龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
基于斑块稳定性研究不同植物配置下苔藓斑块的演进
作者：朱彦清 杨浩楠
来源：《科学与信息化》2018年第12期
摘 要 苔藓植物具有独特的生态美学功能，而且其群落自发性在符合低成本景观设计的要求。研究的主要目的是基于斑块稳定性研究不同植物配置下苔藓斑块的演进以更好地实现相关设计。利用PS、CAD、GIS、EXCEL等软件计算出不同植物配置下斑块的稳定性。研究发现斑块稳定性与植物配置相关，与树冠盖度成正相关，与草地盖度成负相关。三种不同的植物配置反映了斑块自发演进的三个阶段。
关键词 苔藓；生态格局；斑块；稳定性；植物群落；演进 1 相关理论基础
1.1 景观格局和景观格局类型
景观格局是指景观的单元在空间上的排列和组合规律，各景观单元形状不同、大小各异、属性也不一样，景观单元本身具有差异性，而景观格局正是这种差异性的具体表现形式，在分析景观格局要素的时候，要充分考虑景观以及景观单元的拓扑特征。分析景观格局的目的是为了在纷繁错乱的排列和组合的景观单元中找寻其内在的具有生态意义的规律和秩序。（李哈滨，Franklin，1988） 景观格局类型[3]：
（1）均匀型分布格局：对区域内某种特定类型的景观要素来说，当其景观类型之间的距离在一个微小范围内波动时，可以认为其距离为相对一致，这种景观要素的分布就属于均匀型分布。
（2）团聚型分布格局：当区域内相同类型的斑块聚集在一起，大面积的分布，这种景观要素的分布就属于团聚型分布。
（3）线状分布：当某种斑块的分布呈线形或带形分布时，这种景观要素的分布就属于线状分布。
（4）平行分布：当同类型斑块在空间上平行分布的时候，这种景观要素的分布就属于平行分布。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
（5）特殊组合或空间连接：一种比较特殊的分布模式，往往体现的是不同类型景观要素的组合形式及其空间连接的相关性。 1.2 景观格局分析[3]
在景观生态学研究中，对于景观的空间异质性与景观形成的生态学过程以及景观尺度之间的相互关系的研究尤为重要，三者之间的相互关系是景观生态学研究的突出特点。利用RS软件的技术支持，将自然环境资料进行量化处理，应用于景观格局分析当中。利用量化数据，建立景观格局模型，也是景观格局分析的重要分析方法，通过对景观格局的分析，得出景观要素斑块类型特征以及景观要素斑块之间的相互关系，得出整个景观在空间上的分布特征。景观格局量化研究方法，可探寻景观结构和景观功能之间的联系，对于景观的动态变化也提供了有效的预测手段。
景观格局的特征研究一般从三个层次上进行分析：当选取单个斑块作为研究对象的时候，研究单个斑块数量、面积、周长等属性，得到景观格局斑块水平指数；当选取一种类型的斑块作为研究对象时，研究这一类型的斑块数量、总面积、总周长等属性，得到景观格局斑块类型水平指数，斑块水平指数对于整个研究区的景观结构影响不大，但是它是其他景观指数计算的基础；当选取不同类型的多个斑块在景观中的分布规律，相互联系，相应地得到景观格局的景观水平指数。景观空间格局指数研究也从两个层面上进行，一方面是景观要素的特征指数，用于描述斑块的总数量，总面积和总周长的特征；另外一方面是景观异质性的研究，包括景观多样性和景观破碎度等。运用景观格局指数可以定量地分析区域内景观格局空间分布特征，研究景观类型的结构和功能之间的相互联系。 1.3 景观格局分析软件
对景观生态格局进行分析和模拟，需要有相应的软件，本次调查研究的数据收集、处理和分析主要选取的是Patch Analyst和FRAGSTATS。
Patch Analyst能够对shape或Grid进行常用的景观指数计算，可以进行包括区域多边形或栅格的分解和重组，交叉（合并）图层，生成核心区，生成六边形区域，增加或更新面积和周长数据，FRI字符串量化，进行图层中数据的各种空间统计。在基于多边形数据文件（Shapefiles）或覆盖范围进行空间分析时有设置层的属性表、设置地图单位、图层合并溶解、生成核心区域图层、主题和分析级别的选择、查看分析结果等6个步骤。
