红河哈尼梯田景观指数筛选与格局的研究(可编辑)

红河哈尼梯田景观指数筛选与格局的研究(可编辑) 红河哈尼梯田景观指数筛选与格局的研究 中国科学院大学 硕士学位论文 红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 作者姓名: 徐远涛 指导教师: 闵庆文研究员中国科学院地理科学与资源研究所 学位类别: 理学硕士 自然资源学 学科专业: 研究所: 地理科学与资源研究所 年月 . , 致谢 时光飞逝,转眼间三年硕士生涯即将画上一个句号。此时此刻, 忆往昔,峥嵘岁 月稠因为迷茫,我选择了读研继续深造;因为不安,我选择了不断 的奋斗。回想这 三年的酸甜苦辣,这三年的思考,这三年的成长,这所有的一切都 离不开曾经给予我 帮助的人,抑或给予我机会锻炼的人。 这几年的成长,很大一部分应该归功于我的导师闵庆文研究员,我从心底里感激 闵老师。尤记得当年考研成绩刚出来的那天晚上,因为英文考的非常糟糕,感觉都没 有希望考上了。我记得很清楚,晚上和阂老师通了个电话,意外的是闵老师他并没有 说其他话语,只是不断的安慰我,让我放宽心。我当时被闵老师这种平易近人的师德 所打动。后面来到所里,接触多了,又被闵老师渊博的知识和敏锐的洞察力所折服。 这三年来,感谢您对我的指导、帮助和提携,从选题到开题再到论文的修改,您都倾 注的大量时间和心血。您不厌其烦地教导我如何用科学的方法做科研,并毫无保留地 与我分享您丰富的生活和科研经验,这对于我来说是一笔非常宝贵的财富。这三年来 您对我有过坦诚的谈话、严厉的批评和不断的鼓励,您给我提供了很多锻炼自己的机 会,这一切都令我终生难忘。” 其次应该感谢我们的团队,年暑期和年暑期两次暑期调研经历让我印 象深刻。感谢年暑期在从江、在小黄一起做调研的刘珊师姐,兰州交通大学的 张凯师兄和华中科技大学的吴莉师姐。刘珊师姐总是那样的坚定,敢于坚持自己想法, 敢于追逐自己的梦想。张凯师兄总是那么的大气和幽默,和他在一起总是觉得无比的 快乐。吴莉师姐是个十足的工作狂,每次晚上做问卷都做到很晚,那种对于工作的执 着让我十分佩服。三位师兄师姐手把手的教我如何做科研,他们的言传身教让我收获 颇丰。尤记得去年在云南红河的野外调研,感谢副导师白艳莹老师的悉心指导,白老 师亦师亦友,对我总是关怀备至。感谢袁正师姐的帮助,你强大的亲和力和渊博的知 识总是让我折服,每次聊天你都能够寓教于乐,让我们收获颇丰。感谢师弟曹智,每 次有任务你都任劳任怨,主动挑担子,这让师兄非常感动。感谢李静师姐,你是我们 的开心果,科研因你而充满了乐趣。感谢小妹妹闵晓青,你的活力和激情也在不断的 激励和提示着我,生活不是没有乐趣,只是缺乏发现乐趣的心。同时还感谢课题组的刘某承老师、孙业红老师、张丹师姐、焦雯琚师姐、 张灿强师兄、李晓娟师姐、何露 师姐、王灵恩师兄、伦飞师兄、熊英师姐、史媛媛、张永勋。感谢地理所魏丹青、张 新亚、孙静、马聪、赵明洋、吴睿子、甘国靖、易嘉伟、张广庆、陈跃红、陈娱、李 雷、赵广帅等诸位好友,正是有你们存在,才使得我的科院生活如此精彩。 感谢封志明研究员、黄河清研究员、甄霖研究员和鲁春霞副研究员在开题中给我 提出的宝贵建议。感谢李文华院士,您严谨治学态度和朴实的学风一直让我敬仰,感 谢您帮我写推荐信。感谢谢老师,每一次找您帮忙您都非常乐意,没有一点架子。感 谢潘影老师在软件和方法上的指导。感谢研究生部的陈力老师、王淑强老师、黄文丽 老师、陈晨老师和储小红老师在学习和生活中提供了很多帮助和支持,在此对他们的 辛勤工作致以真诚的感谢和敬意。感谢联合国粮农组织北京的戴卫东先生。感谢 从江县宣传部李峥嵘部长、农业局谌洪光副局长、小黄村吴学进村长,红河县李福珍 副县长、许莉秘书、宝华乡薛兴业副乡长、林业站侬向清站长、 农机站许有才站长、 旅游局孙嘉婧副局长,绍兴市农业局水茂兴副局长、经济特产站陈锦宇副站长等各位 地方领导在我们调研期间给予的帮助。感谢小黄村陈德光主席和宝华乡哈尼梯田宾馆 白仲祥爷爷,感谢你们在调研期间给予我们住宿和饮食上的照顾。 最后感谢我的父母,是你们养育了我,给予了我一个强壮的身体,培养了我一颗 健康的心灵。感谢我的女友彭馨,你的温柔、贤惠和体谅将是我一辈子的幸福,我们 也彼此坚信,只有共同努力和奋斗,一定会实现我们的中国梦,建造一个属于我们自 己的温馨港湾。 徐远涛 年月日夜 于地理所办公室 摘要 景观格局研究是景观生态学的重要,景观格局指数构建及在描述景观格局方 面的应用为其中的重要方面。景观格局指数具有直观性,易操作性,但是在运用指数 格局的过程中很容易忽视生态过程和格局之间的相互作用。因此,如何针对特殊 的景观格局选择合理的景观格局指数成为研究中的重点和难点之一。 本文利用红河县年代、年和年的土地利用图,截取宝华乡、甲 寅乡、乐育乡等梯田较为集中的区域,从面积与边缘、形状、核心面积、隔离度/临 近度、聚集度、多样性个方面选取了个景观指数,运用相关分析和因子分析等 方法进行计算,并结合前人研究成果与哈尼梯田的实际情况,最终筛选出分散指数 、斑块面积分布相关系数砌 、香农多样性指数、几何最 近邻距离加权平均值指数 、总核心面积指数和平均分维数 个景观格局指数。通过景观格局指数与尺度变化关系图,计算得出 红河哈尼梯田景观格局指数的尺度域为到之间。通过分维分析法,识别出 哈尼梯田的特征格局在到之间,即研究哈尼梯田的景观格局的最适宜栅格 大小为到之间。 