基于分形的海南岛东寨港红树林景观空间结构变化研究

doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.5.1179

基于分形的海南岛东寨港红树林景观空间结构变化研究

张颖^,, 朱忠礼^,, 焦晨泰

北京师范大学地理科学学部，北京 100875

Analyzing the Spatial Structure Change of Landscape of Mangroves in Dongzhai Harbor based on Fractal

Zhang Ying^,, Zhu Zhongli^,, Jiao Chentai

Faculty of Geographical Science，Beijing Normal University，Beijing 100875，China

通讯作者: 朱忠礼（1972—），男，河南商丘人，副教授，主要从事遥感与地理信息系统研究。E⁃mail：zhuzl@bnu.edu.cn

收稿日期: 2021-06-05 修回日期: 2022-07-13

Received: 2021-06-05 Revised: 2022-07-13

作者简介 About authors

张颖（2001—），女，河南濮阳人，硕士研究生，主要从事自然灾害学研究E⁃mail：201811051125@mail.bnu.edu.cn , E-mail：201811051125@mail.bnu.edu.cn

摘要

红树林湿地在维护近岸海域的生态环境，抵御海潮、台风自然灾害等方面具有重要作用。利用海南岛红树林遥感专题信息产品，基于分形理论中的豪斯道夫维数、景观稳定性指数和聚集维数，分析了1987—2017年海南岛东寨港自然保护区红树林景观空间结构的变化特征：①1987—2017年间，红树林景观面积整体增加，2017年总面积达到18.05 km²，且扩展方式主要为边缘扩展和内部联通。②红树林景观分布复杂度和稳定性在1987—2003年间整体下降，波动性较强，景观结构不稳定；在2003—2013年间稳步上升，斑块持续扩展，景观结构稳定发展；2013年后略有下降。③红树林景观增长有聚集中心，聚集维数为1.47，对周围红树林的增长有辐射性。东寨港红树林聚集分布区已达景观稳定状态，在保持抚育的基础上可适度开发其审美、生态功能，针对尚处于扩张等状态的红树林斑块，可持续进行扩种、抚育。

关键词： 红树林 ; 海南岛 ; 分形 ; 分维数 ; 聚集维数 ; 空间结构

Abstract

Mangrove wetlands play an important role in protecting coastal ecological environment and resisting natural disasters such as tides and typhoons. Based on Hausdorff dimension， stability index and aggregation dimension of Fractal theory， the change characteristics of mangrove landscape’s spatial structure in Dongzhaigang National Nature Reserve of Hainan from 1987 to 2017 were analyzed by using mangrove remote sensing thematic information products. ①During 1987—2017， the total area of mangroves in Dongzhai Harbor showed an overall increasing trend. In 2017， the area of the mangroves reached 18.05 km². The main expansion modes of mangrove landscape were marginal expansion and internal connection. ②During 1987—2003， the complexity and stability of mangrove landscape distribution showed a downward trend with strong dynamic， and the landscape structure was in an unstable state. During 2003—2013， the complexity and stability of landscape of mangroves gradually increased steadily， mangrove patches expanded and the landscape structure reached a steady state. After 2013， the complexity and stability of landscape of mangroves decreased slightly. ③Expansion of mangroves in Dongzhai Harbor is aggregate-centered and the aggregation dimension is 1.47. The aggregation centers have radiation effects to the growth of surrounding mangroves. The aggregated distribution area of mangroves in Dongzhai Harbor has reached a stable state of landscape development. Under the circumstances of maintaining and fostering properly， its aesthetic and ecological function can be developed moderately. While for those mangrove patches that are still expanding， sustainable development can be achieved through artificial afforesting and fostering.

