方神光，馮子洋，劉晉高，黃代忠

(珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣州 510611)

景觀生態(tài)學(xué)是從社會(huì)角度和自然角度，根據(jù)不同景觀尺度來進(jìn)行景觀空間的變化研究；景觀格局是景觀空間結(jié)構(gòu)特征，包括景觀組成單元的多樣性和空間配置[1]，其與生態(tài)過程的耦合是該學(xué)科研究的核心，傅伯杰和陳利頂[2]將景觀多樣性概況為斑塊多樣性、類型多樣性和格局多樣性，從物質(zhì)遷移、能量交換和生產(chǎn)力水平等方面總結(jié)了景觀多樣性的生態(tài)意義。景觀格局一般采用斑塊-廊道-基底模式進(jìn)行描述，其分析方法主要包括景觀指數(shù)法、梯度分析法和分析模型[3]，如Zhang等[4]提出了矢量化的斑塊方向指數(shù)，分析了三江平原濕地的景觀格局，總結(jié)了濕地斑塊的形狀特征；白元等[5]利用Fragstas軟件分別在景觀水平和類型水平上選取景觀指數(shù)，進(jìn)行景觀格局梯度分析與比較，指出以河道為中心建立的輻射緩沖帶的景觀格局分析方法，很好地揭示了河流廊道-綠洲-荒漠過渡地區(qū)景觀梯度動(dòng)態(tài)和生態(tài)效應(yīng)幅度。

流域是水文響應(yīng)的基本單元，流域景觀格局變化造成河流水文情勢(shì)、水質(zhì)、地貌、生物特征等改變，從而對(duì)河流健康造成影響[6]。因此，開展流域景觀格局分析，不僅可以識(shí)別各種生態(tài)問題，還能夠?yàn)榱饔蛟u(píng)估、規(guī)劃、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)及河湖管理政策制定等方面提供技術(shù)支撐。目前對(duì)珠江流域景觀格局的研究主要集中在下游三角洲和東江流域，如周昊昊[7]等通過對(duì)5個(gè)時(shí)期珠江三角洲濱海濕地景觀格局變化特征的研究指出，人口快速增長、灘涂開發(fā)、圍填?；顒?dòng)、海砂開采和水利工程等是導(dǎo)致研究區(qū)濱海濕地萎縮的主要因素；呂樂婷等[8]采用轉(zhuǎn)移矩陣、移動(dòng)窗口法和景觀格局指數(shù)法分析了不同時(shí)期內(nèi)東江流域景觀格局演變趨勢(shì)，指出為降低對(duì)自然植被的破壞，要充分利用已建立的人工區(qū)。高愛等[9]提取了廣州市典型河流水域，通過建立不同尺度范圍的河岸緩沖帶，分析其景觀格局的變化與對(duì)環(huán)境的影響范圍。周婷等[10]研究東江主干10 km緩沖帶，分析其多年的景觀格局演變趨勢(shì)，并探討各景觀要素類型及景觀整體格局變化對(duì)水體恢復(fù)造成的影響。針對(duì)西江流域典型河流廊道范圍內(nèi)景觀類型變化及其原因探索的成果較為少見。潯江為西江干流中游河段，具有水深良好、水量充沛、水質(zhì)較好、水生動(dòng)植物豐富等特點(diǎn)，并分布有魚類等水生態(tài)功能保護(hù)區(qū)。為探討近些年流域內(nèi)發(fā)展變化對(duì)該河段自然生態(tài)的影響，本文選取了部分河段岸線帶，基于衛(wèi)星遙感影像資料對(duì)該區(qū)域的景觀格局演變進(jìn)行了分析和探討。

