洱海北部陆域景观开发强度动态研究

2021-01-22王有兵施俊美杨建军张士平

防护林科技 2021年6期

王有兵施俊美杨建军张士平

摘要基于遥感与GIS技术，并结合有关调查数据，选取斑块数量、分维数、景观形状指数、破碎度、景观变化率等5个景观指数对研究区域2010—2019年景观结构和格局变化进行分析，采用 LDI 方法进一步评价了该区域环境健康状况。结果表明：研究区域耕地景观类型占主导地位，面积比例占50.81%以上，其次为建设用地，景观结构属农村—城镇组成系统;近几年随着洱海保护有关政策的实施，林地、耕地、沼泽地及水体等景观类型面积变化幅度较大;随时间的变化，土地利用格局得到进一步优化;2010年研究区域的 LDI 综合指数为4.77，环境健康等级为“一般”，较接近“不健康”等级，但随着洱海保护措施的实施而趋向于向“健康”等级发展。

关键词景观;分维数;破碎度; LDI 方法;健康等级;洱海

中图分类号：S771 文献标识码：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2021.06.019

景观结构的变化会引起生态环境的改变，可通过相关模型在不同层次水平上对其进行定量分析，获取景观结构的时空变化关系[1]。土地资源是人类活动的载体，土地利用作为人类最基本的实踐活动形式，是导致景观结构改变的直接原因，可以通过土地利用结构变化评估生态环境变化[2]。洱海是云南第二大高原湖泊，为洱海流域及周边部分区域内重要的生产生活水源地。自20世纪70年代起，洱海水位由自然调控转为人为调控，造成长期低水位运行，加之周边工农业的快速发展，村落密集，工农业污染物及生活污水入湖，导致多次大规模蓝藻暴发[3]。洱海水质的恶化备受关注，21世纪初有关部门开始实施洱海湖滨带的生态修复[4]，提出了“绿色流域建设”的防治思路[5]，但由于湖泊污染治理体系的不完善及社会经济发展的需求，后期一再暴发大规模藻化[6]。近几年开始实施环湖截污工程，拆除湖周部分建筑物，建设湖滨带生态廊道，对洱海流域部分入湖河流实施改造修复，洱海水质恶化趋势得到遏制，至今洱海水质处于Ⅱ ～ Ⅲ类水平。

本项研究区域位于洱海北部临湖陆域，该区域村落分布密集，农业高度发展，同时也是洱海流域上游区域水资源入洱海必经之地，主要河流有罗时江、永安江、弥苴河，湿地主要为西湖湿地。该区域可喻为洱海流域上游的“肾盂”，起到汇聚和净化上游水源的作用，是洱海保护的一道重要防线，也是洱海源头治理的关键区域之一。近几年，在该区域实施了退田还草还湿，建造人工湿地，修复河流面岸，逐步退出污染型工农业等洱海保护措施，为洱海保护做出了积极的响应。随着社会经济的发展和洱海保护措施的开展，该区域的景观结构发生了较大的变化，因此，通过分析景观结构、景观动态及景观功能之间的相互关系，预测该区域环境质量发展趋势，对该区域洱海保护措施实施成效给出科学的评价，并为区域内土地资源的进一步优化配置提供指导。

1 研究区概况

洱海流域位于云南省大理白族自治州中部，地跨大理市和洱源县（25°30′—26°00′ N，100°00′—100°30′ E），总面积25.65 万hm2，处于澜沧江、金沙江和元江三大水系分水岭地带，其水系属澜沧江水系。研究区域位于洱海流域的中部偏北（图1），为流域中部坝区东西径向最窄的区域，是流域上游水资源入洱海的必经之地。该区域地势平坦，水资源较为丰富，有“鱼米之乡”的美誉。区域内有国家级湿地一处，面积为949.78 hm2，主要河流有罗时江、永安江、弥苴河，这3条河流平均入湖水量占洱海平均补给水总量的70%以上。研究区域海拔1 968～2 125 m，总面积为9 953.15 hm2。

2 研究方法

2.1 数据来源

数据主要包括研究区域2014（资源三号卫星高清影像，分辨率10 m）、2016（航拍土地确权影像，分辨率1 m）、2019（资源三号卫星高清影像，分辨率10 m）年影像，时相均为12月，2010—2019年Google Earth历史影像;涉及研究区域的第三次全国土地调查矢量数据。

