勐海县景观格局变化及驱动因素分析

邓 清 欧朝蓉 邓志华 郑买富 孙仕仙 李春阳 马英杰

( 1. 西南林业大学生态与环境学院，云南 昆明 650233；2. 西南林业大学地理学院，云南 昆明 650233；3. 西南林业大学化学工程学院，云南 昆明 650233；4. 西南林业大学湿地学院，云南 昆明 650233)

景观格局是指景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置[1]，它既是景观异质性的具体体现，同时又是包括干扰在内的各种生态过程在不同尺度上作用的结果[2]。景观格局决定着资源和环境的分布形式，反映出景观生态状况和空间变异特征，同时对水域抗干扰能力，恢复能力、系统稳定和生物多样性有着深刻的影响[1-2]。当前人类与生态环境的冲突不断，各种类型的生态问题相继出现，这些生态环境问题与景观格局的人类干扰密切相关，受到城市化扩张的影响，区域自然生态系统和农业生态系统不断向城市生态系统转化，从而导致景观格局的剧烈变化，进而造成景观生态演化过程和景观生态功能受到干扰，物质循环和能量流动在时空受阻，演变为生态环境问题，因此分析景观格局变化特征已成为当今攸关生态系统平衡和社会可持续发展的研究热点[3]。

近年来，国内外许多研究集中在土地利用现状、景观格局变化、未来土地利用变化预测等方面[4-10]。在时空尺度和分析尺度上，当前的研究都取得了显著进展，理论和方法不断推陈出新[11]。总体来看，国内景观格局研究已较为成熟，许多研究已经利用LUCC数据研究了城市地区[12-14]、湿地[15-17]、森林[18-20]、沿海地区[21-22]、农业区[4,23]、湖泊[24]及山地[25]景观格局的变化。但是对于滇南热带雨林地区（全球生物多样性最丰富的地区之一）的景观格局变化研究鲜见报道[26]。

滇南热带雨林区位于纵向岭谷区内是全球生物物种的高富集区和世界级的生物基因库之一[27]，受到国内外学界和生物学界的广泛关注。勐海县作为滇南热带雨林区典型代表以其得天独厚的自然地理条件使得该区成为我国生物多样性最丰富的地区之一[28]。近年来，由于人口的增长和经济的发展，人类活动的范围不断扩大，强度不断提高，使得勐海县景观格局发生较大变化，森林面积减少以及破碎化、片段化程度的加剧，出现了生物多样性急剧减少，大量物种面临严重威胁，分布范围向高海拔地区退缩等生态问题[28-29]。基于此，本研究以勐海县为研究区，借助景观生态研究手段定量分析研究区2009—2015年的景观格局及其动态变化，并分析景观格局变化的驱动因素。本研究可为解决景观格局变化带来的生态问题提供参考。

1 研究区概况

研究区位于云南省西南部勐海县，地处北纬21°28′～22°28′，东经 99°56′～100°41′，土地总面积5 368 km2，地处横断山系纵谷区的南段、怒江山脉向南延伸的余脉部，属西南山原地貌，高原丘陵盆地。研究区受热带海洋暖湿季风影响，阳光充足，年均日照时数2 024.9 h，年均气温18.1 ℃，气候温和，降雨充沛，年均降水量1 341.4 mm，立体性气候条件使得研究区拥有丰富的自然资源和多样性的生态系统[27]。同时研究区内现存的大面积热带森林，是世界上生物多样性最为丰富和热带雨林重要分布地区之一[30]。

2 材料与方法

2.1 数据来源及处理

遥感数据来源于中国科学院地理空间数据云平台，选取Landsat影像2009年和2015年各2期数据，条带号分别为130/45和131/45，成像时间分别为2009年2月27日、2009年3月6日、2015年2月28日和2015年3月7日，影像空间分辨率为30 m，云量为0，数据质量较好。使用Eradas Imagine 9.0遥感处理软件对Landsat影像进行预处理，包括大气校正、几何校正、图像增强等。

人口和国民经济数据来源于《勐海县年鉴》。降水量、温度和湿度数据来源于勐海县环保局。

2.2 分类方法

运用ENVI 5.3软件，采用监督分类和目视修正相结合的方法，将景观类型分为6类，分别为建设用地、林地、园地、旱地、农田和水域。对分类后的图像进行分类精度评估，分类结果精度均在85%以上，高于最低允许精度要求，符合本研究应用要求。获得不同时期景观组分分类后，在ArcGIS 10.2中进行计算并制作专题图进行分析。

