3S技術(shù)支持下的瀘沽湖流域景觀格局變化研究

譚志衛(wèi)，趙　潤，李　俊

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650034)

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3S技術(shù)支持下的瀘沽湖流域景觀格局變化研究

譚志衛(wèi)，趙潤，李俊

(云南省環(huán)境科學(xué)研究院，云南高原湖泊流域污染過程與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650034)

采用1974、1993及2011年的3期經(jīng)過校正處理的TM衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，通過監(jiān)督分類與人工目視糾錯(cuò)的方法獲取3期土地利用數(shù)據(jù)，運(yùn)用Fragstats 軟件分析瀘沽湖流域內(nèi)40a的景觀格局變化特征。結(jié)果表明：①建筑用地景觀面積不斷增加，增加的面積主要靠農(nóng)地、林地、草地的轉(zhuǎn)入；農(nóng)地景觀面積凈減少0.9km2；水體面積相對(duì)穩(wěn)定；林地與草地發(fā)生了約30km2的相互轉(zhuǎn)化。②建筑用地、林地、農(nóng)地的斑塊形狀指數(shù)增加，說明斑塊形狀越來越復(fù)雜。③景觀中的優(yōu)勢(shì)度減少，各拼塊類型在流域景觀中呈不均衡化趨勢(shì)分布的特征。

3S技術(shù)；景觀格局；變化研究；瀘沽湖

景觀格局(Landscape pattern)指景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，是景觀組成單元的類型、數(shù)目及空間分布與配置，是景觀異質(zhì)性在空間上的綜合表現(xiàn)[1]。景觀格局的研究是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容和熱點(diǎn)問題之一[2-3]，空間格局、生態(tài)過程與尺度之間的相互作用也是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題之一[4]，而流域作為一個(gè)完整的自然地理單元，流域內(nèi)景觀格局是在自然與人類活動(dòng)的長期相互作用過程中演變而成的[5]。本文選用瀘沽湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象，揭示流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境與空間異質(zhì)性特征，及與景觀格局變化相關(guān)的流域資源環(huán)境問題，對(duì)全面了解瀘沽湖景觀格局變化，強(qiáng)化流域景觀生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有十分重要的意義。

1　研究區(qū)概況

瀘沽湖為長江流域上游湖泊，位于云南省西北部和四川省西南部的兩省交界處，是我國第三大深水湖泊。湖面面積57.7km2，其中云南境內(nèi)30.3km2。流域面積247.6km2，云南部分107km2。最大水深105.3m，平均水深38.4m，蓄水量22.2億m3，主要入湖河流有6條，入湖河流源近流短，呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，湖水主要靠雨水和臨時(shí)性的溝溪匯水和區(qū)間坡面漫流補(bǔ)給。瀘沽湖云南部分屬麗江地區(qū)寧蒗縣永寧鄉(xiāng)落水行政村，主要居住著摩梭人、彝族和普米族。

2　研究方法

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及處理

采用1974年4月、1993年1月、2011年2月10日的3期TM衛(wèi)星影像(分辨率為30M)作為數(shù)據(jù)源。利用Arcview、Arcmap及Erdas軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)處理。

2.2土地利用遙感解譯分類

根據(jù)實(shí)際需求，本次建立的景觀分類體系為林地、農(nóng)地、水域、建筑用地及草地。

本文利用ERADS軟件，采用5、4、3波段組合，運(yùn)用監(jiān)督分類解譯與人工目視糾錯(cuò)相結(jié)合的方法獲取土地利用數(shù)據(jù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與分析，把2011年土地利用數(shù)據(jù)調(diào)整成2013年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

2.3景觀指數(shù)選取

本文中根據(jù)實(shí)際需要選取了斑塊密度指數(shù)(PD)、最大形狀指數(shù)(LSI)、斑塊分維數(shù)(PARFAC)、多樣性指數(shù)(SHDI)、均勻度指數(shù)(SHEI)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)，指數(shù)計(jì)算采用Fragstats軟件。

