景观破碎化数量分析方法概述

1、chinese agricultural science bulletin vol.22 no. 5 2006 may学·146·景观破碎化数量分析方法概述由畅 1 , 周永斌 1 , 于丽芬 2( 1 沈阳农业大学林学院, 沈阳 110161; 2 沈阳棋盘山国际风景旅游开发区管委会林业局, 沈阳 110163)摘 要: 概述了研究景观破碎化的数量方法, 按其内容分为: 景观要素斑块特征的破碎化; 景观异质性破碎化; 景观要素空间相互关系破碎化三部分进行论述, 并结合其景观生态学意义提出分析 方法, 对研究景观破碎化具有一定借鉴意义。关键词: 景观格局; 斑块; 破碎化;

2、 数量方法中图分类号: s718.5文献标识码: aan intr oduction of quantitative methods in landscape patter n fr agmentationyou chang1, zhou yongbin1, yu lifen2(1department of forest science, shenyang agriculture university, shenyang 110161;2forest bureau of management committee of shenyang qipan mountain international

3、travel scenic spotdevelopment area, shenyang 110163)abstr act : this paper is an introduction to the quantitative methods in landscape pattern fragmentation. these methods can be divided into 3 parts: the patches fragmentation of landscape elements, landscape heterogeneity fragmentation and mutual s

4、patial relation of landscape elements. besides, the paper combines the quantitative methods with analytic means in landscape ecology meaning. thus the quantitative methods and its analytic means do have much better use for reference in the research of landscape pattern.key wor ds: landscape pattern,

5、 patch, fragmentation, quantitative methods景 观 破 碎 化 ( landscape pattern fragmentation) 是指由于自然或人为因素的干扰所导致的景观由简单 趋向于复杂的过程, 即景观由单一、均质和连续的整 体趋向于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体。景观破 碎化会改变生态系统中一系列的重要关系, 严重影响 生物的多样性和生态系统功能的发挥。同时, 也反映 了人类活动对景观影响的强弱程度1。因此景观破碎 化是现存景观格局的重要特征1, 成为景观格局研究 的重要内容之一2。随着景观生态学的成熟和发展, 大量的数学方法 被引入其研究之中

6、3,4。景观生态学指数和模型能够高 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5。数量化的分析景观格局, 可以阐明景 观 要 素 空 间 分 布 的 基 本 规 律 以 及 与 人 工 干 扰 的 关 系6, 是 描 述 景 观 破 碎 化 的 要 求 , 也 是 进 一 步 研 究 景 观 功 能 和 动 态 的 基 础2, 可 为 生 态 系 统 的 科 学 管 理 、 有效保护和可持续利用提供理论依据6。描述和研究景观破碎化的数量分析方法, 按其内 容可分为: 景观要素斑块特征的破碎化分析; 景观异质性破碎化分析; 景观要素空间相互关系破碎化分析三部分。在景观生态学上,

7、 可以借助 gis 软件 ( 如 map/info, arc/info 等) 获取数据, 并对这些指数进 行计算, 还可以应用 excel, visual foxpro 进行分析和 统计。笔者经查阅多方资料发现目前还未有在景观破 碎化方面将数量化方法与在景观生态学意义基础上 提供分析依据的综合文献, 故现将描述景观破碎化的 数量分析方法简要介绍如下。1 景观要素斑块特征的破碎化分析1.1景观要素斑块规模许多生物种的保护均要有大面积的自然生境, 随着景观的破碎化和斑块面积的不断缩小, 适于生物生存的环境在减少, 它将直接影响到物种的繁殖、扩散、第一作者简介: 由畅, 女, 1977 年出生 ,

