西江中游典型河段岸線帶景觀格局分析

方神光，馮子洋，劉晉高，黃代忠

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣州 510611)

景觀生態學是從社會角度和自然角度，根據不同景觀尺度來進行景觀空間的變化研究；景觀格局是景觀空間結構特征，包括景觀組成單元的多樣性和空間配置[1]，其與生態過程的耦合是該學科研究的核心，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，從物質遷移、能量交換和生產力水平等方面總結了景觀多樣性的生態意義。景觀格局一般采用斑塊-廊道-基底模式進行描述，其分析方法主要包括景觀指數法、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，分析了三江平原濕地的景觀格局，總結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，進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-荒漠過渡地區景觀梯度動態和生態效應幅度。

流域是水文響應的基本單元，流域景觀格局變化造成河流水文情勢、水質、地貌、生物特征等改變，從而對河流健康造成影響[6]。因此，開展流域景觀格局分析，不僅可以識別各種生態問題，還能夠為流域評估、規劃、水環境治理、水生態修復及河湖管理政策制定等方面提供技術支撐。目前對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5個時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、圍填海活動、海砂開采和水利工程等是導致研究區濱海濕地萎縮的主要因素；呂樂婷等[8]采用轉移矩陣、移動窗口法和景觀格局指數法分析了不同時期內東江流域景觀格局演變趨勢，指出為降低對自然植被的破壞，要充分利用已建立的人工區。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環境的影響范圍。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，并探討各景觀要素類型及景觀整體格局變化對水體恢復造成的影響。針對西江流域典型河流廊道范圍內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、水質較好、水生動植物豐富等特點，并分布有魚類等水生態功能保護區。為探討近些年流域內發展變化對該河段自然生態的影響，本文選取了部分河段岸線帶，基于衛星遙感影像資料對該區域的景觀格局演變進行了分析和探討。

1 研究河段功能區劃及景觀分類

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。《全國生態功能區劃》[11]將潯江流域劃定為廣西中部丘陵平原農產品提供功能區(Ⅲ-01-28)。《廣西壯族自治區水功能區劃》(2002)[12]將從武宣石龍三江口至梧州城東鎮的桂、粵省界之間的黔、潯江成為西江中下游河段，劃分出11個保護區、9個保留區、6個緩沖區和10個開發利用區。潯江干流主要包括潯江桂平魚類產卵場保護區、平南中華鱘保護區和蒼梧中華鱘保護區。魚類產卵場區、中華鱘保護區和緩沖區的主要功能是保證魚類生存繁殖，開發利用區主要提供工業、農業以及生活用水，如圖1所示。《珠江流域綜合規劃(2012-2030年)》[13]從完善防洪減災、水資源供給與保障、水資源保護與修復和流域綜合管理方面進行了規劃和部署，其中潯江段為西江干流下游段，水量充沛，是實施跨流域調水的重要水源地，以防洪治澇、航運為主，兼顧灌溉、供水、發電、水環境及水資源保護等。潯江區域屬于西江在中下游低山丘陵紅壤區，水土流失危害嚴重，重點加強溝道治理工程和林草植被建設，嚴格生產建設項目的監督管理。《珠江-西江經濟帶岸線資源開發利用與保護規劃》[14]對西江干流河道岸線按保護區、保留區、控制利用區和開發利用區進行了劃分，規劃中潯江岸線保護區段涵蓋桂平東塔魚類產卵場水產種質資源保護區、西江梧州段水產種質資源保護區、潯江木圭魚類產卵場、桂平市水源保護區、平南縣水源保護區、藤縣水源保護區、梧州市水源保護區等生態敏感區域。

圖1 潯江河段水功能區劃

因此，潯江流域地處桂東南農產品主產區，土地利用以農業空間和城鎮空間為主；潯江河段水量充沛、水質良好，不僅分布有西江流域重要的水功能區和自然保護區，對自然生態安全意義重大，而且還是重要的城鎮水源地，是桂東南主要城鎮群航運、供水和水利樞紐建設的重要依托河段。綜合考慮國家土地劃分標準、研究區域土地利用特點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 數據來源及景觀指標

