普者黑湖流域景觀格局及生態風險時空演變

聞國靜， 劉云根,2， 王 妍,2， 侯 磊,2， 王艷霞， 郭玉靜

（1.西南林業大學 生態與水土保持學院，云南 昆明650224；2.西南林業大學 農村污水處理研究所，云南 昆明 650224）

普者黑湖流域景觀格局及生態風險時空演變

聞國靜1， 劉云根1,2， 王 妍1,2， 侯 磊1,2， 王艷霞1， 郭玉靜1

（1.西南林業大學 生態與水土保持學院，云南 昆明650224；2.西南林業大學 農村污水處理研究所，云南 昆明 650224）

為探析湖泊流域景觀格局及生態風險時空演變規律，改善流域生態環境以及降低流域生態風險，以普者黑湖流域為研究對象，并以6期（1990年，1995年，2000年，2005年，2010年和2015年）遙感影像為基礎，基于景觀干擾度指數和景觀損失度指數構建景觀生態風險指數，借助ArcGIS地統計學中的分析方法，對普者黑湖流域景觀格局及生態風險時空演變進行分析。結果表明：①1990-2015年普者黑流域景觀結構發生了較大變化，農地和林地的干擾度較高，建筑用地、園地和濕地的干擾度次之，未利用地的干擾度較小，干擾度指數僅為0.208 7～0.218 0，其中農地干擾度波動較小，其變化范圍為0.375 8～0.379 6，建筑用地的干擾度指數波動較大，變化率為-14.10%。②20 a來，普者黑流域不同土地利用景觀損失度變化顯著，其中農地和未利用地損失度較大，依次達到0.542 2和0.551 4，濕地、建筑用地和林地次之，園地損失度最小，損失度指數僅為0.119 7。 ③1990-2015年研究區生態風險空間分布差異較大，1990-2005年較低生態風險所占比例最大，而2005-2015年期間生態風險主要表現為中生態風險等級，生態風險在緩慢增加；流域生態風險時空分布與土地利用強度及人類活動關系密切，加強流域土地綜合治理和人類活動調控，促進流域社會、經濟與生態保護協同作用，實現區域可持續發展。圖3表3參29

景觀生態學；普者黑；湖泊流域；景觀干擾度；景觀損失度；生態風險

景觀生態風險評價是區域生態風險評價的主要內容［1］，它對建立生態風險預警機制，降低生態風險概率，以及促進流域景觀格局優化具有重要意義［2］。目前，生態系統評價主要以區域生態系統為主，主要涉及范圍包括自然因素、 人為干擾及流域等方面［3］， 張月等［4］、 吳莉等［5］和潘竟虎等［6］對區域景觀生態風險的研究表明：海岸帶景觀以低和較低等級生態風險區為主，與傳統的區域生態風險評價相比，景觀生態風險評價不僅關注生態環境整體的風險評價，也注重生態風險對整體景觀格局破碎度、脆弱性以及多樣性的影響。張學斌等［7］、鞏杰等［8］和黃木易等［9］等對流域景觀生態風險進行分析，結果表明：低生態風險向流域上游不斷遷移，高生態風險逐漸向流域下游延伸，生態風險呈現增高趨勢。也有部分學者分別對普者黑湖面積變化及旅游活動對水質的影響進行研究，表明湖泊面積縮減主要受人類活動影響，且旅游開發是造成總磷和總氮超標的主要原因［10］。以上研究結果在研究區域上缺乏對巖溶湖泊流域景觀生態風險的分析并且從研究內容上缺乏對景觀格局干擾指數與生態風險的關系分析及相應管理對策。普者黑湖流域地處滇東南巖溶高原的西北部，屬于喀斯特湖泊濕地生態系統，是生態和環境變化敏感的區域之一，是濕地生態退化敏感區的典型代表［11］。近年來，在當地旅游業發展及生態系統自身脆弱性影響之下，普者黑湖流域景觀格局及生態風險時空發生較大變化，生態環境遭到嚴重破壞，研究和解決普者黑湖流域生態環境問題刻不容緩。筆者以1990-2015年研究區的遙感影像數據為基礎，從景觀格局角度出發，運用景觀格局指數及空間插值法對該流域景觀格局和生態風險時空演變進行分析，從而揭示景觀生態風險時空演變規律，以期為普者黑湖流域開發利用過程提供理論依據和技術參考。