运用所筛选的指数和合适尺度域对哈尼梯田进行格局分析,所得结果与实际情况 相符合,选取的指数具有一定科学性。选取的指数适合于与 哈尼梯田类似的山地 复合系统结构,对于研究哈尼梯田其他相关问题具有参考价值; 选取指数的方法也可 为其他相关研究人员提供借鉴。 关键词:景观格局指数,哈尼梯田,因子分析,尺度域,特征尺 度 . . ,,. , . , ,., . . ..,,, ,,“??”. ,, , ,.,”??”.... ,..,%. ? , . ,’ ,, , ,.. ,.: ; ; .., .,. , ,. , , , : , 目录 摘要. .??.??.?.??.?.??.?.??.??... 第一章绪论? .研究意义? ..理论意义?. ..现实意义?. .研究目的? .研究内容? ..景观格局指数筛选.. ..景观格局指数的尺度域确定??. ..哈尼梯田景观特征尺度识别??. ..哈尼梯田景观特征分析?. .研究区域介绍..红河县概况. ..哈尼梯田概况??. .技术路线? 第二章文献综述.引言 .景观格局指数筛选研究进展..景观格局指数构建. ..景观格局指数分类? ..景观格局指数相关性研究 ..景观格局指数尺度效应? ..景观格局指数筛选方法.哈尼梯田研究进展??~ ..哈尼梯田形成与发展历史研究? ..哈尼梯田生物多样性及其应用研究..哈尼梯田文化与自然生 态系统及景观研究..哈尼梯田水资源管理研究 .研究评述.. 第三章景观格局指数筛选.. .数据来源及处理方法?.. .景观指数计算与筛选方法??....景观指数计算软件 .. 相关分析法??.. ..因子分析法 .景观指数筛选原则 .筛选结果.. .. 相关分析.. ..因子分析? .核心景观指数.小结??.. 第四章哈尼梯田格局研究. .哈尼梯田景观指数尺度域分析.. ..尺度与尺度域..景观指数法 ..景观格局指数尺度域.哈尼梯田特征尺度分析.. ..尺度与特征尺度? ..分维分析法 ..哈尼梯田特征尺度 .哈尼梯田格局分析??一 ..景观格局指数..格局分析? .小结. 第五章结论与展望. .结仑. ..筛选出适合哈尼梯田的个景观格局指数..确定了哈尼梯田景观格局指数的尺度域 ..识别了哈尼梯田景观的特征尺度 ..分析了红河哈尼梯田景观格局? .研究不足与展望.. 参考文献?. 第一章绪论 第一章绪论 .研究意义 ..理论意义 景观格局与生态过程的相互作用是景观生态学研究的核心内容。过程产生格局, 格局反作用于过程,正确的理解景观格局与生态过程的相互关系是进一步深化景观生 态学研究的关键陈利顶等,。景观生态学中的格局一般是指其空间格局,是 指景观组成单元的数目、类型以及空间分布与布置邬建国,。它是景观异质 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 .,;肖 笃宁等,;,;。格局研究是发现景观镶嵌体中有潜在意义的规律 性,或者确定产生和控制空间格局的因子和机制及其尺度性质的重要方面,也是进一 步研究景观功能和动态的基础,因此,景观格局研究成为景观生态学的研究基础和重 点内容,:邬建国,:傅伯杰等,。 自世纪年代以来,不同景观生态学家提出了众多的景观格局分析指数.,。目前,很多研究只关注景观格局几何特征的分析与描述,而忽略了 对景观格局意义和内涵的理解,这种趋势因数字化景观数据的容易获得和的广泛 .,:陈利顶等,。与此同时,很多指 应用而进一步得到加强 数具有明显的尺度效应,随幅度和粒度的变化而变化,并且对主题类型的个数变化十 ; .,:,:李秀珍等,。另 分敏感 一方面,由于景观格局指数的计算依赖于景观的高度相关性,指数问势必会存在冗余 .. .,; .,;李秀珍等,。并且由于景观指数尺度域的存在,导致一些指数的误用和滥用 ; .,; .,;,。因此,如何选取合适且较为简洁的景观指数来对景观 格局进行描述与计算显得异常重要。本研究针对特定类型的景观筛选出合适的景观格 局指数,对于深化景观格局与生态过程研究具有重要意义。红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 ..现实意义 云南红河哈尼梯田历史悠久,仅汉文字史料记载就有多年的历史,中国明 代大农学家徐光启将其列为中国农耕史上的七大田制之一。哈尼梯田经过千余年的民 族文化演进与农业开发历史,不仅使得其文化内涵深厚、独特,而且也使得这一独特 的山地生态农业系统具有较高的科学性与完整性,从而使其在全球范围内也具有独特 的代表意义和重要价值。哈尼梯田也因此于年被联合国粮农组织列为全球重要 农业文化遗产,并有望于年被联合国教科文组织列为文化景观遗产。 尤其是近几年,西南地区连续干旱,但位于云南省红河州的哈尼梯田却受影响很小, 这在社会上和科技界引起了巨大的反响。 哈尼梯田得以稳定维持和持续发展,与其“四素同构”的独特景 观格局密切相关。 这种由自然、生态、环境与人类活动、民族文化所形成的高度协调关系,无疑具有非 常重要的科学研究价值及重要的地理学与生态学研究意义。不同景观格局反映着不同 的景观特点,需要不同的景观指数进行描述,对于拥有“森林一村寨一梯田一水系” 四素同构这种独特结构的云南红河哈尼梯田来言,应当根据其实际特点来选择合适的 景观指数,并在此基础上进一步分析其中的生态过程,提取其中的内在机制和管理模 式,为哈尼梯田的动态性保护和适应性管理提供科学依据,也为其他地方借鉴这种格 局提供基础保障。 .研究目的 本研究针对红河哈尼梯田这一特殊土地利用景观,从景观格局的描述入手,对于 景观格局指数进行梳理,系统了解不同类别指数的特点,运用统计学方法并结合前人 的研究成果与实际调研情况,筛选出适合哈尼梯田景观格局的景观格局指数,揭示哈 尼梯田景观格局指数的尺度域,识别出哈尼梯田的特征尺度,并 进行景观格局分析。 第一章绪论 .研究内容 ..景观格局指数筛选 基于红河县土地利用图,利用相关分析、因子分析等统计学方法,结合 哈尼梯田的实际情况和前人的研究结论,筛选适合描述哈尼梯田景观格局的景观格局 指数。 ..景观格局指数的尺度域确定 应用景观指数与粒度变化的关系图,分析上述筛选的景观指数变化趋势,确定各 个不同景观指数的尺度域,进而得出个景观指数的公共尺度域。 ..哈尼梯田景观特征尺度识别 应用分维分析法,对哈尼梯田的平均分维数和分维数变异系数进行研究,分析其 随粒度增加的变化趋势,进而分析出哈尼梯田的特征尺度。 ..哈尼梯田景观特征分析 基于上述筛选的指数和合适的研究尺度,利用红河县土地利用图,对哈尼梯田进 行景观格局分析,从分析的结果入手,探讨其与实际情况的联系,进一步确定所选指 数的科学性。 .研究区域介绍 本研究以分布在我国云南省红河县的哈尼梯田为研究对象,选取了红河县北部梯 田较为集中的区域进行研究,其中包含具有典型意义的红河县宝华乡撒玛坝梯田、乐 育乡尼美梯田、乐育乡桂东梯田和甲寅乡他撒梯田。 ..红河县概况 红河县隶属于红河哈尼与彝族自治州,位于云南省南部图.,红河上游南岸, 东经。’一。’,北纬。’。’之问,东西最大距离,南北最 宽处,国土面积。县境东面、南面和西面分别与元阳县、绿春县和墨 红河哈尼梯田景指数筛选与格局研冗 江县接壤,北面与石屏县隔红河相望。境内居住着哈尼、彝、汉、瑶等万各族人 民,少数民族人口占全县总人口的%,其中哈尼族占%,占全国哈尼族人口的 .%。 县境内峰峦起伏,沟壑纵横,红河绕县境北缘奔流而过。境内地势大致中部高, 南北低,%的面积为山地,一般海拔在之间,最高的山是东南部的 么索鲁玛大山,主峰落孔尖山海拔,最低点为东北边缘的曼车渡口,海拔。 年平均气温.?.。,立体气候较明显,有“一山分四季,十里不同天”之说。 降水量悬殊较大,北部低山河谷地带为,南部山区为, 全县年均降水量。常出现冬春少雨易干旱,夏秋多雨,时有山洪发生的现象。 鬻例省会麓市城市 囫研,逸 图红河县区位图 第一章绪论 ..哈尼梯田概况 本文所指的红河哈尼梯田是指位于红河县,由居住在红河南岸哀牢山区的以哈尼 族为主的各族人民,利用当地“一山分四季,十里不同天”、“山有多高,水有多高” 的特殊自然地理条件,历经干载,在长期的劳动生产实践过程中,充分发挥各族劳动 人民的聪明才智和创造精神,开辟出的一大农业生态奇观。由于历史上此处梯田的缔 造者与维护者主要以哈尼族人民为主,因此,也常被世人冠之以“哈尼梯田”,并在 申报世界文化景观遗产时正式被冠名为“哈尼梯田”。红河哈尼梯田景观既是人文景 观,也属于自然景观,可谓是民族文化与自然生态巧妙结合的典范。 红河哈尼梯田文化内涵深厚、独特,极具科学性和完整性。以梯田耕作而闻名的 哈尼族,其农耕生产生活过程中独特的水资源利用方式,传统的原始宗教信仰与对森 林的顶礼膜拜,以及节日庆典、人生礼仪、服饰、歌舞、文学均以梯田为核心,处处 体现着敬畏自然、顺应自然、利用自然、改造自然,并力谋与大自然和谐相处、融为 一体的特点。红河哈尼梯田是中国梯田的杰出代表,是世界农耕文明史上的奇迹。它 呈现出的“森林一村寨一梯田一河流”、“四素共构”的良性农业生态系统和独特的梯 田文化景观,是中外任何梯田都无可比拟的;它所蕴含的人与自然高度和谐、人与人 和睦相亲的古老文化特征,正是世纪人类所追求的一种精神。因此,随着现代工 业文明社会的迅猛发展,如何维护红河哈尼梯田的健康、稳定与持续发展,如何挖掘 红河哈尼梯田这种独特“四素共构”的景观格局和其中的科学秘密己成为亟需迫切关 注的问题。 .技术路线 本文基于景观生态学的理论和方法,综合运用文献研究和实地调研等方法,基于 和等软件进行统计分析,结合实地调研情况,筛选出适合哈尼梯田的景 观格局指数。基于筛选的指数,揭示景观格局指数的尺度域和哈尼梯田的特征尺度, 并对哈尼梯田进行格局分析,对分析的结果与实际情况进行对比,验证和评估筛选的 指数是否具有科学性。具体的技术路线如图.。红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 图.技术路线图 第二章文献综述 第二章文献综述 .引言 景观生态学起源于中欧和东欧,其发展历史可追溯到世纪年代 ., ,世纪年代早期,景观生态学引入北美,; .,; .,。景观生态学强调对“格局一过程关系”、“尺度分析”等景观 生态学理论核心的探讨,;,; .,: .,; .,; .,。景观指数法,是研究景观格局 和尺度分析的重要方法。但由于景观指数的相关性与尺度性等特点,容易造成指数的 滥用和误用 .,: .,。哈尼梯田作为全球重要农业文化遗 产,己成为研究人员和社会媒体关注的热点区域,但目前从景观格局方面对其进行深 入研究成果不多。因此需要对景观格局指数的性质进行梳理,对哈尼梯田筛选合适的 景观格局指数进行研究。 .