珠三角基塘景觀格局演變特征及驅動因素研究——以佛山順德區(qū)為例

王春曉 黃舒語 苗 菁 王向榮

基塘(dike-pond)是中國農民為抵御洪澇災害，因地制宜筑堤圍墾形成的土地利用方式[1]，并在此基礎上創(chuàng)造了獨特的復合水陸農業(yè)生產系統，受到國內外學者和社會的關注[2]。珠三角的基塘歷史悠久，經過上千年的開墾和演化，形成了充滿地域特色的鄉(xiāng)土景觀[3]。2020年，廣東佛山基塘農業(yè)被認定為中國重要的農業(yè)文化遺產，其基塘景觀最為集中的地區(qū)“桑園圍”被評為世界灌溉工程遺產[4]。同時，基塘系統作為自然-人工復合濕地生態(tài)系統，為珠三角的生態(tài)平衡作出貢獻，對粵港澳大灣區(qū)鄉(xiāng)村的可持續(xù)發(fā)展和國土空間的生態(tài)修復具有重要價值。

基塘系統是1980年鐘功甫與聯合國大學研究珠三角桑基魚塘后提出的概念，他將其定義為一種特殊的水陸相互作用的人工生態(tài)系統[1]，帶動了國內學者對基塘系統的種養(yǎng)模式和投入產出效率的研究[5-6]，并在珠三角肇慶等地應用基塘系統的理論改造低洼地，用于農業(yè)生產[7]。20世紀90年代末—21世紀初，現代農業(yè)在高效生產的同時也造成了生態(tài)危機，學者開始更多地關注基塘系統的生態(tài)學意義，并為基塘系統生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題提出對策[8-9]。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展和生產力的提高，珠三角區(qū)域的基塘被侵占，面積萎縮，其農業(yè)生產功能和生態(tài)功能也在逐步退化[10]。在郭程軒等提出以濕地景觀生態(tài)視角研究基塘系統之后[11]，多位學者開始探索基塘系統的生態(tài)服務功能。陳彩霞等通過實地調研與半結構式訪談分析出基塘系統演化的過程、特征與機制[4]。也有學者從基塘鄉(xiāng)土景觀美學[12]和農業(yè)文化遺產角度[13-14]探究保護和發(fā)展基塘文化遺產的途徑。隨著3S技術的成熟和普及，學術界陸續(xù)開始研究城市土地利用和景觀格局的變化，鄧勁松等研究發(fā)現，1996—2006年中國快速城鎮(zhèn)化帶來了巨大的土地利用變化和城市增長，對景觀格局產生了重大影響[15]。景觀指數法是現代景觀生態(tài)學中定量描述景觀格局最常用的方法[16]。前人多利用此方法定量研究總體土地利用類型的景觀格局變化[17]，但針對基塘這一特殊的土地利用類型多偏重于定性研究，利用景觀指數法做量化研究的較少。盡管少數學者對佛山順德區(qū)的基塘景觀格局進行了研究，但多針對某一年份的靜態(tài)基塘景觀格局，或時間尺度未涉及近10年的動態(tài)研究[18-19]，且目前仍缺少闡述基塘景觀演變驅動機制的相關研究。珠三角區(qū)域基塘面積約300萬畝(約2 000km2)，是粵港澳大灣區(qū)的核心和腹地。近10年來，在珠三角城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和濕地生態(tài)保護建設的背景下，基塘的利用方式和景觀格局呈現出新的動態(tài)發(fā)展特征。因此，利用景觀格局指數定量研究近40年珠三角基塘的景觀格局變化，并對各階段的驅動因素進行分析具有重要意義。

選取珠江三角洲基塘系統景觀最為集中的順德區(qū)為研究對象，利用1979—2020年5期順德區(qū)的Landsat衛(wèi)星影像，運用ENVI軟件對順德區(qū)景觀進行提取和分類，并引入景觀指數法，從類型級別和景觀級別分析順德區(qū)基塘系統的斑塊面積、密度、形狀、聚集程度、破碎度和景觀多樣性等，揭示城鎮(zhèn)化對順德區(qū)景觀格局變化的影響。最后，對順德區(qū)基塘景觀格局變化的驅動因素進行分析，為該地區(qū)基塘農業(yè)和鄉(xiāng)土景觀的保護與可持續(xù)發(fā)展提供科學依據。

