云南省三大高原湖泊流域土地利用景觀格局及其穩(wěn)定性分析

樊 凱，張建生，裴文娟，楊蒼玲，陳運(yùn)春，余建新，曾維軍 *

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源科學(xué)技術(shù)工程研究中心，云南 昆明 650201)

【研究意義】隨著社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，環(huán)境質(zhì)量不斷下降，人口、資源與環(huán)境問題日益突出，土地利用/覆被變化以及生態(tài)環(huán)境問題已成為世界各國研究的熱點(diǎn)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究內(nèi)容主要包括土地利用變化規(guī)律[1-2]、機(jī)制[3-4]、驅(qū)動力[5-7]、景觀空間格局[8-10]等，關(guān)于土地利用景觀格局的研究主要以省[11-12]、市(縣)[13-16]、典型流域[17-19]為尺度開展，以高原湖泊流域?yàn)槌叨乳_展的研究較少，以上研究中，以同一研究區(qū)域不同時相變化研究為主，對于不同研究區(qū)之間的對比分析較少?！颈狙芯康那腥朦c(diǎn)】高原湖泊具有調(diào)節(jié)區(qū)域氣候等重要功能，但生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，根據(jù)《云南省2016年度環(huán)境狀況公報》，九大高原湖泊中瀘沽湖、撫仙湖水質(zhì)為優(yōu)，洱海水質(zhì)為良，滇池達(dá)到重度污染，而土地利用與湖泊污染密切相關(guān)，探索合理的土地利用結(jié)構(gòu)是湖泊流域污染治理的有效途徑，也是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的基礎(chǔ)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取滇池(省會城市、重度污染)、洱海(地級市、水質(zhì)良好)和撫仙湖流域(縣城、I類水質(zhì))作為研究對象，分析三大高原湖泊流域土地利用景觀格局及其穩(wěn)定性，對研究區(qū)域農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及治理流域面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池流域覆蓋昆明市主城區(qū)及部分縣域，整個流域地勢由北向南逐漸降低。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，昆明城市建成區(qū)快速擴(kuò)張，流域土地利用景觀格局發(fā)生了較大變化，景觀呈現(xiàn)破碎化與邊界復(fù)雜化的發(fā)展趨勢[20]；洱海流域流經(jīng)大理州洱源縣、大理市等，沿湖區(qū)域地勢平坦，外圍以山地為主。流域內(nèi)土地利用類型以林地、草地和水田為主，經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對洱海流域的土地利用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定影響[21]；撫仙湖流域地處滇中，湖泊北面為盆地，東西兩側(cè)為斷層崖或斷塊山地，南面為沖積平原[22]。20世紀(jì)80年代以來，人類不合理的開發(fā)活動對流域土地利用結(jié)構(gòu)造成了一定的破壞，但近年來隨著對流域生態(tài)環(huán)境的重視，土地利用結(jié)構(gòu)逐步得到優(yōu)化。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于Landsat8 OLI遙感影像，拍攝時間為2016年1月，行號43，條帶號129。利用ERDAS對三大湖泊流域的遙感影像進(jìn)行校正、增強(qiáng)處理基礎(chǔ)上，選取訓(xùn)練樣本，進(jìn)行監(jiān)督分類，按照土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21010-2007)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀，將三大湖泊流域的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、建設(shè)用地、水域和未利用地七類。并進(jìn)一步提取土地利用類型及面積等數(shù)據(jù)(圖1)。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數(shù)分析方法 文章選取景觀多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)以及破碎度指數(shù)對三大湖泊流域的整體景觀格局特征進(jìn)行分析。指數(shù)公式見表1。

圖1 三大湖泊流域土地利用遙感分類Fig.1 Remote sensing classification of land use in three major lake basins

表1 景觀特征指數(shù)及涵義

表2 三大湖泊流域整體景觀格局指數(shù)

1.3.2 分形理論分析方法 運(yùn)用分形理論，計算分形維數(shù)，進(jìn)而對景觀空間格局的變化規(guī)律及景觀格局穩(wěn)定性進(jìn)行分析[23]。Mandelbrot研究分形幾何體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，建立了表面積S(r)與體積V(r)的關(guān)系式：

