云南异龙湖景观格局时空变化及驱动因素研究*

2022-02-19马国强肖剑平吴鸿章李俊冬汪靖山李旭

西部林业科学 2022年1期

马国强,肖剑平,吴鸿章,李俊冬,汪靖山,李旭

(1.国家林业和草原局昆明勘察设计院,云南昆明650216;2.兰州大学生命科学学院,甘肃兰州 730000;3.西南林业大学生物多样性保护学院,云南省高校极小种群野生动物保育重点实验室,云南昆明 650224;4.异龙湖管理局,云南石屏 662200)

湿地是自然界生物多样性丰富、人类社会赖以生存和发展的环境之一[1]。湿地景观是指具有异质性结构的湿地斑块在不同尺度上的分布状态[2]。在自然及人文因素生态过程影响下，湿地景观类型空间组成分布的多样性，表示各类型的湿地斑块在空间上分布特征[3]。湿地景观的空间结构及景观功能与景观类型多样性的影响研究，是湿地科学和景观生态学等领域长期关注的焦点[4-6]。对比其他类型的景观格局研究，湿地景观格局基于景观生态学相关理论及技术的引入，更容易体现空间复杂性、不均匀性[7]。科学家们做了很多景观生态学与湿地结合的相关研究[8-10]，为推动在较大尺度上的湿地景观研究起到了作用。

近年来，许多学者借助 3S 技术，运用景观生态学理论对湿地演变过程及机制方面开展了大量研究[11]。它们主要集中在土地利用变化和湿地景观格局变化[12-13]、湿地生物多样性分布特征[14]、湿地保护与恢复[15-16]等方面，现有关于景观格局的研究通常是选取面积、形状、聚集度和多样性等景观格局相关指数来衡量、反映景观斑块的特征和组成。其中，Fragstats软件中包含的景观格局指数是使用最广泛的定量化测度指标[17-18]。异龙湖是云南省九大湖泊之一[19]。与云南省其他高原湖泊相比，异龙湖的历史很特别，经过多次大规模改造[20-21]。多次的改造后重建使得异龙湖和重生的湿地生态系统一样[22]，为了解异龙湖重建前后的景观格局演变，对其时间序列动态特征分析研究。鉴于此，以异龙湖为研究对象，通过异龙湖景观格局演变研究，探究异龙湖景观格局演变的驱动因素。为异龙湖流域未来可持续发展、生态环境保护和区域管理提供科学依据。

1 研究地概况

异龙湖位于石屏县城的东侧1 km(23°38′37″～23°42′05″N，102°29′52″～102°37′49″E)，西至小水，东至坝心镇，北至大瑞城村沿城南河，南至陆来村以东。异龙湖整个湖区呈东西向条带状，为一断陷溶湖积盆地，湖盆长30 km，宽2～6 km。湖区内地势平坦，沿北西—南东向展布，海拔1 420 m 左右，呈半封闭状态，盆内积水成湖，周围均为构造侵蚀中、低山地。盆地周围山峦起伏，从而构成了异龙湖汇水区典型的中山湖盆地貌。石屏地处低纬高原地带，季风气候典型，立体气候显著。年均日照2 308.4 h。年均相对湿度75%。异龙湖湖泊面积34 km2，流域面积326 km2，平均湖长6.55 km，平均湖宽2.75 km，平均水深2.9 m，最大水深6.5 m，蓄水量1.13 × 108m3。流域内的工业企业的行业类型包括：农副产品加工业、饮料制造业、非金属矿物制品业和塑料制品业，以农副产品加工业为主[21, 23]。

2 数据来源及分析方法

2.1 影像数据来源及处理

利用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)的“3S”技术，结合地形图、野外调查、以及现有资料，进行湿地特征监测。数据是异龙湖2012—2019年的遥感影像，为Landsat7全波段影像，分辨率为15 m，利用ENVI分别对8期影像进行预处理。

