珠三角基塘景观格局演变特征及驱动因素研究——以佛山顺德区为例

王春晓 黄舒语 苗 菁 王向荣

基塘(dike-pond)是中国农民为抵御洪涝灾害，因地制宜筑堤围垦形成的土地利用方式[1]，并在此基础上创造了独特的复合水陆农业生产系统，受到国内外学者和社会的关注[2]。珠三角的基塘历史悠久，经过上千年的开垦和演化，形成了充满地域特色的乡土景观[3]。2020年，广东佛山基塘农业被认定为中国重要的农业文化遗产，其基塘景观最为集中的地区“桑园围”被评为世界灌溉工程遗产[4]。同时，基塘系统作为自然-人工复合湿地生态系统，为珠三角的生态平衡作出贡献，对粤港澳大湾区乡村的可持续发展和国土空间的生态修复具有重要价值。

基塘系统是1980年钟功甫与联合国大学研究珠三角桑基鱼塘后提出的概念，他将其定义为一种特殊的水陆相互作用的人工生态系统[1]，带动了国内学者对基塘系统的种养模式和投入产出效率的研究[5-6]，并在珠三角肇庆等地应用基塘系统的理论改造低洼地，用于农业生产[7]。20世纪90年代末—21世纪初，现代农业在高效生产的同时也造成了生态危机，学者开始更多地关注基塘系统的生态学意义，并为基塘系统生态环境的可持续发展问题提出对策[8-9]。近年来，随着城镇化的快速发展和生产力的提高，珠三角区域的基塘被侵占，面积萎缩，其农业生产功能和生态功能也在逐步退化[10]。在郭程轩等提出以湿地景观生态视角研究基塘系统之后[11]，多位学者开始探索基塘系统的生态服务功能。陈彩霞等通过实地调研与半结构式访谈分析出基塘系统演化的过程、特征与机制[4]。也有学者从基塘乡土景观美学[12]和农业文化遗产角度[13-14]探究保护和发展基塘文化遗产的途径。随着3S技术的成熟和普及，学术界陆续开始研究城市土地利用和景观格局的变化，邓劲松等研究发现，1996—2006年中国快速城镇化带来了巨大的土地利用变化和城市增长，对景观格局产生了重大影响[15]。景观指数法是现代景观生态学中定量描述景观格局最常用的方法[16]。前人多利用此方法定量研究总体土地利用类型的景观格局变化[17]，但针对基塘这一特殊的土地利用类型多偏重于定性研究，利用景观指数法做量化研究的较少。尽管少数学者对佛山顺德区的基塘景观格局进行了研究，但多针对某一年份的静态基塘景观格局，或时间尺度未涉及近10年的动态研究[18-19]，且目前仍缺少阐述基塘景观演变驱动机制的相关研究。珠三角区域基塘面积约300万亩(约2 000km2)，是粤港澳大湾区的核心和腹地。近10年来，在珠三角城镇化快速发展和湿地生态保护建设的背景下，基塘的利用方式和景观格局呈现出新的动态发展特征。因此，利用景观格局指数定量研究近40年珠三角基塘的景观格局变化，并对各阶段的驱动因素进行分析具有重要意义。

选取珠江三角洲基塘系统景观最为集中的顺德区为研究对象，利用1979—2020年5期顺德区的Landsat卫星影像，运用ENVI软件对顺德区景观进行提取和分类，并引入景观指数法，从类型级别和景观级别分析顺德区基塘系统的斑块面积、密度、形状、聚集程度、破碎度和景观多样性等，揭示城镇化对顺德区景观格局变化的影响。最后，对顺德区基塘景观格局变化的驱动因素进行分析，为该地区基塘农业和乡土景观的保护与可持续发展提供科学依据。

1 顺德区概况

顺德区位于珠三角的中部，广东省南部[20]。区内大部分属于由江河冲积而成的河口三角洲平原，境内河流纵横、水网交织，基塘分布广泛，基塘农业一度成为当地居民收入的主要来源[21]。近年来，随着城镇化的快速发展，顺德区基塘逐渐萎缩[22]。对顺德区近40年的基塘系统景观格局变化进行研究，探讨城镇化对基塘系统的影响十分必要。

