王有兵 施俊美 楊建軍 張士平

摘要：基于遙感與GIS技術(shù)，并結(jié)合有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)，選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數(shù)對研究區(qū)域2010 ～ 2019年景觀結(jié)構(gòu)和格局變化進行分析，采用LDI方法進一步評價了該區(qū)域環(huán)境健康狀況。結(jié)果表明，研究區(qū)域耕地景觀類型占主導(dǎo)地位，面積比例占50.81%以上，其次為建設(shè)用地，該區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)屬農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng);近幾年隨著洱海保護有關(guān)政策的實施，林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大;隨時間的變化，土地利用格局得到進一步優(yōu)化;2010年研究區(qū)域的LDI綜合指數(shù)為4.77，環(huán)境健康等級為“一般”，較接近“不健康”等級，但隨著洱海保護措施的實施而趨向于“健康”等級發(fā)展。

關(guān)鍵詞：景觀;分維數(shù);破碎度;LDI方法;健康等級;洱海

中圖分類號：X821 ???文獻標識碼：A

Abstract： Based on remote sensing and GIS technology and combined with relevant survey data， five landscape indexes， such as patch number， fractal dimension， landscape shape index， fragmentation， landscape change rate， were selected to analyze the changes of landscape structure and pattern in the study area from 2010 to 2019， and the environmental health status of the area was further evaluated by the method of LDI. Results showed that， the landscape types of cultivated land in the study area are dominant， accounting for more than 50.81% of the total area， followed by construction land， and the landscape structure of this area is a rural urban system. In recent years， with the implementation of relevant policies on Erhai protection， the landscape types of forest land， cultivated land， swamp land and water landscape have changed greatly. As time went on， the land use pattern has been obtained further optimization. In 2010， the LDI comprehensive index of the study area was 4.77， and the environmental health level was "ordinary"， which was close to the "unhealthy" level， but with the implementation of Erhai protection measures， it tended to develop at the "healthy" level.

Key words：landscape; fractal dimension; fragmentation; LDI method; health level; Erhai

景觀結(jié)構(gòu)的變化會引起生態(tài)環(huán)境的改變，可通過相關(guān)模型在不同層次水平上對其進行定量分析，獲取景觀結(jié)構(gòu)的時空變化關(guān)系[1]。土地資源是人類活動的載體，土地利用作為人類最基本的實踐活動形式，是導(dǎo)致景觀結(jié)構(gòu)改變的直接原因，可以通過土地利用結(jié)構(gòu)變化評估生態(tài)環(huán)境變化[2]。洱海是云南第二大高原湖泊，為洱海流域及周邊部分區(qū)域內(nèi)重要的生產(chǎn)生活水源地。自上世紀70年代起，洱海水位由自然調(diào)控轉(zhuǎn)為人為調(diào)控，造成長期低水位運行，加之周邊工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，村落密集，工農(nóng)業(yè)污染物及生活污水入湖，導(dǎo)致多次發(fā)生大規(guī)模藍藻水華[3]。洱海水質(zhì)的惡化備受關(guān)注，本世紀初有關(guān)部門開始實施洱海湖濱帶的生態(tài)修復(fù)[4]，提出了“綠色流域建設(shè)”的防治思路[5]，但由于湖泊污染治理體系的不完善及社會經(jīng)濟發(fā)展的需求，后期一再爆發(fā)大規(guī)模藻華[6]。近幾年開始實施環(huán)湖截污工程，拆除湖周部分建筑物，建設(shè)湖濱帶生態(tài)廊道，對洱海流域部分入湖河流實施改造修復(fù)，洱海水質(zhì)惡化趨勢得到遏制，至今洱海水質(zhì)處于Ⅱ ～ Ⅲ類水平。