2.3 景观格局分析方法

在众多景观格局的分析方法中，景观指数的应用最广泛，景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面的特征[31]。利用Fragstats 4.2计算景观格局指数，分析研究区景观格局变化。基于前人的研究[26,32-33]，在景观类型水平上选取4个指标，用斑块面积（CA）、最大斑块指数（LPI）、斑块数量指数（NP）、斑块密度指数（PD），分析景观个体单元特征；在景观水平上选取4个指标，用景观总面积（TA）、蔓延度指数（CONTAG）分析景观组分空间构型，用香农多样性指数（SHDI）和香农均匀度指数（SHEI）表征景观整体多样性特征[34]。

2.4 驱动力分析方法

景观格局变化是地球气候、总体环境和人类社会变化的中心因素。景观变化的驱动力包括自然过程和人为干预，如地形、气候变化、人类活动。在社会驱动力分析中，基于前人的研究和可获得的数据[31-33,35]，选取了研究区2009—2015年的GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、农民年均纯收入、人均生产总值、农村恩格尔系数和人口增长率等8个指标，在SPSS 22的支持下，利用主成分分析法对引起研究区景观格局变化的因素进行筛选。在自然驱动力方面，选取了3种具有代表性的驱动力（气温、降水量和湿度）来探讨驱动力与景观格局变化的关系。

3 结果与分析

3.1 景观类型分布及其变化分析

勐海县景观类型分布及其变化见图1，各类型景观面积见表1。2009—2015年，各类型景观面积从大到小依次为林地＞园地＞旱地＞农田＞建设用地＞水域。林地一直是研究区主要景观类型，所占的比例均在65%以上，但其面积有减少趋势，6 a间面积减少了134.9 km2，降幅为3.63%；面积同样呈减少趋势的还有农田和水域，降幅分别为13.45%和8.97%，其中农田面积减少比率最快；建设用地的面积由37.91 km2（2009年）增至56.9 km2（2015年），增长率为33.29%，是整个研究区面积比率增长最快的景观类型；园地和旱地面积同样呈增长趋势，增幅分别为14.36%和10.85%。

图 1 勐海县景观类型分布及其变化Fig. 1 The distribution of landscape types and their changes in Menghai

表 1 勐海县各类型景观面积Table 1 Area of each landscape type in Menghai

各景观类型转移矩阵见表2。研究区总共有6类景观类型，每一种类型的面积都发生了变化。每一种类型的新增面积意味着其他类型面积的“减少”，有4种类型有“输入”和“输出”部分。其中林地、农田和水域3种景观类型面积减少，旱地、建设用地和园地3种景观类型面积增加。6 a间，林地减少原因主要是其转为园地和旱地，这部分面积占林地转出面积的89.29%，占林地总面积的3.72%。农田减少的部分主要变为旱地、林地和园地，这部分占农田转出面积的93.4%，占农田总面积的13.53%。水域减少的部分主要变为林地、农田和园地，这部分占水域转出面积的96.00%，占水域总面积的8.36%。旱地增加的部分主要是通过林地、农田转化而来，这部分占旱地增加面积的99.95%，占旱地总面积的12.23%。园地增加的部分主要是通过林地、农田转化而来，这部分占园地增加面积的99.89%，占园地总面积的14.36%。建设用地面积增加最多，主要通过旱地、林地和农田转化而来，占建设用地增加面积的99.79%，占建设用地总面积的33.19%。

表 2 各景观类型转移矩阵Table 2 Transfer matrix of each landscape type km2

3.2 景观空间格局特征分析

3.2.1 类型水平上的景观格局指数分析

勐海县类型水平上的景观格局指数变化见图2。由图2a可知，2009—2015年6 a间，林地面积在减少，但依然是研究区主要的景观结构，旱地、园地和建设用地面积在一定幅度内上升。由图2b可知，2009年林地景观总面积最大，而且LPI最大，在2015年林地总面积有所下降但是LPI仍然最高，可见林地在上述6类景观类型中具有最大优势，在总体景观中占主导作用，其次是农田和园地。由图2c可知，2009—2015年建设用地、农田、林地的NP值均增大，表明其景观破碎程度增大，而旱地、园地、水域的NP值均降低，表明其景观破碎化程度降低。由图2d可知，2009—2015年旱地、园地、水域的PD值均降低，表明其景观破碎化程度降低，建设用地、农田、林地的PD值均在增大，表明其景观破碎化程度增大；建设用地、农田PD值增大、面积小、数量多而呈散布型分布，说明其受人为干扰影响较大。