S(r)1/D～V(r)1/3

(1)

根據(jù)公式(1)可以推導(dǎo)出n維歐式空間的分形公式：

令(2)式n=2，A(r)表示以r為測量尺度的圖斑面積，P(r)表示其周長，并做對數(shù)變換，就得到下式:

lnA(r)=2lnP(r)/D+C

(3)

式中，D是分維值，C是常數(shù)。Mandelbrot認(rèn)為，布朗運(yùn)動的線-線函數(shù)的分維數(shù)是1.5。當(dāng)D=1.5時，表示該圖形處于一種類似于布朗運(yùn)動的隨機(jī)狀態(tài)，即最不穩(wěn)定狀態(tài)。D值越接近1.5，表示該要素越不穩(wěn)定，在這里，我們定義景觀要素的穩(wěn)定性指數(shù)：

SI=|D-1.5|

(4)

式中，分維值D介于1和2之間，當(dāng)D=1時，說明斑塊處于一種完全規(guī)則體的狀態(tài)；當(dāng)D=1.5時，即SI=0時，說明斑塊處于一種布朗運(yùn)動的隨機(jī)狀態(tài)；當(dāng)D=2時，說明土地利用斑塊的形狀最復(fù)雜。SI為穩(wěn)定性指數(shù)，SI值越大表示景觀的空間結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域土地利用景觀格局分析

三大湖泊流域土地利用整體景觀格局特征指數(shù)計算結(jié)果見表2，對三大湖泊流域整體景觀格局進(jìn)行橫向分析，即對不同流域的同一指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

(1)多樣性指數(shù)排序是撫仙湖流域>洱海流域>滇池流域，分別為1.38、1.35和1.29，說明滇池流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)多樣化程度最低，景觀多樣性較差，各景觀類型協(xié)調(diào)性較低；撫仙湖流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)多樣化程度最高，景觀多樣性保持較好，各土地利用類型協(xié)調(diào)性較高；洱海流域多樣性程度處于二者之間。

(2)均勻度指數(shù)排序是撫仙湖流域>洱海流域>滇池流域，分別為0.71、0.69和0.66，優(yōu)勢度指數(shù)排序是滇池流域>洱海流域>撫仙湖流域，分別為0.66、0.60和0.57。說明滇池流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)均衡程度較差，各地類分布不平衡，這主要是由于流域內(nèi)林地和耕地面積比重較大，占總面積的比例高達(dá)76.32 %，極大地提高了整體景觀的優(yōu)勢度。撫仙湖流域土地利用結(jié)構(gòu)均衡程度較好，各地類分布較平衡；洱海流域景觀均勻程度位于二者之間。

(3)破碎度指數(shù)排序是滇池流域>撫仙湖流域>洱海流域，分別為0.18、0.12和0.06。說明滇池流域土地利用景觀格局破碎化程度最高，景觀的分割最嚴(yán)重，這主要是由于滇池流域地處喀斯特地貌區(qū)，石漠化程度較深，導(dǎo)致景觀分割嚴(yán)重；撫仙湖流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)破碎化程度較高是由于流域地處滇中盆地中部長江水系與珠江水系的分水嶺地帶，周圍多為斷塊侵蝕山地，地勢起伏較大，分布零散，湖泊兩側(cè)共有61個亞流域，特殊的地質(zhì)條件對撫仙湖流域的地形造成了很大的分割；洱海流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)破碎化程度最低。

對三大湖泊流域整體景觀格局進(jìn)行縱向分析，即對同一流域的不同指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

(1)滇池流域多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最小，優(yōu)勢指數(shù)和破碎度指數(shù)最大，說明滇池流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)多樣性程度最差，景觀類型分布不均勻，景觀分割程度最嚴(yán)重。

(2)洱海流域除破碎度指數(shù)最低之外，多樣性、均勻度和破碎度指數(shù)均處于中間水平，較接近于撫仙湖流域，因此總體來看，該流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)多樣性程度較好，景觀類型分布較為均勻，景觀類型分割小，連通性最好。