研究區(qū)域位于洱海北部臨湖陸域，該區(qū)域村落分布密集，農(nóng)業(yè)高度發(fā)展，同時也是洱海流域上游區(qū)域水資源入洱海必經(jīng)之地，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，濕地主要有西湖濕地。該區(qū)域可喻為洱海流域上游的“腎盂”，起到匯聚和凈化上游水源的作用，是洱海保護的一道重要防線，也是洱海源頭治理的關(guān)鍵區(qū)域之一。近幾年在該區(qū)域?qū)嵤┝送颂镞€草還濕，建造人工濕地，修復(fù)河流面岸，逐步退出污染型工農(nóng)業(yè)等洱海保護措施，為洱海保護作出了積極的響應(yīng)。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和洱海保護措施的開展，該區(qū)域的景觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，因此通過分析景觀結(jié)構(gòu)、景觀動態(tài)及景觀功能之間的相互關(guān)系，預(yù)測該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量發(fā)展趨勢，對該區(qū)域洱海保護措施實施成效給出科學(xué)的評價，并為區(qū)域內(nèi)土地資源的進一步優(yōu)化配置提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理白族自治州中部，地跨大理市和洱源縣（25°30′ ～ 26°00′N，100°00′ ～ 100°30′E），總面積25.65 萬hm2，處于瀾滄江、金沙江和元江三大水系分水嶺地帶，其水系屬瀾滄江水系。研究區(qū)域位于洱海流域的中部偏北（圖1），為流域中部壩區(qū)東西徑向最窄的區(qū)域，是流域上游水資源入洱海的必經(jīng)之地，該區(qū)域地勢平坦，水資源較為豐富，有魚米之鄉(xiāng)的美譽。區(qū)域內(nèi)有國家級濕地一處，面積為949.78 hm2，主要河流有羅時江、永安江、彌苴河，這3條河流平均入湖水量占洱海平均補給水總量的70%以上。研究區(qū)域海拔介于1968 ～ 2125 m，總面積為9953.15 hm2。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要包括研究區(qū)域2014（資源三號衛(wèi)星高清影像，分辨率10 m）、2016（航拍土地確權(quán)影像，分辨率1 m）、2019（資源三號衛(wèi)星高清影像，分辨率10 m）年影像，時相均為12月，2010 ～ 2019年Google Earth歷史影像;涉及研究區(qū)域的第三次全國土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)處理方法

以第三次全國土地調(diào)查矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合影像資料對研究區(qū)范圍內(nèi)的土地利用現(xiàn)狀進行斑塊區(qū)劃，地類區(qū)劃至二級地類，統(tǒng)計面積時進行適當(dāng)歸并，共歸為6類景觀類型：①建設(shè)用地，包括商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地、交通運輸用地;②空閑地;③林地，包括園地、喬木林地、灌木林地、其他林地及部分荒山草地;④耕地，包括水田、水澆地、旱地及其他土地中的設(shè)施農(nóng)用地;⑤沼澤地，包括森林沼澤、灌叢沼澤及沼澤地;⑥水體，包括河流水面、湖泊水面、水庫水面、坑塘水面、養(yǎng)殖坑塘、溝渠、干渠。

2.3景觀指數(shù)的選取

選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度、景觀變化率等5個景觀指數(shù)對研究區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)變化進行分析，相關(guān)指標計算公式如下，各指標的生態(tài)學(xué)含義見相關(guān)文獻[7-9]。

式中Ei為斑塊周長;Ai為某景觀類型的面積;MPS由所有斑塊的平均面積除以最小斑塊面積得到;n為某景觀類型斑塊數(shù)量;Nc為研究區(qū)景觀總面積除以最小斑塊面積之值;Sa、Sb分別為研究期初和研究期末的景觀面積;t為監(jiān)測時段長度。K>0表示監(jiān)測時間內(nèi)景觀面積增加，K<0表示監(jiān)測時間內(nèi)景觀面積減少，K的絕對值越大表示面積變化的程度越大。

2.4各斑塊LDI系數(shù)的確定及LDI綜合指數(shù)計算

根據(jù)Brown等[10]2005年劃分的LDI系數(shù)表，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況確定了各斑塊類型的LDI系數(shù)（表1）。

根據(jù)表1所賦予的系數(shù)，通過式5計算LDI綜合指數(shù)。

式中：LDItotal—研究區(qū)域LDI綜合指數(shù);%LUi—第i種土地利用類型的面積占研究區(qū)域總面積的百分比;LDIi—第i種土地利用類型的LDI系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀類型結(jié)構(gòu)變化

