2005-2018年瀾滄江下游流域景觀生態安全時空變化及其驅動因素

和春蘭,普軍偉,沈金祥

(1.云南國土資源職業學院,云南 昆明 652501;2.云南大學 地球科學學院,云南 昆明 650500)

生態系統為人類的生存與發展提供了必不可少的物質資源，景觀則是由不同生態系統組成的地表綜合體。生態安全是生態系統健康和完整狀況的表征[1]。近半個世紀以來，隨著人口持續增長、城市快速擴張，人類活動已造成了全球與區域的植被減少、土地退化、氣候變暖、生產力減弱、生物多樣性下降等問題，嚴重威脅著生態系統的健康發展[2]，生態安全難以有效保障。景觀生態安全，是指一定時空范圍內，由不同景觀類型空間鑲嵌而成的地表綜合體，在維持自身健康的前提下，提供生態服務功能的穩定性和可持續性[3]。景觀生態安全是生態安全概念在尺度上的進一步細化，強調不同景觀類型的空間鑲嵌格局和鄰接關系，是從景觀質量、數量和空間角度對生態安全評價的綜合。景觀生態結構和功能的演變是影響生態安全的關鍵[4-5]，是生態學、地球科學及相關領域研究的基本前提。因此，在社會經濟發展影響生態系統健康的背景下，景觀生態安全時空變化研究為了解區域生態系統健康狀態提供了重要的基礎信息[6]，成為促進景觀生態結構穩定與加強生態服務功能的直接有效途徑[7]。目前景觀生態安全已經受到學者們的重視，分別在城市群[8-9]、海岸帶[10-11]、水系流域[12-13]、高原山區[14-15]及其他重要區域[16-17]開展了相關研究，奠定了較好的理論基礎。在方法上，目前研究多采用各類景觀指數評價區域的景觀生態安全，其中以景觀格局的干擾度和脆弱度分析為主[6,16]。這些研究強調了景觀生態安全的穩定性，但往往忽視了景觀所發揮的生態服務功能[18-19]。并且當前研究大多分析土地利用變化情況下景觀生態安全的響應[20]，而忽視了其他因素對景觀生態安全的影響狀況，不能較好地識別區域景觀生態安全變化的驅動機制。同時，流域是生態安全研究的一個重要尺度，流域內景觀生態安全具有明顯的地域特征和空間外溢性[18]。尤其瀾滄江作為國際河流，其生態安全對流經國家的生態系統管理、資源環境保護至關重要。瀾滄江下游流域地處云貴高原西南部，生物多樣性豐富，但高原山區生態環境脆弱，一旦遭到破壞就難以恢復。隨著中國西部開發戰略的實施，區域發展與環境保護的矛盾日益突出。目前各級政府部門已經認識到生態系統的重要性，提出“生態文明”理念并大力加強生態保護；同時云南省是中國構建西南生態安全屏障的重要省份，其中瀾滄江下游流域又處于西南邊境，更是這一屏障的先決戰略地點[21]。但當前關于瀾滄江流域景觀生態安全的研究較少，以往研究的時間尺度仍停留在上個世紀，難以對今后的生態系統健康發展提供支持；并且流域尺度下景觀生態安全的影響機制研究鮮有見到，難以支持河流流域生態系統和景觀格局的科學管理。因此，本文進行瀾滄江下游流域的景觀生態安全時空變化及驅動因素分析，旨在有效解決這一問題，為該區及其他流經國家的人與自然協調可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

瀾滄江下游流域位于中國西南地區(21°11′—26°47′N，99°42′—101°50′E)，面積為73 221.30 km2，占瀾滄江流域總面積的43.74%；涉及18個縣市，占云南省國土總面積的18.77%(見圖1)。區域為典型的高山峽谷到低山盆地過渡區，地勢由北向南逐漸下降；受西風帶環流控制，氣候類型多樣，大部分地區的年降雨量在1 000 mm以上，且季節分配不均，5—10月份雨量集中。同時，該區也是云南少數民族分布最有代表性的地區，有傣族、白族、彝族、哈尼族等18個少數民族沿河谷聚居，產業結構以農業為主，經濟發展相對落后。