Keywords： Mangrove ; Hainan island ; Fractal ; Fractal dimension ; Aggregation dimension ; Spatial structure

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本文引用格式

张颖, 朱忠礼, 焦晨泰. 基于分形的海南岛东寨港红树林景观空间结构变化研究. 遥感技术与应用[J], 2022, 37(5): 1179-1189 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.5.1179

Zhang Ying, Zhu Zhongli, Jiao Chentai. Analyzing the Spatial Structure Change of Landscape of Mangroves in Dongzhai Harbor based on Fractal. Remote Sensing Technology and Application[J], 2022, 37(5): 1179-1189 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2022.5.1179

1 引言

湿地是一种具有多种独特功能的生态系统，在维持生态平衡、保持生物多样性等方面起到重要作用，素有“自然之肾”美称^［1］。红树林湿地作为生长在热带、亚热带海洋生态系统中的特殊湿地系统，具有高生产力、高归还率、高分解率和高抗逆性^［2］，在维护近岸海域的生态环境，抵御海潮、台风等自然灾害，存储有机碳并缓解气候变化等方面具有重要作用。红树林湿地对于气候变化响应敏感，受全球变暖、海平面上升、气候变化加剧影响，未来红树林的生长与发展状况存在较强不确定性。海南岛东寨港作为我国第一个红树林湿地自然保护区，是我国红树林“资源库”和“培育田”，监测其红树林变化具有重要意义。

东寨港一直是我国红树林研究的热点区域，不少研究学者已对该区域的红树林空间变化开展了详细研究。王丽荣等^［3］量化了红树林群落特征，对比分析了1959年和2008年区内红树林种类、群落组成、变化与环境间的关系，发现自然因素如温度、盐度、潮汐等梯度分布格局导致了红树林群落的分异，而社会人为因素如保护区政策管理、土地利用方式的转变等则引发红树林群落的趋同，认为对于东寨港应以改变红树林养殖方式和退塘还林为主要方向。孙艳伟等^［4］利用3S技术探究了1987—2013年红树林群落退化的空间特征，发现红树林退化与林地、耕地面源污染和快速扩张的养殖塘排污有关。雷金瑞等^［5］综合运用了景观动态分析、景观格局指数等分析了近30 a来海南岛湿地景观演变特征及驱动因子，结果表明1990—2018年间海南岛人工湿地如水产养殖场、库塘等面积持续增长，自然湿地面积持续减少，景观特征上呈现出破碎度增加、连通性减小、斑块形状趋于复杂的特点，其中水产养殖业的迅速扩张、人为主导的土地利用方式的转变是最主要的景观演变驱动因子。此外，也有不少研究学者探究了东寨港区域红树林覆盖区域的土壤微生物群落的结构与分布特征^［6-7］，湿地沉积物、微生物等群落在驱动红树林湿地物质循环等方面同样起到重要作用^［6］。

分形常常表现为大自然中不规则、复杂的结构或现象，分形体的部分与整体之间存在自相似性，整体有多种层次结构。自20世纪70年代中期，Mandelbrot^［8］提出分形理论后，分形理论和体系便为解决传统科学领域的众多问题提供了新思路。分形理论中两个最重要的概念为自相似性与分形维数，其中分形维数可以定量描述分形体的复杂程度。由于红树林自然群落本身有自相似性，其分布和景观具备分形特点，将分形理论应用于红树林景观空间演变，可定量分析其景观特性。基于分形理论，刘美龄等^［9］论证了东寨港红树林土壤粒径分布的分形特征及影响因素；梁士楚等^［10］研究了山口国家级红树林自然保护区木榄幼树斑块形状的分形特征；周元满等^［11］结合运用拓扑维数确定了红树林物种之一红海榄支柱根的分形特征；曹林等^［12］则利用分形维数指标考察了雷州湾红树林湿地景观的形状特征。我国现有的红树林分形研究多聚焦于红树林土壤分形特征或植冠、种群、群落尺度分形特征，景观尺度上的分形研究主要针对斑块形状的复杂程度，将分形几何应用于红树林景观空间结构变化分析还有不足，同时缺少对红树林景观聚集特性的阐述。

研究主要依据分形理论，分析东寨港红树林景观空间结构变化特征。为综合探究其形状、结构稳定性以及景观变化方向的特征，分别引入豪斯道夫维数、景观稳定性指数以及通常用于旅游景区空间结构优化研究的聚集维数，分析1987—2017年长时间序列内海南岛东寨港红树林整体分布和形状的复杂程度与景观稳定性，评估红树林群落的扩展方向，论证其扩展区域是否具有自相似性与辐射性，为自然保护区未来的红树林保护、培育方向提供建议。

