基于GIS的景观空间格局地形分布及生态效应的研究_以黑龙江省尚志市帽儿山地区为例

基于GIS的景观空间格局地形分布及生态效应的研究———以黑龙江省尚志市帽儿山地区为例龚文峰1,杜　崇1,范文义21.黑龙江大学水利水电学院,哈尔滨　1500862.东北林业大学林学院,哈尔滨　150040摘要:采用地形位指数描述区域地形差异,并利用无量纲的分布指数对景观组分空间分布特征进行定量分析;通过地形差异揭示景观空间格局分布规律,并对各景观要素定量赋值,通过生态效应模型研究土地利用综合生态效应。结果表明:自然景观主导区域景观格局,人为景观次之,半自然景观则明显处于支配地位;各景观组分在地形位梯度上的分布格局表现出显著分化,低段区域上各景观组分竞争激烈,分布相对集中,高段区域,限制了部分景观的生存发展,景观组分相对单一;生态环境质量好的区域,自然景观为主体;生态环境质量中等的区域,处于自然景观和人为景观的过渡地带;生态环境差的区域,以人为景观为主体。关键词:景观格局;地形位指数;分布指数;生态环境质量中图分类号:TP79 文献标识码:A 文章编号:1671-5888(2009)05-0899-08

收稿日期:2009-03-24基金项目:国家“863”项目(2006AA12Z104);黑龙江省教育厅项目(11531294)作者简介:龚文峰(1976—),男,河南南阳人,博士,主要从事3S技术、景观生态等方面的研究,E2mail:gwf101@163.com通讯联系人:杜崇(1978—),男,吉林农安人,博士,主要从事3S技术与环境模拟集成技术研究,E2mail:chongzi29641@163.com。StudyonLandscapeSpatialPatternTopographyDistributionandItsEcologicalEffectsbasedonGIS—ACaseStudyinMaoershanRegioninHeilongjiangProvinceGONGWen2feng1,DUChong1,FANWen2yi21.CollegeofHydraulicandElectricalEngineering,HeilongjiangUniversity,Harbin　150086,China2.CollegeofForest,NortheastForestryUniversity,Harbin　150040,ChinaAbstract:Terrainnicheindexwasusedtodescribetheregionalterraindifferenceandnondimensio2naldistributionindexwasusedtoquantitativelyanalyzethespatialdistributioncharacteristicsbasedonthespatialinformationoflandscapecomponents.Thecharacteristicsoflandscapespatialdistributionwasproclaimedbytheterraindifferenceandtheecologicalmodelwasusedtostudytheintegratedeco2logicaleffectandenvironmentecologicalqualityoflandusewiththeassignmentofthevalueoflandscapecomponents.Theresultshowedthattheregionallandscapepatternofnaturelandscapeplaysaleadingroleandtheartificiallandscapetakesthesecondplace,whiletheroleofhalf2naturallandscapeisdomi2nance.Interrainniche,thespatialdistributionofdifferentlandscapecomponentshasobviousdifferenceandthecompetitionoflandscapecomponentinlowerdistrictisobviouswithcentralizeddistribution.　第39卷　第5期2009年9月 吉林大学学报(地球科学版)JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition) Vol.39　No.5Sep.2009 Whileinhigherdistrict,theexistenceofsomelandscapecomponentsisrestrictedwithsingledistribu2tion.Naturelandscape,naturalandartificial2madelandscapeandartificiallandscapehaspriorityintheareaofgood,mediumandbadenvironmentrespectivelyKeywords:landscapepattern;terrainnicheindex;distributionindex;ecologicalenvironmentquality地形是景观结构和空间格局的重要影响因子[1-3],国内外学者通过实例对地形因素与物种的相关关系、植被格局的分布模型、生态系统格局及过程和植被区域空间分析等都做了一些研究。虽然对基于地形因素的景观空间格局分布特征研究已经引起关注,但对地形生态意义的探讨和景观空间格局的地形分布特征研究还不多见,特别是人类活动占一定优势的景观中,研究地形条件影响大尺度景观空间分布格局[4]这一领域很少。此外,在研究景观空间格局的地形分布特征和土地利用的基础上,对各景观要素定量赋值以评价地形梯度的生态效应方面的研究还不够深入,缺乏对土地利用生态效应的综合评价[5]。本文运用景观生态学,通过地形差异揭示景观空间格局分布的规律,理解和解释景观的生态过程[6],对不同土地利用类型的方式和强度进行生态评价,揭示景观空间格局和生态过程的耦合作用,发挥研究区域的生态效应,对景观生态环境的改善及可持续发展都具有重要意义。1研究区域及研究方法1.1研究区域研究区域位于黑龙江省尚志市境内,区域面积264.99km2,坐标:N45°10′～45°35′,E127°20′～127°45′。该区域东部以自然山脉与尚志市黑龙宫、小九林场相邻,南部以哈绥铁路与国营林场局所辖的帽儿山林场为界,西部和北部以自然分水岭为界与阿城市平山林场、山河林场相接壤,共划分10个森林经营施业区(经营和管理森林资源的基层林业生产单位,为了合理地进行森林经营利用活动、开展多种经营及考虑生产生活的方便,根据有效经营活动的范围区划的地域,见图1)。该区域是温带大陆性气候,四季比较分明,年平均温度为2.8℃,无霜期为120～140d,年降水量为723.8mm。本区土壤条件较好,暗棕壤土面积占的比重比较大,有机质含量较高,植物生长期较长。该地区社会经济条件较好,工业发展迅速,农、林、牧业的发展迅速,形成以林为主,林、农、牧、副和渔等多种经济全面发展,初步以蔬菜、草莓、黑加仑、仁核果为主的特色种植业框架和以鸡、鸭、鹅、鸳鸯鸭、山羊、绒山羊、肉牛等为主的特色养殖产业。

