張藝嚴，張 健，楊永均，錢 勇，吉金春，陳 ?、?/p>

(1.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院，江蘇 徐州 221116；2.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.睢寧縣自然資源和規(guī)劃局，江蘇 徐州 221200)

黃河故道是1855年黃河北徙山東從利津入海后，不再匯淮而遺留下來的一條“地上懸河”[1]，流經豫、魯、皖、蘇4省，全長738 km[2]。受決口和改道的影響，黃河故道流域普遍存在地勢高亢、水土流失、植被受損、水系紊亂、河道淤積和土地質量差等問題，沿線土地利用效率低下，生態(tài)環(huán)境功能差，經濟發(fā)展相對滯后，嚴重地制約當?shù)亟洕鐣l(fā)展[3-5]，區(qū)域景觀功能亟待提升。為解決這一問題，國家和地方高度重視黃河故道生態(tài)環(huán)境的綜合整治[6-7]，不斷推進流域開發(fā)與治理，旨在促進區(qū)域景觀功能提升和經濟社會可持續(xù)發(fā)展[8]。

景觀可提供與人類福祉息息相關的多種產品和服務，且不同功能間往往存在著相互作用[9]，從而間接反映了區(qū)域發(fā)展水平[10]，因此，定量評估景觀多功能性有助于區(qū)域土地資源的優(yōu)化配置?，F(xiàn)有的景觀多功能研究集中于景觀綜合功能的定量評估，且多為快速城市化區(qū)域。如任國平等[11]采用空間自相關方法研究了上海市青浦區(qū)184個行政村1980—2015年鄉(xiāng)村景觀多功能間權衡-協(xié)同關系變化；黃隆楊等[12]通過自然資源大數(shù)據的支撐算法研究了煙臺市基層行政管理單元景觀多功能水平；馮喆等[13]在物質生產、碳匯、土壤保持、生境維持和居住等單一景觀功能的空間化模型模擬基礎上，采用自組織特征映射網(SOFM)模型對北京及其周邊地區(qū)景觀功能組合的空間分異特征進行定量識別與聚類分析。但對黃河故道此類地理環(huán)境特殊、人工干預修復較多、整理活動頻繁區(qū)域的景觀多功能及其演變的研究極少，現(xiàn)有的黃河故道相關研究主要集中于區(qū)域生態(tài)問題分析和土地整治實踐途徑。劉江生等[14]以黃河故道山東段為研究對象，結合多種指標，評價了流域內不同區(qū)域的土壤質量；孫雪萍等[15]定量研究了夏津黃河故道域內古桑樹群的生態(tài)功能；還有學者對黃河故道不同河段高標準農田建設模式[16]、綠色化土地綜合整治體系[4]、土地配置狀況[17]、生態(tài)規(guī)劃思路[18]和協(xié)作治理方法[19]開展了實證研究。此外，一些研究針對黃河故道生物多樣性[20]、水文條件[21]等環(huán)境本底開展了調查。

盡管一些研究已關注到黃河故道流域生態(tài)問題和土地整治實踐，但對黃河故道持續(xù)整治后景觀多功能及其變化缺乏定量評估，不利于該區(qū)景觀適應性提升和可持續(xù)性管理。為此，該研究選取黃河故道(睢寧段)作為典型區(qū)，評估了近30年景觀變化及多功能時空演化，探索土地綜合整治的影響，可為黃河故道及其他流域綜合整治、土地利用與優(yōu)化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河故道(睢寧段)全長69.5 km，流經雙溝、王集、慶安、魏集、梁集、姚集和古邳7個鎮(zhèn)，流域面積為851.01 km2。研究區(qū)屬暖溫帶陸地性季風氣候區(qū)，年均氣溫為14 ℃，年均降水量為922.1 mm。區(qū)域平均海拔為28.3 m，西北高，東南低，為黃泛沖積平原，僅西北、西和西南地區(qū)有零星低山與丘陵。為改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，睢寧縣持續(xù)開展土地綜合整治。一是大力整治土地和農村居民點，推進農地規(guī)模化和中心社區(qū)建設；二是恢復水系連通性，改善流域生態(tài)本底；三是開展山水林田湖草綜合整治，推進區(qū)域生態(tài)化建設。多年的“集約化-集中化-生態(tài)化”綜合整治帶動了區(qū)域社會-經濟-生態(tài)系統(tǒng)功能與結構的深刻變化，可視作人為修復流域生態(tài)的典型案例。