2 研究区与研究数据

2.1　研究区概况

东寨港红树林国家级自然保护区（110°32΄—110°37΄ E，19°51΄—20°1΄ N）位于海南岛东北部，地跨海口市与文昌县，面积约为33.37 km^2［13］。研究区属典型热带海洋性季风气候，全年高温且气温年较差小，良好的水热条件有助于红树林的生长。保护区内红树林种类繁多，含海莲、红海榄等真红树林植物12科28种。保护区内不仅原生红树林资源丰富，且已通过引种等措施集聚了我国所有红树林植物种类^［13］，也是培育国外红树林植物的重要培育田之一。

东寨港红树林国家级保护区于1980年成立，是我国建立的第一个红树林湿地自然保护区，1986年经国务院批准晋升为国家级保护区，1992年被列入第一批《国际重要湿地名录》^［14］。基于丰富的红树林资源优势，自1988年以来，保护区与当地村民合作开辟生态旅游，1998年被评为海南省优秀旅游景区^［14］。为合理利用红树林资源，2003年海口市政府暂停红树林旅游。2013年《海口市东寨港旅游区总体规划（2012—2030年）》获批，提出要以红树林湿地保护和生态修复为核心，适当开发科研教育、特色旅游、休闲养生等功能的生态旅游区^［15］。

2.2　数据来源

研究所使用的数据源来自海南资源环境遥感产品数据集提供的1987—2017年海南岛红树林变化数据集^［16］。该数据集基于1987年、1993年、1998年、2003年、2007年、2013年、2017年共7期30 m分辨率的Landsat TM/OLI遥感影像数据，利用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）方法分类，通过2015年高分卫星GF-2影像的分类结果和野外实测点进行数据质量评估与精度检验，分类结果Kappa系数为0.98，达到同类研究精度水平，数据源质量可靠。

3 研究方法

3.1　豪斯道夫维数

分形特征常由分形维数来描述，其中豪斯道夫（Hausdorff）维数最为常用。若东寨港红树林景观具有自相似性，那么用边长为r的正方形格子度量红树林面积，N（r）为对应标度 r 的格子数目，改变r的大小可获取一系列N（r）^［17］。据豪斯道夫维数定义，两者有以下关系：

N (r) \propto C \cdot r^{- D_{h}}

(1)

对等式两侧同时取自然对数，可得：

l n N (r) = - D_{h} l n r + l n C

(2)

其中：C为待定常量；D_h 为豪斯道夫维数；该维数可用于表征红树林景观分布的复杂程度。实质上，维数反映了随着标尺尺度变化，度量其面积的格子数量的变化关系，往往分维数D_h 越高，意味着标尺尺度减少时格子数量的增幅越大，景观分布往往越分散、复杂，而D_h 越低，景观分布往往越集中。

3.2　景观稳定性指数

在二维欧式空间中，对于不规则图形的面积A（r）和周长P（r），存在以下关系^［18］：

P {(r)}^{\frac{1}{D}} = k r^{\frac{1 - D}{D}} A {(r)}^{\frac{1}{2}}

(3)

对等式两侧同时取自然对数，可得：

l n A (r) = \frac{2}{D} l n (P (r) + C)

(4)

其中：C为待定常量；在此研究中A（r）、P（r）分别为红树林不同尺寸景观斑块的面积与周长；D为斑块形状指数，可用于表征红树林景观斑块形状的复杂程度，通常D值越大，斑块形状越复杂，越偏离规则图形的形状。在式（4）基础上，Mandelbrot^［19］认为当景观要素处于一种类似布朗运动的随机状态时，D值接近1.5，即最不稳定状态。由此定义出景观要素的稳定性指数（SK）^［20］：

S K = |1.5 - D|

(5)

对二维欧式空间而言，D的值域为1.0—2.0，因此SK的值域为0—0.5，且SK值越大，景观要素的稳定性越高，越不易改变其整体景观状态。

3.3　聚集维数

聚集维数可以用来计算红树林增加区域的景观斑块是否存在辐射中心，该计算公式基于式（1），考虑到标尺r的大小会在一定程度上影响D值，因此考虑引入平均半径R（s）^［21］：

R (s) = 〈{(\frac{1}{s} \sum_{i = 1}^{s} {r_{i}}^{2})}^{\frac{1}{2}}〉

(6)

其中：s代表红树林增加区域的图斑数量；r_i 为编号为i的图斑距离红树林增加区域中心图斑的欧式距离；R（s）表示红树林增加图斑体系区域的平均半径，<…>表征平均^［21］，此时R（s）与D关系为：