2 研究数据与研究方法

2.1 数据源与预处理

为了揭示近40年顺德区景观格局动态演变特征，选取5期Landsat影像为数据源(采集时间：1979-11-06、1990-10-13、2001-03-01、2010-03-06、2020-02-18)。1979年的影像分辨率为60m，1980—2020年的影像分辨率为30m。为了减少分辨率对景观指数计算的影响，将分辨率统一重采样为30m。温度和降雨量数据来源于佛山市气象局发布的《气候公报》，总人口数、GDP、农业产值、工业产值和第三产业值等数据来源于佛山市顺德区统计局的《顺德统计年鉴》。

利用ENVI 5.3软件预处理影像，进行大气校正和辐射校正，修正辐射误差引起的影像畸变。所有空间数据的坐标系为WGS_84_UTM_Zone_49N。

2.2 景观类型分类提取

2.2.1 景观类型提取

采用监督分类对不同时期影像的景观类型进行划分。参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)并结合顺德区的景观类型特点，将顺德区景观类型划分为基塘、林地、水域、耕地、建设用地和其他用地6类。建设用地包括商服用地、工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地、特殊用地和交通运输用地。考虑到影像数据空间分辨率及影像信息提取精度，不单独提取建设用地中绿地所包含的零散景观基塘，同时将少量园地、草地和其他土地统一归为其他用地。

通过波段6、波段4和波段2合成影像，以便更好地区别基塘、林地和耕地。通过目视判别对6类景观进行样本选择，以创建各类景观类型样本的训练分类器。利用ENVI软件设置核函数类型、分级处理等级等参数，训练地物类型样本，对影像景观覆盖类型进行提取后，结合实地调研、Google Earth高清卫片进行校正。

2.2.2 精度评价

参照原始遥感影像对分类结果进行修正，得到顺德市5期分类结果。参照LocaSpace Viewer对遥感影像进行目视判别，并选取240个样本点对遥感影像景观覆盖类型分类结果进行精度验证。采用混淆矩阵和Kappa系数对分类结果进行精度评价，得到5个时期的Kappa系数分别为0.87、0.84、0.89、0.90和0.90，符合所需的精度要求。

2.3 景观格局指数选择

景观格局指数能够高度浓缩景观空间格局信息，反映其结构组成和空间配置等特征。基于景观生态学原理，选择9个景观指数进行计算：在类型级别上选择最大斑块指数(LPI)、平均斑块面积(MPS)、面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)和斑块黏合度指数(COHESION)；在景观级别上选择斑块数量(NP)、蔓延度指数(CONTAG)、最大斑块指数(LPI)、面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)和香农多样性指数(SHDI)。这些指数的概念、计算方法及生态学意义参见参考文献[23]。

3 结果与分析

3.1 景观类型面积变化分析

表1为1979—2020年顺德区景观的面积变化，可以看出，顺德区基塘面积在1990年达到最大，随后不断缩减。1979—1990年，建设用地向林地和耕地扩张，导致林地和耕地面积大幅下降，而基塘面积增大，说明该时期的农业从种植业为主转向养殖业为主，成为区域经济支柱。1990年后，建设用地开始侵占基塘和耕地，使基塘和耕地面积不断减小。进入21世纪，建设用地扩张尤为迅速，2010年超过基塘成为顺德区最主要的景观类型。

表1 1979—2020年顺德区景观类型面积变化(单位：km2)

图1为1979—2020年顺德区景观的空间分布情况。1979年，基塘广泛分布在顺德区西北部、西部、南部和中部；1990年，基塘和建设用地逐渐侵占东北部和东部的耕地；2001年开始，基塘和耕地被建设用地大面积侵占和切割，建设用地快速向北部、东部和西部扩张；2020年基塘面积已大幅萎缩，主要分布在中部和南部区域，且分散破碎。

图1 1979—2020年顺德区景观格局变化

3.2 景观格局变化特征分析

3.2.1 景观级别上顺德区景观格局变化分析

在景观级别上对1979—2020年的5种景观格局指数进行分析(图2)。斑块个数(NP)反映景观破碎化程度，可以看出，1990年顺德区整体的景观破碎度达到最大，随后开始逐步减小。蔓延度指数(CONTAG)呈现先减小后增大的趋势，表明顺德区的景观连通性在1990年后不断增大，各类斑块团聚程度上升，空间格局分布趋于均匀。最大斑块指数(LPI)呈整体增加的趋势，研究区的优势景观类型在1990年之前为基塘，1990年之后为建设用地。香农多样性指数(SHDI)呈持续减小趋势，表明研究区各斑块类型在景观中呈现非均衡化趋势分布。面积加权平均斑块分维数(FRAC-AM)整体呈现增大的趋势，即景观形状的复杂程度增大。结合NP在1990年后减小，说明景观格局的变化在1979—1990年期间以景观破碎化为主要原因，在1990年以后以景观形状复杂化为主要原因。

