滇西北高原湖泊劍湖流域景觀時空演變特征

郭玉靜， 王 妍， 鄭 毅， 劉云根， 聞國靜， 展鵬飛

（1.西南林業(yè)大學 國家高原濕地研究中心/濕地學院，云南 昆明 650224；2.西南林業(yè)大學 石漠化研究院，云南 昆明 650224；3.西南林業(yè)大學 生態(tài)與水土保持學院，云南 昆明 650224）

流域景觀格局是流域范圍內自然與人類社會活動相互作用、相互影響的陸地生態(tài)系統(tǒng)的基本單元，是流域內各類斑塊以一定規(guī)律鑲嵌組合而成的具有一定結構和功能的有機體［1－2］。對流域景觀格局的研究有助于了解景觀格局與自然、生態(tài)過程以及社會經濟活動之間的關系。目前，流域景觀格局的研究已受到國內外廣泛關注，研究內容主要集中在流域景觀格局及其動態(tài)變化［3］、流域景觀格局變化對流域水文過程［4－5］、 非點源污染過程［6－7］、 水質［8－9］、 植被［10］、 生態(tài)風險［11－12］等的影響。 流域景觀格局動態(tài)變化的研究對流域內景觀調控和流域綜合治理具有重要理論和現實意義，因此，開展劍湖流域景觀格局的研究對流域的土地利用規(guī)劃具有重要意義。景觀質心的遷移變化能夠很好地從空間上描述景觀類型的時空演變特征。通過了解各研究時段的景觀質心，可以發(fā)現景觀空間變化趨勢［13］。景觀質心變化已經應用在沙漠化土地變遷［14］和海岸生態(tài)景觀遷移［15］等。當前在景觀格局演變質心變化的研究中，方仁建等［16］研究了圍墾活動影響下海濱地區(qū)景觀質心移動的特征；張華兵等［17］開展了海岸濕地景觀質心變化趨勢的研究；宮兆寧等［18］分析了不同濕地類型空間質心的變化等，李磊等［19］采用湖泊面積動態(tài)度和質心偏移模型分析了艾比湖的動態(tài)變化。這些景觀質心的研究集中在大范圍的景觀類型或濕地類型以及特定景觀斑塊的質心變化，從景觀空間角度探討劍湖湖泊質心變化鮮有報道。本研究以滇西北劍湖流域為研究對象，采用1990－2015年的遙感影像來揭示25 a間劍湖流域景觀格局動態(tài)變化特征，采用1974－2015年的影像來探析近40 a劍湖湖泊的質心遷移規(guī)律和原因，以期為劍湖及其流域的合理利用和可持續(xù)發(fā)展提供科學依據和理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

劍湖位于滇西北劍川縣城東南部（26°28′N，99°55′E），距縣城4.5 km，海拔為2 186 m，屬云南高原湖泊重要濕地類型。劍湖流域氣候受印度洋季風氣候影響，屬南溫帶冬干夏濕季風氣候類型，干濕兩季分明，年溫差小，日溫差大，多年平均氣溫為12.3℃，多年平均降水量為724.4 mm。

劍湖流域屬瀾滄江水系，是以斷層沖積為主的侵蝕構造型湖泊，流域面積為5.113×104hm2。劍湖湖泊入湖河流有永豐河、金龍河、渼江（原稱格美江）、回龍河、獅河等。湖內有4處地下涌泉，湖水從海尾河出水口流經黑潓江、漾濞江后再匯入瀾滄江。劍湖流域具有豐富的物種資源，是候鳥越冬的重要遷徙通道、停歇地或中轉地以及夏候鳥的繁殖地。

