李 輝, 王福海, 李 斌, 龐 敏

(1.生態(tài)環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)集成重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401320; 2.重慶財(cái)經(jīng)學(xué)院,重慶 401320; 3.重慶工商大學(xué) 公共管理學(xué)院, 重慶 400067; 4.重慶市規(guī)劃和自然資源調(diào)查監(jiān)測院, 重慶 401121)

遙感技術(shù)能對地表進(jìn)行大范圍、周期性的觀測，對研究景觀格局及其環(huán)境影響具有顯著優(yōu)勢[1]。定量遙感技術(shù)是定量遙感的一個(gè)重要領(lǐng)域，隨著傳感器的不斷發(fā)展，定量遙感技術(shù)為快速獲取區(qū)域地表特征參量，掌握區(qū)域生態(tài)質(zhì)量提供了更為豐富并且有效的途徑。景觀格局指大小和形狀不同的景觀斑塊在空間上的配置，是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在尺度上作用的結(jié)果。景觀格局動(dòng)態(tài)變化指景觀在結(jié)構(gòu)單元和功能方面隨時(shí)間而發(fā)生的變化，包括景觀結(jié)構(gòu)單元的組成成分、多樣性、形狀和空間格局的變化，以及由此導(dǎo)致的物質(zhì)、能量和生物在分布與運(yùn)動(dòng)方面的差異[2-3]。因此，對區(qū)域景觀格局動(dòng)態(tài)變化及地表特征參量響應(yīng)的研究，是揭示區(qū)域生態(tài)狀況、空間變異性特征以及與生態(tài)過程相關(guān)的區(qū)域資源環(huán)境問題的有效手段。島嶼是一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，由于其相對的獨(dú)立性，具有一定的自我維持功能。但島嶼生態(tài)系統(tǒng)又較為敏感，隨著人類對島嶼建設(shè)的急劇升溫，其景觀格局發(fā)生了劇烈的變化，直接影響島嶼景觀中能量分配和物質(zhì)循環(huán)，進(jìn)而影響島嶼，甚至整個(gè)流域的生態(tài)安全。人類對島嶼的不合理開發(fā)和利用使島嶼生態(tài)平衡產(chǎn)生重大影響，并誘發(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，具體表現(xiàn)為土地退化、非點(diǎn)源污染等。關(guān)于這方面的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在閩江口瑯岐島、山東省廟島群島、福建循洲島和海南島等地開展了大量的研究[4-6]。人類活動(dòng)對島嶼生態(tài)環(huán)境影響程度及其內(nèi)在聯(lián)系是解決島嶼生態(tài)環(huán)境困境的重要科學(xué)問題之一，而土地利用方式和程度是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)與自然生態(tài)環(huán)境相互作用最為密切的環(huán)節(jié)。過去對流域島嶼景觀格局時(shí)空變化特征及其地表特征參量的響應(yīng)研究十分罕見，因此，對島嶼景觀格局和地表特征參量時(shí)空特征及其響應(yīng)的研究，能夠?qū)u嶼自然環(huán)境的保護(hù)，島嶼生態(tài)平衡的維持以及流域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

廣陽島地處長江上游，是長江中上游第一大島，也是長江流域第二大島嶼，其地理位置優(yōu)越，環(huán)境質(zhì)量優(yōu)良，生境條件特殊，是重慶市生態(tài)文明重要的示范窗口。本研究結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)理論和方法，借助遙感影像數(shù)據(jù)和GIS技術(shù)，分析了廣陽島景觀格局總體演變特征和各景觀類型之間的差異和聯(lián)系，同時(shí)利用定量遙感技術(shù)反演歸一化植被指數(shù)、地表溫度和土壤濕度3種地表特征參量，分析其時(shí)空變化特征及對景觀格局的響應(yīng)。研究以期實(shí)現(xiàn)廣陽島景觀格局的優(yōu)化，促進(jìn)其生態(tài)環(huán)境的不斷改善，從而為廣陽島盡快成為具有長江流域重要影響的生態(tài)島嶼創(chuàng)造良好條件。