1 研究河段功能區(qū)劃及景觀分類

潯江位于珠江流域西江中游，由郁江和黔江交匯而成，至梧州與桂江匯合，共長172 km。《全國生態(tài)功能區(qū)劃》[11]將潯江流域劃定為廣西中部丘陵平原農(nóng)產(chǎn)品提供功能區(qū)(Ⅲ-01-28)。《廣西壯族自治區(qū)水功能區(qū)劃》(2002)[12]將從武宣石龍三江口至梧州城東鎮(zhèn)的桂、粵省界之間的黔、潯江成為西江中下游河段，劃分出11個(gè)保護(hù)區(qū)、9個(gè)保留區(qū)、6個(gè)緩沖區(qū)和10個(gè)開發(fā)利用區(qū)。潯江干流主要包括潯江桂平魚類產(chǎn)卵場(chǎng)保護(hù)區(qū)、平南中華鱘保護(hù)區(qū)和蒼梧中華鱘保護(hù)區(qū)。魚類產(chǎn)卵場(chǎng)區(qū)、中華鱘保護(hù)區(qū)和緩沖區(qū)的主要功能是保證魚類生存繁殖，開發(fā)利用區(qū)主要提供工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及生活用水，如圖1所示?！吨榻饔蚓C合規(guī)劃(2012-2030年)》[13]從完善防洪減災(zāi)、水資源供給與保障、水資源保護(hù)與修復(fù)和流域綜合管理方面進(jìn)行了規(guī)劃和部署，其中潯江段為西江干流下游段，水量充沛，是實(shí)施跨流域調(diào)水的重要水源地，以防洪治澇、航運(yùn)為主，兼顧灌溉、供水、發(fā)電、水環(huán)境及水資源保護(hù)等。潯江區(qū)域?qū)儆谖鹘谥邢掠蔚蜕角鹆昙t壤區(qū)，水土流失危害嚴(yán)重，重點(diǎn)加強(qiáng)溝道治理工程和林草植被建設(shè)，嚴(yán)格生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的監(jiān)督管理?！吨榻?西江經(jīng)濟(jì)帶岸線資源開發(fā)利用與保護(hù)規(guī)劃》[14]對(duì)西江干流河道岸線按保護(hù)區(qū)、保留區(qū)、控制利用區(qū)和開發(fā)利用區(qū)進(jìn)行了劃分，規(guī)劃中潯江岸線保護(hù)區(qū)段涵蓋桂平東塔魚類產(chǎn)卵場(chǎng)水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、西江梧州段水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)、潯江木圭魚類產(chǎn)卵場(chǎng)、桂平市水源保護(hù)區(qū)、平南縣水源保護(hù)區(qū)、藤縣水源保護(hù)區(qū)、梧州市水源保護(hù)區(qū)等生態(tài)敏感區(qū)域。

圖1 潯江河段水功能區(qū)劃

因此，潯江流域地處桂東南農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，土地利用以農(nóng)業(yè)空間和城鎮(zhèn)空間為主；潯江河段水量充沛、水質(zhì)良好，不僅分布有西江流域重要的水功能區(qū)和自然保護(hù)區(qū)，對(duì)自然生態(tài)安全意義重大，而且還是重要的城鎮(zhèn)水源地，是桂東南主要城鎮(zhèn)群航運(yùn)、供水和水利樞紐建設(shè)的重要依托河段。綜合考慮國家土地劃分標(biāo)準(zhǔn)、研究區(qū)域土地利用特點(diǎn)及遙感圖像資料的可分辨度，將研究河流廊道景觀類型分為：農(nóng)田、林地、水體、建筑用地、沙地巖石及裸地五類，定義見表1。

表1 土地分類含義

2 數(shù)據(jù)來源及景觀指標(biāo)

2.1 數(shù)據(jù)來源

此處進(jìn)一步選取潯江河流上游47 km長的局部河段及岸線帶作為研究對(duì)象。原始遙感圖來自于兩個(gè)不同時(shí)期：地理空間數(shù)據(jù)云Landsat 7衛(wèi)星的2000年10月31日條帶號(hào)124行編號(hào)44和Landsat8衛(wèi)星2017年1月22日條帶號(hào)124行編號(hào)44遙感圖[15]，選擇的遙感圖選取裁剪后的云量均小于1%。為提高圖像質(zhì)量，利于對(duì)土地利用類型的解讀，選取ENVI5.3影像處理軟件，對(duì)遙感圖像進(jìn)行輻射標(biāo)定、大氣校正、圖像剪裁。為消除大氣中光對(duì)比地表反射等因素的影響，本文采用FLAASH大氣校正工具，提高能見度、精度，使得校正后的植物波普曲線更加接近真實(shí)植被曲線。采取監(jiān)督分類方法，選取訓(xùn)練樣本均勻分散在研究區(qū)域內(nèi)，合理勾選訓(xùn)練樣本數(shù)量，保證樣本之間的可分離度高于1.8，以保證土地利用類型分類的準(zhǔn)確性。根據(jù)選取樣本，利用最大似然分類法即在兩類及以上的土地類型判別中根據(jù)最大似然比貝葉斯判決準(zhǔn)則法建立非線性判別函數(shù)集，通過選擇訓(xùn)練區(qū)計(jì)算分類樣本的歸屬概率，進(jìn)而進(jìn)行整體圖像分類，最后得到2000年和2017年潯江研究河段長47 km、兩岸寬3 km的河道走廊遙感影像如圖2所示。

