快速城市化地区塘的消减过程研究——以广州市天河区为例

张妤琳，刘晓南，赵宇，程炯∗

1. 韶关学院英东农业科学与工程学院，广东 韶关 512005；2. 广东省生态环境与土壤研究所，广东 广州 510650

快速城市化地区塘的消减过程研究
——以广州市天河区为例

张妤琳1，刘晓南2，赵宇2，程炯2∗

1. 韶关学院英东农业科学与工程学院，广东 韶关 512005；2. 广东省生态环境与土壤研究所，广东 广州 510650

塘是我国南方地区常见的、分布广泛的景观类型，也是相对独立的水生生态系统，在生态系统服务和人类经济文化活动中扮演着非常重要的角色。国际学者对其在保护生物多样性、防涝排水、提升景观及改善人居环境等方面的生态功能研究较多，但国内对塘的形成、消减过程、生态环境功能效应等科学问题一直认识不足，在人口和土地的快速城市化胁迫下，为了增加建设用地使用面积而将水塘填埋的行为广泛存在。文章以广州市天河区为研究区，以1996、2000、2004、2007、2011年5期遥感影像为数据，通过目视解译获取研究区的土地利用特征，提取水塘信息，依据塘的主要功能对塘进行分类，通过缓冲区分析、主成份分析和转移矩阵分析探索快速城市化地区水塘消减过程的数量和空间分布特征。结果表明：(1)研究区内水塘景观在15 a间显著消减，数量由109个减至20个，面积由36.30 hm2降至13.18 hm2，个体减少率为81.65%，面积减少率为63.69%；(2)不同时段、不同功能类型的水塘消减过程存在明显差异，养殖塘、风水塘、山塘和灌溉塘面积急剧减少，景观塘面积先降后增；(3)各时段的塘转换主要去向为居住用地、商业及工矿用地等，周边土地利用格局有交通用地、荒草地的塘更易于被转换成建设用地等其他土地利用类型；(4)在城市人居环境建设中，水塘具有保持生物多样性、调节气温、改善气候、防旱排涝、改善人居环境等生态价值，又具有历史文化、景观美化等人文价值，但水塘已成为快速城市化地区居住、商业、工矿用地的主要侵占对象。作为冷岛的水塘生态系统，在城市化进程和各项规划中都应受到重视与保护。

塘；快速城市化；土地利用；天河区

塘(Pond)是地表水体的一种形态，大小一般在几平方米到几公顷之间，深度在几厘米到几米，有自然形成的塘，也有人造塘。塘是一种重要的地表水资源，世界各地10 hm2以下数以百万计的塘占据了全球地表水资源的30%(EPC，European Pond Conservation Network)。随着全球气候变化和人类的填埋与改造活动，塘的数量大幅减少，塘的功能受到极大的破坏。

塘在全球生物多样性保护网络中具有突出的地位。它是很多濒危水生生物的栖息地，同时它们的存在在景观尺度上提供了生物物种流的生态踏脚石(Wernick等，1998；Taylor等，2004)。水塘在水环境保护中也有重要的价值，合理管理塘能够作为汇聚集水区污染物质的汇(Wu，2006；Hobbs，1997；姜庆虎等，2013)，通过塘的净化作用改善水质，但不合理的管理和利用会使塘成为纳污场所，从而演变为污染下游水体的源(Dougherty等，2006)。水塘也是涵养水源，调节小气候，缓解城市区域热岛效应的重要景观(Cao等，2010；Chang等，2007；Saaroni等，2000)。此外，塘提供人类需要的大部分淡水养殖产品，是人们聚集休闲娱乐的场地，成为特定的文化符号，具有重要的生产功能和历史文化价值。因此塘在生态系统服务和人类经济文化活动中扮演着非常重要的角色（冯长春，1984；杨格，2010；余振汉，2008）。有着悠久历史和众多塘景观的欧洲，水资源和生态领域的科学家和管理者近年来逐渐意识到了塘在欧洲景观中的独特生态价值和历史文化价值(Dong和Ronald，2010；Moore等，2003；Chessman和Williams，1999；Jin等，2005；Tatrai等，1997)。

由此看来，塘在生态系统服务和人类经济文化活动中扮演着非常重要的角色。有着悠久历史和众多塘景观的欧洲，水资源和水生态领域的科学家和管理者近年来逐渐意识到了塘在欧洲景观中的独特生态价值和历史文化价值，于2004年发起并成立了欧洲塘保护网络(EPCN)。该组织致力于协调欧洲各国在水塘保护方面的科学研究项目规划和进行定期学术交流，分别在2004年瑞士日内瓦、2006年法国图卢兹、2008年西班牙巴伦西亚、2010年德国柏林、2012年卢森堡召开了5次专题学术研讨会，2014年即将在西班牙韦斯卡召开，其中2010年在德国柏林研讨会的主题是“景观的眼睛——21世纪塘的价值”。