1 研究區(qū)概況

廣陽島位于長江中游，屬于重慶市南岸區(qū)，是長江第二大島嶼(第一大島為上海崇明島)，第一大江內(nèi)島。廣陽島幅員面積約為8.4 km2，島長5.5 km，最寬處2.3 km。島上地勢西高東低，西部多為丘陵，北部靠長江主干道一側(cè)地形起伏較大，南部靠內(nèi)河一側(cè)地形較為平坦，并隔內(nèi)河與峽口鎮(zhèn)、迎龍鎮(zhèn)、廣陽鎮(zhèn)相望。廣陽島海拔高度為250 m左右，最高峰龍頭峰海拔為276 m。廣陽島由長江環(huán)抱，那側(cè)內(nèi)河長約7 km，平均水面寬度為600 m，水流緩慢，無暗礁。島上陽光充足，年均日照1 233 h，年平均溫度18.3℃，無霜期為342 d，四季分明，空氣質(zhì)量較好。島上土壤為沖積、沉積棕黃色土壤，其余為石灰?guī)r性紫色泥田，土壤層厚土質(zhì)肥。2002年廣陽島居民為2 089戶，5 831人，到2018年已經(jīng)完成所有居民搬遷工作，現(xiàn)在的廣陽島為純生態(tài)島嶼。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本研究以2002年、2010年、2018年三期遙感影像為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，三期遙感影像的具體時(shí)間為2002年9月14日、2010年8月31日和2018年8月27日，影像分辨率為1 m。運(yùn)用ArcGIS進(jìn)行人工解譯獲得土地利用數(shù)據(jù)庫，解譯后的土地利用數(shù)據(jù)經(jīng)過驗(yàn)證和矯正后，精確度達(dá)到95%以上。

2.2 分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)有土地利用/土地覆蓋分類體系，結(jié)合研究區(qū)域特點(diǎn)將廣陽島的景觀類型劃分為五大類，分別為耕地景觀、林地景觀、水域景觀、建設(shè)用地景觀、灘涂景觀。

2.3 景觀格局分析

在ArcGIS中將景觀圖轉(zhuǎn)化Grid格式(10 m×10 m)，成格式并導(dǎo)人景觀結(jié)構(gòu)定量分析軟件Fragstats3.3，在景觀類型(Class Level)和景觀(Landscape Level)兩個(gè)尺度水平計(jì)算景觀指數(shù)，再結(jié)合廣陽島具體情況作進(jìn)一步分析。本研究選取的景觀格局指數(shù)包括斑塊數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、斑塊面積(CA)、斑塊面積比例(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀結(jié)合度指數(shù)(COHESION)、景觀聚合度指數(shù)(AI)。

2.4 地表特征參量分析

2.4.1 植被覆蓋變化分析 NDVI估算的植被覆蓋度是指植被(包括葉、莖、枝)在地面的垂直投影面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的百分比。具體公式[7-8]如下：

NDVI=(p(nir)-p(red))/(p(nir)+p(red))

(1)

式中:p(nir)為TM4(近紅外)波段的亮度值;p(red)為為TM3(可見光紅光)波段的亮度值。

對于Landsat TM數(shù)據(jù)而言，歸一化植被指數(shù)通?？杀硎緸椋?/p>

(2)

式中:R3和R4分別是TM影像波段3和波段4的反射率。

2.4.2 地表溫度變化分析 地表溫度是地表自然生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要物理參量，根據(jù)重慶主城區(qū)所處的地理位置東經(jīng)105°17′—110°11′、北緯28°10′—32°13′以及遙感影像的拍攝時(shí)期為夏季等因素，文章采用單窗口算法對研究區(qū)的地表溫度進(jìn)行反演，其地表溫反演具體算法如下[9-11]：

Ts={A6(1-C6-D6)+[B6(1-C6-D6)+C6+D6]T6+D6×Ta}/C6

(3)

C6=ε×τ

(4)

D6=(1-τ)[1+τ×(1-ε)]

(5)

式中:Ts表示地表溫度(K)；A6和B6是常數(shù)，分別為-67.355 35,0.458 608；ε表示地表輻射率；τ表示大氣透射率；T6表示TM6的像元亮度溫度；Ta表示大氣平均溫度(K)。

2.4.3 土壤濕度變化分析 土壤濕度指數(shù)是土壤中水分含量和作物水分狀況的一個(gè)指標(biāo)，土壤濕度也是各類生態(tài)系統(tǒng)中的重要因素之一，土壤濕度指數(shù)可用纓帽變換的濕度分量TC3或NDMI指數(shù)求取[12]。

(6)

式中:TM2和TM5分別代表TM影像的第2波段圖像第5波段圖像的亮度值。

2.4.4 雙變量空間自相關(guān)模型 空間自相關(guān)模型能夠表示某種因素在空間位置的相關(guān)程度，分為全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。為了探究景觀格局和地表參量的空間相關(guān)特征，采用雙變量空間分析模型，利用全局自相關(guān)系數(shù)Moran′sI指數(shù)表示整體空間關(guān)聯(lián)和差異狀況，計(jì)算公式[13-15]如下：