根據(jù)研究區(qū)域景觀類型面積比例統(tǒng)計可知（表2和圖2），2010 ～ 2019年間該區(qū)域占主導(dǎo)地位的景觀類型為耕地，占比高達50.81%以上，其次為建設(shè)用地占比高于17.97%，再次為林地占比高于6.50%。至2019年，沼澤地和水體面積占比相差不大，空閑地面積占比僅為0.33%。研究區(qū)域村落數(shù)量較多，是建設(shè)用地的主要組成部分，總體上建設(shè)用地面積呈增加趨勢，一批如高速公路、鐵路、工廠等重大項目建設(shè)的建設(shè)，導(dǎo)致2010 ～ 2018年增速較快，變化率高達58.27，后期建設(shè)項目減少，2018 ～ 2019年增速明顯減慢，變化率降至18.66;空閑地面積持續(xù)減少，特別是2016年以后減少幅度明顯大于2016年以前，一些空閑地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地或人工濕地;林地面積增幅在所有景觀類型中為最大，主要呈現(xiàn)在2016 ～ 2018年間沿主要河流兩側(cè)造林綠化，至2019年面積略有減少，主要是因為部分造林地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯竦?受洱海保護及其他有關(guān)生態(tài)保護政策的影響，一些如生態(tài)修復(fù)、綠化造林、水凈化等項目落地于退出的耕地上，造成耕地面積持續(xù)減少，特別是2016 ～ 2018減少幅度最大，部分水田退出后轉(zhuǎn)變?yōu)樗w或沼澤地;沼澤地是洱海源頭水質(zhì)凈化的主要載體之一，因此在具備條件的水田、耕地等區(qū)域建設(shè)了部分沼澤地，面積變化趨勢呈“增加-速增-略減”趨勢，后期部分沼澤地轉(zhuǎn)變?yōu)樗w;水體面積表現(xiàn)為增加，增加趨勢呈“快-慢-快”，初期受市場經(jīng)濟的影響，部分水田轉(zhuǎn)變?yōu)轲B(yǎng)殖塘，后期部分耕地改造為人工庫塘。

3.2景觀格局變化

選取斑塊數(shù)量、分維數(shù)、景觀形狀指數(shù)、破碎度4個指數(shù)對研究區(qū)域的景觀格局動態(tài)變化進行了定量分析（表3）。從景觀斑塊數(shù)量來看，除空閑地斑塊數(shù)量呈減少趨勢外，其余景觀斑塊數(shù)量均增加，建設(shè)用地的斑塊數(shù)量最多，數(shù)量由2010年的500增加至2019年的884;水體斑塊數(shù)量增加5倍左右，林地、耕地及沼澤地的斑塊數(shù)量也有不同程度的增加。從景觀破碎度來看，建設(shè)用地的破碎度最高，其次為林地，再次為耕地，其余景觀的破碎度均較小。建設(shè)用地、空閑地及林地的破碎度在時間變化上基本呈降低趨勢，可見建設(shè)用地及林地雖在擴展，并且斑塊數(shù)量整體呈現(xiàn)增加趨勢，但其地斑塊并沒有因為數(shù)量增加而變得破碎，而表現(xiàn)出更高的完整性。耕地的破碎度增加后又減少，主要是因在時間變化上耕地受分割破碎后又轉(zhuǎn)變了利用類型而導(dǎo)致的。沼澤地和水體因受鄉(xiāng)村道路的分割及人為增加斑塊數(shù)量而更加破碎，破碎度呈增加趨勢。

各景觀類型的分維數(shù)在4個時期均小于1.5，說明總體上景觀斑塊形狀簡單。建設(shè)用地、林地及耕地的分維數(shù)隨時間變化而增加，表明受人為干擾增加，斑塊形狀趨于復(fù)雜化;空閑地的分維數(shù)隨時間變化而降低，表明其斑塊形狀趨于簡單化;沼澤地和水體的分維數(shù)變化趨勢存在不確定性，表明受干擾較頻繁。從各景觀類型斑塊的形狀指數(shù)來看，除了空閑地外，其余景觀的形狀指數(shù)均呈現(xiàn)增大的趨勢，表明在人為干擾的情況下，斑塊結(jié)構(gòu)向著松散型發(fā)展。

