陽宗海流域土地利用景觀格局時空變化分析

孫曉莉，鄭 毅，趙 然，沈金祥，田淑靜，費麗娜

(1.云南國土資源職業學院，昆明 652501；2.徐州工程學院管理學院，江蘇 徐州 221000)

【研究意義】土地是人類生產生活和社會發展過程中的重要自然資源和物質保障[1]，不同的土地利用類型在空間分布上的變化直接影響景觀格局變動[2]。通過對流域景觀格局研究有助于了解景觀格局演變的機制與規律，進一步探索自然、人類活動等與景觀變化的關系，實現土地資源可持續利用[3]?！厩叭搜芯窟M展】目前，流域土地利用景觀格局研究已引起國內外廣泛關注，主要集中在流域景觀格局及其時空變化[4-7],流域土地利用景觀格局及其穩定性分析[8]，流域景觀格局變化對流域植被[9]、生態風險[10]、水質變化[11]影響等方面。流域土地利用景觀格局變化研究對流域綜合治理和景觀調控等具有非常重要的理論和現實意義[12]?！颈狙芯壳腥朦c】學者對滇池、劍湖、洱海等流域研究較多，對陽宗海流域開展相關研究的較少。因此，以陽宗海流域作為研究區域，開展流域土地利用景觀格局時空變化分析對流域內土地利用、湖泊保護等具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】文中選擇2005年、2010年、2015年、2020年4期遙感影像數據，采用目視解譯和外業核查方式獲得研究區矢量數據圖斑，從土地利用變化、地學信息圖譜、景觀格局變化不同角度分析研究區土地利用景觀格局變化特征；從景觀空間角度探討陽宗海湖泊面積及質心變化，以期為陽宗海湖泊及流域內土地利用、生態安全體系構建等提供數據支撐和決策依據，進一步促進湖泊流域生態環境的有效保護、合理利用與可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

陽宗海(102°58′～103°01′E，24°51′～24°58′N)位于云南省昆明市以東30 km(圖1)，海拔1770 m，地跨澄江、呈貢、宜良3個縣(區)，是云南九大高原湖泊之一[13]。陽宗海湖區屬亞熱帶高原季風氣候，年均氣溫14.5 ℃，年均降水量963.5 mm。

圖1 研究區位置示意圖

陽宗海流域屬珠江流域南盤江水系，是典型的高原構造型亞熱帶石灰巖淡水深水湖泊，流域面積為34 050.45 hm2。陽宗海湖泊入湖河流主要有陽宗河、七里河、湯池河以及其它臨時性溪流等。地勢總體上為北高南低，其四面環山，山系多呈南北走向[14]。

1.2 數據來源與處理

數據來源：2005年、2010年、2015年、2020年4期陽宗海流域土地利用數據來源于遙感影像，圖像空間分辨率為0.5 m；行政區劃等數據來源于云南省第三次全國國土調查數據。

數據處理：通過對獲取的遙感影像進行幾何校正、圖像融合、裁剪等處理，依據GB/T21010—2007《土地利用現狀分類》，將陽宗海流域的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、建設用地、水域及水利設施用地、未利用地7類。按照上述分類系統采用目視解譯及外業核查的方式獲取2005年、2010年、2015年、2020年4期陽宗海流域景觀類型的矢量數據圖斑(圖2)。

圖2 研究區2005—2020年土地利用類型

主要基于ArcGIS 10.0和Fragstats 4.2等軟件對數據進行處理,為下文研究提供數據基礎。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用轉移矩陣 土地利用轉移矩陣可以描述各地類之間變化的來源和流向，計算出不同土地利用類型之間相互轉移的方向和數量，通過對某一時期內各種土地利用類型的演變方向和程度進行相應描述[15-16]，清晰的表達土地利用狀態的時空演化過程[1]。其表達式為：

(1)

式中：S為土地總面積；n為土地利用的類型數；i，j分別為研究期初期和末期的土地利用類型。

1.3.2 地學信息圖譜 地學信息圖譜具有同時表達地理空間結構特征和時間動態變化的功能[17]。利用地學信息圖譜方法研究陽宗海流域土地利用時空格局變化，其本質是在GIS和遙感(Remote Sensing，RS)的技術支持下，對研究區的土地利用地類圖斑數據進行相應的提取[18]，并采用空間分析等方法生成一系列具有聯系的土地利用地類圖斑變化信息。文中主要采用地學信息圖譜對研究區各土地利用類型時空變化特征進行分析。

