云南高原湖泊杞麓湖動態演變及景觀生態風險評價

王 濤， 肖彩霞， 劉 嬌， 祿 鑫

（1. 貴州林業勘察設計有限公司， 貴州 貴陽550003； 2. 西南林業大學 林學院， 云南 昆明650224；3. 貴州省林業調查規劃院， 貴州 貴陽550003）

高原湖泊不僅是云南生境中舉足輕重的生態系統， 也是促進云南國民經濟和社會發展， 實現富民興滇不可缺少的重要資源。 湖泊的形成與衰亡、 擴張與收縮， 及其所引起的生態環境變化都反映了一定地域乃至全球的景觀構造和氣候事件［1］， 隨著氣候變化與人類不合理活動的加劇， 湖泊面積萎縮及生態環境惡化等問題引起了社會各界的廣泛關注［2-4］。 高原湖泊所集成的湖泊流域是以湖泊為主題， 集自然、地理環境為一體的復雜綜合生態系統［5］， 在人類活動與自然因素的強烈擾動疊加下， 生態壓力和風險日益增加。 生態風險是指種群、 生態系統或整個景觀的生態功能受到外界脅迫， 從而在目前和將來對該系統健康、 生產力、 遺傳結構、 經濟價值和美學價值產生不良影響的一種狀況［6］。 景觀生態風險評價區別于常規生態風險評價方法， 依托景觀生態學的生態過程與空間格局耦合關聯視角， 更加關注生態風險的時空異質性和尺度效應可能產生的不良結果， 是生態風險評價在區域尺度上的重要分支領域［7］。 目前，景觀生態風險評價已成為國內外研究的熱點［8-10］， 而對云南高原湖泊流域景觀生態風險定量化評估及生態過程時空變化規律等相關研究仍缺乏。 杞麓湖是云南九大高原湖泊衰退速率最快， 水面縮減最多， 富營養化最為嚴重的湖泊之一。 杞麓湖流域匯集了通海縣90%以上的人口， 是全縣人口最密集， 經濟最發達， 物產最豐富的地區。 近些年來， 發生在中國云南省內的持續干旱使杞麓湖湖泊面積大幅縮減， 水資源短缺問題越來越嚴重。 隨著流域社會、 經濟的持續發展， 流域將進一步承受經濟規模和土地利用擴張造成的生態壓力和風險［11］。 開展基于時序遙感數據的湖泊動態研究， 探討空間景觀格局劇烈變化背景下景觀生態風險的時空變化規律， 有助于深入分析杞麓湖湖泊動態演變的規律和原因。 鑒于此， 本研究以1975-2015 年研究區的遙感影像為基礎， 對杞麓湖進行了動態監測， 并對杞麓湖流域的景觀格局和生態風險時空演變進行分析， 從而揭示了湖泊劇烈變化下流域景觀生態風險時空演變規律， 以期為杞麓湖生態安全科學評價和流域土地利用開發規劃提供理論依據和技術參考。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

杞麓湖中心點位于24°10′4.13″N， 102°46′40.55″E， 距所屬縣城通海縣人民政府駐地6.5 km， 水面海拔1 796.6 m。 杞麓湖屬南盤江水系， 是云南省九大高原湖泊的重要濕地之一， 因斷層陷落而天然形成， 湖泊主要靠天然降水所形成的地表徑流供給水源， 入湖的主要河流為紅旗河、 姚春溝河及大新河，其泄水的唯一通道為湖水下的天然溶洞， 是1 個封閉型高原湖泊， 具有灌溉農田， 調節氣候， 提供魚產、 工業用水、 觀光旅游等多種經濟功能。 杞麓湖流域位于云南省中部玉溪市， 流域面積37 445.85 hm2， 占全市土地總面積的2.5%， 屬于典型的高原湖泊小流域類型。 流域為一向南突出的新月型斷拗盆地， 屬中亞熱帶濕潤高原涼冬季風氣候， 每年5-10 月為雨季， 10 月下旬至來年5 月初為旱季。 杞麓湖流域是通海縣經濟社會發展的主體， 為省城通往滇南的交通要道。