图2 1979—2020年顺德区在景观级别上的景观格局指数变化

总体来说，1979—1990年，顺德区景观破碎化程度加大，导致景观的连通性下降，说明在改革开放初期，城镇化建设和人类活动对原有景观的破坏较大；1990—2020年，景观破碎化程度不断降低，景观连通性随之增强，说明随着城镇化建设的不断发展，顺德区的景观逐步形成一种新的景观格局，并趋于稳定。

3.2.2 类型级别上顺德区基塘景观格局变化分析

在类型级别上对1979—2020年的4种景观格局指数进行分析(图3)。最大斑块指数(LPI)是优势度的一种度量方式，1990年之前基塘属于最大优势景观类型。1990年后，基塘LPI迅速下降，建设用地LPI持续上升，超过基塘成为最大优势景观类型。平均斑块面积(MPS)在一定程度上揭示了景观类型的破碎化程度。基塘的MPS在1979年后大幅下降，破碎化程度急剧上升，基塘景观斑块变得破碎且分布零散。此外，耕地、林地及其他用地的MPS整体都呈下降趋势，建设用地的MPS呈上升趋势，破碎化程度逐步降低，这也从侧面反映了城镇化的聚集对自然环境造成的影响。面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)反映了斑块的形状复杂性，1990—2001年基塘FRAC_AM呈下降趋势，这与基塘整治行动有一定关系，为了提高生产需求，越来越多不规则有机形状的基塘被整治成规则几何形状，从而提高生产力。在此期间，建设用地FRAC_AM大幅上升，说明城镇用地的扩张呈不规则形态。斑块黏合度指标(COHESION)可以度量景观中同类型斑块的团聚程度，基塘景观聚集度总体呈下降趋势，说明在此期间基塘的团聚程度不断降低，在2001年后团聚程度趋于稳定。

图3 1979—2020年顺德区在类型级别上的景观格局指数变化

3.3 景观格局变化驱动因素分析

3.3.1 自然因子影响

顺德区的自然驱动因子包括地形、土壤、气温、降水等，由于顺德区的基塘季节性变化明显，气温和降水直接影响研究区的基塘面积。故选择顺德区1979—2020年的温度和降雨量为自然因子，与基塘面积拟合，对景观格局进行分析。

1979—2020年，研究区的温度和降雨量都总体上升(图4)。对基塘面积和温度、降雨量的相关性进行分析(图5)，基塘面积与温度和降雨量都存在负相关关系。而相关系数是温度(R2=0.417 8)＞降雨量(R2=0.696 6)，说明温度对基塘面积的影响比降雨量更大。由于降雨量与基塘面积呈负相关关系，说明研究区基塘面积的减少更多是因为人类活动和城镇化的快速发展等人文因素。

图4 1979—2020年顺德区降雨量、温度变化及趋势

图5 1979—2020年顺德区基塘面积与降雨量(5-1)、温度(5-2)的相关性

3.3.2 人文因子影响

城镇化建设往往伴随人口的增加、产业结构的改变和经济的发展。影响景观格局变化的人文驱动因子较多，主要包括人口、经济发展水平和政策因子3类。在参考文献[24-25]和考虑数据获取性的前提下，选取总人口数(万人)、流动人口数(万人)、GDP(亿元)、农业产值(亿元)、工业产值(亿元)和第三产业值(亿元)6个指标，对顺德区基塘景观格局变化的驱动因素进行分析。

如图6所示，1979—2020年，研究区人口呈现上升趋势，2015年后增长速度更快。由《顺德统计年鉴》可知，1979—2020年，顺德区的常住人口数一直大于户籍人口数，因此二者的差值可以表示当地人口常年流入的数量。与此同时，顺德区经济迅猛发展，GDP持续增长，三大产业协同发展(图7)，持续攀升，尤其是在1990年之后，工业和第三产业增长速度呈现显著增加趋势。1979—1990年改革开放初期，因为家庭联产承包责任制的实行，顺德区大力发展农业，以农业生产为主要方式的基塘面积得以拓展，也吸引了区外各地的劳动力流入。1992年，邓小平南方谈话将顺德区作为区域试点，推行以产权体制为核心的经济体制改革，大力发展生产力，于是20世纪90年代，顺德区的工业和第三产业蓬勃发展。