2.1 數據來源

此處進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象。原始遙感圖來自于兩個不同時期：地理空間數據云Landsat 7衛星的2000年10月31日條帶號124行編號44和Landsat8衛星2017年1月22日條帶號124行編號44遙感圖[15]，選擇的遙感圖選取裁剪后的云量均小于1%。為提高圖像質量，利于對土地利用類型的解讀，選取ENVI5.3影像處理軟件，對遙感圖像進行輻射標定、大氣校正、圖像剪裁。為消除大氣中光對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植被曲線。采取監督分類方法，選取訓練樣本均勻分散在研究區域內，合理勾選訓練樣本數量，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確性。根據選取樣本，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最大似然比貝葉斯判決準則法建立非線性判別函數集，通過選擇訓練區計算分類樣本的歸屬概率，進而進行整體圖像分類，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

根據得出的景觀格局圖可以發現，2000-2017年期間潯江上游河段河流廊道主要基底為農田基地，即圖中橙色區域范圍，無顛覆性改變，也與《全國生態功能區劃》對潯江流域的定位一致。建設用地改變主要體現在江口鎮、平南縣城鎮區域的擴張；沙地、巖石及裸地的面積有明顯減少，由于機械化發展和技術進步，包括江心洲范圍內部分沙石地轉化為農田，部分沙地轉化為建設用地；林地景觀斑塊的改變具有一定區域性特征，江口鎮以南林地范圍有明顯增加，而其他區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 景觀指標計算公式

景觀格局指數是集中反映景觀信息的表征值，對景觀格局空間結構及組成特征進行定量化分析，經常被用于生態健康結構的評估。本文選取景觀板塊、景觀形狀和景觀多樣性3個類別中的5個景觀格局指數(斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、最大板塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀蔓延度指數(CONTAG)、Shannon景觀多樣性指數(SHDI))進行，這些指標物理概念理解明確，不僅能反應區域的土地利用態勢的變化，而且從生態學上來分析和預測該研究區域生態質量的變化趨勢，應用也最為廣泛。利用Fragstats提取和計算ENVI中預處理的樣本訓練監督結果并進行分析，所選代表性景觀格局指數生態意義如表2所示，計算公式為：

表2 景觀格局指數意義

(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個色塊的面積，m2；n為第i類斑塊識別的色塊個數；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類型斑塊毗鄰的數目；m為景觀中的斑塊類型總數目。

3 景觀格局指標分析

3.1 斑塊所占景觀面積比例(PLAND)

統計研究河段5類斑塊：建設用地、農田、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年用地以農業用地為主，占比達到53.8%，余下依次是建設用地、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，農業和林業用地呈現明顯下降，下降比例分別為2.9%和2.8%；建設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，城鎮用地擴張是導致農田及林地向建設用地及裸地轉化的主要原因，根據《貴港市國民經濟和社會發展公報》(2003-2018年)，近15年內，貴港市城鎮戶籍人口比例從10.93%大幅度上漲至50.09%，城鎮人口增加了169.4萬人，《貴港市推進農業可持續發展實施方案(2017-2030)》[16]調查分析顯示，貴港市農田面積自2013-2016年下降了7.4%。但總體來看，農田作為該區域的基底仍維持不變，符合貴港市土地規劃中農田保留率的規定要求。建設用地上漲4%，主要集中在平南縣和江口鎮城鎮擴張。林地占比總體下降，但各區域變化趨勢不同，桂平市江口鎮南部區域林地面積呈現增長趨勢，這與桂平市江口鎮大力推廣經濟林種植密切相關，但桂平市石咀鎮南部山區、桂平市木圭鎮南部山區及平南縣北部的林地面積因城鎮用地擴張而呈現下降，這也是導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(LPI)

5類用地的LPI指數如圖4和表3所示。在劃分的五種景觀類型中，農田及水體的LPI值遠高于其他3種。其中，《貴港市水利發展規劃》中明確要提高農田有效灌溉系數，連通小塊農田，實現規模化經營和提高農田質量，也是導致近年農田最大斑塊指數提升了4.5%的主要原因。研究區域水體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。建設用地LPI增加了3.06%，顯示城鎮向周邊區域擴張是其主要原因。林地及沙石裸地的LPI值基本保持不變。

