滇池流域土地利用演变及景观生态安全评价研究

武泽民 余哲修 李 瑶 刘 娇 王进松 张 超

（1. 西南林业大学林学院，云南 昆明 650233；2. 北京林业大学省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083；3. 云南省地矿测绘院罗平分院，云南 曲靖 655899；4. 中国林业科学研究院资源昆虫研究所，云南 昆明 650233；5. 西南林业大学办公室，云南 昆明 650233）

经济社会与生态环境协同发展是一个复杂而艰巨的难题[1]，土地利用变化清晰反映了自然环境和人类活动相互作用后的生态环境变化特征[2]，为生态环境保护提供了重要参考，受到国内外学者的广泛关注[3-7]。国外早期研究以土地利用调查为主，逐渐发展为农业生产力研究，并不断向土地综合利用深入。我国作为农业古国，土地利用变化由起初简单的分类、开发和管理逐步向利用3S技术对土地利用现状调查与环境监测方面发展。刘纪远等[8]基于Landsat OLI、GF-2等卫星遥感图像和人机交互解译方法，应用动态度、年变化率等指标，从全国和分区角度揭示了2010—2015年中国土地利用变化的时空特征。尹小岚等[9]以辽河三角洲地区3期遥感影像数据为基础，采用动态度、利用程度指数探讨了研究区13 a间土地利用动态变化的特点。陈书林等[10]利用土地利用动态度、土地利用程度和主成分分析等方法，探讨了长三角地区近30 a土地利用变化特征及其驱动机制，表明经济发展、人口增加和城市化水平提高是造成土地利用变化的主要原因。发展至今，基于3S技术的土地利用变化研究取得了较为丰硕的成果，相关技术理论、方法已趋于成熟。

在土地利用变化研究不断深入的同时，区域景观生态风险及安全评价研究也在逐步推进[11-12]。景观生态安全从生态学角度探讨区域生态安全问题，可以直观地反映区域生态系统的结构和组成特征[13]。李杨帆等[14]运用景观生态学和景观生态安全格局相关理论与方法，识别了区域景观生态安全格局中处于风险状态的关键源。王涛等[15]基于Landsat遥感影像数据计算了洱海流域的景观生态风险指数，定量评价了洱海流域的土地利用变化及景观生态风险，表明人为活动是导致高生态风险区域增多的重要原因。韩逸等[16]应用地理加权回归模型，探究了自然、社会经济因素对区域耕地景观生态安全的影响，为耕地景观生态安全干扰来源、保护对策和实施落实提供了参考依据。滇池流域作为高原湖泊流域的典型代表，从土地利用的角度开展景观生态安全评价及空间演变规律研究，分析其土地利用变化带来的生态环境[17]、生态安全[18]问题，可以为区域生态环境保护及高原湖泊生态环境变化研究提供参考依据。

1 研究区概况

滇 池 流 域 地 处24°36′55″ ～ 25°09′42″N，102°33′25″～102°54′14″E，面积13.12万hm2，约占云南省总面积的3.43%。流域内最高海拔2 479 m，最低海拔1 753 m，地势东北高西南低，以滇池为中心向四周不断递升，形成盆地、丘陵、山地地貌。流域属于亚热带低纬度高原山地季风气候，年平均气温15 ℃，历史极端低温-8 ℃、极端高温31.2 ℃，多年平均降雨量900 mm，降水量时空分布不均，集中于夏季。流域内行政区划为五华、盘龙、官渡、西山、呈贡、晋宁6个区，优越的自然资源和社会环境，已经形成了以旅游业为龙头，以冶金、烟草、机械为主的工业，以房地产开发为主的建筑业，以蔬菜、花卉为主的特色农业的发展格局。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

在地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn/）获取覆盖研究区的Landsat卫星遥感影像数据，数据基本信息见表1，遥感影像平均云量较低，能够符合研究需要。以1995年、2005年、2015年3期Landsat卫星遥感影像为基础，对原始影像进行辐射定标、大气校正、图像裁剪等预处理。

2.2 土地利用分类

根据土地利用分类标准（GB/T 21010—2017）[19]，将流域内土地利用类型划分为林地、耕地、建设用地、水域、湿地、灌草地、未利用地7个地类，应用目视解译方法提取出滇池流域3期土地利用斑块信息数据；利用Google Earth平台提供的不同时期高清卫星影像，作为验证参考影像，计算验证样本的混淆矩阵，对各期土地利用分类结果进行精度评价，3期分类结果平均总体精度为86.12%，满足研究精度需要。滇池流域1995年、2005年、2015年3个 时 期 的 土 地 利 用遥感分类结果见图1。

图 1 滇池流域不同时期土地利用遥感分类结果Fig. 1 Remote sensing classification results of land use for various periods in Dianchi Lake watershed

