鄧 清 歐朝蓉 鄧志華 鄭買富 孫仕仙 李春陽 馬英杰

( 1. 西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650233；2. 西南林業(yè)大學(xué)地理學(xué)院，云南 昆明 650233；3. 西南林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650233；4. 西南林業(yè)大學(xué)濕地學(xué)院，云南 昆明 650233)

景觀格局是指景觀組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置[1]，它既是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，同時又是包括干擾在內(nèi)的各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果[2]。景觀格局決定著資源和環(huán)境的分布形式，反映出景觀生態(tài)狀況和空間變異特征，同時對水域抗干擾能力，恢復(fù)能力、系統(tǒng)穩(wěn)定和生物多樣性有著深刻的影響[1-2]。當(dāng)前人類與生態(tài)環(huán)境的沖突不斷，各種類型的生態(tài)問題相繼出現(xiàn)，這些生態(tài)環(huán)境問題與景觀格局的人類干擾密切相關(guān)，受到城市化擴張的影響，區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不斷向城市生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致景觀格局的劇烈變化，進而造成景觀生態(tài)演化過程和景觀生態(tài)功能受到干擾，物質(zhì)循環(huán)和能量流動在時空受阻，演變?yōu)樯鷳B(tài)環(huán)境問題，因此分析景觀格局變化特征已成為當(dāng)今攸關(guān)生態(tài)系統(tǒng)平衡和社會可持續(xù)發(fā)展的研究熱點[3]。

近年來，國內(nèi)外許多研究集中在土地利用現(xiàn)狀、景觀格局變化、未來土地利用變化預(yù)測等方面[4-10]。在時空尺度和分析尺度上，當(dāng)前的研究都取得了顯著進展，理論和方法不斷推陳出新[11]?？傮w來看，國內(nèi)景觀格局研究已較為成熟，許多研究已經(jīng)利用LUCC數(shù)據(jù)研究了城市地區(qū)[12-14]、濕地[15-17]、森林[18-20]、沿海地區(qū)[21-22]、農(nóng)業(yè)區(qū)[4,23]、湖泊[24]及山地[25]景觀格局的變化。但是對于滇南熱帶雨林地區(qū)（全球生物多樣性最豐富的地區(qū)之一）的景觀格局變化研究鮮見報道[26]。

滇南熱帶雨林區(qū)位于縱向嶺谷區(qū)內(nèi)是全球生物物種的高富集區(qū)和世界級的生物基因庫之一[27]，受到國內(nèi)外學(xué)界和生物學(xué)界的廣泛關(guān)注。勐?？h作為滇南熱帶雨林區(qū)典型代表以其得天獨厚的自然地理條件使得該區(qū)成為我國生物多樣性最豐富的地區(qū)之一[28]。近年來，由于人口的增長和經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動的范圍不斷擴大，強度不斷提高，使得勐海縣景觀格局發(fā)生較大變化，森林面積減少以及破碎化、片段化程度的加劇，出現(xiàn)了生物多樣性急劇減少，大量物種面臨嚴重威脅，分布范圍向高海拔地區(qū)退縮等生態(tài)問題[28-29]?；诖?，本研究以勐海縣為研究區(qū)，借助景觀生態(tài)研究手段定量分析研究區(qū)2009—2015年的景觀格局及其動態(tài)變化，并分析景觀格局變化的驅(qū)動因素。本研究可為解決景觀格局變化帶來的生態(tài)問題提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省西南部勐?？h，地處北緯21°28′～22°28′，東經(jīng) 99°56′～100°41′，土地總面積5 368 km2，地處橫斷山系縱谷區(qū)的南段、怒江山脈向南延伸的余脈部，屬西南山原地貌，高原丘陵盆地。研究區(qū)受熱帶海洋暖濕季風(fēng)影響，陽光充足，年均日照時數(shù)2 024.9 h，年均氣溫18.1 ℃，氣候溫和，降雨充沛，年均降水量1 341.4 mm，立體性氣候條件使得研究區(qū)擁有豐富的自然資源和多樣性的生態(tài)系統(tǒng)[27]。同時研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)存的大面積熱帶森林，是世界上生物多樣性最為豐富和熱帶雨林重要分布地區(qū)之一[30]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