(7)

式中:Isr為單位面積景觀格局指數(shù)s和地表參量指數(shù)r的雙變量全局自相關(guān)系數(shù);yi.s和yi.r為第i個(gè)評價(jià)單元單位面積景觀格局指數(shù)和地表參量指數(shù);σs和σr為方差。為了全面具體地掌握研究區(qū)各部分的空間關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局時(shí)空特征分析

3.1.1 整體分析 表1顯示出2002—2018年廣陽島景觀面積生了巨大變化，主要體現(xiàn)為廣陽島耕地面積持續(xù)減少，林地面積持續(xù)增加，建設(shè)用地類型和空間分布發(fā)生了巨大變化，水域面積和灘涂面積也發(fā)生了很大變化。2002年耕地面積為517.54 hm2，2010年為462.78 hm2，2018年為420.23 hm2，耕地比例由2002年61.03%下降到2018年49.55%，下降了11.48%。耕地減少主要是由于島上居民整體搬遷，耕地轉(zhuǎn)化成了林地。研究區(qū)林地2002年為10.99 hm2，2010年為30.51 hm2，2018年最高為120.06 hm2，2010—2018年期間林地變化面積最大，增長幅度達(dá)到了10.56%，增長之快尤為罕見，這主要得益于島上居民外遷，廣陽島林地主要集中于島嶼中部。

表1 研究區(qū)2002-2018年景觀類型面積統(tǒng)計(jì)

廣陽島水域面積2010年最大為150.61 hm2，主要是由于三峽庫區(qū)二次蓄水使得水位上升，使得灘涂面積減少，水域面積增加，另一個(gè)原因就是島上的坑塘水面增加。廣陽島建設(shè)用地面積變化較小，2002年為65.19 hm2，2010年為67.95 hm2，2018年為66.04 hm2，變化幅度不到1%，但是建設(shè)用地最大的變化在于建設(shè)用地的分布和類型。2002—2010年建設(shè)用地類型主要為農(nóng)村居民住宅用地，空間分布較散，2010—2018年建設(shè)用地主要為公路，呈現(xiàn)環(huán)狀分布。廣陽島灘涂面積也發(fā)生了較大變化，2002年為205.6 hm2，2010年為136.18 hm2，2018年為169.96 hm2，出現(xiàn)這種變化的原因是三峽庫區(qū)蓄水，長江水位升高使得灘涂被淹沒變成了水域，2010年灘涂面積有所增加是由于河砂堆積、沉積露出水面形成灘涂。

3.1.2 景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 研究區(qū)2002—2010年由本景觀向其他景觀轉(zhuǎn)化時(shí)占有率從小到大排序?yàn)椋毫值?建設(shè)用地<灘涂<水域<耕地，其中水域、建設(shè)用地、灘涂景觀的轉(zhuǎn)化率分別為17.76%，7.89%和16.06%。其中耕地轉(zhuǎn)化率最大為54.69%，最小為林地，轉(zhuǎn)化率為3.6%，具體見表2。由其他景觀類型向本景觀轉(zhuǎn)化時(shí)占有率排列順序?yàn)椋毫值?水域<建設(shè)用地<灘涂<耕地，其中轉(zhuǎn)化最大的依然是耕地61.15%，最小的是林地1.3%?？梢钥闯?，2002—2010年，廣陽島的土地用途幾乎沒有太大的變化，廣陽島景觀類型轉(zhuǎn)化較大的是主要分布在廣陽島四周的灘涂和水域，這主要是由于三峽庫區(qū)蓄長江水位上升淹沒了部分灘涂產(chǎn)生的變化。

表2 研究區(qū)2002-2010年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

由表3看出，廣陽島2010—2018年由本景觀向其他景觀轉(zhuǎn)化時(shí)占有率從小到大排序?yàn)椋航ㄔO(shè)用地<水域<林地<灘涂<耕地，其中水域、林地、灘涂景觀的轉(zhuǎn)化率分別為8.46%，14.16%和20.04%。其中耕地轉(zhuǎn)化率最大為49.55%，最小為林地，轉(zhuǎn)化率為7.79%。由其他景觀類型向本景觀轉(zhuǎn)化時(shí)占有率排列順序?yàn)椋毫值?建設(shè)用地<灘涂<水域<耕地，其中轉(zhuǎn)化最大的依然是耕地54.695，最小的是林地3.6%。2010—2018年廣陽島景觀類型轉(zhuǎn)化分布范圍較廣，幾乎整個(gè)島域的景觀類型都不同程度的發(fā)生了變化，這主要是由于島上居民搬遷，使得島上的土地用途發(fā)生了較大變化。