3　結(jié)果與分析

3.1土地利用變化分析

從3期景觀類型分布情況及面積統(tǒng)計(jì)來看，瀘沽湖流域景觀類型變化以林地景觀、水域景觀、農(nóng)地景觀、草地景觀為主，建筑用地景觀面積大幅度增加，以犧牲農(nóng)地景觀為代價(jià)，農(nóng)地景觀減少，林地景觀增加，水域景觀變化不大。詳見表1、圖1。

建筑用地面積在1974—2013年不斷增加。前20a建筑用地面積增加了0.5km2，后20a建筑用地面積快速增加，共增加了4.23km2，面積比例從0.49%增長到0.69%，再增長到2.40%。分析原因，建筑用地景觀面積的增長是以占用農(nóng)地、林地及其它用地得來的。農(nóng)地景觀面積凈減少0.9 km2，兩個(gè)階段減少量相當(dāng)。

林地景觀面積在1974—2013年表現(xiàn)為先減少后增加。前20a，林地面積減少了29.05 km2，減少率為20.92%，后20a林地面積增加了26.27km2，增長率為23.93%，最終凈減少1.78 km2。草地面積在1974—2013年表現(xiàn)為先增加后減少。前20a增加了29.46km2，后20a減少了30.60 km2，最終凈減少1.14 km2。林地與草地景觀的變化主要為兩者的相互轉(zhuǎn)化，而轉(zhuǎn)化的原因主要受當(dāng)時(shí)的社會(huì)發(fā)展水平、生活方式及政策導(dǎo)向影響。20世紀(jì)70—80年代瀘沽湖流域還處于生產(chǎn)水平低、社會(huì)發(fā)育程度參差不齊的狀態(tài)，很多區(qū)域還保持著刀耕火種、游牧游耕的生活方式，致使林地大量轉(zhuǎn)化為草地(牧草地)。而近20a，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)及旅游業(yè)的發(fā)展，刀耕火種、游牧游耕的生活方式基本消失，建筑用地大面積擴(kuò)張，加上瀘沽湖當(dāng)?shù)卣畬?shí)施“林業(yè)生態(tài)保護(hù)”、“水土流失治理”、“生態(tài)環(huán)境的整治”等工程，大量的草地又退草還林，使得林地面積增長。

表1　1974—1993—2013瀘沽湖流域景觀類型轉(zhuǎn)移矩陣表

3.2景觀格局變化分析

將景觀生態(tài)學(xué)的理論與方法應(yīng)用于瀘沽湖流域景觀結(jié)構(gòu)變化的研究中，從景觀空間格局變化的某些特征分析主要各地類動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律。景觀格局指數(shù)是景觀空間格局和異質(zhì)性的定量描述。通過對(duì)不同時(shí)期同一景觀類型的景觀格局定量分析，可以反映瀘沽湖景觀結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)以及所受到的干擾程度。

3.2.1景觀生態(tài)指數(shù)分析

斑塊密度指數(shù)。從表2可以看出，建筑用地景觀的斑塊密度增加。主要原因?yàn)楫?dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展及旅游業(yè)的興起，大量的建筑拔地而起，而在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐慕ㄖ玫亟ㄔO(shè)基本上是當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶自發(fā)在自家宅基地上隨意修建，毫無整體規(guī)劃概念，因此導(dǎo)致建筑用地的斑塊密度與斑塊數(shù)增加。農(nóng)地、林地、草地景觀的斑塊密度在前后20a表現(xiàn)為先增加后減少，說明農(nóng)地、林地、草地在前20a異質(zhì)性增大，破碎度增加，而后20a，隨著流域內(nèi)人類對(duì)瀘沽湖生態(tài)的保護(hù)， “林業(yè)生態(tài)保護(hù)”、“水土流失治理”、“生態(tài)環(huán)境的整治”等工程的實(shí)施，農(nóng)地、林地、草地越來越趨向聚集、成片分布，這種變化也與分維數(shù)的變化相一致。