1.3.3 景觀格局指數 景觀格局指數是能夠高度濃縮景觀格局信息并反映其結構組成和空間分布特征的定量指標[19]。為了既全面反映研究區景觀格局時空變化特征，又有效的減少信息冗余。文中借助于ArcGIS 10.0和Fragstats 4.2軟件對各地類圖斑進行相應處理，主要選擇斑塊個數(Number of patches，NP)、平均斑塊面積(Mean patch size，MPS)、形狀指數(Landscape shape index，LSI)、聚合度(Aggregation index，AI)、蔓延度(CONTAG)、香農均勻度(Shannon’s eveness index，SHEI)、香農多樣性指數(Shannon’s diversity，SHDI)7個指標[20]，通過景觀格局信息圖譜分析研究區2005—2020年土地利用景觀及陽宗海湖面景觀時空格局變化。

1.3.4 景觀質心量測 景觀質心量測主要用于研究各類景觀的動態變化，通過計算景觀質心分析景觀格局的空間變化規律和趨勢[12]。其計算公式如下[21]。

(2)

式中：xt、yt分別第t年表示湖泊分布質心的經緯度坐標；Cti表示第t年湖泊斑塊的面積;xi、yi分別表示第i個湖泊班塊的經緯度坐標。

2 結果與分析

2.1 陽宗海流域土地利用變化

2005—2020年建設用地和林地面積增加，耕地和未利用地面積減少，其他地類面積變化不大。受“退耕還林”政策實施影響，2010—2015年耕地面積出現大幅度減少，達1186.24 hm2；林地面積出現顯著增加，達970.47 hm2。2010—2020年，隨著學校、華僑城溫泉水公園以及周邊配套設施的建設，研究區內建設用地增幅明顯，達683.42 hm2；2015—2020年隨著陽宗海南岸“一帶三區”濕地項目打造，實施“退耕還湖還濕還林”政策，研究區內水域及水利設施用地出現小幅增加，達98.46 hm2。

從表1可以看出，陽宗海流域土地利用景觀類型以林地和耕地為主，二者景觀類型面積占總面積的比例達65%以上，其中又以林地面積占比最大，2005—2020年間林地面積占研究區總面積的比例均在40%以上，其次為耕地，占研究區總面積的比例均在20%以上。此外，未利用地面積占研究區總面積的比例在15%左右，充分說明研究區以農林生產為主，水域用地充沛，隨著周邊學校、溫泉水上公園、陽宗海南岸濱海生態濕地等的建設，研究區建設用地呈現逐年增加趨勢。

表1 研究區土地利用景觀類型面積

2.2 陽宗海流域土地利用地學信息圖譜分析

陽宗海流域土地利用景觀時空格局變化可以通過地學信息圖譜進行分析，一般包括增勢圖譜和減勢圖譜[19]。增勢圖譜是指由其他土地利用資源轉入各土地利用資源的部分，稱為新增地類來源；減勢圖譜是指各土地利用資源轉為其他土地利用類型的部分，稱為各地類資源減少流向[22]。

從表2可看出，2005—2020年，各土地利用類型面積均發生變化。從總體變化來看：耕地、園地和未利用地面積出現減少，其中耕地和未利用地面積減少較大，分別為816.45、707.92 hm2，園地減少規模較小，為33.00 hm2；林地、草地、建設用地和水域及水利設施用地出現增加，其中建設用地和林地面積增加較大，分別為809.31、627.23 hm2，草地和水域及水利設施用地增加規模較小，分別為67.35、53.48 hm2。