FRAGSTATS是目前主要的用语计算景观格局指数的软件，它有两个版本，矢量版本运行在ARC/INFO环境中，接受ARC/INFO格式的图层；栅格版本可以接受ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多种格式的格网数据。栅格版本可以计算最近距离、邻近指数和蔓延度，但是栅格版本在计算边缘参数时会因网格的分辨率而产生误差。FRAGSTATS可以计算出59个景观指标。这些指标被分为3组级别，分别代表了3种不同的应用尺度：
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
（1）斑块级别（patch-level）指标，反映景观中单个斑块的结构特征，也是计算其他景观级别指标的基础；
（2）斑块类型级别（class-level）指标，反映景观中不同斑块类型各自的结构特征； （3）景观级别（landscape-level）指标，反映景观的整体结构特征。 1.4 景观指数
在选取景观指数的时候，不仅要考虑到景观格局指数相对性和全面准备描述性的同时，还应考虑到景观指数体系对于整体景观格局研究的适应性。O’Neil等通过研究认为，在选取景观格局指数对景观格局特征进行分析的时候应当注意所选取的指数体系应具有在统计学分析中具有相对的特性，具有特殊描述景观格局不同方面的能力；选取的景观格局指数对景观生态过程中可能出现的错误，以及在数据处理的时候，出现的人为错误具有敏感性；景观指数存在着尺度效应，不同尺度下，景观格局指数也会发生相应的变化，在选取景观格局指数的时候，应该充分考虑景观指数与空间尺度之间的相互关系。特别是在研究景观格局的时空变化时，更加应该注意保持其空间尺度的一致性。
在实际景观格局指数研究中，由于景观所具有的地域性，在选取景观格局指数的时候，应该根据景观格局指数本身的特点结合实际研究区域内景观类型特点和景观类型数量等因素以及研究区域内景观格局的目的、内容，来选取适应性的景观格局指数。
本次研究在分析苔藓斑块景观格局时，选取计算公式简单、生态学意义明确的8个景观指数，包括：斑块数量NP、总斑块面积CA、样方面积A、总边缘长度TE、斑块密度PD、比重PLAND、分维数FRAC、稳定性指数SK。 1.5 景观稳定性与玻尔兹曼原理
若不考虑景观组成的生物量，仅从景观结构上研究同一景观的稳定性，可以借助玻尔兹曼（Boltzmann）原理（赵羿和李月辉，1999；傅伯杰等，2001）。
根据热力学第二定律，系统的无序度和均匀度越大，意味着熵值越高；同时，根据信息论原理，系统的无序度和均匀度越大，意味着信息量越小，不确定性越低，稳定性越强。因此熵值高对应着稳定性强。
景观中自然植被的自发演替过程是由非均匀化逐渐向趋向均匀化，不同物种的聚集形成斑块，进而形成某种结构，经过相关研究可以得到以下结论：在相同的物种量的情况下，斑块数越多，景观结构的异质性越高，熵值越低，景观越不稳定。 2 研究内容与方法
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
2.1 基地现状
基地位于上海长风生态商务区附近，苏州河沿岸（娄山关路至哈密路），北邻光复路、南邻苏州河，全长约1600m，基地面积0.25平方千米。原为长风工业区，2003年开始改造为五个滨水绿地分为1号-5号，形成80-130米宽的绿色廊道。本次调研为12月，平均气温7.3℃，降水量71毫米，水平面日均辐射量8047kJ/m2，相对湿度69%。
经过初步调研分析，其中3、5号绿地正在封闭施工，1、2、4号开放。北侧为大面积商务区，东侧为长风公园，南侧为居民区，但因为苏州河的隔离，绿地对于居民来说可达性不高，且长风公园作为核心吸引点吸引了大量人群，所以基地的使用人群多为商务区上班人员临时使用，且使用量多集中于早晨、中午时段等非上班时间，整体使用量不高，维护也较为松散。虽然该绿地作为商业区周边的绿地，但不具备商业景观的精致特点，反而有多处变为荒凉破败之所。外界人工的低强度影响（如游客踩踏、除草修剪等）使绿地中苔藓广泛分布，苔藓的自发性衍生机制可以自然状态下进行而不会受到过多的人为干扰。这也为研究苔藓衍生提供了较好的基地条件，低强度的场地使用更适合于低强度的维护，研究该场地内的自发性机制对于后期的养护管理有一定意义。
