王 濤, 肖彩霞, 劉 嬌, 祿 鑫

(1.貴州林業(yè)勘察設(shè)計有限公司, 貴陽 550003; 2.西南林業(yè)大學(xué), 昆明 650224; 3.貴州省林業(yè)調(diào)查規(guī)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(tài)系統(tǒng)，而且是促進云南國民經(jīng)濟、社會發(fā)展，實現(xiàn)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(huán)境為一體的復(fù)雜綜合生態(tài)系統(tǒng)[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(tài)壓力和風(fēng)險日益增加[2-3]。目前，各國對環(huán)境管理的目標和環(huán)境觀念已發(fā)生轉(zhuǎn)變，景觀格局對生態(tài)環(huán)境的影響開始受到相關(guān)管理部門的關(guān)注，景觀生態(tài)風(fēng)險評價正逐漸成為地理學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的研究熱點[4-6]。景觀生態(tài)風(fēng)險評價區(qū)別于常規(guī)生態(tài)風(fēng)險評價方法，依托景觀生態(tài)學(xué)的生態(tài)過程與空間格局耦合關(guān)聯(lián)視角，更加關(guān)注生態(tài)風(fēng)險的時空異質(zhì)性和尺度效應(yīng)可能產(chǎn)生的不良結(jié)果，是生態(tài)風(fēng)險評價在區(qū)域尺度上的重要分支領(lǐng)域[7]。目前，國內(nèi)對流域景觀生態(tài)風(fēng)險的研究主要集中在人口較為稀疏的干旱區(qū)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(tài)風(fēng)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(tài)風(fēng)險的時空演化規(guī)律和機制進行了探討，其結(jié)果表明洱海流域的生態(tài)正趨于惡化；聞國靜等[12]對普者黑流域景觀格局及生態(tài)風(fēng)險時空演變進行了分析，其結(jié)果認為流域生態(tài)風(fēng)險時空分布與土地利用強度及人類活動有著密切關(guān)系。這些研究為云南省高原湖泊生態(tài)環(huán)境評價的研究開辟了新的視角，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善和區(qū)域發(fā)展具有指導(dǎo)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(jīng)濟最發(fā)達，物產(chǎn)最豐富的地區(qū)。近些年來，受我國云南省持續(xù)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(tài)系統(tǒng)退化等諸多問題。隨著流域社會、經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，流域?qū)⑦M一步承受經(jīng)濟規(guī)模和土地利用擴張造成的生態(tài)壓力和風(fēng)險[13]。開展基于時序遙感數(shù)據(jù)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(tài)風(fēng)險的時空變化規(guī)律，有助于深入分析杞麓湖湖泊動態(tài)演變的規(guī)律和原因，對維護杞麓湖流域生態(tài)安全、科學(xué)評價杞麓湖流域土地利用狀況、以及合理調(diào)配土地利用格局以應(yīng)對景觀生態(tài)脅迫具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(nèi)共涉及通?？h1個縣及7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，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(fēng)氣候，是通?？h經(jīng)濟社會發(fā)展的主體，省城通往滇南的交通要道。

1.2 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)以及通?？h第3次森林資源2類調(diào)查空間矢量數(shù)據(jù)庫，結(jié)合本研究的實際需求，將杞麓湖流域劃分為耕地、林地、建設(shè)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(shù)據(jù)進行人工區(qū)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(shù)據(jù)庫。解譯結(jié)果利用校正過后的高清谷歌衛(wèi)星地圖以及研究區(qū)第3次森林資源2類調(diào)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(tài)風(fēng)險樣區(qū)劃分

為了采集流域生態(tài)風(fēng)險，根據(jù)研究區(qū)解譯斑塊的個數(shù)和平均斑塊面積，并結(jié)合研究區(qū)實際特征，利用ArcGIS 10.1生成杞麓湖流域漁網(wǎng)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(tài)風(fēng)險采集的樣本。利用景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型依次計算每一評價單元樣區(qū)的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，并把該生態(tài)風(fēng)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(qū)流域地理位置及生態(tài)風(fēng)險樣區(qū)劃分如圖1所示。

1.4 景觀生態(tài)風(fēng)險評價

(1)

式中：ERk為第k采樣區(qū)的景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；LLi為景觀生態(tài)損失度指數(shù)；Aki為采樣區(qū)面積；Ak為第k采樣區(qū)的面積；m為景觀類型。