遙感數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺，選取Landsat影像2009年和2015年各2期數(shù)據(jù)，條帶號分別為130/45和131/45，成像時間分別為2009年2月27日、2009年3月6日、2015年2月28日和2015年3月7日，影像空間分辨率為30 m，云量為0，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。使用Eradas Imagine 9.0遙感處理軟件對Landsat影像進行預(yù)處理，包括大氣校正、幾何校正、圖像增強等。

人口和國民經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于《勐?？h年鑒》。降水量、溫度和濕度數(shù)據(jù)來源于勐?？h環(huán)保局。

2.2 分類方法

運用ENVI 5.3軟件，采用監(jiān)督分類和目視修正相結(jié)合的方法，將景觀類型分為6類，分別為建設(shè)用地、林地、園地、旱地、農(nóng)田和水域。對分類后的圖像進行分類精度評估，分類結(jié)果精度均在85%以上，高于最低允許精度要求，符合本研究應(yīng)用要求。獲得不同時期景觀組分分類后，在ArcGIS 10.2中進行計算并制作專題圖進行分析。

2.3 景觀格局分析方法

在眾多景觀格局的分析方法中，景觀指數(shù)的應(yīng)用最廣泛，景觀格局指數(shù)能夠高度濃縮景觀空間格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面的特征[31]。利用Fragstats 4.2計算景觀格局指數(shù)，分析研究區(qū)景觀格局變化?；谇叭说难芯縖26,32-33]，在景觀類型水平上選取4個指標，用斑塊面積（CA）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊數(shù)量指數(shù)（NP）、斑塊密度指數(shù)（PD），分析景觀個體單元特征；在景觀水平上選取4個指標，用景觀總面積（TA）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）分析景觀組分空間構(gòu)型，用香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）和香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）表征景觀整體多樣性特征[34]。

2.4 驅(qū)動力分析方法

景觀格局變化是地球氣候、總體環(huán)境和人類社會變化的中心因素。景觀變化的驅(qū)動力包括自然過程和人為干預(yù)，如地形、氣候變化、人類活動。在社會驅(qū)動力分析中，基于前人的研究和可獲得的數(shù)據(jù)[31-33,35]，選取了研究區(qū)2009—2015年的GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)民年均純收入、人均生產(chǎn)總值、農(nóng)村恩格爾系數(shù)和人口增長率等8個指標，在SPSS 22的支持下，利用主成分分析法對引起研究區(qū)景觀格局變化的因素進行篩選。在自然驅(qū)動力方面，選取了3種具有代表性的驅(qū)動力（氣溫、降水量和濕度）來探討驅(qū)動力與景觀格局變化的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型分布及其變化分析

勐海縣景觀類型分布及其變化見圖1，各類型景觀面積見表1。2009—2015年，各類型景觀面積從大到小依次為林地＞園地＞旱地＞農(nóng)田＞建設(shè)用地＞水域。林地一直是研究區(qū)主要景觀類型，所占的比例均在65%以上，但其面積有減少趨勢，6 a間面積減少了134.9 km2，降幅為3.63%；面積同樣呈減少趨勢的還有農(nóng)田和水域，降幅分別為13.45%和8.97%，其中農(nóng)田面積減少比率最快；建設(shè)用地的面積由37.91 km2（2009年）增至56.9 km2（2015年），增長率為33.29%，是整個研究區(qū)面積比率增長最快的景觀類型；園地和旱地面積同樣呈增長趨勢，增幅分別為14.36%和10.85%。

圖 1 勐海縣景觀類型分布及其變化Fig. 1 The distribution of landscape types and their changes in Menghai

表 1 勐?？h各類型景觀面積Table 1 Area of each landscape type in Menghai

各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣見表2。研究區(qū)總共有6類景觀類型，每一種類型的面積都發(fā)生了變化。每一種類型的新增面積意味著其他類型面積的“減少”，有4種類型有“輸入”和“輸出”部分。其中林地、農(nóng)田和水域3種景觀類型面積減少，旱地、建設(shè)用地和園地3種景觀類型面積增加。6 a間，林地減少原因主要是其轉(zhuǎn)為園地和旱地，這部分面積占林地轉(zhuǎn)出面積的89.29%，占林地總面積的3.72%。農(nóng)田減少的部分主要變?yōu)楹档?、林地和園地，這部分占農(nóng)田轉(zhuǎn)出面積的93.4%，占農(nóng)田總面積的13.53%。水域減少的部分主要變?yōu)榱值亍⑥r(nóng)田和園地，這部分占水域轉(zhuǎn)出面積的96.00%，占水域總面積的8.36%。旱地增加的部分主要是通過林地、農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，這部分占旱地增加面積的99.95%，占旱地總面積的12.23%。園地增加的部分主要是通過林地、農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，這部分占園地增加面積的99.89%，占園地總面積的14.36%。建設(shè)用地面積增加最多，主要通過旱地、林地和農(nóng)田轉(zhuǎn)化而來，占建設(shè)用地增加面積的99.79%，占建設(shè)用地總面積的33.19%。

