云南省三大高原湖泊流域土地利用景观格局及其稳定性分析

2018-09-11张建生裴文娟杨苍玲陈运春余建新曾维军

西南农业学报 2018年8期

樊凯，张建生，裴文娟，杨苍玲，陈运春，余建新，曾维军 *

(1.云南农业大学水利学院，云南昆明 650201；2.云南农业大学国土资源科学技术工程研究中心，云南昆明 650201)

【研究意义】随着社会经济迅速发展，城市化进程加快，环境质量不断下降，人口、资源与环境问题日益突出，土地利用/覆被变化以及生态环境问题已成为世界各国研究的热点。【前人研究进展】研究内容主要包括土地利用变化规律[1-2]、机制[3-4]、驱动力[5-7]、景观空间格局[8-10]等，关于土地利用景观格局的研究主要以省[11-12]、市(县)[13-16]、典型流域[17-19]为尺度开展，以高原湖泊流域为尺度开展的研究较少，以上研究中，以同一研究区域不同时相变化研究为主，对于不同研究区之间的对比分析较少。【本研究的切入点】高原湖泊具有调节区域气候等重要功能，但生态系统极为脆弱，根据《云南省2016年度环境状况公报》，九大高原湖泊中泸沽湖、抚仙湖水质为优，洱海水质为良，滇池达到重度污染，而土地利用与湖泊污染密切相关，探索合理的土地利用结构是湖泊流域污染治理的有效途径，也是农业结构调整的基础。【拟解决的关键问题】选取滇池(省会城市、重度污染)、洱海(地级市、水质良好)和抚仙湖流域(县城、I类水质)作为研究对象，分析三大高原湖泊流域土地利用景观格局及其稳定性，对研究区域农业结构调整及治理流域面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇池流域覆盖昆明市主城区及部分县域，整个流域地势由北向南逐渐降低。随着社会经济的快速发展，昆明城市建成区快速扩张，流域土地利用景观格局发生了较大变化，景观呈现破碎化与边界复杂化的发展趋势[20]；洱海流域流经大理州洱源县、大理市等，沿湖区域地势平坦，外围以山地为主。流域内土地利用类型以林地、草地和水田为主，经济社会发展对洱海流域的土地利用结构产生了一定影响[21]；抚仙湖流域地处滇中，湖泊北面为盆地，东西两侧为断层崖或断块山地，南面为冲积平原[22]。20世纪80年代以来，人类不合理的开发活动对流域土地利用结构造成了一定的破坏，但近年来随着对流域生态环境的重视，土地利用结构逐步得到优化。

1.2 数据来源与处理

数据来源于Landsat8 OLI遥感影像，拍摄时间为2016年1月，行号43，条带号129。利用ERDAS对三大湖泊流域的遥感影像进行校正、增强处理基础上，选取训练样本，进行监督分类，按照土地利用现状分类标准(GB/T 21010-2007)，结合土地利用现状，将三大湖泊流域的土地利用类型划分为耕地、园地、林地、草地、建设用地、水域和未利用地七类。并进一步提取土地利用类型及面积等数据(图1)。

1.3 研究方法

1.3.1 景观格局指数分析方法文章选取景观多样性指数、均匀度指数、优势度指数以及破碎度指数对三大湖泊流域的整体景观格局特征进行分析。指数公式见表1。

图1 三大湖泊流域土地利用遥感分类Fig.1 Remote sensing classification of land use in three major lake basins

表1 景观特征指数及涵义

表2 三大湖泊流域整体景观格局指数

1.3.2 分形理论分析方法运用分形理论，计算分形维数，进而对景观空间格局的变化规律及景观格局稳定性进行分析[23]。Mandelbrot研究分形几何体的形态结构，建立了表面积S(r)与体积V(r)的关系式：

S(r)1/D～V(r)1/3

(1)

根据公式(1)可以推导出n维欧式空间的分形公式：

令(2)式n=2，A(r)表示以r为测量尺度的图斑面积，P(r)表示其周长，并做对数变换，就得到下式:

lnA(r)=2lnP(r)/D+C

(3)

式中，D是分维值，C是常数。Mandelbrot认为，布朗运动的线-线函数的分维数是1.5。当D=1.5时，表示该图形处于一种类似于布朗运动的随机状态，即最不稳定状态。D值越接近1.5，表示该要素越不稳定，在这里，我们定义景观要素的稳定性指数：

SI=|D-1.5|

(4)