8、沈阳农业大学林学院森林培育专业在读硕士研究生, 从事森林 景观生态方面的研究。通讯作者 : 周永斌, 副教授, 硕士研究生导师, 研究 方 向 为 林 木 生 理 生 态 学 的 研 究 。 e-mail:555you。迁移、保护。面积是最基本的空间特征, 是计算其它空间特征指标的基础7。在景观格局中, 同种或不同种 景观要素斑块规模相对缩小, 标志景观破碎化程度提 高, 即面积变化后的相对大小与其标志的景观破碎化 程度呈反比。斑块规模以斑块面积和内部生境面积表 示, 而有如下描述指标:1.1.1 斑块面积公式为:nia="(ai- aie)(4)i = 1( 2) 平均内部生境面积

9、( i$ a!) 。公式为:n%(ai- aie)iai = 1$ !i a=n=(5)( 1) 平均斑块面积( a! ) 。平均斑块面积用于描述ni景观粒度, 在一定意义上揭示了景观破碎化程度6。 公式为:式中, ai 为景观中第 i 斑块或景观要素斑块类型中第 i 斑块的面积; aie 为景观中第 i 斑块或景观要素 斑块类型中第 i 斑块的边缘面积; n 为景观的斑块总数或某景观要素斑块类型的斑块数目8。aia!i = n(1)i1.1.2 人工干扰指数(hd)人工干扰指数是量度人类式中, a! 为某种景观类型的平均斑块面积; a 为ii对景观干扰(disturbance)程度的指标。公

10、式为:某种景观类型斑块总面积; ni 为某种景观类型斑块数目8。a(6)hd=han( 2) 面积比例(p) 。为某种景观要素斑块的总面积式 中 , ah 为 人 工 景 观 的 面 积 ; an 为 自 然 景 观 面积11。1.2 景观要素斑块形状景观要素斑块的形状趋于不规则, 是景观破碎化与景观总面积的比值, 表示出这一景观类型在相对意义上对整个景观的贡献率2。公式为:p= ai(2)a的主要表现之一2。通常各自然景观由于人为干预小, 形状复杂, 形状指数高, 其景观斑块形状破碎化指数也较高, 即自然景观的形状指数均大于人工景观, 破碎化程度高1。斑块周长反映了各种扩散过程( 能 流、物

11、流和物种流) 的可能性6, 是描述斑块形状的重 要数据。景观要素斑块形状采用以下 3 种不同的方式 测定:式中, p 为面积比例 ; ai 为 某 种 景 观 类 型 斑 块 总面积; a 为景观总面积9。3) 斑块面积变异系数 pscov(或称景观离散指(数) 。该变异系数用来衡量景观离散化程度, 其与人类的归并活动密切相关, 以此反映人类对景观破碎化影 响的强弱程度。人类归并活动较强烈、频繁的地区, 景 观要素斑块间的面积差距也比较大10。公式为:1.2.1斑块内缘比( s) 以周长( l) 与面积( a) 比值来表示9。公式为:pscov= pssd(3)mps式 中 , pssds=

12、l(7)a为 斑 块 面 积 标 准 差 , pssd=1.2.2 斑块的形状指数( di) (patch shape index) di 为n2"ai - mps#n- 1斑块周长与等面积的圆周长之比值。常用来表示斑块的发育程度, 斑块边界的复杂程度。圆形斑块比值为1。di 值越大, 说明斑块周边越发达。di 值与破碎化程 度成正比。公式为:, ai 为景观中第 i 斑块或景观要素斑i = 1块类型中第 i 斑块的面积; mps 为整个景观或某景观要素斑块类型的平均斑块面积;n 为景观的斑块总数pi或某景观要素斑块类型的斑块数目10。d =(8)i2 &ai1.1.2景观内

13、部生境面积( interior habitat)景观内部式中, pi 为景观中第 i 斑块或景观要素斑块类型中第 i 斑块的周边长度, ai 为为景观中第 i 斑块或景 观要素斑块类型中第 i 斑块的面积1。也可以通过该公式计算某景观要素类型或景观总体的形状指数。通过比较不同时期的景观形状指 数, 来反映景观格局在时间尺度上的破碎化程度。生境面积缩小, 是景观破碎化的主要表现之一2。内部生境面积是斑块面积减去受边缘效应影响的边缘 面积之后的剩余面积。针对不同的研究对象和目的, 边缘带的宽度也有所不同。可以通过 gis 支持, 生成 斑块缓冲带作为其斑块边缘带9。chinese agricult