异龙湖的景观类型基于湿地现场考察资料及土地资源分类系统[24-26]进行划分，分为湿地类型景观与非湿地类型景观(表1)。采用最大似然法进行监督分类并与目视解译相结合的方式分别对8期预处理后的遥感影像进行景观类型解译。

表1 云南异龙湖景观类型分类体系Tab.1 Classification system of landscape types of Yilong Lake,Yunnan

2.2 景观指数分析方法

景观格局指数用于指示景观空间格局、结构特征及其变化[29]。景观指数分析法使用Fragstats 4.2计算景观格局指数，选择最大斑块指数(largest patch index)、斑块面积(patch size，hm2)、平均斑块面积(mean patch size，hm2)、斑块个数(number of patches，个)、斑块密度(patch density，个/hm2)、周长面积分维数(perimeter-area fractal dimension)、香农多样性指数(shannon’s diversity index)、香农均匀度指数(Shannon’s evenness index)等8个指数[29]。

2.3 驱动力分析

驱动因素主要包括自然因素和人为因素[30]。本次研究的自然驱动因素主要采用年降水总量(mm)、水总量(mm)和年平均气温(℃)3个指标(数据来自中国气象数据网 http://data.cma.cn)；人为驱动因素主要选用总人口、农村人口、城镇人口、人均生产总值、第一产业值(万元)、第二产业值(万元)和第三产业值(万元)共7个指标。采用主成分分析法，对研究区景观格局变化进行驱动力定量分析。

3 结果与分析

3.1 景观结构动态变化特征

3.1.1 景观结构时空变化特征

根据影像解译的结果，可以得到不同时期景观类型数据，2012—2019年各景观类型的时空变化情况如图1～图2。可知，2012—2019年间异龙湖各景观类型的规模变化显著。湿地景观中，异龙湖的水域面积增加了1 604.0 hm2，水域面积增加最快时段是2016—2017年间，增加了1 150.0 hm2，占增加面积的71.70%；沼泽面积减少了1 238.0 hm2，减少最快时段是2016—2017年间，减少了627.0 hm2，占减少面积的50.60%。草地的面积均出现大幅度增加，增加了296.0 hm2，增加面积为2013年间的两倍以上。

图1 云南异龙湖景观类型面积在时间序列上的变化Fig.1 Changes of landscape type and area in time series of Yilong Lake in Yunnan Province

图2 云南异龙湖景观类型在时间序列上的空间变化Fig.2 Spatial changes of landscape types of Yilong Lake in Yunnan Province in time series

3.1.2 景观结构转移特征

根据解译而得的异龙湖景观类型数据进一步分析，以弄清异龙湖2012—2019年各景观类型相互转移导致的景观结构变化情况(表2)。异龙湖景观结构转移特征主要表现为草地向沼泽、水域转换，总计转换265.0 hm2，占53.02%；沼泽向草地、建筑用地转换，总计转换121.0 hm2，占90.48%。而在湿地景观中，沼泽向水域转换了1 309.0 hm2，占79.23%。

表2 2012—2019年异龙湖景观类型转移矩阵Tab.2 The landscape type transfer matrix of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019 hm2

3.2 景观格局指数变化

3.2.1 景观水平格局变化特征

结果显示,2012—2019年期间，斑块个数和斑块密度均呈现先增加后减少的趋势：斑块个数先是由2012年的1012个增加到2015年的2 315个之后又减少到2019年的897个；斑块密度先是由2012年的26.808 9个/hm2增加到2015年的61.326 6个/hm2之后又减少到2019年的23.762 4个/hm2。这表明这期间景观破碎度是先升高而又下降的(表3)。

表3 2012—2019年云南异龙湖景观格局指数Tab.3 Landscape pattern index of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