表 2 各景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Transfer matrix of each landscape type km2

3.2 景觀空間格局特征分析

3.2.1 類型水平上的景觀格局指數(shù)分析

勐?？h類型水平上的景觀格局指數(shù)變化見圖2。由圖2a可知，2009—2015年6 a間，林地面積在減少，但依然是研究區(qū)主要的景觀結(jié)構(gòu)，旱地、園地和建設(shè)用地面積在一定幅度內(nèi)上升。由圖2b可知，2009年林地景觀總面積最大，而且LPI最大，在2015年林地總面積有所下降但是LPI仍然最高，可見林地在上述6類景觀類型中具有最大優(yōu)勢，在總體景觀中占主導(dǎo)作用，其次是農(nóng)田和園地。由圖2c可知，2009—2015年建設(shè)用地、農(nóng)田、林地的NP值均增大，表明其景觀破碎程度增大，而旱地、園地、水域的NP值均降低，表明其景觀破碎化程度降低。由圖2d可知，2009—2015年旱地、園地、水域的PD值均降低，表明其景觀破碎化程度降低，建設(shè)用地、農(nóng)田、林地的PD值均在增大，表明其景觀破碎化程度增大；建設(shè)用地、農(nóng)田PD值增大、面積小、數(shù)量多而呈散布型分布，說明其受人為干擾影響較大。

圖 2 勐?？h類型水平上的景觀格局指數(shù)變化Fig. 2 Change of landscape pattern index at the type level in Menghai

3.2.2 景觀水平上的景觀格局指數(shù)分析

勐海縣景觀水平上的景觀格局指數(shù)見表3。由表3可知，研究區(qū)總面積為5 610.96 km2，CONTGA從2009年的50.988 4變?yōu)?015年的48.016 6，蔓延度指數(shù)在減小，表明研究區(qū)景觀中小型斑塊在增加，景觀連通性變差，破碎化程度增大，景觀類型所占比例差別增大，以自然景觀為主，總的多樣性程度降低。SHDI值從2009年的0.989 1變?yōu)?015年的1.045 7，指數(shù)值增大，而香農(nóng)多樣性指數(shù)的大小取決于研究區(qū)景觀類型的多少以及各景觀類型在面積分布上的均勻程度，由于研究區(qū)2期的景觀類型均為6種，所以研究區(qū)香農(nóng)多樣性指數(shù)增大原因是由于各景觀類型在面積分布上更均勻。SHEI從2009年的0.552變?yōu)?015年的0.583 6，指數(shù)值增大，表明水域景觀和建設(shè)用地等劣勢景觀的斑塊數(shù)量增多，各景觀類型在面積分布上均勻度上升，土地利用向著均勻化方向發(fā)展。以上3個景觀格局指數(shù)的變化表明，從2009—2015年研究區(qū)的景觀破碎化程度增大，各景觀類型在面積分布上更加均勻。

表 3 勐?？h景觀水平上的景觀格局指數(shù)Table 3 Landscape pattern indices at landscape level in Menghai

3.3 景觀格局變化驅(qū)動因素分析

3.3.1 自然因素

降水量、溫度和濕度為特征的氣候變化，在一定程度上會改變區(qū)域水系統(tǒng)和水環(huán)境，最終影響區(qū)域景觀的空間分布格局[37]。選擇勐?？h氣象局提供的2009—2015年6 a間勐?？h降水量、溫度和濕度3項氣象數(shù)據(jù)，分析其在2009—2015年6 a間變化趨勢，同時分別對降水量與溫度、濕度進行相關(guān)性分析。