式中，分维值D介于1和2之间，当D=1时，说明斑块处于一种完全规则体的状态；当D=1.5时，即SI=0时，说明斑块处于一种布朗运动的随机状态；当D=2时，说明土地利用斑块的形状最复杂。SI为稳定性指数，SI值越大表示景观的空间结构越稳定。

2 结果与分析

2.1 流域土地利用景观格局分析

三大湖泊流域土地利用整体景观格局特征指数计算结果见表2，对三大湖泊流域整体景观格局进行横向分析，即对不同流域的同一指数进行分析，结果如下：

(1)多样性指数排序是抚仙湖流域>洱海流域>滇池流域，分别为1.38、1.35和1.29，说明滇池流域土地利用景观结构多样化程度最低，景观多样性较差，各景观类型协调性较低；抚仙湖流域土地利用景观结构多样化程度最高，景观多样性保持较好，各土地利用类型协调性较高；洱海流域多样性程度处于二者之间。

(2)均匀度指数排序是抚仙湖流域>洱海流域>滇池流域，分别为0.71、0.69和0.66，优势度指数排序是滇池流域>洱海流域>抚仙湖流域，分别为0.66、0.60和0.57。说明滇池流域土地利用景观结构均衡程度较差，各地类分布不平衡，这主要是由于流域内林地和耕地面积比重较大，占总面积的比例高达76.32 %，极大地提高了整体景观的优势度。抚仙湖流域土地利用结构均衡程度较好，各地类分布较平衡；洱海流域景观均匀程度位于二者之间。

(3)破碎度指数排序是滇池流域>抚仙湖流域>洱海流域，分别为0.18、0.12和0.06。说明滇池流域土地利用景观格局破碎化程度最高，景观的分割最严重，这主要是由于滇池流域地处喀斯特地貌区，石漠化程度较深，导致景观分割严重；抚仙湖流域土地利用景观结构破碎化程度较高是由于流域地处滇中盆地中部长江水系与珠江水系的分水岭地带，周围多为断块侵蚀山地，地势起伏较大，分布零散，湖泊两侧共有61个亚流域，特殊的地质条件对抚仙湖流域的地形造成了很大的分割；洱海流域土地利用景观结构破碎化程度最低。

对三大湖泊流域整体景观格局进行纵向分析，即对同一流域的不同指数进行分析，结果如下：

(1)滇池流域多样性指数和均匀度指数最小，优势指数和破碎度指数最大，说明滇池流域土地利用景观结构多样性程度最差，景观类型分布不均匀，景观分割程度最严重。

(2)洱海流域除破碎度指数最低之外，多样性、均匀度和破碎度指数均处于中间水平，较接近于抚仙湖流域，因此总体来看，该流域土地利用景观结构多样性程度较好，景观类型分布较为均匀，景观类型分割小，连通性最好。

(3)抚仙湖流域多样性指数和均匀度指数均最大，优势度指数最低，破碎度指数处于中间水平，综合分析，该流域土地利用景观结构最简单，受人为干扰程度最低。

表3 滇池流域土地利用景观类型线性回归分析

表4 洱海流域土地利用景观类型线性回归分析

表5 抚仙湖流域土地利用景观类型线性回归分析

2.2 土地利用景观结构稳定性分析

以斑块周长的对数为自变量，面积的对数为因变量，在SPSS软件中做回归分析，结果见表3～5。

三大湖泊流域景观类型分维数及稳定性指数计算结果见表6。

从表3～5可知，除抚仙湖流域园地外(斑块数量太少)，三大湖泊流域所有景观类型周长和面积对数之间的相关性都大于0.943，确定性系数都大于0.888，调整后的确定性系数都大于0.884，显著检验水平都小于0.05，说明两变量拟合程度好，所建立的回归方程有效。

2.2.1 景观格局稳定性指数横向分析对三大湖泊流域土地利用景观格局稳定性进行横向分析，即对不同流域同一景观类型空间结构稳定性进行分析，结果如下：

表6 三大湖泊流域土地利用景观分维值和稳定性指数

(1)从耕地来看，洱海流域(0.067)>抚仙湖流域(0.044)>滇池流域(0.033)，洱海流域的耕地最为稳定，主要是自20世纪90年代以来，就重视耕地的规划管理；滇池流域的耕地稳定性最差，主要是由于近年来昆明经济高速发展，随着“一湖四片”战略的提出，主城及周边各县都迅速扩张，大量的耕地转为建设用地，对耕地造成极大的扰动；抚仙湖流域耕地稳定处于中间水平。

