。科学工作者针对洞庭湖区的水文、地质、生态环境、土地利用等方面做了大量的工作[9-13]。但是，鉴于湖区生态环境的复杂性，在进行科学研究，确定研究范围时，一直缺乏一种可以参照的尺度标准。研究范围过小，会影像研究结果的代表性；研究范围过大，会增加工作量[14]。本文利用洞庭湖区1980～2015年间的5期影像数据，采用信息熵法，讨论了洞庭湖区7种景观类型在5个不同尺度上的异质性表现，为今后研究工作确定研究范围大小提供了依据。

1研究区概况

洞庭湖位于长江中游荆江南岸，是一个承纳湘、资、沅、澧四水和吞吐长江的洪道型湖泊，受其特殊的地理环境影响，形成了我国湖泊中面积最大的湿地――洞庭湖区。洞庭湖区界于27°55′～30°23′N、110°50′～113°45′E之间，指以洞庭湖为中心，向东、南、西三面过渡的广大河、湖冲积-淤积平原和环湖丘陵岗地及外围的低山区，具有碟形盆地圈带状立体景观结构的特征。我们选取的洞庭湖区范围包括湖南省的岳阳市、岳阳县、华容县、沅江市、南县、湘阴县、汨罗市、益阳县、益阳市、安乡县、汉寿县、澧县、津市、常德市、等14个县市，总面积22，875km2(据中国资源与环境数据库提供的行政区划)[15]。

2数据来源

在对研究区景观功能认识的基础上，根据土地利用现状，将研究区景观类型划分为水田、旱地、林地、水域、草地、建设用地和未利用地7种类型。在ERDASIMAGINE软件环境下，完成图像矢量化工作：通过对研究区1980年的LandsatMSS图像和1990年、2000年、2010年、2015年的LandsatTM图像进行目视判读得到初步解译结果。在此基础上，采用随机取样的布点方式，对样点进行野外核查，校正初步解译结果，得到研究区5期遥感影像解译数据。

3研究方法

3.1信息熵法

景观的异质性特征可以通过统计方法进行准确度量，信息熵分析方法是近年来比较成熟的异质性分析方法。信息熵法的工作原理是：将一条通过景观的样线分成若干等长的样段，若每一组分在两个连续的样段中同时出现或缺失，则认为它们之间不具有异质性，若只在一个样段中出现而在另一个样段中缺失，则认为它们之间具有异质性，对整条样线上所有连续的样段都进行比较，通过以下公式计算出该景观组分在当前观察尺度上的异质性信息熵：

(1)

式中：I为异质性信息熵；n为观察到的异质性次数；N表示样段总数。I的值越接近1表示异质性越强；越接近0表示接近均质分布。对样段进行两两合并，将长度增加一倍，然后重复上述工作，通过这样多次合并，就可以观察景观组分的异质性随尺度的变化趋势。

3.2实验设计

利用ArcGIS软件，以尽量覆盖整个湖区为原则，在已解译的洞庭湖区影像图中布设4条样线，分别为：A-A′(南-北方向，全长140800m)、B-B′(东北-西南方向，全长217600m)、C-C′(东-西方向，全长140800m)、D-D′(西北-东南方向，全长166400m)。以800米为样段长，分别将4条样线分别均分成176、272、176、208个样段，按样段编号对每个样段命名(如A-A′ 001)，用Arcmap中的intersect命令将4条均分好的样线与1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5期洞庭湖区数字影像叠加，得到不同时期，每一个样段经过的景观类型的数据，根据式(1)计算出每条样线各个样段在该尺度上的信息熵。然后将样段两两合并，分别在1600m、3200m、6400m、12800m尺度重复上述工作。

图1　研究区地理位置及样线布设图

4结果与分析

4.1研究区景观的基本特征

1980—2015年这三十五年中，尽管不同景观类型面积大小发生了变化，但各种景观类型在研究区所占面积比例基本稳定。其中，水田是研究区占地面积最大的景观类型，约占总面积45%，是改地区的基质；其次为林地、水域和旱地，分别约占总面积的21%、15%和10%。其他景观类型面积比较小，均未超过总面积的5%。

4.2样线信息熵计算结果分析

4.2.1时间变化规律

由于4条样线经过的范围不同，而整个湖区不同区域自然地理状况和生态环境各异，在1980—2015年这三十五年中社会经济发展状况也各不相同，因此4条样线的各景观组分在不同时期、不同尺度上得到的信息熵并不相同。但是，结果所反映的时间异质性信息熵值的变化趋势是相同或相似的。受篇幅限制，本文仅列出样线A-A′的异质性信息熵计算值以年代为单位做的散点图(图2)。以样线A-A′为例，说明景观组分异质性尺度变化的时间规律。

(1)除1980年外，其他年份的信息熵散点图基本构架相似。1980年图形的主要不同表现在旱地信息熵在6400m尺度和12800尺度上：1980年旱地信息熵的最大表现尺度是6400m，之后，6400m尺度上的异质性信息熵降低，12800m尺度信息熵增高，成为旱地最大信息熵表现尺度。

(2)信息熵数据显示，总的来说，随着时间的推移，除旱地和建设用地的个别尺度之外，其他景观组分在各个尺度上信息熵的值均稳中有升，说明近35年来洞庭湖区大部分景观组分在各尺度上总体异质性在逐渐增加。但是同时，曲线形状在不同年代基本保持稳定，说明尽管信息熵的绝对值随时间发生了变化，但是景观组分之间的相对大小基本保持稳定。