圖1 瀾滄江下游流域位置

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

本研究共收集了瀾滄江下游流域2005，2010，2015和2018年4期遙感影像(分辨率30 m)，其中2005年，2010年采用Landsat 5-TM衛星影像，2015年，2018年采用Landsat8-OLI衛星影像，數據均來源于中科院地理空間數據云網站(http:∥www.gscloud.cn/)。為保障數據質量，盡量下載使用云量在5%以內、拍攝時間在雨季(5—7月)的影像，并運用ENVI5.1軟件對篩選好的影像進行多波段合成、大氣校正、幾何校正以及圖像鑲嵌、裁剪、增強等數據處理。根據土地利用現狀分類標準(GB/T21010-2017)，結合研究區特點與研究目的，將研究區的景觀劃分為林地、草地、耕地、水域、建設用地和裸地6種類型。在實地考察的基礎上，參考Google Earth軟件建立解譯標志，采用監督分類及人工目視解譯相結合的方法分別對4期遙感影像進行解譯。經野外實地驗證、高空間分辨率Google影像以及局部高比例尺景觀現狀分類圖檢驗，采用誤差矩陣法對分類結果進行精度評價，4期遙感影像的總體分類精度(overall accuracy)在90%以上，結果可靠，滿足本研究的分析要求[22-23]。從政府部門收集了瀾滄江下游流域的城市行政中心、主要道路和水系數據，通過ArcGIS 10.5軟件中歐氏距離分析工具計算得到研究區距城市距離、距道路距離、距河流距離空間數據；區域數字高程模型DEM(分辨率30 m)數據由中科院地理空間數據云網站下載，通過鑲嵌、裁剪等處理后得到研究區范圍的高程數據，并通過ArcGIS 10.5軟件空間分析功能計算得到坡度數據；基于全球氣象數據網站(https:∥en.tutiempo.net/climate)，收集了流域及附近區域的21個氣象站2005，2010，2015和2018年降水和氣溫數據，通過ArcGIS 10.5軟件的Kriging插值功能計算得到整個流域降水和氣溫的空間分布數據。所有數據處理后統一到30 m×30 m柵格尺度，根據瀾滄江下游流域2005，2010，2015和2018年景觀分類數據，研究運用Fragstats 4.2軟件提取各景觀類型的景觀指數；按照景觀生態安全評價模型，運用ArcGIS 10.5軟件進行景觀生態安全度的疊加計算分析；由于整個流域數據量較大，因此通過采樣得到3 000 m×3 000 m網格的景觀生態安全度和驅動因素空間數據，并使用GeoDa 1.14軟件計算雙變量空間自相關的Moran’sI指數，進行驅動因素分析。

2.2 景觀生態安全評價模型構建

借鑒前人的研究成果[18-20]，選用景觀生態安全結構指數和功能指數構建景觀生態安全度指標，對景觀生態安全進行綜合性評價。

2.2.1 景觀生態安全結構指數 景觀生態安全結構指數通過景觀干擾度與景觀脆弱度來表示。景觀干擾度指景觀所受到自然和人類活動的影響程度，與景觀破碎度、分離度、優勢度有關；景觀脆弱度指景觀受外界干擾時的敏感程度，值越大說明抗干擾能力越弱。景觀生態安全結構指數公式為：

EIi=1-10×Ui·Vi

(1)

Vi=aFi·bSi·cDi

(2)

Ci=NPi/CAi

(3)

(4)

Di=(NPi/TN+CAi/TA+mi/M)

(5)

