1990-2018 年云南星云湖流域景觀格局時空演變特征研究

馬國強 李秋潔 肖劍平

(1 國家林業(yè)和草原局西南調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650216；2 蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000；3 中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

高原湖泊是云南重要的生態(tài)系統(tǒng)，也是促進云南國民經(jīng)濟和社會發(fā)展，實現(xiàn)富民興滇不可缺少的重要資源(王濤等, 2020)。云南省約30%的GDP來源于九大高原湖泊，高原湖泊流域經(jīng)濟對云南省的經(jīng)濟發(fā)展起到了巨大推動作用(Oced, 2020)。景觀格局反映景觀要素在空間結(jié)構(gòu)上的特征，可以從不同尺度討論要素間的相互作用與生態(tài)效應(yīng)(曹嘉鑠等, 2021)，景觀格局變化對區(qū)域乃至全球的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力具有重要影響(傅伯杰等,1999)。濕地景觀是指具有異質(zhì)性結(jié)構(gòu)的濕地斑塊在不同尺度上的分布狀態(tài)(傅伯杰等, 2005)。分析景觀格局能夠識別生態(tài)功能重要區(qū)和生態(tài)敏感脆弱區(qū)的空間分布(白少云等, 2020)。景觀格局時空變化過程的研究是未來可持續(xù)目標實現(xiàn)的重要內(nèi)容，是代表人類活動對自然環(huán)境影響的直接表現(xiàn)形式(Lawler et al, 2014; Zhao et al, 2004)。近年來，在自然界和人為活動的雙重干擾下，流域景觀格局發(fā)生了劇烈變化(翟俊等, 2018)。目前有關(guān)于景觀格局的研究通常是選取面積、形狀、聚集度和多樣性等景觀格局相關(guān)指數(shù)來衡量、反映景觀斑塊的特征和組成。其中，F(xiàn)ragstats 軟件中包含的景觀格局指數(shù)是使用最廣泛的定量化測度指標(王琦等,2019)。因此，深入研究時間序列和空間景觀的變化特征對于優(yōu)化景觀類型結(jié)構(gòu)，促進區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

星云湖位于云南省玉溪市江川區(qū)，是云南省九大高原湖泊之一，是中國候鳥遷徙通道上的重要節(jié)點(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院, 2016; 張曉倫等,2020)。以星云湖流域為研究對象，通過星云湖流域景觀格局演變研究，探究星云湖流域景觀格局演變的驅(qū)動因素，為星云湖流域可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護和區(qū)域管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

星云湖流域位于云南省玉溪市江川區(qū)境內(nèi)(102°45′ ～102°48′ E，24°17′ ～24°23′ N), 流 域 總面積為371.1 km2，由半山區(qū)、壩區(qū)、水域構(gòu)成(圖1)。流域內(nèi)生態(tài)問題突出，南北部山區(qū)水土流失嚴重，星云湖污染嚴重。湖水主要靠地表徑流和湖面降水補給(李益敏等, 2017)。

圖1 星云湖流域研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Map of Xingyunhu Lake basin study area

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理 星云湖流域遙感影像數(shù)據(jù) 為1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年陸地衛(wèi)星系列數(shù)據(jù)，空間分辨率15 ～30 m，星云湖內(nèi)的景觀類型劃分按照土地資源分類系統(tǒng)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局, 2017)。結(jié)合林地分類系統(tǒng)、濕地分類系統(tǒng)進行分類，同時根據(jù)野外考察結(jié)果并綜合考慮濕地的水文、生態(tài)及人類活動的影響(閆欣等, 2019; 趙曉東等, 2021)，將星云湖流域景觀類型分為濕地和非濕地2 個一級地類，其中濕地類型包括人工濕地、沼澤濕地、湖泊；非濕地類型包括林地、草地、耕地、建設(shè)用地，通過鑲嵌和裁剪等預(yù)處理及現(xiàn)地核實獲得研究區(qū)的景觀類型數(shù)據(jù)。

1.2.2 景觀格局指標體系構(gòu)建 景觀格局演變定量分析可通過不同景觀指數(shù)來反映。景觀類型動態(tài)度公式為(吳琳娜等, 2017)：

式中：K為一定時間內(nèi)某一景觀類型動態(tài)度；Ua、Ub分別為研究初期和末期某景觀類型的面積(hm2)；T為時間(a)。

基于景觀指數(shù)間的相關(guān)性(布仁倉等, 2017)，結(jié)合研究區(qū)實際景觀特征，主要從類型水平和景觀水平對景觀格局進行分析，反映景觀破碎度、多樣性、聚散度(鄔建國, 2017)。類型水平上選取斑塊密度(PD)、破碎化指數(shù)(DIVISION)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚合度指數(shù)(AI)；景觀水平上選取斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚合度指數(shù)(AI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、連通性指數(shù)(CHOESION)。景觀格局指標體系建立以后，利用Fragstats 4.2 軟件分別進行相關(guān)指數(shù)的計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀類型時空演變特征