表3 研究區(qū)2010-2018年景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

從景觀類型轉(zhuǎn)移變化空間分布圖來看，廣陽島2002年、2010年、2018年景觀類型變化極大，尤其是2010—2018年期間，景觀類型發(fā)生了翻天覆地的變化。2002—2010年前期變化主要體現(xiàn)在水域景觀和灘涂景觀，空間分布主要在東北方長江一側(cè)。2010—2018年后期景觀類型變化主要是在建設(shè)用地與耕地、耕地與林地之間的變化，4種景觀的變化面積較大，景觀變化分布范圍幾乎遍及整個(gè)島域。這主要是由于2010—2018年，島上居民外遷，宅基地復(fù)墾變成耕地，廣陽島旅游業(yè)的發(fā)展使得交通和基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，部分耕地轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地。2002—2018年景觀類型出現(xiàn)反復(fù)變化的區(qū)域主要是灘涂和水域，呈現(xiàn)環(huán)狀分布，這主要是由于三峽庫區(qū)蓄水和泥沙堆積沉積使得灘涂面積不斷變化。

3.1.3 景觀格局指數(shù)分析 為了進(jìn)一步分析研究區(qū)2002—2018年景觀格局變化特征，從而挖掘出景觀格局變化規(guī)律，文章對研究區(qū)各景觀格局指數(shù)進(jìn)行了分析，得到2002—2018年研究區(qū)景觀類型指數(shù)表(表4)。

2002—2018年研究區(qū)耕地和灘涂的斑塊密度指數(shù)呈現(xiàn)不同程度的上升，水域的斑塊密度呈現(xiàn)下降，林地、建設(shè)用地斑塊密度出現(xiàn)波動(dòng)。2002年耕地斑塊密度為1.18,2010年為1.3,2018年為5.07,2002—2010年變化較小說明人為干預(yù)程度較低，2010—2018年斑塊密度上升了3.89，增幅較大，表明人類活動(dòng)將耕地分割成更多斑塊，使得耕地景觀更加破碎。2002—2018年灘涂斑塊密度上升幅度為0.82，主要是由于三峽庫區(qū)蓄水和泥沙沉積使得灘涂更加破碎。林地、建設(shè)用地斑塊密度出現(xiàn)波動(dòng)，林地主要是由于自然生長，人類干預(yù)少所以呈現(xiàn)波動(dòng)，而建設(shè)用地則是居民搬遷建設(shè)用地的類型和空間位置發(fā)生了變化從而產(chǎn)生的波動(dòng)。最大斑塊指數(shù)(LPI)指各景觀類型的最大斑塊面積與景觀總面積之比。在各景觀類型中耕地的最大斑塊指數(shù)最大，說明耕地在島嶼占有較大優(yōu)勢度，是島嶼的基質(zhì)。景觀形狀指數(shù)(LSI)可度量斑塊的復(fù)雜程度。研究區(qū)林地的景觀形狀指數(shù)最低，說明島上林地的形狀較不規(guī)則，其變化受人類干預(yù)較小，多為自然生長。建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)最高，為22.06%，且呈現(xiàn)上升趨勢，說明建設(shè)用地景觀受人為干擾加劇，其景觀形狀受人類規(guī)劃的影響大。耕地景觀形狀指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，說明人類干擾也加劇。水域、灘涂景觀形狀指數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)，但波動(dòng)幅度小，主要是受自然條件的影響。斑塊結(jié)合度指數(shù)(CONESION)指某一種斑塊類型與其周圍相鄰斑塊類型的空間連通程度。2002—2018年期間耕地、水域、灘涂土地的斑塊結(jié)合度指數(shù)都在90%以上，部分年份甚至達(dá)到98%以上，說明這些景觀類型具有高度的連通性。林地和建設(shè)用地斑塊結(jié)合度呈現(xiàn)上升趨勢，且上升幅度較大，表明人類對林地和建設(shè)用地的干擾程度較大，使得兩者的貫通性大幅提高。聚集度指數(shù)指(AI)景觀中不同斑塊類型的非隨機(jī)性或聚集程度，可反映出景觀的空間配置特征。景觀聚集度的值越小，說明景觀的離散度越高，反之說明景觀的離散度越低。2002—2018年，廣陽島耕地和灘涂景觀聚集度指數(shù)都在90%以上，表明這耕地景觀類型呈現(xiàn)較高的聚集狀態(tài)，但是耕地景觀聚集度呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅小于2%，灘涂景觀聚集度指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，波動(dòng)小于3%。建設(shè)用地聚集度最低，破碎化最嚴(yán)重，說明了人類對建設(shè)用地的干擾程度很大，建設(shè)用地聚集度指數(shù)從2002年80.82%下降到2018年73.54%，下降了7.28%。林地景觀聚集度指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，從2002年81.52%上升到2018年91.29%，說明林地景觀的人為干擾小，景觀破碎度降低。水域景觀聚集度指數(shù)在80%以上，波動(dòng)幅度較大。建設(shè)用地景觀聚集度指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，從2002年80.82%下降到2010年80.6%，再下降到2018年73.54%，2010—2018年期間下降幅度較大，表明2010年以來廣陽島建設(shè)用地景觀變化較大。

