杞麓湖流域景觀時空格局演變及其對景觀生態風險的影響

王 濤, 肖彩霞, 劉 嬌, 祿 鑫

(1.貴州林業勘察設計有限公司, 貴陽 550003; 2.西南林業大學, 昆明 650224; 3.貴州省林業調查規劃院, 貴陽 550003)

高原湖泊不僅是云南生境中具有舉足輕重的生態系統，而且是促進云南國民經濟、社會發展，實現富民興滇不可缺少的重要資源。高原湖泊所集成的湖泊流域是以湖泊為主題集自然、地理環境為一體的復雜綜合生態系統[1]，在人類活動與自然因素的強烈擾動疊加下，湖泊流域的生態壓力和風險日益增加[2-3]。目前，各國對環境管理的目標和環境觀念已發生轉變，景觀格局對生態環境的影響開始受到相關管理部門的關注，景觀生態風險評價正逐漸成為地理學、生態學等學科的研究熱點[4-6]。景觀生態風險評價區別于常規生態風險評價方法，依托景觀生態學的生態過程與空間格局耦合關聯視角，更加關注生態風險的時空異質性和尺度效應可能產生的不良結果，是生態風險評價在區域尺度上的重要分支領域[7]。目前，國內對流域景觀生態風險的研究主要集中在人口較為稀疏的干旱區和人口集中的長江流域中下游，對高原湖泊所集成的小流域景觀生態風險的研究目前還比較缺乏[8-10]。王濤等[11]以洱海流域土地利用變化為研究背景，對其景觀生態風險的時空演化規律和機制進行了探討，其結果表明洱海流域的生態正趨于惡化；聞國靜等[12]對普者黑流域景觀格局及生態風險時空演變進行了分析，其結果認為流域生態風險時空分布與土地利用強度及人類活動有著密切關系。這些研究為云南省高原湖泊生態環境評價的研究開辟了新的視角，對區域生態環境質量改善和區域發展具有指導意義。

杞麓湖流域匯集了通海縣90%以上的人口，是全縣人口最密集，經濟最發達，物產最豐富的地區。近些年來，受我國云南省持續干旱的影響，杞麓湖流域正面臨湖泊萎縮、河流干涸、流域資源受損、生態系統退化等諸多問題。隨著流域社會、經濟的持續發展，流域將進一步承受經濟規模和土地利用擴張造成的生態壓力和風險[13]。開展基于時序遙感數據的湖泊景觀時空格局演變研究，探討空間景觀格局劇烈變化背景下景觀生態風險的時空變化規律，有助于深入分析杞麓湖湖泊動態演變的規律和原因，對維護杞麓湖流域生態安全、科學評價杞麓湖流域土地利用狀況、以及合理調配土地利用格局以應對景觀生態脅迫具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

杞麓湖流域位于云南省中部玉溪市，地理坐標為24°4′27″—24°14′47″N，102°33′38″—102°52′35″E。流域內共涉及通海縣1個縣及7個鄉鎮，流域面積共37 445.85 hm2，屬于典型的高原湖泊小流域類型。流域為一向南突出的新月型斷拗盆地、地勢四周高、中間低，高山、平原和湖泊依次分布是杞麓湖流域最典型的地貌特征。流域入湖河流主要為紅旗河、姚春溝河及大新河3條，無明顯出湖河道，泄水的唯一通道為湖水下的天然溶洞，是一個封閉型高原湖泊。流域每年5—10月為雨季，10月下旬—翌年5月初為旱季，屬中亞熱帶濕潤高原涼冬季風氣候，是通海縣經濟社會發展的主體，省城通往滇南的交通要道。

1.2 數據獲取與分類

選用1985年、2000年和2015年共3個時期成像于1或2月份的杞麓湖流域Landsat遙感影像數據(分辨率為30 m)。首先利用ENVI 5.3軟件對影像進行圖像融合、拼接、裁剪和圖像增強等處理。參照杞麓湖流域土地利用地理信息數據以及通海縣第3次森林資源2類調查空間矢量數據庫，結合本研究的實際需求，將杞麓湖流域劃分為耕地、林地、建設用地、水體、灘涂濕地和未利用地(含跡地、宜林地和荒草地)6個景觀類型。采用目視解譯的方法對波段組合RGB為4，3，2的影像數據進行人工區劃判讀，最終形成1985年、2000年、2015年3個時期的流域景觀類型矢量數據庫。解譯結果利用校正過后的高清谷歌衛星地圖以及研究區第3次森林資源2類調查成果進行精度驗證，最終水體的總體精度達97%以上，其他各景觀類型的精度均在90%以上，解譯精度滿足研究需要。