式中：EIi為第i類景觀類型的結構安全指數；Ui為景觀干擾度；Vi為景觀脆弱度；Fi，Si，Di分別為第i類景觀的破碎度、分離度、優勢度(計算Ui時需要對這3個景觀指數進行標準化)，其中Di通過某景觀類型在景觀中出現的頻率、密度、蓋度表示；NPi為第i類景觀的斑塊數；CAi為第i類景觀的面積；TN為斑塊總數目；mi為第i類景觀類型在樣本中出現的斑塊數目；TA為景觀總面積；M為樣本景觀斑塊總數目；a，b，c為破碎度、分離度、優勢度的權重，根據前人研究[19,24]將其賦值為a=0.5；b=0.3；c=0.2；Vi根據前人研究成果及瀾滄江流域實際情況，對各類景觀類型的脆弱度指數進行賦值(表1)。

2.2.2 景觀生態安全功能指數 研究區2005—2018年來景觀類型相互轉變，不但導致景觀結構發生變化，景觀功能也相應變化。景觀功能是指景觀作為一個復雜的生態系統，其與周圍環境、信息和能量之間存在相互作用，使得景觀內部物質流、物種流和能量流發生各種復雜變化[25]。生態系統服務是對生態系統功能的定量表達[26]，指生態系統直接或間接為人類生存與發展提供服務的能力，因此將單位面積生態服務價值當量作為各景觀類型的生態安全功能指數。參考前人研究結果[27-29]，結合區域實際情況，構建瀾滄江下游各景觀類型的生態安全功能指數(表1)。

2.2.3 景觀生態安全度綜合模型 景觀是一個具有特定結構與功能的整體系統[3]。將景觀生態安全結構指數與景觀生態安全功能指數的幾何平均值作為景觀類型生態安全值，再進行空間化得到每個柵格單元的景觀生態安全度。計算公式為：

(6)

(7)

式中：LESi為第i類景觀的生態安全度；LESn為第n柵格單元的景觀生態安全度；Ani為第i類景觀在第n柵格單元內所占的面積；An為第n柵格單元的總面積；m為第n柵格單元中景觀類型總數目。SIi為景觀生態安全結構指數；EVi為景觀生態安全功能指數。

2.3 時空變化驅動分析方法

景觀生態安全具有一定的空間特征，因此采用雙變量空間自相關分析刻畫多個變量之間的相關特征，識別地形、氣象等各因素對景觀生態安全時空變化的驅動作用。計算公式為：

(8)