1.2 數據獲取與分類

選用美國國家航空航天局（NASA）的Landsat 系列陸地資源衛星遙感數據作為空間時序土地利用信息提取的數據源， 包括1975、 1985、 1990、 1995、 2000、 2005、 2010 和2015 年共8 個時期成像于1 或2月的杞麓湖流域影像數據。 其中1975 年為MSS 傳感器（空間分辨率為78 m）， 1985-2010 年為TM 影像（空間分辨率為30 m）， 2015 年為OLI（空間分辨率為30 m）， 1 月或2 月為旱季， 湖泊水位相對穩定，且利于農地識別。 對原始的影像數據首先進行圖像融合、 拼接、 裁剪和圖像增強等處理， 便于影像解譯。 參照杞麓湖流域土地利用地理信息數據以及通海縣第3 次森林資源二類調查空間矢量數據庫， 結合本研究的實際需求， 將杞麓湖流域劃分為農地、 林地、 建設用地、 水體、 灘涂濕地和未利用地6 個景觀類型。 在本研究中， 跡地、 宜林地、 荒草地和苗圃地均劃分為未利用地。 采用目視解譯的方法對波段組合RGB 為4， 3， 2 的影像數據進行人工區劃判讀， 最終形成8 個時期的杞麓湖湖泊矢量數據和1985、2000、 2015 年（圖1）3 個時期的流域景觀類型矢量數據。 解譯結果利用校正過后的高清谷歌衛星地圖以及研究區第3 次森林資源二類調查成果進行精度驗證， 最終水體的總體精度達97%以上， 其他各景觀類型的精度均在90%以上， 解譯精度滿足研究需要。

圖1 杞麓湖流域2015 年景觀類型空間分布示意圖Figure 1 Spatial distribution of landscape types in Qilu Lake Basin in 2015

1.3 湖泊動態演變分析方法

基于地理信息空間統計方法， 先從湖泊面積變化方面研究杞麓湖近40 a 來湖泊動態的總體特征，進而基于Fragstats 軟件計算杞麓湖水體的景觀形狀指數（LSI）， 定量揭示杞麓湖形狀的變化趨勢， 最后在ArcMAP 中求算各時期杞麓湖斑塊的空間質心， 跟蹤分析杞麓湖空間質心的遷移規律。

1.4 生態風險樣區劃分

依據研究區景觀斑塊平均面積2～5 倍的原則［12］， 將流域網格化為大小1.5 km × 1.5 km 的方形單元格， 基于流域邊界對生成的單元格進行裁剪， 使單元格總面積與研究區面積一致， 共生成219 個單元格， 用單元格與解譯結果進行疊加處理， 使每一單元格都成為具有特定景觀結構組成的生態風險采樣小區。 依次計算每一評價單元樣區的生態風險指數， 并把該生態風險值賦予為樣地中心點的值， 作為空間插值分析的樣本。

1.5 景觀生態風險評價

借鑒相關的研究成果［13］， 以景觀破碎度、 景觀分離度和景觀優勢度為自變量， 采用景觀干擾度指數和景觀敏感度指數來建立景觀損失度指數， 在此基礎上構建景觀生態風險指數。 其計算公式為：

式（1）中：ERk為第k個采樣區的景觀生態風險指數； LLi為第i種景觀類型的生態損失度指數； Aki為第k個采樣區第i種景觀類型的面積； Ak為第k采樣區的面積；m為景觀類型。 LLi的計算公式為：

式（2）中：Ui為景觀干擾度指數；Si為敏感度指數［14］。 按敏感性高低對各景觀類型的Si進行賦值。 水體為6， 灘涂濕地為5， 農地為4， 林地為3， 未利用地為2， 建設用地為1［15］。 歸一化后得到各景觀類型的敏感度指數。Ui計算公式為：

式（3）中： a、 b、 c 分別為景觀破碎度、 分離度和優勢度權重， 對其賦值分別為0.3、 0.2 和0.5［16］； Ci為破碎度； Fi為分離度； Di為優勢度。

2 結果與分析

2.1 景觀結構變化特征

如表1 所示： 杞麓湖景觀類型以農地和林地為主， 分別占了研究區土地總面積的42.66%～44.72%和30.83%～32.17%。 各土地利用類型面積從大到小依次為農地、 林地、 建設用地、 水體、 未利用地、 灘涂濕地。 1985-2015 年， 建設用地和灘涂濕地面積顯著增加， 其中， 建設用地所占比率由6.49%增加到10.47%， 且前15 a 增幅大于后15 a， 灘涂濕地在前15 a 呈略微減少的變化趨勢， 1985 年流域灘涂濕地的面積占了流域總面積的0.30%， 到了2010 年， 其面積僅占流域總面積的0.11%， 2000-2015 年灘涂濕地的總面積顯著增加， 占流域總面積的3.95%， 這與2015 年杞麓湖湖泊面積急劇縮減有關。 水體在30 a 間不斷減少， 其面積總共減少了37.13%。 未利用地面積變化最小， 呈先小幅度增加然后又小幅度減少的波動變化趨勢。

