環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)時(shí)空格局演變特征及其驅(qū)動(dòng)因素

李瑩瑩,尤羅利,陳永生,黃季夏

1 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園林學(xué)院,合肥 230036 2 北京林業(yè)大學(xué)精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地表層格局與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

多水塘景觀(guān)是指多而小的水塘由于位置靠近或相互連接而形成的集合[1],作為一種重要的水資源,全世界面積在10 hm2以下的水塘景觀(guān)占據(jù)了全球地表水資源的30%左右[2]。多水塘景觀(guān)是在中國(guó)歷史上長(zhǎng)期存在的典型“水適應(yīng)性景觀(guān)”[3],廣泛分布于中國(guó)的東部和西部地區(qū)[4-6],具有雨洪滯蓄與旱澇調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、生物多樣性保護(hù)等多種生態(tài)功能[7- 11]。此外,多水塘景觀(guān)還具有文化、景觀(guān)、休閑游憩功能,反映人地關(guān)系的歷史演變過(guò)程[12-13]。然而,在全球氣候變化和快速城市化背景下,20世紀(jì)80年代在中國(guó)廣泛存在的多水塘系統(tǒng),在數(shù)量和面積上均呈下降趨勢(shì),多水塘景觀(guān)功能退化顯著[2]。世界各國(guó)均已開(kāi)展相關(guān)多水塘景觀(guān)的研究[13- 14],對(duì)多水塘研究的重點(diǎn)更多的聚焦在人為影響下的水塘功能轉(zhuǎn)變、水塘網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與保護(hù)以及水塘的管理與評(píng)價(jià)[13,15]。在中國(guó),關(guān)于湖泊、水庫(kù)等大型水域景觀(guān)研究較多,對(duì)小型水體景觀(guān)的研究不夠關(guān)注[2- 3]。

巢湖流域小型塘壩自明清時(shí)期開(kāi)始大量涌現(xiàn),其數(shù)量之多,分布范圍之廣都有別于其他地區(qū),不僅為巢湖流域農(nóng)業(yè)提供灌溉功能,也形成了該地區(qū)最具特色的人文景觀(guān)[16]。近年來(lái),隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)巢湖流域景觀(guān)格局發(fā)生較大變化[17-24],然而,迄今鮮有對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局演變及其驅(qū)動(dòng)因素的研究。本研究以環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)為研究對(duì)象(水塘面積在10 hm2以下),基于景觀(guān)生態(tài)學(xué)研究范式,運(yùn)用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)手段,就快速城市化階段的環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局時(shí)空演變特征進(jìn)行分析,進(jìn)而運(yùn)用地理探測(cè)器探索多水塘景觀(guān)空間演變驅(qū)動(dòng)因素,以期為環(huán)巢湖地區(qū)發(fā)展過(guò)程中多水塘景觀(guān)格局優(yōu)化和保護(hù)利用等問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

環(huán)巢湖地區(qū)位于安徽省中部,長(zhǎng)江流域下游左岸,地理坐標(biāo)位于117°16′54″—117°51′46″E,30°25′28″—31°43′28″N之間。地區(qū)內(nèi)總輪廓為東西長(zhǎng)、南北窄,東面高、西面低,環(huán)繞在巢湖周邊。環(huán)巢湖地區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,氣候溫和,四季分明；年際降水量變化較大,降水量以夏季較為集中；地帶性植被為落葉與常綠闊葉混交林；區(qū)域內(nèi)水系發(fā)達(dá),河流眾多。巢湖因水而生,巢湖地區(qū)也因水而興,幾千年來(lái)巢湖人修建了大量的塘、壩、堰、圩等農(nóng)田水利工程。環(huán)巢湖地區(qū)土地面積2570 km2,共包括1區(qū)1市14鎮(zhèn),即包河區(qū)(濱湖新區(qū))、巢湖市區(qū)以及環(huán)巢湖14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置和范圍Fig.1 Location of the study area

2011年,在國(guó)務(wù)院下發(fā)《關(guān)于同意安徽省撤銷(xiāo)地級(jí)巢湖市及部分行政區(qū)劃調(diào)整的批復(fù)》文件之后,中國(guó)五大淡水湖之一的巢湖,成為合肥市的“內(nèi)湖”。在新的行政區(qū)劃格局背景下,環(huán)巢湖地區(qū)作為巢湖流域人口最為集中、城鎮(zhèn)建設(shè)活動(dòng)最活躍、污染負(fù)荷最大來(lái)源地,其土地利用發(fā)展方向可能發(fā)生較大改變,本研究將是快速城鎮(zhèn)化背景下多水塘景觀(guān)演變的背景記錄。