由表4可知，從2009—2015年，研究區(qū)的降水量呈現(xiàn)先降低再升高再降低再升高的過程，整體趨勢是增大。溫度呈現(xiàn)先升高后降低再升高再降低的過程，整體趨勢是降低。濕度呈現(xiàn)上下小幅度波動趨勢，變化趨勢較為平穩(wěn)，變化不大。從2009—2015年6 a間，研究區(qū)降水量、溫度和濕度3項氣象數(shù)據(jù)變化趨勢均較為平緩，變化不大，表明自然因素對研究區(qū)景觀格局變化影響較小，但是研究區(qū)水域面積卻呈減少趨勢，可見仍有其他因素干擾了水域面積的減少。

表 4 勐海縣降水量、溫度和濕度變化情況Table 4 Changes of precipitation, temperature and humidity in Menghai

3.3.2 社會因素

在社會驅(qū)動力分析中，基于前人的研究和可獲得的數(shù)據(jù)[31-33,35]，選取了研究區(qū)2009—2015年的GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)民年均純收入、人均生產(chǎn)總值、農(nóng)村恩格爾系數(shù)和人口增長率等8個指標，運用SPSS軟件，對選取的8個指標進行主成分分析后，提取出2個主成分，累積方差貢獻率為97%。從表5中可以看出，第一主成分主要是GDP、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)民年均純收入、人均生產(chǎn)總值等均是與經(jīng)濟發(fā)展相關(guān)性強的指標；第二主成分中人口增長率則與人口因素相關(guān)性較為顯著。通過對信息的歸納，從社會因素中的人口因子和經(jīng)濟因子就研究區(qū)景觀格局變化原因進行探討。

表 5 主成分分析結(jié)果Table 5 Results of principal component analysis

1）人口因子。由圖3可知，研究區(qū)的總?cè)丝诔什粩嘣鲩L的趨勢，由2009年的33.33萬人增至2015年的34.1萬人，增長率為2.3%?？?cè)丝诘脑鲩L導(dǎo)致人們對住房的需求量增大，但研究區(qū)大部分為林地所覆蓋，可利用地非常有限，導(dǎo)致了人地關(guān)系十分緊張，為解決人口增長導(dǎo)致的住房壓力，部分的農(nóng)田、林地等被開發(fā)為建設(shè)用地，資源開發(fā)力度加強，土地利用方式轉(zhuǎn)變，進而對生態(tài)景觀產(chǎn)生巨大的脅迫作用，導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)的不合理化[38]。除人地關(guān)系緊張外，2009—2015年研究區(qū)的農(nóng)業(yè)人口由26.1萬人減少至21.6萬人，減少率為17.24%，農(nóng)業(yè)人口的減少導(dǎo)致糧食問題日益嚴峻，農(nóng)村的部分農(nóng)田因無人管理最終變成了荒地，一部分農(nóng)田景觀轉(zhuǎn)化為旱地景觀。由此可見人口因子是研究區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動因素之一。

圖 3 勐?？h人口變化情況Fig. 3 Population changes in Menghai

2）經(jīng)濟因子。由圖4可知，從2009—2015年，研究區(qū)經(jīng)濟迅速發(fā)展，GDP由2009年的34.00億元增長至2015年86.58億元，短短6 a間增長率為154.65%。第一產(chǎn)業(yè)呈高速發(fā)展的態(tài)勢，產(chǎn)值從2009年的7.70億元增長至2015年23.79億元，增長率為208.96%；第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對緩慢，6 a間其產(chǎn)值增長率為128.70%；第三產(chǎn)業(yè)一直是研究區(qū)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)值增加了148.79%，形成了“三、二、一”的產(chǎn)業(yè)格局。第二、三產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，刺激了大量的勞動力向城市流動，增加了對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、建設(shè)用地的要求，促使城市規(guī)模擴大并不斷向外擴張，對未利用土地的開發(fā)強度增加，其他類型景觀被侵占。同時農(nóng)民為了獲得更大的經(jīng)濟收益，大量種植以橡膠為主的經(jīng)濟林（圖5）。單一化種植的橡膠林影響了研究區(qū)熱帶雨林景觀格局，出現(xiàn)較為嚴重的片段化和破碎化，熱帶雨林的層次結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，自然植被演替恢復(fù)周期不復(fù)存在[39]，天然林地面積減少。所以經(jīng)濟因子也是研究區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動因素。

圖 4 勐?？hGDP、各產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值變化情況Fig. 4 Changes of GDP and industrial output value in Menghai

