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流域景观格局是流域范围内自然与人类社会活动相互作用、相互影响的陆地生态系统的基本单元，是流域内各类斑块以一定规律镶嵌组合而成的具有一定结构和功能的有机体[1-2]。对流域景观格局的研究有助于了解景观格局与自然、生态过程以及社会经济活动之间的关系。目前，流域景观格局的研究已受到国内外广泛关注，研究内容主要集中在流域景观格局及其动态变化[3]、流域景观格局变化对流域水文过程[4-5]、非点源污染过程[6-7]、水质[8-9]、植被[10]、生态风险[11-12]等的影响。流域景观格局动态变化的研究对流域内景观调控和流域综合治理具有重要理论和现实意义，因此，开展剑湖流域景观格局的研究对流域的土地利用规划具有重要意义。景观质心的迁移变化能够很好地从空间上描述景观类型的时空演变特征。通过了解各研究时段的景观质心，可以发现景观空间变化趋势[13]。景观质心变化已经应用在沙漠化土地变迁[14]和海岸生态景观迁移[15]等。当前在景观格局演变质心变化的研究中，方仁建等[16]研究了围垦活动影响下海滨地区景观质心移动的特征；张华兵等[17]开展了海岸湿地景观质心变化趋势的研究；宫兆宁等[18]分析了不同湿地类型空间质心的变化等，李磊等[19]采用湖泊面积动态度和质心偏移模型分析了艾比湖的动态变化。这些景观质心的研究集中在大范围的景观类型或湿地类型以及特定景观斑块的质心变化，从景观空间角度探讨剑湖湖泊质心变化鲜有报道。本研究以滇西北剑湖流域为研究对象，采用1990-2015年的遥感影像来揭示25 a间剑湖流域景观格局动态变化特征，采用1974-2015年的影像来探析近40 a剑湖湖泊的质心迁移规律和原因，以期为剑湖及其流域的合理利用和可持续发展提供科学依据和理论参考。
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剑湖位于滇西北剑川县城东南部（26°28′N，99°55′E），距县城4.5 km，海拔为2 186 m，属云南高原湖泊重要湿地类型。剑湖流域气候受印度洋季风气候影响，属南温带冬干夏湿季风气候类型，干湿两季分明，年温差小，日温差大，多年平均气温为12.3 ℃，多年平均降水量为724.4 mm。
剑湖流域属澜沧江水系，是以断层冲积为主的侵蚀构造型湖泊，流域面积为5.113 × 104 hm2。剑湖湖泊入湖河流有永丰河、金龙河、渼江（原称格美江）、回龙河、狮河等。湖内有4处地下涌泉，湖水从海尾河出水口流经黑潓江、漾濞江后再汇入澜沧江。剑湖流域具有丰富的物种资源，是候鸟越冬的重要迁徙通道、停歇地或中转地以及夏候鸟的繁殖地。
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采用的遥感影像数据为1974年和1977年2月的Landsat-MSS影像（栅格大小70 m × 70 m）和1990，1995，2000，2005，2010，2015年2月的Landsat-TM影像（栅格大小为30 m × 30 m）。选择2月遥感数据是由于在旱季剑湖水位能够保持相对稳定，不会受雨季降水丰沛程度的影响，有利于不同年度之间剑湖湖泊面积变化的比较分析。对遥感影像进行几何校正、影像拼接、数据融合、波段组合、影像增强和影像剪切等处理，并参照研究区地形图、森林资源调查资料和文献资料等相关地理数据以及野外详细调查所建立的野外判读标志，依据GB/T 21010-2007《土地利用现状分类》，将土地分类系统划分为耕地、林地、水域、建设用地和未利用地，其中将火烧迹地，宜林荒山荒地和草地（包括牧地和苗圃地）划分到未利用地，水库、湿地、河流和湖泊划分到水域（图 1），按照上述分类系统使用目视解译法获得6期剑湖流域景观类型的矢量数据。
Figure 1. Landscape types of Jianhu Lake Basin in 1990-2015
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景观格局指数能够度量流域景观格局，并从不同尺度上反映特定区域景观异质性[20]。为揭示剑湖流域景观格局动态变化及剑湖湖泊面积和湖泊质心的变化规律，剑湖流域景观结构特征分析选用了类型水平的景观类型面积（AC）和景观类型百分比（DPLAN），剑湖流域景观格局特征分析选用了景观水平的景观多样性指数（ISHD），景观聚集度指数（IC），斑块个数（NP）和斑块密度（DP），剑湖景观形状变化选用了斑块水平的形状指数（ISHAPE）和分维数（CFRA）共8个指标进行分析，景观指数的计算通过Fragstats 3.4完成[21]（表 1）。景观质心分析主要用于研究各类景观的动态变化，通过计算景观质心分析景观格局的空间变化规律和趋势。其公式如下：
Table 1. Landscape index description
式（1）和式（2）中：xt和yt分别表示第t年湖泊分布质心的经度和纬度坐标；Cti表示第t年第a个湖泊斑块的面积；xi和yi分别表示第a个湖泊斑块的经度和纬度坐标[22]。
1.1. 研究区概况
1.2. 数据获取与分类
1.3. 景观格局指数选取与质心量测