R (s) \propto s^{\frac{1}{D}}

(7)

此处的聚集维数可以描述红树林增加区域的图斑围绕增长中心聚集的形态特点，若红树林增长存在景观结构上的聚集性，那么增加区域图斑的分布会围绕增长中心向周边衰减。通常当D<2时，中心图斑的聚集性作用较强，增加区域图斑分布由中心向边缘密度衰减，D=2则代表图斑分布均匀，D>2则说明增加区域图斑分布由中心向边缘密度递增，中心不具备聚集性。一般有限扩散集团凝聚模型的理论分维数值为1.78，即D<1.78时，认为中心聚集性作用比较明显^［22］。

豪斯道夫维数以及稳定性指数的计算过程中，利用了ArcGIS 10.2软件的重采样与计算几何等功能，后通过SPSS 25.0软件进行数据处理。聚集维数的增长中心选取了1987—2017年红树林增加面积最大的四块图斑，利用ArcGIS 10.2软件计算图斑的质心位置，使用Matlab软件编程计算不同增长中心情况下，逐个增加图斑的数量s时，R（s）的变化，构建R（s）-s双对数坐标图后，利用最小二乘法拟合，得到聚集维数。

4 结果与分析

4.1　红树林分布变化

2017年，东寨港红树林主要分布于滨海地带，于海湾边缘聚集并连片生长，且海湾西岸分布面积明显大于海湾东岸（图1）。自北向南，红树林分布区主要位于塔市村—演西村、道学村—茄南村、万亩虾塘一带，总体有3个主要的聚集区。

图1

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图1 1987—2017年东寨港红树林空间范围变化

Fig.1 Spatial changes of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

1987—2017年间，东寨港红树林分布范围整体呈扩张态势。东寨港红树林主要在已有红树林分布区域的边缘向外扩展或内部联通（图1），海湾东岸、西岸北侧红树林扩展区域的形态展现为狭长态，西岸南侧、南岸万亩虾塘地区，红树林增长有聚集性，成片扩展并呈现连绵块状。红树林减少区域主要位于已有红树林分布靠近陆地的边缘，尤其是红树林与海域西岸农用地的交界处以及作为陆源污染物输出源的万亩虾塘等养殖塘的两侧。

由表1可以看出，红树林分布面积从1987年的15.55 km²增长至2017年的18.05 km²，面积累积增加量达到2.50 km²。1998—2013年间红树林年变化率为正值，面积持续增长且增速放缓，1993—1998年、2013—2017年间，红树林年变化率为负值，面积略有减少。

表1 1987—2017年东寨港红树林分布面积

Table 1 Area， variation and rate of change of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

年份	面积/km²	年变化率/km²·a^-1	累积变化量/km²
1987	15.55	—	—
1993	16.91	0.23	1.36
1998	16.12	-0.16	0.57
2003	17.43	0.26	1.88
2007	18.03	0.15	2.48
2013	18.67	0.11	3.12
2017	18.05	-0.16	2.50

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4.2　红树林景观特征变化

4.2.1　分形特征变化

表征红树林分形特征的豪斯道夫维数计算结果显示（图2），频度—标度回归关系的R²均大于0.9，双对数关系客观存在且显著。东寨港红树林豪斯道夫维数数值偏低且变化幅度小，于1987—2017年间呈现微弱的波动变化，景观分布复杂程度变化较小，景观分布相对稳定。该结果与红树林群落组成与生长习性有关，东寨港多个红树林密集区的红树林植物主要为白骨壤（占比50%以上）^［13］，白骨壤作为红树林先锋植物种类之一，多位于低潮泥滩带^［23］，靠海且呈片状群落分布，分布达到相对稳定状态，故其分布复杂度变化较小。此外，红树林豪斯道夫维数于1987—1993年、1998—2003年、2013—2017年前间出现较明显下跌，意味着该时期群落分布复杂性降低。豪斯道夫维数于2003—2013年间持续增加，意味着该时期群落分布复杂性持续增强。

图2

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图2 1987—2017年东寨港红树林豪斯道夫维数lnN-lnr关系

Fig.2 lnN-lnr of Hausdorff dimension of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