2 研究方法2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

2.1.1 遙感影像及處理

根據(jù)本文的研究目的和研究范圍,選取1989年2月13日,2000年9月2日,2016年7月25日3個(gè)年份的Landsat TM和Landsat 8遙感數(shù)據(jù)。3幅影像在研究區(qū)范圍內(nèi)影像云量少,質(zhì)量較好,為各個(gè)不同時(shí)期土地利用解譯提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本研究主要將環(huán)巢湖地區(qū)土地利用劃分為4種類(lèi)型,4種用地類(lèi)型及含義見(jiàn)表1。具體分類(lèi)方法見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[25- 26]。土地利用信息提取過(guò)程采用一系列的輔助數(shù)據(jù),包括合肥市水利工程圖,合肥市土地利用分類(lèi)圖,環(huán)巢湖地區(qū)行政區(qū)劃圖,以及野外調(diào)查數(shù)據(jù)(環(huán)巢湖地區(qū)濕地資源調(diào)查數(shù)據(jù),2013年和2015年)等資料。本文重點(diǎn)研究的多水塘景觀(guān)信息是在分類(lèi)結(jié)果中單獨(dú)提取的面積小于10 hm2的水塘斑塊。

表1 環(huán)巢湖地區(qū)土地利用類(lèi)型解譯分類(lèi)及說(shuō)明

2.1.2 人口、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)

本文涉及到的人口、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面的數(shù)據(jù)來(lái)源于《合肥市統(tǒng)計(jì)年鑒》(2012—2016年)、合肥市城市總體規(guī)劃(2013—2020年)、合肥市濕地保護(hù)與發(fā)展規(guī)劃(2013—2030年)、合肥市巢湖水環(huán)境專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃(2015)以及環(huán)巢湖地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的總體規(guī)劃等相關(guān)文本。

2.2 網(wǎng)格劃分及景觀(guān)格局指數(shù)選取

景觀(guān)格局指數(shù)高度濃縮景觀(guān)格局信息,用來(lái)定量描述景觀(guān)空間格局的變化,從一定程度上反映區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)對(duì)景觀(guān)的干擾程度[26]。單純應(yīng)用總體景觀(guān)格局特征變化分析不足以全面理解多水塘景觀(guān)空間格局演變。因此,本研究試圖通過(guò)網(wǎng)格劃分綜合分析環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局演變特征。考慮到不同網(wǎng)格大小即尺度效應(yīng)對(duì)分析結(jié)果的影響,在ArcMap 10.2的Fishnet工具中設(shè)定0.5 km×0.5 km、1 km×1km、2 km×2 km、3 km×3 km、4 km×4 km、5 km×5 km等多個(gè)網(wǎng)格大小空間結(jié)果比較分析后,發(fā)現(xiàn)在體現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)影響特征、水體及周邊關(guān)聯(lián)像元的覆蓋范圍、景觀(guān)格局指數(shù)計(jì)算等方面,較小的網(wǎng)格可能會(huì)人為地切斷小水體的空間聯(lián)系,較大的網(wǎng)格則可能掩蓋了小水體的細(xì)節(jié)特征,相較于其他尺度的網(wǎng)格單元,3 km×3 km的網(wǎng)格尺度在兼顧上述空間特征與模型運(yùn)行效率方面取得了較好的平衡,因而對(duì)于刻劃研究區(qū)用地結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、突變不明顯的景觀(guān)特征是比較適宜的。通過(guò)對(duì)研究區(qū)總體景觀(guān)格局及3 km×3 km網(wǎng)格單元內(nèi)多水塘斑塊圖斑提取分析,可以反映多水塘景觀(guān)的格局特征演變過(guò)程,刻畫(huà)出多水塘景觀(guān)新生、擴(kuò)散、合并或消亡的時(shí)空過(guò)程。參考相關(guān)研究后比較分析[27-29],選擇斑塊面積(Class Area, CA)、斑塊數(shù)量(Number of Patches,NP)、斑塊所占景觀(guān)面積比例(Percent of Landscape,PLAND)、斑塊密度(Patch Density, PD)、最大斑塊指數(shù)(Largest Patch Index,LPI)、平均斑塊大小(Mean Patch Size,MPS)、景觀(guān)形狀指數(shù)(Landscape Shape Index,LSI)作為衡量多水塘景觀(guān)面積、數(shù)量、聚集程度特征的景觀(guān)格局指標(biāo),基于遙感影像解譯分類(lèi)圖,在Arcgis 10.2和Fragstats 3.3[30]軟件支持下分析計(jì)算。