2.3 土地利用转移

表征各类土地利用类型变化的方向和结构特征，描述研究区不同时期各土地利用类型间流失与转移[20]，计算方法见式（1）：

式中：Sij代表研究时段内第i类土地利用转换成第j类土地利用的面积，n表示转移前后的土地利用类型数目，i和j分别代表转移前后的土地利用类型。

2.4 景观生态安全评价方法

2.4.1 划分评价单元

根据滇池流域范围及景观斑块面积大小，在ArcGIS软件中进行2 km×2 km正方形网格化（图2），作为采集生态风险评价单元样本，共采集样地385个，利用景观生态安全指数计算公式得出每一评价单元样地生态风险指数，作为样地中心点的生态风险值。

2.4.2 构建景观生态安全评价模型

通过景观破碎度、景观分离度和景观优势度的叠加建立景观干扰指数，结合景观敏感度指数建立景观损失指数，在此基础上构建景观生态风险指数[21]。安全为风险的反函数，景观生态安全指数（LESI）用风险指数的倒数表征[22]。计算公式见式（2）～（8）：

式中：LESI为景观生态安全指数，LERI为景观生态风险指数。

图 2 景观生态安全样区网格化Fig. 2 Gridding of landscape ecological safety sample area

式中：Ri为景观类型生态风险强度，n为景观类型数量，Aki为第k个样地内i类景观类型面积，TAk为第k个样地的总面积。计算整个研究区LERI时，Aki为研究区内i类景观类型面积，TAk为研究区总面积。

式中：Ei为景观生态风险作用度；Fi为景观脆弱度指数，i为景观类型。

式中：Ci为景观破碎指数，Si为分离指数，Ki为优势指数。a、b、c为各指标权重，且a+b+c=1，结合研究区情况，将a、b、c分别赋值0.3、0.2、0.5。Ci、Si、Ki量纲不同，对其归一化。

式中：ni为样地内景观类型i的斑块指数，Ai为样地内景观类型i的总面积，TA为景观样地总面积，N为样地景观类型斑块总数；mi为景观类型i出现的样地数，M为总样地数。

参考前人研究结果[23-24]，分别对7种景观类型脆弱度（Fi）进行赋值，未利用地为6、水域为5、耕地为4、林地为3、湿地及灌草地为2、建设用地为1，并由此进行归一化后作为该景观类型的脆弱度指数。

2.4.3 空间分析方法

利用ArcGIS软件将研究区各样地景观生态安全数值分为5个级别，制作景观生态安全空间分布图，分析景观生态安全空间分异特征。

3 结果与分析

3.1 土地利用变化

由表2可知，1995—2015年，滇池流域土地利用类型在不同时期均以建设用地、耕地、林地和水域为主。其中，各时期林地面积分别占总面积的17.37%、16.80%、15.89%，林地面积逐年减少，主要分布于流域边界；耕地面积分别占总面积的26.58%、22.94%、14.59%，面积逐年减少，2005—2015年减少趋势较为明显，这与启动呈贡新区建设有着密不可分的联系；建设用地面积分别占总面积的21.37%、26.17%、34.51%，面积逐年增加，与耕地呈对应变化趋势，从滇池北面的主城区不断向滇池东岸扩张；水域面积分别占总面积的23.79%、23.82%、23.50%，面积波动变化，整体上呈缓慢减少趋势；湿地面积分别占总面积的4.51%、3.43%、3.09%，面积逐年减少，主要分布于滇池沿岸；灌草地面积分别占总面积的5.07%、4.99%、5.09%，面积波动变化，与林地相间分布；未利用地面积分别占总面积的1.31%、1.85%、3.33%，面积逐年增加，零散分布于建设用地周围。

表 2 滇池流域不同时期的土地利用结构组成Table 2 Structure composition of land use for various periods in Dianchi Lake watershed

总体上，1995—2015年，滇池流域受城市化影响，建设用地及耕地面积变化显著，其中建设用地面积逐年增加，耕地面积逐年减少，林地及湿地面积缓慢减少，灌草地面积波动变化，水域面积基本保持稳定。林地、湿地和水域面积的减少，也是滇池流域生态环境恶化的表征。