3 結果與分析

3.1 景觀生態安全時空變化特征

通過ArcGIS 10.5和Fragstats 4.2軟件計算，得到2005，2010，2015和2018年瀾滄江下游的景觀生態安全指數及景觀生態安全度(見表1，圖2)，進行空間化后得到每個柵格單元的景觀生態安全度(見圖3)。同時，為進一步表示研究區的景觀生態安全時空變化特征，依據四期評價結果的自然斷點分類值，整合分類后將景觀生態安全度劃為5個等級(見表2)。在時序上，流域4個時期的整體生態安全度分別為3.341，3.448，4.019和3.900，呈先增后減的變化趨勢，但總體上有所提升(圖2)。其中，2005—2018年期間，林地的生態安全度先減后增，草地的生態安全度先增后減，耕地和水域的生態安全度一直上升，而建設用地和裸地的生態安全度持續下降(表1)。從景觀類型上看，4期生態安全度都呈現同樣的比較關系：水域>林地>草地>耕地>建設用地>裸地，與各景觀類型的生態安全功能指數大小排序相同。說明各景觀類型間功能指數差距顯著，是影響景觀生態安全度的重要指數，景觀類型的生態系統服務功能是決定區域景觀生態安全的重要因素。相對而言，景觀類型的功能指數沒有考慮時間變化，因此需要從結構指數變化方面進一步分析研究區各景觀類型的生態安全時間變化特征。瀾滄江下游地區的景觀生態安全結構指數在4個時期有所差別，2005和2010年表現為：建設用地>林地>水域>草地>裸地>耕地，2015年時表現為：林地>建設用地>水域>草地>耕地>裸地，2018年變為：林地>水域>建設用地>草地>耕地>裸地(見表1)。13 a間，建設用地的結構指數逐年降低，主要由于瀾滄江下游地區社會經濟發展、人類活動增強，建設用地面積不斷增加，使得景觀破碎度和分離度顯著上升，景觀干擾度提高，導致建設用地景觀生態安全的結構穩定性下降；林地的結構指數先減小，主要由于2010年前后云南省遭受連年旱災，林地面積減少，景觀分離度增加所導致，而旱災過后，在生態保護等政策支持下，林地面積增加，景觀破碎度和分離度明顯降低，優勢度整體增強，結構指數又不斷增大；水域的結構指數一直較高，且不斷增加，說明流域內瀾滄江和洱海的水文調節使整體水域景觀結構具有較強的穩定性，尤其2014年糯扎渡水電站建成蓄水后，研究區內水域面積明顯增加，景觀破碎度和分離度都明顯降低，導致景觀結構穩定性得到進一步增強；耕地的結構指數不斷上升，說明隨著基本農田政策出臺，增強了耕地歸并與整治的力度，其景觀破碎度和分離度在2010年以后明顯降低，結構穩定性增強；草地的結構指數先增后減，與草地景觀類型面積波動性大，以及草地與林地、耕地間的相互轉化有關；裸地的結構指數不斷下降，主要由于其面積增加且景觀分離度不斷上升導致(見表1)。

表1 瀾滄江下游2005-2018年景觀生態安全指數

圖2 瀾滄江下游2005-2018年整體景觀生態安全度變化

在空間上，瀾滄江下游地區的景觀生態安全格局極不平衡，2005和2010年，生態安全度較低的區域主要分布在北部和中西部。同時，除洱海附近由于建設用地較多、城鎮化率較高而生態安全等級較低外，其余生態安全度較低的區域大多分布于瀾滄江以西。景觀生態安全度較高的區域則主要分布在東部、南部及東南部，以及洱海水域范圍；2015和2018年，瀾滄江下游流域除東部與南部有部分區域生態安全降低外，景觀生態安全的整體空間分布與前兩個時期相比并未發生明顯變化。主要由于13 a來區域社會經濟不斷發展，景洪、思茅、勐海、勐臘、寧洱和景谷6個縣市城鎮化水平提高，其周邊區域生態安全度降低，導致瀾滄江下游的南部和東部有較低生態安全等級零星分布(見圖3)。

圖3 瀾滄江下游2005-2018年景觀生態安全等級分布

景觀生態安全分級方面，2005—2018年期間，較安全等級的面積都最大，占瀾滄江下游地區總面積的30%以上；其次為高安全和中安全等級，占區域總面積的18%到30%之間；低安全等級面積較少，占區域總面積的10%左右；而不安全等級面積最低，僅占區域總面積的3%左右。由表2可以看出，瀾滄江下游地區13 a間景觀生態安全以較高安全等級為主，高安全、較安全和中安全等級占全區總面積的85%以上，生態安全狀況相對良好，在人為干擾較少的情況下，能發揮重要的生態服務功能與作用；但由于社會發展、土地開墾、城市擴張等原因，仍有部分不安全和低安全等級分布。尤其原本生態安全狀況最好的東部、南部和東南部區域存在惡化趨勢，應當加以重視。整體上，瀾滄江下游的景觀生態安全呈現出較明顯的時空變化特征。因此，要進一步了解瀾滄江下游地區景觀生態安全的時空變化規律，需要進行時空變化的驅動分析。