1.2 數據獲取與分類

采用的遙感影像數據為1974年和1977年2月的Landsat-MSS影像（柵格大小70 m×70 m）和1990，1995，2000，2005，2010，2015年2月的Landsat-TM影像（柵格大小為30 m×30 m）。選擇2月遙感數據是由于在旱季劍湖水位能夠保持相對穩(wěn)定，不會受雨季降水豐沛程度的影響，有利于不同年度之間劍湖湖泊面積變化的比較分析。對遙感影像進行幾何校正、影像拼接、數據融合、波段組合、影像增強和影像剪切等處理，并參照研究區(qū)地形圖、森林資源調查資料和文獻資料等相關地理數據以及野外詳細調查所建立的野外判讀標志，依據GB/T 21010－2007《土地利用現狀分類》，將土地分類系統(tǒng)劃分為耕地、林地、水域、建設用地和未利用地，其中將火燒跡地，宜林荒山荒地和草地（包括牧地和苗圃地）劃分到未利用地，水庫、濕地、河流和湖泊劃分到水域（圖1），按照上述分類系統(tǒng)使用目視解譯法獲得6期劍湖流域景觀類型的矢量數據。

圖1 1990－2015年劍湖流域景觀類型Figure 1 Landscape types of Jianhu Lake Basin in 1990－2015

1.3 景觀格局指數選取與質心量測

景觀格局指數能夠度量流域景觀格局，并從不同尺度上反映特定區(qū)域景觀異質性［20］。為揭示劍湖流域景觀格局動態(tài)變化及劍湖湖泊面積和湖泊質心的變化規(guī)律，劍湖流域景觀結構特征分析選用了類型水平的景觀類型面積（AC）和景觀類型百分比（DPLAN），劍湖流域景觀格局特征分析選用了景觀水平的景觀多樣性指數（ISHD），景觀聚集度指數（IC），斑塊個數（NP）和斑塊密度（DP），劍湖景觀形狀變化選用了斑塊水平的形狀指數（ISHAPE）和分維數（CFRA）共8個指標進行分析，景觀指數的計算通過Fragstats 3.4完成［21］（表1）。景觀質心分析主要用于研究各類景觀的動態(tài)變化，通過計算景觀質心分析景觀格局的空間變化規(guī)律和趨勢。其公式如下：

式（1）和式（2）中：xt和yt分別表示第t年湖泊分布質心的經度和緯度坐標；Cti表示第t年第a個湖泊斑塊的面積；xi和yi分別表示第a個湖泊斑塊的經度和緯度坐標［22］。

2 結果與分析

2.1 劍湖流域景觀結構特征分析

研究結果表明：1990－2015年25 a間林地面積變化幅度不大，建設用地和耕地面積大幅度增加，水域和未利用地面積顯著減少。1990－2000年建設用地和耕地的增加幅度比2005－2015年較大，1990－2000年水域面積的減少比2005－2015年快，而未利用地面積在2005－2015年減少很快。由表2可以看出：劍湖流域景觀要素類型以林地和耕地為主，這2種景觀類型面積占整個研究區(qū)總面積的90%左右，其中又以林地面積最大，1990－2015年林地面積均占研究區(qū)總面積60%以上，其次是耕地，占研究區(qū)總面積的24%以上。這種特征決定了該區(qū)以農林生產為主的特點，建設用地、水域、未利用地景觀類型相對較少，面積均占研究區(qū)總面積的5%以下。

表1 各景觀指數說明Table 1 Landscape index description

1990－2000年是景觀結構變化最大的時段，建設用地、耕地和水域在這10 a間變化幅度最大。1990－2000年和2005－2015年建設用地面積分別增加了22.57%和12.83%。耕地面積在1990－2000年和2005－2015年分別增加了2.87%和2.26%，主要是人口增加開墾未利用地以及圍湖造田導致的結果。水域面積在1990－2000年和2005－2015年分別減少了9.26%和3.39%，水域面積由1990年的850.77 hm2降至2015年的757.26 hm2，水域面積減少了93.51 hm2。這是因為泥沙淤積、圍湖造田、圍湖建塘和湖灘開發(fā)導致水域面積減少。未利用地面積在1990－2000年和2005－2015年分別減少了20.93%和48.60%，未利用地面積由1990年的3 368.97 hm2降至2015年的703.98 hm2，未利用地面積減少了2 664.99 hm2。顯著減少的原因是建設用地和耕地占用了大面積的未利用地。從各類景觀所占地區(qū)面積的百分比看，林地最大，其后依次是耕地、建設用地、未利用地，水域最小，說明研究區(qū)景觀以林地為主，森林覆蓋率高，水資源含量較少，林地面積占總體景觀一半以上。

