洱海北部陸域景觀開發(fā)強度動態(tài)研究

王有兵 施俊美 楊建軍 張士平

摘 要 基于遙感與GIS技術(shù)，并結(jié)合有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數(shù)對研究區(qū)域2010—2019年景觀結(jié)構(gòu)和格局變化進行分析，采用 LDI 方法進一步評價了該區(qū)域環(huán)境健康狀況。結(jié)果表明：研究區(qū)域耕地景觀類型占主導(dǎo)地位，面積比例占50.81%以上，其次為建設(shè)用地，景觀結(jié)構(gòu)屬農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng);近幾年隨著洱海保護有關(guān)政策的實施，林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大;隨時間的變化，土地利用格局得到進一步優(yōu)化;2010年研究區(qū)域的 LDI 綜合指數(shù)為4.77，環(huán)境健康等級為“一般”，較接近“不健康”等級，但隨著洱海保護措施的實施而趨向于向“健康”等級發(fā)展。

關(guān)鍵詞 景觀;分維數(shù);破碎度; LDI 方法;健康等級;洱海

中圖分類號：S771 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2021.06.019

景觀結(jié)構(gòu)的變化會引起生態(tài)環(huán)境的改變，可通過相關(guān)模型在不同層次水平上對其進行定量分析，獲取景觀結(jié)構(gòu)的時空變化關(guān)系[1]。土地資源是人類活動的載體，土地利用作為人類最基本的實踐活動形式，是導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)改變的直接原因，可以通過土地利用結(jié)構(gòu)變化評估生態(tài)環(huán)境變化[2]。洱海是云南第二大高原湖泊，為洱海流域及周邊部分區(qū)域內(nèi)重要的生產(chǎn)生活水源地。自20世紀(jì)70年代起，洱海水位由自然調(diào)控轉(zhuǎn)為人為調(diào)控，造成長期低水位運行，加之周邊工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，村落密集，工農(nóng)業(yè)污染物及生活污水入湖，導(dǎo)致多次大規(guī)模藍藻暴發(fā)[3]。洱海水質(zhì)的惡化備受關(guān)注，21世紀(jì)初有關(guān)部門開始實施洱海湖濱帶的生態(tài)修復(fù)[4]，提出了“綠色流域建設(shè)”的防治思路[5]，但由于湖泊污染治理體系的不完善及社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，后期一再暴發(fā)大規(guī)模藻化[6]。近幾年開始實施環(huán)湖截污工程，拆除湖周部分建筑物，建設(shè)湖濱帶生態(tài)廊道，對洱海流域部分入湖河流實施改造修復(fù)，洱海水質(zhì)惡化趨勢得到遏制，至今洱海水質(zhì)處于Ⅱ ～ Ⅲ類水平。

本項研究區(qū)域位于洱海北部臨湖陸域，該區(qū)域村落分布密集，農(nóng)業(yè)高度發(fā)展，同時也是洱海流域上游區(qū)域水資源入洱海必經(jīng)之地，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，濕地主要為西湖濕地。該區(qū)域可喻為洱海流域上游的“腎盂”，起到匯聚和凈化上游水源的作用，是洱海保護的一道重要防線，也是洱海源頭治理的關(guān)鍵區(qū)域之一。近幾年，在該區(qū)域?qū)嵤┝送颂镞€草還濕，建造人工濕地，修復(fù)河流面岸，逐步退出污染型工農(nóng)業(yè)等洱海保護措施，為洱海保護做出了積極的響應(yīng)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和洱海保護措施的開展，該區(qū)域的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，因此，通過分析景觀結(jié)構(gòu)、景觀動態(tài)及景觀功能之間的相互關(guān)系，預(yù)測該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢，對該區(qū)域洱海保護措施實施成效給出科學(xué)的評價，并為區(qū)域內(nèi)土地資源的進一步優(yōu)化配置提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州中部，地跨大理市和洱源縣（25°30′—26°00′ N，100°00′—100°30′ E），總面積25.65 萬hm2，處于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，其水系屬瀾滄江水系。研究區(qū)域位于洱海流域的中部偏北（圖1），為流域中部壩區(qū)東西徑向最窄的區(qū)域，是流域上游水資源入洱海的必經(jīng)之地。該區(qū)域地勢平坦，水資源較為豐富，有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽。區(qū)域內(nèi)有國家級濕地一處，面積為949.78 hm2，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，這3條河流平均入湖水量占洱海平均補給水總量的70%以上。研究區(qū)域海拔1 968～2 125 m，總面積為9 953.15 hm2。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)域2014（資源三號衛(wèi)星高清影像，分辨率10 m）、2016（航拍土地確權(quán)影像，分辨率1 m）、2019（資源三號衛(wèi)星高清影像，分辨率10 m）年影像，時相均為12月，2010—2019年Google Earth歷史影像;涉及研究區(qū)域的第三次全國土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