1.2 數(shù)據來源

主要數(shù)據包含遙感影像、社會經濟統(tǒng)計資料和自然地理數(shù)據。(1)遙感影像為1990、2000、2010和2020年數(shù)據，1990和2000年為Landsat 5 TM遙感影像，2010和2020年為Landsat 8 OLI遙感影像。所有影像成像時間為每年4—5月，無云。(2)社會經濟統(tǒng)計資料來源于《中國統(tǒng)計年鑒》《徐州市統(tǒng)計年鑒》《睢寧統(tǒng)計年鑒》和《睢寧縣土壤志》，土地綜合整治數(shù)據來自于調研及睢寧縣自然資源和規(guī)劃局提供的歷史數(shù)據。(3)自然地理數(shù)據包括降水量和溫度數(shù)據(中國科學院資源環(huán)境科學研究中心，http:∥www.resdc.cn)、土壤數(shù)據(聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織HWSD項目數(shù)據)、地形數(shù)據、蒸散發(fā)量數(shù)據(空間信息聯(lián)盟，https:∥cgiarcsi.community)。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用結構的提取和分析

采用ENVI 5.3和ArcGIS 10.3軟件對4期遙感影像進行處理，包括輻射校正、幾何校正和監(jiān)督分類，參考谷歌地球及土地調查數(shù)據校正4期遙感影像分類結果，最終將研究區(qū)土地利用分為居民點、道路、耕地、林地、園地、設施農用地、河灘、河流、養(yǎng)殖水面、濕地公園、水庫和工礦廢棄地12類，4期影像分類精度分別達90.13%、90.57%、93.72%和91.59%。采用土地利用變化幅度(ΔV)來說明土地利用結構變化，計算公式為

(1)

式(1)中，Va、Vb分別為研究區(qū)初期和末期某一種土地利用類型面積，km2。

1.3.2景觀多功能的評估和分析

景觀功能與生態(tài)系統(tǒng)服務實質上是相近的，但景觀功能更強調非生態(tài)功能的效用[22]。參考聯(lián)合國《2030年可持續(xù)發(fā)展議程》提出的可持續(xù)目標，從生產功能、生活功能和生態(tài)功能3個方面考慮，選擇初級生產、游憩服務、人居承載、碳固存、產水、水質凈化、土壤保持和生境維持8種景觀功能，分別涵蓋景觀功能的調節(jié)、供給、支持和文化4個方面，具有代表性且便于計算[22]。將8種景觀功能得分等權重相加得到景觀多功能指數(shù)。各景觀功能計算方法見表1。根據各個景觀功能的計算方法，定量評估1990—2020年4期各項景觀功能。同一景觀單元具有多種功能，將各項景觀功能正向標準化到0～1區(qū)間，對同一景觀單元上的各項景觀功能的標準化值進行累加，以此表征景觀單元的多功能性。

表1 景觀功能評價的指標和方法

1.3.3景觀多功能權衡-協(xié)同關系的測算

將黃河故道睢寧段1990—2020年4期景觀功能評價結果輸入SPSS 22.0軟件，運用Spearman相關性分析計算研究區(qū)景觀功能間相關系數(shù)，在此基礎上分析多功能間的權衡-協(xié)同時間變化趨勢。

(2)

式(2)中，Pi為Xi位于序列中第k個位置，k為Xi的秩次；Qi為Yi的秩次；n為獨立同分布數(shù)據對(隨機過程中，任何時刻的取值都為隨機變量，如果這些隨機變量服從同一分布并且互相獨立時，即為獨立同分布)；rs(Xi，Yi)為秩次相關系數(shù)，相關系數(shù)為正表示兩種功能間存在協(xié)同關系，相關系數(shù)為負表示兩種功能間存在權衡關系，相關系數(shù)不顯著表示兩種功能相互獨立。