表2 劍湖流域各類景觀類型面積Table 2 Area of different types of landscapes in Jianhu Lake Basin

2.2 劍湖流域景觀格局特征分析

斑塊密度和斑塊個數是景觀水平上破碎化程度的直觀表現。研究結果表明：劍湖流域的斑塊個數（NP）在 1990－2000年和 2005－2015年分別增加了 9.51%和 4.38%， 相應的斑塊密度（DP）在 1990－2000年和2005－2015年分別增加了0.48%和1.71%，斑塊個數和斑塊密度都是在1990－2000年變化較快，在2005－2015年變化較慢。由圖2可以看出：斑塊個數從1990年的831個增至2015年的1 024個，斑塊數量增加了23.23%，斑塊密度從1990年的2.09增至2015年的2.98，表明25 a間劍湖流域景觀水平斑塊個數和斑塊密度都在增加，而平均斑塊面積（SMP）從1990年的61.53 hm2降至2015年的49.93 hm2。這一結果可在一定程度上說明劍湖流域景觀破碎化程度逐步增加。

蔓延度指數（IC）描述的是景觀中不同類型斑塊的團聚程度，其值越大表明景觀由少數團聚的大斑塊組成，越小則為許多分散的小斑塊組成。研究表明1990－2015年劍湖流域聚集度指數逐漸增加（圖3），1990－2000年蔓延度指數值增加了0.35%，2005－2015年蔓延度指數值增加了0.45%。由圖3可以看出：蔓延度指數從1990年的66.60增至2015年的67.20，表明劍湖流域景觀中某種優(yōu)勢拼塊類型形成了良好的連接性，說明劍湖流域多由大的景觀斑塊所組成。這對于劍湖流域整個生態(tài)環(huán)境維護具有重要作用。

圖2 1990－2015年劍湖流域DP和NP變化趨勢Figure 2 Trend of DPand NPof Jianhu Lake Basin in 1990－2015

圖3 1990－2015年劍湖流域ISHD和IC變化趨勢Figure 3 Trend of ISHDand ICof Jianhu Lake Basin in 1990－2015

景觀多樣性指數（ISHD）反映的是景觀要素的多少及各景觀要素所占比例的變化情況。研究表明景觀多樣性指數逐年降低，1990－2000年景觀多樣性指數下降了1.00%，2005－2015年景觀多樣性指數下降了3.19%（圖3）。1990年時劍湖流域的多樣性指數最大，表明1990年的土地利用景觀豐富度和復雜度要高于其他4個時段，主要是由于該時期存在開荒與退耕并存的現象，不同景觀要素之間轉換較為頻繁。景觀多樣性指數從1990年的0.96降至2015年的0.91，說明劍湖流域景觀多樣性豐富程度和景觀異質性程度逐漸降低。

2.3 劍湖景觀形狀及質心變化分析

劍湖湖泊只有1個斑塊，為揭示劍湖景觀形狀演變規(guī)律，選取類型水平的面積（AC）和斑塊水平指數的斑塊形狀指數（ISHAPE）和分維數（CFRA）等3個常用的景觀指數（表3）。