表4 2002-2018年研究區(qū)景觀類型指數(shù)

3.2 地表特征參量時(shí)空特征分析

3.2.1 植被覆蓋特征分析 總體來看，研究區(qū)的歸一化植被覆蓋指數(shù)出現(xiàn)了先上升后下降，2002—2018年期間廣陽島消落帶的植被覆蓋的到了極大提升，具體見附圖6。具體來看：2002年廣陽島的植被覆蓋西南側(cè)較低，消落帶的歸一化植被覆蓋指數(shù)低；2010年廣陽島的植覆蓋達(dá)到研究年限中最高狀態(tài)，幾乎除消落帶外，整個(gè)島嶼都被植被覆蓋；2018年廣陽島的歸一化植被覆蓋指數(shù)出現(xiàn)下降，島嶼的植被主要集中島嶼的西北部和中部，四周的植被覆蓋率低，這主要是由于對廣陽島的開發(fā)，環(huán)島公路的修建和對環(huán)線四周進(jìn)行了人為干預(yù)使得島嶼的歸一化植被覆蓋指數(shù)出現(xiàn)大幅度降低。2018年廣陽島的消落帶歸一化植被覆蓋指數(shù)有的極大提高，整個(gè)島域四周的消落帶幾乎都有不同程度的植被覆蓋，這一切都應(yīng)該歸功于生態(tài)護(hù)岸工程的實(shí)施，使得消落帶有了植被覆蓋。通過三期的遙感影像對比發(fā)現(xiàn)，建設(shè)用地或者有人工干預(yù)過的區(qū)域其歸一化植被覆蓋指數(shù)大幅降低，建筑用地部分植被覆蓋為零，這對島嶼的生態(tài)環(huán)境造成極大的影響，破壞了島嶼的生態(tài)平衡，使得島嶼的生態(tài)品質(zhì)大幅度下降。如果對于島嶼消落帶采取科學(xué)的生態(tài)措施進(jìn)行人工干預(yù)，有利于促進(jìn)島嶼消落帶植被覆蓋率的提高。

通過對研究區(qū)歸一化植被覆蓋指數(shù)變化的分析，可以得出以下結(jié)論：(1) 研究區(qū)島嶼內(nèi)陸部分的歸一化植被覆蓋指數(shù)出現(xiàn)了先上升，后下降的變化，消落帶植被覆蓋2002—2010年沒有出現(xiàn)較大變化，但是2018年植被覆蓋出現(xiàn)了大幅度的上升，說明采取科學(xué)、生態(tài)的手段對消落帶進(jìn)行干預(yù)能夠有效的提高歸一化植被覆蓋指數(shù)；(2) 2010—2018年人為干預(yù)較大的區(qū)域植被覆蓋率出現(xiàn)大幅度的降低，這主要是有由于人為干預(yù)導(dǎo)致景觀變化，植被覆蓋率降低；(3) 要盡可能的保持廣陽島原始的生態(tài)景觀才能讓研究區(qū)生態(tài)安全得到保證，同時(shí)也是對生態(tài)品質(zhì)的保證。