圖2 潯江上游河岸帶景觀格局分類圖

根據(jù)得出的景觀格局圖可以發(fā)現(xiàn)，2000-2017年期間潯江上游河段河流廊道主要基底為農(nóng)田基地，即圖中橙色區(qū)域范圍，無顛覆性改變，也與《全國生態(tài)功能區(qū)劃》對(duì)潯江流域的定位一致。建設(shè)用地改變主要體現(xiàn)在江口鎮(zhèn)、平南縣城鎮(zhèn)區(qū)域的擴(kuò)張；沙地、巖石及裸地的面積有明顯減少，由于機(jī)械化發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，包括江心洲范圍內(nèi)部分沙石地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田，部分沙地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；林地景觀斑塊的改變具有一定區(qū)域性特征，江口鎮(zhèn)以南林地范圍有明顯增加，而其他區(qū)域林地斑塊面積都有不同減少。水體景觀斑塊主要以潯江干流為主，涵蓋大湟江、烏江及一些水庫、池塘等。

2.2 景觀指標(biāo)計(jì)算公式

景觀格局指數(shù)是集中反映景觀信息的表征值，對(duì)景觀格局空間結(jié)構(gòu)及組成特征進(jìn)行定量化分析，經(jīng)常被用于生態(tài)健康結(jié)構(gòu)的評(píng)估。本文選取景觀板塊、景觀形狀和景觀多樣性3個(gè)類別中的5個(gè)景觀格局指數(shù)(斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、最大板塊指數(shù)(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)、Shannon景觀多樣性指數(shù)(SHDI))進(jìn)行，這些指標(biāo)物理概念理解明確，不僅能反應(yīng)區(qū)域的土地利用態(tài)勢(shì)的變化，而且從生態(tài)學(xué)上來分析和預(yù)測(cè)該研究區(qū)域生態(tài)質(zhì)量的變化趨勢(shì)，應(yīng)用也最為廣泛。利用Fragstats提取和計(jì)算ENVI中預(yù)處理的樣本訓(xùn)練監(jiān)督結(jié)果并進(jìn)行分析，所選代表性景觀格局指數(shù)生態(tài)意義如表2所示，計(jì)算公式為：

表2 景觀格局指數(shù)意義

(1)

(2)

(3)

CONTAG=

(4)

(5)

式中：Pi為第i類斑塊所占景觀面積比例, %；aij為第i類斑塊的第j個(gè)色塊的面積，m2；n為第i類斑塊識(shí)別的色塊個(gè)數(shù)；A為所有景觀的總面積，m2；aimax為第i類景觀最大斑塊的面積，m2；Pij為景觀中第i類景觀要素斑塊與相鄰第j類景觀要素斑塊間的邊界長度，m；Ai為第i類景觀面積，m2；gik為第i類斑塊和第k類型斑塊毗鄰的數(shù)目；m為景觀中的斑塊類型總數(shù)目。

3 景觀格局指標(biāo)分析

3.1 斑塊所占景觀面積比例(PLAND)

統(tǒng)計(jì)研究河段5類斑塊：建設(shè)用地、農(nóng)田、林地、水體和砂石及裸地所占景觀面積比例如圖3和表3所示。2017年用地以農(nóng)業(yè)用地為主，占比達(dá)到53.8%，余下依次是建設(shè)用地、水體、林地和裸地，占比分別為14.6%、13%、12.7%和5.9%。相較于2000年，農(nóng)業(yè)和林業(yè)用地呈現(xiàn)明顯下降，下降比例分別為2.9%和2.8%；建設(shè)用地和裸地明顯增加，增加比例分別為4%和1.6%；水域面積占比基本不變。顯然，城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張是導(dǎo)致農(nóng)田及林地向建設(shè)用地及裸地轉(zhuǎn)化的主要原因，根據(jù)《貴港市國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展公報(bào)》(2003-2018年)，近15年內(nèi)，貴港市城鎮(zhèn)戶籍人口比例從10.93%大幅度上漲至50.09%，城鎮(zhèn)人口增加了169.4萬人，《貴港市推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展實(shí)施方案(2017-2030)》[16]調(diào)查分析顯示，貴港市農(nóng)田面積自2013-2016年下降了7.4%。但總體來看，農(nóng)田作為該區(qū)域的基底仍維持不變，符合貴港市土地規(guī)劃中農(nóng)田保留率的規(guī)定要求。建設(shè)用地上漲4%，主要集中在平南縣和江口鎮(zhèn)城鎮(zhèn)擴(kuò)張。林地占比總體下降，但各區(qū)域變化趨勢(shì)不同，桂平市江口鎮(zhèn)南部區(qū)域林地面積呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，這與桂平市江口鎮(zhèn)大力推廣經(jīng)濟(jì)林種植密切相關(guān)，但桂平市石咀鎮(zhèn)南部山區(qū)、桂平市木圭鎮(zhèn)南部山區(qū)及平南縣北部的林地面積因城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張而呈現(xiàn)下降，這也是導(dǎo)致沙石裸地占比因而提高的主要原因。