图6 1979—2020年顺德区GDP、人口和流动人口变化及趋势

图7 1979—2020年顺德区农业、工业和第三产业产值

进入21世纪之后，城市间竞争加剧，顺德区开始了城镇化战略转型，全力打造现代化的中心城区。随着人口数量与产业结构调整，城市建设用地面积、道路等用地规模增大，城市扩张侵占了农业用地，基塘面积迅速萎缩。根据人口和社会经济对基塘面积的影响分析可知(图8)，基塘面积与人口、流动人口、GDP、农业产值、工业产值和第三产业值都存在显著的负相关关系。而相关系数是工业产值(R2＝0.921 9)＞流动人口(R2＝0.918 3)＞GDP(R2=0.909 2)＞第三产业值(R2＝0.878 8)＞农业产值(R2＝0.859 7)＞总人口数(R2＝0.793 7)，说明人文因子对基塘面积产生的影响由强到弱依次是工业产值、流动人口、GDP、第三产业值、农业产值和总人口数。工业产值、流动人口、GDP是基塘格局变化的主要驱动因素，具有负向效应的空间推动作用。

图8 1979—2020年顺德区基塘面积与总人口(8-1)、流动人口(8-2)、GDP(8-3)、农业产值(8-4)、工业产值(8-5)和第三产业产值(8-6)的相关性

4 结论

本文利用1979—2020年的5期遥感影像，提取了顺德区的景观类型分类图，并对其景观格局变化和驱动因素进行分析，研究结果如下。

1)1979—2020年，顺德区的景观类型演变主要表现为基塘、耕地和林地向建设用地转化。基塘面积呈现先增大后减少的趋势，在1979—2001年为顺德区的最主要景观类型，而后至2020年，基塘面积逐渐萎缩，主要分布在中部和南部区域，分散破碎。

2)在景观级别上，1979—2020年，顺德区优势景观面积整体呈现上升趋势，整体景观呈现非均衡化趋势分布；1979—1990年，景观破碎化程度加大，导致景观的连通性下降，景观格局变化以景观破碎化为主导；1990—2020年，景观破碎化程度不断降低，景观连通性随之增强，景观格局变化体现为景观斑块形状的复杂化。

在类型级别上，可以将研究区的景观格局变化分为3个阶段：(1)1979—1990年，改革开发初期，基塘农业进一步发展，基塘在顺德区的景观类型中占主导，优势度明显，但呈点状扩张，破碎化程度变大；(2)1990—2001年，随着顺德区城镇化进程加快，基塘优势度明显下降，分布分散，团聚程度下降，但由于基塘旧改工程，基塘的破碎度和形状复杂度均下降；(3)2001—2020年，由于顺德区城镇化水平发展迅猛，建设用地面积迅速大幅增加，基塘的优势度不断下降，破碎度和斑块形状复杂度上升，部分基塘在城镇化进程中逐渐荒废。

3)驱动因素分析结果表明，顺德区景观格局演变受人文因素影响较大，其中，工业产值、流动人口、GDP等是影响顺德区景观格局变化的主要因素。

5 结语

根据地物的光谱特征运用SVM监督分类的方法提取研究区的景观类型，能让分类更为简洁高效。本次研究由于基塘的基面过窄，塘面和水域的光谱特征类似，所以分类结果会出现基塘和水域混淆的情况，需要根据经验对分类结果进行调整。计算景观格局指数进行景观格局分析和评价是目前常用的研究方法，本文从面积、密度大小、形状和聚散性4类指标中选择了9个具有代表性的景观格局指数，尽量做到全面反映顺德区的景观格局。但这9个指标能否全面把握顺德区的景观格局变化特征，还需要探寻新的方法来进行验证。本研究发现，人文因子是顺德区景观格局演变的主要驱动因素，在后续研究中还将进一步探索景观格局演变的驱动机制及对应的保护策略，为区域乡土景观保护和修复提供参考。

注：文中图片均由作者绘制。