基于“三生”空間演變的高原湖泊流域生態環境效應及影響因素
——以滇池流域為例

武 燕，吳映梅，陳云娟，李 琛，高彬嬪，鄭可君,2，李 嬋

(1.云南師范大學地理學部，昆明 650500；2.云南省社會科學院，昆明 650000)

【研究意義】高原湖泊流域相較一般湖泊流域而言，兼具高生態價值和高脆弱性等特點，作為人類活動的重要空間載體，隨著經濟發展進程的快速推進，流域土地利用變化劇烈，生態環境受到嚴重破壞[1-2]。2021年9月云南省生態環境廳印發《關于進一步加強九大高原湖泊生態環境監管工作的通知》，進一步強調高原湖泊流域需嚴控開發強度，杜絕無序開發，加快推進九湖流域生態環境持續改變。因此，針對高原湖泊流域土地利用變化所造成的生態環境效應及影響機制研究既可豐富特殊區域生態環境研究理論，又能為破解經濟快速發展進程下高原湖泊流域社會經濟發展與生態保護的二維困境提供相應解決思路?！厩叭搜芯窟M展】土地利用變化作為人類活動與自然環境相互作用最直接的表現形式，是全球生態環境變化研究重點之一[3-4]。隨著經濟社會的迅速發展，城市擴張使得土地利用類型大規模的發生變化，往往會對生態環境造成極大破壞，嚴重影響區域可持續發展[5-6]。土地利用與生態環境關系被看作是人與自然關系的縮影[7-8]，Wijesekara[9]運用耦合CA的ERWHM9水文模型模擬了未來2035年土地利用變化對加拿大艾伯塔省南部艾伯河流域水文過程的影響程度；Paavo等[10]基于城市擴張對生態資源和環境空間影響進行了綜合分析，認為城市擴張對生態環境質量而言具有重要負向影響，因此需要重視城市發展過程中所帶來的生態環境問題，這也與趙亞莉等[11]的研究一致；楊清可等[12]基于三生空間的土地利用轉型對黃河三角洲生態環境效應空間異質性進行了探究；蓋兆雪等[13]對松花江流域土地利用轉移過程中生態環境效應及其影響因素進行了討論；劉強等[14]基于CA-Markov多情景模擬對海南島土地利用變化及其生態環境效應展開研究。現有研究重點圍繞土地利用轉型過程中生態環境效應及其響應[12,15-16]、生態環境效應多情景模擬[14,17]等方面開展，對于生態環境效應驅動因子及交互作用探析有待進一步深化討論[13]。同時通過追蹤土地利用結構、數量和空間變化，運用生態環境質量指數模型定量刻畫地區生態環境質量時空演變特征已得到廣泛運用[16]，但多是基于賦值法[15]進行計算，強調土地利用方式的空間格局和功能屬性而構建出的綜合生態環境質量模型逐漸興起[18]。此外，有關研究區選擇大多聚焦于國家[16]、省(市、區)[19]、縣[20]、城市群[21]、流域[17]，對于高原湖泊流域這類特殊區域的生態環境效應關注較少?！颈狙芯壳腥朦c】選取典型高原湖泊流域—滇池流域，遵循“時間序列—空間結構—動因機制”的研究范式，從“三生”土地利用主導功能分類體系出發探討高原湖泊流域三生空間演變過程，并通過綜合生態環境質量指數評估模型對滇池流域生態環境質量進行綜合測度，同時運用全局空間自相關、熱點分析工具(Getis-Ord Gi*)和地理探測器探索三生空間轉型過程中生態環境效應的演化特征和形成機理，彌補高原湖泊流域三生空間轉型與生態環境質量變化研究的不足?！緮M解決的關鍵問題】從三生空間轉型視角出發，定量分析滇池流域1990—2018年生態環境效應，并采用地理探測器分析其影響因子，為高原湖泊流域協調經濟發展與生態環境保護矛盾，推進生態文明建設，實現流域可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