4.2.2　景观稳定性变化

计算结果显示（表2），东寨港红树林周长—面积关系的R²均大于0.95，且通过了P<0.01水平显著性检验。1987—2003年间，红树林形状分维数总体呈波动上升趋势，图斑的平均面积处于较低水平，图斑形状的复杂程度提升，边界形状愈发不规则。稳定性指数则呈现波动下降趋势。2003—2017年间，红树林形状分维数总体呈降低趋势，但仍未突破30 a来研究观测数据值的最低点，此阶段红树林图斑形状的复杂程度减小，图斑的平均面积明显高于前10 a平均水平，表明该时期内红树林景观自然生长受人为干扰程度较大，红树林形状趋于规则，相应地，稳定性指数处于较低水平且有所回升。1997—2003年、2013—2017年间，红树林斑块的连通性得到了明显提升，图斑数量显著下降且平均面积显著提升。

表2 1987—2017年东寨港红树林稳定性指数

Table 2 Stability index of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

年份	图斑数量 /个	图班平均面积 /km²	图斑面积标准差 /km²	相关系数 R	形状维数 D	稳定性指数SK
1987	80	0.19	0.55	0.98^**	1.25	0.25
1993	75	0.23	0.64	0.98^**	1.29	0.21
1998	90	0.18	0.45	0.99^**	1.28	0.22
2003	57	0.31	0.90	0.98^**	1.31	0.19
2007	72	0.25	0.84	0.98^**	1.29	0.21
2013	78	0.24	0.84	0.98^**	1.28	0.22
2017	68	0.27	0.88	0.98^**	1.29	0.21

注：**表示通过P<0.01显著性检验

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综合1987—2017年间红树林景观特征的变化（图3），豪斯道夫维数与稳定性指数的变化呈现相似趋势，两者Pearson相关系数为0.72（通过P<0.05显著性检验），趋势呈显著正相关。

图3

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图3 1987—2017年间红树林景观特征的变化

Fig.3 Landscape characteristics changes of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

2003年以前，东寨港地区红树林的豪斯道夫维数和稳定性指数总体波动下降，又因为相同干扰强度下，形状更简单、规则的物体比形状更复杂、不规则的物体形状指数的变化幅度更大，景观更不稳定，结合分维数的变化，这意味该时期东寨港区域的红树林景观趋于紧凑、红树林群落连通性增加、斑块形状愈发复杂。2003—2013年间，东寨港地区红树林的豪斯道夫维数和稳定性指数稳步上升，2013年分别增加至2.03和0.22，然后下降。两大分维数的变化趋势相似且均响应了红树林景观结构的变化。

4.2.3　斑块变化特征

一定区域范围内的红树林景观是由众多空间上相互分离的斑块构成的，各个斑块的面积、边界变化不尽相同^［24］，为了全面、准确地厘清东寨港地区红树林景观变化动态，可以进一步对各斑块变化情况与途径进行计量统计。

由于2003年前后研究时间段内，红树林斑块的平均面积以及分布总面积整体水平差距明显（表1和表2），以2003年为时间节点，参考李春干等^［24］基于斑块面积变化对变化斑块类型的定义，分别统计了1987—2003 年、2003—2017年两个时间窗口内东寨港红树林景观斑块的变化情况（表3）。

表3 1987—2017年间东寨港红树林斑块变化类型

Table 3 Types of changing patches of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

	变化类型	图斑个数 /个	斑块个数占比 /%	图斑平均面积 /km²
1987—2003年图斑变化动态	稳定	15	26.32	0.29
	扩张	16	28.07	0.80
	萎缩	3	5.26	0.26
	碎化	5	8.77	0.02
	消失	—	—	—
	新增	18	31.58	0.01
	合计	57	—	0.32
2003—2017年图斑变化动态	稳定	18	26.47	0.62
	扩张	10	14.70	0.49
	萎缩	15	22.06	0.05
	碎化	12	17.65	0.10
	消失	—	—	—
	新增	13	19.12	0.01
	合计	68	—	0.27

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1987—2003年间，变化斑块类型以新增、扩张、稳定型为主，斑块数目分别占比30.58%、28.07%和26.32%，且扩张型斑块的图斑平均面积达0.80 km²，此阶段内红树林的斑块面积变化较激烈，景观处于容易发生改变的相对不稳定状态，与该时间段内红树林面积、稳定性指数的变化相吻合（图4）。