圖3 斑塊所占景觀比例柱狀圖

3.2 最大板塊指數(shù)(LPI)

5類用地的LPI指數(shù)如圖4和表3所示。在劃分的五種景觀類型中，農(nóng)田及水體的LPI值遠(yuǎn)高于其他3種。其中，《貴港市水利發(fā)展規(guī)劃》中明確要提高農(nóng)田有效灌溉系數(shù)，連通小塊農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?jīng)營和提高農(nóng)田質(zhì)量，也是導(dǎo)致近年農(nóng)田最大斑塊指數(shù)提升了4.5%的主要原因。研究區(qū)域水體LPI基本保持不變，顯示近些年潯江干流水域面積基本維持不變。建設(shè)用地LPI增加了3.06%，顯示城鎮(zhèn)向周邊區(qū)域擴(kuò)張是其主要原因。林地及沙石裸地的LPI值基本保持不變。

圖4 最大斑塊指數(shù)柱狀圖

表3 景觀指數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

景觀最大斑塊指數(shù)反映了連通程度，農(nóng)田連通性提高，有利于提高農(nóng)田耕種效率，水系連通性較高可以提高有效灌溉系數(shù)，繼而減少單位面積農(nóng)田用水量，降低萬元GDP用水量，有效控制用水總量。水系連通性較高有利于動(dòng)植物棲息地的發(fā)展和物種保護(hù)，發(fā)揮河岸中物質(zhì)遷移及能量交換的作用，但農(nóng)田景觀與建設(shè)用地連通性過高卻會(huì)阻斷利于動(dòng)物活動(dòng)景觀廊道的發(fā)展，對(duì)生物遷徙起到阻礙作用[17]。

3.3 邊緣密度(ED)

斑塊邊緣密度ED與斑塊面積占比相對(duì)應(yīng)，斑塊面積占比越大，邊緣密度也越大。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域5類用地ED結(jié)果如圖5和表3，可見建設(shè)用地、農(nóng)田、水體、沙石裸地的邊緣密度(ED)值都有不同程度升高，林地邊緣密度(ED)值有所下降。由于城鎮(zhèn)建設(shè)用地增加顯著，其邊緣長度增大，建設(shè)用地邊緣密度(ED)值有較大提高。原有林地轉(zhuǎn)化為城鎮(zhèn)建設(shè)用地，面積減少，邊緣密度(ED)值下降。水體斑塊面積占比在基本保持不變的前提下，邊緣密度ED顯著增大了3.22%，顯示水域斑塊與其他斑塊的邊緣較之前呈現(xiàn)更多的復(fù)雜交錯(cuò)現(xiàn)象，該現(xiàn)象與近些年經(jīng)濟(jì)社會(huì)迅速發(fā)展、城鎮(zhèn)化迅速提升和人類活動(dòng)頻繁等密切相關(guān)，尤其是涉河建筑物的增加會(huì)導(dǎo)致邊緣線迅速增長，也是導(dǎo)致沙地巖石及裸地斑塊緣密度(ED)增大的主要原因。農(nóng)田作為研究區(qū)域的基底，盡管從2000-2017年農(nóng)業(yè)用地PLAND占比下降了2.9%，但邊緣密度ED則顯著增大了8.47%，顯示農(nóng)田的邊界較2000年變得復(fù)雜化，它與建設(shè)用地、水體、沙地巖石及裸地的ED值顯著升高相對(duì)應(yīng)。