3.2.2 地表溫度分析 從附圖7看，研究區(qū)2002年、2010年、2018年的地表溫度發(fā)生了較大變化，其中2002年的地表溫度是相對較高的一年，島內(nèi)的地表溫度均呈現(xiàn)較高的態(tài)勢，其在建設(shè)用地較為集聚的東北端和西南部出現(xiàn)了兩個(gè)十分明顯的高溫區(qū)域；2010年廣陽島整體溫度是3個(gè)研究年限中最低的，且島嶼內(nèi)的溫度相對均勻，但在東北端依然存在一個(gè)明顯的高溫點(diǎn)，這更加驗(yàn)證了建設(shè)用地對島嶼局部溫度的影響較大。2018年廣陽島的地表溫度分布出現(xiàn)了較大的差異，島嶼內(nèi)溫差較大，且南北兩側(cè)溫差十分明顯。從2018年廣陽島地表溫度圖上可以看到，環(huán)島公路右側(cè)到消落帶的區(qū)域溫度明顯較其他區(qū)域高，該區(qū)域是認(rèn)為對景觀格局干預(yù)最多，也是景觀變化最大的區(qū)域，在環(huán)高公路的周邊還出現(xiàn)了呈現(xiàn)條帶狀的高溫區(qū)域。

人為對土地景觀的干擾會(huì)對區(qū)域的地表溫度產(chǎn)生明顯的影響，尤其是建設(shè)用地會(huì)大幅度的提高局部溫度，形成高溫點(diǎn)。同時(shí)，局部高溫不僅僅是對高溫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生影響，還會(huì)對周圍想鄰的區(qū)域產(chǎn)生附帶影響。由此可見人為干預(yù)對島嶼生態(tài)質(zhì)量的影響較大，必須要重視人為活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境造成的破壞，尤其要重點(diǎn)關(guān)注建設(shè)用地對島嶼生態(tài)安全和生態(tài)品質(zhì)造成的惡劣影響。

3.2.3 土壤濕度分析 土壤濕度是生態(tài)效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)。由附圖8可見，2002—2018年廣陽島土壤濕度出現(xiàn)了極大的變化，具體來看，2002年廣陽島土壤濕度分布較為均勻，但是消落帶的土壤濕度較低，這可能是由于消落帶沒有植被覆蓋土壤的保濕能力差、蒸發(fā)快所以其土壤濕度低。同時(shí)，島嶼內(nèi)部建設(shè)用地部分土壤濕度幾乎為零。2010年廣陽島土壤濕度分布也較均勻，島嶼內(nèi)部沒有出現(xiàn)較大的差異，消落帶的土壤濕度很低。2018年廣陽島土壤濕度在空間和數(shù)量上的差異變化較大，廣陽島東北部和南部的土壤濕度很低，這些地方均是人類活動(dòng)對廣陽島景觀格局進(jìn)行干擾了的區(qū)域，所以導(dǎo)致土壤濕度下降變得很低。廣陽島西南部沒有人為干擾的區(qū)域，其土壤濕度較高，可以明顯看出其與人為干預(yù)區(qū)域的濕度差異。2018年廣陽島消落帶的濕度也出現(xiàn)了很大的變化，由2002年、2010年濕度極低，演變成濕度相對較高的區(qū)域，這主要是由于廣陽島生態(tài)護(hù)岸工程的開展使得消落帶的歸一化植被覆蓋指數(shù)提高，土壤濕度也響應(yīng)提高。

3.3 地表特征參量對景觀格局變化響應(yīng)分析

3.3.1 植被覆蓋對景觀格局響應(yīng) 為了更加詳細(xì)對比2018年研究區(qū)歸一化植被覆蓋指數(shù)在空間分布上的差異，將景觀類型圖與歸一化植被覆蓋指數(shù)等值線圖進(jìn)行疊加得到附圖9，通過分析，研究區(qū)歸一化植被覆蓋指數(shù)從消落帶到島嶼中心的分布規(guī)律是消落帶部分植被覆蓋度較高，然后消落帶到環(huán)島的內(nèi)部公路的植被覆蓋明顯降低，再到島嶼中部高地其植被覆蓋率再次上升。整個(gè)覆蓋率從0.4～0.7，下降到0.3～0.5，再上升到中部的0.6～0.7，呈現(xiàn)明顯的先高再低再高的空間規(guī)律。研究區(qū)建設(shè)用地景觀的歸一化植被覆蓋指數(shù)極低，主要是由于建設(shè)用地周圍的植被覆蓋用地的作用。人為人工綠地的值主要集中在0.3～0.4，部分地方植被覆蓋指數(shù)達(dá)到了0.5，自然綠地的歸一化植被覆蓋指數(shù)主要在0.6～0.7，其植被覆蓋整體分布都很均勻，沒有出現(xiàn)異常值，是所有景觀類型中平均植被覆蓋率最高，分布最均勻的。消落帶的植被覆蓋率南部和北部的差異較大，東岸和西岸的差異較大，消落帶植被覆蓋較高的部分植被覆蓋指數(shù)值大致在0.5～0.7，有部分區(qū)域歸一化植被覆蓋指數(shù)達(dá)到了0.8～0.9，這部分區(qū)域是整個(gè)島域中歸一化植被覆蓋指數(shù)最高的。消落帶中植被覆蓋低的區(qū)域主要是由于江水經(jīng)常淹沒的原因。