图4

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图4 1987—2017年东寨港红树林面积、稳定性与NDVI变化

Fig.4 Changes of area， landscape stability and NDVI of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

2003—2017年间，变化斑块类型以稳定、萎缩、新增型为主，斑块数目分别占比26.47%、22.06%、19.12%，其中萎缩、新增型斑块的平均面积较小，该变化可能为红树林自然状态下空间结构的变化，该时期内碎化的斑块数量占比达到17.65%，图斑平均面积达0.10 km²，出现大面积的图斑分离情况，可能与人类活动对红树林分布的干扰有关。

进一步分析红树林变化斑块的具体地理位置（图5），1987—2003年间，东寨港三大红树林分布区（西北、西南、东南）红树林均处于扩张状态；新增斑块主要出现在海湾东岸已有红树林分布区域边缘。2003—2017年间，西北、东南区域红树林连续斑块形成且内部无破碎空心，空间结构达到稳定水平，而西南角聚集区红树林持续扩张，至2017年初步形成连续斑块。

图5

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图5 1987—2017年东寨港红树林变化斑块分布

Fig.5 Distribution of changing plaques of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

4.3　扩展区域聚集性分析

聚集维数的应用在以往的研究中通常用于评估系统空间结构如旅游景区、城镇体系、公园系统等^{［21-22，25］}，本文将其与红树林景观增长相结合，探究红树林景观增长是否具有聚集性与辐射性。计算1987—2017年间东寨港红树林增加的斑块的面积，依据斑块面积，由大到小排序，将面积增加最大的4个斑块分别编号为1、2、3、4号点，作为聚集维数的测算中心点，位置如图6所示。

图6

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图6 1987—2017年东寨港红树林增长中心分布

Fig.6 Increasing centers of mangroves in Dongzhai Harbor during 1987—2017

计算结果显示（图7），四大增长中心的聚集维数均存在较明显的双段分形特征，景观增长有聚集性的增长中心，对周围红树林的增长有吸附作用。距离增长中心较近的小范围内出现了中心聚集效益降低的情况，这与增长中心自身红树林面积的涨幅大且相对聚集有关，区域内多中心的并存会减少单个中心的吸附半径，从而削弱其辐射作用。

图7

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图7 以1—4号点为中心的东寨港红树林增加量的聚集维数双对数坐标

Fig.7 Ln-ln of aggregation dimension of the mangroves increase system of 1st—4th center

以1、2号点为测算中心时，对于距离其1.3 km内的红树林景观聚集维数均远大于2，对1.3 km外的红树林景观聚集维数分别为1.64和1.65，R²均为0.98；以3号点为测算中心时，对于距离其0.8 km内的红树林景观聚集维数远大于2，对0.8 km外的红树林景观聚集维数为1.66，R²为0.99；以4号点为测算中心时，对于距离其0.7 km内的红树林景观聚集维数远大于2，对0.7 km外的红树林景观聚集维数为1.47，R²为0.98。具备聚集性的区间内，四大增长中心的聚集分维数排序为：4号<1号<2号<3号，其维数值均小于有限扩散集团凝聚模型的理论分维数值1.78，红树林景观增长从聚集中心向四周密度衰减速度快，中心的吸附半径大。其中，4号点的景观中心性最明显，这也意味着以4号红树林增长点为中心时，红树林景观增长的布局最为紧凑，从景观格局的角度来看，景观中心的聚集性最强，辐射范围最大。

但1—4号点在东寨港红树林自然保护区内位置相近，作为聚集中心时，维数间差异不显著，红树林的景观系统可能存在多中心格局。

5 讨论与结论

5.1　讨论

结合1987、2003、2017年东寨港地区的高分辨率遥感影像，可知1987—2003年内新增斑块呈相似特点（图8（a）—图8（d）），出现了斑块面积的扩张或细碎斑块的合并，分布更加紧凑，以斑块中心为原点时，一定半径区域内的景观分布更加密集，结合豪斯道夫维数定义可知该时期豪斯道夫维数减少，与前文结果一致，斑块联通后，整块斑块的复杂性降低。

图8

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图8 1987—2017年东寨港红树林变化的遥感影像（数据源自Google Earth Pro平台）