(2)从园地来看，滇池流域园地稳定性指数最小，为0.032，在三大流域中形状最为复杂，稳定性最差，洱海流域稳定性指数较大，为0.100。

(3)从林地来看，洱海流域(0.044)>抚仙湖流域(0.016)>滇池流域(0.013)，相比其他景观类型，三大湖泊流域林地的分维值都比较大，稳定性指数都是最小的，其中滇池流域最小，结构稳定性最差，洱海流域最大，结构稳定性最好。

(4)从草地来看，洱海流域(0.062)>滇池流域(0.040)>抚仙湖流域(0.037)，洱海流域草地稳定性最好，滇池流域和抚仙湖流域较差，结构较复杂，主要是由于滇池流域石漠化程度较深，草地形状不规则，抚仙湖流域地势起伏较大，地质条件复杂。

(5)从建设用地来看，抚仙湖流域(0.108)>滇池流域(0.103)>洱海流域(0.074)，抚仙湖流域建设用地结构最简单，稳定性最好，主要是由于抚仙湖流域以农业为主，农村人口多，对建设用地的扰动小；滇池流域的建设用地稳定性也较好，主要是由于昆明市城市化水平最高，城市规划较好，建设用地布局较为合理；洱海流域建设用地稳定性最差，结构最复杂，主要是由于大理州作为重要的旅游城市，房屋建筑以自己的风格为主，规划较为随意，新老建筑结合，空间结构复杂。

(6)从水域来看，抚仙湖流域(0.281)>洱海流域(0.260)>滇池流域(0.129)，与其他景观类型对比，水域的稳定性指数最大，都在0.100以上。主要是由于政府不断加强对高原湖泊的规划和治理工作，使得各湖泊结构日趋规则，而且水域自身也不像其他景观类型一样转移频繁，因此稳定性较好。其中抚仙湖流域的治理保护工作最好，因此稳定性最好，而滇池流域污染严重，人为破坏严重，因此稳定性最差。

(7)从未利用地来看，抚仙湖流域(0.130)>洱海流域(0.067)=滇池流域(0.067)，抚仙湖流域最好，洱海流域和滇池流域较差。

2.2.2 景观格局稳定性指数纵向分析对三大湖泊流域土地利用景观格局稳定性进行纵向分析，即对同一流域不同景观类型空间结构稳定性进行分析，结果如下：

(1)滇池流域稳定性指数排序为水域>建设用地>未利用地>草地>耕地>园地>林地，水域结构最稳定，建设用地次之，都超过0.100，其余景观类型稳定性指数都较低，林地最低，稳定性最差。

(2)洱海流域稳定性指数排序为水域>园地>建设用地>耕地=未利用地>草地>林地，水域结构最稳定，园地次之，稳定性指数都在0.100以上，林地结构稳定性最差。

(3)抚仙湖流域稳定性指数排序为水域>未利用地>建设用地>耕地>草地>林地，水域结构最稳定，未利用地、建设用地和园地较稳定，林地结构稳定性最差。

综合分析，三大湖泊流域水域和建设用地稳定性相对较好，耕地、林地和草地稳定性相对较差，从整体稳定性指数分析，洱海流域稳定性指数最高，为0.062，滇池流域和抚仙湖流域较低，分别为0.025和0.021，主要是由于滇池和抚仙湖两大流域的林地稳定性指数极低，分别为0.013和0.016，耕地和草地稳定性指数也远低于洱海流域，因此整个流域的稳定性偏低。

3 讨论

综上结果显示，流域土地利用景观格局特征与经济发展水平及污染程度有一定相关性，经济发展水平最好、污染最严重的滇池流域多样性和均匀程度最低，破碎化程度最高，经济发展水平较弱、污染最小的抚仙湖流域多样性和均匀程度最高，但因自然条件限制，其破碎化程度低于洱海流域。依靠周长-面积分维数来确定土地利用景观结构的稳定性大部分真实可靠，与其景观格局研究结果较为一致，但是仍然与实际情况存在一定的差别，比如研究结果中林地的稳定性最差，而在实际中海拔较高的大片阔叶林、针叶林都比较稳定；抚仙湖流域景观结构稳定性偏低，在现实中，抚仙湖流域经济发展水平较弱，城镇化水平较低，人类活动对景观干扰程度较低，景观结构应趋于稳定。因此在今后的研究中要进一步对景观类型进行细化，尤其研究稳定性时要考虑更多的影响因素，使之更加精细科学。