图 2 勐海县类型水平上的景观格局指数变化Fig. 2 Change of landscape pattern index at the type level in Menghai

3.2.2 景观水平上的景观格局指数分析

勐海县景观水平上的景观格局指数见表3。由表3可知，研究区总面积为5 610.96 km2，CONTGA从2009年的50.988 4变为2015年的48.016 6，蔓延度指数在减小，表明研究区景观中小型斑块在增加，景观连通性变差，破碎化程度增大，景观类型所占比例差别增大，以自然景观为主，总的多样性程度降低。SHDI值从2009年的0.989 1变为2015年的1.045 7，指数值增大，而香农多样性指数的大小取决于研究区景观类型的多少以及各景观类型在面积分布上的均匀程度，由于研究区2期的景观类型均为6种，所以研究区香农多样性指数增大原因是由于各景观类型在面积分布上更均匀。SHEI从2009年的0.552变为2015年的0.583 6，指数值增大，表明水域景观和建设用地等劣势景观的斑块数量增多，各景观类型在面积分布上均匀度上升，土地利用向着均匀化方向发展。以上3个景观格局指数的变化表明，从2009—2015年研究区的景观破碎化程度增大，各景观类型在面积分布上更加均匀。

表 3 勐海县景观水平上的景观格局指数Table 3 Landscape pattern indices at landscape level in Menghai

3.3 景观格局变化驱动因素分析

3.3.1 自然因素

降水量、温度和湿度为特征的气候变化，在一定程度上会改变区域水系统和水环境，最终影响区域景观的空间分布格局[37]。选择勐海县气象局提供的2009—2015年6 a间勐海县降水量、温度和湿度3项气象数据，分析其在2009—2015年6 a间变化趋势，同时分别对降水量与温度、湿度进行相关性分析。

由表4可知，从2009—2015年，研究区的降水量呈现先降低再升高再降低再升高的过程，整体趋势是增大。温度呈现先升高后降低再升高再降低的过程，整体趋势是降低。湿度呈现上下小幅度波动趋势，变化趋势较为平稳，变化不大。从2009—2015年6 a间，研究区降水量、温度和湿度3项气象数据变化趋势均较为平缓，变化不大，表明自然因素对研究区景观格局变化影响较小，但是研究区水域面积却呈减少趋势，可见仍有其他因素干扰了水域面积的减少。

表 4 勐海县降水量、温度和湿度变化情况Table 4 Changes of precipitation, temperature and humidity in Menghai

3.3.2 社会因素

在社会驱动力分析中，基于前人的研究和可获得的数据[31-33,35]，选取了研究区2009—2015年的GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、农民年均纯收入、人均生产总值、农村恩格尔系数和人口增长率等8个指标，运用SPSS软件，对选取的8个指标进行主成分分析后，提取出2个主成分，累积方差贡献率为97%。从表5中可以看出，第一主成分主要是GDP、第一产业产值、第二产业产值、第三产业产值、农民年均纯收入、人均生产总值等均是与经济发展相关性强的指标；第二主成分中人口增长率则与人口因素相关性较为显著。通过对信息的归纳，从社会因素中的人口因子和经济因子就研究区景观格局变化原因进行探讨。

表 5 主成分分析结果Table 5 Results of principal component analysis

1）人口因子。由图3可知，研究区的总人口呈不断增长的趋势，由2009年的33.33万人增至2015年的34.1万人，增长率为2.3%。总人口的增长导致人们对住房的需求量增大，但研究区大部分为林地所覆盖，可利用地非常有限，导致了人地关系十分紧张，为解决人口增长导致的住房压力，部分的农田、林地等被开发为建设用地，资源开发力度加强，土地利用方式转变，进而对生态景观产生巨大的胁迫作用，导致景观结构的不合理化[38]。除人地关系紧张外，2009—2015年研究区的农业人口由26.1万人减少至21.6万人，减少率为17.24%，农业人口的减少导致粮食问题日益严峻，农村的部分农田因无人管理最终变成了荒地，一部分农田景观转化为旱地景观。由此可见人口因子是研究区景观格局变化的驱动因素之一。