圖5 斑塊邊緣密度柱狀圖

景觀邊緣密度ED通常反映景觀中異質(zhì)斑之間物質(zhì)、能量、物種及其他信息交換的潛力和相互影響的強(qiáng)度，也反映斑塊的生態(tài)強(qiáng)度[18]。人工斑塊邊緣密度受人為活動(dòng)方式控制，自然斑塊密度則反應(yīng)斑塊自然動(dòng)態(tài)發(fā)展趨勢(shì)。自然景觀斑塊邊緣密度增大表示景觀異質(zhì)性提高，斑塊轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)，活力提高。研究區(qū)域內(nèi)林地自然斑塊邊緣密度下降，顯示自然生態(tài)活力降低，不利于動(dòng)物繁衍發(fā)展。水體自然斑塊邊緣密度上升，利于其和農(nóng)田格局的交互，提高灌溉能力，但也容易受到農(nóng)田景觀帶來的負(fù)面影響。人工斑塊異質(zhì)性受人類活動(dòng)控制，農(nóng)田和建設(shè)用邊緣密度提高，異質(zhì)性也提高，其生態(tài)活力較強(qiáng)，且不受自然斑塊影響，較難參與自然斑塊轉(zhuǎn)化。

3.4 景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)和香農(nóng)景觀多樣性指數(shù)(SHDI)

景觀蔓延度指數(shù)用于描述景觀斑塊的團(tuán)聚程度及延展趨勢(shì)，指數(shù)代表了景觀是否連接良好，破碎化程度高低，與邊緣密度呈負(fù)向關(guān)。香農(nóng)多樣性指數(shù)在群落生態(tài)學(xué)中被廣泛應(yīng)用于多樣性的檢測(cè)，該指標(biāo)能反映景觀異質(zhì)性，特別對(duì)景觀中各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感，與豐富度、破碎度有關(guān)。計(jì)算顯示，2000-2017年間，景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)值從48.2降低到35.6，Shannon景觀多樣性指數(shù)(SHDI)從1.25上漲到1.31。

景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)下降說明這期間產(chǎn)生了較多較小的斑塊結(jié)構(gòu)，破碎化程度較高，與近年經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類頻繁活動(dòng)有密切關(guān)系。景觀蔓延度與最大斑塊指數(shù)同樣體現(xiàn)了景觀的連通性，研究區(qū)域內(nèi)人工斑塊連通性提高，林地自然斑塊連通性減低，而景觀蔓延度指數(shù)整體降低，不利于動(dòng)物的遷徙繁衍[19,20]。景觀蔓延度降低也意味著景觀的破碎化程度提高，景觀的過度破碎化危害性巨大，會(huì)減少物種適宜生存空間，斑塊內(nèi)物種生存可能性減少，對(duì)種群擴(kuò)散和遷入產(chǎn)生不同程度影響，影響生境質(zhì)量。

Shannon景觀多樣性指標(biāo)(SHDI)有所提升，說明研究區(qū)域景觀多樣性有所提高，與原斑塊占比較少的建設(shè)用地和沙石裸地面積增加關(guān)系緊密，然而Shannon景觀多樣性(SHDI)基數(shù)較小，區(qū)域內(nèi)農(nóng)田斑塊占主導(dǎo)地位，總體景觀多樣性較低；景觀類型和物種多樣性的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的正相關(guān)，景觀類型多樣性即可增加物種多樣性，又可減少物種多樣性[21]。本文研究區(qū)域農(nóng)田景觀占主導(dǎo)地位，林地面積減少降低了生物多樣性，增加的景觀斑塊主要為建設(shè)用地和沙石裸地，這樣的人工生態(tài)景觀出現(xiàn)反而降低了物種多樣性，對(duì)生態(tài)造成了負(fù)面效益。

4 結(jié) 論

(1)潯江上游兩岸基底以農(nóng)田為主，主要斑塊為建設(shè)用地、林地和砂石裸地；近些年來，農(nóng)田基底基本維持不變且略有下降，林業(yè)用地占比下降2.8%；建設(shè)用地和裸地明顯增加，增加比例分別為4%和1.6%；水域面積占比基本不變。

(2)農(nóng)田和建設(shè)用地最大斑塊指數(shù)LPI近些年提升明顯，其他斑塊LPI基本維持不變且水體LPI較高；人工(農(nóng)田和城鎮(zhèn))斑塊連通性提高，顯示區(qū)域農(nóng)田耕種效率和城鎮(zhèn)化提升，但不利于自然生物的遷徙。

(3)人工斑塊(建設(shè)用地、農(nóng)田、沙石裸地)和水體邊緣密度值(ED)近些年都有不同程度升高，自然林地邊緣密度(ED)值有所下降，顯示研究區(qū)域由于人類活動(dòng)加劇，自然生態(tài)活力有所下降。

(4)研究區(qū)域景觀蔓延度指數(shù)(CONTAG)下降，破碎化程度較高；Shannon景觀多樣性指標(biāo)(SHDI)值較小，景觀多樣性低，不利于區(qū)域內(nèi)種群擴(kuò)散和遷入，區(qū)域生境質(zhì)量降低。

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