斑塊形狀指數(shù)。1974—2013年，建筑用地、農(nóng)地與林地的斑塊形狀指數(shù)在增加，說明這3類型斑塊的形狀越來越復(fù)雜。隨著社會(huì)發(fā)展及當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的興起，并在規(guī)劃概念不強(qiáng)的條件下，大量無規(guī)劃的建筑用地導(dǎo)致建筑用地與被占用的農(nóng)地與林地的形狀均向不規(guī)劃方向發(fā)展。水域的斑塊形狀變化不大；草地的斑塊形狀呈先增加后減少的變化趨勢(shì)，說明前20a無序的刀耕火種的生活方式導(dǎo)致斑塊向不規(guī)劃方向發(fā)展，而后20a在政府指導(dǎo)下，被占用的草地被用來植樹造林，草地又向規(guī)劃方向發(fā)展。

分維數(shù)指數(shù)。從總體上看，1974—2013年各類景觀分維數(shù)值大部分在1.2～1.5，反映了不同景觀的幾何形狀比較復(fù)雜的特點(diǎn)，人為因素干預(yù)比較大。建筑用地、農(nóng)地的分維數(shù)在減少，這是因?yàn)檫@幾類景觀受規(guī)劃改造的影響大，人類利用改造越多的地方，其分維值越小，反之越大；林地與草地的分維值先增加后減少；水域的分維數(shù)值略有增加，變化不大，因?yàn)樵谘芯科陂g瀘沽湖面積與狀況變化不大，說明受干預(yù)程度小。

表2　湖瀘湖流域景觀生態(tài)指數(shù)

3.2.2景觀類型多樣性分析

如表3所示，1974—2013年瀘沽湖流域景觀多樣性指數(shù)(SHDI)與均勻度指數(shù)(SHEI)表現(xiàn)為先增加后減少，優(yōu)勢(shì)度(D)指數(shù)表現(xiàn)為先減少后增加。

前20a，多樣性指數(shù)增加了0.1636，均勻度增加了0.1016，表明研究區(qū)的景觀多樣性在毀林開荒的影響下不斷增加，各斑塊類型在景觀中趨于均勻分布。后20a多樣性指數(shù)減少了0.1048，均勻度減少了0.0651，表明研究區(qū)的景觀多樣性隨著人類開發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)烈干預(yù)(湖泊流域保護(hù)相關(guān)活動(dòng)及旅游開發(fā)等)，各景觀類型的分布不均勻程度在增加。

前20a，優(yōu)勢(shì)度減少了0.1636，反映了研究區(qū)各景觀類型所占的比例差異在減少。后20a優(yōu)勢(shì)度增加了0.1048，反映了研究區(qū)各景觀類型所占的比例差異在不斷加大，即一種或者少數(shù)幾種景觀占優(yōu)勢(shì)的地位在明顯降低，該流域內(nèi)林地面積增加是優(yōu)勢(shì)度指數(shù)變化的重要原因。優(yōu)勢(shì)度總體上表現(xiàn)出與多樣性及均勻度相一致的趨勢(shì)。

表3　1974—2013年流域景觀類型多樣性指數(shù)

3.3瀘沽湖流域景觀結(jié)構(gòu)改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響分析

(1)流域的面山區(qū)域，研究期間林地面積先減少后增加，而草地先增加后減少。前20a當(dāng)?shù)責(zé)o序的刀耕火種毀林方式使林地大量消失，也使占優(yōu)勢(shì)的常綠闊葉林遭到了前所未有的破壞，生物多樣性降低，生態(tài)系統(tǒng)越來越脆弱。后20a雖然在政府干預(yù)下，林地面積有所增加，但林地植被主要為云南松林，整個(gè)森林系統(tǒng)呈現(xiàn)闊葉林向針葉林的逆向演替，森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到極大影響。