滇池流域(102°30′～103°02′E，24°28′～25°23′N)是長江上游生態安全的重要組成部分，也是云南九大高原湖泊流域的重要組成部分。整體位于滇中地區，范圍北起嵩明縣梁王山脈，南至晉寧區照碧山，東起呈貢區梁王山，西至大青山和西山，流域面積2920 km2，主要涉及五華區、盤龍區、西山區、官渡區、呈貢區、晉寧區、嵩明縣7個行政區單元(圖1)[22-23]。研究區屬于亞熱帶季風濕潤性氣候，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨量935 mm，氣候宜人、地形平坦。特殊的地理位置以及優越的自然環境使滇池流域自古以來便成為云南省城市化發展的重要空間載體。近年來，由于經濟社會快速發展，城市化進程的不斷加快使流域三生空間發生劇烈轉變，生產和生態空間出現縮小趨勢，城鎮生活空間不斷增加，經濟發展和生態環境保護的雙重制衡嚴峻，流域內生態環境質量亟待關注與保護。

圖1 研究區的位置和范圍

1.2 數據來源及處理

滇池流域1990年、2000年、2010年、2018年4期土地利用數據來源于中國科學院資源環境數據云平臺( http://www.resdc.cn)，空間分辨率為30 m×30 m；DEM數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m×30 m，在此基礎上運用 ArcGIS 10.8 獲取地形起伏度等數據；氣溫、降水、GDP等數據來源于中國科學院資源環境科學與數據中心(http://www.resdc.cn)，空間分辨率為1 km×1 km；道路數據來自于國家基礎地理信息中心1∶25萬全國基礎地理數據庫(https://www.webmap.cn)；夜光遙感數據來源于Luojia1-01數據(http://59.175.109.173:8888/index.html)，并利用ENVI 5.3對其進行校正，人口密度數據來自Wordpop的人口密度數據集(https://www.worldpop.org/)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用變化速率計算 選用土地變化速率表征不同類型的三生空間在一定時期內的轉換速度，其值越大，表示三生空間類型轉換越強[4,24]，變化越大。

(1)

式中，K為研究期內某一土地利用類型動態度；Ua、Ub為研究起始期與末期單一土地利用類型面積；T為研究時段(年)。

1.3.2 生態環境質量計算 將滇池流域不同土地利用類型按照三生空間劃分標準劃分為生產空間、生活空間以及生態空間[25](表1)。參考王永洵等[18]的研究，選用生態環境屬性因子以及生態環境格局因子，以綜合生態環境質量指數模型測度滇池流域生態環境質量。生態環境屬性因子(Fi)參考楊清可等[12]的研究，以表征基本地類的環境屬性。僅通過單一地類轉換不足以完全科學測算土地轉型過程中生態環境質量的變化，土地利用轉型過程中往往會帶來斑塊、形狀等變化，因此王永洵等[18]從景觀脆弱度、分離度、優勢度出發，基于景觀格局指數構建出生態環境格局因子(Si)，以景觀組合的空間關系模式來反映宏觀尺度下土地利用轉型對區域生態環境質量的影響[18,26-27]。

表1 三生空間土地利用功能分類及其生態環境質量指數

(2)

式中：EV為綜合生態環境質量指數，Ai和A分別為采樣單元范圍內第i種用地類型的面積和采樣單元總面積，Fi為第i類用地類型的生態環境屬性因子，Si為第i類用地類型的生態環境格局因子，兩者經過無量綱化處理，共同構成了第i類用地類型的綜合生態環境質量指數。

對景觀破碎度Ci、景觀分離度Ni和景觀優勢度Di3個景觀格局指數進行加權疊加，三者權重為a=0.6，b=0.3，c=0.1，權重分配具體參考謝花林等[28]的研究，景觀格局指數計算參考高彬嬪等[29]的方法。構建出生態環境格局因子Si，用于表征景觀格局指數變化對區域生態環境質量的影響。

(3)

1.3.3 全局空間自相關 采用探索性空間數據分析(Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA)方法探討滇池流域生態環境質量的空間分布模式及異質性特征[29]。其中空間自相關主要包括全局空間自相關性和局部空間自相關性，研究選取Moran’sI指數來反映全局自相關程度，Moran’sI的取值范圍為[-1,1]，若Moran’sI為正值，則表明流域生態環境質量在空間上呈現出較高聚集水平，值越大，越顯著，反之則為分散。具體參考高彬嬪等[29]的方法。

1.3.4 冷熱點分析 運用熱點分析[16,30](Getis-Ord Gi*)指數識別具有顯著空間集聚特征性的高值和低值區分布位置，具體參考趙筱青等[30]的方法。

1.3.5 地理探測器 以研究區生態環境質量為因變量，以影響滇池流域生態環境質量的各因素為自變量，選用地理探測器中的因子探測器和交互探測器分析各驅動因子及因子組合對研究區生態環境質量空間異質性的解釋程度，具體如下[31]。

