云南異龍湖景觀格局時空變化及驅(qū)動因素研究*

馬國強,肖劍平,吳鴻章,李俊冬,汪靖山,李旭

(1.國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計院,云南 昆明650216;2.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;3.西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護學(xué)院,云南省高校極小種群野生動物保育重點實驗室,云南 昆明 650224;4.異龍湖管理局,云南 石屏 662200)

濕地是自然界生物多樣性豐富、人類社會賴以生存和發(fā)展的環(huán)境之一[1]。濕地景觀是指具有異質(zhì)性結(jié)構(gòu)的濕地斑塊在不同尺度上的分布狀態(tài)[2]。在自然及人文因素生態(tài)過程影響下，濕地景觀類型空間組成分布的多樣性，表示各類型的濕地斑塊在空間上分布特征[3]。濕地景觀的空間結(jié)構(gòu)及景觀功能與景觀類型多樣性的影響研究，是濕地科學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域長期關(guān)注的焦點[4-6]。對比其他類型的景觀格局研究，濕地景觀格局基于景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)理論及技術(shù)的引入，更容易體現(xiàn)空間復(fù)雜性、不均勻性[7]?？茖W(xué)家們做了很多景觀生態(tài)學(xué)與濕地結(jié)合的相關(guān)研究[8-10]，為推動在較大尺度上的濕地景觀研究起到了作用。

近年來，許多學(xué)者借助 3S 技術(shù)，運用景觀生態(tài)學(xué)理論對濕地演變過程及機制方面開展了大量研究[11]。它們主要集中在土地利用變化和濕地景觀格局變化[12-13]、濕地生物多樣性分布特征[14]、濕地保護與恢復(fù)[15-16]等方面，現(xiàn)有關(guān)于景觀格局的研究通常是選取面積、形狀、聚集度和多樣性等景觀格局相關(guān)指數(shù)來衡量、反映景觀斑塊的特征和組成。其中，F(xiàn)ragstats軟件中包含的景觀格局指數(shù)是使用最廣泛的定量化測度指標[17-18]。異龍湖是云南省九大湖泊之一[19]。與云南省其他高原湖泊相比，異龍湖的歷史很特別，經(jīng)過多次大規(guī)模改造[20-21]。多次的改造后重建使得異龍湖和重生的濕地生態(tài)系統(tǒng)一樣[22]，為了解異龍湖重建前后的景觀格局演變，對其時間序列動態(tài)特征分析研究。鑒于此，以異龍湖為研究對象，通過異龍湖景觀格局演變研究，探究異龍湖景觀格局演變的驅(qū)動因素。為異龍湖流域未來可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護和區(qū)域管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

異龍湖位于石屏縣城的東側(cè)1 km(23°38′37″～23°42′05″N，102°29′52″～102°37′49″E)，西至小水，東至壩心鎮(zhèn)，北至大瑞城村沿城南河，南至陸來村以東。異龍湖整個湖區(qū)呈東西向條帶狀，為一斷陷溶湖積盆地，湖盆長30 km，寬2～6 km。湖區(qū)內(nèi)地勢平坦，沿北西—南東向展布，海拔1 420 m 左右，呈半封閉狀態(tài)，盆內(nèi)積水成湖，周圍均為構(gòu)造侵蝕中、低山地。盆地周圍山巒起伏，從而構(gòu)成了異龍湖匯水區(qū)典型的中山湖盆地貌。石屏地處低緯高原地帶，季風(fēng)氣候典型，立體氣候顯著。年均日照2 308.4 h。年均相對濕度75%。異龍湖湖泊面積34 km2，流域面積326 km2，平均湖長6.55 km，平均湖寬2.75 km，平均水深2.9 m，最大水深6.5 m，蓄水量1.13 × 108m3。流域內(nèi)的工業(yè)企業(yè)的行業(yè)類型包括：農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)、飲料制造業(yè)、非金屬礦物制品業(yè)和塑料制品業(yè)，以農(nóng)副產(chǎn)品加工業(yè)為主[21, 23]。