(3)撫仙湖流域多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均最大，優(yōu)勢度指數(shù)最低，破碎度指數(shù)處于中間水平，綜合分析，該流域土地利用景觀結(jié)構(gòu)最簡單，受人為干擾程度最低。

表3 滇池流域土地利用景觀類型線性回歸分析

表4 洱海流域土地利用景觀類型線性回歸分析

表5 撫仙湖流域土地利用景觀類型線性回歸分析

2.2 土地利用景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

以斑塊周長的對數(shù)為自變量，面積的對數(shù)為因變量，在SPSS軟件中做回歸分析，結(jié)果見表3～5。

三大湖泊流域景觀類型分維數(shù)及穩(wěn)定性指數(shù)計算結(jié)果見表6。

從表3～5可知，除撫仙湖流域園地外(斑塊數(shù)量太少)，三大湖泊流域所有景觀類型周長和面積對數(shù)之間的相關(guān)性都大于0.943，確定性系數(shù)都大于0.888，調(diào)整后的確定性系數(shù)都大于0.884，顯著檢驗(yàn)水平都小于0.05，說明兩變量擬合程度好，所建立的回歸方程有效。

2.2.1 景觀格局穩(wěn)定性指數(shù)橫向分析 對三大湖泊流域土地利用景觀格局穩(wěn)定性進(jìn)行橫向分析，即對不同流域同一景觀類型空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

表6 三大湖泊流域土地利用景觀分維值和穩(wěn)定性指數(shù)

(1)從耕地來看，洱海流域(0.067)>撫仙湖流域(0.044)>滇池流域(0.033)，洱海流域的耕地最為穩(wěn)定，主要是自20世紀(jì)90年代以來，就重視耕地的規(guī)劃管理；滇池流域的耕地穩(wěn)定性最差，主要是由于近年來昆明經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，隨著“一湖四片”戰(zhàn)略的提出，主城及周邊各縣都迅速擴(kuò)張，大量的耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，對耕地造成極大的擾動；撫仙湖流域耕地穩(wěn)定處于中間水平。

(2)從園地來看，滇池流域園地穩(wěn)定性指數(shù)最小，為0.032，在三大流域中形狀最為復(fù)雜，穩(wěn)定性最差，洱海流域穩(wěn)定性指數(shù)較大，為0.100。

(3)從林地來看，洱海流域(0.044)>撫仙湖流域(0.016)>滇池流域(0.013)，相比其他景觀類型，三大湖泊流域林地的分維值都比較大，穩(wěn)定性指數(shù)都是最小的，其中滇池流域最小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，洱海流域最大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好。

(4)從草地來看，洱海流域(0.062)>滇池流域(0.040)>撫仙湖流域(0.037)，洱海流域草地穩(wěn)定性最好，滇池流域和撫仙湖流域較差，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，主要是由于滇池流域石漠化程度較深，草地形狀不規(guī)則，撫仙湖流域地勢起伏較大，地質(zhì)條件復(fù)雜。

(5)從建設(shè)用地來看，撫仙湖流域(0.108)>滇池流域(0.103)>洱海流域(0.074)，撫仙湖流域建設(shè)用地結(jié)構(gòu)最簡單，穩(wěn)定性最好，主要是由于撫仙湖流域以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)村人口多，對建設(shè)用地的擾動??；滇池流域的建設(shè)用地穩(wěn)定性也較好，主要是由于昆明市城市化水平最高，城市規(guī)劃較好，建設(shè)用地布局較為合理；洱海流域建設(shè)用地穩(wěn)定性最差，結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，主要是由于大理州作為重要的旅游城市，房屋建筑以自己的風(fēng)格為主，規(guī)劃較為隨意，新老建筑結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

(6)從水域來看，撫仙湖流域(0.281)>洱海流域(0.260)>滇池流域(0.129)，與其他景觀類型對比，水域的穩(wěn)定性指數(shù)最大，都在0.100以上。主要是由于政府不斷加強(qiáng)對高原湖泊的規(guī)劃和治理工作，使得各湖泊結(jié)構(gòu)日趨規(guī)則，而且水域自身也不像其他景觀類型一樣轉(zhuǎn)移頻繁，因此穩(wěn)定性較好。其中撫仙湖流域的治理保護(hù)工作最好，因此穩(wěn)定性最好，而滇池流域污染嚴(yán)重，人為破壞嚴(yán)重，因此穩(wěn)定性最差。