图1研究区域施业区位置图Fig.1Thelocationofextentofforestmanagementofstudyarea1.2研究方法1.2.1景观分类参照Costanza等对生态系统的划分[7-11]和我国土地利用现状分类系统,结合区域土地利用现状和土地资源特点[7],对土地利用进行详细划分,土地类型分为有林地、灌丛、农耕地、水域、迹地(采伐迹地和火烧迹地)、荒山荒地、居民用地和未利用地。1.2.2数据来源与处理地形信息以该区域1991年1∶50000的地形图作为基础数据来源,在ArcGIS9.0的支持下,对扫描的地形图进行地理坐标校正和等高线矢量化处009 吉林大学学报(地球科学版) 第39卷　理。先将等高线数据生成TIN模型,然后转化为规则格网的GRID数据格式,建立研究区的DEM模型,并派生出坡度等数据。研究中所需要的数据源是2006年的SPOT5遥感图像,借助ERDASIMAGINE9.2遥感图像处理软件,将遥感影像进行假彩色合成及图像增强处理,在1∶50000的地形图上选取地面控制点,并结合研究区域的DEM模型,对图像进行正射处理,使其与地形图进行精确配准,保证总体误差均控制在一个像元点之内,并根据研究区域边界对图像进行剪裁处理。依据景观分类的标准和研究区域的林相图,在ArcGIS9.0平台上根据影像特征(主要是颜色、纹理等)建立判读志,对影像进行监督分类和交互式目视解译,获取区域土地利用数据。1.3地形位指数和分布指数的构建单一地形因子无法体现地形对景观空间格局分布特征的综合影响,为综合反映研究地区地形条件的空间分异,参照喻红[4]的方法,利用地理信息系统模型建模方法,将高程和坡度组合成一个地形位指数,以便对研究区的地形特征进行重新描述和梯度分类,揭示景观结构和空间格局在地形位梯度上的空间分布特征。地形位指数公式如下:T=log[(E󰁫E+1)×(S󰁫S+1)]。式中:T为地形位;E及󰁫E分别代表空间任一点的高程值和该点所在区域内的平均高程值;S与󰁫S分别代表空间任一点的坡度值和该点所在区域内的平均坡度值。利用上式转换后,空间上每一点都有一个地形位,原来地形属性(高程与坡度)可由地形位来综合描述。可见,高程低、坡度小的地域地形位小,高程高、坡度大的地域地形位大,其它组合情况的地形位则居中间值区间。不同景观类型在地形位上的出现分布频率可比性受到各景观类型面积带来的量纲影响[4]。因此,采用喻红[4]标准分布概念来进行不同地形位区段或不同类型间的比较,分布指数公式如下:P=(Sie/Si)/(Se/S)。式中:P为分布指数;Sie为e地形位下第i种景观组分的面积;Si为整个研究区内第i种景观类型的总面积;Se表示整个工作区内e种地形位的总面积;S为整个研究区域的面积。P值越大,表明某景观组分出现的频率越高。1.4景观格局指标从景观多样性和景观要素斑块形状出发,选取景观多样性指数和平均分维数指标来反映景观的空间格局特征,定量描述景观格局。1.4.1景观多样性指数(SHDI)描述不同景观元素面积比重分布的均匀程度以及主要景观元素的优势性程度。其计算公式如下:SHDI=-∑mi=1pi×log2(pi)。式中:m为景观要素类型数目;pi为第i景观类型所占面积比例。在景观多样性的测度上,SHDI是对不同景观的丰富程度和复杂程度的反映,即在一个景观系统中,景观要素类型越丰富,破碎化程度越高,其信息含量和信息的不确定性也越大。1.4.2平均分维数平均分维数的计算公式为MFRAC=[2ln(P/4)/ln(A)]/N。式中:P为斑块周长;A为斑块面积;N表示斑块个数。平均分维数主要揭示斑块及斑块组成的景观形状和面积大小之间的相互关系[12],用来量度景观斑块形状的复杂程度或斑块形状影响内部斑块的生态过程,可以测定斑块形状的复杂程度,斑块的几何形状越趋近于简单,斑块的自相似性越强。1.5生态效应指数参考Costanza等提出的各种生态系统服务价值之间的比例关系[13],结合该区域各景观类型生态质量的实际情况,参照Costanza[8]、岳书平[14]并采用多位生态专家评估法对不同景观类型在[0,1]之间赋值,作为其相对生态价值(表1)。通过计算生态效应指数来表征其生态效应,计算公式为ESV=∑ni=1Ai×VCi。式中:ESV表示生态效应指数;VCi表示第i种景观类型的相对生态价值;Ai表示第i种的景观类型面积占总面积的比例;n为景观类型总数。2结果与分析2.1景观要素结构组成区域景观类型共有8个,斑块681个(图2);各109　第5期 龚文峰,杜　崇,范文义:基于GIS的景观空间格局地形分布及生态效应的研究