2 數(shù)據(jù)來源及分析方法

2.1 影像數(shù)據(jù)來源及處理

利用遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)的“3S”技術(shù)，結(jié)合地形圖、野外調(diào)查、以及現(xiàn)有資料，進行濕地特征監(jiān)測。數(shù)據(jù)是異龍湖2012—2019年的遙感影像，為Landsat7全波段影像，分辨率為15 m，利用ENVI分別對8期影像進行預(yù)處理。

異龍湖的景觀類型基于濕地現(xiàn)場考察資料及土地資源分類系統(tǒng)[24-26]進行劃分，分為濕地類型景觀與非濕地類型景觀(表1)。采用最大似然法進行監(jiān)督分類并與目視解譯相結(jié)合的方式分別對8期預(yù)處理后的遙感影像進行景觀類型解譯。

表1 云南異龍湖景觀類型分類體系Tab.1 Classification system of landscape types of Yilong Lake,Yunnan

2.2 景觀指數(shù)分析方法

景觀格局指數(shù)用于指示景觀空間格局、結(jié)構(gòu)特征及其變化[29]。景觀指數(shù)分析法使用Fragstats 4.2計算景觀格局指數(shù)，選擇最大斑塊指數(shù)(largest patch index)、斑塊面積(patch size，hm2)、平均斑塊面積(mean patch size，hm2)、斑塊個數(shù)(number of patches，個)、斑塊密度(patch density，個/hm2)、周長面積分維數(shù)(perimeter-area fractal dimension)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(shannon’s diversity index)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(Shannon’s evenness index)等8個指數(shù)[29]。

2.3 驅(qū)動力分析

驅(qū)動因素主要包括自然因素和人為因素[30]。本次研究的自然驅(qū)動因素主要采用年降水總量(mm)、水總量(mm)和年平均氣溫(℃)3個指標(數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng) http://data.cma.cn)；人為驅(qū)動因素主要選用總?cè)丝?、農(nóng)村人口、城鎮(zhèn)人口、人均生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)值(萬元)、第二產(chǎn)業(yè)值(萬元)和第三產(chǎn)業(yè)值(萬元)共7個指標。采用主成分分析法，對研究區(qū)景觀格局變化進行驅(qū)動力定量分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化特征

3.1.1 景觀結(jié)構(gòu)時空變化特征

根據(jù)影像解譯的結(jié)果，可以得到不同時期景觀類型數(shù)據(jù)，2012—2019年各景觀類型的時空變化情況如圖1～圖2。可知，2012—2019年間異龍湖各景觀類型的規(guī)模變化顯著。濕地景觀中，異龍湖的水域面積增加了1 604.0 hm2，水域面積增加最快時段是2016—2017年間，增加了1 150.0 hm2，占增加面積的71.70%；沼澤面積減少了1 238.0 hm2，減少最快時段是2016—2017年間，減少了627.0 hm2，占減少面積的50.60%。草地的面積均出現(xiàn)大幅度增加，增加了296.0 hm2，增加面積為2013年間的兩倍以上。

圖1 云南異龍湖景觀類型面積在時間序列上的變化Fig.1 Changes of landscape type and area in time series of Yilong Lake in Yunnan Province

圖2 云南異龍湖景觀類型在時間序列上的空間變化Fig.2 Spatial changes of landscape types of Yilong Lake in Yunnan Province in time series

3.1.2 景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移特征

根據(jù)解譯而得的異龍湖景觀類型數(shù)據(jù)進一步分析，以弄清異龍湖2012—2019年各景觀類型相互轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的景觀結(jié)構(gòu)變化情況(表2)。異龍湖景觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移特征主要表現(xiàn)為草地向沼澤、水域轉(zhuǎn)換，總計轉(zhuǎn)換265.0 hm2，占53.02%；沼澤向草地、建筑用地轉(zhuǎn)換，總計轉(zhuǎn)換121.0 hm2，占90.48%。而在濕地景觀中，沼澤向水域轉(zhuǎn)換了1 309.0 hm2，占79.23%。

