武澤民 余哲修 李 瑤 劉 嬌 王進松 張 超
(1. 西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,云南 昆明 650233;2. 北京林業(yè)大學(xué)省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室,北京 100083;3. 云南省地礦測繪院羅平分院,云南 曲靖 655899;4. 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所,云南 昆明 650233;5. 西南林業(yè)大學(xué)辦公室,云南 昆明 650233)
經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境協(xié)同發(fā)展是一個復(fù)雜而艱巨的難題[1],土地利用變化清晰反映了自然環(huán)境和人類活動相互作用后的生態(tài)環(huán)境變化特征[2],為生態(tài)環(huán)境保護提供了重要參考,受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-7]。國外早期研究以土地利用調(diào)查為主,逐漸發(fā)展為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力研究,并不斷向土地綜合利用深入。我國作為農(nóng)業(yè)古國,土地利用變化由起初簡單的分類、開發(fā)和管理逐步向利用3S技術(shù)對土地利用現(xiàn)狀調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測方面發(fā)展。劉紀遠等[8]基于Landsat OLI、GF-2等衛(wèi)星遙感圖像和人機交互解譯方法,應(yīng)用動態(tài)度、年變化率等指標,從全國和分區(qū)角度揭示了2010—2015年中國土地利用變化的時空特征。尹小嵐等[9]以遼河三角洲地區(qū)3期遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用動態(tài)度、利用程度指數(shù)探討了研究區(qū)13 a間土地利用動態(tài)變化的特點。陳書林等[10]利用土地利用動態(tài)度、土地利用程度和主成分分析等方法,探討了長三角地區(qū)近30 a土地利用變化特征及其驅(qū)動機制,表明經(jīng)濟發(fā)展、人口增加和城市化水平提高是造成土地利用變化的主要原因。發(fā)展至今,基于3S技術(shù)的土地利用變化研究取得了較為豐碩的成果,相關(guān)技術(shù)理論、方法已趨于成熟。
在土地利用變化研究不斷深入的同時,區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險及安全評價研究也在逐步推進[11-12]。景觀生態(tài)安全從生態(tài)學(xué)角度探討區(qū)域生態(tài)安全問題,可以直觀地反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成特征[13]。李楊帆等[14]運用景觀生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)安全格局相關(guān)理論與方法,識別了區(qū)域景觀生態(tài)安全格局中處于風(fēng)險狀態(tài)的關(guān)鍵源。王濤等[15]基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)計算了洱海流域的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),定量評價了洱海流域的土地利用變化及景觀生態(tài)風(fēng)險,表明人為活動是導(dǎo)致高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域增多的重要原因。韓逸等[16]應(yīng)用地理加權(quán)回歸模型,探究了自然、社會經(jīng)濟因素對區(qū)域耕地景觀生態(tài)安全的影響,為耕地景觀生態(tài)安全干擾來源、保護對策和實施落實提供了參考依據(jù)。滇池流域作為高原湖泊流域的典型代表,從土地利用的角度開展景觀生態(tài)安全評價及空間演變規(guī)律研究,分析其土地利用變化帶來的生態(tài)環(huán)境[17]、生態(tài)安全[18]問題,可以為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護及高原湖泊生態(tài)環(huán)境變化研究提供參考依據(jù)。
