1990-2018 年云南星云湖流域景观格局时空演变特征研究

马国强 李秋洁 肖剑平

(1 国家林业和草原局西南调查规划院，云南 昆明 650216；2 兰州大学生命科学学院, 甘肃 兰州 730000；3 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

高原湖泊是云南重要的生态系统，也是促进云南国民经济和社会发展，实现富民兴滇不可缺少的重要资源(王涛等, 2020)。云南省约30%的GDP来源于九大高原湖泊，高原湖泊流域经济对云南省的经济发展起到了巨大推动作用(Oced, 2020)。景观格局反映景观要素在空间结构上的特征，可以从不同尺度讨论要素间的相互作用与生态效应(曹嘉铄等, 2021)，景观格局变化对区域乃至全球的生态系统服务供给能力具有重要影响(傅伯杰等,1999)。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(傅伯杰等, 2005)。分析景观格局能够识别生态功能重要区和生态敏感脆弱区的空间分布(白少云等, 2020)。景观格局时空变化过程的研究是未来可持续目标实现的重要内容，是代表人类活动对自然环境影响的直接表现形式(Lawler et al, 2014; Zhao et al, 2004)。近年来，在自然界和人为活动的双重干扰下，流域景观格局发生了剧烈变化(翟俊等, 2018)。目前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(王琦等,2019)。因此，深入研究时间序列和空间景观的变化特征对于优化景观类型结构，促进区域生态安全和可持续发展至关重要。

星云湖位于云南省玉溪市江川区，是云南省九大高原湖泊之一，是中国候鸟迁徙通道上的重要节点(国家林业局调查规划设计院, 2016; 张晓伦等,2020)。以星云湖流域为研究对象，通过星云湖流域景观格局演变研究，探究星云湖流域景观格局演变的驱动因素，为星云湖流域可持续发展、生态环境保护和区域管理提供科学依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

星云湖流域位于云南省玉溪市江川区境内(102°45′ ～102°48′ E，24°17′ ～24°23′ N), 流 域 总面积为371.1 km2，由半山区、坝区、水域构成(图1)。流域内生态问题突出，南北部山区水土流失严重，星云湖污染严重。湖水主要靠地表径流和湖面降水补给(李益敏等, 2017)。

图1 星云湖流域研究区地理位置图Fig.1 Map of Xingyunhu Lake basin study area

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理 星云湖流域遥感影像数据 为1990、1995、2000、2005、2010、2015、2018年陆地卫星系列数据，空间分辨率15 ～30 m，星云湖内的景观类型划分按照土地资源分类系统(中华人民共和国国家质量监督检验检疫局, 2017)。结合林地分类系统、湿地分类系统进行分类，同时根据野外考察结果并综合考虑湿地的水文、生态及人类活动的影响(闫欣等, 2019; 赵晓东等, 2021)，将星云湖流域景观类型分为湿地和非湿地2 个一级地类，其中湿地类型包括人工湿地、沼泽湿地、湖泊；非湿地类型包括林地、草地、耕地、建设用地，通过镶嵌和裁剪等预处理及现地核实获得研究区的景观类型数据。

1.2.2 景观格局指标体系构建 景观格局演变定量分析可通过不同景观指数来反映。景观类型动态度公式为(吴琳娜等, 2017)：

式中：K为一定时间内某一景观类型动态度；Ua、Ub分别为研究初期和末期某景观类型的面积(hm2)；T为时间(a)。

基于景观指数间的相关性(布仁仓等, 2017)，结合研究区实际景观特征，主要从类型水平和景观水平对景观格局进行分析，反映景观破碎度、多样性、聚散度(邬建国, 2017)。类型水平上选取斑块密度(PD)、破碎化指数(DIVISION)、景观形状指数(LSI)、聚合度指数(AI)；景观水平上选取斑块密度(PD)、景观形状指数(LSI)、聚合度指数(AI)、蔓延度指数(CONTAG)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)、连通性指数(CHOESION)。景观格局指标体系建立以后，利用Fragstats 4.2 软件分别进行相关指数的计算。