2.1.1 景觀類型分布變化特征 通過分析星云湖流域1990—2018 年間景觀類型變化數(shù)據(jù)(圖2)，可得出星云湖流域28 年來景觀類型變化特征如下：

圖2 1990—2018 年星云湖流域景觀類型空間結(jié)構(gòu)變化Fig.2 Spatial structure changes of landscape types in Xingyunhu Lake basin from 1990 to 2018

(1)從濕地景觀類型來看，1990—2018 年間湖泊面積有所減少，從1990 年的3 427.92 hm2減少到2018 年的3 402.36 hm2，減少了0.75%。人工濕地面積減少，從1990 年的451.80 hm2減少到2018年的386.19 hm2，減少了14.52%。沼澤濕地面積大幅增加，從1990 年的36.54 hm2增加到2018 年的258.03 hm2，增加了606.16%(表1)。

(2) 從非濕地景觀類型來看，1990—2018 年 間 面積變化最大的景觀類型是耕地，從1990年 的15 429.96 hm2減少到2018 年的13 470.39 hm2， 減少 了12.70%。 林地面積從1990 年的 16 628.49 hm2增加到2018 年的16 884.81 hm2， 增加 了1.54%。 建 設(shè)用地面積從1990年 的1 788.30 hm2增加到2018 年的3 771.45 hm2， 增 加了110.90%(表1)。

表1 1990—2018 年星云湖流域景觀類型利用面積變化Table 1 Changes in landscape types and utilization area of Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.1.2 景觀類型動態(tài)度特征 (1) 從景觀類型動態(tài)度看(表2)，1990—2018 年間6 個階段綜合景觀類型利用動態(tài)度分別為4.96%、-11.57%、-6.36%、65.13%、114.05%、6.53%，呈先減少后增加再減少趨勢，表明星云湖流域景觀類型利用變化受人類活動的影響更顯著，社會經(jīng)濟發(fā)展對景觀類型利用格局的影響更強烈。

(2) 單一景觀類型動態(tài)度一定程度上體現(xiàn)當前社會經(jīng)濟發(fā)展對星云湖流域不同景觀類型變化的影響?？傮w上，1990—2018 年間沼澤濕地面積動態(tài)度變化最大，增加了21.65%，變化最大的時段是2010—2015 年，增加了115.97%；而湖泊和草地面積動態(tài)度變化最小，湖泊面積動態(tài)度減少了0.03%，草地減少了0.02%(表2)。

表2 1990—2018 年星云湖流域景觀類型利用動態(tài)度變化 %Table 2 Dynamic change of landscape type utilization in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.1.3 景觀類型轉(zhuǎn)變 由表3 可見，1990—2018 年間星云湖流域濕地與非濕地之間轉(zhuǎn)換較為明顯，濕地轉(zhuǎn)換為非濕地的面積達152.26 hm2，主要是人工濕地向耕地轉(zhuǎn)換面積91.44 hm2，分布在星云湖西邊和北邊區(qū)域；非濕地轉(zhuǎn)換為濕地的面積為285.98 hm2，主要是耕地向沼澤濕地轉(zhuǎn)換196.64 hm2，分布在星云湖西邊和南邊區(qū)域。

表3 1990—2018 年星云湖流域各景觀要素面積變化轉(zhuǎn)移矩陣 hm2Table 3 Area change transfer matrix of various landscape elements in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.2 景觀格局變化特征

2.2.1 景觀水平格局變化特征 1990—2018 年間星云湖景觀格局指數(shù)結(jié)果見表4。結(jié)果顯示：(1) 景觀多樣性指數(shù)。SHDI與SHEI均呈增加趨勢，SHPI由1990 年1.195 8 增加到2018 年的1.252 8，SHEI由1990 年0.614 5 增 加 到2018 年 的0.699 2。景觀多樣性指數(shù)增加趨勢漸緩，表明破碎化程度隨其豐富度的增加而增加，各景觀類型多樣性呈現(xiàn)顯著的不均衡趨勢。(2)景觀連通性指數(shù)(COHESION)。COHESION均保持在99%以上，流域各斑塊內(nèi)部非常凝聚。景觀類型間連通性指數(shù)不斷下降，但下降趨勢減緩。(3)聚合度指數(shù)(AI)和蔓延度指數(shù)(CONTAG)。AI總體減少，由1990 年的92.31%下降到2018 年的91.11%，說明破碎化在一定程度上得到改變，凝聚狀況也在不斷減少。CONTAG也呈下降趨勢，從1990 年的61.19%下降到2018 年的55.19%，但減幅不大，表明景觀中優(yōu)勢斑塊類型的連接性下降。(4) 斑塊密度(PD)和破碎化指數(shù)(DIVISION)。PD和DIVISION在1990—2018 年期間升高，說明研究區(qū)景觀斑塊數(shù)上升，景觀整體破碎化加聚。