2 結果與討論

2.1 流域土地利用結構變化

1990—2020年研究區(qū)土地利用空間分布見圖1，耕地、居民點和林地是最主要的土地利用類型。1990年耕地面積為494.35 km2，占59.33%，分布分散，近30年呈先減少再增加趨勢；1990年居民點面積為113.76 km2，前20年基本保持不變，后10年呈下降趨勢，主要沿交通線布局；1990年林地面積為117.95 km2，前20年持續(xù)增加，近10年呈大幅下降趨勢，主要分布于河道、道路兩側；1990年水庫、工礦廢棄地、河灘等地類面積僅占12.87%，近30年顯著下降，呈零星分布。不同年份土地利用空間分布具有典型特點，1990年黃河故道(睢寧段)兩岸存在大量河灘地；2000和2010年耕地與居民點混雜，破碎度較高；2020年土地利用呈現(xiàn)邊緣平整、集聚度高、破碎度低的農田和居民點分布格局?？傮w來看，土地綜合整治在區(qū)域土地利用變化過程中發(fā)揮極大的推動作用，表現(xiàn)為建設用地與耕地的空間布局調整和功能性地類集聚。同時，研究區(qū)土地利用類型逐漸多元化與生態(tài)化，濕地公園建設、居民點拆遷集中、基礎設施建設、養(yǎng)殖水面清理等使得研究區(qū)生態(tài)化程度不斷提高。

圖1 1990—2020年研究區(qū)土地利用類型的空間分布

1990—2020年流域內土地利用類型變化見表2，主要為耕地、林地和居民點等傳統(tǒng)地類向道路、濕地公園、設施農用地等新型地類轉移。各轉出地類中耕地面積最大，但在轉出的同時也有一定數(shù)量的轉入，耕地面積基本保持穩(wěn)定，體現(xiàn)了綜合整治對耕地保護的支持作用，且耕地空間布局得到不斷優(yōu)化，大大增加耕地的集中連片化和生態(tài)林網化。林地轉出比例最高，主要轉為耕地和居民點，轉出面積分別為36.45和15.98 km2，表明30年村鎮(zhèn)擴張對生態(tài)用地產生了較大壓力。而在轉入地類中，濕地公園面積增加最多，主要由耕地、居民點和林地轉入。設施農用地和道路主要由耕地轉入，轉入面積分別為19.30和17.17 km2。大量土地轉為濕地公園、設施農用地和道路，表明在黃河故道生態(tài)治理與村鎮(zhèn)發(fā)展過程中拆遷、合并、整理了大量居民點和廢棄地，土地綜合整治工程的實施使得區(qū)域內設施農用地與道路大量增加。

2.2 區(qū)域景觀功能時空變化

1990—2020年研究區(qū)各項景觀功能指數(shù)變化見表3。各景觀功能中，初級生產、人居承載和游憩服務等景觀功能均不斷增長，而碳固存、產水、水質凈化、土壤保持和生境維持等生態(tài)功能則均在波動中上升。其中，初級生產功能在研究期內逐步上升；人居承載功能受到城市擴張引起的人口增加與建筑物容積率提升影響，承載能力逐步上升；隨著土地綜合整治工程的推進，建成多處自然和人文景觀，如房灣濕地、家庭農場等，使得研究區(qū)游憩功能不斷增強。碳固存功能水平值隨時間變化顯著，這主要是由于研究區(qū)30年間在碳存儲功能較強的地類中，耕地和森林面積穩(wěn)定，而濕地公園等地類面積持續(xù)增加；研究區(qū)產水能力通過產水量體現(xiàn)，其變化與區(qū)域降水量保持一致，呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢，年際間差距較大；1990至2000年，研究區(qū)城市發(fā)展粗放，占用地塊面積增多，耕地面積回升而林地面積大量減少，導致氮磷輸出量增多，使得水質凈化功能不斷減弱。而在2000年以后，研究區(qū)土地綜合整治的推進使得區(qū)域土地氮磷輸出量逐漸減少，研究區(qū)水質凈化功能增強；土壤保持功能的水平持續(xù)上升，表明在經過黃河故道生態(tài)修復工程后，區(qū)域土壤流失量逐漸減少；生境維持功能同樣因受到建設用地增加的影響而呈顯著減弱趨勢，在開展土地綜合整治后逐步回升。