(7)從未利用地來看，撫仙湖流域(0.130)>洱海流域(0.067)=滇池流域(0.067)，撫仙湖流域最好，洱海流域和滇池流域較差。

2.2.2 景觀格局穩(wěn)定性指數(shù)縱向分析 對三大湖泊流域土地利用景觀格局穩(wěn)定性進(jìn)行縱向分析，即對同一流域不同景觀類型空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

(1)滇池流域穩(wěn)定性指數(shù)排序?yàn)樗?建設(shè)用地>未利用地>草地>耕地>園地>林地，水域結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，建設(shè)用地次之，都超過0.100，其余景觀類型穩(wěn)定性指數(shù)都較低，林地最低，穩(wěn)定性最差。

(2)洱海流域穩(wěn)定性指數(shù)排序?yàn)樗?園地>建設(shè)用地>耕地=未利用地>草地>林地，水域結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，園地次之，穩(wěn)定性指數(shù)都在0.100以上，林地結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差。

(3)撫仙湖流域穩(wěn)定性指數(shù)排序?yàn)樗?未利用地>建設(shè)用地>耕地>草地>林地，水域結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，未利用地、建設(shè)用地和園地較穩(wěn)定，林地結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差。

綜合分析，三大湖泊流域水域和建設(shè)用地穩(wěn)定性相對較好，耕地、林地和草地穩(wěn)定性相對較差，從整體穩(wěn)定性指數(shù)分析，洱海流域穩(wěn)定性指數(shù)最高，為0.062，滇池流域和撫仙湖流域較低，分別為0.025和0.021，主要是由于滇池和撫仙湖兩大流域的林地穩(wěn)定性指數(shù)極低，分別為0.013和0.016，耕地和草地穩(wěn)定性指數(shù)也遠(yuǎn)低于洱海流域，因此整個流域的穩(wěn)定性偏低。

3 討 論

綜上結(jié)果顯示，流域土地利用景觀格局特征與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及污染程度有一定相關(guān)性，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平最好、污染最嚴(yán)重的滇池流域多樣性和均勻程度最低，破碎化程度最高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較弱、污染最小的撫仙湖流域多樣性和均勻程度最高，但因自然條件限制，其破碎化程度低于洱海流域。依靠周長-面積分維數(shù)來確定土地利用景觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性大部分真實(shí)可靠，與其景觀格局研究結(jié)果較為一致，但是仍然與實(shí)際情況存在一定的差別，比如研究結(jié)果中林地的穩(wěn)定性最差，而在實(shí)際中海拔較高的大片闊葉林、針葉林都比較穩(wěn)定；撫仙湖流域景觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性偏低，在現(xiàn)實(shí)中，撫仙湖流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較弱，城鎮(zhèn)化水平較低，人類活動對景觀干擾程度較低，景觀結(jié)構(gòu)應(yīng)趨于穩(wěn)定。因此在今后的研究中要進(jìn)一步對景觀類型進(jìn)行細(xì)化，尤其研究穩(wěn)定性時要考慮更多的影響因素，使之更加精細(xì)科學(xué)。

4 結(jié) 論

(1)從流域土地利用景觀格局方面分析，景觀多樣性程度、均勻程度均表現(xiàn)為撫仙湖流域最高，洱海流域次之，滇池流域最低；景觀破碎化程度以滇池流域最高、撫仙湖流域次之，洱海流域最低。

(2)從耕地、園地、林地和草地的穩(wěn)定性來看，洱海流域最好，滇池流域最差或較差；從建設(shè)用地和未利用地穩(wěn)定性來看，撫仙湖流域最好，洱海流域和滇池流域較差；流域內(nèi)穩(wěn)定性最好的景觀類型是水域，最差的是林地；景觀整體穩(wěn)定性表現(xiàn)為洱海流域最好，滇池和撫仙湖流域較差。