14、ural science bulletin vol.22 no. 5 2006 may林业科学·148·1.2.3 分数维( d) (fractal dimension)分数维表示斑块2景观异质性破碎化分析周长的复杂性, 它可用于描述和比较斑块的几何形状特征。分数维作为反映景观空间格局总体特征的重要 指标, 在一定程度上亦可反映出人类活动对景观格局 的影响和干扰强度。一般, 人类干扰强度大时, 斑块体 的几何形状趋于简单, 其边缘趋于直线型变化, 具有 较低的分维值; 而自然形成的斑块体边缘趋向曲线 化, 分维值较高6。公式为:2.1 景观斑块数量斑块个数大幅度增加, 反映

15、出森林景观破碎化的 趋势。2.1.1 景观斑块密度 pd(patch density) 类型斑块数与 景观面积之比表示景观基质被该类型斑分割的程度, 即这一景观组分在整个景观上的斑块密度( 亦称孔隙 度) 2。包括景观斑块密度和景观要素斑块密度。景观 斑块密度指景观中包括全部异质景观要素斑块的单 位面积斑块数。景观要素斑块密度是指景观中某类景 观要素的单位面积斑块数。公式为:log( p )4(d=2·(9)log(a)式中: p 为斑块周长, a 为斑块面积。分数维用来测 定 斑 块 形 状 的 复 杂 程 度 。 d 值 的 理 论 范 围 为1.02.0, 1.0 表示 形 状

16、 最 简 单 的 正 方 形 斑 块 周 边 , 2.0 表示等面积下周边界极为复杂的斑块周边。一般情况 下, d 值为 1.01.512。!ni(pd=(16)a式中, pd 表示斑块密度; !n 表示研究区景观i景观斑块形状破碎化指数 fs景观斑块形状破1.2.4斑块总数或某景观要素斑块类型的斑块数目; a 表示研究区总面积或某景观斑块类型的面积。pd 值越大, 则景观类型被边界割裂的程度越高, 表明该景观要素 类型或该景观的破碎化程度愈高; 反之, 景观类型保 存完好, 连通性高9。这一指标对生物保护、物质和能量分布具有重要 影响。斑块密度表示了一个景观类型的斑块边界对整 个景观的影响程

17、度。斑块密度高, 表明该类型在景观 中分布广, 影响大2。此外, 景观斑块密度与景观破碎化程度之间还有 如下规律: 面积和周长皆大, 而边界密度比较小者, 景 观破碎度低; 面积和周长皆小, 而边界密度较大者, 景 观破碎化程度较为严重; 面积和周长皆较大, 边界密 度也较低者以及面积和周长皆较小, 边界密度也较低 者, 相对较为完整, 破碎化程度居二者之间2。从斑块密度这一指标还可以衍生出景观边缘密度和景观要素边缘密度。景观边缘密度是景观单位面 积上的斑块边缘面积值, 而景观要素边缘密度则是景 观 内 单 位 面 积 上 某 一 类 景 观 要 素 的 斑 块 边 缘 面 积碎化指数与景观斑

18、块面积紧密相关, 因此, 该指数也有两种: 一种是斑块平均形状破碎化指数, 即 fs1; 另 一种是面积加权平均形状破碎化指数, 即 fs2。其公 式为:(10)(11)fs1=1- 1/msifs2=1- 1/asi(nmsi=!( sii )(12)ni = 1nasi=!( aisii )(13)ai = 1pisii= (14)(4 "aina=!ai(15)(i = 1式中, msi 是景观斑块的平均形状指数; asi 是用 面积加权的景观斑块平均形状指数; sii 是景观斑块 i的形状指数,其计算式是以正方形为标准的形状指数, 即正方形斑块形状指数为 1, 其 它 形 状