從表2和圖3可知，耕地增加來源地類主要為林地和未利用地，二者占比達85.15%，除陽宗海東岸耕地增加較少之外，其他區域均有分布，說明隨著人口增加，主要通過開墾未利用地等促使耕地增加；園地增加來源地類主要為耕地和未利用地，二者占比達74.84%，主要分布于陽宗海西南側，少量分布于陽宗海流域最北部等區域，馬郎櫻桃文化旅游節帶動了當地群眾種植櫻桃等當地水果，使得陽宗海西南側等部分耕地流向園地；林地增加地類來源主要為耕地和未利用地，二者占比達87.16%，整個研究區域均有分布，主要是受到當地“退耕還林”政策實施影響，通過退耕和開墾質量較好的未利用地進行林地種植；草地增加來源地類主要為未利用地和林地，二者占比達61.45%，其次為耕地，主要分布于陽宗海周邊區域，較為分散。距離居民地較遠、且耕種條件差的耕地容易轉化為草地，此外，判讀時容易受到“林下草”的影響，即在影像判讀過程中由于林地種植具有周期性，當樹木較小時，影像判讀為草地，使得新增草地來源于林地，而當樹木生長茂密時，出現遮蓋草地的情況，使得影像判讀為林地，出現草地流向林地的情況；建設用地增加來源地類主要為耕地、未利用地和林地，三者占比達95.84%，建設用地增加除了新修建的道路等基礎配套設施外，主要為陽宗海西南側的云南國土資源職業學院、陽宗海北部的華僑城溫泉公園，建設用地的增加占用較多的耕地、未利用地和林地等；水域及水利設施用地增加來源地類主要為耕地和林地，二者占比達66.76%，主要表現為坑塘水面及陽宗海沿岸部分“退耕退林還湖”增加；未利用地增加來源地類主要為林地和耕地，二者占比達87.40%，整個研究區域均有分布，主要包括耕種條件較差、距居民地較遠等導致耕種荒廢的耕地以及受到天氣等因素影響退化為未利用地的灌木林地等。

圖3 2005—2020年土地利用增勢圖譜

表2 研究區2005—2020年土地利用轉移矩陣

從表2和圖4可知，耕地流向的地類主要為林地和建設用地，二者占比為64.27%，主要原因為新增建設用地占用耕地及退耕還林政策的影響；園地流向的地類主要為耕地和林地，二者占比為74.74%，主要受到當地群眾種植果園和農作物的影響；林地流向的地類主要為未利用地和耕地，二者占比為81.10%，受天氣等影響,一部分灌木林轉化為未利用地，雖當地實施退耕還林政策，但仍存在將林地開墾為耕地的情況；草地流向的地類主要為未利用地和林地，二者占比為58.33%，一部分草地受到天氣等因素影響轉化為未利用地，此外受到上述“林下草”因素影響；建設用地流向的地類主要為耕地和林地，二者占比為66.13%，主要原因為部分農村建設用地復墾為耕地，采礦用地復墾為林地；水域及水利設施用地流向的地類主要為耕地和建設用地，二者占比為56.57%，主要原因為圍湖造田使得部分水域轉化為耕地，農村居民點用地占用部分坑塘水面等；未利用地流向的地類包含所有地類，主要為林地、耕地和建設用地，三者占比為94.56%，存在新增建設用地占用未利用地以及將未利用地開墾為耕地和林地的情況。

圖4 2005—2020年土地利用減勢圖譜

2.3 陽宗海流域空間格局景觀特征分析

將研究區4期矢量數據圖斑轉化為柵格數據(柵格單元大小為10 m×10 m)。通過選取7個景觀格局指數，從景觀尺度分析陽宗海流域2005—2020年景觀格局變化特征并揭示其所蘊含的景觀效應[20]。

由圖5可見，陽宗海流域景觀斑塊個數呈現先增加后減少趨勢，2005—2010年斑塊個數出現上升，2010—2020年斑塊個數出現減少，階段性特征明顯，其中2005—2010年斑塊個數增加，平均斑塊面積減少，表明研究區景觀格局受人類社會經濟活動干擾，景觀破碎化程度增加；2010—2020年斑塊個數減少，平均斑塊面積增加，表明研究區景觀格局逐步向著聚集方向發展。15年間研究區景觀蔓延度指數雖有小幅波動，但整體變化不大，說明研究區內優勢斑塊類型連接性較好，未出現明顯破壞情況，且隨著研究區道路等基礎設施不斷完善，進一步增強了景觀連通性。聚合度呈現下降趨勢，但變化較緩，說明研究區相同斑塊類型的聚集程度降低，有景觀破碎化趨勢，但不明顯。香農多樣性指數和香農均勻度雖出現一定的波動變化，呈現先上升、再下降、然后上升的趨勢，但變化幅度不大，說明研究區景觀多樣性和景觀優勢度相對較為穩定?？傮w而言，陽宗海流域2005—2020年空間格局景觀特征具有一定的空間分異性，2010年以后研究區逐步進行治理和保護，景觀聚集度、景觀多樣性和景觀優勢度等均保持相對穩定，人為因素干擾得到緩解，生態環境得到保護。