表2 1990—2020年研究區(qū)土地利用轉移矩陣

表3 1990—2020研究區(qū)各項景觀功能指數(shù)變化

區(qū)域景觀多功能水平見圖2。在空間分布方面，區(qū)域景觀多功能性水平呈現(xiàn)北高南低的分布格局；多功能性較強的區(qū)域集中分布在黃河故道以北的魏集鎮(zhèn)、古邳鎮(zhèn)和姚集鎮(zhèn)等行政單元，其中，以研究區(qū)西北部的京山周邊區(qū)域、北部的葛嶧山周邊區(qū)域、東部的馬邦大溝一帶景觀多功能性最強，土地利用類型以林地、濕地公園和居民點等為主；而多功能性較弱的區(qū)域集中分布在黃河故道以南的平原區(qū)域，包括雙溝鎮(zhèn)、王集鎮(zhèn)、慶安鎮(zhèn)和梁集鎮(zhèn)等行政單元，土地利用類型以長期進行農業(yè)生產的耕地、未治理的工礦廢棄地和河灘為主。

圖2 1990—2020年黃河故道睢寧段景觀多功能性變化

在時間變化方面，1990年景觀多功能性水平區(qū)間為1.00～5.45，均值為3.18；2000年景觀多功能性水平區(qū)間為1.58～5.59，均值為3.44；2010年景觀多功能性水平區(qū)間為1.74～6.05，均值為3.71；2020年景觀多功能性水平區(qū)間為1.97～6.20，均值為3.85。從區(qū)間與平均值的變化來看，研究區(qū)30年間區(qū)域內景觀多功能變化顯著，總體上增加21.07%。區(qū)域內景觀多功能提升明顯的區(qū)域集中于黃河故道沿岸地區(qū)，分布在村莊拆遷、工礦廢棄地治理和濕地公園建設區(qū)域。

以溫室內營養(yǎng)缽的方式來替代傳統(tǒng)的冷床育苗，其不僅能為幼苗的生長過程創(chuàng)造更加有利的環(huán)境，且能促使幼苗生長得更加健壯。與此同時，絕大多數(shù)蔬菜種類，其本身在低溫與弱光的環(huán)境下將更有助于自身生長，且同時基于高壟栽培、膜下暗灌等技術，對于病蟲害亦能起到良好的控制作用[2]。

2.3 景觀多功能權衡-協(xié)同關系

研究區(qū)各景觀功能間相關系數(shù)見圖3，可以看出，由于碳固存與生境維持功能較高的區(qū)域都集中在林木覆蓋率較高的山體和平原森林區(qū)，兩者在空間上重疊，相關系數(shù)大于0.7，協(xié)同關系明顯。此外，研究區(qū)人居承載力較高的居民點聚集區(qū)地面硬化程度高，產水量和土壤流失量大，使得人居承載與產水和土壤保持相關系數(shù)均大于0.3，協(xié)同關系也較為顯著。而碳固存-產水、產水-生境維持及水質凈化-土壤保持3組景觀功能在20年間保持了明顯的權衡關系。產水-碳固存、產水-生境維持功能間權衡關系分別小于-0.5和-0.6，表明研究區(qū)產水與碳固存、生境維持功能在空間上分離性較強，碳固存與生境維持功能較高的區(qū)域產水能力差。

圖3 1990—2020年黃河故道睢寧段景觀功能相關性

從1990—2020年黃河故道睢寧段各組景觀功能間相關系數(shù)變化上來看，景觀功能間權衡-協(xié)同關系年際變化較小。初級生產-游憩服務、初級生產-產水及初級生產-生境維持功能間的協(xié)同關系不斷增強，表明土地綜合整治不斷提升耕地、林地的生產功能，同時這些景觀的游憩服務功能被不斷開發(fā)，區(qū)域初級生產能力和游憩服務功能在協(xié)同中增加。