表2 瀾滄江下游景觀生態安全分級面積比例 %

3.2 景觀生態安全時空變化驅動分析

瀾滄江下游流域屬于高山峽谷到低山盆地過渡區，復雜的地形地貌、多變的氣候條件、脆弱的生態環境、豐富的生態系統種類，導致區域內景觀生態安全發生變化的原因復雜。

綜合參考以往景觀生態安全研究[30-31]，選取距城市距離、距道路距離、距河流距離、高程、坡度、氣溫和降水共7個因素(見圖4)，分析研究區景觀生態安全時空變化的驅動機理(見表3)。其中，由于氣溫與降水4個時期空間分布規律相似，只采用2018年數據成圖顯示。2005—2018年期間，瀾滄江下游地區景觀生態安全與各因素之間呈現一定的規律，與距城市距離、距道路距離、距河流距離、氣溫和降水呈正相關關系，而與高程和坡度呈負相關關系。說明距城市、道路和河流越遠的地方，景觀生態安全度越高；氣溫較高、降水豐富的區域景觀生態安全也相對較好；而高程和坡度較大的地區則景觀生態安全趨弱。其中，距城市距離、距道路距離、氣溫和降水的Moran’sI指數最大，并呈顯著相關，對景觀生態安全度時空變化的驅動作用最強；距河流距離的Moran’sI指數次之，部分年份呈顯著相關，對景觀生態安全的時空變化具有一定的解釋作用；而高程和海拔的Moran’sI指數最小，對景觀生態安全的影響能力較弱，并非瀾滄江下游地區景觀生態安全時空變化的主要驅動因素。

表3 景觀生態安全與各因素的Moran’s I指數

圖4 瀾滄江下游景觀生態安全驅動因素空間分布

從不同年份看，研究區景觀生態安全與各因素之間的相關性有所差別。2005，2010，2015和2018年4個時期中，距城市距離與景觀生態安全度的Moran’sI指數分別為0.125，0.114，0.227和0.211，說明距城市距離對景觀生態安全的驅動作用愈發明顯，并且散點圖中以第Ⅲ象限分布居多，處于“低—低”狀態，大部分距離城市較近的區域景觀生態安全度較低，人類活動使景觀生態安全逐漸惡化；距道路距離與景觀生態安全度的Moran’sI指數分別為0.119，0.122，0.176和0.218，散點圖中同樣以第Ⅲ象限分布居多，說明距道路距離對景觀生態安全的驅動作用也是逐年增強，并且與距城市距離有相似的作用機制；距河流距離與景觀生態安全度的Moran’sI指數分別為0.121，0.099，0.028和0.025，除2005年顯著相關外，后3個時期對景觀生態安全的影響作用并不明顯，說明河流對景觀生態安全的影響逐年減弱；氣溫與景觀生態安全度的Moran’sI指數分別為0.099，0.148，0.127和0.164，除2005年外其他時期顯著相關，說明氣溫對于景觀生態安全的影響逐漸增加；降水與景觀生態安全度的Moran’sI指數分別為0.173，0.131，0.168和0.222，均處于顯著相關狀態，說明降水對景觀生態安全有較明顯的影響作用，相對而言2010年云南省旱災發生時對景觀生態安全的驅動較弱，其他時期降水都能使生態安全向好發展；高程和坡度對景觀生態安全的影響則不明顯，4個時期的驅動作用波動較小。