滇 池 流 域 地 處24°36′55″ ~ 25°09′42″N,102°33′25″~102°54′14″E,面積13.12萬hm2,約占云南省總面積的3.43%。流域內(nèi)最高海拔2 479 m,最低海拔1 753 m,地勢東北高西南低,以滇池為中心向四周不斷遞升,形成盆地、丘陵、山地地貌。流域?qū)儆趤啛釒У途暥雀咴降丶撅L(fēng)氣候,年平均氣溫15 ℃,歷史極端低溫-8 ℃、極端高溫31.2 ℃,多年平均降雨量900 mm,降水量時空分布不均,集中于夏季。流域內(nèi)行政區(qū)劃為五華、盤龍、官渡、西山、呈貢、晉寧6個區(qū),優(yōu)越的自然資源和社會環(huán)境,已經(jīng)形成了以旅游業(yè)為龍頭,以冶金、煙草、機械為主的工業(yè),以房地產(chǎn)開發(fā)為主的建筑業(yè),以蔬菜、花卉為主的特色農(nóng)業(yè)的發(fā)展格局。
在地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn/)獲取覆蓋研究區(qū)的Landsat衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)基本信息見表1,遙感影像平均云量較低,能夠符合研究需要。以1995年、2005年、2015年3期Landsat衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ),對原始影像進行輻射定標、大氣校正、圖像裁剪等預(yù)處理。
根據(jù)土地利用分類標準(GB/T 21010—2017)[19],將流域內(nèi)土地利用類型劃分為林地、耕地、建設(shè)用地、水域、濕地、灌草地、未利用地7個地類,應(yīng)用目視解譯方法提取出滇池流域3期土地利用斑塊信息數(shù)據(jù);利用Google Earth平臺提供的不同時期高清衛(wèi)星影像,作為驗證參考影像,計算驗證樣本的混淆矩陣,對各期土地利用分類結(jié)果進行精度評價,3期分類結(jié)果平均總體精度為86.12%,滿足研究精度需要。滇池流域1995年、2005年、2015年3個 時 期 的 土 地 利 用遙感分類結(jié)果見圖1。
圖 1 滇池流域不同時期土地利用遙感分類結(jié)果Fig. 1 Remote sensing classification results of land use for various periods in Dianchi Lake watershed
表征各類土地利用類型變化的方向和結(jié)構(gòu)特征,描述研究區(qū)不同時期各土地利用類型間流失與轉(zhuǎn)移[20],計算方法見式(1):
式中:Sij代表研究時段內(nèi)第i類土地利用轉(zhuǎn)換成第j類土地利用的面積,n表示轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型數(shù)目,i和j分別代表轉(zhuǎn)移前后的土地利用類型。
2.4.1 劃分評價單元
根據(jù)滇池流域范圍及景觀斑塊面積大小,在ArcGIS軟件中進行2 km×2 km正方形網(wǎng)格化(圖2),作為采集生態(tài)風(fēng)險評價單元樣本,共采集樣地385個,利用景觀生態(tài)安全指數(shù)計算公式得出每一評價單元樣地生態(tài)風(fēng)險指數(shù),作為樣地中心點的生態(tài)風(fēng)險值。
2.4.2 構(gòu)建景觀生態(tài)安全評價模型
通過景觀破碎度、景觀分離度和景觀優(yōu)勢度的疊加建立景觀干擾指數(shù),結(jié)合景觀敏感度指數(shù)建立景觀損失指數(shù),在此基礎(chǔ)上構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)[21]。安全為風(fēng)險的反函數(shù),景觀生態(tài)安全指數(shù)(LESI)用風(fēng)險指數(shù)的倒數(shù)表征[22]。計算公式見式(2)~(8):
