基于“三生”空间演变的高原湖泊流域生态环境效应及影响因素——以滇池流域为例

武 燕，吴映梅，陈云娟，李 琛，高彬嫔，郑可君,2，李 婵

(1.云南师范大学地理学部，昆明 650500；
2.云南省社会科学院，昆明 650000)

【研究意义】高原湖泊流域相较一般湖泊流域而言，兼具高生态价值和高脆弱性等特点，作为人类活动的重要空间载体，随着经济发展进程的快速推进，流域土地利用变化剧烈，生态环境受到严重破坏[1-2]。2021年9月云南省生态环境厅印发《关于进一步加强九大高原湖泊生态环境监管工作的通知》，进一步强调高原湖泊流域需严控开发强度，杜绝无序开发，加快推进九湖流域生态环境持续改变。因此，针对高原湖泊流域土地利用变化所造成的生态环境效应及影响机制研究既可丰富特殊区域生态环境研究理论，又能为破解经济快速发展进程下高原湖泊流域社会经济发展与生态保护的二维困境提供相应解决思路。【前人研究进展】土地利用变化作为人类活动与自然环境相互作用最直接的表现形式，是全球生态环境变化研究重点之一[3-4]。随着经济社会的迅速发展，城市扩张使得土地利用类型大规模的发生变化，往往会对生态环境造成极大破坏，严重影响区域可持续发展[5-6]。土地利用与生态环境关系被看作是人与自然关系的缩影[7-8]，Wijesekara[9]运用耦合CA的ERWHM9水文模型模拟了未来2035年土地利用变化对加拿大艾伯塔省南部艾伯河流域水文过程的影响程度；
Paavo等[10]基于城市扩张对生态资源和环境空间影响进行了综合分析，认为城市扩张对生态环境质量而言具有重要负向影响，因此需要重视城市发展过程中所带来的生态环境问题，这也与赵亚莉等[11]的研究一致；
杨清可等[12]基于三生空间的土地利用转型对黄河三角洲生态环境效应空间异质性进行了探究；
盖兆雪等[13]对松花江流域土地利用转移过程中生态环境效应及其影响因素进行了讨论；
刘强等[14]基于CA-Markov多情景模拟对海南岛土地利用变化及其生态环境效应展开研究。现有研究重点围绕土地利用转型过程中生态环境效应及其响应[12,15-16]、生态环境效应多情景模拟[14,17]等方面开展，对于生态环境效应驱动因子及交互作用探析有待进一步深化讨论[13]。同时通过追踪土地利用结构、数量和空间变化，运用生态环境质量指数模型定量刻画地区生态环境质量时空演变特征已得到广泛运用[16]，但多是基于赋值法[15]进行计算，强调土地利用方式的空间格局和功能属性而构建出的综合生态环境质量模型逐渐兴起[18]。此外，有关研究区选择大多聚焦于国家[16]、省(市、区)[19]、县[20]、城市群[21]、流域[17]，对于高原湖泊流域这类特殊区域的生态环境效应关注较少。【本研究切入点】选取典型高原湖泊流域—滇池流域，遵循“时间序列—空间结构—动因机制”的研究范式，从“三生”土地利用主导功能分类体系出发探讨高原湖泊流域三生空间演变过程，并通过综合生态环境质量指数评估模型对滇池流域生态环境质量进行综合测度，同时运用全局空间自相关、热点分析工具(Getis-Ord Gi*)和地理探测器探索三生空间转型过程中生态环境效应的演化特征和形成机理，弥补高原湖泊流域三生空间转型与生态环境质量变化研究的不足。【拟解决的关键问题】从三生空间转型视角出发，定量分析滇池流域1990—2018年生态环境效应，并采用地理探测器分析其影响因子，为高原湖泊流域协调经济发展与生态环境保护矛盾，推进生态文明建设，实现流域可持续发展提供理论依据。