1 研究區概況

普者黑湖流域（24°05′～24°12′N， 103°55′～104°13′E）位于云南省丘北縣境內， 距丘北縣城約為 11 km，流域面積為33.17×103km2，地處珠江源頭和長江、紅河上游，是典型的巖溶地區。該流域的氣候屬于低緯度季風氣候，具有終年溫和濕潤的中亞熱帶氣候特征，多年平均氣溫為16.4℃，極端高溫35.7℃，極端低溫-7.6℃，7月氣溫高，1月氣溫低，多年平均降水量為1 206.8 mm。普者黑湖水質穩定達Ⅲ類標準。研究區特殊的水文地質條件在云貴高原湖泊濕地及西南部滇黔桂喀斯特地貌中都極具代表性，屬于典型的生態敏感區。普者黑作為國家濕地公園（試點），主要景點有湖泊群、孤峰群和溶洞群， “十二五”期間累計接待游客1 041.60萬人次，旅游綜合收入達53.10億元。

2 研究方法

2.1 數據來源及影像處理

本研究以衛星傳感器TM（1990年，1995年，2000年，2005年和2010年）和陸地成像儀OLI（2015年）6期10月中旬遙感影像為數據源，在Erdas 19.0軟件支持下，結合野外地面控制點調查和地形資料，對6期遙感影像進行幾何校正、圖形配準和拼接處理，并根據研究區范圍大小進行裁剪，以Arc GIS 10.2和Fragstas 3.4為數據處理平臺，空間分辨率統一為30 m，所選用的投影為WGS-1984-UTM-Zone-49N。在此基礎上，根據普者黑的土地資源特征和景觀變化差異以及影像數據的特點，基于光譜特征及地物紋理特征等信息，參考GB/T 21010-2007《土地利用現狀分類》對6期影像進行手工分類和解譯，將普者黑湖流域景觀劃分為林地、農地、濕地、建筑用地、園地、未利用地等6種類型。

2.2 景觀生態風險評價方法

2.2.1 風險方格劃分 生態風險指數空間化可以解釋生態風險空間特征及內在形成機制，對探究景觀格局結構特征具有重要意義［11］。本研究基于前人［12］研究經驗及風險方格劃分方法，采用等間距系統采樣法，將研究區按12 km×12 km大小劃分為83個風險方格，一個風險方格代表一個風險小區，以每個風險小區的綜合生態風險指數作為其風險值。

2.2.2 生態風險指數計算 景觀生態風險指數是區域生態安全狀況的一個評價指數，可以反映流域內潛在的綜合生態損失相對大小［7］。本研究以破碎度指數、分離度指數和優勢度指數為自變量，建立生態風險指數計算模型。景觀生態風險指數可以表示為：

式（1）中：IER是生態風險指數，m為景觀組分類型的數量，Aki為k個風險小區i類景觀組分的面積，Ak為第k個風險小區總面積，Li是第i類風險小區的生態損失度，可由下式給出：

式（2）中：Ei為景觀干擾度指數，Fi為景觀脆弱度指數。同時各參數的計算公式及生態學意義如表1。

表1 景觀結構指數計算方法［9-12］Table 1 Calculation methods of landscape pattern indices

2.2.3 景觀風險等級劃分 在流域各生態風險網格單元IER的范圍［8-9］基礎上采用下限排除法，對風險小區的生態風險指數進行自然斷點區間間隔為0.079的等距劃分為5個等級：0.002～＜0.080為低生態風險，0.080～＜0.160為較低生態風險，0.160～＜0.239為中生態風險，0.239～＜0.318為較高生態風險，≥0.318為高生態風險。

2.3 景觀生態風險空間分析

流域生態風險指數作為一種空間變量，可以描述和識別景觀格局的空間結構，對空間局部進行最優化插值?；贏rc GIS地統計學中的空間分析法，采用統計學中半方差方法對景觀生態風險空間進行分析，從而進行理論半變異函數擬合。在此基礎上，利用克里金插值法進行流域生態風險空間分析。具體計算公式：

式（3）中： γ（h）為變異函數；Z（xi）和 Z（xi+h）分別為景觀生態風險指數在空間位置 xi和 xi+h 處的值； N（h）為樣本對數；h為空間距離。

3 結果與分析

3.1 普者黑湖流域景觀干擾演變特征

景觀干擾度表示遭遇干擾時各類型景觀所受到的生態損失程度，由景觀破碎度指數、分離度指數和優勢度指數計算得出。1990-2015年間，普者黑湖流域建筑用地、農地景觀類型面積在不斷增加，林地、濕地和未利用地景觀類型面積在不斷減少，不同土地利用類型的景觀干擾演變特征差異較大，即農地和林地的干擾度較高，最大干擾度指數分別達到0.379 6和0.373 5，其次是園地、建筑用地和濕地最大干擾度指數分別為0.260 1，0.229 1和0.229 0，未利用地干擾度最小，其最大干擾指數僅為0.218 0；在各種土地利用類型變化中，農地干擾度波動較小，變化范圍在0.375 8～0.379 6，建筑用地干擾度指數從0.267 4下降到0.229 7，變化率為-14.10%，波動最大。具體如表2所示。