(4)

(5)

SST=Nσ2

(6)

此外，綜合考慮研究區實際情況以及參考已有研究[13,32]，從自然因素、社會經濟因素和可達性3方面選取地形起伏度(X1)、年平均氣溫(X2)、年降水量(X3)、公里網格GDP(X4)、路網密度(X5)、夜光遙感(X6)、人口密度(X7)、距道路距離(X8)、距水域距離(X9)及距居民點距離(X10)10個影響因子，用于分析生態環境質量與地理環境因子的內在聯系。在ArcGIS中將所有影響因子進行柵格化處理，并統一投影坐標系。

2 結果與分析

2.1 滇池流域三生空間轉型及變化

2.1.1 三生空間分布及變化 由圖2可知，滇池流域主要以林地生態空間為主，分布于流域四周，農業生活空間和城鎮生活空間圍繞滇池集中分布。三生空間類型面積所占流域總體面積大小排列為：林地生態空間>農業生產空間>草地生態空間>水域生態空間>城鎮生活空間>農村生活空間>工業生產空間。1990—2018年滇池流域工業生產空間以及城鎮生活空間呈現增加趨勢，其中城鎮生活空間增加了349.96 km2，其余5類三生空間用地面積均呈現不同程度的減少，農業生產空間和草地生態空間分別減少256.72、127.51 km2(表2)。大量農業生產空間由于城市建設發展需要逐漸轉化為城鎮生活空間，城鎮生活空間大面積分布于滇池以北的昆明市主城區(五華、盤龍、官渡、西山區)，城鎮生活空間面積由1990年的96.24 km2增長至2018年的4460.20 km2。因此，對于三生空間的劇烈變化給流域整體生態環境造成破壞及生態環境質量降低等問題需要進一步重視。

表2 1990—2018年滇池流域三生空間用地類型面積

圖2 1990—2018年滇池流域三生空間分布

2.1.2 三生空間動態度變化 從圖3可知，滇池流域1990—2018年農業生產空間以及草地生態空間大面積減少，城鎮生活空間增加顯著。其中2010—2018年間流域三生空間變化最劇烈，農業生產空間、農村生活空間、林地生態空間以及草地生態空間分別下降139.87、66.99、33.96和51.27 km2，城鎮生活空間增加272.88 km2。農業生產空間、生態空間的急速下降與城鎮生活空間的大幅增加息息相關，城鎮生活空間土地利用動態度符合流域經濟與城鎮建設的發展趨勢。從土地利用動態度看，工業生產空間在2000—2010年升高最明顯，工業生產空間升高20.55%，此外城鎮生活空間降低1.35%，但在2010—2018年城鎮生活空間增加迅速，升高19.68%。

圖3 1990—2018年滇池流域三生空間動態度變化情況

結合滇池流域1990—2018年三生空間轉移矩陣(表3)來看，大量農業生產空間轉化為城鎮生活空間，轉換面積達202.76 km2。由于流域經濟與城鎮建設發展需要，城鎮生活空間范圍擴大，增加迅速，與此同時林地、草地生態空間的減少使流域經濟社會發展與生態環境保護之間矛盾加劇。

表3 1990—2018年滇池流域三生空間面積轉移矩陣

2.2 滇池流域三生空間轉型的生態環境效應

2.2.1 生態環境質量的空間分布演變 為更好展現滇池流域生態環境質量的時空變化特征，結合研究區的實地情況，劃分2 km×2 km格網，基于ArcGIS 10.8軟件的Kriging插值法和自然間斷點分級法，將滇池流域生態環境質量分為高[0.93，∞)、較高[0.77，0.93)、一般[0.58，0.77)、較低[0.36，0.58)、低[0.08.0.36)5個等級。由圖4可以看出，流域生態環境低質量區在滇池沿岸集中分布，整體上呈現“倒C型”，并向官渡、呈貢區不斷擴大，至2018年形成了大面積團塊狀的生態環境低質量區。較高質量區、高質量區大部分分布于流域東側官渡區以及北部嵩明縣，屬林、草地生態空間大范圍聚集地。隨著城市發展的需要，2010年后流域東側官渡區部分空間也逐漸出現低質量區、較低質量區的中心點，為緩解主城區人口、用地壓力使城市布局向外側蔓延，侵占大量林、草地生態空間，造成生態環境質量下降明顯。