3.3.2 地表溫度對景觀格局響應(yīng) 地表溫度的變化與景觀類型相關(guān)性極大，島嶼內(nèi)建設(shè)用地部分的地表溫度最高，從2010—2018年研究區(qū)地表溫度變化圖可以明顯看出環(huán)島公路的地表溫度有加大幅度的升高。同時(shí)，還可以看到對土地進(jìn)行了推平或者其他較大人為干預(yù)的區(qū)域，地表溫度也相對較高。但是隨著對這些敏感景觀距離的增加，地表溫度也逐漸降低。這些變化充分說明了人為破壞原始景觀對廣陽島的生態(tài)造成極大的影響，尤其是在島上進(jìn)行建設(shè)開發(fā)會(huì)導(dǎo)致廣陽島生態(tài)效應(yīng)降低。

為了深入分析景觀改變對地表溫度的具體影響，本研究選擇了3種景觀類型的7個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，進(jìn)行了地表溫度的緩沖分析。結(jié)合表5可知，隨著緩沖距離的不斷增加各樣點(diǎn)的地表溫度逐漸降低，這與地表溫度隨著距敏感區(qū)的距離越來越遠(yuǎn)，地表溫度也逐漸降低的猜測相吻合。以建筑物1體育訓(xùn)練場為例做深入分析，該建設(shè)用地點(diǎn)中心溫度為34.01℃，當(dāng)緩沖距離為50 m時(shí)，其地表溫度為32.97℃，下降了1.04℃；隨著緩沖距離的增加，當(dāng)緩沖距離為100 m時(shí)，地表溫度為32.34℃，地表溫度下降了0.63℃，地表溫度下降的幅度減??；當(dāng)緩沖距離為200 m時(shí)，地表溫度為31.98℃，地表溫度下降0.36℃，地表溫度下降的幅度再次減??；當(dāng)緩沖距離為500 m時(shí)，地表溫度下降到30.72℃，下降了1.26℃。由此可以看出，地表溫度與緩沖距離呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著緩沖距離的增加，地表溫度也逐漸降低。

表5 研究區(qū)地表溫度各樣點(diǎn)值統(tǒng)計(jì) ℃

3.3.3 空間相關(guān)性分析 文章采用了空間相關(guān)性分析模型，對研究區(qū)景觀格局指數(shù)和地表參量的空間關(guān)聯(lián)特征進(jìn)行了相關(guān)性分析，獲得表6所示結(jié)果。

表6 研究區(qū)全局Moran′s I指數(shù)變量

對研究區(qū)2002—2018年的景觀格局指數(shù)與地表參量進(jìn)行相關(guān)性分析，研究區(qū)景觀格局變化狀況與植被覆蓋指數(shù)呈正相關(guān)的區(qū)域面積占總面積的96.56%，顯示出植被狀況與景觀格局具有相當(dāng)高的相關(guān)性。二者負(fù)相關(guān)的面積僅占總面積的3.44%，主要分布在灘涂和消落帶地區(qū)。植被覆蓋指數(shù)與地表溫度的顯著性也較顯著，二者負(fù)相關(guān)性達(dá)到顯著水平，占整個(gè)研究區(qū)面積的73.22%。呈正相關(guān)關(guān)系區(qū)域基本沒有達(dá)到顯著水平。植被覆蓋指數(shù)與土壤濕度的顯著性比較顯著，二者的正相關(guān)性達(dá)到顯著水平，占整個(gè)研究區(qū)面積的78.62%。呈負(fù)相關(guān)關(guān)系區(qū)域基本沒有達(dá)到顯著水平。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

人為干預(yù)對景觀的改造給區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的沖擊。對島嶼高強(qiáng)度的開發(fā)推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也改變了區(qū)域生態(tài)安全格局，構(gòu)成了生態(tài)脆弱地區(qū)的景觀格局與區(qū)域的生態(tài)安全的矛盾與沖突[16-19]。