2 结果与分析

2.1 景观类型时空演变特征

2.1.1 景观类型分布变化特征 通过分析星云湖流域1990—2018 年间景观类型变化数据(图2)，可得出星云湖流域28 年来景观类型变化特征如下：

图2 1990—2018 年星云湖流域景观类型空间结构变化Fig.2 Spatial structure changes of landscape types in Xingyunhu Lake basin from 1990 to 2018

(1)从湿地景观类型来看，1990—2018 年间湖泊面积有所减少，从1990 年的3 427.92 hm2减少到2018 年的3 402.36 hm2，减少了0.75%。人工湿地面积减少，从1990 年的451.80 hm2减少到2018年的386.19 hm2，减少了14.52%。沼泽湿地面积大幅增加，从1990 年的36.54 hm2增加到2018 年的258.03 hm2，增加了606.16%(表1)。

(2) 从非湿地景观类型来看，1990—2018 年 间 面积变化最大的景观类型是耕地，从1990年 的15 429.96 hm2减少到2018 年的13 470.39 hm2， 减少 了12.70%。 林地面积从1990 年的 16 628.49 hm2增加到2018 年的16 884.81 hm2， 增加 了1.54%。 建 设用地面积从1990年 的1 788.30 hm2增加到2018 年的3 771.45 hm2， 增 加了110.90%(表1)。

表1 1990—2018 年星云湖流域景观类型利用面积变化Table 1 Changes in landscape types and utilization area of Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.1.2 景观类型动态度特征 (1) 从景观类型动态度看(表2)，1990—2018 年间6 个阶段综合景观类型利用动态度分别为4.96%、-11.57%、-6.36%、65.13%、114.05%、6.53%，呈先减少后增加再减少趋势，表明星云湖流域景观类型利用变化受人类活动的影响更显著，社会经济发展对景观类型利用格局的影响更强烈。

(2) 单一景观类型动态度一定程度上体现当前社会经济发展对星云湖流域不同景观类型变化的影响。总体上，1990—2018 年间沼泽湿地面积动态度变化最大，增加了21.65%，变化最大的时段是2010—2015 年，增加了115.97%；而湖泊和草地面积动态度变化最小，湖泊面积动态度减少了0.03%，草地减少了0.02%(表2)。

表2 1990—2018 年星云湖流域景观类型利用动态度变化 %Table 2 Dynamic change of landscape type utilization in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.1.3 景观类型转变 由表3 可见，1990—2018 年间星云湖流域湿地与非湿地之间转换较为明显，湿地转换为非湿地的面积达152.26 hm2，主要是人工湿地向耕地转换面积91.44 hm2，分布在星云湖西边和北边区域；非湿地转换为湿地的面积为285.98 hm2，主要是耕地向沼泽湿地转换196.64 hm2，分布在星云湖西边和南边区域。

表3 1990—2018 年星云湖流域各景观要素面积变化转移矩阵 hm2Table 3 Area change transfer matrix of various landscape elements in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.2 景观格局变化特征

2.2.1 景观水平格局变化特征 1990—2018 年间星云湖景观格局指数结果见表4。结果显示：(1) 景观多样性指数。SHDI与SHEI均呈增加趋势，SHPI由1990 年1.195 8 增加到2018 年的1.252 8，SHEI由1990 年0.614 5 增 加 到2018 年 的0.699 2。景观多样性指数增加趋势渐缓，表明破碎化程度随其丰富度的增加而增加，各景观类型多样性呈现显著的不均衡趋势。(2)景观连通性指数(COHESION)。COHESION均保持在99%以上，流域各斑块内部非常凝聚。景观类型间连通性指数不断下降，但下降趋势减缓。(3)聚合度指数(AI)和蔓延度指数(CONTAG)。AI总体减少，由1990 年的92.31%下降到2018 年的91.11%，说明破碎化在一定程度上得到改变，凝聚状况也在不断减少。CONTAG也呈下降趋势，从1990 年的61.19%下降到2018 年的55.19%，但减幅不大，表明景观中优势斑块类型的连接性下降。(4) 斑块密度(PD)和破碎化指数(DIVISION)。PD和DIVISION在1990—2018 年期间升高，说明研究区景观斑块数上升，景观整体破碎化加聚。