表2 2012—2019年異龍湖景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.2 The landscape type transfer matrix of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019 hm2

3.2 景觀格局指數(shù)變化

3.2.1 景觀水平格局變化特征

結(jié)果顯示,2012—2019年期間，斑塊個數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢：斑塊個數(shù)先是由2012年的1012個增加到2015年的2 315個之后又減少到2019年的897個；斑塊密度先是由2012年的26.808 9個/hm2增加到2015年的61.326 6個/hm2之后又減少到2019年的23.762 4個/hm2。這表明這期間景觀破碎度是先升高而又下降的(表3)。

表3 2012—2019年云南異龍湖景觀格局指數(shù)Tab.3 Landscape pattern index of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

在2015—2016年期間景觀斑塊數(shù)量和斑塊密度呈現(xiàn)增大而又減少的狀況，最大斑塊指數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，周長-面積分維數(shù)指數(shù)在整體上呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。周長-面積分維數(shù)有小幅度的增加，說明最大斑塊優(yōu)勢明顯增加，景觀斑塊復(fù)雜性程度減少，破碎化程度減少。景觀的豐富性基于香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少變化過程，到2019年景觀類型的優(yōu)勢度增加，多樣性減少。

景觀類型間的連通性增加，整體上的異質(zhì)性降低。景觀類型優(yōu)勢度及連通性增加的情況以水域景觀表現(xiàn)最顯著，2012年水域面積為1 297.0 hm2，占總面積的34.36%，而2019年水域面積為2 901.0 hm2，占總面積的76.87%。

3.2.2 類型水平格局變化特征

異龍湖的主要景觀類型是水域和沼澤(圖3)。2012—2019年期間，水域的斑塊面積指數(shù)從2012年的34.37%增長到2019年的76.87%，其中，變化最大的時段是2016年之后，面積增加了兩倍；最大斑塊指數(shù)從2012年的40.45%增長到2019年的89.37%，其中，變化最大的時段是2016年之后，增長近兩倍。2012—2019年期間，水域的平均斑塊面積指數(shù)呈現(xiàn)先下降后增長再下降的趨勢，2012—2016年，水域平均斑塊面積指數(shù)從43.31%下降到16.25%；2016—2018年，水域平均斑塊面積指數(shù)從16.25%增長到41.01%；2018—2019年，水域平均斑塊面積從41.01%下降到10.69%。水域的斑塊個數(shù)指數(shù)呈現(xiàn)先增長后下降再增長的趨勢，2012—2016年，水域斑塊個數(shù)從2.96%增長到8.55%；2016—2018年，水域斑塊個數(shù)從8.55%下降到3.63%；2018—2019年，水域斑塊個數(shù)從3.63%增長到6.91%。

圖3 2012—2019年云南異龍湖生境類型景觀指數(shù)變化Fig.3 Changes of habitat type and landscape index of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

沼澤的斑塊面積和最大斑塊指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，其中斑塊面積指數(shù)從2012年的43.77%下降到2019年的10.96%，其中，變化最大的時段是2016年之后，面積減少了兩倍多；最大斑塊指數(shù)從2012年的53.40%下降到2019年的8.33%，其中，變化最大的時段是2016年之后，由2016年的39.42%下降到2019年的8.33%。沼澤的平均斑塊面積指數(shù)呈現(xiàn)先下降后增長再下降的趨勢，2012—2015年，沼澤平均斑塊面積指數(shù)從8.38%下降到4.76%；2015—2016年，沼澤平均斑塊面積指數(shù)從4.76%增長到17.10%；2016—2019年，沼澤的平均斑塊面積指數(shù)從17.10%下降到3.19%。沼澤的斑塊個數(shù)整體呈現(xiàn)先增長后下降再增長的趨勢，2012—2015年，沼澤斑塊個數(shù)從15.32%增長到17.64%；2015—2016年，沼澤斑塊個數(shù)從17.64%下降到8.12%；2016—2019年，沼澤斑塊個數(shù)從8.12%增長到23.19%。其他景觀的聚集度指數(shù)走勢平穩(wěn)，變化不大。2019年水域的斑塊面積和最大斑塊指數(shù)的聚集度指數(shù)增大到了76.87%和89.37%，連通性提高；其他景觀類型的斑塊面積和最大斑塊指數(shù)有不同程度的降低，連通性降低。