1 順德區(qū)概況

順德區(qū)位于珠三角的中部，廣東省南部[20]。區(qū)內大部分屬于由江河沖積而成的河口三角洲平原，境內河流縱橫、水網交織，基塘分布廣泛，基塘農業(yè)一度成為當地居民收入的主要來源[21]。近年來，隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，順德區(qū)基塘逐漸萎縮[22]。對順德區(qū)近40年的基塘系統景觀格局變化進行研究，探討城鎮(zhèn)化對基塘系統的影響十分必要。

2 研究數據與研究方法

2.1 數據源與預處理

為了揭示近40年順德區(qū)景觀格局動態(tài)演變特征，選取5期Landsat影像為數據源(采集時間：1979-11-06、1990-10-13、2001-03-01、2010-03-06、2020-02-18)。1979年的影像分辨率為60m，1980—2020年的影像分辨率為30m。為了減少分辨率對景觀指數計算的影響，將分辨率統一重采樣為30m。溫度和降雨量數據來源于佛山市氣象局發(fā)布的《氣候公報》，總人口數、GDP、農業(yè)產值、工業(yè)產值和第三產業(yè)值等數據來源于佛山市順德區(qū)統計局的《順德統計年鑒》。

利用ENVI 5.3軟件預處理影像，進行大氣校正和輻射校正，修正輻射誤差引起的影像畸變。所有空間數據的坐標系為WGS_84_UTM_Zone_49N。

2.2 景觀類型分類提取

2.2.1 景觀類型提取

采用監(jiān)督分類對不同時期影像的景觀類型進行劃分。參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017)并結合順德區(qū)的景觀類型特點，將順德區(qū)景觀類型劃分為基塘、林地、水域、耕地、建設用地和其他用地6類。建設用地包括商服用地、工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、特殊用地和交通運輸用地。考慮到影像數據空間分辨率及影像信息提取精度，不單獨提取建設用地中綠地所包含的零散景觀基塘，同時將少量園地、草地和其他土地統一歸為其他用地。

通過波段6、波段4和波段2合成影像，以便更好地區(qū)別基塘、林地和耕地。通過目視判別對6類景觀進行樣本選擇，以創(chuàng)建各類景觀類型樣本的訓練分類器。利用ENVI軟件設置核函數類型、分級處理等級等參數，訓練地物類型樣本，對影像景觀覆蓋類型進行提取后，結合實地調研、Google Earth高清衛(wèi)片進行校正。

2.2.2 精度評價

參照原始遙感影像對分類結果進行修正，得到順德市5期分類結果。參照LocaSpace Viewer對遙感影像進行目視判別，并選取240個樣本點對遙感影像景觀覆蓋類型分類結果進行精度驗證。采用混淆矩陣和Kappa系數對分類結果進行精度評價，得到5個時期的Kappa系數分別為0.87、0.84、0.89、0.90和0.90，符合所需的精度要求。

2.3 景觀格局指數選擇

景觀格局指數能夠高度濃縮景觀空間格局信息，反映其結構組成和空間配置等特征?；诰坝^生態(tài)學原理，選擇9個景觀指數進行計算：在類型級別上選擇最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊面積(MPS)、面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)和斑塊黏合度指數(COHESION)；在景觀級別上選擇斑塊數量(NP)、蔓延度指數(CONTAG)、最大斑塊指數(LPI)、面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)和香農多樣性指數(SHDI)。這些指數的概念、計算方法及生態(tài)學意義參見參考文獻[23]。