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研究结果表明：1990-2015年25 a间林地面积变化幅度不大，建设用地和耕地面积大幅度增加，水域和未利用地面积显著减少。1990-2000年建设用地和耕地的增加幅度比2005-2015年较大，1990-2000年水域面积的减少比2005-2015年快，而未利用地面积在2005-2015年减少很快。由表 2可以看出：剑湖流域景观要素类型以林地和耕地为主，这2种景观类型面积占整个研究区总面积的90%左右，其中又以林地面积最大，1990-2015年林地面积均占研究区总面积60%以上，其次是耕地，占研究区总面积的24%以上。这种特征决定了该区以农林生产为主的特点，建设用地、水域、未利用地景观类型相对较少，面积均占研究区总面积的5%以下。
景观类型 1990 1995 2000 2005 2010 2015 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 面积(CA)/hm2 百分比(DPLAN)/% 建设用地 1 120.68 2.19 1 180.08 2.31 1 373.67 2.69 2 118.15 4.14 2 267.19 4.43 2 389.95 4.67 林地 33 036.21 64.61 33 192.63 64.92 33 201.18 64.93 33 371.01 65.27 33 376.59 65.28 33 487.02 65.49 耕地 12 754.08 24.94 12 813.21 25.06 13 119.84 25.66 13 488.12 26.38 13 580.37 26.56 13 792.50 26.98 水域 850.77 1.66 837.54 1.64 772.02 1.51 783.81 1.53 775.62 1.52 757.26 1.48 未利用地 3 368.97 6.59 3 107.25 6.08 2 664.00 5.21 1 369.62 2.68 1 130.94 2.21 703.98 1.38 合计 51 131.21 100.00 51 131.21 100.00 51 131.21 100.00 51 131.21 100.00 51 131.21 100.00 51 131.21 100.00 Table 2. Area of different types of landscapes in Jianhu Lake Basin
1990-2000年是景观结构变化最大的时段，建设用地、耕地和水域在这10 a间变化幅度最大。1990-2000年和2005-2015年建设用地面积分别增加了22.57%和12.83%。耕地面积在1990-2000年和2005-2015年分别增加了2.87%和2.26%，主要是人口增加开垦未利用地以及围湖造田导致的结果。水域面积在1990-2000年和2005-2015年分别减少了9.26%和3.39%，水域面积由1990年的850.77 hm2降至2015年的757.26 hm2，水域面积减少了93.51 hm2。这是因为泥沙淤积、围湖造田、围湖建塘和湖滩开发导致水域面积减少。未利用地面积在1990-2000年和2005-2015年分别减少了20.93%和48.60%，未利用地面积由1990年的3 368.97 hm2降至2015年的703.98 hm2，未利用地面积减少了2 664.99 hm2。显著减少的原因是建设用地和耕地占用了大面积的未利用地。从各类景观所占地区面积的百分比看，林地最大，其后依次是耕地、建设用地、未利用地，水域最小，说明研究区景观以林地为主，森林覆盖率高，水资源含量较少，林地面积占总体景观一半以上。
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斑块密度和斑块个数是景观水平上破碎化程度的直观表现。研究结果表明：剑湖流域的斑块个数（NP）在1990-2000年和2005-2015年分别增加了9.51%和4.38%，相应的斑块密度（DP）在1990-2000年和2005-2015年分别增加了0.48%和1.71%，斑块个数和斑块密度都是在1990-2000年变化较快，在2005-2015年变化较慢。由图 2可以看出：斑块个数从1990年的831个增至2015年的1 024个，斑块数量增加了23.23%，斑块密度从1990年的2.09增至2015年的2.98，表明25 a间剑湖流域景观水平斑块个数和斑块密度都在增加，而平均斑块面积（SMP）从1990年的61.53 hm2降至2015年的49.93 hm2。这一结果可在一定程度上说明剑湖流域景观破碎化程度逐步增加。
Figure 2. Trend of DP and NP of Jianhu Lake Basin in 1990－2015