3.3環(huán)境健康動態(tài)變化及評價

研究區(qū)域2010 ～ 2019年間的LDI綜合指數(shù)動態(tài)變化見表4，其值呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。從各景觀類型的結(jié)構(gòu)比例來看，該區(qū)域以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，其次為居住區(qū)，是洱海流域內(nèi)典型的農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng)。張淼等[11]將LDI值分為3個等級：1 ～ 2為“健康”;2 ～ 5為“一般”;大于5為“不健康”，參照該分級可知，2010年該區(qū)域LDI綜合指數(shù)高達4.77，環(huán)境健康等級處于“一般”，但較靠近“不健康”等級，說明該區(qū)域?qū)儆谵r(nóng)業(yè)型壩區(qū)，受城鎮(zhèn)化發(fā)展的影響較大。2016 ～ 2018年LDI綜合指數(shù)的降幅較大，說明在該時期一些如退田還濕還水，造林綠化等環(huán)境友好型項目的實施取得了一定成效。隨著后續(xù)有關(guān)項目的推進，該區(qū)域的環(huán)境健康狀況將進一步得到改善。

4 結(jié)論與討論

4.1結(jié)論

基于遙感與GIS技術(shù)，對研究區(qū)域2010 ～ 2019年景觀結(jié)構(gòu)及格局變化進行了分析，采用LDI方法進一步評價了該區(qū)域環(huán)境健康狀況，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域景觀類型以耕地為主導(dǎo)，其次為建設(shè)用地，屬農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng);

（2）研究區(qū)域的林地、耕地、沼澤地及水體等景觀類型面積變化幅度較大，發(fā)展趨勢良好;

（3）研究區(qū)域土地利用類型的空間布局隨時間變化得到進一步優(yōu)化;

（4）研究區(qū)域環(huán)境健康等級為“一般”，但隨時間的變化而趨向于“健康”等級發(fā)展。

4.2討論

研究區(qū)域位于洱海流域中部偏北，是洱海北部重要的“北三江”區(qū)域（羅時江、永安江、彌苴河），該區(qū)域景觀結(jié)構(gòu)是流域內(nèi)典型的農(nóng)村—城鎮(zhèn)組成系統(tǒng)，以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，鄉(xiāng)村聚落密布其中。由于該區(qū)域區(qū)位的獨特性，其是洱海流域北段洱海補給水的唯一過境地，因此該區(qū)域成為了洱海保護治理的關(guān)鍵區(qū)域之一?！氨比眳^(qū)域所匯聚的洱海補給水占洱?？傃a給水的70%，同時也是洱海污染物輸入的主要渠道之一。

1998 ～ 2016年洱?？偭孜廴矩摵煽傮w呈上升趨勢，具體表現(xiàn)為流域內(nèi)點源污染增加、面源污染減少，但面源污染仍是主要污染源，農(nóng)業(yè)面源、畜禽養(yǎng)殖糞便和城鎮(zhèn)居民生活污水是洱海流域三大污染來源，洱海湖區(qū)北部污染物濃度要高于其它地區(qū)[12-13]。研究區(qū)域農(nóng)業(yè)面廣、人口密集，畜禽養(yǎng)殖業(yè)是主要的輔助產(chǎn)業(yè)，因此成為洱海污染物主要來源區(qū)之一。為了建立保護洱海的最后一道生態(tài)防線，近幾年在湖岸、河流等區(qū)域建設(shè)了人工濕地、生態(tài)塘濕地等擬自然水源凈化系統(tǒng)，有效的截留了部分污染物[14-16]。

因此，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)模式和優(yōu)化土地利用方式是改善該區(qū)域自然環(huán)境的有效手段，只有加強和鞏固區(qū)域水源自然凈化能力，推動“綠色流域建設(shè)”的步伐，改善流域人居環(huán)境，才能帶動區(qū)域綠色經(jīng)濟的發(fā)展。

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