1.3 生態風險樣區劃分

為了采集流域生態風險，根據研究區解譯斑塊的個數和平均斑塊面積，并結合研究區實際特征，利用ArcGIS 10.1生成杞麓湖流域漁網圖層，共生成219個大小為1.5 km×1.5 km的方形單元格，以此作為生態風險采集的樣本。利用景觀生態風險評價模型依次計算每一評價單元樣區的生態風險指數，并把該生態風險值賦予為樣地中心點的值，作為空間插值分析的樣本。研究區流域地理位置及生態風險樣區劃分如圖1所示。

1.4 景觀生態風險評價

(1)

式中：ERk為第k采樣區的景觀生態風險指數；LLi為景觀生態損失度指數；Aki為采樣區面積；Ak為第k采樣區的面積；m為景觀類型。

LLi=10Ui·Si

(2)

式中：Ui為景觀干擾度指數；Si為敏感度指數[15]，按敏感性高低對各景觀類型的Si進行賦值，水體為6，灘涂濕地為5，林地為4，耕地為3，未利用地為2，建設用地為1[16]。歸一化后得到各景觀類型的敏感度指數。景觀干擾度的計算公式及各參數的意義見表1。

圖1 研究區生態風險樣區網格化采樣

表1 景觀指數計算方法[17]

2 結果與分析

2.1 景觀類型變化及相互轉化分析

研究區景觀類型目視解譯結果如圖2所示。結果表明，研究區以耕地、林地和水體為主，其中耕地主要分布于湖盆平原，北部山區和東南部山區有零星分布，林地主要分布于西南和北部山區，水體主要為杞麓湖，另有較多的坑塘和水庫分布于流域四周，建設用地間插于耕地之中，濕地繞杞麓湖分布，而未利用地則散布在流域各個部分。在各個研究階段，杞麓湖在形狀和水面大小上存在明顯變化，表現為形狀趨于平滑簡單，水面顯著減小，僅為1985年的56.05%。分別對3期數據進行地類面積和數理統計可知，1985—2015年建設用地和濕地處于漲勢，耕地、林地和水體逐漸萎縮，未利用地面積變化最小，較1985年少了5.05%。

為了描述流域景觀類型間的轉入、轉出關系，生成1985—2000年、2000—2015年和1985—2015年3個時段景觀類型轉移矩陣，并按照各景觀類型轉入與轉出的面積與同時段流域所有景觀類型轉入、轉出總面積的百分比繪制各時期景觀類型轉移面積百分比柱狀圖(圖3)。其中，面積轉化比率大于0表示該景觀由其他景觀轉入，面積轉化率小于0表示該景觀轉為其他景觀。

1985—2000年，共有2 537.62 hm2的土地發生相互轉換，其中，轉入的面積以建設用地和耕地為主，分別占總的轉入面積的45.12%，30.70%，轉出的面積主要為耕地和林地，分別占轉出面積的51.70%，10.54%。研究區內，耕地和林地首先成為建設用地拓展的對象，耕地在被建設用地侵占時，又以侵占林地作為補充，但整體上，耕地轉出的面積大于耕地轉入的面積。

圖2 杞麓湖流域不同時期土地利用解譯結果

圖3 杞麓湖流域景觀類型轉移面積百分比

2000—2015年，共有2 577.4 hm2的土地發生相互轉換，較前15 a，各景觀類型間相互轉化的速率有所提升，其中，轉入的面積以濕地和建設用地為主，分別占總的轉入面積的55.72%，16.80%，轉出的面積以水體和耕地為主，分別占轉出面積的56.68%，19.64%。這主要是由于杞麓湖受云南省連續干旱的影響，湖面大面積縮減而轉化為了湖濱灘涂濕地，建設用地持續侵占其他地類繼續擴張。