Fig.8 Remote sensing images of mangroves’ change in Dongzhai Harbor during 1987—2017

2003—2017年内，多数萎缩或碎化的斑块均位于养殖塘、盐田周围，出现不同程度的萎缩和破碎情况（图8（f）、图8（h））。而对于扩张或新增斑块，其驱动力却不相同，大多数新增的红树林斑块（图8（g））有排列整齐且明显的人为规划痕迹，变化的驱动力主要为人工造林，而对于扩张的红树林斑块（图8（e）），其扩张红树林部分的红树林排列无明显规律，长势以及覆盖度呈现波动状，变化的驱动力主要为自然要素。

结合前述分析，以21世纪初2003年前后海口市政府暂停红树林旅游^［26］为时间节点，参考保护区的政策与开发情况演变，可以认为：①1987—2003年期间红树林变化驱动力中养殖塘与盐田建设、围垦、旅游业开发等人为因素与自然因素并存。王胤等^［27］也指出，大量分布在东寨港红树林周边的鱼塘虾池多是在20世纪80年代前后毁林挖掘而成，因此，在整体破坏与局部保护的情况下，红树林的面积、稳定性、分布与形状维数均处于波动不稳定的状态。②2003—2013年，红树林变化驱动力为人工造林保护等人为因素与自然因素并存，在整体保护与局部破坏的情况下，红树林面积稳步扩张，斑块的离散性提高且斑块形状趋于简单规则，这与吴庭天等^［28-29］的研究结果相同。此外，主要的大面积斑块内部联通后，红树林斑块结构达到相对稳定状态。③2013年后，由于自然灾害等因素的发生如东寨港团水虱的爆发^［30］、台风“威马逊”的侵袭^［31］等，即便在人为大力保护的前提下，红树林的面积、景观稳定性仍稍有下降。

总结而言，1987—2017年间，海南岛东寨港区域的红树林变化受自然因素与人为因素的共同作用，且人为因素逐渐由破坏向保护转变，坚持人工保护与抚育工作，有利于红树林斑块面积、结构的稳定。

5.2　结论与建议

本文主要依据分形理论，引入豪斯道夫维数、景观稳定性指数和聚集维数，分析了1987—2017年海南岛东寨港红树林景观分布、形状、稳定性的变化。结果表明：

（1）东寨港红树林扩展方式主要为边缘扩展或内部联通，前者多展现为狭长态，如海湾东、西岸北侧红树林扩展区域，后者则有聚集性，成片扩展并呈现连绵块状，如西岸南、南岸万亩虾塘地区。

（2）1987—2003年间，红树林景观分布复杂度和稳定性整体呈下降趋势，波动性较强，景观结构处于不稳定状态，受到养殖塘与盐田建设、围垦、旅游业开发等人为因素与自然因素共同影响； 2003—2013年间，红树林景观分布复杂度和稳定性稳步上升，景观结构受到人为保护和自然增长影响。2013年后，受水虱、台风等自然灾害等影响，红树林景观分布复杂度和稳定性略有下降。

（3）东寨港红树林的景观增长存在聚集中心且具备双段分形特征，聚集维数为1.47，对周边区域红树林的增长有辐射性与吸附性，对东寨港环西岸红树林聚落的发展有指导意义。

综合以上研究，对未来红树林自然保护区发展，本文认为，由于东寨港红树林自然保护区内三大红树林聚集分布区的斑块多达到景观稳定状态，尤其是塔市村、演西村前红树林区域，此类稳定的红树林景观在保持抚育的基础上可适度开发其审美、生态功能，而针对尚处于扩张等状态的红树林斑块，则可以持续进行扩种、抚育，延续红树林湿地重要的生态保护作用。可根据2012年提出的《海口市东寨港旅游区总体规划》，将东寨港旅游圈融入“琼北旅游圈”，对于海湾西岸，沿岸发展红树林生态旅游区，组织环东寨港旅游景区模式。对于海湾东岸，大力开展红树林抚育工作，发挥红树林增长的辐射性，形成从竹山村东岸环岸至三江镇农场的连续红树林景观，维持红树林群落，与罗豆农场、三江镇农场等重要人居产业协同发展，在发展中保护，保护中发展。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

Sun

Guangyou

Development and prospect of wetland science in China

［J］.Advances in Earth Science，2000，15（6）：666-672.