2.3 地理探測(cè)器研究方法

地理探測(cè)器作為探測(cè)和利用空間分異性的工具,其最大優(yōu)勢(shì)在于沒(méi)有過(guò)多的假設(shè)條件,可以有效克服傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法的局限性,已被運(yùn)用于從自然領(lǐng)域到社會(huì)領(lǐng)域的研究范圍[31],如對(duì)中國(guó)縣域城市化空間變異的驅(qū)動(dòng)力[32]、居民宜居滿(mǎn)意度的影響機(jī)理[33]、農(nóng)村用地地理要素識(shí)別[34]、美國(guó)陸表切割度空間變異的主導(dǎo)因素探測(cè)[35]等方面的應(yīng)用研究。

地理探測(cè)器機(jī)理如圖2所示[36]：假設(shè)在地理空間上,如果某種環(huán)境因素能夠影響景觀(guān)格局,那么該因素與景觀(guān)格局指數(shù)在地理空間上的分布應(yīng)具有相似性。

圖2 地理探測(cè)機(jī)理示意圖[36]Fig.2 The principle of geographical detectorΩ:地理空間the whole geographical space；H: 網(wǎng)格系統(tǒng)the grid system H = {hi; i=1, 2, …, n};C: 影響因素potential factors C；D: 另一種影響因素potential factors D

整個(gè)地理空間Ω的景觀(guān)格局指數(shù)為：

(1)

整個(gè)地理空間Ω的景觀(guān)格局指數(shù)的方差為：

(2)

假設(shè)某個(gè)影響因素D將地理空間分為若干個(gè)子區(qū)域,選取其中的兩個(gè)子區(qū)域,分別記為z1和z2,則這兩個(gè)子區(qū)域景觀(guān)格局平均指數(shù)為：

(3)

(4)

這兩個(gè)子區(qū)域景觀(guān)格局指數(shù)的期望為：

(5)

(6)

使用t值檢驗(yàn),

(7)

其自由度為：

(8)

本文主要應(yīng)用地理探測(cè)器中的因子探測(cè)和交互探測(cè)2部分內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)研究。其中,

(1)因子探測(cè)主要測(cè)度不同影響因子對(duì)景觀(guān)格局變化的解釋程度,根據(jù)其核心思想可以理解為,多水塘景觀(guān)存在于特定的空間位置上,影響其變化的環(huán)境因子在空間上具有差異性,若某環(huán)境因子和多水塘景觀(guān)的變化在空間上具有一致性,則說(shuō)明這個(gè)環(huán)境因子對(duì)多水塘景觀(guān)的發(fā)展變化具有決定意義[36]。分層總體方差為：

(9)

空間分異性q值大小可以代表影響因子對(duì)因變量的解釋力,其公式為[31]：

(10)

q取值范圍為[0,1],數(shù)值越大表明分類(lèi)因素對(duì)景觀(guān)格局變化的解釋力越強(qiáng)。

本文根據(jù)多水塘景觀(guān)自身形成特點(diǎn),結(jié)合相關(guān)理論分析,從自然環(huán)境條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r和土地利用變化情況等多方面對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)變化影響因子進(jìn)行篩選。以2000年和2016年環(huán)巢湖地區(qū)1區(qū)1市14鎮(zhèn)的多水塘斑塊面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果,計(jì)算得出多水塘景觀(guān)用地面積的變化量。選取自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用變化等10個(gè)影響因子作為影響多水塘景觀(guān)用地動(dòng)態(tài)變化的地理探測(cè)影響因子。以水塘面積的變化量為因變量,其他影響因子作為解釋變量,通過(guò)地理探測(cè)器研究方法,分別計(jì)算出各影響因子對(duì)多水塘景觀(guān)面積變化的空間分異性q值。具體影響因子選擇為：