圖4 1990—2018年滇池流域生態環境質量空間分布

從表4可以看出，1990—2018年，滇池流域生態環境質量數值呈現下降趨勢。1990—2018年，流域低質量區面積呈現增加趨勢，增加面積達271.60 km2，變化率達107.82%；較低質量區、一般質量區、較高質量區以及高質量區分別減少40.74、94.20、87.33和49.33 km2。結合滇池流域生態環境質量轉移矩陣來看(表5)，滇池流域低質量區主要由較低質量區轉入，轉入面積達201.36 km2。未來應重點關注該區域生態系統穩定性的維護，避免城市的快速發展造成生態環境質量降低，影響人居環境和諧。

表4 1990—2018年滇池流域各等級生態環境質量面積

表5 1990—2018年滇池流域生態環境質量等級轉移矩陣

2.2.2 生態環境質量空間相關性 利用GeoDA軟件分析滇池流域生態環境質量空間格局，1990年、2000年、2010年、2020 年研究區全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，且P值均小于0.01(圖5)，說明研究區生態質量指數整體呈顯著正相關，全局Moran’sI值隨時間推移而增大，表明空間集聚效應相對增強，區域差異增大，空間發展不均衡態勢顯著。

圖5 1990—2018年滇池流域生態環境質量Moran’s I 散點圖

結合熱點分析(圖6)可知，滇池流域生態環境質量熱點區面積較小，多分布于流域東側的林、草地生態空間集聚地，且熱點區面積逐年減小。冷點區大面積分布于流域經濟發展較快的主城區，隨著時間推移，面積逐漸增大。對比1990—2018年4期生態環境質量熱點分析可知，滇池流域主城區承擔著經濟發展的重要任務，隨著城市發展需要，城鎮生活空間擴張迅速，冷點區隨之增大明顯。

2.3 滇池流域生態環境效應影響因素

2.3.1 單因子探測 考慮到數據的可獲取性以及研究的側重點，選取滇池流域生態環境質量最低的2018年作為目標年份，從自然環境因素、社會經濟因素以及可達性3個方面選取驅動因子識別影響滇池流域生態環境質量的主導因子。由表6可知，影響滇池流域生態環境質量的q值排名為：人口密度>夜光遙感>路網密度>GDP>氣溫>降水>地形起伏度>距居民點距離>距道路距離>距水域距離。說明，滇池流域生態環境質量改變主要受社會經濟因素的影響，以人口密度的影響最為突出，達0.487。研究區為昆明市以及云南省重要經濟中心，人類活動對三生空間的干擾程度劇烈，空間沖突顯著突出，使原有三生空間穩定性極易被打破，從而對流域整體生態環境造成嚴重威脅。其次，面積較小的滇池流域匯聚著昆明市大部分人口，城鎮化的快速發展促使人口愈發集聚，為滿足城市人口生活和生產需要，大部分農業生活空間或林地、草地生態空間轉化為城鎮生活空間。此外，自然環境因素以及可達性方面可作為生態環境質量的主控因素，未來更需要注重流域開發過程中人類活動對生態系統整體性、穩定性的影響，平衡好生產-生活-生態空間之間的動態關系，實現流域生態環境保護與經濟發展同步化。

表6 滇池流域生態環境質量驅動因子分異結果

2.3.2 因子交互作用分析 借助地理探測器模型中的交互探測模塊識別不同因子之間的交互影響作用[31]，研究區在所選因子中任意2個因子的交互作用均大于單個因子的影響，說明導致研究區生態環境質量空間分異結果并不是由單一影響因子造成的。從圖7可知，夜光遙感(X6)和人口密度(X7)與自然環境因素交互作用強烈，具體來看，夜光遙感(X6)∩氣溫(X2)和降水(X3)交互作用影響最為突出，二者均達到0.618以上，此外人口密度(X7)∩氣溫(X2)和降水(X3)以及地形起伏度(X1)交互作用也達到0.5以上。自然環境因素作為生態環境質量的基底，良好的氣候條件對于區域生態環境質量而言具有調節作用。此外，滇池流域作為昆明以及云南省重要的經濟發展區，承擔著經濟發展重任，為應對人口壓力，城鎮生活空間不斷增加，高強度的人類活動對生態環境質量威脅嚴重，促使滇池流域生態環境質量下降顯著。考慮到不同因子之間的差異及協同作用，規避生態環境質量惡化加劇，維持生態系統穩定性，需采取多元調控手段，避免過度的人為活動造成環境保護負載。