表3 劍湖流域景觀指數列表Table 3 List of landscape index of Jianhu Lake Basin

2.3.1 劍湖面積時空變化規(guī)律 利用1974－2015年8期影像的劍湖湖泊矢量數據統(tǒng)計得到劍湖面積（表3）。1974－1995年劍湖面積減少了8.70%，2000－2015年劍湖面積減少了1.69%，前一階段比后一階段減少速度快。從1974－2015年劍湖面積減少了10.46%，減少的平均速率為0.26%，且呈先減少后增加，再減少的趨勢，其中在2000－2005年面積有所增加，增加了4.07 hm2。這可能與當地實施的政策有關，2001年劍湖自然保護區(qū)晉升為州級自然保護區(qū)，“退（耕）田還湖”和“退塘還湖”等措施在一定程度上有效地保護了劍湖。

2.3.2 劍湖輪廓變化規(guī)律 分維度指數和斑塊形狀指數都是度量斑塊形狀的復雜程度，值越高表明形狀越復雜。1974－2015年劍湖的形狀指數（ISHAPE）和分維數（CFRA）值雖然增加不大，但總趨勢是增加的。結合圖4中1974－1995年圖的形狀比較相似，2000年起金龍河入湖口的形狀發(fā)生了較大變化，2000－2015年圖的形狀又比較相似，這與形狀指數和分維數值反映的情況是一致的。1974－2015年，形狀指數和分維數值逐漸增大，分別從1.500 0和1.052 8增至1.669 6和1.067 1。1974－2015年劍湖斑塊形狀越來越復雜，西部入湖河流入湖口形狀變化尤為明顯，尤其是金龍河入湖口形狀變化劇烈；湖泊東面地勢較高且無入湖河流，因此湖泊東面萎縮較少，形狀變化不明顯。

2.3.3 劍湖湖泊質心變化規(guī)律 質心是描述地理對象空間分布的重要指標，其可以跟蹤土地類型等某些地理分布的變化。研究表明，劍湖湖泊質心從1974－2015年總體向西南偏移了113.92 m，可以分為2個時期：1974－2005年每個階段偏移速度較快和2005－2015年每個階段偏移速度較慢（圖5）。1974－2005年這段時間偏移速度較快，向西南偏移了126.09 m，平均偏移4.07 m·a－1。2005－2010年和2010－2015年這2個階段偏移速度較慢，分別向西南偏移5.14和6.90 m，平均分別偏移1.03和1.38 m·a－1。

2.4 流域景觀格局演變特征與劍湖景觀形狀演變的關聯性

表4表明：流域景觀指數斑塊密度（DP），斑塊個數（NP）與劍湖景觀形狀指數（ISHARE）和分維數（CFRA）顯著正相關（P＜0.01），蔓延度指數（IC）也與劍湖景觀形狀指數（ISHARE）和分維數（CFRA）顯著正相關（P＜0.05），多樣性指數（ISHD）與劍湖景觀形狀指數顯著負相關（P＜0.05）。建設用地面積、林地面積、耕地面積與劍湖景觀形狀指數顯著正相關（P＜0.01），未利用地面積與之顯著負相關（P＜0.01）。流域內的水域面積與劍湖景觀形狀指數ISHAPE呈顯著負相關（P＜0.05），劍湖湖泊面積與劍湖景觀形狀指數和分維數均呈顯著負相關（P＜0.05），與文中前面的分析結果是一致的，即1974－2015年劍湖湖泊面積逐漸減小，劍湖景觀形狀指數呈逐漸增加趨勢。而水域面積與分維數負相關較大，但未達到顯著性水平，原因可能為流域水域面積較大，包括劍湖湖泊、水庫、濕地和河流，且人為干擾因素較大，這有待于進一步研究?？梢?，劍湖流域景觀格局指數對劍湖景觀形狀指數有著顯著影響（表4），而劍湖形狀的變化（湖泊萎縮）又影響著湖泊質心的遷移，因此流域景觀格局的演變對湖泊形狀及質心的變化有著潛移默化的影響。

圖4 1974－2015年劍湖湖泊8個時段輪廓變化Figure 4 Outlines changes of 8 periods of Jianhu Lake in 1974－2015