(3)就不同景观类型而言，水域在不同尺度水平上信息熵值最大，表现出的异质性最为明显；其次为建设用地；草地和未利用地信息熵值较小，异质性相对比较低。水田最大异质性表现尺度为1600m或3200m，在超过6400m的尺度上，不同年代水田异质性信息熵均为0，表现出很强的均质性；旱地的最大异质性表现尺度为6400m或12800m，同时，在其他尺度上，旱地也表现出较为明显的异质性；林地在12800m的尺度上异质性明显，表现为明显的宏观异质性；草地和未利用地具有相似的异质性表现，异质性随尺度的增加而增强，但信息熵的值总体不高；水域的异质性在不同尺度观察时变化幅度最大；建设用地最大异质性表现尺度为6400m和12800m，在其他尺度上异质性信息熵值也比较高。

4.2.2空间变化规律

上图2反映了样线A-A′在1990年、2000年、2010年2015年四个年份的异质性信息熵变化规律具有高度的一致性。通过计算比较，其他3条样线也表现出相同的规律。受篇幅限制，我们以2015年信息熵为例分析研究区异质性尺度效应的空间变化规律(图3)。

从图中纵坐标信息熵的大小可以看出，水域是研究区异质性表现比较突出的景观类型，水田和草地异质性相对较低。

A—水田；B—旱地；C—林地；D—草地；E—水域；F—建设用地；G—未利用地图2　不同年代信息熵散点图

图3　不同景观类型的异质性信息熵(2015年)

尽管空间位置发生了变化，但是相同类型的景观在不同尺度上的异质性信息熵变化趋势总体上是一致的：旱地、林地、草地、建设用地和未利用地的异质性信息熵随尺度的增加，在不同的样线上有不同幅度的增大；水域的异质性最大尺度出现在3200m，尤其在B-B′样线即西北-东南方向表现明显。而水田的异质性信息熵在不同样线穿过的空间位置差别较大，这是湖区种植水稻自然条件优越和人工干预强烈的结果。

5结论与讨论

(1)耕地和水体是耕地是研究区主要的景观类型：湖区耕地斑块以大面积的多个斑块团聚为主要存在形式，小面积斑块较少。水域中人工河、塘往往与天然湖泊相连，形成水域景观斑块面积大小不一，连通性较好的格局。从1980—2015年的35年中，湖区景观破碎度显著增加，斑块形状不规则度加大，不同景观类型之间的面积差别在缩小。

(2)造成1990年前后异质性信息熵变化较大的重要原因是，在1980—1990年间，洞庭湖进行了大规模的围垦，主要集中在洲滩的利用上，仅1985—1990年5年间被围垦面积约30万亩，加上湖泊泥沙沉积加剧，造成内湖破碎度不断增加。到80年代末，随着认识水平的提高和政府对湖泊管理能力的加强，人类的围垦活动减弱，对景观影响趋缓。

(3)7种景观类型中，异质性熵随尺度增加而呈增加趋势的有旱地、林地、草地、建设用地和未利用地；水田作为洞庭湖区主要的景观类型，在本文所选取的研究范围、样线布设的4个方向和分析的尺度水平上，在3200m尺度上表现比较稳定的均质性，此尺度上下异质性熵均呈增加趋势；水域在3200m尺度异质性熵最大，此尺度上下异质性熵均有减小趋势，但总体上熵值较大。

(5)若在某种景观组分的最大异质性表现尺度上进行科学研究，此时单个样地对于整个湖区代表性不强，应尽量选用多个典型样地，力图包括所有景观格局类型。当然，尽可能选择较低异质性表现的最小尺度作为景观组分的研究范围，将在保证研究科学性的前提下，在一定程度上提高工作效率、节约人力和物力。洞庭湖地区，采用典型样地进行科学研究时，具体而言，①在3200m尺度上进行水田景观异质性相关的研究将具有很好的代表性；②林地、草地、未利用地可以选取800m作为研究尺度，若尺度增大，一方面可能增加研究的难度，另一方面此尺度以上异质性逐渐增强；③水域的景观异质性总体较高，在不同方向上差别也较大，所以如果针对于洞庭湖区的水域格局进行研究，建议在整个湖区内进行；④旱地和建设用地在各尺度上异质性明显，研究全面考虑典型样地进行分析。

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作者简介：段亚锋，博士，主要从事景观生态与GIS研究

通讯作者：王克林，研究员，主要研究方向为区域生态学

中图分类号：X21

文献标识码：A

文章编号：1673-288X(2016)04-0225-04

Scale Effects of Landscape Heterogeneity：ACase Study in Dongting Lake Area

DUAN Yafeng1，2WANG Kelin3FENG Da4

(1 Environmental Monitoring Stations of Changsha，Changsha，Hunan 410000，China；2.HunanAgriculturalUniversity，Changsha，Hunan410128，China；3.InstituteofSubtropicalAgriculture，ChineseAcademyofSciences，Changsha，Hunan410125，China；4.TheSurveyingandMappingResearchBureau，ChangshaHunan410007，China)

Abstract：Landscape heterogeneity is the character of landscape. It is also one of the most important issues in landscape ecology. Landscape heterogeneity is always changed with the research scale changing. Taking the Dongting Lake area as a case，the author adopted an information entropy method to analysis seven kinds of landscapes elements through ArcGIS，including paddy field，try land，forestland，grassland，lake area，construction land and unused land，on different scales. Thus，we got the information entropy of these seven landscape elements and found in which scale some landscape element would get its maximum. According to the results，we put forward some suggestions on how to choose appropriate range when we do research.

Keywords：Dongting Lake area；landscape heterogeneity；scale effects

项目资助：中国科学院知识创新重要方向项目Kzcx2-sw-415；全国生态环境十年变化遥感调查与评估项目STSN-09-05

致谢：感谢中国科学院资源与地理研究所康苹提供技术支持

引用文献格式：段亚锋等.洞庭湖区景观异质性的尺度效应研究[J].环境与可持续发展，2016，41(4)：225-228.