洱海北部陸域景觀開發強度動態研究

王有兵 施俊美 楊建軍 張士平

摘要：基于遙感與GIS技術，并結合有關調查數據，選取斑塊數量、分維數、景觀形狀指數、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數對研究區域2010 ～ 2019年景觀結構和格局變化進行分析，采用LDI方法進一步評價了該區域環境健康狀況。結果表明，研究區域耕地景觀類型占主導地位，面積比例占50.81%以上，其次為建設用地，該區域景觀結構屬農村—城鎮組成系統;近幾年隨著洱海保護有關政策的實施，林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大;隨時間的變化，土地利用格局得到進一步優化;2010年研究區域的LDI綜合指數為4.77，環境健康等級為“一般”，較接近“不健康”等級，但隨著洱海保護措施的實施而趨向于“健康”等級發展。

關鍵詞：景觀;分維數;破碎度;LDI方法;健康等級;洱海

中圖分類號：X821 ???文獻標識碼：A

Abstract： Based on remote sensing and GIS technology and combined with relevant survey data， five landscape indexes， such as patch number， fractal dimension， landscape shape index， fragmentation， landscape change rate， were selected to analyze the changes of landscape structure and pattern in the study area from 2010 to 2019， and the environmental health status of the area was further evaluated by the method of LDI. Results showed that， the landscape types of cultivated land in the study area are dominant， accounting for more than 50.81% of the total area， followed by construction land， and the landscape structure of this area is a rural urban system. In recent years， with the implementation of relevant policies on Erhai protection， the landscape types of forest land， cultivated land， swamp land and water landscape have changed greatly. As time went on， the land use pattern has been obtained further optimization. In 2010， the LDI comprehensive index of the study area was 4.77， and the environmental health level was "ordinary"， which was close to the "unhealthy" level， but with the implementation of Erhai protection measures， it tended to develop at the "healthy" level.

Key words：landscape; fractal dimension; fragmentation; LDI method; health level; Erhai

景觀結構的變化會引起生態環境的改變，可通過相關模型在不同層次水平上對其進行定量分析，獲取景觀結構的時空變化關系[1]。土地資源是人類活動的載體，土地利用作為人類最基本的實踐活動形式，是導致景觀結構改變的直接原因，可以通過土地利用結構變化評估生態環境變化[2]。洱海是云南第二大高原湖泊，為洱海流域及周邊部分區域內重要的生產生活水源地。自上世紀70年代起，洱海水位由自然調控轉為人為調控，造成長期低水位運行，加之周邊工農業的快速發展，村落密集，工農業污染物及生活污水入湖，導致多次發生大規模藍藻水華[3]。洱海水質的惡化備受關注，本世紀初有關部門開始實施洱海湖濱帶的生態修復[4]，提出了“綠色流域建設”的防治思路[5]，但由于湖泊污染治理體系的不完善及社會經濟發展的需求，后期一再爆發大規模藻華[6]。近幾年開始實施環湖截污工程，拆除湖周部分建筑物，建設湖濱帶生態廊道，對洱海流域部分入湖河流實施改造修復，洱海水質惡化趨勢得到遏制，至今洱海水質處于Ⅱ ～ Ⅲ類水平。

研究區域位于洱海北部臨湖陸域，該區域村落分布密集，農業高度發展，同時也是洱海流域上游區域水資源入洱海必經之地，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，濕地主要有西湖濕地。該區域可喻為洱海流域上游的“腎盂”，起到匯聚和凈化上游水源的作用，是洱海保護的一道重要防線，也是洱海源頭治理的關鍵區域之一。近幾年在該區域實施了退田還草還濕，建造人工濕地，修復河流面岸，逐步退出污染型工農業等洱海保護措施，為洱海保護作出了積極的響應。隨著社會經濟的發展和洱海保護措施的開展，該區域的景觀結構發生了較大的變化，因此通過分析景觀結構、景觀動態及景觀功能之間的相互關系，預測該區域環境質量發展趨勢，對該區域洱海保護措施實施成效給出科學的評價，并為區域內土地資源的進一步優化配置提供指導。