①自然環(huán)境條件

自然環(huán)境條件主要包含了地理地形因素、河流水系條件及旅游資源狀況。其中,高程及坡度是影響城鎮(zhèn)和農(nóng)村聚居地形態(tài)發(fā)展的重要影響因子,而多水塘景觀(guān)多圍繞居民點(diǎn)發(fā)展；從河流水系條件看,環(huán)巢湖地區(qū)水系發(fā)達(dá),多水塘景觀(guān)用地變化會(huì)受到來(lái)水條件的影響；在旅游資源條件方面,環(huán)巢湖地區(qū)擁有豐富的自然資源和人文歷史資源,隨著人們對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)旅游規(guī)劃的重視,在旅游資源豐富的地方,其周邊的多水塘景觀(guān)有可能會(huì)連帶受到保護(hù)和重視,因此,選擇旅游資源數(shù)量作為多水塘景觀(guān)用地變化的影響因子之一。

②社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r

在快速城鎮(zhèn)化背景下,環(huán)巢湖地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況發(fā)生較大變化。隨著城鄉(xiāng)人口流動(dòng)速度的加快,農(nóng)村人口越來(lái)越多的會(huì)選擇到城鎮(zhèn)生活,而環(huán)巢湖地區(qū)的發(fā)展機(jī)遇,又使一些人口向這里轉(zhuǎn)移,人口的變化對(duì)較為敏感的多水塘景觀(guān)影響較大?！耙l(fā)展,先修路”,環(huán)巢湖地區(qū)的對(duì)外交通和聯(lián)系交通的增加是該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最顯著表現(xiàn)。因此,選擇人口密度變化和道路交通用地面積變化作為影響多水塘景觀(guān)變化的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展因子。

③政府政策環(huán)境

在城鄉(xiāng)發(fā)展過(guò)程中,政府依據(jù)地區(qū)人口、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、綜合發(fā)展目標(biāo)、未來(lái)發(fā)展?jié)摿Φ纫蛩?在用地發(fā)展方向及土地合理分配上進(jìn)行指導(dǎo),提供使用類(lèi)型和強(qiáng)度的量化要求。因此,以《合肥市城市空間發(fā)展戰(zhàn)略及環(huán)巢湖地區(qū)生態(tài)保護(hù)修復(fù)與旅游發(fā)展規(guī)劃》的戰(zhàn)略格局與環(huán)巢湖地區(qū)各區(qū)、縣(市)的土地利用總體規(guī)劃(2006—2020)城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)?？刂浦笜?biāo),作為探討多水塘景觀(guān)用地變化的政府政策環(huán)境影響因子。

(2)交互探測(cè)用來(lái)解釋影響因子是獨(dú)立起作用還是具有交互作用?，F(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)模型都是分析單個(gè)變量對(duì)因變量的影響,交互探測(cè)能夠同時(shí)分析兩個(gè)或者多個(gè)變量之間的交互作用對(duì)因變量影響。對(duì)于兩個(gè)影響因素D1和D2,它們對(duì)景觀(guān)格局指數(shù)變化的影響可能是獨(dú)立的,也可能是共同作用的。我們可以使用GIS軟件疊加地理圖層D1和D2,得到新的地理圖層E。比較D1、D2和E的q值,判斷交互作用的影響[37- 38]。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)巢湖地區(qū)總體景觀(guān)格局特征分析

通過(guò)圖3對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)不同景觀(guān)類(lèi)型水平的景觀(guān)格局分析數(shù)據(jù)可知,農(nóng)田和建設(shè)用地PLAND呈負(fù)相關(guān),雖然在研究期末農(nóng)田仍是占據(jù)環(huán)巢湖地區(qū)的主要用地類(lèi)型,但是建設(shè)用地的PLAND從2.7%增加到16.4%,27年間增加了近6倍的面積。農(nóng)田L(fēng)PI的下降和建設(shè)用地LPI的增加,表明景觀(guān)的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型在發(fā)生著一定的變化。值得一提的是林地的LPI和MPS呈下降趨勢(shì),林地PD呈增大趨勢(shì),綜合說(shuō)明林地表現(xiàn)出的演變趨勢(shì)是更加破碎,更加復(fù)雜。