式中:LESI為景觀生態(tài)安全指數(shù),LERI為景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)。
圖 2 景觀生態(tài)安全樣區(qū)網(wǎng)格化Fig. 2 Gridding of landscape ecological safety sample area
式中:Ri為景觀類型生態(tài)風(fēng)險強度,n為景觀類型數(shù)量,Aki為第k個樣地內(nèi)i類景觀類型面積,TAk為第k個樣地的總面積。計算整個研究區(qū)LERI時,Aki為研究區(qū)內(nèi)i類景觀類型面積,TAk為研究區(qū)總面積。
式中:Ei為景觀生態(tài)風(fēng)險作用度;Fi為景觀脆弱度指數(shù),i為景觀類型。
式中:Ci為景觀破碎指數(shù),Si為分離指數(shù),Ki為優(yōu)勢指數(shù)。a、b、c為各指標權(quán)重,且a+b+c=1,結(jié)合研究區(qū)情況,將a、b、c分別賦值0.3、0.2、0.5。Ci、Si、Ki量綱不同,對其歸一化。
式中:ni為樣地內(nèi)景觀類型i的斑塊指數(shù),Ai為樣地內(nèi)景觀類型i的總面積,TA為景觀樣地總面積,N為樣地景觀類型斑塊總數(shù);mi為景觀類型i出現(xiàn)的樣地數(shù),M為總樣地數(shù)。
參考前人研究結(jié)果[23-24],分別對7種景觀類型脆弱度(Fi)進行賦值,未利用地為6、水域為5、耕地為4、林地為3、濕地及灌草地為2、建設(shè)用地為1,并由此進行歸一化后作為該景觀類型的脆弱度指數(shù)。
2.4.3 空間分析方法
利用ArcGIS軟件將研究區(qū)各樣地景觀生態(tài)安全數(shù)值分為5個級別,制作景觀生態(tài)安全空間分布圖,分析景觀生態(tài)安全空間分異特征。
由表2可知,1995—2015年,滇池流域土地利用類型在不同時期均以建設(shè)用地、耕地、林地和水域為主。其中,各時期林地面積分別占總面積的17.37%、16.80%、15.89%,林地面積逐年減少,主要分布于流域邊界;耕地面積分別占總面積的26.58%、22.94%、14.59%,面積逐年減少,2005—2015年減少趨勢較為明顯,這與啟動呈貢新區(qū)建設(shè)有著密不可分的聯(lián)系;建設(shè)用地面積分別占總面積的21.37%、26.17%、34.51%,面積逐年增加,與耕地呈對應(yīng)變化趨勢,從滇池北面的主城區(qū)不斷向滇池東岸擴張;水域面積分別占總面積的23.79%、23.82%、23.50%,面積波動變化,整體上呈緩慢減少趨勢;濕地面積分別占總面積的4.51%、3.43%、3.09%,面積逐年減少,主要分布于滇池沿岸;灌草地面積分別占總面積的5.07%、4.99%、5.09%,面積波動變化,與林地相間分布;未利用地面積分別占總面積的1.31%、1.85%、3.33%,面積逐年增加,零散分布于建設(shè)用地周圍。
表 2 滇池流域不同時期的土地利用結(jié)構(gòu)組成Table 2 Structure composition of land use for various periods in Dianchi Lake watershed
總體上,1995—2015年,滇池流域受城市化影響,建設(shè)用地及耕地面積變化顯著,其中建設(shè)用地面積逐年增加,耕地面積逐年減少,林地及濕地面積緩慢減少,灌草地面積波動變化,水域面積基本保持穩(wěn)定。林地、濕地和水域面積的減少,也是滇池流域生態(tài)環(huán)境惡化的表征。