1 研究區概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州中部，地跨大理市和洱源縣（25°30′ ～ 26°00′N，100°00′ ～ 100°30′E），總面積25.65 萬hm2，處于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，其水系屬瀾滄江水系。研究區域位于洱海流域的中部偏北（圖1），為流域中部壩區東西徑向最窄的區域，是流域上游水資源入洱海的必經之地，該區域地勢平坦，水資源較為豐富，有魚米之鄉的美譽。區域內有國家級濕地一處，面積為949.78 hm2，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，這3條河流平均入湖水量占洱海平均補給水總量的70%以上。研究區域海拔介于1968 ～ 2125 m，總面積為9953.15 hm2。

2 研究方法

2.1數據來源

數據主要包括研究區域2014（資源三號衛星高清影像，分辨率10 m）、2016（航拍土地確權影像，分辨率1 m）、2019（資源三號衛星高清影像，分辨率10 m）年影像，時相均為12月，2010 ～ 2019年Google Earth歷史影像;涉及研究區域的第三次全國土地調查矢量數據。

2.2數據處理方法

以第三次全國土地調查矢量數據為基礎，結合影像資料對研究區范圍內的土地利用現狀進行斑塊區劃，地類區劃至二級地類，統計面積時進行適當歸并，共歸為6類景觀類型：①建設用地，包括商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、交通運輸用地;②空閑地;③林地，包括園地、喬木林地、灌木林地、其他林地及部分荒山草地;④耕地，包括水田、水澆地、旱地及其他土地中的設施農用地;⑤沼澤地，包括森林沼澤、灌叢沼澤及沼澤地;⑥水體，包括河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面、養殖坑塘、溝渠、干渠。

2.3景觀指數的選取

選取斑塊數量、分維數、景觀形狀指數、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數對研究區域景觀結構變化進行分析，相關指標計算公式如下，各指標的生態學含義見相關文獻[7-9]。

式中Ei為斑塊周長;Ai為某景觀類型的面積;MPS由所有斑塊的平均面積除以最小斑塊面積得到;n為某景觀類型斑塊數量;Nc為研究區景觀總面積除以最小斑塊面積之值;Sa、Sb分別為研究期初和研究期末的景觀面積;t為監測時段長度。K>0表示監測時間內景觀面積增加，K<0表示監測時間內景觀面積減少，K的絕對值越大表示面積變化的程度越大。

2.4各斑塊LDI系數的確定及LDI綜合指數計算

根據Brown等[10]2005年劃分的LDI系數表，結合研究區域的實際情況確定了各斑塊類型的LDI系數（表1）。

根據表1所賦予的系數，通過式5計算LDI綜合指數。

式中：LDItotal—研究區域LDI綜合指數;%LUi—第i種土地利用類型的面積占研究區域總面積的百分比;LDIi—第i種土地利用類型的LDI系數。

3 結果與分析

3.1 景觀類型結構變化

根據研究區域景觀類型面積比例統計可知（表2和圖2），2010 ～ 2019年間該區域占主導地位的景觀類型為耕地，占比高達50.81%以上，其次為建設用地占比高于17.97%，再次為林地占比高于6.50%。至2019年，沼澤地和水體面積占比相差不大，空閑地面積占比僅為0.33%。研究區域村落數量較多，是建設用地的主要組成部分，總體上建設用地面積呈增加趨勢，一批如高速公路、鐵路、工廠等重大項目建設的建設，導致2010 ～ 2018年增速較快，變化率高達58.27，后期建設項目減少，2018 ～ 2019年增速明顯減慢，變化率降至18.66;空閑地面積持續減少，特別是2016年以后減少幅度明顯大于2016年以前，一些空閑地轉變為建設用地或人工濕地;林地面積增幅在所有景觀類型中為最大，主要呈現在2016 ～ 2018年間沿主要河流兩側造林綠化，至2019年面積略有減少，主要是因為部分造林地轉變為人工濕地;受洱海保護及其他有關生態保護政策的影響，一些如生態修復、綠化造林、水凈化等項目落地于退出的耕地上，造成耕地面積持續減少，特別是2016 ～ 2018減少幅度最大，部分水田退出后轉變為水體或沼澤地;沼澤地是洱海源頭水質凈化的主要載體之一，因此在具備條件的水田、耕地等區域建設了部分沼澤地，面積變化趨勢呈“增加-速增-略減”趨勢，后期部分沼澤地轉變為水體;水體面積表現為增加，增加趨勢呈“快-慢-快”，初期受市場經濟的影響，部分水田轉變為養殖塘，后期部分耕地改造為人工庫塘。