3 結果與分析

3.1 景觀類型面積變化分析

表1為1979—2020年順德區(qū)景觀的面積變化，可以看出，順德區(qū)基塘面積在1990年達到最大，隨后不斷縮減。1979—1990年，建設用地向林地和耕地擴張，導致林地和耕地面積大幅下降，而基塘面積增大，說明該時期的農業(yè)從種植業(yè)為主轉向養(yǎng)殖業(yè)為主，成為區(qū)域經濟支柱。1990年后，建設用地開始侵占基塘和耕地，使基塘和耕地面積不斷減小。進入21世紀，建設用地擴張尤為迅速，2010年超過基塘成為順德區(qū)最主要的景觀類型。

表1 1979—2020年順德區(qū)景觀類型面積變化(單位：km2)

圖1為1979—2020年順德區(qū)景觀的空間分布情況。1979年，基塘廣泛分布在順德區(qū)西北部、西部、南部和中部；1990年，基塘和建設用地逐漸侵占東北部和東部的耕地；2001年開始，基塘和耕地被建設用地大面積侵占和切割，建設用地快速向北部、東部和西部擴張；2020年基塘面積已大幅萎縮，主要分布在中部和南部區(qū)域，且分散破碎。

圖1 1979—2020年順德區(qū)景觀格局變化

3.2 景觀格局變化特征分析

3.2.1 景觀級別上順德區(qū)景觀格局變化分析

在景觀級別上對1979—2020年的5種景觀格局指數進行分析(圖2)。斑塊個數(NP)反映景觀破碎化程度，可以看出，1990年順德區(qū)整體的景觀破碎度達到最大，隨后開始逐步減小。蔓延度指數(CONTAG)呈現先減小后增大的趨勢，表明順德區(qū)的景觀連通性在1990年后不斷增大，各類斑塊團聚程度上升，空間格局分布趨于均勻。最大斑塊指數(LPI)呈整體增加的趨勢，研究區(qū)的優(yōu)勢景觀類型在1990年之前為基塘，1990年之后為建設用地。香農多樣性指數(SHDI)呈持續(xù)減小趨勢，表明研究區(qū)各斑塊類型在景觀中呈現非均衡化趨勢分布。面積加權平均斑塊分維數(FRAC-AM)整體呈現增大的趨勢，即景觀形狀的復雜程度增大。結合NP在1990年后減小，說明景觀格局的變化在1979—1990年期間以景觀破碎化為主要原因，在1990年以后以景觀形狀復雜化為主要原因。

圖2 1979—2020年順德區(qū)在景觀級別上的景觀格局指數變化

總體來說，1979—1990年，順德區(qū)景觀破碎化程度加大，導致景觀的連通性下降，說明在改革開放初期，城鎮(zhèn)化建設和人類活動對原有景觀的破壞較大；1990—2020年，景觀破碎化程度不斷降低，景觀連通性隨之增強，說明隨著城鎮(zhèn)化建設的不斷發(fā)展，順德區(qū)的景觀逐步形成一種新的景觀格局，并趨于穩(wěn)定。

3.2.2 類型級別上順德區(qū)基塘景觀格局變化分析

在類型級別上對1979—2020年的4種景觀格局指數進行分析(圖3)。最大斑塊指數(LPI)是優(yōu)勢度的一種度量方式，1990年之前基塘屬于最大優(yōu)勢景觀類型。1990年后，基塘LPI迅速下降，建設用地LPI持續(xù)上升，超過基塘成為最大優(yōu)勢景觀類型。平均斑塊面積(MPS)在一定程度上揭示了景觀類型的破碎化程度。基塘的MPS在1979年后大幅下降，破碎化程度急劇上升，基塘景觀斑塊變得破碎且分布零散。此外，耕地、林地及其他用地的MPS整體都呈下降趨勢，建設用地的MPS呈上升趨勢，破碎化程度逐步降低，這也從側面反映了城鎮(zhèn)化的聚集對自然環(huán)境造成的影響。面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)反映了斑塊的形狀復雜性，1990—2001年基塘FRAC_AM呈下降趨勢，這與基塘整治行動有一定關系，為了提高生產需求，越來越多不規(guī)則有機形狀的基塘被整治成規(guī)則幾何形狀，從而提高生產力。在此期間，建設用地FRAC_AM大幅上升，說明城鎮(zhèn)用地的擴張呈不規(guī)則形態(tài)。斑塊黏合度指標(COHESION)可以度量景觀中同類型斑塊的團聚程度，基塘景觀聚集度總體呈下降趨勢，說明在此期間基塘的團聚程度不斷降低，在2001年后團聚程度趨于穩(wěn)定。