1995—2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表3。由表3可知,1995—2005年,林地面積轉(zhuǎn)移1 319.93 hm2,新增574.47 hm2,轉(zhuǎn)移面積是新增面積的2.3倍,林地面呈減少趨勢;耕地面積轉(zhuǎn)移5 751.39 hm2,新增978.49 hm2,轉(zhuǎn)移面積是新增面積的5.9倍,轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地面積占轉(zhuǎn)移總面積的85%;建設(shè)用地面積轉(zhuǎn)移612.97 hm2,新增6 907.61 hm2,新增面積是轉(zhuǎn)移面積的11.3倍,轉(zhuǎn)入源主要來自耕地及濕地,表明“九五”到“十五”兩個5年期間,隨著昆明市經(jīng)濟社會發(fā)展和人口增加,對建設(shè)用地的需求量不斷加大,其他地類大量被建設(shè)用地占用;水域面積轉(zhuǎn)移621.07 hm2,新增659.87 hm2,變化較為緩和;濕地面積轉(zhuǎn)移2 079.66 hm2,新增663.15 hm2,轉(zhuǎn)移面積是新增面積的3.1倍,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、水域及耕地;灌草地面積轉(zhuǎn)移641.63 hm2,新增531.26 hm2,面積有所減少;未利用地面積轉(zhuǎn)移52.64 hm2,新增764.43 hm2,新增面積是轉(zhuǎn)移面積的14.5倍,轉(zhuǎn)入源主要來自耕地、林地及建設(shè)用地。
表 3 1995—2005年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 3 Transfer matrix of land use in 1995-2005 hm2
2005—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表4。由表4可知,2005—2015年,林地面積轉(zhuǎn)移1 983.93 hm2,新增797.80 hm2,主要轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗖莸?、耕地及建設(shè)用地,處于持續(xù)減少趨勢;耕地面積轉(zhuǎn)移12 344.85 hm2,新增1 381.46 hm2,轉(zhuǎn)移面積是新增面積的8.9倍,其中轉(zhuǎn)移為建設(shè)用地面積占79%,轉(zhuǎn)移為未利用地占10%,耕地轉(zhuǎn)移面積依舊是7個地類中轉(zhuǎn)移面積最多的地類;建設(shè)用地面積轉(zhuǎn)移223.02 hm2,新增11 165.74 hm2,新增面積是轉(zhuǎn)移面積的50.1倍,最大轉(zhuǎn)入源依舊來自耕地,期間,昆明市為了滿足各類活動的需求,城區(qū)建設(shè)由滇池北面的主城區(qū)不斷向滇池東岸擴張,打造了新興工業(yè)、科教文衛(wèi)和現(xiàn)代綜合服務(wù)的呈貢新區(qū),致使滇池流域建設(shè)用地面積不斷增加;水域面積轉(zhuǎn)移716.66 hm2,新增291.55 hm2,呈緩慢減少趨勢;濕地面積轉(zhuǎn)移1 339.37 hm2,新增900.84 hm2,有減少趨勢,隨著城市景觀的無序擴張,缺乏監(jiān)管保護意識,部分濕地被污染或排水后改為他用,導(dǎo)致濕地面積 減 少;灌 草 地 面 積 轉(zhuǎn) 移1 348.99 hm2,新 增1 485.75 hm2,呈不明顯增加趨勢,灌草地自身十分脆弱,極易遭到自然環(huán)境、人類活動干擾;未利用地面積轉(zhuǎn)移199.25 hm2,新增2 132.93 hm2,新增面積是轉(zhuǎn)移面積的10.7倍,未利用地在7個地類新增面積僅次于建設(shè)用地,未利用地大部分由土地資源過度開發(fā)和不合理利用演變形成,建設(shè)用地急劇擴張形成擱置地是未利用地不斷增長的主要原因。
表 4 2005—2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Transfer matrix of land use in 2005-2015 hm2