蔓延度指数（IC）描述的是景观中不同类型斑块的团聚程度，其值越大表明景观由少数团聚的大斑块组成，越小则为许多分散的小斑块组成。研究表明1990-2015年剑湖流域聚集度指数逐渐增加（图 3），1990-2000年蔓延度指数值增加了0.35%，2005-2015年蔓延度指数值增加了0.45%。由图 3可以看出：蔓延度指数从1990年的66.60增至2015年的67.20，表明剑湖流域景观中某种优势拼块类型形成了良好的连接性，说明剑湖流域多由大的景观斑块所组成。这对于剑湖流域整个生态环境维护具有重要作用。
Figure 3. Trend of ISHD and IC of Jianhu Lake Basin in 1990－2015
景观多样性指数（ISHD）反映的是景观要素的多少及各景观要素所占比例的变化情况。研究表明景观多样性指数逐年降低，1990-2000年景观多样性指数下降了1.00%，2005-2015年景观多样性指数下降了3.19%（图 3）。1990年时剑湖流域的多样性指数最大，表明1990年的土地利用景观丰富度和复杂度要高于其他4个时段，主要是由于该时期存在开荒与退耕并存的现象，不同景观要素之间转换较为频繁。景观多样性指数从1990年的0.96降至2015年的0.91，说明剑湖流域景观多样性丰富程度和景观异质性程度逐渐降低。
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剑湖湖泊只有1个斑块，为揭示剑湖景观形状演变规律，选取类型水平的面积（AC）和斑块水平指数的斑块形状指数（ISHAPE）和分维数（CFRA）等3个常用的景观指数（表 3）。
年份 景观面积/hm2 形状指数 分维数 1974 504.47 1.500 0 1.0528 1977 484.48 1.503 4 1.053 3 1990 470.42 1.558 2 1.058 2 1995 460.57 1.601 4 1.061 4 2000 459.48 1.602 4 1.061 7 2005 460.19 1.659 7 1.066 9 2010 456.12 1.662 3 1.067 0 2015 451.72 1.669 6 1.067 1 Table 3. List of landscape index of Jianhu Lake Basin
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利用1974-2015年8期影像的剑湖湖泊矢量数据统计得到剑湖面积（表 3）。1974-1995年剑湖面积减少了8.70%，2000-2015年剑湖面积减少了1.69%，前一阶段比后一阶段减少速度快。从1974-2015年剑湖面积减少了10.46%，减少的平均速率为0.26%，且呈先减少后增加，再减少的趋势，其中在2000-2005年面积有所增加，增加了4.07 hm2。这可能与当地实施的政策有关，2001年剑湖自然保护区晋升为州级自然保护区，“退（耕）田还湖”和“退塘还湖”等措施在一定程度上有效地保护了剑湖。
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分维度指数和斑块形状指数都是度量斑块形状的复杂程度，值越高表明形状越复杂。1974-2015年剑湖的形状指数（ISHAPE）和分维数（CFRA）值虽然增加不大，但总趋势是增加的。结合图 4中1974-1995年图的形状比较相似，2000年起金龙河入湖口的形状发生了较大变化，2000-2015年图的形状又比较相似，这与形状指数和分维数值反映的情况是一致的。1974-2015年，形状指数和分维数值逐渐增大，分别从1.500 0和1.052 8增至1.669 6和1.067 1。1974-2015年剑湖斑块形状越来越复杂，西部入湖河流入湖口形状变化尤为明显，尤其是金龙河入湖口形状变化剧烈；湖泊东面地势较高且无入湖河流，因此湖泊东面萎缩较少，形状变化不明显。
Figure 4. Outlines changes of 8 periods of Jianhu Lake in 1974－2015
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质心是描述地理对象空间分布的重要指标，其可以跟踪土地类型等某些地理分布的变化。研究表明，剑湖湖泊质心从1974-2015年总体向西南偏移了113.92 m，可以分为2个时期：1974-2005年每个阶段偏移速度较快和2005-2015年每个阶段偏移速度较慢（图 5）。1974-2005年这段时间偏移速度较快，向西南偏移了126.09 m，平均偏移4.07 m·a-1。2005-2010年和2010-2015年这2个阶段偏移速度较慢，分别向西南偏移5.14和6.90 m，平均分别偏移1.03和1.38 m·a-1。
Figure 5. Change in centroid of Jianhu Lake in 1974－2015