1985—2015年，轉入的面積建設用地>濕地>耕地>林地>未利用地>水體，而轉出的面積耕地>水體>林地>未利用地>濕地>建設用地。整個過程中，建設用地和濕地主要表現為單向的轉入變化，水體則以單向的轉出變化為主，耕地、林地和未利用地表現為轉入和轉出均比較明顯的雙向轉化特征。

2.2 景觀指數變化分析

利用景觀格局指數計算公式(表1)，得出研究區近30 a土地利用景觀格局變化情況(表2)。景觀優勢度指數用于描述景觀中少數幾個主要的景觀類型的控制作用，可以反映景觀類型對整個景觀的主導程度[18]。研究表明，流域中林地和耕地的優勢度明顯較其他景觀類型高，在整個景觀中具有顯著的主導地位，1985—2015年，兩種景觀類型的優勢度小幅度減小，控制能力有所減弱。對于其他主導作用較弱的景觀類型，建設用地景觀優勢度呈不斷增加的趨勢，濕地和未利用地景觀優勢度波動變化，水體的景觀優勢度持續減小。

景觀破碎度指數多用于描述自然或人為的干擾對景觀拼塊的分割尺度，可反映出景觀格局的復雜程度[19]。分析表明，杞麓湖流域各時期景觀類型的破碎度介于0.001 3～0.057 2，景觀破碎度<0.1，景觀破碎程度整體偏低。其中，建設用地景觀破碎度變化不大，林地和耕地景觀破碎度先增加再減小，濕地景觀破碎度持續減小，水體和未利用地景觀破碎度顯著增加。

景觀分離度指數表征的是相同景觀類型不同拼塊間的離散分離程度[20]，流域中建設用地的分離度最低，僅為0.000 7～0.001 1，濕地的分離度最高，達12.450 3～15.481 1，流域內建設用地集中分布于流域湖盆的平原之中，隨著社會發展及城鎮化步伐的加快，建設用地的斑塊逐漸聯結，形成相互連通的大斑塊，表現為建設用地分離度降低。

干擾度指數表示的是景觀抵抗外界干擾的能力和自我恢復的能力，景觀所受的干擾度越大，則景觀的敏感性越強[21]。通過模型計算可得，流域中不同景觀類型干擾度特征差異較大，濕地干擾度最大，最大值為4.657，未利用地和水體的干擾度次之，最大值分別為2.814 8，2.341 5。林地、耕地和建設用地抵抗外界的能力相對較強，干擾度指數較低，最大值依次為0.574 4，0.457，0.078 2。

2.3 景觀生態風險的空間分異及其格局變化

2.3.1 采樣小區生態風險時序變化 根據公式(1)計算得到219個生態風險采樣小區的生態風險值，以生態風險采樣小區的編號為橫坐標，各生態風險采樣小區的生態風險值作為縱坐標，作生態風險分布散點圖，結果如圖4所示。研究表明，在1985年，杞麓湖流域的生態風險介于0.260 6～1.947 0，均值為0.957 8；2000年的生態風險介于0.371 3～1.998 6，均值為0.964 3，2015年生態風險指數值介于0.207 5～1.996 9，均值為1.013 9。3個時期，樣區景觀生態風險值介于0.5～1.0的個數依次為159，148，133個，生態風險大于1.0的采樣小區個數遞增，分別為58，62，76個。流域景觀生態趨于惡化。

表2 杞麓湖流域1985年、2000年、2015年景觀格局指數

2.3.2 時空演變特征 用生態風險采樣小區的中心點來代表該風險小區的生態風險值，采用Kriging插值法得到杞麓湖流域生態風險插值結果，隨后用NaturalBreaks斷點法對其進行重分類，共劃分為5個生態風險等級，分別為低(生態風險≤0.807 3)、較低(0.807 3<生態風險≤0.882 9)、中(0.882 9<生態風險≤1.429 6)、較高(1.429 6<生態風險≤1.689 5)、高(生態風險>1.689 5)，結果如圖5所示。