表4 1990—2018 年星云湖流域景观水平格局指数变化Table 4 Changes of landscape horizontal pattern index in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

2.2.2 类型水平格局变化特征 1990—2018 年间，7 种景观的斑块密度(PD)总体变化趋势不稳定，呈破碎化趋势(图3a)。湖泊湿地景观斑块密度数据较小，图中变化体现不明显。耕地和建设用地景观变化趋势大，1990—2018年间呈先增加后减小的趋势，说明建设用地的破碎化趋势严重。林地、耕地和建设用地景观形状指数(LSI)明显大于其他类型，景观形状相对复杂；林地、耕地和建设用地的LSI持续增长，景观形状趋于复杂；湖泊湿地和人工湿地的LSI变化趋势减小，趋于稳定，说明景观形状趋于规则；湖泊湿地的LSI在28 年里一直保持最低，是形状最规则的景观类型(图3b)。湖泊湿地、林地和耕地的最大斑块指数(LPI)明显大于其他类型，其中耕地的LPI大幅减小，表明大面积集中分布的耕地景观已基本消失(图3c)。湖泊湿地和林地各年的聚集度指数(AI)均在90 以上，说明其斑块连接程度较好，破碎化程度较低 ；耕地和建设用地的AI值呈增加趋势，说明其斑块连接程度较差，破碎化程度较高(图3d)。

图3 1990—2018 年星云湖流域湿地类型水平上景观格局指数变化Fig.3 Change of landscape pattern index at wetland type level in Xingyun Lake basin from 1990 to 2018

3 讨论

(1)景观格局的变化受到多方面因素直接或间接的影响，人为影响景观格局的同时，景观格局也会在演化的过程中影响人类的生产社会活动(陈功勋, 2017)。1990—2018 年间星云湖流域景观格局变化显著，总体趋势为：非湿地景观中，主要为耕地面积减少，建设用地面积增加。湿地景观中，人工湿地和湖泊面积减少，沼泽湿地面积增加。其中建设用地变化幅度最大且呈持续增长趋势；耕地持续减少，不同时期各土地利用类型的变化幅度存在差异。地方政府对围垦地采取了退垦还湖、退耕还林等措施，使景观类型变化以非湿地景观中的耕地向湿地景观中的沼泽湿地转移的方式为主。这与杨尊尊等(2017)研究一致，国家政策导向和社会经济发展使得原有的景观结构发生巨大的变化，表明星云湖流域景观类型受人类活动的影响更显著，社会经济发展对景观类型利用格局的影响更强烈。

(2)星云湖的保护在客观上限制了社区群众的活动空间和传统的资源利用方式，短期内给当地社区发展带来制约因素，导致近年来城镇用地的加速扩张并侵占部分生态用地(白少云等, 2020)。1990—2018 年间，景观多样性增加趋势均减缓，表明破碎化程度随其丰富度的增加而增加，各景观类型呈现显著的不均衡趋势。研究区景观斑块数上升，景观整体破碎化加聚。斑块数量越多，斑块密度越大，意味着景观破碎度越高(杨苗等, 2020)。星云湖流域内农村人口分布和农业生产生活集中在湖滨周边，随着社会的发展，城市化和道路建设需扩展，湖泊四周群山环抱，城镇居于山湖之间，构成典型的“山－城－湖”生态格局，建设用地主要是由环湖两侧向面山开阔的耕地和乔木林地段扩散，说明人为干扰对景观格局有很大的影响。这与陈功勋等(2017)的研究一致，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等。

4 结论

1990—2018 年间，从湿地景观类型来看，沼泽湿地面积增加了221.49 hm2，湿地转换为非湿地的面积达152.26 hm2，人工湿地向耕地转换面积达91.44 hm2，反映了星云湖流域湿地生态受到较大程度破坏。星云湖西边和北边等区域建设用地的发展是景观变化的重要因素，是星云湖流域恢复湿地生态系统的重点区域，应严格控制建设用地的无节制扩张。因此，必须重视周边社区的经济发展，规划基于保护的社区经济发展项目和联合参与式保护的社区共管项目来促进流域的可持续发展。