在2015—2016年期间景观斑块数量和斑块密度呈现增大而又减少的状况，最大斑块指数呈现出先减小后增加的趋势，周长-面积分维数指数在整体上呈现出先增加后减小的趋势。周长-面积分维数有小幅度的增加，说明最大斑块优势明显增加，景观斑块复杂性程度减少，破碎化程度减少。景观的丰富性基于香农多样性指数和香农均匀度指数呈现先增加后减少变化过程，到2019年景观类型的优势度增加，多样性减少。

景观类型间的连通性增加，整体上的异质性降低。景观类型优势度及连通性增加的情况以水域景观表现最显著，2012年水域面积为1 297.0 hm2，占总面积的34.36%，而2019年水域面积为2 901.0 hm2，占总面积的76.87%。

3.2.2 类型水平格局变化特征

异龙湖的主要景观类型是水域和沼泽(图3)。2012—2019年期间，水域的斑块面积指数从2012年的34.37%增长到2019年的76.87%，其中，变化最大的时段是2016年之后，面积增加了两倍；最大斑块指数从2012年的40.45%增长到2019年的89.37%，其中，变化最大的时段是2016年之后，增长近两倍。2012—2019年期间，水域的平均斑块面积指数呈现先下降后增长再下降的趋势，2012—2016年，水域平均斑块面积指数从43.31%下降到16.25%；2016—2018年，水域平均斑块面积指数从16.25%增长到41.01%；2018—2019年，水域平均斑块面积从41.01%下降到10.69%。水域的斑块个数指数呈现先增长后下降再增长的趋势，2012—2016年，水域斑块个数从2.96%增长到8.55%；2016—2018年，水域斑块个数从8.55%下降到3.63%；2018—2019年，水域斑块个数从3.63%增长到6.91%。

图3 2012—2019年云南异龙湖生境类型景观指数变化Fig.3 Changes of habitat type and landscape index of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

沼泽的斑块面积和最大斑块指数均呈现下降的趋势，其中斑块面积指数从2012年的43.77%下降到2019年的10.96%，其中，变化最大的时段是2016年之后，面积减少了两倍多；最大斑块指数从2012年的53.40%下降到2019年的8.33%，其中，变化最大的时段是2016年之后，由2016年的39.42%下降到2019年的8.33%。沼泽的平均斑块面积指数呈现先下降后增长再下降的趋势，2012—2015年，沼泽平均斑块面积指数从8.38%下降到4.76%；2015—2016年，沼泽平均斑块面积指数从4.76%增长到17.10%；2016—2019年，沼泽的平均斑块面积指数从17.10%下降到3.19%。沼泽的斑块个数整体呈现先增长后下降再增长的趋势，2012—2015年，沼泽斑块个数从15.32%增长到17.64%；2015—2016年，沼泽斑块个数从17.64%下降到8.12%；2016—2019年，沼泽斑块个数从8.12%增长到23.19%。其他景观的聚集度指数走势平稳，变化不大。2019年水域的斑块面积和最大斑块指数的聚集度指数增大到了76.87%和89.37%，连通性提高；其他景观类型的斑块面积和最大斑块指数有不同程度的降低，连通性降低。

3.3 驱动因素分析

在统一处理驱动因子统计数据的基础上，对2012—2019 年异龙湖的景观格局变化历史进行了归因分析。分析结果为，第1、2主成分对总变量的解释度分别为77.93%和11.40%。经济发展水平是影响流域生态系统健康的主要限制因素。其中人为驱动因素：生产总值、第三产业值、第二产业值、第一产业值、农村人口在第1主成分上的载荷较大，这些指标主要反映了社会经济发展水平的状况，因此可以认为第一主成分是社会经济的代表；自然驱动因素中的年均气温在第2主成分上的载荷较大，因此第2主成分被认识是气候因素的代表。异龙湖的自然和人为驱动因素的基本变化情况如图4～图5。

图4 2012—2019年云南异龙湖景观变化人为驱动因素Fig.4 Human driven factors of landscape change of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

图5 2012—2019年云南异龙湖景观变化自然驱动因素Fig.5 Natural driving factors of landscape change of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