表4 1990—2018 年星云湖流域景觀水平格局指數(shù)變化Table 4 Changes of landscape horizontal pattern index in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.2.2 類型水平格局變化特征 1990—2018 年間，7 種景觀的斑塊密度(PD)總體變化趨勢不穩(wěn)定，呈破碎化趨勢(圖3a)。湖泊濕地景觀斑塊密度數(shù)據(jù)較小，圖中變化體現(xiàn)不明顯。耕地和建設(shè)用地景觀變化趨勢大，1990—2018年間呈先增加后減小的趨勢，說明建設(shè)用地的破碎化趨勢嚴重。林地、耕地和建設(shè)用地景觀形狀指數(shù)(LSI)明顯大于其他類型，景觀形狀相對復(fù)雜；林地、耕地和建設(shè)用地的LSI持續(xù)增長，景觀形狀趨于復(fù)雜；湖泊濕地和人工濕地的LSI變化趨勢減小，趨于穩(wěn)定，說明景觀形狀趨于規(guī)則；湖泊濕地的LSI在28 年里一直保持最低，是形狀最規(guī)則的景觀類型(圖3b)。湖泊濕地、林地和耕地的最大斑塊指數(shù)(LPI)明顯大于其他類型，其中耕地的LPI大幅減小，表明大面積集中分布的耕地景觀已基本消失(圖3c)。湖泊濕地和林地各年的聚集度指數(shù)(AI)均在90 以上，說明其斑塊連接程度較好，破碎化程度較低 ；耕地和建設(shè)用地的AI值呈增加趨勢，說明其斑塊連接程度較差，破碎化程度較高(圖3d)。

圖3 1990—2018 年星云湖流域濕地類型水平上景觀格局指數(shù)變化Fig.3 Change of landscape pattern index at wetland type level in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

3 討論

(1)景觀格局的變化受到多方面因素直接或間接的影響，人為影響景觀格局的同時，景觀格局也會在演化的過程中影響人類的生產(chǎn)社會活動(陳功勛, 2017)。1990—2018 年間星云湖流域景觀格局變化顯著，總體趨勢為：非濕地景觀中，主要為耕地面積減少，建設(shè)用地面積增加。濕地景觀中，人工濕地和湖泊面積減少，沼澤濕地面積增加。其中建設(shè)用地變化幅度最大且呈持續(xù)增長趨勢；耕地持續(xù)減少，不同時期各土地利用類型的變化幅度存在差異。地方政府對圍墾地采取了退墾還湖、退耕還林等措施，使景觀類型變化以非濕地景觀中的耕地向濕地景觀中的沼澤濕地轉(zhuǎn)移的方式為主。這與楊尊尊等(2017)研究一致，國家政策導(dǎo)向和社會經(jīng)濟發(fā)展使得原有的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化，表明星云湖流域景觀類型受人類活動的影響更顯著，社會經(jīng)濟發(fā)展對景觀類型利用格局的影響更強烈。

(2)星云湖的保護在客觀上限制了社區(qū)群眾的活動空間和傳統(tǒng)的資源利用方式，短期內(nèi)給當?shù)厣鐓^(qū)發(fā)展帶來制約因素，導(dǎo)致近年來城鎮(zhèn)用地的加速擴張并侵占部分生態(tài)用地(白少云等, 2020)。1990—2018 年間，景觀多樣性增加趨勢均減緩，表明破碎化程度隨其豐富度的增加而增加，各景觀類型呈現(xiàn)顯著的不均衡趨勢。研究區(qū)景觀斑塊數(shù)上升，景觀整體破碎化加聚。斑塊數(shù)量越多，斑塊密度越大，意味著景觀破碎度越高(楊苗等, 2020)。星云湖流域內(nèi)農(nóng)村人口分布和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活集中在湖濱周邊，隨著社會的發(fā)展，城市化和道路建設(shè)需擴展，湖泊四周群山環(huán)抱，城鎮(zhèn)居于山湖之間，構(gòu)成典型的“山－城－湖”生態(tài)格局，建設(shè)用地主要是由環(huán)湖兩側(cè)向面山開闊的耕地和喬木林地段擴散，說明人為干擾對景觀格局有很大的影響。這與陳功勛等(2017)的研究一致，人為影響作用于景觀格局的同時，景觀格局的演變也會在演化的過程中影響人類的生產(chǎn)社會活動等。

4 結(jié)論

1990—2018 年間，從濕地景觀類型來看，沼澤濕地面積增加了221.49 hm2，濕地轉(zhuǎn)換為非濕地的面積達152.26 hm2，人工濕地向耕地轉(zhuǎn)換面積達91.44 hm2，反映了星云湖流域濕地生態(tài)受到較大程度破壞。星云湖西邊和北邊等區(qū)域建設(shè)用地的發(fā)展是景觀變化的重要因素，是星云湖流域恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的重點區(qū)域，應(yīng)嚴格控制建設(shè)用地的無節(jié)制擴張。因此，必須重視周邊社區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，規(guī)劃基于保護的社區(qū)經(jīng)濟發(fā)展項目和聯(lián)合參與式保護的社區(qū)共管項目來促進流域的可持續(xù)發(fā)展。