LLi=10Ui·Si

(2)

式中：Ui為景觀干擾度指數(shù)；Si為敏感度指數(shù)[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(shè)用地為1[16]。歸一化后得到各景觀類型的敏感度指數(shù)。景觀干擾度的計算公式及各參數(shù)的意義見表1。

圖1 研究區(qū)生態(tài)風(fēng)險樣區(qū)網(wǎng)格化采樣

表1 景觀指數(shù)計算方法[17]

2 結(jié)果與分析

2.1 景觀類型變化及相互轉(zhuǎn)化分析

研究區(qū)景觀類型目視解譯結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，研究區(qū)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(qū)和東南部山區(qū)有零星分布，林地主要分布于西南和北部山區(qū)，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(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)進行地類面積和數(shù)理統(tǒng)計可知，1985—2015年建設(shè)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(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出關(guān)系，生成1985—2000年、2000—2015年和1985—2015年3個時段景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣，并按照各景觀類型轉(zhuǎn)入與轉(zhuǎn)出的面積與同時段流域所有景觀類型轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出總面積的百分比繪制各時期景觀類型轉(zhuǎn)移面積百分比柱狀圖(圖3)。其中，面積轉(zhuǎn)化比率大于0表示該景觀由其他景觀轉(zhuǎn)入，面積轉(zhuǎn)化率小于0表示該景觀轉(zhuǎn)為其他景觀。

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

圖2 杞麓湖流域不同時期土地利用解譯結(jié)果

圖3 杞麓湖流域景觀類型轉(zhuǎn)移面積百分比

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

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

2.2 景觀指數(shù)變化分析

利用景觀格局指數(shù)計算公式(表1)，得出研究區(qū)近30 a土地利用景觀格局變化情況(表2)。景觀優(yōu)勢度指數(shù)用于描述景觀中少數(shù)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(dǎo)程度[18]。研究表明，流域中林地和耕地的優(yōu)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(dǎo)地位，1985—2015年，兩種景觀類型的優(yōu)勢度小幅度減小，控制能力有所減弱。對于其他主導(dǎo)作用較弱的景觀類型，建設(shè)用地景觀優(yōu)勢度呈不斷增加的趨勢，濕地和未利用地景觀優(yōu)勢度波動變化，水體的景觀優(yōu)勢度持續(xù)減小。

景觀破碎度指數(shù)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(fù)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(shè)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(xù)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(shù)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(shè)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(nèi)建設(shè)用地集中分布于流域湖盆的平原之中，隨著社會發(fā)展及城鎮(zhèn)化步伐的加快，建設(shè)用地的斑塊逐漸聯(lián)結(jié)，形成相互連通的大斑塊，表現(xiàn)為建設(shè)用地分離度降低。

干擾度指數(shù)表示的是景觀抵抗外界干擾的能力和自我恢復(fù)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(shè)用地抵抗外界的能力相對較強，干擾度指數(shù)較低，最大值依次為0.574 4，0.457，0.078 2。

2.3 景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分異及其格局變化

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

表2 杞麓湖流域1985年、2000年、2015年景觀格局指數(shù)

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

圖4 生態(tài)風(fēng)險采樣小區(qū)計算結(jié)果

圖5 杞麓湖流域生態(tài)風(fēng)險空間分布

研究表明，杞麓湖流域生態(tài)風(fēng)險空間分布一定程度上體現(xiàn)了流域景觀結(jié)構(gòu)的分布規(guī)律，具有明顯的區(qū)位性和異質(zhì)性特征。低生態(tài)風(fēng)險主要分布在流域湖盆的平原上，該區(qū)域為景觀優(yōu)勢明顯的連片耕地和集中的城鎮(zhèn)住宅，多年來已經(jīng)形成較為穩(wěn)定的景觀結(jié)構(gòu)，景觀破碎度和敏感度較低，1985—2015年，受其他風(fēng)險等級的脅迫，低生態(tài)風(fēng)險以城鎮(zhèn)為中心逐漸萎縮；較低生態(tài)風(fēng)險主要分布在湖盆外邊緣以及環(huán)杞麓湖一帶，這些區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)較為完善，但也是毀林開墾、城鎮(zhèn)拓展等行為的主要發(fā)生區(qū)域，存在一定的潛在風(fēng)險。1985—2015年，較低生態(tài)風(fēng)險的分布有向平原蔓延的趨勢；中生態(tài)風(fēng)險主要分布于流域四周的山區(qū)地帶，該區(qū)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(wěn)定性較差，生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱；較高生態(tài)風(fēng)險分布最為零散，主要分布在環(huán)杞麓湖周圍、納古鎮(zhèn)的北部和楊廣鎮(zhèn)的東南部，這些區(qū)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(tài)風(fēng)險明顯增多，今后應(yīng)重點防范；高生態(tài)風(fēng)險區(qū)域主要位于杞麓湖，由于水域生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，尤其是近年來，杞麓湖的結(jié)構(gòu)性污染較為突出[17]，水質(zhì)逐步變差，已成為中度富營養(yǎng)型湖泊，其潛在的景觀生態(tài)風(fēng)險程度最高。