水體格局的演變與其他斑塊類(lèi)型的演變休戚相關(guān),水體PLAND和PD的下降以及MPS的增加,表明本來(lái)在環(huán)巢湖地區(qū)廣泛存在的水體,在城市化進(jìn)程下逐漸消失,在區(qū)域內(nèi)呈聚集分布趨勢(shì)。城鎮(zhèn)化進(jìn)程中多種景觀(guān)類(lèi)型共同作用導(dǎo)致景觀(guān)類(lèi)型水平的時(shí)空格局變化,這必將對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)整體景觀(guān)及生態(tài)環(huán)境造成很大影響。

圖3 環(huán)巢湖地區(qū)斑塊類(lèi)型水平格局特征的演變Fig.3 Class level landscape pattern change quantified by landscape metrics in Chaohu Basin

圖4 1989年、2016年環(huán)巢湖地區(qū)3 km×3 km網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)的多水塘景觀(guān)斑塊面積空間分布Fig.4 The spatial distribution of multi-pond landscape patch area using a 3 km×3 km grid in the Chaohu Basin in China in 1989 and 2016

圖5 1989年、2016年環(huán)巢湖地區(qū)3 km×3 km網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)的多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量空間分布Fig.5 The spatial distribution of multi-pond landscape patch number using a 3 km×3 km grid in the Chaohu Basin in China in 1989 and 2016

進(jìn)一步對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局分析結(jié)果如表2所示,從1989年到2016年,水塘NP從4432個(gè)減少到3365個(gè),MPS從0.75增加到1.02, PD從133.14下降到97.96,LSI從77.23下降到66.79,說(shuō)明原本在環(huán)巢湖地區(qū)廣泛分布、復(fù)雜多樣的多水塘景觀(guān)在城市化進(jìn)程中不斷減少,表現(xiàn)出聚集趨勢(shì)。LPI從1989年的0.72下降到2016年的0.37,表明原本有一定優(yōu)勢(shì)的水塘被其他斑塊類(lèi)型不斷取代。

3.2 環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)時(shí)空演變特征

從環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)的斑塊面積時(shí)空格局演變來(lái)看(圖4),1989年多水塘景觀(guān)在除巢湖市區(qū)和散兵鎮(zhèn)以外的環(huán)巢湖大部分地區(qū)均為10 hm2以上的廣泛分布格局,而到2016年,在環(huán)巢湖大部分區(qū)域,多水塘景觀(guān)面積均有下降趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)多水塘景觀(guān)的斑塊數(shù)量分析表明(圖5),1989年多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量在3 km×3 km網(wǎng)格內(nèi)大多為大于10個(gè)的分布格局,而到了2016年,多水塘景觀(guān)多集中在巢湖北岸的烔煬鎮(zhèn)、黃麓鎮(zhèn)和巢湖南岸的白山鎮(zhèn)、盛橋鎮(zhèn)和槐林鎮(zhèn)。多水塘景觀(guān)在巢湖流域具有悠久的歷史,其興盛多與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系密切,目前多水塘景觀(guān)聚集局域多為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū)域,具有環(huán)巢湖流域典型的歷史文化特征。進(jìn)一步的分析表明,環(huán)巢湖地區(qū)的多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量的下降趨勢(shì),形勢(shì)不容樂(lè)觀(guān)。如表3所示,3 km×3 km網(wǎng)格內(nèi)多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量在0—10閾值區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)增加趨勢(shì),網(wǎng)格數(shù)比例分別從1989年所占比例的37.30%增加至2016年的76.92%。與此同時(shí),斑塊數(shù)量大于10的分組,網(wǎng)格所占比例呈現(xiàn)持續(xù)減少,尤其是斑塊數(shù)量大于35的網(wǎng)格數(shù)下降明顯?；? km×3 km網(wǎng)格單元分析,環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)LSI從1989到2016年間,在大部分地區(qū)均呈下降趨勢(shì)(圖6),尤其是在多水塘景觀(guān)原本較為豐富的烔煬鎮(zhèn)、同大鎮(zhèn)、白山鎮(zhèn)、盛橋鎮(zhèn)、槐林鎮(zhèn)下降最為明顯,表明原來(lái)研究區(qū)內(nèi)以多個(gè)小而不規(guī)則的水塘占據(jù)優(yōu)勢(shì),而現(xiàn)在更多的聚集為單個(gè)大水塘。部分區(qū)域LSI的增加(如濱湖新區(qū)所在的D-04,D-04,F-05),是因?yàn)槌鞘谢M(jìn)程中居住小區(qū)內(nèi)部和城市公園中人造水景的破碎化及不規(guī)則化造成的。