表2 普者黑湖流域景觀結構指數指數Table 2 Disturbance indices of landscape pattern of Puzhehei river basin

由表2可知：普者黑湖流域景觀干擾度演變特征：農地分離度和優勢度分別從0.937 4和0.373 5上升到0.940 3和0.380 3，破碎度上升，景觀干擾度增加，其作為研究區內的主要景觀類型，且農地面積占研究區總面積的3/5，對景觀格局的變化產生了重要影響；隨著城鎮化進程的推進，建筑用地景觀破碎度、分離度和優勢度均呈現先下降后上升的趨勢。此外，由于受自然、社會和經濟等人為因素的影響，加上建筑用地景觀格局變化的機制相對復雜，破碎度變化最為激烈，變化率達到46.23%，干擾度指數顯著增加；濕地破碎度和分離度在不斷增加，優勢度由0.092 1在緩慢減小到0.083 8，景觀類型在區域上趨于集中分布，作為生態敏感性較強區域，濕地交錯帶的干擾度整體上在增加且達到0.227 2；而林地受人類活動影響較小，分離度范圍僅介于0.883 7～0.888 7，但（林地）其在生態系統中具有重要作用［13-17］，景觀破碎化程度的加劇將會對流域生態系統的過程、功能及其所提供的生態服務功能產生顯著的影響。另外，園地景觀所占面積較少，僅占流域總面積的0.74%，景觀干擾度指數變化不明顯，受干擾性較小。

3.2 景觀損失度分析

景觀生態損失度指數（Li）可以反映土地利用變化對生態環境造成的潛在生態損失和風險，其變化過程對生態環境的干擾和影響將體現在景觀格局結構和功能變化上［18-20］。20 a來，普者黑湖流域不同土地利用景觀損失度變化顯著，農地和未利用地損失度較大，依次達到0.542 2和0.551 4，濕地、建筑用地和林地次之，園地損失度最小，僅為0.119 7，其中建筑用地損失度指數為0.437 5～0.509 4，變化率達到14.11%，變化趨勢顯著（P＜0.05），對生態環境造成的潛在風險較大（圖1）。

由圖1可知：建筑用地和未利用地景觀損失度指數總體呈現減少趨勢，濕地景觀損失度則逐漸增加，當地住房建設逐步集中連片發展使得建筑用地損失度從0.509 4減小到0.437 5，景觀生態風險趨于下降，但由于近年來當地大力發展旅游業導致生態系統受到破壞，濕地和農地景觀損失度分別達到0.551 4和0.512 2，景觀干擾程度增強，且濕地抗干擾性較弱，濕地和農地損失度逐漸增加趨勢需要引起高度關注。景觀損失度演化特點表現為農地作為研究區內所占比例較大的景觀類型，景觀損失度較大，但其變化幅度較小為0.99%，對生態環境造成的潛在風險依然較大。由于森林覆蓋率上升及國家實施退耕還林政策，生態系統得到改善，林地景觀損失度為0.347 6～0.355 7，趨于穩定狀態。2000年以前建筑用地損失度較嚴重，從0.509 4上升到0.521 2，2005年后相應房屋建設措施的制定，景觀損失度逐漸下降到0.437 5。濕地損失度變化與區域社會經濟發展緊密相關，旅游人口的增加會加劇流域生態風險，為了保護濕地生態功能，2009年普者黑湖流域下游修建濕地公園，與1990-2010年這20 a間濕地損失度變化率3.37%相比，2010-2015年濕地損失度變化率大幅度減少，僅為0.11%。整體上，土地利用受到了政策驅動下的強烈人為活動干擾，普者黑湖流域景觀生態潛在風險有所緩解。

圖1 普者黑湖流域景觀損失度指數Figure 1 Loss degree indices of landscape pattern of Puzhehei river basin