3.3 驅(qū)動因素分析

在統(tǒng)一處理驅(qū)動因子統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對2012—2019 年異龍湖的景觀格局變化歷史進行了歸因分析。分析結(jié)果為，第1、2主成分對總變量的解釋度分別為77.93%和11.40%。經(jīng)濟發(fā)展水平是影響流域生態(tài)系統(tǒng)健康的主要限制因素。其中人為驅(qū)動因素：生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)業(yè)值、第二產(chǎn)業(yè)值、第一產(chǎn)業(yè)值、農(nóng)村人口在第1主成分上的載荷較大，這些指標主要反映了社會經(jīng)濟發(fā)展水平的狀況，因此可以認為第一主成分是社會經(jīng)濟的代表；自然驅(qū)動因素中的年均氣溫在第2主成分上的載荷較大，因此第2主成分被認識是氣候因素的代表。異龍湖的自然和人為驅(qū)動因素的基本變化情況如圖4～圖5。

圖4 2012—2019年云南異龍湖景觀變化人為驅(qū)動因素Fig.4 Human driven factors of landscape change of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

圖5 2012—2019年云南異龍湖景觀變化自然驅(qū)動因素Fig.5 Natural driving factors of landscape change of Yilong Lake in Yunnan from 2012 to 2019

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

(1)景觀格局的變化受到多方面因素之間相互影響或間接的影響，人為影響作用于景觀格局的同時，景觀格局的演變也會在演化的過程中影響人類的生產(chǎn)社會活動[31]。結(jié)果表明：從時間上，2012—2019年間的異龍湖各景觀類型規(guī)模變化顯著。2009 年秋冬至 2013 年春，石屏縣遭遇連續(xù)4年的干旱，異龍湖水位不斷下降，至2011年3月底變?yōu)榘儆嗝椎膬蓚€淺水潭，湖底淤泥龜裂，水生植物絕跡[21,23]。歷史上異龍湖曾變?yōu)榭萁叩暮?，其水生動、植物群落也遭受滅絕性的打擊。2012—2019年期間，異龍湖景觀格局發(fā)生較大變化，主要集中在水域和沼澤兩種景觀類型之間的轉(zhuǎn)換，水域面積增加了1 604.0 hm2，沼澤面積減少了1 238.0 hm2；而2016—2019年期間水域面積增加較快，沼澤面積快速減少。從空間上，異龍湖西岸濕地和南面變化顯著，主要是由于大量的沼澤景觀被清理，轉(zhuǎn)為水域景觀。無論是從時間上還是空間上，濕地景觀變化顯著，主要原因是2013—2019年，開展了異龍湖退塘還湖及生態(tài)修復(fù)、異龍湖補輸水等治理工程，使水量增加水面變在大。在較小的時空尺度下，人為因素是景觀格局變化的直接驅(qū)動力[32]。2016—2019年間，草地向沼澤、水域轉(zhuǎn)換，沼澤向水域大面積轉(zhuǎn)換，濕地景觀面積占比從78.15%增加到87.85%。非濕地向濕地轉(zhuǎn)換的面積為500.0 hm2，轉(zhuǎn)換率為13.24%；濕地向非濕地的轉(zhuǎn)換面積為133.0 hm2，轉(zhuǎn)換率為3.53%。人類干預(yù)活動強度不斷增大，對自然資源的開發(fā)日益加強，從而導(dǎo)致景觀類型發(fā)生變化[33]。