表2 環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)的總體格局特征

圖6 1989年、2016年環(huán)巢湖地區(qū)3 km×3 km網(wǎng)格單元統(tǒng)計(jì)的多水塘景觀(guān)斑塊形狀指數(shù)空間分布Fig.6 The spatial distribution of multi-pond landscape shape index using a 3 km×3 km grid in the Chaohu Basin in 1989 and 2016

3.3 環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)變化驅(qū)動(dòng)因素探測(cè)識(shí)別分析

從因子探測(cè)結(jié)果(表4)來(lái)看,坡度因子的解釋力最高,說(shuō)明水塘斑塊所在的特殊地理位置對(duì)于水塘的保護(hù)具有十分重要的意義。其次,建設(shè)用地變化量、農(nóng)田變化量和林地變化量對(duì)于多水塘景觀(guān)的變化也具有至關(guān)重要的影響,說(shuō)明政府政策對(duì)于土地利用總體規(guī)劃的引導(dǎo)明顯影響著水塘用地的變化。另外,人口密度變化量對(duì)于多水塘景觀(guān)用地的變化也產(chǎn)生了一定影響力,研究區(qū)內(nèi)人口的增加使得對(duì)于建設(shè)用地的需求增加,進(jìn)而可能會(huì)影響到多水塘景觀(guān)的變化,此外交通的便利也降低了運(yùn)輸成本,使得填埋多水塘景觀(guān)轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地等更加便利。

交互探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),人口密度變化量和其他影響因子交互后因子解釋力顯著增大,例如,與高程交互后解釋力為0.976,顯著大于人口密度變化量的解釋力(0.399)和高程的解釋力(0.127)之和。這意味著,在任意影響要素與人口密度因素控制作用下,交互后對(duì)多水塘景觀(guān)變化影響因子解釋力均明顯增強(qiáng),也印證了人口密度影響因子的重要性。而河流水系數(shù)量與其他影響因子交互后,解釋力最大的是與農(nóng)田變化量交互后,結(jié)果為0.903,也是顯著大于河流水系影響因子的解釋力(0.193)和農(nóng)田變化量因子的解釋力(0.409)之和。這說(shuō)明,任意兩個(gè)影響因子交互后對(duì)多水塘景觀(guān)變化的因子解釋力均會(huì)顯著提升,也就是說(shuō)多水塘景觀(guān)變化受到多影響因素的共同制約,兩個(gè)影響因子相互交互后的因子解釋力要明顯強(qiáng)于原來(lái)單個(gè)影響因子。

表3 基于3 km×3 km網(wǎng)格的環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量

4 討論

4.1 多水塘景觀(guān)格局的多尺度研究

環(huán)巢湖地區(qū)在27年間多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量下降了24%,有關(guān)多水塘的研究在國(guó)內(nèi)外均表明了類(lèi)似的情況,例如,在英國(guó)快速城市化發(fā)展的40年,水塘斑塊數(shù)量下降了55%左右[39],我國(guó)臺(tái)灣桃園地區(qū)在1926到1960年間,水塘數(shù)量消失了37%[40]。根據(jù)本文研究結(jié)果,環(huán)巢湖地區(qū)農(nóng)田面積仍占到60%以上,相關(guān)研究表明,農(nóng)田景觀(guān)轉(zhuǎn)變成建設(shè)用地景觀(guān)對(duì)多水塘景觀(guān)影響最大[2,12,41],對(duì)于研究區(qū)目前相對(duì)較好的本底條件,現(xiàn)在開(kāi)始重視多水塘景觀(guān)的保護(hù)利用具有深遠(yuǎn)的意義。Curado等[42]在法國(guó)南部研究表明小水塘比大水塘消失的更快,王志芳等[41]在重慶兩江新區(qū)的研究表明,中小型水塘斑塊大面積消失,保留下來(lái)的水塘斑塊有部分大型水庫(kù)作為城市景觀(guān)發(fā)揮作用。環(huán)巢湖地區(qū)多個(gè)小水塘有聚集成大水塘的趨勢(shì),尤其需要加強(qiáng)對(duì)面積較小水塘的保護(hù)。有研究表明,周?chē)辛值氐乃?其綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的質(zhì)量較高[7]。研究區(qū)林地面積總量雖然有所增加,但更多的是見(jiàn)縫插綠,表現(xiàn)出更加破碎化的林地景觀(guān)。如果能在小尺度上對(duì)具體水塘周邊土地利用方式演變進(jìn)行分析,尤其是對(duì)林地與多水塘景觀(guān)演變關(guān)系研究,可以得出更多對(duì)現(xiàn)實(shí)有指導(dǎo)意義的結(jié)果。有學(xué)者運(yùn)用綜合分析法對(duì)我國(guó)臺(tái)灣云林縣多水塘景觀(guān)研究,篩選出需要重點(diǎn)保留的對(duì)象[43]。環(huán)巢湖地區(qū)多水塘斑塊面積和數(shù)量均呈下降趨勢(shì),尤其需要多關(guān)注某些多水塘斑塊減少較快的區(qū)域,在小尺度上確定亟需保護(hù)的水塘,以便更好的發(fā)揮水塘功能。