2.2 数据处理方法

以第三次全国土地调查矢量数据为基础，结合影像资料对研究区范围内的土地利用现状进行斑块区划，地类区划至二级地类，统计面积时进行适当归并，共归为6类景观类型：（1）建设用地，包括商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、交通运输用地;（2）空闲地;（3）林地，包括园地、乔木林地、灌木林地、其他林地及部分荒山草地;（4）耕地，包括水田、水浇地、旱地及其他土地中的设施农用地;（5）沼泽地，包括森林沼泽、灌丛沼泽等;（6）水体，包括河流水面、湖泊水面、水库水面、坑塘水面、养殖池塘、沟渠、干渠。

2.3 景观指数的选取

选取斑块数量、分维数、景观形状指数、破碎度、景观变化率等5个景观指数对研究区域景观结构变化进行分析，相关指标计算公式如下，各指标的生态学含义见文献[7-9]。

（1）分维数： FDi = 2ln（ Ei / 4） /ln Ai （1）

（2）景观形状指数： LSIi = 0.25 Ei /Ai （2）

（3）破碎度： FN = MPS ×（ n - 1） / Nc （3）

（4）景观年变化率： K =（ S b- S a）/ t （4）

式中： Ei 为斑块周长; Ai 为某景观类型的面积; MPS 由所有斑块的平均面积除以最小斑块面积得到; n 为某景观类型斑块数量; Nc 为研究区景观总面积除以最小斑块面积之值; S a、 S b分别为研究初期和研究末期的景观面积; t 为监测时段长度。 K >0表示监测时间内景观面积增加， K <0表示监测时间内景观面积减少， K 的绝对值越大表示面积变化的程度越大。

2.4 各斑块 LDI系数的确定及LDI综合指数计算

根据Brown等[10]2005年划分的 LDI系数表，结合研究区域的实际情况确定了各斑块类型的LDI系数（表1）。

式中： LDI total—研究区域 LDI 综合指数;% LUi —第 i 种土地利用类型的面积占研究区域总面积的百分比; LDIi —第 i 种土地利用类型的 LDI 系数。

3 结果与分析

3.1 景观类型结构变化

根据研究区域景观类型面积比例统计可知（表2和图2），2010—2019年间该区域占主导地位的景观类型为耕地，占比高达50.81%以上;其次为建设用地，占比达22.71%;再次为林地，占比达11.16%。至2019年，沼泽地和水体面积占比相差不大，空闲地面积占比仅为0.33%。研究区域村落数量较多，是建设用地的主要组成部分，总体上建设用地面积呈增加趋势，一批如高速公路、铁路、工厂等重大项目的建设，导致2010—2016年增速较快，变化率高达58.27，后期建设项目减少，2018—2019年增速明显减慢，变化率降至18.66;空闲地面积持续减少，特别是2016年以后减少幅度明显大于2016年以前，一些空闲地转变为建设用地或人工濕地;林地面积增幅在所有景观类型中为最大，主要呈现在2016—2018年沿主要河流两侧造林绿化，至2019年面积略有减少，主要是因为部分造林地转变为人工湿地;受洱海保护及其他有关生态保护政策的影响，一些如生态修复、绿化造林、水净化等项目落地于退出的耕地上，造成耕地面积持续减少，特别是2016—2018年减少幅度最大，部分水田退出后转变为水体或沼泽地;沼泽地是洱海源头水质净化的主要载体之一，因此在具备条件的水田、耕地等区域建设了部分沼泽地，面积变化趋势呈“增加-速增-略减”趋势，后期部分沼泽地转变为水体;水体面积表现为增加，呈“快-慢-快”的趋势，初期受市场经济的影响，部分水田转变为养殖塘，后期部分耕地改造为人工库塘。