19、 指 数 均 大于 1; p i 是 景 观 斑 块 i 的 周 长 ; ai 是 景 观 斑 块 i 的 面 积; a 是景观面积; n 是景观斑块数。景观斑块形状破碎化指数与人为干扰的关系较复杂, 表现为两个方面: 与人类活动密切相关的景观 类型, 如苗圃、农地、采伐迹地, 其景观斑块形状破碎 化指数与人类干扰强度成反比关系; 对于那些受人类 影响遗留下来的自然或半自然景观类型, 如各森林景 观斑块, 其景观斑块形状破碎化指数与人类干扰强度 成正比关系1。值10。斑块多度 ni斑块多度可结合景观类型的面积2.1.2大小, 从一定程度上反映某种景观占据的重要程度和破碎化程度。在面积相同的情况

20、下比较, 多度值与景 观破碎化程度呈正比。公式为:n = ni (17)i(!ni式中, 为某种景观类型的多度; ni 为某种景观类用以揭示景观的复杂程度。在景观多样性的测定中,借助信息论中关于不定性的研究方法, 即在一个景观 系统中, 景观要素类型愈丰富, 破碎化程度越高, 其信 息量的不定性也就越大, 按 shannon-weaver 公式计 算出的指数也就越高。景观的多样性大小取决于斑块 类型数量多少以及各类斑块类型所占比例的均衡性, 影响着系统的物种多样性和遗传多样性, 影响着系统 的生产力和系统的稳定性, 是景观斑块丰富程度和均 匀程度的综合反映, 在景观的规划利用上应特别加以型的斑

21、块数目; !ni 为所有景观类型斑块数目的总和13。2.1.3 景观斑块数破碎化指数 指景观被分割的破碎 程度, 反映景观空间结构的复杂性10。可从不同尺度 研究棋盘山风景区景观斑块数的破碎化程度, 选用了 两种景观斑块数破碎化指数 fn1、fn2。fn1 为整个研 究区的景观斑块数破碎化指数, fn2 为某景观斑块类 型的斑块数破碎化指数1。公式为:重视 。13fn1=( np- 1) /nc(18)(19)2.2.1 景 观 多 样 性 指 数 h (landscape diversity index)表 达 了 斑 块 的 丰 富 度 (richness) 和 异 质 性 (hetero

22、geneity)。当景观由单一要素构成时, 景观是均 质的(homogeneous), h 值为 0。当景观由两个以上元 素构成时, 若各类斑块所占的面积比例相等, 则 h 值 最高; 若各斑块所占比例差异增大。则 h 值降低13。(1)shannon-weaver 多样性指数mfn2=(nf- 1) /mps )式中, np 为景观斑块总数; nc 为研究区的总面积与最小斑块面积的比值; mps 为整个景观的平均斑 块面积; nf 为某景观斑块类型的斑块数目。fn1 与 fn2 的值域都为 0, 1, 0 表示景观完全未 被破坏即无生境破碎化的存在, 1 表示给定性质的景观已完全破碎。随着人

23、为干扰的加剧, 景观斑块数破碎化指数增 高。景观斑块数的增加对景观斑块数破碎化指数有很 大影响, 因此, 不能把景观斑块数破碎化指数作为衡 量景观破碎化的唯一标准1。h=- !(pi) log2(pi),(21)i = 1式 中 , pi 是 景 观 类 型 i 所 占 总 面 积 的 比 例 ; m 是 研究区中景观类型的总数。h 值越大, 表示景观多样 性越大8。(2)simpson 多 样 性 指 数 ( simpsons diversityindex)m廊道密度指数 cd景观生态2.1.4( corridor density)学中将带状斑块称为廊道。作为物质、能量和物种交流的廊道被截断