表4 環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)用地變化量的地理探測(cè)影響因素及探測(cè)結(jié)果

在對(duì)景觀(guān)格局及其過(guò)程特征的識(shí)別、比較和應(yīng)用上多尺度研究是非常必要和重要的[44]。本文在景觀(guān)生態(tài)學(xué)理論與方法指導(dǎo)下展開(kāi)研究,重點(diǎn)在于應(yīng)用景觀(guān)格局分析方法來(lái)揭示城市化進(jìn)程影響下的環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局時(shí)空演變特征。研究結(jié)果可以為小尺度研究提供一定參考,而參考本文研究方法未來(lái)在更大的巢湖流域尺度上進(jìn)行多水塘景觀(guān)系統(tǒng)研究,以適用于流域長(zhǎng)期管理也是值得探討的方向。

4.2 多水塘景觀(guān)變化驅(qū)動(dòng)因子研究

本文利用地理探測(cè)器方法對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)斑塊面積變化影響因子進(jìn)行了解釋,地理探測(cè)器作為一種新穎的空間分析工具,能夠有效地揭示研究對(duì)象景觀(guān)格局變化的影響機(jī)理。環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)演變是多維要素的影響結(jié)果,本研究難以把所有影響因子考慮詳盡,結(jié)合相關(guān)研究及數(shù)據(jù)的可獲得性,選取了10個(gè)影響因子,可提高研究結(jié)論的對(duì)比性與實(shí)踐性。結(jié)果表明,政府政策引導(dǎo)是影響多水塘景觀(guān)變化的主要因素,該結(jié)論與其他地區(qū)水塘演變影響因素分析相一致[2,41]。坡度對(duì)多水塘面積變化影響最大可解釋為,下墊面地形條件對(duì)水塘面積的變化有很大的影響。人口密度變化對(duì)水塘面積變化影響解釋力較強(qiáng),閻克勤等[12]在我國(guó)臺(tái)灣桃園用多元回歸分析法也得出人口發(fā)展對(duì)水塘變化的影響較大。河流水系數(shù)量對(duì)水塘面積變化解釋力在本研究中雖然不是最大的,但是與農(nóng)田變化量交互后解釋力增大,有可能是河流水系在與農(nóng)田灌溉溝渠連通后會(huì)對(duì)水塘面積變化產(chǎn)生一定影響,Huang等[29]對(duì)桃園農(nóng)田水塘溝渠網(wǎng)絡(luò)連通性的研究表明溝渠連通性與水塘變化有一定關(guān)系。Curado等[42]使用前向邏輯回歸方法,得出法國(guó)北部農(nóng)業(yè)地區(qū)水塘持久存在原因是受到沼澤、草原、沙丘灌木的積極影響以及農(nóng)田和城市化用地的負(fù)面影響。需要說(shuō)明的是地理探測(cè)器中的因子探測(cè)器只能反映因子的影響大小,卻無(wú)法反映影響的正負(fù)性。對(duì)多水塘景觀(guān)演變驅(qū)動(dòng)因子的進(jìn)一步研究需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的觀(guān)測(cè)及實(shí)驗(yàn)方法,如水塘污染物情況、河流水系徑流量等數(shù)據(jù),能更全面的獲得多水塘景觀(guān)變化的影響因素。地理探測(cè)器方法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在能夠同時(shí)分析兩個(gè)或者多個(gè)變量之間的交互作用對(duì)因變量的影響[36,38],而現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)模型多以分析單個(gè)變量對(duì)因變量的影響為主。在本文中,地理探測(cè)器被用于分析兩種變量的交互作用(例如自然環(huán)境條件因子與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r因子的耦合)對(duì)多水塘景觀(guān)格局變化的驅(qū)動(dòng)力,而對(duì)于多種因素的共同影響將是下一步研究的目標(biāo)。