4 討 論

瀾滄江作為中國與東南亞共有的重要國際河流，其景觀生態安全的重要性不言而喻。2005—2018年期間，瀾滄江下游流域的整體景觀生態安全度呈先升后降的變化特征，總體上呈向好發展的趨勢。王娟等研究1985—2000年瀾滄江流域的景觀生態安全變化，認為景觀生態安全指數呈下降趨勢[21]。這與其研究結果綜合可以得出，比起上個世紀，瀾滄江下游流域的生態安全狀況得到一定改善。這說明在生態文明建設過程中，加大生態保育力度、倡導生態文明行為，為景觀生態安全的改善提供了良好的條件。同時，流域內景觀生態安全空間分布具有一定的規律性，北部和中西部的景觀生態安全狀況明顯比東部、南部和東南部差，但東部、南部和東南部也有惡化趨勢，并且與區域內重要城市的發展區域吻合。從景觀類型上看，林地和草地的景觀生態安全度有所波動，耕地和水域的景觀生態安全度上升，建設用地和裸地的景觀生態安全度下降，與相關研究結果類似[6,32]。這說明人類活動過程中導致的景觀類型變化對生態安全具有明顯的擾動作用。瀾滄江下游流域的景觀生態安全主要受到距城市距離、距道路距離、距河流距離、氣溫和降水等因素的驅動，與其他河流流域的研究結果相似[4,30]。尤其距城市距離、距道路距離、氣溫和降水因素對流域的景觀生態安全影響最為顯著。城市、道路的建設能直觀表現人類活動的強弱程度，以及對生態環境的擾動作用[33-35]。距城市距離和距道路距離對景觀生態安全驅動作用明顯，是人類活動干擾生態環境的一個重要體現，其影響能力超過了所有的自然因素，能在短時間內直接作用于景觀類型的覆被變化，最終導致景觀生態安全不斷惡化。因此在社會經濟發展過程中，應加強規劃與管理，減弱這種人為擾動的負面效應。同時，氣溫相對較高、降水相對充沛的南方地區植物生長條件較好，生態系統結構較為穩定，并且能向人類活動提供較強的生態服務，因此氣象因素成為影響景觀生態安全的重要自然驅動因素[30]。距河流距離的影響作用相對較弱，并且逐漸降低，主要由于交通尚未發展時，耕地、建設用地等對生態安全擾動較大的景觀類型需要沿河發展，因而距離河流較近的區域生態安全度較低，但交通等基礎設施發展后，河流的重要性逐漸減弱，對景觀生態安全的影響作用也慢慢變小。高程、坡度等地形地貌因素對景觀生態安全有負向驅動作用，但影響力極低。瀾滄江下游流域是由高山峽谷到低山盆地的過渡區，地形地貌變化較大，南北呈現不同的特點，因而地形地貌方面的高程、坡度因子對景觀生態安全影響較弱。總體上看，距城市距離、距道路距離、氣溫和降水等社會、氣象因素對景觀生態安全的作用最為明顯，在生態開發與管理時應多加注意。同時，瀾滄江筑有多級水電站，亦是人為工程干擾自然生態環境的一種方式，但由于缺乏基礎數據，因而難以探討水電站建設對景觀生態安全的正向或負向驅動機制。今后在開展流域尺度景觀生態安全時空變化驅動分析的研究時，應當加強對這一內容的深入探討。

5 結 論

(1) 2005—2018年期間，瀾滄江下游流域整體景觀生態安全度呈先增后減的變化特征，總體上有所提升。空間上呈現北部和中西部景觀生態安全較差，而東部、南部和東南部較好的狀況，同時由于城市不斷建設發展，鄰近景洪、思茅、勐海、勐臘、寧洱和景谷6個縣市的區域景觀生態安全有所惡化。

(2) 各景觀類型中，瀾滄江下游流域的景觀生態安全度從大到小依次為：水域>林地>草地>耕地>建設用地>裸地，景觀生態安全功能具有主導作用。其中，13 a間林地的生態安全度先減后增，草地的生態安全度先增后減，耕地和水域的生態安全度一直上升，而建設用地和裸地的生態安全度持續下降，則與景觀生態安全的結構指數變化相關。

(3) 瀾滄江下游流域景觀生態安全的時空變化主要受距城市距離、距道路距離、距河流距離、氣溫和降水等因素的驅動，尤其社會因素和氣象因素的影響作用最為顯著。在進行資源環境開發、社會經濟發展時，應盡量降低由人類活動引起的生態環境負荷，同時積極發揮氣象因素對生態安全的正向效應，避免在生態文明建設過程中因決策失誤而帶來的重大生態、經濟損失。