圖4 最大斑塊指數柱狀圖

表3 景觀指數計算統計表

景觀最大斑塊指數反映了連通程度，農田連通性提高，有利于提高農田耕種效率，水系連通性較高可以提高有效灌溉系數，繼而減少單位面積農田用水量，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植物棲息地的發展和物種保護，發揮河岸中物質遷移及能量交換的作用，但農田景觀與建設用地連通性過高卻會阻斷利于動物活動景觀廊道的發展，對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應，斑塊面積占比越大，邊緣密度也越大。統計研究區域5類用地ED結果如圖5和表3，可見建設用地、農田、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。由于城鎮建設用地增加顯著，其邊緣長度增大，建設用地邊緣密度(ED)值有較大提高。原有林地轉化為城鎮建設用地，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更多的復雜交錯現象，該現象與近些年經濟社會迅速發展、城鎮化迅速提升和人類活動頻繁等密切相關，尤其是涉河建筑物的增加會導致邊緣線迅速增長，也是導致沙地巖石及裸地斑塊緣密度(ED)增大的主要原因。農田作為研究區域的基底，盡管從2000-2017年農業用地PLAND占比下降了2.9%，但邊緣密度ED則顯著增大了8.47%，顯示農田的邊界較2000年變得復雜化，它與建設用地、水體、沙地巖石及裸地的ED值顯著升高相對應。

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斑之間物質、能量、物種及其他信息交換的潛力和相互影響的強度，也反映斑塊的生態強度[18]。人工斑塊邊緣密度受人為活動方式控制，自然斑塊密度則反應斑塊自然動態發展趨勢。自然景觀斑塊邊緣密度增大表示景觀異質性提高，斑塊轉換能力強，活力提高。研究區域內林地自然斑塊邊緣密度下降，顯示自然生態活力降低，不利于動物繁衍發展。水體自然斑塊邊緣密度上升，利于其和農田格局的交互，提高灌溉能力，但也容易受到農田景觀帶來的負面影響。人工斑塊異質性受人類活動控制，農田和建設用邊緣密度提高，異質性也提高，其生態活力較強，且不受自然斑塊影響，較難參與自然斑塊轉化。

3.4 景觀蔓延度指數(CONTAG)和香農景觀多樣性指數(SHDI)

景觀蔓延度指數用于描述景觀斑塊的團聚程度及延展趨勢，指數代表了景觀是否連接良好，破碎化程度高低，與邊緣密度呈負向關。香農多樣性指數在群落生態學中被廣泛應用于多樣性的檢測，該指標能反映景觀異質性，特別對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。計算顯示，2000-2017年間，景觀蔓延度指數(CONTAG)值從48.2降低到35.6，Shannon景觀多樣性指數(SHDI)從1.25上漲到1.31。

景觀蔓延度指數(CONTAG)下降說明這期間產生了較多較小的斑塊結構，破碎化程度較高，與近年經濟發展、人類頻繁活動有密切關系。景觀蔓延度與最大斑塊指數同樣體現了景觀的連通性，研究區域內人工斑塊連通性提高，林地自然斑塊連通性減低，而景觀蔓延度指數整體降低，不利于動物的遷徙繁衍[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，會減少物種適宜生存空間，斑塊內物種生存可能性減少，對種群擴散和遷入產生不同程度影響，影響生境質量。

Shannon景觀多樣性指標(SHDI)有所提升，說明研究區域景觀多樣性有所提高，與原斑塊占比較少的建設用地和沙石裸地面積增加關系緊密，然而Shannon景觀多樣性(SHDI)基數較小，區域內農田斑塊占主導地位，總體景觀多樣性較低；景觀類型和物種多樣性的關系并不是簡單的正相關，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]。本文研究區域農田景觀占主導地位，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用地和沙石裸地，這樣的人工生態景觀出現反而降低了物種多樣性，對生態造成了負面效益。

4 結 論

(1)潯江上游兩岸基底以農田為主，主要斑塊為建設用地、林地和砂石裸地；近些年來，農田基底基本維持不變且略有下降，林業用地占比下降2.8%；建設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)農田和建設用地最大斑塊指數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(農田和城鎮)斑塊連通性提高，顯示區域農田耕種效率和城鎮化提升，但不利于自然生物的遷徙。

(3)人工斑塊(建設用地、農田、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，顯示研究區域由于人類活動加劇，自然生態活力有所下降。

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

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