1.1 研究区域

滇池流域(102°30′～103°02′E，24°28′～25°23′N)是长江上游生态安全的重要组成部分，也是云南九大高原湖泊流域的重要组成部分。整体位于滇中地区，范围北起嵩明县梁王山脉，南至晋宁区照碧山，东起呈贡区梁王山，西至大青山和西山，流域面积2920 km2，主要涉及五华区、盘龙区、西山区、官渡区、呈贡区、晋宁区、嵩明县7个行政区单元(图1)[22-23]。研究区属于亚热带季风湿润性气候，年平均气温15 ℃，年平均降雨量935 mm，气候宜人、地形平坦。特殊的地理位置以及优越的自然环境使滇池流域自古以来便成为云南省城市化发展的重要空间载体。近年来，由于经济社会快速发展，城市化进程的不断加快使流域三生空间发生剧烈转变，生产和生态空间出现缩小趋势，城镇生活空间不断增加，经济发展和生态环境保护的双重制衡严峻，流域内生态环境质量亟待关注与保护。

图1 研究区的位置和范围

1.2 数据来源及处理

滇池流域1990年、2000年、2010年、2018年4期土地利用数据来源于中国科学院资源环境数据云平台( http://www.resdc.cn)，空间分辨率为30 m×30 m；
DEM数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)，空间分辨率为30 m×30 m，在此基础上运用 ArcGIS 10.8 获取地形起伏度等数据；
气温、降水、GDP等数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心(http://www.resdc.cn)，空间分辨率为1 km×1 km；
道路数据来自于国家基础地理信息中心1∶25万全国基础地理数据库(https://www.webmap.cn)；
夜光遥感数据来源于Luojia1-01数据(http://59.175.109.173:8888/index.html)，并利用ENVI 5.3对其进行校正，人口密度数据来自Wordpop的人口密度数据集(https://www.worldpop.org/)。

1.3 研究方法

1.3.1 土地利用变化速率计算 选用土地变化速率表征不同类型的三生空间在一定时期内的转换速度，其值越大，表示三生空间类型转换越强[4,24]，变化越大。

(1)

式中，K为研究期内某一土地利用类型动态度；
Ua、Ub为研究起始期与末期单一土地利用类型面积；
T为研究时段(年)。

1.3.2 生态环境质量计算 将滇池流域不同土地利用类型按照三生空间划分标准划分为生产空间、生活空间以及生态空间[25](表1)。参考王永洵等[18]的研究，选用生态环境属性因子以及生态环境格局因子，以综合生态环境质量指数模型测度滇池流域生态环境质量。生态环境属性因子(Fi)参考杨清可等[12]的研究，以表征基本地类的环境属性。仅通过单一地类转换不足以完全科学测算土地转型过程中生态环境质量的变化，土地利用转型过程中往往会带来斑块、形状等变化，因此王永洵等[18]从景观脆弱度、分离度、优势度出发，基于景观格局指数构建出生态环境格局因子(Si)，以景观组合的空间关系模式来反映宏观尺度下土地利用转型对区域生态环境质量的影响[18,26-27]。

表1 三生空间土地利用功能分类及其生态环境质量指数

(2)

式中：EV为综合生态环境质量指数，Ai和A分别为采样单元范围内第i种用地类型的面积和采样单元总面积，Fi为第i类用地类型的生态环境属性因子，Si为第i类用地类型的生态环境格局因子，两者经过无量纲化处理，共同构成了第i类用地类型的综合生态环境质量指数。

对景观破碎度Ci、景观分离度Ni和景观优势度Di3个景观格局指数进行加权叠加，三者权重为a=0.6，b=0.3，c=0.1，权重分配具体参考谢花林等[28]的研究，景观格局指数计算参考高彬嫔等[29]的方法。构建出生态环境格局因子Si，用于表征景观格局指数变化对区域生态环境质量的影响。

(3)

1.3.3 全局空间自相关 采用探索性空间数据分析(Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA)方法探讨滇池流域生态环境质量的空间分布模式及异质性特征[29]。其中空间自相关主要包括全局空间自相关性和局部空间自相关性，研究选取Moran’sI指数来反映全局自相关程度，Moran’sI的取值范围为[-1,1]，若Moran’sI为正值，则表明流域生态环境质量在空间上呈现出较高聚集水平，值越大，越显著，反之则为分散。具体参考高彬嫔等[29]的方法。

1.3.4 冷热点分析 运用热点分析[16,30](Getis-Ord Gi*)指数识别具有显著空间集聚特征性的高值和低值区分布位置，具体参考赵筱青等[30]的方法。