3.2 景观格局变化

选取斑块数量、分维数、景观形状指数、破碎度4个指数对研究区域的景观格局动态变化进行了定量分析（表3）。从景观斑块数量看，除空闲地斑块数量呈减少趋势外，其余景观斑块数量均增加，建设用地的斑块数量最多，数量由2010年的500增加至2019年的884;水体斑块数量增加5倍左右，林地、耕地及沼泽地的斑块数量也有不同程度的增加。从景观破碎度看，建设用地的破碎度最高，其次为林地，再次为耕地，其余景观的破碎度均较小。建设用地、空闲地及林地的破碎度在时间变化上基本呈降低趋势，可见建设用地及林地虽在扩展，并且斑块数量整体呈现增加趋势，但其斑块并没有因为数量增加而变得破碎，而表现出更高的完整性。耕地的破碎度增加后又减少，主要是因在时间变化上耕地受分割破碎后又转变了利用类型而导致的。沼泽地和水体因受乡村道路的分割及人为增加斑块数量而更加破碎，破碎度呈增加趋势。

各景观类型的分维数在4个时期均小于1.5，说明总体上景观斑块形状简单。建设用地、林地及耕地的分维数随时间变化而增加，表明受人为干扰增加，斑块形状趋于复杂化;空闲地的分维数随时间变化而降低，表明其斑块形状趋于简单化;沼泽地和水体的分维数变化趋势存在不确定性，表明受干扰较频繁。从各景观类型斑块的形状指数看，除了空闲地外，其余景观的形状指数均呈现增大的趋势，表明在人为干扰的情况下，斑块结构向着松散型发展。

3.3 环境健康动态变化及评价

研究区域2010—2019年间的 LDI 综合指数动态变化见表4，其值呈现出逐渐降低的趋势。从各景观类型的结构比例看，该区域以农业生产为主，其次为居住区，是洱海流域内典型的农村—城镇组成系统。张淼等[11]将 LDI 值分为3个等级：1～2为“健康”;2～5为“一般”;大于5为“不健康”。参照该分级可知，2010年该区域 LDI 综合指数高达4.77，环境健康等级处于“一般”，但较靠近“不健康”等级，说明该区域属于农业型坝区，受城镇化发展的影响较大。2016—2018年 LDI 综合指数的降幅较大，说明在该时期一些如退田还湿还水、造林绿化等环境友好型项目的实施取得了一定成效。随着后续有关项目的推进，该区域的环境健康状况将进一步得到改善。

4 结论与讨论

4.1 结论

基于遥感与GIS技术，对研究区域2010—2019年景观结构及格局变化进行了分析，采用 LDI 方法进一步评价了该区域环境健康状况，得出以下结论：

（1）研究区域景观类型以耕地为主导，其次为建设用地，属农村—城镇组成系统;

（2）研究区域的林地、耕地、沼泽地及水体等景观类型面积变化幅度较大，发展趋势良好;

（3）研究区域土地利用类型的空间布局随时间变化得到进一步优化;

（4）研究区域环境健康等级为“一般”，但随时间的变化而趋向于向“健康”等级发展。

4.2 讨论

研究区域位于洱海流域中部偏北，是洱海北部重要的“北三江”区域（罗时江、永安江、弥苴河），该区域景观结构是流域内典型的农村—城镇组成系统，以农业生产为主，乡村聚落密布其中。由于该区域区位的独特性，其是洱海流域北段洱海补给水的唯一过境地，因此该区域成了洱海保护治理的关键区域之一。“北三江”区域所汇聚的洱海补给水占洱海总补给水的70%，同时也是洱海污染物输入的主要渠道之一。

1998—2016年洱海总磷污染负荷总体呈上升趋势，具体表现为流域内点源污染增加、面源污染减少，但面源污染仍是主要污染源，农业面源、畜禽养殖粪便和城镇居民生活污水是洱海流域三大污染来源，洱海湖区北部污染物浓度要高于其他地区[12，13]。研究区域农业面广、人口密集，畜禽养殖业是主要的辅助产业，因此成为洱海污染物主要来源区之一。为了建立保护洱海的最后一道生态防线，近几年在湖岸、河流等区域建设了人工湿地、生态塘湿地等拟自然水源净化系统，有效地截留了部分污染物[14-16]。

因此，调整农业结构模式和优化土地利用方式是改善该区域自然环境的有效手段，只有加强和巩固区域水源自然净化能力，推动“绿色流域建设”的步伐，改善流域人居環境，才能带动区域绿色经济的发展。

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