本次重点对4号绿地进行分析，该地块植物配置形式并不多样，多为单一的草地、草地孤乔、群乔等，地被植物面积及种类并不多。 2.2 研究对象和内容
根据景观格局分析的特点，斑块面积与区域尺度应存在较大的尺度差异，格局分析才具有可靠性，如城市中的若干绿地斑块，森林中的若干物种斑块（在1000km的尺度范围内分析1km尺度的斑块）。因此对于面积只有0.25平方千米的绿地来说，合适的斑块尺度为0.5m，因此研究苔藓斑块是合适的。
根据基地现状，人工影响较少，管理强度较低，适合研究苔藓斑块的自发性衍生机制，通过对各种植物配置下斑块稳定性分析可以推断其衍生规律，创造出良好的微景观。同时对于低强度使用的绿地低成本养护进行指导。
总的来说，研究内容为利用景观生态格局中斑块稳定性的概念来分析低强度使用的绿地中苔藓斑块的自发性衍生过程，对比不同植物配置中苔藓斑块的稳定性。主要内容包括：①学习景观生态学理论，分析国内外景观格局研究现状。学习GIS、FRAGSTATS等软件的相关原理，了解景观指数的计算过程。为后续实验提供理论和技术支撑。②分析斑块的分布特点及相对应的植物配置情况。③对影像进行校正和增强处理，提取出苔藓斑块的形态。④运用景观指数分析图像中苔藓稳定性，寻找稳定性与植物配置之间的关系。 2.3 研究方法
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
本文从生态格局的理论研究入手，通过对基地剖面采样，对场地内景观植物配置方式进行分类，然后统计每种植物配置下苔藓斑块的分布情况。然后对其分类采样，通过PS、CAD对影像进行处理提取，结合GIS软件将图像数据转化为表格数据，利用相关计算公式模拟FRAGSTATS计算景观指数。
（1）资料搜集整理：包括景观生态格局相关文献、书籍，景观格局分析方法和技术手段。
（2）实地观测并剖面统计分析，得出苔藓斑块分布所对应的植物配置类型，即对于不同基质的研究。
（3）对斑块拍照采样，运用PS、CAD对图像进行强化，分离出斑块信息。
（4）利用ArcGIS对CAD的矢量化图形进行空间数据分析，得出表格数据。第3、4步如图3
（5）因为计算的指数较少，这里用公式直接代替烦琐的FRAGSTATS计算过程，利用表格数据得出各种植物配置下斑块稳定指数。 3 数据收集 3.1 数据分类
在4号绿地沿河做剖面（图2），分析每个剖面的植物配置状况，并进行苔藓分布统计（图3）
如图3，整个绿地的植物配置（基质）包括：裸土、草、地被、灌木、乔+裸土、乔+草、乔+地被，共7大类。其中实心圆点表示有苔藓分布，共四类：裸土、草、乔+裸土、乔+草。因此苔藓斑块共有四种分布模式，因为裸土环境只是个别地块、数据量极少，且多为地砖缝、路缘石等缝隙中，生长空间被人为限定，不存在自然地扩散过程，故不予分析。 3.2 样方
数据被分为三类：A、B、C，分别代表草、乔+草、乔+裸土。对每类数据进行随机采样，根据苔藓斑块的尺度特点，多为0.5m左右，故将样方尺寸定为0.5 × 0.5m。采用量尺截取0.5×0.5m尺寸垂直于采样面进行手机拍摄，每类采样三处，共9组数据。记录每个数据所对应的空间位置及植物配置情况。拍摄时应清理表面浮物，防止斑块图像被其他杂物遮挡；尽量涵盖完整的斑块，使斑块数据有效；避免选取边缘化的基质环境，如石块、树根等边缘，排除因基质突变对斑块演进造成的影响。 3.3 数据预处理
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
（1）将得到的9张初始照片用PS进行裁剪、修正、通道分析提取得到更清晰的斑块图像。通过对比，红通道相比其他两个颜色通道识别度更高；