(2)2012—2019年間，異龍湖斑塊個數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，說明異龍湖景觀破碎度先升高后下降。2015年斑塊個數(shù)和斑塊密度達到最高，景觀破碎度最大，主要是因為2014年未至2015年夏，異龍湖退耕、退田還湖治理力度增大，景觀類型間的連通性減少，整體上的異質(zhì)性增加。斑塊數(shù)量越多，斑塊密度越大，意味著景觀破碎度越高[34]。而2019年斑塊個數(shù)最小，破碎度最小，連通性最大，是由于2016年之后退耕、退田還湖治理力度增大使得原來被水面所分離的景觀被大面積清理，形成之前多個小斑塊合并。2012—2019年景觀類型的優(yōu)勢度增加，多樣性減少。由于受到人類干擾的影響，景觀類型間的連通性增加，空間分布不均勻，豐富度降低，整體上的異質(zhì)性降低。在異龍湖2012—2019年景觀類型水平格局分析中，水域和沼澤的平均斑塊面積指數(shù)出現(xiàn)相同的變化趨勢。

(3)研究結(jié)果表明，異龍湖景觀格局歷史演變主要受社會經(jīng)濟因素的影響，主成分分析結(jié)果的解釋度為77.93%。異龍湖周圍城市和村鎮(zhèn)是農(nóng)業(yè)發(fā)達地區(qū)和經(jīng)濟文化中心，濕地資源與生產(chǎn)生活及社會文化聯(lián)系緊密，隨著經(jīng)濟發(fā)展，濕地資源人為利用強度增大，這與楊尊尊等[35]研究一致，受國家政策導(dǎo)向影響社會經(jīng)濟發(fā)展使得原有的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化。氣候變化很可能是影響水循環(huán)的主要原因，并間接影響水資源[36]。石屏地處低緯高原地帶，季風(fēng)氣候典型，立體氣候顯著。在將來的氣候條件下，異龍湖濕地生態(tài)系統(tǒng)有退化的風(fēng)險。生態(tài)補水保障之后，景觀格局和驅(qū)動因素的互饋關(guān)系也會發(fā)生調(diào)整。在景觀格局變化分析方面，對于景觀結(jié)構(gòu)時空變化的研究，由于非濕地景觀中林地、灌叢、草地在影像中的所表現(xiàn)出的光譜特性相似，所以在使用ENVI軟件進行影像翻譯時會有誤差，精度比其它生境低，分析得到的景觀類型的變化圖和景觀結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的特征時，三者之間有一定的誤差。在景觀格局驅(qū)動的分析方面，對景觀格局特征和驅(qū)動因素的響應(yīng)關(guān)系的研究還有待進一步完善。

4.2 結(jié)論

2012—2019年間，隨著異龍湖濕地的生態(tài)恢復(fù)，異龍湖面山生態(tài)保護和治理、退塘還湖及生態(tài)修復(fù)、異龍湖補輸水等治理工程的實施，景觀格局指數(shù)變化研究得出斑塊個數(shù)和斑塊密度均整體呈減少的趨勢，意味著景觀破碎度變小，使得景觀類型越豐富。說明異龍湖流域重要的景觀類型得到有效地保護，生態(tài)環(huán)境在逐漸改善。

景觀格局歷史演變主要受社會經(jīng)濟因素的影響。除了沼澤和水域與其他景觀類型之間轉(zhuǎn)換較大外，建設(shè)用地與其他的景觀類型的轉(zhuǎn)換也較大，景觀類型變化以草地和灌叢向建設(shè)用地轉(zhuǎn)移的方式為主，侵占了草地和灌叢景觀類型，是導(dǎo)致草地和灌叢生態(tài)景觀減少的關(guān)鍵原因，應(yīng)嚴格控制建設(shè)用地的無節(jié)制擴張。