图 3 勐海县人口变化情况Fig. 3 Population changes in Menghai

2）经济因子。由图4可知，从2009—2015年，研究区经济迅速发展，GDP由2009年的34.00亿元增长至2015年86.58亿元，短短6 a间增长率为154.65%。第一产业呈高速发展的态势，产值从2009年的7.70亿元增长至2015年23.79亿元，增长率为208.96%；第二产业发展相对缓慢，6 a间其产值增长率为128.70%；第三产业一直是研究区的主导产业，其产值增加了148.79%，形成了“三、二、一”的产业格局。第二、三产业的蓬勃发展，刺激了大量的劳动力向城市流动，增加了对基础设施建设、建设用地的要求，促使城市规模扩大并不断向外扩张，对未利用土地的开发强度增加，其他类型景观被侵占。同时农民为了获得更大的经济收益，大量种植以橡胶为主的经济林（图5）。单一化种植的橡胶林影响了研究区热带雨林景观格局，出现较为严重的片段化和破碎化，热带雨林的层次结构发生了变化，自然植被演替恢复周期不复存在[39]，天然林地面积减少。所以经济因子也是研究区景观格局变化的驱动因素。

图 4 勐海县GDP、各产业产值变化情况Fig. 4 Changes of GDP and industrial output value in Menghai

图 5 勐海县橡胶林种植面积变化情况Fig. 5 Changes of rubber plantation area in Menghai

4 结论与讨论

对研究区2009—2015年的景观格局空间变化及驱动力进行分析，得出以下结论：1）2009—2015年期间勐海县建筑用地面积以平均每年50.10%的速率增加，变化最大，林地以平均每年3.50%的速度减少，变化最小。旱地、建设用地和园地3种土地利用类型总面积在增加，林地、农田和水域3种土地利用类型总面积在减少。2）2009—2015年期间，林地是勐海县主要的景观结构，但其斑块破碎化程度在增加。旱地、园地和水域的景观破碎化程度降低，建设用地、农田、林地的景观破碎化程度增大。景观水平尺度上，研究区各景观类型破碎化程度增大，且各景观类型在面积分布上更加均匀。3）社会因素中人口和经济因子是勐海县景观格局变化的最主要驱动因素。

在2009—2015年，林地面积占研究区总面积的比例高达65%以上。人口增长和经济发展使得大量的林地转化为农田和建设用地。相关研究表明，自然因素（温度、湿度和降水量）在一定程度上会改变区域水系统和水环境，影响水域景观类型的空间格局[37]。从2009—2015年，研究区降水量、温度和湿度3项气象因子变化趋势较为平缓，变化不大，表明自然因素对研究区景观格局变化影响较小，但是研究区水域面积减少了8.97%，说明仍有其他因素干扰了水域面积的减少。研究区大部分水域转换为农田、林地和园地，这可能是人类活动干扰的结果。虽然研究区的橡胶林在短时间内还未表现出对区域气候的影响，但是目前已有大量研究结果表明橡胶的种植将会影响区域小气候变化，如林友兴等[40]通过研究橡胶林蒸腾特征得出，橡胶林对深层地下水的利用维持着较高的蒸腾耗水（尤其是老龄期的橡胶林），在一定程度影响或改变研究区的水循环、水量平衡及水文情势，而橡胶产生的单萜化合物能吸收大量光辐射，继而影响气温的变化[41]。

2009—2015年，研究区景观格局指数发生了一系列变化，从之前的分析来看林地景观尺度的斑块数目增多，景观水平尺度的香农多样性指数增加，人为因素导致研究区林地面积减少，景观破碎度增大，景观呈多样化发展的同时，林地景观的破碎度在增大，以橡胶林为主的次生林大量代替原始林，使得研究区林地景观格局核心区减少，连接度下降，同时使得林地景观的破碎度加深，空间异质性加大。这与刘文俊等[26]的研究结果一致。林地的破碎化将导致一系列的负面生态效应，例如一方面会对动植物活动迁移、植物种子扩散等多项生态过程产生影响[42]，造成处于不同退化阶段的隔离生境的出现[26]，最终导致植物物种丰富度和物种多样性指数降低[39,43]，另一方面水土保持能力下降[39]，直接导致植物生境小气候的变化。

本研究也存在一定的不足。首先，景观格局变化及其驱动力的研究往往面临处理不同类型数据的问题，特别是将自然科学数据与社会科学数据相结合时。本研究选取的自然和社会因素的指标，在判断驱动力影响的时候，没有识别出融合2种不同类型数据的方法，使得这些指标的准确性和全面性不能完全得到保证。此外，分析景观格局变化与驱动力之间关系的方法很多，但对不同驱动力数据的处理仍然缺乏有效方法。今后可对数理统计模型进行进一步的研究，从而利用模型对研究区景观格局变化的驱动机制进行定量分析。

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