（2）在CAD中进行边界描摹，将位图转化为矢量数据，所有斑块都要形成一个闭合图形，对于被样方边界切割的斑块不能与样方共用一条边界；
（3）将CAD文件导入ArcGIS，分析得出每个矢量图形的周长、面积、数量，导出成为EXCEL表格数据，即得到每个样方中的斑块的景观指数：斑块边缘长度、斑块面积、斑块数量NP。 4 数据分析 4.1 样方数据分析
将各样方所对应的表格数据，进行分类统计，根据斑块面积的级别分为八个等级，统计样方中各级别所对应的斑块数量（表1）
统计分布图如（图5），红色为A类型，蓝色为B类型，黄色为C类型。图中可以发现斑块分布呈正态分布，三个峰值代表着斑块演进的三个阶段，总体呈数量减少、面积增大的趋势。
A 跨度小、峰值高、总斑块数量多；C 跨度大、峰值低、总斑块数量少；B呈现中间过渡状态。从A到C的过程，乔木盖度增加，草地盖度减少。而这种植物配置方式的变化对应着苔藓斑块分布形式的偏移。植物配置中乔木盖度、草地盖度的变化与苔藓斑块的演进有对应关系，但是据此无法判断其正相关或负相关。接下来计算三种形式斑块的稳定性，确定它的演进方向，因为斑块总是朝稳定性更高的方向发展。 4.2 8个景观指数
根据前期的理论分析，计算斑块稳定性需要用到8个指数。 （1）斑块数量NP/个：数据预处理中已经得到。
（2）总斑块面积CA/mm2 ：利用EXCEL的斑块面积数据加和。 （3）样方面积A/mm2：已知250000 mm2。
（4）总边缘长度TE/mm：利用EXCEL的斑块边缘长度数据加和 （5）斑块密度PD（个/m2）：PD = 1000000NP / CA。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
景观格局中的基础数据，用来衡量斑块的分布密度，对于同种物种来说，比NP更能反映景观破碎度和异质性，破碎度越高、异质性越高则稳定性越低，进一步侧面反映格局稳定性，但不能直接反映斑块格局稳定性。 （6）比重PLAND/%： PLAND=CA/A × 100%
衡量斑块的丰富度的指标，比CA更能反映斑块组成。可以直观反映出样方内物种的生物量，比重越大，异质性越低，稳定性越高。 （7）分维数FRAC：
FRAC = 2 ln（0.25TE）/ ln（CA）
分维数取值范围为1≤FARC≤2，反映了形状的复杂性和稳定性，对于规则的几何形状（如正方形），其FARC为接近1，对于一个周长迂回曲折的斑块来说，其FARC接近2。 （8）稳定性指数SK： SK =∣FRAC-1.5∣
Mandelbrot认为布朗运动的线-线函数的分维数是1.5。当FARC=1.5时，表示斑块处于类似于布朗运动的随机状态，即最不稳定状态。FARC值越接近1.5，表示越不稳定。因此SK越高，稳定性越强。
4.3 景观指数计算结果与分析
利用软件计算出八个景观指数，并求各类样方的平均数，如表2。
根据上文提到的景观指数，斑块密度PD、比重PLAND可以简单反映出斑块稳定性，且PD与稳定性呈负相关，PLAND与稳定性呈正相关。稳定性指数SK可以直观反映稳定性，呈正相关，如表中数据所示可以看出，PD、PLAND、SK三个指数的趋势与预测相符。 5 结束语
经过研究检验了景观格局分析方法在微小尺度的实用性，但要拉开研究对象与研究场地的尺度差异，样本大小也要充分考虑到斑块的平均尺度。
苔藓演进过程经过A型（草）到B型（乔木草地）最终到C型（乔木土地）三个阶段，斑块密度PD减少、比重PLAND增加，稳定性指数SK增加，斑块稳定性增强。通关三方面分析稳定性变化可以减少偶然误差，是结果更具有真实性。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
苔藓斑块稳定性与所处植物配置环境有关，与乔木盖度正相关，与草地盖度负相关。但因为实际样本量不多，无法精确到各种乔木盖度和草地盖度的完整统计。这里采用的是通过分级统计，对斑块分布图峰度、偏度进行图像预测。
因此，在初期设计时，可以通过适当塑造更多的林下裸土地来创造良好的苔藓生长环境，促使它的自发性演进，降低景观成本，同时创造良好的微景观。