由圖6可知，杞麓湖流域較低生態(tài)風(fēng)險為主，低生態(tài)風(fēng)險和高生態(tài)風(fēng)險次之。流域的生態(tài)總體向更高等級生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)化。主要表現(xiàn)為：低生態(tài)風(fēng)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(tài)風(fēng)險和中生態(tài)風(fēng)險主要轉(zhuǎn)化為較低生態(tài)風(fēng)險，表現(xiàn)為較低生態(tài)風(fēng)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(tài)風(fēng)險面積比率由25.73%降低到23.82%；較高生態(tài)風(fēng)險向更高等級的高生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為較高生態(tài)風(fēng)險面積持續(xù)減少，其所占比率由1985年的15.39%降低至2015年的8.53%；高生態(tài)風(fēng)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(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)化趨勢可以得出，今后應(yīng)重點關(guān)注湖盆平原及環(huán)杞麓湖周圍濕地的治理，避免高破碎化的發(fā)生而使低和較高生態(tài)風(fēng)險向更高等級風(fēng)險轉(zhuǎn)化。

圖6 1985年、2000年、2015年各級生態(tài)風(fēng)險面積所占比率

3 結(jié) 論

(1) 流域景觀結(jié)構(gòu)類型相互轉(zhuǎn)化過程頻繁且復(fù)雜。1985—2000年，共有2 537.62 hm2的土地發(fā)生相互轉(zhuǎn)換，其中，轉(zhuǎn)入的面積以建設(shè)用地和耕地為主，轉(zhuǎn)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(fā)生相互轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)入的面積以濕地和建設(shè)用地為主，轉(zhuǎn)出的面積以水體和耕地為主。對于整個過程而言，建設(shè)用地、濕地和水體表現(xiàn)為單向轉(zhuǎn)化，而耕地、林地和未利用地為雙向轉(zhuǎn)化。

(2) 在整個景觀中林地和耕地具有顯著的主導(dǎo)地，景觀優(yōu)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(shè)用地的景觀破碎度最高，隨著流域不斷向城鎮(zhèn)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(shè)干擾度指數(shù)相對較低。

(3) 生態(tài)風(fēng)險采樣計算結(jié)果表明，1985—2015年，流域生態(tài)風(fēng)險均值分別為0.957 8，0.964 3，1.013 9，多數(shù)樣區(qū)的生態(tài)風(fēng)險值介于0.5～1.0，隨著時間的演進，生態(tài)風(fēng)險值大于1.0的樣區(qū)個數(shù)逐漸增加，流域生態(tài)壓力增大。

(4) 研究發(fā)現(xiàn)，流域以較低生態(tài)風(fēng)險為主，低生態(tài)風(fēng)險和較高生態(tài)風(fēng)險有向更高等級的生態(tài)風(fēng)險轉(zhuǎn)化的趨勢，今后應(yīng)重點防范。流域景觀生態(tài)風(fēng)險表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性和異質(zhì)性，在一定程度上表達了流域的景觀結(jié)構(gòu)特征。生態(tài)風(fēng)險的等級分布規(guī)律與景觀破碎程度和景觀敏感性有密切關(guān)系，低生態(tài)風(fēng)險主要分布在流域湖盆的平原上，高生態(tài)風(fēng)險僅分布于杞麓湖一帶，較高生態(tài)風(fēng)險分布最為零散，較低和中生態(tài)風(fēng)險主要繞湖盆和湖泊分布。