表1 不同時期土地利用類型面積占比和變化率Table 1 Area rates and changing rates of land use in different periods

2.2 湖泊動態演變過程

2.2.1 面積變化 杞麓湖水體僅有1 個斑塊。 為研究杞麓湖近30 a 來面積和形狀的變化特征， 選取景觀水平上的景觀面積和景觀形狀指數2 個指標來對其進行定量研究。 從圖2 可以看出： 杞麓湖面積的變化可分為3 個主要階段。 第1 個階段為1975-1985 年， 這10 a 杞麓湖面積呈增加的趨勢， 共增加了32.18 hm2； 第2 個階段為1985-2010 年， 這個階段杞麓湖面積呈逐漸減少的變化趨勢， 減少速率為10.77 hm2·a-1； 第3 個階段為2010-2015 年， 這個階段杞麓湖面積急劇縮減， 面積共減少了1 396.94 hm2。 到2015 年春， 杞麓湖面積僅有面積最大年份1985 年的56.05%， 這主要是由于2010 年至2013 年末， 云南省連續4 a 發生嚴重干旱， 致使杞麓湖面積大幅縮減， 湖泊西南邊的淺水區域因泥沙淤積導致大面積湖灘裸露。

2.2.2 輪廓變化 景觀形狀指數是度量景觀形狀復雜程度的重要指標， 其值越大， 表明景觀形狀越復雜或越扁長， 其計算公式參見文獻［17］。 形狀指數變化表明： 杞麓湖形狀指數在1975-2010 年的變化起伏波動， 2010-2015 年呈顯著減小的變化趨勢。 1975 年， 杞麓湖形狀指數最大， 為1.809 2， 說明此時杞麓湖形狀最為復雜， 受到的人為干擾最小。 1975 年以來， 由于環杞麓湖周圍不斷筑路筑壩， 放水圍田，修建景區等頻繁的人為干擾活動， 加之流域內每年的雨水豐沛不均， 造成杞麓湖形狀指數變化頻繁， 且較無規律。 到2015 年， 由于湖泊面積大幅減小， 形狀指數降至最低， 為1.456 9。 從杞麓湖輪廓變化（圖3）可以看出： 1975 年， 杞麓湖輪廓顯得最為復雜， 輪廓上的內凹和外凸最多。 1975-2010 年， 杞麓湖輪廓在這7 個時期均有細小的變化， 西部的紅旗河入湖口處以及南部的姚春溝河入湖口處輪廓差異最為明顯。 由于湖泊東面水岸較深， 無入湖河流， 且人為活動相對較少， 形狀變化不明顯。 2015 年湖泊形狀邊緣的凹凸明顯減少， 與前7 個時期的輪廓形成顯著對比，尤以西部變化最為劇烈， 南部變化次之， 東北部變化最小。

2.2.3 質心變化 由1975-2015 年杞麓湖質心位置遷移變化（圖4）可以看出： 杞麓湖質心總共向東北遷移了1 242.0 m。 1975-1985 年， 杞麓湖質心以6.5 m·a-1的速度向東南遷移了65.0 m， 結合湖泊面積的變化特征，說明這個階段湖泊呈現東南方向的擴張變化； 1985-1990 年， 這個階段遷移速度較快， 向東北遷移了76.0 m， 平均遷移15.2 m·a-1； 1990-1995 年， 遷移速率較慢， 共向北偏東12°方向遷移了15.0 m， 平均遷移3.0 m·a-1； 1995-2000 年和2000-2015 年， 這2 個階段均向東偏北8°方向遷移， 分別遷移了70.0 和22.0 m， 平均遷移14.0 和4.4 m·a-1； 2005-2010 年， 杞麓湖質心以34.4 m·a-1的遷移速率向西南方向遷移了171.8 m， 這主要是由于湖面增長， 以及西南邊的入湖口進行過大面積的清淤， 導致西南邊水域面積擴展所致； 2010-2015 年， 湖泊質心以240.8 m·a-1的速率向東北遷移了1 204.0 m， 由于連續干旱， 湖泊面積大量縮減， 湖泊西南方向因地勢平緩， 水面較淺而迅速向東北方向萎縮。

圖2 1975-2015 年杞麓湖景觀面積和形狀指數變化Figure 2 Landscape area and shape index changes of Qilu Lake in 1975-2015