景观格局指数筛选研究进展 景观格局是由自然或人为形成的,一系列大小与形状各异,排列不同的景观要素 共同作用的结果,是各种复杂的生物、物理和社会因子相互作用的结果, ;,;,;,。世纪年代开始,为了 ,,必须用简单数 测定景观格局对生态过程的影响 ,;字描述复杂的景观格局,因而产生了景观格局指数 ,;’,,主要包括景观结构指数和景观空间配置指数 两大类。 利用景观格局指数来描述景观格局及其变化,建立景观格局与景观过程间的联系,是 景观生态学中最常用的定量化研究方法肖笃宁等,;陈文波等,。关于 景观指数的筛选研究,本文从景观格局指数的构建、分类、相关性、尺度性、筛选方 法进行综述。红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 ..景观格局指数构建 在景观格局指数的构建上,国内外的景观生态学者提出了许多用于描述景观格局 及其变化的景观格局指数。等在分析景观格局分维数的基础上发展了 一种修饰分维数 ,用于描述景观空间格局的多样性。 等在岛屿生物地理学理论的基础上提出了斑块邻近度指数,用于描 述生境斑块之间的空间关系:基于渗透理论提出了用于描述景观 生境破碎程度的斑块聚合度指数;’等基于等级理论、经济地理理论 提出了一些景观格局指数构想。提出并使用了用于描述相邻生态系 统对比程度的相对镶嵌度指数; 等也基于渗透理论提出了描述斑块聚 合程度的聚合度指数;陈利顶等以非点源污染作为研究的典型生态过程,通 过分析不同景观类型及其空间分布格局在非点源污染形成过程中的地位和作用,借用 洛伦兹曲线的理论,从距离、相对高度和坡度三个方面建立了不受尺度限制的景观格 局评价模型一景观空间负荷对比指数。等为了来检验群落中个体的分 布状况,提出了最小距离指数。具体代表性的指数构建如表.。 目前提出的景观格局指数己将数百种,’等将构建新景观格局指 数的理论基础归纳为岛屿生物地理学理论 、渗透理论,: 三个方面 、等级理论 ,;李博等,。除此以外,信息论、分形理论及经济地理理论 等也为景观格局指数的构建提供了一定的理论基础。其中相对简单的指数一般直接来 自于数理统计或拓扑计算公式,很多较复杂的景观格局指数则来源于信息论,但是由 于景观格局指数的方法原理来源不一致,其本身对不同景观特征和分析尺度的反应及 其生态学意义尚不十分清楚,很多时候甚至是相互矛盾的陈文波 等,:李秀珍, ;陈利顶,。因此,新的景观格局指数必须要经过筛选、验证才能用于实 践中。第二章文献综述 表代表性的指数构建 ..景观格局指数分类 在景观格局指数分类上,由于景观格局指数的数量较多,并且在景观生态学的应 用中不断出现新的理论,所以目前对景观格局指数的分类还没有统一的标准。 、景 把景观格局指数分为斑块数目与大小、斑块分维数 观要素之间的边缘数和多样性、优势度与蔓延度。 把描述斑块的景观格局指数分为描述斑块形状的景观格局指数,及描 述斑块镶嵌度的景观格局指数两类。等在开发景观格局计算软件 .,,将景观格局指数分为面积/密度/边界指数、形状指数、 时 核心区指数、独立/邻近度指数、对比度指数、蔓延度与离散度指数、连通性指标度 量指数、多样性指标度量指数大类,每一大类的指数所代表的景观意义有雷同之处, 因此筛选时候要格外注意。 肖笃宁根据景观生态学基本原理把景观格局指数分成了描述景观要素的 和描述景观总体特征的两大类指标,两大类指标又可再分为六小类,同时指出也可根 据指数描述的对象分为斑块水平、类型水平及景观水平三类;申卫军, 以种真实景观和种模拟景观为分析对象,对一些常用的景观格局指数随空间幅 度和空间粒度的变化行为进行了系统分析,并根据这些指数随幅度和粒度的变化行为红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 分别进行了分类。郭晋平根据景观格局指数的意义将其分为三类:斑块特征、 景观异质性和相互关系。傅伯杰等认为景观格局指数包括两部分:景观单元 特征指数和景观异质性指数。 ..景观格局指数相关性研究 当前,用于描述景观格局的景观格局指数虽多,但许多景观格局指数之间不满足 相互独立的统计性质 .,,因此用一组不相互独立的景观指数描述 景观格局时自然不科学。在景观格局指数研究过程中,不少研究 人员就注意到了景观 指数之间的相关。’等在研究源于信息论的两个指数即优势度 和蔓延度及源于分形理论的分维数 时,就曾对它们之间的相互关系进行了研究,并得出了个景观指数之间不完全相互 独立,会使描述信息重复的结论。但同时也指出个景观指数存在相关性并不意味着 将任何一个指数放弃不用。在理想状态下应该存在一个景观指数体系,用之足以描述 .,。 景观格局但又不冗余.. 布仁仓等基于辽宁省景观类型图,计算个景观水平的景观格局指数。 经相关分析得出,总面积指数决定景观斑块数、类型密度、总边界长度等基本指数, 同时与多个指数有显著的相关关系;形状指数极少与其它指数有显著的相关系;多样 性指数和蔓延度指数之间信息重复量最多。甄霖等在对径河流域景观格局特 征进行分析中发现:斑块数、斑块面积、斑块密度、优势度、聚集度和分维数之间存 在相关性。在实际应用中,选择景观格局指数应根据不同指数的 特点和不同的研究目 的、研究内容,选择恰当的景观格局指数,去除景观格局指数的冗余性,避免忽略指 数的实际意义李斌,。 