1.3.5 地理探测器 以研究区生态环境质量为因变量，以影响滇池流域生态环境质量的各因素为自变量，选用地理探测器中的因子探测器和交互探测器分析各驱动因子及因子组合对研究区生态环境质量空间异质性的解释程度，具体如下[31]。

(4)

(5)

SST=Nσ2

(6)

此外，综合考虑研究区实际情况以及参考已有研究[13,32]，从自然因素、社会经济因素和可达性3方面选取地形起伏度(X1)、年平均气温(X2)、年降水量(X3)、公里网格GDP(X4)、路网密度(X5)、夜光遥感(X6)、人口密度(X7)、距道路距离(X8)、距水域距离(X9)及距居民点距离(X10)10个影响因子，用于分析生态环境质量与地理环境因子的内在联系。在ArcGIS中将所有影响因子进行栅格化处理，并统一投影坐标系。

2.1 滇池流域三生空间转型及变化

2.1.1 三生空间分布及变化 由图2可知，滇池流域主要以林地生态空间为主，分布于流域四周，农业生活空间和城镇生活空间围绕滇池集中分布。三生空间类型面积所占流域总体面积大小排列为：林地生态空间>农业生产空间>草地生态空间>水域生态空间>城镇生活空间>农村生活空间>工业生产空间。1990—2018年滇池流域工业生产空间以及城镇生活空间呈现增加趋势，其中城镇生活空间增加了349.96 km2，其余5类三生空间用地面积均呈现不同程度的减少，农业生产空间和草地生态空间分别减少256.72、127.51 km2(表2)。大量农业生产空间由于城市建设发展需要逐渐转化为城镇生活空间，城镇生活空间大面积分布于滇池以北的昆明市主城区(五华、盘龙、官渡、西山区)，城镇生活空间面积由1990年的96.24 km2增长至2018年的4460.20 km2。因此，对于三生空间的剧烈变化给流域整体生态环境造成破坏及生态环境质量降低等问题需要进一步重视。

表2 1990—2018年滇池流域三生空间用地类型面积

图2 1990—2018年滇池流域三生空间分布

2.1.2 三生空间动态度变化 从图3可知，滇池流域1990—2018年农业生产空间以及草地生态空间大面积减少，城镇生活空间增加显著。其中2010—2018年间流域三生空间变化最剧烈，农业生产空间、农村生活空间、林地生态空间以及草地生态空间分别下降139.87、66.99、33.96和51.27 km2，城镇生活空间增加272.88 km2。农业生产空间、生态空间的急速下降与城镇生活空间的大幅增加息息相关，城镇生活空间土地利用动态度符合流域经济与城镇建设的发展趋势。从土地利用动态度看，工业生产空间在2000—2010年升高最明显，工业生产空间升高20.55%，此外城镇生活空间降低1.35%，但在2010—2018年城镇生活空间增加迅速，升高19.68%。

图3 1990—2018年滇池流域三生空间动态度变化情况

结合滇池流域1990—2018年三生空间转移矩阵(表3)来看，大量农业生产空间转化为城镇生活空间，转换面积达202.76 km2。由于流域经济与城镇建设发展需要，城镇生活空间范围扩大，增加迅速，与此同时林地、草地生态空间的减少使流域经济社会发展与生态环境保护之间矛盾加剧。

表3 1990—2018年滇池流域三生空间面积转移矩阵

2.2 滇池流域三生空间转型的生态环境效应

2.2.1 生态环境质量的空间分布演变 为更好展现滇池流域生态环境质量的时空变化特征，结合研究区的实地情况，划分2 km×2 km格网，基于ArcGIS 10.8软件的Kriging插值法和自然间断点分级法，将滇池流域生态环境质量分为高[0.93，∞)、较高[0.77，0.93)、一般[0.58，0.77)、较低[0.36，0.58)、低[0.08.0.36)5个等级。由图4可以看出，流域生态环境低质量区在滇池沿岸集中分布，整体上呈现“倒C型”，并向官渡、呈贡区不断扩大，至2018年形成了大面积团块状的生态环境低质量区。较高质量区、高质量区大部分分布于流域东侧官渡区以及北部嵩明县，属林、草地生态空间大范围聚集地。随着城市发展的需要，2010年后流域东侧官渡区部分空间也逐渐出现低质量区、较低质量区的中心点，为缓解主城区人口、用地压力使城市布局向外侧蔓延，侵占大量林、草地生态空间，造成生态环境质量下降明显。