圖3 1979—2020年順德區(qū)在類型級別上的景觀格局指數變化

3.3 景觀格局變化驅動因素分析

3.3.1 自然因子影響

順德區(qū)的自然驅動因子包括地形、土壤、氣溫、降水等，由于順德區(qū)的基塘季節(jié)性變化明顯，氣溫和降水直接影響研究區(qū)的基塘面積。故選擇順德區(qū)1979—2020年的溫度和降雨量為自然因子，與基塘面積擬合，對景觀格局進行分析。

1979—2020年，研究區(qū)的溫度和降雨量都總體上升(圖4)。對基塘面積和溫度、降雨量的相關性進行分析(圖5)，基塘面積與溫度和降雨量都存在負相關關系。而相關系數是溫度(R2=0.417 8)＞降雨量(R2=0.696 6)，說明溫度對基塘面積的影響比降雨量更大。由于降雨量與基塘面積呈負相關關系，說明研究區(qū)基塘面積的減少更多是因為人類活動和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展等人文因素。

圖4 1979—2020年順德區(qū)降雨量、溫度變化及趨勢

圖5 1979—2020年順德區(qū)基塘面積與降雨量(5-1)、溫度(5-2)的相關性

3.3.2 人文因子影響

城鎮(zhèn)化建設往往伴隨人口的增加、產業(yè)結構的改變和經濟的發(fā)展。影響景觀格局變化的人文驅動因子較多，主要包括人口、經濟發(fā)展水平和政策因子3類。在參考文獻[24-25]和考慮數據獲取性的前提下，選取總人口數(萬人)、流動人口數(萬人)、GDP(億元)、農業(yè)產值(億元)、工業(yè)產值(億元)和第三產業(yè)值(億元)6個指標，對順德區(qū)基塘景觀格局變化的驅動因素進行分析。

如圖6所示，1979—2020年，研究區(qū)人口呈現上升趨勢，2015年后增長速度更快。由《順德統計年鑒》可知，1979—2020年，順德區(qū)的常住人口數一直大于戶籍人口數，因此二者的差值可以表示當地人口常年流入的數量。與此同時，順德區(qū)經濟迅猛發(fā)展，GDP持續(xù)增長，三大產業(yè)協同發(fā)展(圖7)，持續(xù)攀升，尤其是在1990年之后，工業(yè)和第三產業(yè)增長速度呈現顯著增加趨勢。1979—1990年改革開放初期，因為家庭聯產承包責任制的實行，順德區(qū)大力發(fā)展農業(yè)，以農業(yè)生產為主要方式的基塘面積得以拓展，也吸引了區(qū)外各地的勞動力流入。1992年，鄧小平南方談話將順德區(qū)作為區(qū)域試點，推行以產權體制為核心的經濟體制改革，大力發(fā)展生產力，于是20世紀90年代，順德區(qū)的工業(yè)和第三產業(yè)蓬勃發(fā)展。