陈文波等指出对景观指数的独立性分析应主要考虑以下两个方面的问题: 一是用多少个由景观格局指数维压缩或旋转而成的相互独立的数轴可以较全面描述 景观格局,二是哪些景观指数或指数集可以恰当表示这些相互独立的数轴。景观格局 指数间的相关性不仅与景观格局本身有关,还与空间尺度、分类系统、数据精度、空 间数据分类类型、计算公式及其参数、计算单元和生态学意义关系密切;指数间影响 第二章文献综述 因子的相同之处越多,存在显著相关关系的概率就越大布仁仓等,。 ..景观格局指数尺度效应 在景观生态学中,尺度往往以粒度和幅度来表达。空间粒度 指景观中最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积;幅度则指研究对象的空间 面积大小。在景观格局指数的尺度效应上,如何确立合适的景观 观察尺度以及景观格 局的粒度效应问题,是当前景观生态学研究的热点,国内外许多学者在这方面开展了 大量研究.,;.,;赵文武等,。景观的结构、功能 和变化都具有尺度依赖性,所以在筛选、运用景观格局指数进行景观格局分析时必须 要考虑到尺度效应。’认为在景观格局指数应用时斑块大小至少是粒度 的.倍,景观大小至少是斑块的?倍。研究了尺度变化对利用空间自 相关指数分析景观结构结果的影响,结果表明,随着分析尺度的变化,空间白相关指 数也随着发生变化。 尺度具有复杂性和多样性,赵文武等基于不同比例尺的土地利用图,利 用软件研究了景观水平上的几个景观格局指数随粒度增加的变化特征;申卫 军等以两种真实景观和景观中性模型产生的模拟景观为对象,利 用软件系统的分析了种常用指数,并根据指数对粒度变化的响应特征将 景观格局指数分为三类,结果表明粒度变化对景观格局分析结果有明显影响。 进行了景观格局指数对空间分辨率、空间范围和主题类型个数的敏感性评价。 结果表明,在研究的个指数中,有个指数发现对空间范围变化敏感,个指 数对空间分辨率变化敏感。并且敏感性在指数间和空间上的变化也很大,建议在以后 的使用中要明确各指数的实际意义。 李秀珍等通过比较八个景观格局指数对由中性随机模型产生的不同景观 格局系列的反应,定性的描述了部分景观格局指数对不同格局的变化和灵敏程度,探 讨了这些指数的使用性和局限性,并认为在对比不同时期的景观格局时必须先统一分 辨率。赵文武等也探讨了不同比例尺条件下景观格局指数随粒度增加的变化 特征。研究结果表明,大部分指数均具有明显的尺度效应,并确定了适宜的粒度范围,红洞哈尼梯田景观指数筛选与格局研咒 为在不同比例尺下,选择适宜粒度进行景观格局指数的计算和尺度转换提供了理论依 据。杨丽以泾河流域土地利用图为基础,分析了个景观格局指数的粒度效 应,并确定了在研究区域进行景观格局指数计算的适宜粒度范 围。还有许多学者进行 了类似的研究,;,。 ..景观格局指数筛选方法 在景观格局指数的筛选方法上,国内外一些研究人员做了相应的探讨,等 采用了相关分析和因子分析结合的方法,首先应用相关分析将个指数分 成个组,从每组中选出一个代表指数,再进行因子分析,最后将个景观格局指 数压缩成六个指标:平均斑块周长面积比、蔓延度、相对斑块面积、斑块周长面积比、 斑块类型数和最大斑块密度面积比。甄霖等用利用因子分析法筛选出斑块数、 斑块面积、斑块密度、优势度、聚集度和分维数来研究径河流域景观格局特征,发现 各景观格局指数值可以反映径河流域土地利用的变化情况杨丽,。王景伟等 挑选了典型的四种景观格局指数对景观格局进行描述,结果表明实际应用中 只用少量的指数就可完全满足格局分析的需要。等用主成分分析法 和聚类分析法对景观类型水平的个景观格局指数和景观水平的 个景观格局指数 进行了筛选,筛选出个景观类型水平指数和个景观水平指数。 王新明等基于遥感和技术,根据生态区划计算描述中国陆地景观结 构的种景观结构指数,包括斑块密度、平均最近斑块距离、最大斑块指数、最近 斑块距离的标准差、面积加权斑块形状指数、边界密度、面积加权斑块、分维度、最 近斑块距离的相异系数、蔓延度、结合度、分布邻接指数、辛普森多样性指数、香农 多样性指数。在相关分析的基础上,对其中种指数进行因子分析,并采用前个 公因子分析中国陆地景观结构,个公因子的方差累积贡献率达%,分别定义为斑 块多样性因子、斑块形状复杂性因子和斑块分布均匀性因子。对一组景观指数行降维 分析并不意味着需要完全消除景观指数之间的依赖和冗余,景观分析的目的决定景观 指数的重要性。 何鹏等通过因子分析提取出了累积贡献率达%的个公因子,将 ,第二蕈文献缘述 个景观指数分为了大类,并利用敏感性系数筛选出了个具有良好 灵敏度、能充分 反映生态学意义的代表性景观指数,即斑块个数、平均最近距离、面积加权的平均形 状指数和散布与并列指数,有效地解决了景观格局指数繁多冗余的问题。郑建蕊等 在对洞庭湖区湿地景观进行研究时,筛选出香农多样性指数、斑块面积标准 差、斑块丰富度密度和景观类型平均分维度五个景观指数来描述洞庭湖区景观格局的 空间差异性与组织结构状态的不均衡性。等利用相关分析和因子分 析,基于约旦土地利用图,对景观类型水平的个景观指数进行了筛选和分析,最 终选出斑块数目、周长面积比率统计分布平均值、最大斑块指数、斑块凝聚力指数、 总核心面积和连接指数分布的统计方差作为描述该地区景观特征的合适指数。具体一 些筛选的结果如表.所示。 表景观格局研究中景观格局指数选择 选择的景观格局指数 分析方面 斑块类型 文献 聚集度 聚集和散布情况 。 平均周长.