3.2 土地利用转移矩阵

1995—2005年土地利用转移矩阵见表3。由表3可知，1995—2005年，林地面积转移1 319.93 hm2，新增574.47 hm2，转移面积是新增面积的2.3倍，林地面呈减少趋势；耕地面积转移5 751.39 hm2，新增978.49 hm2，转移面积是新增面积的5.9倍，转变为建设用地面积占转移总面积的85%；建设用地面积转移612.97 hm2，新增6 907.61 hm2，新增面积是转移面积的11.3倍，转入源主要来自耕地及湿地，表明“九五”到“十五”两个5年期间，随着昆明市经济社会发展和人口增加，对建设用地的需求量不断加大，其他地类大量被建设用地占用；水域面积转移621.07 hm2，新增659.87 hm2，变化较为缓和；湿地面积转移2 079.66 hm2，新增663.15 hm2，转移面积是新增面积的3.1倍，主要转变为建设用地、水域及耕地；灌草地面积转移641.63 hm2，新增531.26 hm2，面积有所减少；未利用地面积转移52.64 hm2，新增764.43 hm2，新增面积是转移面积的14.5倍，转入源主要来自耕地、林地及建设用地。

表 3 1995—2005年土地利用转移矩阵Table 3 Transfer matrix of land use in 1995-2005 hm2

2005—2015年土地利用转移矩阵见表4。由表4可知，2005—2015年，林地面积转移1 983.93 hm2，新增797.80 hm2，主要转变为灌草地、耕地及建设用地，处于持续减少趋势；耕地面积转移12 344.85 hm2，新增1 381.46 hm2，转移面积是新增面积的8.9倍，其中转移为建设用地面积占79%，转移为未利用地占10%，耕地转移面积依旧是7个地类中转移面积最多的地类；建设用地面积转移223.02 hm2，新增11 165.74 hm2，新增面积是转移面积的50.1倍，最大转入源依旧来自耕地，期间，昆明市为了满足各类活动的需求，城区建设由滇池北面的主城区不断向滇池东岸扩张，打造了新兴工业、科教文卫和现代综合服务的呈贡新区，致使滇池流域建设用地面积不断增加；水域面积转移716.66 hm2，新增291.55 hm2，呈缓慢减少趋势；湿地面积转移1 339.37 hm2，新增900.84 hm2，有减少趋势，随着城市景观的无序扩张，缺乏监管保护意识，部分湿地被污染或排水后改为他用，导致湿地面积 减 少；灌 草 地 面 积 转 移1 348.99 hm2，新 增1 485.75 hm2，呈不明显增加趋势，灌草地自身十分脆弱，极易遭到自然环境、人类活动干扰；未利用地面积转移199.25 hm2，新增2 132.93 hm2，新增面积是转移面积的10.7倍，未利用地在7个地类新增面积仅次于建设用地，未利用地大部分由土地资源过度开发和不合理利用演变形成，建设用地急剧扩张形成搁置地是未利用地不断增长的主要原因。

表 4 2005—2015年土地利用转移矩阵Table 4 Transfer matrix of land use in 2005-2015 hm2

3.3 景观生态安全等级

生态环境恶化对社会经济发展带来了严重影响，优化景观生态安全的空间格局，强化生态环境保护力度对于区域社会经济发展意义深远[25]。根据公式计算滇池流域385个评价单元1995年、2005年、2015年景观生态安全等级（表5）。1995年景观生态安全指数9.11～94.86，均值38.16；2005年景观生态安全指数9.11～99.94，均值41.50；2015年景观生态安全指数9.11～99.36，均值42.19。为了比较滇池流域景观生态安全等级空间变化，利用ArcGIS中的Natural breaks将整个流域的生态风险指数划分为5个等级，分别为：低安全区、较低安全区、中度安全区、较高安全区、高安全区（图3）。滇池流域生态安全空间分布，一定程度上体现了流域景观结构的分布规律，具有明显的区位性和异质性特征。受到小尺度空间结构的影响，流域小幅度的土地利用空间结构变化都会对流域的景观生态风险带来明显的变化。

表 5 景观生态安全等级Table 5 landscape ecological security level

图 3 景观生态安全空间分布Fig. 3 Spatial distribution of landscape ecological security

低安全区面积波动变化，主要集中于滇池水面。水域生态系统十分脆弱，长期的沉积作用和地壳运动，导致滇池湖床抬高、出水口少、流动性差、置换周期长，造成循环不通畅，出入不均衡问题，尤其是北面的昆明主城区大量污染物向湖中排放并堆积，水质不断变差。另一方面，流域内降水时空分布不均，汛期5—10月降水占年降水总量的85%左右，致使水土流失加剧，每逢雨季大量泥沙及污染物卷入滇池，导致水环境恶化及水域面积减少，其潜在景观生态风险程度最高。

较低安全区面积逐年减少，1995年面积最大，主要分布于滇池岸边，并不断向东岸、南岸扩张，研究期间，以滇池为中心的沿岸发生了巨大变化，集中分布于沿岸的湿地环境被严重破坏。随着人类生态环境保护的增强，保护措施及力度的加大，修建恢复生态湿地公园成为有效途径，随之带来的问题是景观斑块破碎度和分离度增大，滇池周围的环境日趋复杂，生态风险趋于恶化，生态安全不容乐观。另一方面，位于滇池东岸、南岸的呈贡区、晋宁区，在城市化的驱使下，大量耕地被用于基础设施建设，加上人民生活水平不断提高，农村兴修房屋，大量耕地被宅基地占用，导致景观生态风险增加。