圖5 1974－2015年劍湖湖泊的質心變化Figure 5 Change in centroid of Jianhu Lake in 1974－2015

3 結論與討論

1990－2015年林地面積變化幅度不大，建設用地和耕地面積大幅度增加，水域和未利用地面積顯著減少。25 a間劍湖流域的景觀破碎化和景觀聚集程度逐漸增加，景觀多樣性指數逐漸下降。1974－2015年的近40 a劍湖湖泊面積整體上呈遞減趨勢，由1974年的504.47 hm2減少到2015年的451.72 hm2，湖泊質心偏移了113.92 m。流域景觀格局的演變影響劍湖湖泊形狀及質心的變化。反映景觀破碎化程度的斑塊密度和斑塊個數與劍湖景觀形狀指數和分維數呈顯著正相關，劍湖湖泊面積與劍湖景觀形狀指數和分維數呈顯著負相關，1974－2015年劍湖湖泊面積逐漸減小，劍湖景觀形狀指數呈逐漸增加趨勢。

1990年金華鎮(zhèn)和甸南鄉(xiāng)總人口共有42 311人，2000年末為48 232人［23－24］，到2015年數字鄉(xiāng)村網統(tǒng)計為73 490人，1990－2015年，人口增加了73.69%，因此建設用地面積的增加可能是由于人口迅速增長、住房需求增加所致。耕地面積增加主要原因是人口增加開墾未利用地以及圍湖造田導致的結果。劍湖流域耕地轉化為其他土地類型的面積為839.57 hm2，從其他土地類型轉為耕地的面積為1 876.97 hm2， 其主要來源為林地和未利用地［25］。

表4 流域景觀格局與劍湖景觀形狀的相關性Table 4 Correlation between watershed landscape pattern and Jianhu Lake landscape shape

景觀破碎化主要表現為景觀斑塊面積由大變小以及伴隨斑塊面積的減少和地理空間隔離程度的增加產生的景觀結構破碎化［26］。本研究應用斑塊密度、平均斑塊面積和斑塊個數來說明劍湖流域的景觀破碎化程度。劍湖流域景觀聚集度在25 a間是逐漸增加的，表明劍湖流域景觀中同一類型斑塊形成了良好的連接性；景觀多樣性指數稍有偏低，這與喻慶國等［27］研究結果相悖，而景觀破碎化程度和景觀類型面積變化幅度是一致的。分析原因主要可能與研究區(qū)范圍選取以及影像數據選取的時間等因素有關。本研究遙感數據選取的劍湖流域面積較大，為5.2×104hm2，而喻慶國等［27］研究選取的劍湖自然保護區(qū)的面積為1 510.0 hm2；本研究選取的影像時間均為2月，喻慶國等［27］的研究選取時間為12月、1月和10月。

質心偏移的方向可以說明湖泊在此方向的反方向上縮減［28］，說明西南方向湖泊萎縮面積相對較少。資料表明［27,29］：劍湖湖泊質心向西南方向偏移的原因主要為出湖河流海尾河的出湖口周圍以及帶著大量泥沙入湖的金龍河入湖口周圍萎縮，而泥沙淤積導致劍湖周圍大面積湖灘裸露，從而進行圍湖造田和圍湖建塘。因此，泥沙淤積、圍湖造田等人類活動對劍湖景觀演變起了主要的塑造作用。李晶等［5］在延河流域的研究表明景觀格局與水土流失有著密切聯系。

本研究通過1990－2015年劍湖流域以及1974－2015年劍湖湖泊的遙感影像制作了研究區(qū)土地利用變化圖，提取了劍湖流域土地利用類型的景觀格局指數，在此基礎上分別對劍湖流域景觀格局指數和劍湖湖泊質心遷移變化進行分析。景觀格局變化將帶來怎樣的生態(tài)環(huán)境效應，如對河流湖泊的水質、水文過程、土壤過程和生物多樣性等方面的影響，這需要在今后的研究中深入探索。

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