圖 5 勐海縣橡膠林種植面積變化情況Fig. 5 Changes of rubber plantation area in Menghai

4 結(jié)論與討論

對研究區(qū)2009—2015年的景觀格局空間變化及驅(qū)動力進行分析，得出以下結(jié)論：1）2009—2015年期間勐海縣建筑用地面積以平均每年50.10%的速率增加，變化最大，林地以平均每年3.50%的速度減少，變化最小。旱地、建設(shè)用地和園地3種土地利用類型總面積在增加，林地、農(nóng)田和水域3種土地利用類型總面積在減少。2）2009—2015年期間，林地是勐?？h主要的景觀結(jié)構(gòu)，但其斑塊破碎化程度在增加。旱地、園地和水域的景觀破碎化程度降低，建設(shè)用地、農(nóng)田、林地的景觀破碎化程度增大。景觀水平尺度上，研究區(qū)各景觀類型破碎化程度增大，且各景觀類型在面積分布上更加均勻。3）社會因素中人口和經(jīng)濟因子是勐?？h景觀格局變化的最主要驅(qū)動因素。

在2009—2015年，林地面積占研究區(qū)總面積的比例高達65%以上。人口增長和經(jīng)濟發(fā)展使得大量的林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田和建設(shè)用地。相關(guān)研究表明，自然因素（溫度、濕度和降水量）在一定程度上會改變區(qū)域水系統(tǒng)和水環(huán)境，影響水域景觀類型的空間格局[37]。從2009—2015年，研究區(qū)降水量、溫度和濕度3項氣象因子變化趨勢較為平緩，變化不大，表明自然因素對研究區(qū)景觀格局變化影響較小，但是研究區(qū)水域面積減少了8.97%，說明仍有其他因素干擾了水域面積的減少。研究區(qū)大部分水域轉(zhuǎn)換為農(nóng)田、林地和園地，這可能是人類活動干擾的結(jié)果。雖然研究區(qū)的橡膠林在短時間內(nèi)還未表現(xiàn)出對區(qū)域氣候的影響，但是目前已有大量研究結(jié)果表明橡膠的種植將會影響區(qū)域小氣候變化，如林友興等[40]通過研究橡膠林蒸騰特征得出，橡膠林對深層地下水的利用維持著較高的蒸騰耗水（尤其是老齡期的橡膠林），在一定程度影響或改變研究區(qū)的水循環(huán)、水量平衡及水文情勢，而橡膠產(chǎn)生的單萜化合物能吸收大量光輻射，繼而影響氣溫的變化[41]。

2009—2015年，研究區(qū)景觀格局指數(shù)發(fā)生了一系列變化，從之前的分析來看林地景觀尺度的斑塊數(shù)目增多，景觀水平尺度的香農(nóng)多樣性指數(shù)增加，人為因素導(dǎo)致研究區(qū)林地面積減少，景觀破碎度增大，景觀呈多樣化發(fā)展的同時，林地景觀的破碎度在增大，以橡膠林為主的次生林大量代替原始林，使得研究區(qū)林地景觀格局核心區(qū)減少，連接度下降，同時使得林地景觀的破碎度加深，空間異質(zhì)性加大。這與劉文俊等[26]的研究結(jié)果一致。林地的破碎化將導(dǎo)致一系列的負面生態(tài)效應(yīng)，例如一方面會對動植物活動遷移、植物種子擴散等多項生態(tài)過程產(chǎn)生影響[42]，造成處于不同退化階段的隔離生境的出現(xiàn)[26]，最終導(dǎo)致植物物種豐富度和物種多樣性指數(shù)降低[39,43]，另一方面水土保持能力下降[39]，直接導(dǎo)致植物生境小氣候的變化。

本研究也存在一定的不足。首先，景觀格局變化及其驅(qū)動力的研究往往面臨處理不同類型數(shù)據(jù)的問題，特別是將自然科學(xué)數(shù)據(jù)與社會科學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合時。本研究選取的自然和社會因素的指標，在判斷驅(qū)動力影響的時候，沒有識別出融合2種不同類型數(shù)據(jù)的方法，使得這些指標的準確性和全面性不能完全得到保證。此外，分析景觀格局變化與驅(qū)動力之間關(guān)系的方法很多，但對不同驅(qū)動力數(shù)據(jù)的處理仍然缺乏有效方法。今后可對數(shù)理統(tǒng)計模型進行進一步的研究，從而利用模型對研究區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動機制進行定量分析。

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