圖7 滇池流域生態環境質量驅動因子交互探測結果

3 討 論

3.1 不同類型生態環境質量區管理建議

生態文明建設是中華民族永續發展的千年大計，良好的生態環境成為提高民生福祉、創造美好人居環境的重要前提[33]，遵循“生態優先、綠色發展”的戰略成為可持續發展的主旋律，關注高原湖泊流域經濟發展和生態保護對于構建和諧的“山水林田湖草”共同體至關重要。隨著城市化的加快發展，城鎮生活空間不斷外擴，給滇池流域整體生態環境造成巨大威脅。同時，已有學者關注到滇池由原來的“城郊湖”逐漸轉變為“城心湖”[34]，滇池沿岸原有的農業生活空間逐漸被城鎮生活空間所替代，三生空間變化劇烈，由此帶來的生態環境問題不容小覷。根據本研究可知，1990—2018年滇池流域大量的林地、草地生態空間由于快速城市化建設需要被城鎮生活空間所擠占，城鎮生活空間增長急速，大量的人口涌入加劇了流域生態環境壓力，改變了流域原有的三生空間格局，促使生態環境低質量區面積迅速擴張，滇池流域生態環境質量下降趨勢明顯，經濟發展與環境保護二維困境顯著。如何在經濟發展與生態保護中闖出一條特有的路子，平衡好生態空間和生活空間的關系，成為云南九大高原湖泊流域地區下一步城市未來規劃建設過程中亟需考慮的問題。基于此，需在流域發展過程中加強對人口、土地的進一步管控，并提出具體的解決措施：①生態環境低質量區，當前滇池流域生態環境低質量區主要分布與城鎮生活空間范圍相似，面積隨著城市擴張而不斷增大，因此生活空間內部建設成為后續發展需重點關注的任務，即城市綠地公園修建、濕地公園旅游的有序開展以及貫徹城市居民生態保護理念。②生態環境一般質量區，這類區域主要圍繞已建成城鎮生活空間的外圍分布，由于城市發展需要，為容納和緩解主城區人口壓力，極有可能會因城鎮生活空間擴張而轉變為生態環境低質量區，因此在未來的發展過程中應該更加關注城鎮生活空間開發的有序性、發展的可控性，嚴守生態紅線，實現有序、適度發展，避免快速城市化進程中所帶來的空間溢出效應對該區域生態環境造成影響。③生態環境高質量區，這類區域面積不斷縮小，且該區大部分分布于流域外圍，植樹造林、保護林草地生態空間成為重中之重，同時，急需控制各類開發對生態空間的占用和擾動，強調生態功能的有效發揮，全面統籌山水林田湖草等生態要素，實施好流域生態修復和環境保護工程，為流域留足綠色高質量發展空間。

3.2 研究展望

當前，生態環境質量測算大多采用賦值法計算[12,25]，對于特殊區域典型性、空間異質性考慮還有所欠缺，參考景觀格局指數有效修正的綜合生態環境質量評價模型從空間格局和功能屬性出發，更加清晰全面地反映三生空間演變過程中生態環境質量的時間變化及其空間分布。因此，未來在開展研究的過程中，可根據研究區實際情況，選用合適的生態環境質量評估模型，科學評價生態環境質量，為地區可持續發展提供科學參考。

4 結 論

(1)1990—2018年滇池流域三生空間變化劇烈，以農業生活空間向城鎮生活空間轉移面積最突出，城鎮生活空間較1990年增長227.88 km2。

(2)1990—2018年滇池流域生態環境質量下降顯著，城市擴張使生態環境低質量區在空間上圍繞滇池沿岸逐漸形成團塊化連片分布。

(3)1990—2018年滇池流域生態環境質量全局Moran’sI值分別為0.583、0.600、0.614、0.640，空間集聚特征增強，生態環境質量冷熱點空間分異顯著，生態環境質量熱點區面積狹小，分布于流域四周林、草地生態空間密集區，冷點區則大面積分布于滇池沿岸生活空間，且面積增加迅速。

(4)造成滇池流域生態環境質量下降最顯著的因素為人口密度，結合滇池流域近三十年間城鎮生活空間迅速增長可知，人類活動的增強給流域生態環境穩定性帶來威脅，造成流域整體生態環境問題凸顯。