中度安全区面积逐年减少，主要分布于滇池四周及呈贡大部。前期，随着人类活动加剧，社会经济快速发展，滇池沿岸建设用地迅速增加，环湖道路、环湖景点、环湖住宅不断建设，以及呈贡新区的大力开发，导致中安全区面积不断扩大。后期，随着修建力度变缓，景观斑块变化逐步趋于稳定。

较高安全区面积逐年增加，广泛分布于流域内，主要集中在昆明主城区，西山、呈贡、晋宁局部。以主城区为中心的市级行政中心，在政府的统一规划下，土地开发从大力开发走向平稳，斑块逐渐聚合，空间上连接成片，斑块破碎度降低，生态风险降低，较高生态安全区面积随之扩大。

高安全区面积逐年增加，主要分布于主城区大部及呈贡区局部，该区域景观优势明显，连片的城市住宅，形成了较为稳定的景观结构，景观破碎度和敏感度相对较低。

综上，滇池流域主要以较高安全区面积为主，其次是中安全区。流域的生态总体向更高安全等级转化。主要表现为：1995—2015年，高安全区面积增加7 675.27 hm2，较高安全区面积增加10 544.46 hm2，中安全区面积不断向高安全区、较高安全区转移，安全区面积比重不断增加。

4 结论与讨论

以滇池流域为研究区，基于Landsat遥感影像，以1995年、2005年、2015年为研究时段，从滇池流域土地利用数量变化、空间变化、景观生态安全3个方面开展研究，得出以下结论：

1）通过遥感影像解译分类结果分析滇池流域土地利用数量变化，结果表明，1995—2015年，滇池流域土地利用类型在不同时期均以建设用地、耕地、林地和水域为主。其中，林地及湿地面积平均占总面积的16.69%、3.68%，面积逐年减少；耕地、建设用地及未利用地面积平均占总面积的21.37%、27.35%、2.16%，面积逐年增加；水域及灌草地面积平均占总面积的23.7%、5.05%，面积波动变化。从各地类的数量变化看，滇池流域的生态环境问题依然突出，环境形势不容乐观。

2）运用土地利用转移矩阵模型分析滇池流域景观空间变化，结果表明，1995—2015年，2个研究时段内分别有11 079.29、18 156.07 hm2土地发生变化，其中耕地转移面积最多，分别占转移总面积的51.9%、68.0%。建设用地新增面积最多，分别占新增总面积的62.3%、61.5%。建设用地迅速扩展与人口增长、社会经济发展有着密不可分的联系，滇池流域人地矛盾日益激化依然是当前趋势。提升人对地的科学认识，合理调控人口数量，推进生产方式转型是破解当下人地矛盾的有效途径[26]。

3）利用景观生态安全评价模型分析滇池流域景观生态安全格局，结果表明，1995—2015年，研究区面积以较高安全区及中安全区为主。3个时期景观生态安全指数均值分别为38.16、41.50、42.19，安全指数不断增加。低安全区面积波动变化，主要分布于滇池水面；较低安全区面积逐年减少，主要分布于滇池沿岸并不断向东南岸扩张；中安全区面积逐年减少，主要分布于滇池四周；较高安全区面积逐年增加，广泛分布于研究区内；高安全区面积逐年增加，主要分布于主城区内。虽然较高安全区和高安全区面积逐年增加，但情况依旧不容乐观，从各个安全等级可以得出，滇池及周围环境治理依然面临严峻挑战，必须进一步加大对滇池及周边湿地的治理，从而避免高破碎化景观发生。滇池是流域内的主要水体，昆明市的发展极度依赖于滇池，滇池的环境深受昆明市发展影响，两者“互融互生”，加大滇池保护治理力度依然是当前乃至长期的一项重要工作。

滇池流域作为高原湖泊流域土地利用变化研究的典型，受自然及社会经济影响明显，诸多学者从森林、土壤、湿地、水环境等方面做了大量研究，为生态安全研究提供了一定的技术方法和理论依据。但生态安全是一个动态变化的过程，评价标准和阈值的确定是研究工作中的难点[27]，时间、空间、功能等基准的确定，有待进一步探讨和研究。目前，很多研究以现状评价为主，对区域生态建设的指导作用不大，后续研究可以结合更多评价模型，全面、系统、科学地对土地生态安全问题进行探讨，从预警分析的角度评价生态安全问题，以期不断提高研究的科学性和指导性。