图4 1990—2018年滇池流域生态环境质量空间分布

从表4可以看出，1990—2018年，滇池流域生态环境质量数值呈现下降趋势。1990—2018年，流域低质量区面积呈现增加趋势，增加面积达271.60 km2，变化率达107.82%；
较低质量区、一般质量区、较高质量区以及高质量区分别减少40.74、94.20、87.33和49.33 km2。结合滇池流域生态环境质量转移矩阵来看(表5)，滇池流域低质量区主要由较低质量区转入，转入面积达201.36 km2。未来应重点关注该区域生态系统稳定性的维护，避免城市的快速发展造成生态环境质量降低，影响人居环境和谐。

表4 1990—2018年滇池流域各等级生态环境质量面积

表5 1990—2018年滇池流域生态环境质量等级转移矩阵

2.2.2 生态环境质量空间相关性 利用GeoDA软件分析滇池流域生态环境质量空间格局，1990年、2000年、2010年、2020 年研究区全局Moran’sI值分别为0.583、0.600、0.614、0.640，且P值均小于0.01(图5)，说明研究区生态质量指数整体呈显著正相关，全局Moran’sI值随时间推移而增大，表明空间集聚效应相对增强，区域差异增大，空间发展不均衡态势显著。

图5 1990—2018年滇池流域生态环境质量Moran’s I 散点图

结合热点分析(图6)可知，滇池流域生态环境质量热点区面积较小，多分布于流域东侧的林、草地生态空间集聚地，且热点区面积逐年减小。冷点区大面积分布于流域经济发展较快的主城区，随着时间推移，面积逐渐增大。对比1990—2018年4期生态环境质量热点分析可知，滇池流域主城区承担着经济发展的重要任务，随着城市发展需要，城镇生活空间扩张迅速，冷点区随之增大明显。

2.3 滇池流域生态环境效应影响因素

2.3.1 单因子探测 考虑到数据的可获取性以及研究的侧重点，选取滇池流域生态环境质量最低的2018年作为目标年份，从自然环境因素、社会经济因素以及可达性3个方面选取驱动因子识别影响滇池流域生态环境质量的主导因子。由表6可知，影响滇池流域生态环境质量的q值排名为：人口密度>夜光遥感>路网密度>GDP>气温>降水>地形起伏度>距居民点距离>距道路距离>距水域距离。说明，滇池流域生态环境质量改变主要受社会经济因素的影响，以人口密度的影响最为突出，达0.487。研究区为昆明市以及云南省重要经济中心，人类活动对三生空间的干扰程度剧烈，空间冲突显著突出，使原有三生空间稳定性极易被打破，从而对流域整体生态环境造成严重威胁。其次，面积较小的滇池流域汇聚着昆明市大部分人口，城镇化的快速发展促使人口愈发集聚，为满足城市人口生活和生产需要，大部分农业生活空间或林地、草地生态空间转化为城镇生活空间。此外，自然环境因素以及可达性方面可作为生态环境质量的主控因素，未来更需要注重流域开发过程中人类活动对生态系统整体性、稳定性的影响，平衡好生产-生活-生态空间之间的动态关系，实现流域生态环境保护与经济发展同步化。

表6 滇池流域生态环境质量驱动因子分异结果

2.3.2 因子交互作用分析 借助地理探测器模型中的交互探测模块识别不同因子之间的交互影响作用[31]，研究区在所选因子中任意2个因子的交互作用均大于单个因子的影响，说明导致研究区生态环境质量空间分异结果并不是由单一影响因子造成的。从图7可知，夜光遥感(X6)和人口密度(X7)与自然环境因素交互作用强烈，具体来看，夜光遥感(X6)∩气温(X2)和降水(X3)交互作用影响最为突出，二者均达到0.618以上，此外人口密度(X7)∩气温(X2)和降水(X3)以及地形起伏度(X1)交互作用也达到0.5以上。自然环境因素作为生态环境质量的基底，良好的气候条件对于区域生态环境质量而言具有调节作用。此外，滇池流域作为昆明以及云南省重要的经济发展区，承担着经济发展重任，为应对人口压力，城镇生活空间不断增加，高强度的人类活动对生态环境质量威胁严重，促使滇池流域生态环境质量下降显著。考虑到不同因子之间的差异及协同作用，规避生态环境质量恶化加剧，维持生态系统稳定性，需采取多元调控手段，避免过度的人为活动造成环境保护负载。