面积比 标准斑块形状 斑块形状 斑块周长.面积尺度转换 大的斑块密度.面积尺度转换 斑块数量 核心面积指标 斑块密度 密度大小及差异 , 斑块面积变异系数 优势度 优势度 散布与并列指数 聚集和散布情况 边缘密度 边缘指标 聚集度 聚集度指数 聚集和散布情况蔓延度指标 ., 相似毗邻百分比 邻近度红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 景观形状指数 斑块形状 边缘指标 边缘密度 对比度加权边缘密度 面积加权平均边缘面积比 面积加权平均核心斑块指数 核心面积指标 独立核心斑块密度 多样性信息 多样性指标 均匀度指标 大斑块优势 最大斑块占景观面积比例 核心面积指标 度 核心斑块面积均方差 斑块面积均方差 密度大小及差异 面积加权回转半径 斑块结合度 聚集和散布情况 景观分割度 分离度指数 散布/并列 散布与并列指数 聚集和散布情况 边缘对比 平均边缘对比度 斑块形状 面积加权边缘对比度 总边缘对比度 斑块形状差 分形维数均方差 斑块形状 异 形状指标均方差 邻近度 平均邻近度 平均邻近度指标 最邻近距离 面积加权平均最邻近距离 邻近度 斑块散布 最邻近距离标准差 聚集和散布情况 相对斑块面积 结构组成 赵文杰, 蔓延度 聚集和散布情况 第二章文献综述 平均斑块周长面积比 斑块形状 分维数 斑块类型数 多样性信息 斑块面积标准差 密度大小及差异 郑建蕊等, 景观多样性指数 多样性信息 斑块多度密度 景观类型平均分维度 斑块形状 斑块类型面积 斑块大小和密度 王振宇等, 斑块面积标准差 密度大小及差异 面积加权平均斑块分维数 斑块形状 边缘密度 边缘指标 景观多样性指数 多样性信息 景观均匀度指数 散布与并列指数 聚集和散布情况 .哈尼梯田研究进展 近二十年来,红河哈尼梯田逐渐成为研究人员关注的热点研究区 域,在中国知网 中以哈尼梯田为主题搜索可知,最早查到有关于哈尼梯田电子记 录的是年,从 年到年期间,关于红河哈尼梯田的文章共有篇图.,尤其是 年以后,关于红河哈尼梯田的文章迅速增加,目前研究人员也纷 纷从哈尼梯田的成因、 田间生物多样性、文化生态系统与景观、水资源管理等方面进行了研究。红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 【三三蔓.垂妻隧 嘲 辐 年份 图.近年来啥尼梯田研究论文变化趋势 ..哈尼梯田形成与发展历史研究 史军超,将红河哈尼梯田归为人工湿地中的稻田类型,并为人工湿 地的稻田中创造性人工湿地类型。参考历史文献资料、哈尼族古老民歌资料、民族学 调查资料,结合自然和社会条件,哈尼族在南迁到定居的过程中,多种因素促进哈尼 梯田形成角媛梅等,;肖笃宁等,:刘卫红,;陈燕,;侯甬坚, ,如表.所示。 第二章文献综述 注:该表来源于角媛梅等 ..哈尼梯田生物多样性及其应用研究 在哈尼梯田生物多样性方面,以云南农业大学朱有勇院士团队为代表的科研人员 做了很多具体的工作。他们运用基因微卫星方法、单链构象多态 性 技术和扩增片段长度多态性等技术来确定水稻多样性,研究表明哈尼梯田 区域地方品种的内部遗传多样性变化性较高,而且地方品种在户与户之间遗传多样性 变化也较高,带来的选择性压力较小,为地方品种提供了宽泛的适应性高东等,, 。徐福荣等采用入户调查,在调查的个村寨个农户中共有 个品种组合,其中个传统品种。表明元阳哈尼梯田的稻作品种丰富,且绝大 多数为传统稻作品种。云南元阳梯田稻田生态系统中鞘翅目昆虫物种丰富,杨韶松等 人从和年.月调查中诱捕到鞘翅目昆虫科种头。 关于哈尼梯田稻作系统的多样性栽培也受到科研人员的重视,研究表明,通过管理作物多样性能够保护传统水稻品种 .,,进而保持水稻品种的遗红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研咒 .,, 传多样性,而这种遗传的多样性对于稻瘟病的控制有明显的效果 合理的品种搭配是利用水稻遗传多样性控制稻瘟病技术成功的关键。尤其当感病的优 质地方水稻品种与杂交稻品种混合间栽后,该感病品种的稻瘟病发病率和病情指数均 显著下降,防治效果达.%一.%。杂交稻籼优品种混合问栽后,对稻瘟病亦有 一定的控制,防治效果达%一%朱有勇等,。 ..哈尼梯田文化与自然生态系统及景观研究 关于哈尼梯田的生态一经济一社会的复杂系统,角媛梅等提出了哈尼梯 田文化生态系统的概念,她分析了哈尼梯田文化生态系统的特征、组成、空间结构、 物质能量流动及其功能,哈尼梯田文化生态系统具有自我维持的功能。在此基础上, 探讨了哈尼梯田文化景观的概念、特征、结构和功能及保护措施。还结合了相关的软 件,计算和分析了景观格局特征、斑块粒度及邻接特征,利用计盒维数和信息维数来 刻画和分析元阳县全福庄村梯田边缘的分形特征角媛梅等,,并阐明该分析 结果可应用于解释梯田景观的美学特性。陆玉麒、角嫒梅等分别将 哈尼梯田景观进行了划分,具体如表所示。 表哈尼梯田文化景观系统划分 注;该表格来源角媛梅等第二章文献综述 ..哈尼梯田水资源管理研究 关于哈尼梯田的水资源管理, 对哀牢山区梯田的农业技 术进行研究,其中分析了梯田的排灌情况。发现该梯田是常年有水,而且灌溉等一些 水利设施和管理方式不仅为水稻提供水源,而且还具有保护梯田、储存水、为水稻生 长维护良好的土壤条件,并为各种水生动物提供了栖息地。结合山老箐村寨的实地调 查,叙述水管理情况和相关技术。