3.2景觀格局變化

選取斑塊數量、分維數、景觀形狀指數、破碎度4個指數對研究區域的景觀格局動態變化進行了定量分析（表3）。從景觀斑塊數量來看，除空閑地斑塊數量呈減少趨勢外，其余景觀斑塊數量均增加，建設用地的斑塊數量最多，數量由2010年的500增加至2019年的884;水體斑塊數量增加5倍左右，林地、耕地及沼澤地的斑塊數量也有不同程度的增加。從景觀破碎度來看，建設用地的破碎度最高，其次為林地，再次為耕地，其余景觀的破碎度均較小。建設用地、空閑地及林地的破碎度在時間變化上基本呈降低趨勢，可見建設用地及林地雖在擴展，并且斑塊數量整體呈現增加趨勢，但其地斑塊并沒有因為數量增加而變得破碎，而表現出更高的完整性。耕地的破碎度增加后又減少，主要是因在時間變化上耕地受分割破碎后又轉變了利用類型而導致的。沼澤地和水體因受鄉村道路的分割及人為增加斑塊數量而更加破碎，破碎度呈增加趨勢。

各景觀類型的分維數在4個時期均小于1.5，說明總體上景觀斑塊形狀簡單。建設用地、林地及耕地的分維數隨時間變化而增加，表明受人為干擾增加，斑塊形狀趨于復雜化;空閑地的分維數隨時間變化而降低，表明其斑塊形狀趨于簡單化;沼澤地和水體的分維數變化趨勢存在不確定性，表明受干擾較頻繁。從各景觀類型斑塊的形狀指數來看，除了空閑地外，其余景觀的形狀指數均呈現增大的趨勢，表明在人為干擾的情況下，斑塊結構向著松散型發展。

3.3環境健康動態變化及評價

研究區域2010 ～ 2019年間的LDI綜合指數動態變化見表4，其值呈現出逐漸降低的趨勢。從各景觀類型的結構比例來看，該區域以農業生產為主，其次為居住區，是洱海流域內典型的農村—城鎮組成系統。張淼等[11]將LDI值分為3個等級：1 ～ 2為“健康”;2 ～ 5為“一般”;大于5為“不健康”，參照該分級可知，2010年該區域LDI綜合指數高達4.77，環境健康等級處于“一般”，但較靠近“不健康”等級，說明該區域屬于農業型壩區，受城鎮化發展的影響較大。2016 ～ 2018年LDI綜合指數的降幅較大，說明在該時期一些如退田還濕還水，造林綠化等環境友好型項目的實施取得了一定成效。隨著后續有關項目的推進，該區域的環境健康狀況將進一步得到改善。

4 結論與討論

4.1結論

基于遙感與GIS技術，對研究區域2010 ～ 2019年景觀結構及格局變化進行了分析，采用LDI方法進一步評價了該區域環境健康狀況，得出以下結論：

（1）研究區域景觀類型以耕地為主導，其次為建設用地，屬農村—城鎮組成系統;

（2）研究區域的林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大，發展趨勢良好;

（3）研究區域土地利用類型的空間布局隨時間變化得到進一步優化;

（4）研究區域環境健康等級為“一般”，但隨時間的變化而趨向于“健康”等級發展。

4.2討論

研究區域位于洱海流域中部偏北，是洱海北部重要的“北三江”區域（羅時江、永安江、彌苴河），該區域景觀結構是流域內典型的農村—城鎮組成系統，以農業生產為主，鄉村聚落密布其中。由于該區域區位的獨特性，其是洱海流域北段洱海補給水的唯一過境地，因此該區域成為了洱海保護治理的關鍵區域之一。“北三江”區域所匯聚的洱海補給水占洱海總補給水的70%，同時也是洱海污染物輸入的主要渠道之一。