以第三次全國土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合影像資料對研究區(qū)范圍內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀進行斑塊區(qū)劃，地類區(qū)劃至二級地類，統(tǒng)計面積時進行適當(dāng)歸并，共歸為6類景觀類型：（1）建設(shè)用地，包括商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地;（2）空閑地;（3）林地，包括園地、喬木林地、灌木林地、其他林地及部分荒山草地;（4）耕地，包括水田、水澆地、旱地及其他土地中的設(shè)施農(nóng)用地;（5）沼澤地，包括森林沼澤、灌叢沼澤等;（6）水體，包括河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面、養(yǎng)殖池塘、溝渠、干渠。

2.3 景觀指數(shù)的選取

選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數(shù)對研究區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)變化進行分析，相關(guān)指標(biāo)計算公式如下，各指標(biāo)的生態(tài)學(xué)含義見文獻[7-9]。

（1）分維數(shù)： FDi ?= 2ln（ Ei / 4） /ln Ai （1）

（2）景觀形狀指數(shù)： ?LSIi ?= 0.25 Ei /Ai （2）

（3）破碎度： FN ?= ?MPS ×（ n - ?1） / ?Nc （3）

（4）景觀年變化率： K =（ S b- S a）/ ?t （4）

式中： Ei 為斑塊周長; Ai 為某景觀類型的面積; MPS 由所有斑塊的平均面積除以最小斑塊面積得到; n 為某景觀類型斑塊數(shù)量; Nc 為研究區(qū)景觀總面積除以最小斑塊面積之值; S a、 S b分別為研究初期和研究末期的景觀面積; t 為監(jiān)測時段長度。 K >0表示監(jiān)測時間內(nèi)景觀面積增加， K <0表示監(jiān)測時間內(nèi)景觀面積減少， K 的絕對值越大表示面積變化的程度越大。

2.4 各斑塊 LDI系數(shù)的確定及LDI綜合指數(shù)計算

根據(jù)Brown等[10]2005年劃分的 LDI系數(shù)表，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況確定了各斑塊類型的LDI系數(shù)（表1） 。

式中： LDI total—研究區(qū)域 LDI 綜合指數(shù);% LUi —第 i 種土地利用類型的面積占研究區(qū)域總面積的百分比; LDIi —第 i 種土地利用類型的 LDI 系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)研究區(qū)域景觀類型面積比例統(tǒng)計可知（表2和圖2），2010—2019年間該區(qū)域占主導(dǎo)地位的景觀類型為耕地，占比高達50.81%以上;其次為建設(shè)用地，占比達22.71%;再次為林地，占比達11.16%。至2019年，沼澤地和水體面積占比相差不大，空閑地面積占比僅為0.33%。研究區(qū)域村落數(shù)量較多，是建設(shè)用地的主要組成部分，總體上建設(shè)用地面積呈增加趨勢，一批如高速公路、鐵路、工廠等重大項目的建設(shè)，導(dǎo)致2010—2016年增速較快，變化率高達58.27，后期建設(shè)項目減少，2018—2019年增速明顯減慢，變化率降至18.66;空閑地面積持續(xù)減少，特別是2016年以后減少幅度明顯大于2016年以前，一些空閑地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地或人工濕地;林地面積增幅在所有景觀類型中為最大，主要呈現(xiàn)在2016—2018年沿主要河流兩側(cè)造林綠化，至2019年面積略有減少，主要是因為部分造林地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯竦?受洱海保護及其他有關(guān)生態(tài)保護政策的影響，一些如生態(tài)修復(fù)、綠化造林、水凈化等項目落地于退出的耕地上，造成耕地面積持續(xù)減少，特別是2016—2018年減少幅度最大，部分水田退出后轉(zhuǎn)變?yōu)樗w或沼澤地;沼澤地是洱海源頭水質(zhì)凈化的主要載體之一，因此在具備條件的水田、耕地等區(qū)域建設(shè)了部分沼澤地，面積變化趨勢呈“增加-速增-略減”趨勢，后期部分沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w;水體面積表現(xiàn)為增加，呈“快-慢-快”的趨勢，初期受市場經(jīng)濟的影響，部分水田轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖塘，后期部分耕地改造為人工庫塘。