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表 4表明：流域景观指数斑块密度（DP），斑块个数（NP）与剑湖景观形状指数（ISHARE）和分维数（CFRA）显著正相关（P < 0.01），蔓延度指数（IC）也与剑湖景观形状指数（ISHARE）和分维数（CFRA）显著正相关（P < 0.05），多样性指数（ISHD）与剑湖景观形状指数显著负相关（P < 0.05）。建设用地面积、林地面积、耕地面积与剑湖景观形状指数显著正相关（P < 0.01），未利用地面积与之显著负相关（P < 0.01）。流域内的水域面积与剑湖景观形状指数ISHAPE呈显著负相关（P < 0.05），剑湖湖泊面积与剑湖景观形状指数和分维数均呈显著负相关（P < 0.05），与文中前面的分析结果是一致的，即1974-2015年剑湖湖泊面积逐渐减小，剑湖景观形状指数呈逐渐增加趋势。而水域面积与分维数负相关较大，但未达到显著性水平，原因可能为流域水域面积较大，包括剑湖湖泊、水库、湿地和河流，且人为干扰因素较大，这有待于进一步研究。可见，剑湖流域景观格局指数对剑湖景观形状指数有着显著影响（表 4），而剑湖形状的变化（湖泊萎缩）又影响着湖泊质心的迁移，因此流域景观格局的演变对湖泊形状及质心的变化有着潜移默化的影响。
指数 形状指数 分维数 斑快密度 0.933** 0.945** 斑块个数 0.971** 0.969** 多样性指数 -0.886* -0.871* 蔓延度指数 0.891* 0.876* 建设用地面积 0.958** 0.963** 林地面积 0.983** 0.970** 耕地面积 0.948** 0.947** 水域面积 -0.812* -0.805 剑湖湖泊面积 -0.863* -0.830* 未利用地面积 -0.966** -0.966** 形状指数 0.998** Table 4. Correlation between watershed landscape pattern and Jianhu Lake landscape shape
2.1. 剑湖流域景观结构特征分析
2.2. 剑湖流域景观格局特征分析
2.3. 剑湖景观形状及质心变化分析
2.3.1. 剑湖面积时空变化规律
2.3.2. 剑湖轮廓变化规律
2.3.3. 剑湖湖泊质心变化规律
2.4. 流域景观格局演变特征与剑湖景观形状演变的关联性
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1990-2015年林地面积变化幅度不大，建设用地和耕地面积大幅度增加，水域和未利用地面积显著减少。25 a间剑湖流域的景观破碎化和景观聚集程度逐渐增加，景观多样性指数逐渐下降。1974-2015年的近40 a剑湖湖泊面积整体上呈递减趋势，由1974年的504.47 hm2减少到2015年的451.72 hm2，湖泊质心偏移了113.92 m。流域景观格局的演变影响剑湖湖泊形状及质心的变化。反映景观破碎化程度的斑块密度和斑块个数与剑湖景观形状指数和分维数呈显著正相关，剑湖湖泊面积与剑湖景观形状指数和分维数呈显著负相关，1974-2015年剑湖湖泊面积逐渐减小，剑湖景观形状指数呈逐渐增加趋势。
1990年金华镇和甸南乡总人口共有42 311人，2000年末为48 232人[23-24]，到2015年数字乡村网统计为73 490人，1990-2015年，人口增加了73.69%，因此建设用地面积的增加可能是由于人口迅速增长、住房需求增加所致。耕地面积增加主要原因是人口增加开垦未利用地以及围湖造田导致的结果。剑湖流域耕地转化为其他土地类型的面积为839.57 hm2，从其他土地类型转为耕地的面积为1 876.97 hm2，其主要来源为林地和未利用地[25]。
景观破碎化主要表现为景观斑块面积由大变小以及伴随斑块面积的减少和地理空间隔离程度的增加产生的景观结构破碎化[26]。本研究应用斑块密度、平均斑块面积和斑块个数来说明剑湖流域的景观破碎化程度。剑湖流域景观聚集度在25 a间是逐渐增加的，表明剑湖流域景观中同一类型斑块形成了良好的连接性；景观多样性指数稍有偏低，这与喻庆国等[27]研究结果相悖，而景观破碎化程度和景观类型面积变化幅度是一致的。分析原因主要可能与研究区范围选取以及影像数据选取的时间等因素有关。本研究遥感数据选取的剑湖流域面积较大，为5.2×104 hm2，而喻庆国等[27]研究选取的剑湖自然保护区的面积为1 510.0 hm2；本研究选取的影像时间均为2月，喻庆国等[27]的研究选取时间为12月、1月和10月。
质心偏移的方向可以说明湖泊在此方向的反方向上缩减[28]，说明西南方向湖泊萎缩面积相对较少。资料表明[27, 29]：剑湖湖泊质心向西南方向偏移的原因主要为出湖河流海尾河的出湖口周围以及带着大量泥沙入湖的金龙河入湖口周围萎缩，而泥沙淤积导致剑湖周围大面积湖滩裸露，从而进行围湖造田和围湖建塘。因此，泥沙淤积、围湖造田等人类活动对剑湖景观演变起了主要的塑造作用。李晶等[5]在延河流域的研究表明景观格局与水土流失有着密切联系。
本研究通过1990-2015年剑湖流域以及1974-2015年剑湖湖泊的遥感影像制作了研究区土地利用变化图，提取了剑湖流域土地利用类型的景观格局指数，在此基础上分别对剑湖流域景观格局指数和剑湖湖泊质心迁移变化进行分析。景观格局变化将带来怎样的生态环境效应，如对河流湖泊的水质、水文过程、土壤过程和生物多样性等方面的影响，这需要在今后的研究中深入探索。
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