4.3 多水塘景觀(guān)的綜合保護(hù)與利用

城鎮(zhèn)化進(jìn)程在因水而興的環(huán)巢湖地區(qū)仍會(huì)繼續(xù),多水塘景觀(guān)不僅提供重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,更是該地區(qū)的獨(dú)特文化遺產(chǎn),理應(yīng)提升重視,更好的保護(hù)和利用。如何將多水塘景觀(guān)與環(huán)巢湖地區(qū)發(fā)展和旅游產(chǎn)業(yè)相結(jié)合,打造獨(dú)特的生態(tài)文化景觀(guān),進(jìn)一步挖掘其文化價(jià)值是值得深入研究的方向。而如何通過(guò)學(xué)習(xí)多水塘景觀(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建解決城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的水問(wèn)題及指導(dǎo)海綿城市建設(shè)更是值得深入思考的問(wèn)題。我國(guó)臺(tái)灣桃園地區(qū)水塘網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[29]、長(zhǎng)江三峽水庫(kù)消落帶多功能基塘的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[45]等都是多水塘景觀(guān)保護(hù)和利用可以借鑒的方向。

5 結(jié)論

本文著眼于長(zhǎng)期被忽略的多水塘景觀(guān),基于景觀(guān)格局指數(shù)、網(wǎng)格分析法、空間統(tǒng)計(jì)及RS/GIS 技術(shù),對(duì)環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)格局時(shí)空特征進(jìn)行了定量分析,同時(shí)運(yùn)用地理探測(cè)器從多方面進(jìn)行多水塘景觀(guān)變化驅(qū)動(dòng)因素探測(cè)識(shí)別分析,結(jié)果如下：

(1)環(huán)巢湖地區(qū)景觀(guān)水平上,從1989年至2016年,隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快,農(nóng)田PLAND呈下降趨勢(shì),表現(xiàn)的更為破碎,在某些區(qū)域的主導(dǎo)地位已喪失,建設(shè)用地PLAND呈6倍的增長(zhǎng)趨勢(shì),最大斑塊指數(shù)LPI也呈增加趨勢(shì),林地PLAND雖然有一定增加,但是卻表現(xiàn)的更加破碎,水體PLAND呈下降趨勢(shì)。多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量、面積、斑塊形狀指數(shù)、最大斑塊指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。

(2)進(jìn)一步基于3 km×3 km網(wǎng)格單元對(duì)多水塘景觀(guān)時(shí)空演變特征分析表明,多水塘景觀(guān)斑塊數(shù)量、斑塊面積和斑塊形狀指數(shù)在研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域均呈下降趨勢(shì)。多水塘景觀(guān)目前集中分布的區(qū)域包括巢湖南岸的白山鎮(zhèn)、盛橋鎮(zhèn)、槐林鎮(zhèn)和北岸烔煬鎮(zhèn)、黃麓鎮(zhèn)等,這些區(qū)域也是多水塘景觀(guān)變化最劇烈的區(qū)域。

(3)本文利用地理探測(cè)器從空間布局視角出發(fā),分別從自然環(huán)境條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、政府政策環(huán)境3個(gè)方面選取代表性指標(biāo),揭示環(huán)巢湖地區(qū)多水塘景觀(guān)用地變化的主要影響因子。結(jié)果表明：坡度因子對(duì)多水塘景觀(guān)變化影響最大,建設(shè)用地變化量、農(nóng)田變化量、人口密度變化量、林地變化量對(duì)多水塘景觀(guān)變化也具有較高的解釋力,各因子相互作用后,對(duì)多水塘景觀(guān)變化的影響顯著增強(qiáng),表現(xiàn)出多水塘景觀(guān)用地變化影響要素的多樣性和復(fù)雜性。