1998 ～ 2016年洱海總磷污染負荷總體呈上升趨勢，具體表現為流域內點源污染增加、面源污染減少，但面源污染仍是主要污染源，農業面源、畜禽養殖糞便和城鎮居民生活污水是洱海流域三大污染來源，洱海湖區北部污染物濃度要高于其它地區[12-13]。研究區域農業面廣、人口密集，畜禽養殖業是主要的輔助產業，因此成為洱海污染物主要來源區之一。為了建立保護洱海的最后一道生態防線，近幾年在湖岸、河流等區域建設了人工濕地、生態塘濕地等擬自然水源凈化系統，有效的截留了部分污染物[14-16]。

因此，調整農業結構模式和優化土地利用方式是改善該區域自然環境的有效手段，只有加強和鞏固區域水源自然凈化能力，推動“綠色流域建設”的步伐，改善流域人居環境，才能帶動區域綠色經濟的發展。

參考文獻

[1] 趙珍珍， 馮建迪. 1980 S—2016年科爾沁沙地景觀時空格局演變特征分析[J]. 山東理工大學學報（自然科學版）， 2020，34（2）：24– 30.

[2] 王成，魏朝富，高明，等.土地利用結構變化對區域生態健康的影響：以重慶市沙坪壩區為例[J].應用生態學報， 2005，16（12）：2296– 2298.

[3] 符輝，袁桂香，曹特，等. 洱海近50 a來沉水植被演替及其主要驅動要素[J]. 湖泊科學， 2013，25（6）：854–861.

[4] 葉春， 金相燦， 王臨清， 等. 洱海湖濱帶生態修復設計原則與工程模式[J]. 中國環境科學， 2004，24（6）：717–721.

[5] 金相燦， 胡小貞， 儲昭升， 等. “綠色流域建設”的湖泊富營養化防治思路及其在洱海的應用[J]. 環境科學研究， 2011， 24（11）： 1203–1209.

[6] 陳學凱. 湖泊流域非點源污染分區精細化模似與多級優先控制區識別—以洱海為例[D]. 北京：中國水利水電科學研究院博士學位論文， 2019.

[7] 邱彭華， 徐頌軍， 謝跟蹤， 等. 基于景觀格局和生態敏感性的海南西部地區生態脆弱性分析[J]. 生態學報， 2007，27（4）：1257– 1264.

[8] 徐亞男， 劉學錄， 李曉丹， 等. 祁連山東段生態敏感性對景觀動態變化的響應[J]. 生態科學， 2019，38（5）：160–167.

[9] 易鳳佳， 李仁東， 常變蓉， 等. 2000—2010 年漢江流域濕地動態變化及其空間趨向性[J]. 長江流域資源與環境， 2016，25（9）： 1412–1420.

[10] Brown M T， Vivas M B. Landscape development intensity index[J]. Environmental Monitoring and Assessment， 2005，101（1-3）：289– 309.

[11] 張淼，劉俊國，趙旭，等. 基于景觀開發強度法的濕地健康變化研究[J]. 水土保持研究， 2014，21（3）：157–162.

[12] 韋曉雪， 李曉琳， 鄭毅. 基于輸出系數模型的1998—2016年洱海流域磷素時空變化特征分析[J]. 農業環境科學學報， 2020，39 （1）：171–181.

[13] 羅平安， 曹慧群. 洱海不同水期水環境時空變化規律模擬. 長江科學院院報.

http：//kns.cnki.net/kcms/detail/ 42.1171.TV.20200519.1642.018.html

[14] 嚴春麗， 趙明， 李澤坤， 等. 洱海北部入湖河流水質特征及其對北部湖區的影響[J]. 環境工程， 2020，38（12）：59–63.

[15] 李丹， 儲昭升， 劉琰， 等. 洱海流域生態塘濕地氮截留特征及其影響因素[J]. 環境科學研究， 2019，32（2）：212–218.

[16] 梁啟斌， 侯磊， 李能發， 等. 洱海北部表流人工濕地氮截留的長效性及影響因子[J].農業環境科學學報， 2020，39（7）：1585– 1593.