3.3 流域生態風險時空演化

根據式（1）計算出1990-2015年普者黑湖流域劃分的各風險小區景觀生態風險指數（IER），如圖2所示：1990年生態風險指數值為0.002 8～0.314 2，1995年生態風險指數值介于0.001 9～0.321 5，2000年生態風險指數值介于0.001 8～0.324 2，2005年生態風險指數值介于0.002 1～0.336 6，2010年生態風險指數值介于0.002 5～0.339 6，2015年生態風險指數值介于0.002 7～0.351 4。從景觀類型來看，農地和林地生態風險最大，園地生態風險最小；從景觀生態風險最小值和最大值來看，2015年較1990年生態風險指數最小值在下降，最大值趨于上升，其中增加幅度較大，從1990年的0.314 2上升為2015年的0.351 4，增長11.84%，顯示出較為明顯的增長趨勢。

圖2 普者黑湖流域各景觀生態風險指數Figure 2 Landscape ecological risk index of the Puzhehei river basin

1990-2015年普者黑湖流域生態風險空間分布差異較大，主要體現在流域湖泊水域及水庫周邊，普者黑湖流域生態風險演變趨勢與當地區域特征和社會經濟發展基本符合［19-21］，流域生態風險時空分布及差異如圖3所示。

圖3 普者黑湖流域生態風險空間分布圖Figure 3 Distribution map of landscape ecological risk level of the Puzhehei river basin

從圖3可以看出：在空間上，研究區生態風險空間分布規律在一定程度上體現了當地土地利用的特點，1990年和1995年流域生態風險主要集中在西南部，其中1990年流域生態風險面積分布較散亂，2005年生態風險有所改善，2010年和2015年流域生態風險差異變化不大。流域生態風險分布可分為3個階段來描述：1990-2000年為第1階段，該階段普者黑湖流域生態風險主要集中在日者鄉和八道哨鄉，這些區域主要以耕地為主，人口較集中，生態風險高；2000-2005年為第2個階段，流域生態風險面積分布較散亂，在此期間經濟發展較領先，人口密度增大，村莊和水域區域生態風險較高，2004年丘北縣實施退耕還林政策，開始大力造林，流域生態風險有所降低；第3階段是2005-2015年，流域生態風險差異變化不大，2008年丘北縣實施退塘還湖、退房還湖以及退村還湖工程，湖泊流域生態風險得到緩減，2009年在普者黑湖流域下游濕地公園的修建，游客大量增加，該區域生態風險較高。

如表2所示：從時間變化上來看，1990-2000年普者黑湖流域主要表現為較低生態風險等級，所占面積比例為32.13%～43.99%，低生態風險面積由3 436.41 hm2減少到2 362.57 hm2，高生態風險面積由3 066.63 hm2增加到3 286.32 hm2；2000-2005年流域生態風險逐漸改善，高生態風險面積比例從9.91%急劇下降到0.95%，低生態風險面積比例由7.12%上升到15.29%，該時間段以較低生態風險等級為主；2005-2015年生態風險等級發生了較大變化，高生態風險面積和低生態風險面積分別增加了1 542.04 hm2和1 691.45 hm2，流域生態風險等級主要處于中生態風險等級。

表3 普者黑湖流域生態風險等級面積統計Table 3 The areas of ecological risk grade of the Puzhehei river basin

4 結論與討論

本研究通過對普者黑湖流域景觀格局及生態風險時空演變規律進行分析，結果表明：研究區的景觀干擾度指數發生了較大變化，農地和林地的干擾度較高，分別達到0.379 6和0.373 5，其次是建筑用地、園地和濕地干擾度，未利用地干擾度最小，干擾度指數僅為0.218 0，建筑用地干擾度指數波動較大，變化率達到-14.10%。此外，受到政策驅動下的人為活動干擾，建筑用地和濕地損失度有所改善，但由于研究區具有較大的景觀干擾和損失，對生態環境造成較大的潛在風險，其中農地和未利用地損失度較大，依次達到0.542 2和0.551 4；1990-2015年普者黑湖流域景觀生態風險等級由較低生態風險轉化為中生態風險，生態風險在緩慢增加，高生態風險和較高生態風險區分別在日者鄉和八道哨鎮往水域周圍擴散，主要分布在流域下游的國家濕地公園區域，流域較低生態風險區面積由32.13%下降到18.58%，中生態風險區面積從33.71%上升到35.07%。

1990-2015年普者黑湖流域景觀生態風險的時空分布呈現出以下趨勢：高生態風險和較高生態風險區空間差異較大，由西北、西南部向東北部延伸，且主要分布在人口集中及生態脆弱性較高的地區，湖泊水周圍及水庫周邊是高生態風險和較高生態風險的主要受體；而大多數林地及部分農地等景觀類型主要屬于低生態風險區或較低生態風險區。隨著普者黑國家濕地公園的修建，旅游業帶動當地社會經濟顯著增加［22-28］。相關研究表明普者黑湖流域中的湖泊面積減少收到人類活動干擾，且與當地國內生產總值和農地生產總值增長呈現顯著負相關［29］，而發展旅游業帶來社會經濟增長的同時，對各景觀類型產生了強烈干擾，其次湖泊和濕地生態系統功能退化，外加巖溶地貌屬于生態敏感區，加劇了流域景觀生態風險惡化的趨勢。