4 讨论与结论

4.1 讨论

(1)景观格局的变化受到多方面因素之间相互影响或间接的影响，人为影响作用于景观格局的同时，景观格局的演变也会在演化的过程中影响人类的生产社会活动[31]。结果表明：从时间上，2012—2019年间的异龙湖各景观类型规模变化显著。2009 年秋冬至 2013 年春，石屏县遭遇连续4年的干旱，异龙湖水位不断下降，至2011年3月底变为百余米的两个浅水潭，湖底淤泥龟裂，水生植物绝迹[21,23]。历史上异龙湖曾变为枯竭的湖，其水生动、植物群落也遭受灭绝性的打击。2012—2019年期间，异龙湖景观格局发生较大变化，主要集中在水域和沼泽两种景观类型之间的转换，水域面积增加了1 604.0 hm2，沼泽面积减少了1 238.0 hm2；而2016—2019年期间水域面积增加较快，沼泽面积快速减少。从空间上，异龙湖西岸湿地和南面变化显著，主要是由于大量的沼泽景观被清理，转为水域景观。无论是从时间上还是空间上，湿地景观变化显著，主要原因是2013—2019年，开展了异龙湖退塘还湖及生态修复、异龙湖补输水等治理工程，使水量增加水面变在大。在较小的时空尺度下，人为因素是景观格局变化的直接驱动力[32]。2016—2019年间，草地向沼泽、水域转换，沼泽向水域大面积转换，湿地景观面积占比从78.15%增加到87.85%。非湿地向湿地转换的面积为500.0 hm2，转换率为13.24%；湿地向非湿地的转换面积为133.0 hm2，转换率为3.53%。人类干预活动强度不断增大，对自然资源的开发日益加强，从而导致景观类型发生变化[33]。

(2)2012—2019年间，异龙湖斑块个数和斑块密度均呈现先增加后减少的趋势，说明异龙湖景观破碎度先升高后下降。2015年斑块个数和斑块密度达到最高，景观破碎度最大，主要是因为2014年未至2015年夏，异龙湖退耕、退田还湖治理力度增大，景观类型间的连通性减少，整体上的异质性增加。斑块数量越多，斑块密度越大，意味着景观破碎度越高[34]。而2019年斑块个数最小，破碎度最小，连通性最大，是由于2016年之后退耕、退田还湖治理力度增大使得原来被水面所分离的景观被大面积清理，形成之前多个小斑块合并。2012—2019年景观类型的优势度增加，多样性减少。由于受到人类干扰的影响，景观类型间的连通性增加，空间分布不均匀，丰富度降低，整体上的异质性降低。在异龙湖2012—2019年景观类型水平格局分析中，水域和沼泽的平均斑块面积指数出现相同的变化趋势。

(3)研究结果表明，异龙湖景观格局历史演变主要受社会经济因素的影响，主成分分析结果的解释度为77.93%。异龙湖周围城市和村镇是农业发达地区和经济文化中心，湿地资源与生产生活及社会文化联系紧密，随着经济发展，湿地资源人为利用强度增大，这与杨尊尊等[35]研究一致，受国家政策导向影响社会经济发展使得原有的景观结构发生巨大的变化。气候变化很可能是影响水循环的主要原因，并间接影响水资源[36]。石屏地处低纬高原地带，季风气候典型，立体气候显著。在将来的气候条件下，异龙湖湿地生态系统有退化的风险。生态补水保障之后，景观格局和驱动因素的互馈关系也会发生调整。在景观格局变化分析方面，对于景观结构时空变化的研究，由于非湿地景观中林地、灌丛、草地在影像中的所表现出的光谱特性相似，所以在使用ENVI软件进行影像翻译时会有误差，精度比其它生境低，分析得到的景观类型的变化图和景观结构动态变化的特征时，三者之间有一定的误差。在景观格局驱动的分析方面，对景观格局特征和驱动因素的响应关系的研究还有待进一步完善。