(2)流域的湖盆區(qū)，建筑用地不斷增加對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。建筑用地不斷增加主要受當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增加影響，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增加在后20a表現(xiàn)尤為突出。例如GDP， 1995年為0.021億元，到2013年增加到0.290億元，2013年比1995年增加了約14倍；常住人口，1995年為0.214萬人，到2013年增加到0.307萬人，人口增加了50%；旅游人數(shù)， 2012年人數(shù)為1995年的18倍。而人口的增加最終導(dǎo)致流域的污染增加。根據(jù)《瀘沽湖流域水污染綜合防治“十一五”、“十二五”規(guī)劃》，2010年TN與TP的入湖量是2004年的2.5倍，入湖污染的增加也是湖泊水生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅。

3.4結(jié)論

40a瀘沽湖流域景觀格局變化如下：

(1)建筑用地景觀面積不斷增加，林地與草地景觀發(fā)生了大面積的相互轉(zhuǎn)化。

(2)建筑用地、林地、農(nóng)地的斑塊形狀指數(shù)都有所增加，說明這3類型的斑塊的形狀越來越復(fù)雜。建筑用地、農(nóng)地的分維數(shù)在減少，主要是人類規(guī)劃改造的原因所致。

(3)瀘沽湖流域景觀多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)表現(xiàn)為先增加后減少，優(yōu)勢(shì)度指數(shù)表現(xiàn)為先減少后增加。說明景觀中的優(yōu)勢(shì)度減少，各拼塊類型在流域景觀中呈均衡化趨勢(shì)分布的特征。

(4)流域面山區(qū)域林地中植被類型向單一方向發(fā)展影響森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；湖盆區(qū)建筑用地增加，而影響其增加的驅(qū)動(dòng)——常住人口、GPD、旅游人數(shù)的大量增加帶來的污染影響水生態(tài)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性也是潛在威脅。

[1]鄔建國. 景觀生態(tài)學(xué)-格局、過程、尺度與等級(jí)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000.

[2] Forman R T T, Godron M. Landscape Ecology[M]. New York，1986

.[3] 肖篤寧. 國際景觀生態(tài)學(xué)研究的最新進(jìn)展-第五屆景觀生態(tài)世界大會(huì)介紹[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 1999, 18(6): 75-76.

[4] Wu J, Marceat D. Modelling complex ecological systems: anintroduction[J]. Ecological Modelling,2002(153):1-6.

[5]葉延瓊，陳國階.GIS支持下的岷江上游流域景觀局分析[J].長江流域資源與環(huán)境,2006,15(1):112-115.

Dynamic Change of Landscape Pattern in the Lugu Lake Wetland Based on 3S Technology

TANZHI-wei, ZHAO Run，Li Jun

(Yunnan Institute of Environmental Science, Yunnan Key Laboratory of Pollution Process and Management of Plateau Lake -watershed, Kunming Yunnan 650034 ,China)

Base on the date source of the corrected TM satellite imagery of three periods in the year of 1974, 1993, and 2011 in the LuguLake watershed, supervised classification and artificial visual error correction method were applied to obtain the land use date. Then, Fragstats software was used to analyze the changes of the landscape pattern in 40 years. The results showed that the area of construction land has increased mainly by the transfer of the area of farmland, forest land, and grassland. Farmland area decreased 0.9km2. Water area was relatively stable. Forest land and grassland transformed reciprocally about 30km2. The shape indices of construction land, forest land, and land patch of farmland increased, which meant that the patch shape has become more and more complex. Landscape dominance index decreased. Each patch type in the watershed landscape showed a trend of imbalanced distribution.

3S technology; landscape pattern; change; Lugu Lake

2016-05-11

云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013FD077)，云南省生物多樣性保護(hù)專項(xiàng)資金<瀘沽湖、洱海、撫仙湖三大高原湖泊水生態(tài)調(diào)查與評(píng)估>。

譚志衛(wèi)(1982-)，女，碩士研究生。

X87

A

1673-9655(2016)05-0107-04