24、是景观破碎化的表现2。连通性好的 廊道景观常常把其他景观类型分割成小斑块, 致使该 区景观破碎化加剧7, 所以廊道在研究区单位面积的 长度也是一种衡量景观破碎化程度的指数14。人类活 动越强烈、越频繁的地区, 廊道密度也越大。廊道既作 生态流的通道, 又在分割景观, 所以也是造成景观破 碎化程度加深的动因和前提。单位面积内廊道愈长, 景观破碎化程度愈高10。廊道密度指数( cd) 以单位 面积中廊道长度计算, cd 值愈大, 景观破碎化程度愈 高。公式为:2sidi=1- !pi,(22)i = 1式 中 , pi 是 斑 块 类 型 在 景 观 中 出 现 的 概 率i。simpson 多样

25、性指数降低, 表明整体上各类型的斑块在面积上均匀性降低, 即各斑块的面积具有更大的差 异性15。2.2.2景观优势度指数 (d )优势度指数表示景观多0样性与最大多样性的偏差。测度景观结构中一种或几种景观类型支配景观的程度。为研究区各类型景观占 比例相等时, 景观拥有的最大的多样性指数。公式为:!pi,cd=(20)ahmax=log2(m)(23),m式中, !pi 表示研究区景观内或某景观要素斑块类型内廊道的长度; a 表示研究区景观总面积或某 景观斑块类型的面积。廊道密度指数可以弥补计算中同一种景观类型 破碎化程度被忽视的一面10。2.2 景观多样性!d =h - h=h+(p ) lo

26、g (p ),(24)0maxmaxi2 ii = 1式中, 当 h=h, dmax 时0 值为0; 优势度(d) 大,0 值表明景观只受一个或少数几个类型所支配;而 d值0小, 则表示景观由多个面积相近的斑块类型所组成。优势度指数与多样性指数成反比, 对于景观类型数目相同的不同景观, 多样性指数越大, 其优势度越小7。chinese agricultural science bulletin vol.22 no. 52006may林业科学·150·条件下, 每类斑块所占的面积比例为 1/m(即斑块类型i 在景观中出现的概率)13。n = di (29),isi式中, di

27、 为景观类型 i 的距离指数; di= 1n2.2.3 景观均匀性 ( 为景观多样性指数与最大多e)#a,2样性指数之比值9。公式如下:n 为景观类型 i 的斑块数; a 为研究区总面积; si 为景he=(25)观 类 型 i 的 面 积 指 数 , s =a /a, a 为 景 观 类 型 i 的 面hmaxiii积。分离度用来分析景观要素的空间分布特征, 分离度越大, 表示斑块越离散, 斑块之间距离越大10。3.5 景观组分的邻近度 mpi某景观类型斑块面积除以其到同类斑块最近距 离的平方, 对所有斑块加和, 再除以该景观类型总数, 得到该景观类型的邻近度指数( mpi) , 用以度量同

28、种3 景观要素空间相互关系破碎化分析景观格局中景观要素斑块彼此被隔离, 形成岛屿 ( island) , 也是景观破碎化的特征1。通过以下指数对 景观要素空间相互关系进行分析, 衡量其景观破碎化 的相对程度。3.1最近距离指数 i景观类型各斑块间的邻近程度,反映景观的破碎程i= d!0度。值越大, 表明其连接度高, 破碎化程度低, 计算公式为:(26)d!en& - 2.,式中, d!aij是斑块与其最近相邻斑块间距离观测值0hj = 1nmpii=(30)ij=" d0i ; d!的平均, d!ni是在随机分布下的期望值( 理0eni = 1式中, mpi 为邻近度指数;

29、n 为景观 组 分 的 斑 块ii= 1d!论估计值),#pd ; pd 为斑块密度; n 为斑块数量; aij 为 i 景观组分某斑块面积 ( m2) ; hij 为从某斑块到同类斑块的最近距离2。4 结论近年来, 随着景观生态学领域研究的迅速推进以 及全球对可持续发展的重视程度逐步加深, 数量化分 析景观格局已成为科学和社会发展的必然要求。各国 科学家为此作了大量努力, 提出了很多相关指标及模 型, 这些数量化方法对于分析景观格局, 有着非常重 要的作用。然而, 对于这些指标及模型的采用仍有许 多地方需要引起人们的格外重视, 笔者认为以下五点 值得关注:4.1 恰当采用数量分析方法数量分析