图7 滇池流域生态环境质量驱动因子交互探测结果

3.1 不同类型生态环境质量区管理建议

生态文明建设是中华民族永续发展的千年大计，良好的生态环境成为提高民生福祉、创造美好人居环境的重要前提[33]，遵循“生态优先、绿色发展”的战略成为可持续发展的主旋律，关注高原湖泊流域经济发展和生态保护对于构建和谐的“山水林田湖草”共同体至关重要。随着城市化的加快发展，城镇生活空间不断外扩，给滇池流域整体生态环境造成巨大威胁。同时，已有学者关注到滇池由原来的“城郊湖”逐渐转变为“城心湖”[34]，滇池沿岸原有的农业生活空间逐渐被城镇生活空间所替代，三生空间变化剧烈，由此带来的生态环境问题不容小觑。根据本研究可知，1990—2018年滇池流域大量的林地、草地生态空间由于快速城市化建设需要被城镇生活空间所挤占，城镇生活空间增长急速，大量的人口涌入加剧了流域生态环境压力，改变了流域原有的三生空间格局，促使生态环境低质量区面积迅速扩张，滇池流域生态环境质量下降趋势明显，经济发展与环境保护二维困境显著。如何在经济发展与生态保护中闯出一条特有的路子，平衡好生态空间和生活空间的关系，成为云南九大高原湖泊流域地区下一步城市未来规划建设过程中亟需考虑的问题。基于此，需在流域发展过程中加强对人口、土地的进一步管控，并提出具体的解决措施：①生态环境低质量区，当前滇池流域生态环境低质量区主要分布与城镇生活空间范围相似，面积随着城市扩张而不断增大，因此生活空间内部建设成为后续发展需重点关注的任务，即城市绿地公园修建、湿地公园旅游的有序开展以及贯彻城市居民生态保护理念。②生态环境一般质量区，这类区域主要围绕已建成城镇生活空间的外围分布，由于城市发展需要，为容纳和缓解主城区人口压力，极有可能会因城镇生活空间扩张而转变为生态环境低质量区，因此在未来的发展过程中应该更加关注城镇生活空间开发的有序性、发展的可控性，严守生态红线，实现有序、适度发展，避免快速城市化进程中所带来的空间溢出效应对该区域生态环境造成影响。③生态环境高质量区，这类区域面积不断缩小，且该区大部分分布于流域外围，植树造林、保护林草地生态空间成为重中之重，同时，急需控制各类开发对生态空间的占用和扰动，强调生态功能的有效发挥，全面统筹山水林田湖草等生态要素，实施好流域生态修复和环境保护工程，为流域留足绿色高质量发展空间。

3.2 研究展望

当前，生态环境质量测算大多采用赋值法计算[12,25]，对于特殊区域典型性、空间异质性考虑还有所欠缺，参考景观格局指数有效修正的综合生态环境质量评价模型从空间格局和功能属性出发，更加清晰全面地反映三生空间演变过程中生态环境质量的时间变化及其空间分布。因此，未来在开展研究的过程中，可根据研究区实际情况，选用合适的生态环境质量评估模型，科学评价生态环境质量，为地区可持续发展提供科学参考。

(1)1990—2018年滇池流域三生空间变化剧烈，以农业生活空间向城镇生活空间转移面积最突出，城镇生活空间较1990年增长227.88 km2。

(2)1990—2018年滇池流域生态环境质量下降显著，城市扩张使生态环境低质量区在空间上围绕滇池沿岸逐渐形成团块化连片分布。

(3)1990—2018年滇池流域生态环境质量全局Moran’sI值分别为0.583、0.600、0.614、0.640，空间集聚特征增强，生态环境质量冷热点空间分异显著，生态环境质量热点区面积狭小，分布于流域四周林、草地生态空间密集区，冷点区则大面积分布于滇池沿岸生活空间，且面积增加迅速。

(4)造成滇池流域生态环境质量下降最显著的因素为人口密度，结合滇池流域近三十年间城镇生活空间迅速增长可知，人类活动的增强给流域生态环境稳定性带来威胁，造成流域整体生态环境问题凸显。