圖3 1975-2015 年杞麓湖輪廓變化示意圖Figure 3 Outlines changes of Qilu Lake in 1975-2015

圖4 1975-2015 年杞麓湖質心變化Figure 4 Centroid change of Qilu Lake in 1975-2015

2.3 景觀生態風險評價

2.3.1 生態風險指數計算結果 根據建立的生態風險評價模型計算得到219 個單元格的生態風險指數（ERk）， 用自然斷點法［18］將整個流域的生態風險劃分為5 個等級： 低生態風險（ERk≤0.807 3），較低生態風險（0.807 3＜ERk≤0.882 9）， 中生態風險（0.882 9＜ERk≤1.429 6）， 較高生態風險（1.429 6＜ERk≤1.689 5） 和高生態風險（1.689 5＜ERk）。 結果如圖5 所示： 杞麓湖流域1985 年的生態風險為0.260 6～1.998 6， 均值為0.957 8； 2000年生態風險為0.371 3～1.947 0， 均值為0.964 3；2015 年 生 態 風 險 為0.207 5 ～1.996 9， 均 值 為1.013 9。 各單元格生態風險指數值隨年份變化呈不同的變化趨勢， 其中有25 個單元格（單元格總面積為4 893.37 hm2）生態風險持續下降， 有135 個單元格（單元格總面積20 846.09 hm2）生態風險持續上升， 有19 個單元格（單元格總面積3 804.51 hm2）生態風險先增加后降低， 有40 個單元格（單元格總面積為7 920.19 hm2）生態風險先降低后上升。 上述4 種變化的單元格面積分別占了流域總面積的13.06%、55.64%、 10.16%、 21.14%。 表明研究區土地利用景觀格局差異較大， 旅游開發、 城鎮化等人類干擾對景觀的改造， 作用于流域生態系統中在不斷地累加和轉化， 使景觀格局變化所引起生態風險也開始增加， 流域景觀生態趨于惡化。

圖5 單元格生態風險計算結果Figure 5 Ecological risk calculation results of the cell samples

2.3.2 時間演變特征 通過對研究區1985、 2000 和2015 年3 個時期各等級生態風險所占面積進行統計（表2）可知： 杞麓湖流域主要為較低生態風險等級， 所占比率為26.75%～35.09%。 3 個時期生態風險面積存在以下變化趨勢： 低生態風險面積先增加后減少， 總體表現為減少， 面積比率由1985 年的22.51%減少到2015 年的21.75%， 面積共減少了284.7 hm2； 較低生態風險面積顯著增加， 由1985 年的10 021.7 hm2增加至2015 年的13 146.2 hm2， 累計增加3 124.5 hm2； 中生態風險面積先減少后增加， 面積總體為減少， 由1985 年的9 643.3 hm2減少到2015 年的8 924.0 hm2； 較高生態風險面積持續減少， 累計減少了2 570.1 hm2， 其所占比率由1985 年的15.39%降低至2015 年的8.53%； 高生態風險面積先減少后增加， 所占比率由1985 年的9.61%減少到2000 年的6.10%， 再增加至2015 年的10.81%， 面積總共增加了449.6 hm2， 總體呈增加趨勢。

表2 1985、 2000 和2015 年各級生態風險面積所占比率Table 2 Area and percentage of the ecological risk grades in 1985, 2000 and 2015

2.3.3 空間分布規律 用生態風險單元格的中心點來代表風險小區的生態風險值， 采用克呂金插值法得到杞麓湖流域生態風險插值結果（圖6）。 杞麓湖流域生態風險空間差異分析表明： 杞麓湖流域生態風險空間分布具有明顯的區位性和異質性特征。 低生態風險主要分布在流域內的湖盆之中， 具有明顯的空間聚集性， 該區域為景觀優勢明顯的連片農地和集中的城鎮住宅， 多年來已經形成較為穩定的景觀結構，景觀破碎度和敏感度較低； 較低生態風險主要分布在湖盆與山區的過渡地帶和環杞麓湖一帶， 這些區域景觀結構較為完善， 但也是毀林開墾、 城鎮拓展等行為的主要發生區域， 存在一定的潛在風險； 中生態風險主要分布在流域邊緣的山區地帶， 該區域屬于杞麓湖流域的高海拔區域， 存在較多的破碎化林地和坑塘， 自身的穩定性較差， 生態系統相對脆弱； 較高生態風險主要集中分布在杞麓湖水體的邊緣， 納古鎮的北部區域， 楊廣鎮的東南部， 這一區域地勢較低， 被流域中的城鎮所包圍， 人類干擾強度較大； 高生態風險區域主要位于杞麓湖水體部分， 水域生態系統十分脆弱， 尤其是近年來， 杞麓湖的結構性污染較為突出［19］， 水質逐步變差， 已成為中度富營養型湖泊， 其潛在的景觀生態風險程度最高。