圖6 1979—2020年順德區(qū)GDP、人口和流動人口變化及趨勢

圖7 1979—2020年順德區(qū)農業(yè)、工業(yè)和第三產業(yè)產值

進入21世紀之后，城市間競爭加劇，順德區(qū)開始了城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略轉型，全力打造現代化的中心城區(qū)。隨著人口數量與產業(yè)結構調整，城市建設用地面積、道路等用地規(guī)模增大，城市擴張侵占了農業(yè)用地，基塘面積迅速萎縮。根據人口和社會經濟對基塘面積的影響分析可知(圖8)，基塘面積與人口、流動人口、GDP、農業(yè)產值、工業(yè)產值和第三產業(yè)值都存在顯著的負相關關系。而相關系數是工業(yè)產值(R2＝0.921 9)＞流動人口(R2＝0.918 3)＞GDP(R2=0.909 2)＞第三產業(yè)值(R2＝0.878 8)＞農業(yè)產值(R2＝0.859 7)＞總人口數(R2＝0.793 7)，說明人文因子對基塘面積產生的影響由強到弱依次是工業(yè)產值、流動人口、GDP、第三產業(yè)值、農業(yè)產值和總人口數。工業(yè)產值、流動人口、GDP是基塘格局變化的主要驅動因素，具有負向效應的空間推動作用。

圖8 1979—2020年順德區(qū)基塘面積與總人口(8-1)、流動人口(8-2)、GDP(8-3)、農業(yè)產值(8-4)、工業(yè)產值(8-5)和第三產業(yè)產值(8-6)的相關性

4 結論

本文利用1979—2020年的5期遙感影像，提取了順德區(qū)的景觀類型分類圖，并對其景觀格局變化和驅動因素進行分析，研究結果如下。

1)1979—2020年，順德區(qū)的景觀類型演變主要表現為基塘、耕地和林地向建設用地轉化?；撩娣e呈現先增大后減少的趨勢，在1979—2001年為順德區(qū)的最主要景觀類型，而后至2020年，基塘面積逐漸萎縮，主要分布在中部和南部區(qū)域，分散破碎。

2)在景觀級別上，1979—2020年，順德區(qū)優(yōu)勢景觀面積整體呈現上升趨勢，整體景觀呈現非均衡化趨勢分布；1979—1990年，景觀破碎化程度加大，導致景觀的連通性下降，景觀格局變化以景觀破碎化為主導；1990—2020年，景觀破碎化程度不斷降低，景觀連通性隨之增強，景觀格局變化體現為景觀斑塊形狀的復雜化。

在類型級別上，可以將研究區(qū)的景觀格局變化分為3個階段：(1)1979—1990年，改革開發(fā)初期，基塘農業(yè)進一步發(fā)展，基塘在順德區(qū)的景觀類型中占主導，優(yōu)勢度明顯，但呈點狀擴張，破碎化程度變大；(2)1990—2001年，隨著順德區(qū)城鎮(zhèn)化進程加快，基塘優(yōu)勢度明顯下降，分布分散，團聚程度下降，但由于基塘舊改工程，基塘的破碎度和形狀復雜度均下降；(3)2001—2020年，由于順德區(qū)城鎮(zhèn)化水平發(fā)展迅猛，建設用地面積迅速大幅增加，基塘的優(yōu)勢度不斷下降，破碎度和斑塊形狀復雜度上升，部分基塘在城鎮(zhèn)化進程中逐漸荒廢。

3)驅動因素分析結果表明，順德區(qū)景觀格局演變受人文因素影響較大，其中，工業(yè)產值、流動人口、GDP等是影響順德區(qū)景觀格局變化的主要因素。

5 結語

根據地物的光譜特征運用SVM監(jiān)督分類的方法提取研究區(qū)的景觀類型，能讓分類更為簡潔高效。本次研究由于基塘的基面過窄，塘面和水域的光譜特征類似，所以分類結果會出現基塘和水域混淆的情況，需要根據經驗對分類結果進行調整。計算景觀格局指數進行景觀格局分析和評價是目前常用的研究方法，本文從面積、密度大小、形狀和聚散性4類指標中選擇了9個具有代表性的景觀格局指數，盡量做到全面反映順德區(qū)的景觀格局。但這9個指標能否全面把握順德區(qū)的景觀格局變化特征，還需要探尋新的方法來進行驗證。本研究發(fā)現，人文因子是順德區(qū)景觀格局演變的主要驅動因素，在后續(xù)研究中還將進一步探索景觀格局演變的驅動機制及對應的保護策略，為區(qū)域鄉(xiāng)土景觀保護和修復提供參考。

注：文中圖片均由作者繪制。