3.2 景觀格局變化

選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度4個指數(shù)對研究區(qū)域的景觀格局動態(tài)變化進行了定量分析（表3）。從景觀斑塊數(shù)量看，除空閑地斑塊數(shù)量呈減少趨勢外，其余景觀斑塊數(shù)量均增加，建設(shè)用地的斑塊數(shù)量最多，數(shù)量由2010年的500增加至2019年的884;水體斑塊數(shù)量增加5倍左右，林地、耕地及沼澤地的斑塊數(shù)量也有不同程度的增加。從景觀破碎度看，建設(shè)用地的破碎度最高，其次為林地，再次為耕地，其余景觀的破碎度均較小。建設(shè)用地、空閑地及林地的破碎度在時間變化上基本呈降低趨勢，可見建設(shè)用地及林地雖在擴展，并且斑塊數(shù)量整體呈現(xiàn)增加趨勢，但其斑塊并沒有因為數(shù)量增加而變得破碎，而表現(xiàn)出更高的完整性。耕地的破碎度增加后又減少，主要是因在時間變化上耕地受分割破碎后又轉(zhuǎn)變了利用類型而導(dǎo)致的。沼澤地和水體因受鄉(xiāng)村道路的分割及人為增加斑塊數(shù)量而更加破碎，破碎度呈增加趨勢。

各景觀類型的分維數(shù)在4個時期均小于1.5，說明總體上景觀斑塊形狀簡單。建設(shè)用地、林地及耕地的分維數(shù)隨時間變化而增加，表明受人為干擾增加，斑塊形狀趨于復(fù)雜化;空閑地的分維數(shù)隨時間變化而降低，表明其斑塊形狀趨于簡單化;沼澤地和水體的分維數(shù)變化趨勢存在不確定性，表明受干擾較頻繁。從各景觀類型斑塊的形狀指數(shù)看，除了空閑地外，其余景觀的形狀指數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢，表明在人為干擾的情況下，斑塊結(jié)構(gòu)向著松散型發(fā)展。

3.3 環(huán)境健康動態(tài)變化及評價

研究區(qū)域2010—2019年間的 LDI 綜合指數(shù)動態(tài)變化見表4，其值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。從各景觀類型的結(jié)構(gòu)比例看，該區(qū)域以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，其次為居住區(qū)，是洱海流域內(nèi)典型的農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng)。張淼等[11]將 LDI 值分為3個等級：1～2為“健康”;2～5為“一般”;大于5為“不健康”。參照該分級可知，2010年該區(qū)域 LDI 綜合指數(shù)高達4.77，環(huán)境健康等級處于“一般”，但較靠近“不健康”等級，說明該區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)業(yè)型壩區(qū)，受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響較大。2016—2018年 LDI 綜合指數(shù)的降幅較大，說明在該時期一些如退田還濕還水、造林綠化等環(huán)境友好型項目的實施取得了一定成效。隨著后續(xù)有關(guān)項目的推進，該區(qū)域的環(huán)境健康狀況將進一步得到改善。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

基于遙感與GIS技術(shù)，對研究區(qū)域2010—2019年景觀結(jié)構(gòu)及格局變化進行了分析，采用 LDI 方法進一步評價了該區(qū)域環(huán)境健康狀況，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域景觀類型以耕地為主導(dǎo)，其次為建設(shè)用地，屬農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng);

（2）研究區(qū)域的林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大，發(fā)展趨勢良好;

（3）研究區(qū)域土地利用類型的空間布局隨時間變化得到進一步優(yōu)化;

（4）研究區(qū)域環(huán)境健康等級為“一般”，但隨時間的變化而趨向于向“健康”等級發(fā)展。

4.2 討論

研究區(qū)域位于洱海流域中部偏北，是洱海北部重要的“北三江”區(qū)域（羅時江、永安江、彌苴河），該區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)是流域內(nèi)典型的農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，鄉(xiāng)村聚落密布其中。由于該區(qū)域區(qū)位的獨特性，其是洱海流域北段洱海補給水的唯一過境地，因此該區(qū)域成了洱海保護治理的關(guān)鍵區(qū)域之一?！氨比眳^(qū)域所匯聚的洱海補給水占洱海總補給水的70%，同時也是洱海污染物輸入的主要渠道之一。

1998—2016年洱?？偭孜廴矩摵煽傮w呈上升趨勢，具體表現(xiàn)為流域內(nèi)點源污染增加、面源污染減少，但面源污染仍是主要污染源，農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖糞便和城鎮(zhèn)居民生活污水是洱海流域三大污染來源，洱海湖區(qū)北部污染物濃度要高于其他地區(qū)[12，13]。研究區(qū)域農(nóng)業(yè)面廣、人口密集，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是主要的輔助產(chǎn)業(yè)，因此成為洱海污染物主要來源區(qū)之一。為了建立保護洱海的最后一道生態(tài)防線，近幾年在湖岸、河流等區(qū)域建設(shè)了人工濕地、生態(tài)塘濕地等擬自然水源凈化系統(tǒng)，有效地截留了部分污染物[14-16]。

因此，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)模式和優(yōu)化土地利用方式是改善該區(qū)域自然環(huán)境的有效手段，只有加強和鞏固區(qū)域水源自然凈化能力，推動“綠色流域建設(shè)”的步伐，改善流域人居環(huán)境，才能帶動區(qū)域綠色經(jīng)濟的發(fā)展。

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