5 建議

基于普者黑湖流域景觀生態風險空間分布特征，針對不同風險等級的區域具體實施相應的對策措施如下：①高風險區和較高風險區的管理對策。高風險和較高風險區主要分布在流域的西南部，以及人口較集中的鄉鎮和旅游區，這些區域主要以耕地為主，人口較集中，生態脆弱性高。該類區域應采取的措施是合理規劃土地利用，禁止大規模、無序地開墾土地，有效控制人類活動，應嚴格依照國家自然保護區條例，不在核心區和緩沖區內修建房屋及開展旅游活動，同時可對旅游人口集中的地方采取游客分流，制定生態重建標準，提高生態系統調控能力。②中風險區的管理對策。中風險區主要分布在較高風險區的外圍及林地和水庫景觀類型中，人類活動的干擾相對較弱。為了降低未來生態風險及其危害，在該區域內應本著因地制宜，合理規劃和建設生產活動，實施退耕還林，加強生態環境治理；此外，對于位于流域中部的低風險區和較低風險區，由于處于平地與山地的交界處，這一區域人類活動較少，林地面積較廣，植被覆蓋度較高，但這些區域一旦遭到破壞，其恢復難度較大。植被破壞會引發滑坡泥石流等自然災害，加之該區域的地勢陡峭特點，開墾耕地及發展旅游業存在一定難度。需要針對研究區的特點因地制宜采取相應措施。因此，應加強該區域的保護力度，合理配置土地資源使用，促進多種經濟經營發展，既考慮增加農民收入又要考慮生態環境保護，同時還要兼顧生態風險等級的降低和危害。

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Temporal and spatial evolution of landscape patterns and ecological risk in the Puzhehei Lake basin

WEN Guojing1,LIU Yungen1,2,WANG Yan1,2,HOU Lei1,2,WANG Yanxia1,GUO Yujing1
（1.College of Ecology and Soil＆ Water Conservation,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China;2.Research Institute of Rural Sewage Treatment,Southwest Forestry University,Kunming 650224,Yunnan,China）

To analyze temporal and spatial evolution for ecological risk and landscape patterns in a lake basin so as to further improve the ecological environment,Puzhehei Lake basin in Yunnan Province was studied over（1990,1995,2000,2005,2010,and 2015）.Analysis included using the spatial analysis function of ArcGIS based on the landscape disturbance index and the landscape loss index to constructed a landscape ecological risk index.Results showed that: （1） For landscape patterns from 1990 to 2015,the degree of disturbance for agricultural land and woodlands was the most intense,while that of building land,gardens,and wetlands was slightly weaker,and that of unused land was the weakest with the interference degree index ranged from 0.208 7 to 0.218 0.In addition,the variation range of disturbance index for agricultural land was quite narrow（from 0.375 8 to 0.379 6）,whereas that for construction land fluctuated largely with a changing rate of-14.10%.（2） For twenty years （from 2005 to 2015）,the degree of landscape loss for different land-use varied markedly.The index of landscape loss for farmland and unused land was the largest with the values of 0.542 2 and 0.551 4,respectively,whereas that for wetland,construction land,and forest land take the second place,and that for garden land was the smallest （0.119 7）. （3） From 1990 to 2015,the spatial distribution of ecological risk changed largely,and it showed a low level of ecological risk between 1990 and 2005 whereas a middle level from 2005 to 2015.In addition,the ecological risk was slowly increasing in the range of research period.The spatial and temporal distribution of ecological risk was closely related to the intensity of land use and human activities;therefore,regional sustainable development could be realized by strengthening the integrated management of land and human activities and by promoting a synergistic effect among social,economic,and ecological protection activities. ［Ch,3 fig.3 tab.29 ref.］

landscape ecology;Puzhehei;lake basin;landscape disturbance;landscape loss;ecological risk

S718.5；X171

A

2095-0756（2017）06-1095-09

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.06.018

2016-11-29；

2017-02-28

國家自然科學基金資助項目（31560237，31760245，31660139）

聞國靜，從事濕地生態修復研究。E-mail：wenguojing920@126.com。通信作者：王妍，副教授，博士，從事生態修復及景觀生態研究。E-mail：wycaf@126.com