郑晓云描述了红河流域少数民族利用水的 历史和水资源的管理,还强调流域水资源可持续利用。文俊等依据元阳哈尼 梯田目前水资源开发利用的实际情况,建立了哈尼梯田水资源可持续利用预警指标及 其体系框架,并得出哈尼梯田目前梯田水资源综合需水量为万,水资源综合 供水量为万,确定此时哈尼梯田水资源可持续利用预警程度为轻警。 .研究评述 目前对于哈尼梯田的研究取得了一些进展,但还存在着一些不足,红河哈尼梯田 历经千年而不衰,其中梯田景观要素及其稳定性机制更多是从历 史文化、生物多样性 方面来阐述,从景观生态学和景观格局的角度对其进行深入分析的相对较少。梯田、 森林、村寨和河流四要素之间的生态水文联系机制是保持哈尼梯田景观稳定性的核心, 应开展更加深入研究。而开展这系列研究的前提是能够合理表征哈尼梯田的景观格局 特征。因此,筛选出适合哈尼梯田四素共构特征的景观指数显得异常重要。 虽然景观格局指数具有直观性、易操作性,但对于景观指数解释也存在一系列问 .,; .,。 题,: .,: 很多景观格局指数之间存在相关关系,造成景观格局指数彼此之间有一定程度的冗余。 没有一个景观指数能够充分反映某一景观的所有特征。有人提出了几种指标组合,以 最大限度地减少信息冗余和尽量全面地反映景观特征 .,。对不同 景观之间或不同时期的景观进行研究,几种反映景观复杂程度的常用指数是必需的。 通过统计学方法对景观指数的筛选,可以获得适合研究区需要的 指数系列,更好地反红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 映研究区域景观格局的特征。景观格局的空间配置具有复杂性,不同的格局体现不同 的功能,并且对景观内部的过程影响也不同。哈尼梯田四素共构的结构必定有其特殊 的景观格局,因此在运用统计学筛选的过程中应该结合哈尼梯田的实际情况和特点, 进一步深入、全面的筛选适应这种景观格局的景观格局指数,为进一步研究生态过程 等相关问题提供基础。 景观指数的研究表明,许多景观指数具有明显的尺度效应,对幅度和粒度的变化 敏感 .,,对于特定的选取区域和景观格局指数,尺度性研究也 是非常重要。景观格局指数尺度性是景观指数最重要的性质之一,不同的指数对于不 同的粒度和幅度具有不同的敏感性,因此必须在合适的尺度下运用指数,才能避免景 观指数的无用和滥用。对于特定的景观格局,都有其特有的景观特征尺度,在特征尺 度下进行景观格局的研究,才能更好的把握景观内部的生态格局过程等其他相关问题。 因此,本文从景观格局指数的筛选和特征尺度两个方面入手,筛 选出适合红河哈尼梯 田的景观指数,识别红河哈尼梯田的特征尺度,为研究哈尼梯田的生态过程及相关问 题提供科学根据。 第三章景观格局指数筛选 第三章景观格局指数筛选 .数据来源及处理方法 本研究所采用的数据为云南省红河州红河县年代、年年三期土地 利用图,比例尺为:万,数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。本文所 选择的研究区域为下图方框范围内梯田集中区域图一,包含红河县乐育乡桂东梯 田、尼美梯田,宝华乡撒玛坝梯田,甲寅乡他撒梯田等梯田,总面积约,基 本情况如表?。 ?研究区主要梯田概况 : 注:亩 资料来源干红河县旅游局。 由于现有景观格局分析程序大多以栅格数据作为其数据源,因此,需要将矢量数 据进行栅格化,栅格最小为。由于不同的栅格粒度会影响景观的 分析结果, 因此,在计算景观指数之前,将栅格大小按的间隔大小依次设定为、、 、,、、、、、、,,、、,, 、、、、、、、、、、、、 、、。栅格单元的赋值采取优势类型法,即在进行聚合的过程中按“多 ”,也即在新产生的面积单元中,以占多数像元的属性作为新 数原则 像元的属性,若新面积单元里包含不同属性像元的数目相同时,则由程序随机地决定 新像元的类型,粒度变化规则如图?所示。以上步骤主要在 .软件实现。红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 红河县研究区域 .. , 一 一 ?一’ 图例 研究爱域 一森林 草地 水域 村止 。.咖瑚.嘲纠脚.咖 一一 一椭“??耕地第三章景观格局指数筛选滚 繁 粪 鬟繁 掣一 黧戮鬻黉 卷?焉鬻藜 粒度变粗 蘩 舞麟罄忽蠢黼 ’ 四 一“ 蘩黧 二 八 爨燮; 尊女磊蛾;熬羹垂墓粼 黧溯 黼 嚣鬃黧燃《 粒度变细 黼 ※四 舞黪然 鬻蘩六 溺鬟黧 黍鬻 黼 图粒度变化示意图根据邬建国等改绘而成 根据景观指数不同的特点,文中主要从面积与边缘指数、形状指数、核心面积指 数、隔离度/台近度指数、聚集度指数、多样性指数个方面选取了个指数进行计 算表.。同时在景观计算软件中,在景观尺度上有两种基本的度量指 标,一是关于景观的组分和空间分布布局指标;二是包括平均值?,面积加权平 均值,变异系数等在内的统计分布值。因此以下指数包含后缀为、 .。 、皆代表该指数的统计分布值。景观指数的具体算法见 表选取的个景观指数红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 形状指数 周长面积比率 ~ 形状指标 分维数指标 周长而积分维度指标 邻近指标 核心面积指数 核心面积 总核心面积 间断分布核心面积数量 间断分布核心面积密度 间断分布核心面积分布 隔离度,临近度指数 / 连接指标分布 几何最近邻距离 斑块凝聚力指数 蔓延度腐散度指数 , 相似邻接比例度 蔓延度指数 聚合度 散布与并列指数第三章景观格局指数筛选 .