圖4 生態風險采樣小區計算結果

圖5 杞麓湖流域生態風險空間分布

研究表明，杞麓湖流域生態風險空間分布一定程度上體現了流域景觀結構的分布規律，具有明顯的區位性和異質性特征。低生態風險主要分布在流域湖盆的平原上，該區域為景觀優勢明顯的連片耕地和集中的城鎮住宅，多年來已經形成較為穩定的景觀結構，景觀破碎度和敏感度較低，1985—2015年，受其他風險等級的脅迫，低生態風險以城鎮為中心逐漸萎縮；較低生態風險主要分布在湖盆外邊緣以及環杞麓湖一帶，這些區域景觀結構較為完善，但也是毀林開墾、城鎮拓展等行為的主要發生區域，存在一定的潛在風險。1985—2015年，較低生態風險的分布有向平原蔓延的趨勢；中生態風險主要分布于流域四周的山區地帶，該區域海拔相對較高，有較多的破碎化林地和坑塘鑲嵌其中，這些景觀的自身的穩定性較差，生態系統相對脆弱；較高生態風險分布最為零散，主要分布在環杞麓湖周圍、納古鎮的北部和楊廣鎮的東南部，這些區域地勢較低，景觀類型以濕地和未利用地為主，人類干擾強度較大。1985—2015年，流域西部較高生態風險明顯增多，今后應重點防范；高生態風險區域主要位于杞麓湖，由于水域生態系統十分脆弱，尤其是近年來，杞麓湖的結構性污染較為突出[17]，水質逐步變差，已成為中度富營養型湖泊，其潛在的景觀生態風險程度最高。

由圖6可知，杞麓湖流域較低生態風險為主，低生態風險和高生態風險次之。流域的生態總體向更高等級生態風險轉化。主要表現為：低生態風險面積所占比率減少，其所占比率由22.51%減少到21.75%，面積共減少了286.2 hm2；低生態風險和中生態風險主要轉化為較低生態風險，表現為較低生態風險面積比率顯著增加，由26.75%增加至35.09%，面積累計增加3 124.2 hm2；中生態風險面積比率由25.73%降低到23.82%；較高生態風險向更高等級的高生態風險轉化，表現為較高生態風險面積持續減少，其所占比率由1985年的15.39%降低至2015年的8.53%；高生態風險面積所占比率由1985年的9.6%增加至2015年的10.81%，面積總共增加了450 hm2。從各個等級的生態風險轉化趨勢可以得出，今后應重點關注湖盆平原及環杞麓湖周圍濕地的治理，避免高破碎化的發生而使低和較高生態風險向更高等級風險轉化。

圖6 1985年、2000年、2015年各級生態風險面積所占比率

3 結 論

(1) 流域景觀結構類型相互轉化過程頻繁且復雜。1985—2000年，共有2 537.62 hm2的土地發生相互轉換，其中，轉入的面積以建設用地和耕地為主，轉出的面積主要為耕地和林地，2000—2015年，共有2 577.4 hm2的土地發生相互轉換，轉入的面積以濕地和建設用地為主，轉出的面積以水體和耕地為主。對于整個過程而言，建設用地、濕地和水體表現為單向轉化，而耕地、林地和未利用地為雙向轉化。

(2) 在整個景觀中林地和耕地具有顯著的主導地，景觀優勢度明顯。流域景觀破碎度<0.1，景觀破碎化程度較低，其中建設用地的景觀破碎度最高，隨著流域不斷向城鎮化邁進，其分離度逐漸降低。流域中不同景觀類型干擾度特征差異較大，濕地干擾度最大，未利用地和水體的干擾度次之，而林地、耕地和建設干擾度指數相對較低。

(3) 生態風險采樣計算結果表明，1985—2015年，流域生態風險均值分別為0.957 8，0.964 3，1.013 9，多數樣區的生態風險值介于0.5～1.0，隨著時間的演進，生態風險值大于1.0的樣區個數逐漸增加，流域生態壓力增大。

(4) 研究發現，流域以較低生態風險為主，低生態風險和較高生態風險有向更高等級的生態風險轉化的趨勢，今后應重點防范。流域景觀生態風險表現出明顯的區域性和異質性，在一定程度上表達了流域的景觀結構特征。生態風險的等級分布規律與景觀破碎程度和景觀敏感性有密切關系，低生態風險主要分布在流域湖盆的平原上，高生態風險僅分布于杞麓湖一帶，較高生態風險分布最為零散，較低和中生態風險主要繞湖盆和湖泊分布。