圖5 陽宗海流域空間格局景觀指數變化

2.4 陽宗海湖泊質心量測

2.4.1 陽宗海湖泊面積變化 利用研究區2005—2020年的陽宗海湖泊矢量圖斑數據進行統計得到陽宗海湖泊面積，如表3所示。2005—2015年陽宗海面積呈逐年減少趨勢，其中2005—2010年減少50.44 hm2，2010—2015年減少32.94 hm2。2010—2015年與2005—2010年相比縮減速度減緩，2015—2020年陽宗海面積出現增加，面積達70.24 hm2。總體來看，2005—2020年呈現先減少后增加的趨勢。這與當地實施《陽宗海保護條例》、“退耕還湖”以及入湖河道治理等一系列舉措密不可分。

表3 陽宗海湖泊景觀面積變化情況

面積加權平均形狀指數和分維數用來度量斑塊形狀的復雜程度，其值越高說明形狀越復雜。從表3可得出，形狀指數和分維數2005—2010年出現減少，2010—2020年出現連續增加，但2015—2020年增幅較緩。陽宗海2008年發生污染以來，引起當地政府高度重視，實施一系列舉措治理和保護陽宗海。2010年相較于2005年、2015年出現較為重要的轉折點，尤其是陽宗海南岸和北岸入湖口形狀變化較為明顯，這與形狀指數和分維數值反映的情況是吻合的。2015—2020年隨著陽宗海濕地項目落地，陽宗海湖泊形狀和分維數出現小幅增加。

2.4.2 陽宗海湖泊質心變化 質心是描述地理空間對象分布的重要指標，其可以用來表示地理空間對象分布所發生的變化情況。從圖6可得出，陽宗海質心2005—2010年總體向東北方向偏移3.51 m，2010—2015年總體向東北方向偏移15.92 m，2015—2020年總體向西南方向偏移22.74 m?？蓪㈥栕诤：促|心偏移分為2個時期：2005—2015年整體向東北方向偏移，且2005—2010年期間偏移較為緩慢；2015—2020年質心偏移方向發生變化，由2005—2015年的東北方向偏移向西南方向發生偏移，且偏移速度較快。陽宗海南岸及湖泊周邊“泥沙淤積”到“圍湖造田”“圍湖建塘”再到“退耕還湖”的各時期轉變直接影響著陽宗海湖泊質心發生變化。

圖6 2005—2020年陽宗海湖泊質心變化

3 討 論

許多學者從陽宗海流域重金屬污染[23]、生態環境質量變化[24]等方面進行分析研究，而從土地利用景觀格局角度對其開展相關研究的較少。文中選擇2005年、2010年、2015年、2020年4期數據，采用土地利用轉移矩陣、景觀格局指數等方法對研究區土地利用數量、景觀格局指數、湖泊質心變化進行分析，研究結果與樊凱等[8]、朱泓等[24]的研究結論基本一致，2010—2020年，隨著人類活動強度降低，斑塊數量、景觀多樣性指數和優勢度等雖有小幅變化，但景觀結構整體趨于穩定，生態環境質量持續變好。若能獲取更高分辨率、長時間序列的影像數據進行分析，文中研究結果可能會更具有系統性和針對性。流域土地利用景觀格局變化是一個長期、動態的過程，陽宗海流域景觀格局變化是否受到氣溫、降雨量、植被等自然因素以及人類活動因素、政策因素等驅動機制影響，陽宗海湖泊的水質變化是否與流域內土地利用景觀格局變化存在直接關聯等內容將是今后進一步探索和研究的方向。

4 結 論

從整體來看，陽宗海流域在2005—2020年各地類既有增加，也有減少。隨著社會經濟發展、人口增加及當地政府實施“退耕還林還草”政策等因素影響，建設用地、林地呈現增加趨勢，未利用地、耕地面積減少，園地等其余地類面積變化幅度不大。2005—2010年，受人為等干擾因素影響，流域內土地利用景觀破碎度增加，湖泊面積出現減少。2010—2020年，研究區景觀格局逐步向著聚集方向發展，景觀多樣性和景觀優勢度相對較為穩定，湖泊面積由減向增變化，生態環境治理和保護成效得以體現。此外，隨著陽宗海湖泊周邊“退耕還湖”“河道治理”等措施實施，陽宗海湖泊形狀和分維數越來越復雜，質心發生偏移。本研究結果可為構建湖泊流域生態安全體系提供數據支撐和決策依據，對促進湖泊流域生態環境的有效保護、合理利用與可持續發展具有重要的意義[25]。