生態(tài)環(huán)境惡化對社會經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴重影響,優(yōu)化景觀生態(tài)安全的空間格局,強化生態(tài)環(huán)境保護力度對于區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展意義深遠[25]。根據(jù)公式計算滇池流域385個評價單元1995年、2005年、2015年景觀生態(tài)安全等級(表5)。1995年景觀生態(tài)安全指數(shù)9.11~94.86,均值38.16;2005年景觀生態(tài)安全指數(shù)9.11~99.94,均值41.50;2015年景觀生態(tài)安全指數(shù)9.11~99.36,均值42.19。為了比較滇池流域景觀生態(tài)安全等級空間變化,利用ArcGIS中的Natural breaks將整個流域的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)劃分為5個等級,分別為:低安全區(qū)、較低安全區(qū)、中度安全區(qū)、較高安全區(qū)、高安全區(qū)(圖3)。滇池流域生態(tài)安全空間分布,一定程度上體現(xiàn)了流域景觀結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律,具有明顯的區(qū)位性和異質(zhì)性特征。受到小尺度空間結(jié)構(gòu)的影響,流域小幅度的土地利用空間結(jié)構(gòu)變化都會對流域的景觀生態(tài)風(fēng)險帶來明顯的變化。
表 5 景觀生態(tài)安全等級Table 5 landscape ecological security level
圖 3 景觀生態(tài)安全空間分布Fig. 3 Spatial distribution of landscape ecological security
低安全區(qū)面積波動變化,主要集中于滇池水面。水域生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱,長期的沉積作用和地殼運動,導(dǎo)致滇池湖床抬高、出水口少、流動性差、置換周期長,造成循環(huán)不通暢,出入不均衡問題,尤其是北面的昆明主城區(qū)大量污染物向湖中排放并堆積,水質(zhì)不斷變差。另一方面,流域內(nèi)降水時空分布不均,汛期5—10月降水占年降水總量的85%左右,致使水土流失加劇,每逢雨季大量泥沙及污染物卷入滇池,導(dǎo)致水環(huán)境惡化及水域面積減少,其潛在景觀生態(tài)風(fēng)險程度最高。
較低安全區(qū)面積逐年減少,1995年面積最大,主要分布于滇池岸邊,并不斷向東岸、南岸擴張,研究期間,以滇池為中心的沿岸發(fā)生了巨大變化,集中分布于沿岸的濕地環(huán)境被嚴重破壞。隨著人類生態(tài)環(huán)境保護的增強,保護措施及力度的加大,修建恢復(fù)生態(tài)濕地公園成為有效途徑,隨之帶來的問題是景觀斑塊破碎度和分離度增大,滇池周圍的環(huán)境日趨復(fù)雜,生態(tài)風(fēng)險趨于惡化,生態(tài)安全不容樂觀。另一方面,位于滇池東岸、南岸的呈貢區(qū)、晉寧區(qū),在城市化的驅(qū)使下,大量耕地被用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),加上人民生活水平不斷提高,農(nóng)村興修房屋,大量耕地被宅基地占用,導(dǎo)致景觀生態(tài)風(fēng)險增加。
中度安全區(qū)面積逐年減少,主要分布于滇池四周及呈貢大部。前期,隨著人類活動加劇,社會經(jīng)濟快速發(fā)展,滇池沿岸建設(shè)用地迅速增加,環(huán)湖道路、環(huán)湖景點、環(huán)湖住宅不斷建設(shè),以及呈貢新區(qū)的大力開發(fā),導(dǎo)致中安全區(qū)面積不斷擴大。后期,隨著修建力度變緩,景觀斑塊變化逐步趨于穩(wěn)定。
較高安全區(qū)面積逐年增加,廣泛分布于流域內(nèi),主要集中在昆明主城區(qū),西山、呈貢、晉寧局部。以主城區(qū)為中心的市級行政中心,在政府的統(tǒng)一規(guī)劃下,土地開發(fā)從大力開發(fā)走向平穩(wěn),斑塊逐漸聚合,空間上連接成片,斑塊破碎度降低,生態(tài)風(fēng)險降低,較高生態(tài)安全區(qū)面積隨之擴大。
高安全區(qū)面積逐年增加,主要分布于主城區(qū)大部及呈貢區(qū)局部,該區(qū)域景觀優(yōu)勢明顯,連片的城市住宅,形成了較為穩(wěn)定的景觀結(jié)構(gòu),景觀破碎度和敏感度相對較低。