圖6 杞麓湖流域生態風險空間分布示意圖Figure 6 Spatial characteristics of ecological risk index in Qilu Lake Basin

3 結論與討論

杞麓湖流域景觀結構類型以農地和林地為主。 整個研究期內， 景觀類型變化總體趨勢為建設用地和灘涂濕地處于漲勢， 農地、 林地和水體逐漸萎縮， 未利用地變化不大。 其中， 灘涂濕地增幅最大， 而建設用地增長面積最多。 農地和林地均呈小幅度減少。 通過對比影像數據可知： 減少的農地和林地主要變為了建設用地， 水體在30 a 間不斷減少， 其面積總共減少了37.12%。 主要原因為隨著氣候的變化和人類活動的增強以及連續的干旱， 入湖徑流遞減， 加上強烈的蒸發作用以及農田灌溉用水， 流域水資源量日趨緊張。

近40 a 來， 杞麓湖面積變化可分為3 個階段： 1975-1985 年， 杞麓湖呈擴張趨勢， 面積緩慢增加，1985 年為研究期間面積最大的時段； 1985-2010 年， 杞麓湖呈萎縮趨勢， 面積逐年緩慢減少； 2010-2015 年是杞麓湖變化最大的階段， 面積急劇萎縮， 僅為1985 年的56.05%， 以西南部萎縮最為顯著， 其主要原因為2010-2013 年間云南省的持續干旱。 這與李浩杰等［2］對包括杞麓湖在內的云南九大高原湖泊開展的湖泊水面遙感監測研究所得出的結論相吻合。 杞麓湖形狀指數在1975-2010 年間變化起伏波動，與面積變化無明顯的相關性， 到2015 年形狀指數值降至最低。 輪廓上以西部和南部河流入湖口處變化最為明顯， 東北部因水岸較深變化較小。 杞麓湖質心的變化方向與其縮減的主要方向相反， 共向東北方向遷移了1 242.0 m。

219 個采樣小區生態風險計算結果表明： 1985-2015 年杞麓湖流域景觀生態風險均值介于0.957 8～1.013 9， 流域有55.64%面積的生態風險不斷升高， 流域生態趨于惡化。 時間變化方面， 低生態風險、中生態風險和較高生態風險面積減少， 較低生態風險和高生態風險面積增加。 今后應重點防范低生態風險和較高生態風險向更高等級的生態風險轉化。 空間分布上， 杞麓湖流域景觀生態風險具有較強的區域性和異質性， 生態風險的等級分布規律與景觀破碎程度和景觀敏感性有密切關系， 低生態風險主要分布在流域內的湖盆之中， 高生態風險主要分布于湖泊處， 而其他等級的生態風險主要沿湖盆和湖泊呈塊狀或帶狀分布。

本研究利用生態學、 環境學和地理學等多學科原理對杞麓湖近40 a 湖泊的動態和流域景觀生態風險特征進行了多層面的探討和評價。 針對杞麓湖不斷縮減、 流域生態風險不斷升高等問題， 相關主管部門應當抓住杞麓湖國家濕地公園建設的契機， 本著因地制宜的原則， 一方面要合理規劃城鄉建設和土地配置， 防止流域景觀高度破碎化和高空間異質性的發生； 另一方面要大力實施退田環湖、 退耕還林的政策， 并及時清理入湖河流， 從根源上防止杞麓湖進一步受到污染， 同時對湖口淤積的泥沙要及時清理，以防范因灘涂裸露而造成的圍湖造田和圍湖造塘行為； 此外， 在開發過程中， 要控制好土地利用強度，盡量減輕人為干擾對林地、 水體及農地等生態功能型景觀的破壞； 最后著力優化湖泊周圍的生態系統，重點關注對濕地景觀的保護， 增強其生態風險抵抗力。 本研究對杞麓湖多個時期的面積進行縱向比較，反映景觀變化動態， 但均限于旱季。 關于對杞麓湖不同季節的遙感監測， 以及生態風險演變的人為干擾機制將會在后續研究中進一步加強。