2.4 土地綜合整治對景觀多功能性的影響

黃河故道綜合性的治理措施是實現(xiàn)地區(qū)景觀多功能提升的重要途徑，其作用主要體現(xiàn)在優(yōu)化區(qū)域景觀結構和改善區(qū)域景觀功能兩個方面。首先，土地綜合整治可以有效優(yōu)化區(qū)域的景觀結構。景觀結構的優(yōu)化是一定時期內自然生態(tài)和經濟社會要素綜合作用的結果，可直觀反映綜合治理措施的效果。通過土地綜合整治，1990—2020年間黃河故道睢寧段景觀結構優(yōu)化顯著，時空變化較大。區(qū)域內居民點不斷搬遷、整理、集聚，面積從113.76 km2下降為108.80 km2，到2020年，居民點基本分布在研究區(qū)內各個鎮(zhèn)的行政中心或交通沿線，城鎮(zhèn)化水平不斷提高；大量的原村莊舊址、林地、其他用地被整理為高標準農田或開發(fā)為設施農用地，轉入面積在新增農田中占比較高；黃河故道沿岸的積水坑塘形成的養(yǎng)殖水面也被疏通治理；黃河故道地上懸河產生的河灘面積大量減少，至2020年該地類基本消除，治理后變?yōu)闈竦毓珗@、設施農用地。此類變化可增強景觀內部生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性，使研究區(qū)景觀結構得到優(yōu)化，通過集約化和淘汰落后景觀類型的模式，較好地實現(xiàn)了土地資源節(jié)約集約利用，全面系統(tǒng)地提升了當?shù)鼐用竦纳钏胶蜕a條件?？傮w來看，長期土地綜合整治改變了研究區(qū)景觀結構，為區(qū)域人居環(huán)境、自然條件和農業(yè)生產條件的改善提供了基礎。

此外，土地綜合整治可以有效改善區(qū)域的景觀功能。治理期間，區(qū)域的農業(yè)生產條件、人居環(huán)境和自然條件得到顯著改善，對景觀多功能具有顯著的積極效應。在生產空間整治方面，30年間通過整治使得區(qū)域內農業(yè)生產空間質量穩(wěn)步提高，在整治現(xiàn)有耕地的同時淘汰低產能耕地，同時加大技術投入建設高標準基本農田，提高了區(qū)域的農業(yè)規(guī)模化和產業(yè)化水平，原有的粗放式農業(yè)向生態(tài)型現(xiàn)代都市農業(yè)轉型，在提升農民收入的同時提高了生產效率，區(qū)域生產功能得到提升；在生活空間整治方面，通過土地綜合整治，推進村莊合并、房屋改造等農村建設用地安置與改造，優(yōu)化了區(qū)域內居民點布局，建設了道路等公共基礎設施，區(qū)域生活功能得到提升；在生態(tài)空間整治方面，研究區(qū)建設與保護了大量兼具多功能性、具有較高功能質量與較高聚集度的生態(tài)空間，例如，區(qū)域內建設了由大量生態(tài)功能低下的區(qū)域修復而來的兼具土壤保持、水源凈化、生物多樣性保護、游憩休閑等諸多功能的濕地公園，同時積極開展河道治理工程，在重視工程效用的同時兼顧生態(tài)保護，通過河流斷面設計、生態(tài)護岸、水質監(jiān)測等手段，使流域內各河道的連通性、產水量與水質凈化等生態(tài)功能總體上升，提升了受“地上懸河”現(xiàn)象影響較大的區(qū)域生態(tài)功能。通過“生產集約化-生活集中化-景觀生態(tài)化”的土地綜合整治模式，研究區(qū)生產-生活-生態(tài)功能得到協(xié)同提升，增強了景觀可持續(xù)發(fā)展能力。

3 結論

總體來看，科學合理的土地綜合整治能夠大幅度提高黃河故道區(qū)域景觀多功能性，改善區(qū)域的自然和社會條件。今后，有必要繼續(xù)深化探索生態(tài)化與多元化的土地利用模式，研究景觀多功能轉型的影響因素和驅動機制，從而更加精準地調控相似流域景觀的結構和功能，有效提高景觀的可持續(xù)性。