綜上,滇池流域主要以較高安全區(qū)面積為主,其次是中安全區(qū)。流域的生態(tài)總體向更高安全等級轉(zhuǎn)化。主要表現(xiàn)為:1995—2015年,高安全區(qū)面積增加7 675.27 hm2,較高安全區(qū)面積增加10 544.46 hm2,中安全區(qū)面積不斷向高安全區(qū)、較高安全區(qū)轉(zhuǎn)移,安全區(qū)面積比重不斷增加。
以滇池流域為研究區(qū),基于Landsat遙感影像,以1995年、2005年、2015年為研究時段,從滇池流域土地利用數(shù)量變化、空間變化、景觀生態(tài)安全3個方面開展研究,得出以下結(jié)論:
1)通過遙感影像解譯分類結(jié)果分析滇池流域土地利用數(shù)量變化,結(jié)果表明,1995—2015年,滇池流域土地利用類型在不同時期均以建設(shè)用地、耕地、林地和水域為主。其中,林地及濕地面積平均占總面積的16.69%、3.68%,面積逐年減少;耕地、建設(shè)用地及未利用地面積平均占總面積的21.37%、27.35%、2.16%,面積逐年增加;水域及灌草地面積平均占總面積的23.7%、5.05%,面積波動變化。從各地類的數(shù)量變化看,滇池流域的生態(tài)環(huán)境問題依然突出,環(huán)境形勢不容樂觀。
2)運用土地利用轉(zhuǎn)移矩陣模型分析滇池流域景觀空間變化,結(jié)果表明,1995—2015年,2個研究時段內(nèi)分別有11 079.29、18 156.07 hm2土地發(fā)生變化,其中耕地轉(zhuǎn)移面積最多,分別占轉(zhuǎn)移總面積的51.9%、68.0%。建設(shè)用地新增面積最多,分別占新增總面積的62.3%、61.5%。建設(shè)用地迅速擴展與人口增長、社會經(jīng)濟發(fā)展有著密不可分的聯(lián)系,滇池流域人地矛盾日益激化依然是當前趨勢。提升人對地的科學(xué)認識,合理調(diào)控人口數(shù)量,推進生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型是破解當下人地矛盾的有效途徑[26]。
3)利用景觀生態(tài)安全評價模型分析滇池流域景觀生態(tài)安全格局,結(jié)果表明,1995—2015年,研究區(qū)面積以較高安全區(qū)及中安全區(qū)為主。3個時期景觀生態(tài)安全指數(shù)均值分別為38.16、41.50、42.19,安全指數(shù)不斷增加。低安全區(qū)面積波動變化,主要分布于滇池水面;較低安全區(qū)面積逐年減少,主要分布于滇池沿岸并不斷向東南岸擴張;中安全區(qū)面積逐年減少,主要分布于滇池四周;較高安全區(qū)面積逐年增加,廣泛分布于研究區(qū)內(nèi);高安全區(qū)面積逐年增加,主要分布于主城區(qū)內(nèi)。雖然較高安全區(qū)和高安全區(qū)面積逐年增加,但情況依舊不容樂觀,從各個安全等級可以得出,滇池及周圍環(huán)境治理依然面臨嚴峻挑戰(zhàn),必須進一步加大對滇池及周邊濕地的治理,從而避免高破碎化景觀發(fā)生。滇池是流域內(nèi)的主要水體,昆明市的發(fā)展極度依賴于滇池,滇池的環(huán)境深受昆明市發(fā)展影響,兩者“互融互生”,加大滇池保護治理力度依然是當前乃至長期的一項重要工作。
滇池流域作為高原湖泊流域土地利用變化研究的典型,受自然及社會經(jīng)濟影響明顯,諸多學(xué)者從森林、土壤、濕地、水環(huán)境等方面做了大量研究,為生態(tài)安全研究提供了一定的技術(shù)方法和理論依據(jù)。但生態(tài)安全是一個動態(tài)變化的過程,評價標準和閾值的確定是研究工作中的難點[27],時間、空間、功能等基準的確定,有待進一步探討和研究。目前,很多研究以現(xiàn)狀評價為主,對區(qū)域生態(tài)建設(shè)的指導(dǎo)作用不大,后續(xù)研究可以結(jié)合更多評價模型,全面、系統(tǒng)、科學(xué)地對土地生態(tài)安全問題進行探討,從預(yù)警分析的角度評價生態(tài)安全問題,以期不斷提高研究的科學(xué)性和指導(dǎo)性。