30、的最终目的是要为实践服务的, 不能为 数量化而数量化。每个指标都具有它存在的理论及实 践意义, 有些指标虽然算式不同, 但其表达的内容是e2数; d0i 为第 i 个斑块与其最近相邻斑块间的距离, 注意这里距离应从斑块中心测起。当 i=1.0 时, 斑块为 随机分布, i<1.0 时斑块趋于群集; 若 i=0, 则斑块没有 间隙, i>1.0 时, 斑块则趋于规则分布13。3.2 连接度( r)连接度反映了斑块之间的聚散模式和相互作用,r 值越大, 斑块的分布越分散。 公式为:r=2d( )(27),式中, d 为从一个斑块中心到另一个最近斑块中心的距离, 为斑块的平均密度12。3

31、.3 连接指数 p2 ( ( (*+$ai%一致的,应着眼于其说明的问题因地制宜地加以采(d(0i(n用, 而不是盲目地罗列。gardner 和 oneill 就曾指出,在景观尺度上研究因果关系的最有效的模型, 是最简 单的模型。turner 也指出, 技术方法的不切当运用会 导致对重要问题的不正确解答15。4.2 了解边缘确定的模糊性在实际工作中, 由于边缘面积的难以确定和测定 中主观因素的影响, 景观内部生境面积和景观边缘密(p=" ( 2(28)+ ,n*+,( (+,( (+i = 1 ( ( &a( (i( ( i = 1( ( (doi( () )式中, ai 为

32、第 i 个斑块的面积。p 值介于 01 间,p 值越大,斑块聚集程度越高13。3.4 分离度指数 ni分离度是指某一景观中不同斑块个体空间分布的离散( 或聚集) 程度。 公式为:度两指标在定量的说明问题方面带有很大的模糊性。4.3 减小误差或某些不可控制的因素的影响而造成变化, 偏离标准值或规定值这一情况的不可避免, 影响数量化分析结 果的可靠性。比如, 景观是具有曲面的地域, 但由于大 部分研究者进行景观格局数量化分析时受其自身技践中将其不断完善, 使之更科学地服务于人类。参考文献李淑娟,王明玉,李文友,等.东北林业大学帽儿山实验林场景观格 局及破碎化分析j.东北林业大学学报,2002,30

33、(3):4952杨国靖, 肖 笃 宁. 森 林 景 观 格 局 及 破 碎 化 评 价以 祁 连 山 西 水 自然保护区为例j.生态学杂志,2003,22(5):5661李哈滨,伍业刚. 景观生态学的数量研究方法a. 见: 刘建国. 当代 生态学博论.北京: 中国科学技术出版社,1992.20923hulshoff r m. landscape indices describing a dutch landscape j. landscape ecology,1995,10(2):101111邬 建 国. 景 观 生 态 学 - 格 局 、过 程 、尺 度 与 等 级m. 北 京: 高 等 教

34、育出版社,2000.99100徐天蜀,彭世揆.九溪河小流域森林景观空间格局研究j. 西南林 学院学报,2002,22(2):2125王清春,张向辉,张林艳,等.北京喇叭沟门自然保护区森林景观多 样性研究j.北京林业大学学报,2002,24(3):5460郭 晋 平 . 森 林 景 观 生 态 研 究 m. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社 ,2001.108120周 再 知, 蔡 满 堂, 许 勇 太. 乡 村 土 地 利 用 与 景 观 格 局 动 态 变 化 研 究j.林业科学研究,1999,12(6):599605郭 明, 马 明 国, 肖 笃 宁, 等. 基 于 遥 感 和 gis 的 干 旱 区 绿 洲 景 观 破 碎化分析j.中国沙漠,2001,24(2):201206wang j l. landscape structure and land use on co