景观指数计算与筛选方法 ..景观指数计算软件 目前常用的运用于计算景观指数的软件是软件。软件是美国俄 博士共同开发的一个景观指标计 勒冈州立大学博士和 算软件。该软件可以相应计算斑块、类型、景观个级别上的个景观指标,其中 斑块指数有个,斑块类型指数有个,景观水平指数有个表。。以往 许多学者采用的计算景观格局指数的软件,如、、等,不仅缺乏 专业的计算模块且数据兼容性差,存在很多的缺陷和不足。本文运用软件对景观 格局指数进行提取计算,不但克服了以上景观指数计算软件的缺点而且计算效率高。 表 .指数基本分类表与景观数量 红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 连通性指标度量指数多样性指标度量指数 共计 .. 相关分析法 相关分析是研究现象之间是否存在某种依存关系,并对具体有依存关系的现象探 讨其相关方向以及相关程度。本文采用的相关分析是计算连续变量或者是等 间测度的变量间的相关分析,其值介于.与之间。在自然科学领域中,该系数广泛 用于度量两个变量之间的相关程度。相关用于双变量正态分布的 资料,其相 关系数称为积矩相关系数。进行相关分析时,一般会同时对两变量绘制散点图,以更 直观地考察两变量之间的相互变化关系。其计算公式为: 毛砉等,警 其中 一叉 、 、又分别是标准分、样本标准差和样本均值。 一般来讲,相关分析系数根据系数的大小分为极强相关...,强相关..., 中等程度相关...,弱相关...和极弱相关或无相关...五个程度。 ..因子分析法 因子分析的目的是通过少数几个因子描述多个变量之间的协方差结构 .,。如果样本包括个属性,则该组样本可以通过线性变换分解成个成分 即另外的个变量,如果个成分中的个成分包含数据的大部分信息能 解释数据的大部分方差,则此个成分即为公因子或主成分。因子分析的数学模型 是: . 红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研冗 哈尼梯田历经千年,经久不衰,其系统内部定有丰富的科学内涵。每一个村寨的 上方,必然矗立着茂密的森林,提供着水、用材、薪炭之源;村寨下方是层层相叠的 千百级梯田,提供着哈尼人生存发展的粮食;中间的村寨由座座古意盎然的蘑菇房组 合而成,形成人们安度人生的居所,同时整个水流,从上至下即为人民提供生活用水, 也为田间灌溉做成了不可磨灭的贡献。这一结构被文化生态学家盛赞为河流一森林一 村寨一梯田四素同构的人与自然高度协调的、可持续发展的、良性循环的生态系统。 哈尼梯田的景观格局特征非常明显。但是在运用统计学分析的过程,一些指数可能会 由于相关性或者其他原因,可能会被删除,导致哈尼梯田的一些重要景观格局不能完 整的表达,因此在筛选的过程中,除了利用统计学方法进行筛选外,还应根据哈尼梯 田的实际情况进行分析,最早最终通过科学的方法、文献的梳理以及实地的调查研究, 共同得到适合哈尼梯田景观格局描述的景观指数。 .筛选结果 .. 相关分析 景观格局指数之间有较强的相关关系,反映的信息在一定程度上是重叠的,增加 了分析问题的复杂性,因此对于文中上述的个景观指数,对其进行相关 分析。根据相关指数的生态学意义以及相关分析的结果,将个景观指数分为 个组,组内景观指数的相关性的绝对值均大于.,并选出代表指数表.。第三章景观格局指数筛选 表景观指数分类结果及代表指数具体中文名称见表? ..因子分析 采用因子分析中主成分分析法的思想,以分析变量的相关矩阵作为提取因子的依 据,计算出相关矩阵的特征值和相应的特征向量。对变量的筛选要考虑每一个变量的 特征值和方差的累计比率。前述的代表指数,用主成分分析对相关矩阵进行分析 后可知,前个变量的累计方差率占个变量的%,前个成分包含了所有 景观结构指数信息的%。如表?所示。 红河哈尼梯田景观指数筛选与格局研究 表景观指数因子分析结果 ..核心景观指数 按公因子在景观结构指数上的载荷的大小如表?所示,可从景观生态学的角度 解释每个公因子:第一公因子在散布与并列指数,斑块内聚力指数、 分散指数,最大斑块面积指数等指数表现出较大的载荷,代表景观 中各个斑块的质地的度量,定义其为斑块质地因子。景观质地是景观格局的一个重要 方面,对许多生态学过程来说都是非常重要的。斑块类型的细分是生境破坏破碎化过 程的重要驱动力,生境破碎化会使一些连续的斑块或生境细化。在生境破碎化的过程 中,生境的蔓延度降低,细化程度升高,最终会使生态学效应收到破坏。同众多因子 中选取载荷最高的因子作为代表。 第二公因子在斑块面积分布变异系数 ,邻近度指数平均值 ?,非连续性核心面积指数的分布变异系数?等指数载 荷较高,主要对景观的面积和形状进行描述,因此可定义其为斑块面积因子。选取载 荷较高的 作为代表性指数。 第三公因子在香农多样性指数和香农均匀度指数上表现较大 的载荷,且载荷值相同,因此可定义这一因子为斑块多样性因子。由于应用较 广,且只是对于多样性指数的一个补充,因此选取作为这一因子的代表 指数。 第四公因子在几何最邻近距离指数?的面积加权的斑块面积平均值 上表现最大的载荷,说明斑块之间的独立程度能够反映景观的状况,因此可定义为斑 块独立因子,选取载荷最高的 作为代表性指数。