首先，研究區(qū)歸一化植被覆蓋指數(shù)呈現(xiàn)先上升，后下降的變化，2002年、2010年歸一化植被覆蓋指數(shù)的數(shù)值在空間上分布較均勻，2018年的高歸一化植被覆蓋指數(shù)呈現(xiàn)環(huán)狀分布，外圍高中部低，中心高的分布。沒有人為干預(yù)的植被覆蓋最高，分布也最均勻，說明其生態(tài)穩(wěn)定，生態(tài)效應(yīng)好。人為干預(yù)對景觀的干預(yù)是植被覆蓋變化的主要原因，人為干預(yù)的程度越大，植被覆蓋越低，維護(hù)原始景觀是最有效的生態(tài)保護(hù)措施。

其次，地表溫度與景觀類型有著密切的關(guān)系，人為干預(yù)對土地景觀類型的改變會(huì)對該區(qū)域地表溫度產(chǎn)生較大的影響，且人為干預(yù)程度的高低也對溫度的高低有不同的影響，干預(yù)程度越高地表溫度高。建設(shè)用地對地表溫度的影響很大，是研究分類的景觀類型中地表溫度最高的景觀，說明建設(shè)用地對地表溫度的影響最大。敏感區(qū)的地表溫度與緩沖區(qū)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，隨著緩沖距離的增加，其地表溫度也隨之降低。要堅(jiān)決減少廣陽島上的建設(shè)用地，控制建設(shè)用地規(guī)模，盡可能的保護(hù)廣陽島的原始生態(tài)景觀，對廣陽島的生態(tài)安全和生態(tài)品質(zhì)有著舉足輕重的作用。廣陽島內(nèi)部土壤濕度與人為活動(dòng)密切呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，人為對島嶼原始景觀的改變程度越大，其土壤濕度也就越低。廣陽島環(huán)島消落帶的土壤濕度與人為活動(dòng)呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，如果采取科學(xué)、生態(tài)的手段對消落帶進(jìn)行治理，能夠有效的提高消落帶區(qū)域的土壤濕度。修建建設(shè)用地對土壤濕度的破壞極大，要盡可能的減少廣陽島的建設(shè)用地范圍，保持廣陽島原始的生態(tài)景觀的生態(tài)質(zhì)量。

最后，從景觀格局演變過程和地表特征參量的演變特征來看，兩者的變化表現(xiàn)出較高的重疊度。具體表現(xiàn)為：在時(shí)間尺度上，2002—2018年研究區(qū)景觀格局和地表特征參量均出現(xiàn)較大變化。建設(shè)用地的擴(kuò)張，高植被覆蓋區(qū)域和高濕度區(qū)域面積的減少、高地表溫度區(qū)域面積的增加是該時(shí)段廣陽島整體用地變化的顯著特征。在空間格局上，新增建設(shè)用地區(qū)域的地表溫度和土壤濕度的改變在空間上表現(xiàn)出高度的一致性。兩者變化特征的一致性，進(jìn)一步表明景觀格局與地表特征參量的變化間存在緊密聯(lián)系。

4.2 結(jié) 論

(1) 2002—2018年，研究區(qū)各類景觀的空間分布很不均衡，其中耕地分布的范圍最廣、面積最大，是島嶼景觀基質(zhì)；林地主要分布在島嶼中部；水域主要分布于東北部和北部；建設(shè)用地主要是公路，呈現(xiàn)環(huán)狀分布，多分布于南部；灘涂主要分布西部和西北部，且圍繞島嶼呈現(xiàn)環(huán)狀分布。

(2) 研究區(qū)景觀破碎度呈現(xiàn)先穩(wěn)定后明顯升高趨勢，景觀整體趨不穩(wěn)定。灘涂是廣陽島的一類特殊景觀，在水源涵養(yǎng)、水土保持、生物多樣性保護(hù)等方面其中重要作用。要注重灘涂的有效保護(hù)和合理利用，維持景觀穩(wěn)定性。

(3) 研究區(qū)的植被覆蓋呈現(xiàn)出先上升后下降的變化特征，消落帶的植被覆蓋有較大的提升，但整體有所下降，需要盡量維持廣陽島原始的生態(tài)景觀，提升生態(tài)品質(zhì)。

(4) 研究區(qū)地表溫度呈現(xiàn)上升趨勢，特別是新增建設(shè)用地區(qū)域；消落帶土壤濕度較低，建設(shè)用地區(qū)域土壤濕度幾乎為零。2010—2018年，廣陽島土壤濕度在空間和數(shù)量上存在較大差異，具體為東北部和南部較低，西南部較高，且表現(xiàn)出明顯的人為干預(yù)差異。

(5) 區(qū)域地表特征參量對景觀格局的變化有著十分密切的響應(yīng)關(guān)系，景觀格局的變化是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果，相比自然因素，人為干預(yù)對廣陽島景觀格局變化起著更為重要的作用。