塘也是我国南方地区一种常见的、分布广泛的景观类型。但人们对塘的重要生态环境功能以及塘的消减过程等科学问题的认识不足，研究较少，对塘的保护管理法规和系统修复技术研究欠缺，导致近20年因人口密度剧增和城市化用地扩张，在快速城市化胁迫下，为了增加建设用地使用面积而将水塘填埋的行为广泛存在，塘数量急剧消减、面积不断缩小、功能严重损伤。因此在城市人居环境建设中生态价值与人文价值日益凸显的塘，应受到重视与保护。

1 研究区概况

研究区位于广州市天河区（图1），地理位置为113°20'—113°22'E，23°10'—23°11'N。是一个覆盖元岗街道与部分长兴街道的长方形区域，面积8.06 km2（3.1 km×2.6 km），与龙洞街道、五山街道等相邻。区内以变质岩构成的台地为主，海拔在15～105 m之间。

根据统计年鉴，研究区1996年至2010年人口与经济增长迅速，人口年均增长约6%，GDP年均增长约29%，快速城市化导致城区面积迅速扩大，区内自然景观转变为建设用地景观，河涌、溪流被掩埋、覆盖成为暗渠，水塘被消融、填平成为道路、住宅。

图1 研究区地理位置Fig. 1 The study area location

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

利用研究区1996、2000、2004、2007、2011年遥感影像图为基础数据。首先对研究区1996年的塘进行目视解译，通过公式2-1及2-2对塘的面积进行数据压缩作为权重生成缓冲区，再对缓冲区内的下一期遥感数据进行目视解译，依此类推。解译的土地利用类型分为塘、耕地、园林地、荒草地、居住用地、商业及工矿用地、交通用地、水利用地、裸地和其他土地10种（图2）。

经实地调研，面积S1=117 m2的水塘辐射范围R1估算为20 m，根据公式(2-1)计算出辐射系数K：

依次根据（2-2）求出各座水塘的辐射范围Rn：

2.2 主成分分析

采用第一个综合指标F1的方差来表达主成分，即Var(F1)越大，表示F1包含的信息越多，故称F1为第一主成分。如果第一主成分不足以代表原来P个指标的信息，再考虑选取F2，Cov(F1，F2)=0，则称F2为第二主成分，依此类推可以构造出第三、第四，……，第P个主成分。数学模型（2-3）为：

其中a1i，a2i，……，api(i=1，……，m)为X的协方差阵Σ的特征值所对应的特征向量，ZX1，ZX2，……，ZXp是原始变量经过标准化处理的值（张文霖，2005）。

利用SPSS的Data Reduction功能对5期的土地利用类型图进行两两比较，对消失塘的数量与类型进行分析与归纳，针对相邻两期数据间塘消失的区域，进行土地利用类型的统计与主成分分析。

2.3 转移矩阵

土地利用转移矩阵是进行土地利用类型间相互转化的数量及方向特征定量研究的主要方法，它能够具体地反映土地利用变化的结构特征和各类型之间的转移方向。转移矩阵的数学形式（2-4）可以表示为：

式中Sij表示土地面积；i代表研究期初的土地利用类型；j为研究期末的土地利用类型；Sij为研究期内第i类土地转化为第j类土地的面积；n表示土地利用类型的数量（史培军等，2000）。利用arcgis9.3的Tabulate Area功能，在塘消失的缓冲区内，对塘消失前的土地利用类型和消失后的土地利用类型进行转移矩阵的计算，进而对塘自身和缓冲区内的土地利用转移方向以及转移数量进行对比分析研究。

图2 1996-2011年研究区土地利用类型图Fig. 2 1996-2011 land use in the study area

3 结果与分析

3.1 塘的消失

根据研究区实际情况，按主要功能将塘划分为：养殖塘、景观塘、风水塘、山塘、灌溉塘5种类型。养殖塘指以养殖为主要功能的水塘，包括基塘；景观塘指以景观功能为主的亲水塘；风水塘是岭南特色，往往处于村祠堂前与主要道路之间，多为半月形、长方形等规则形状的水塘；山塘指周围林地居多，水质清澈，尚未进行开发利用的水塘；灌溉塘指以灌溉农地为主要功能的水塘。

由表1可见，研究区内的塘在15 a间数量与面积急剧减少，数量由109个减少至20个，减少率为81.65%；面积由36.30 hm2减少至13.18 hm2，减少率为63.70%。其中养殖塘面积急剧下降，由1996年的22.80 hm2降至2011年的0.68 hm2，仅为原面积的3%。

由图3可见，研究区内曾经水塘广布，图右下方（现天河区长兴街区），1996年为大片密集养殖鱼塘，在城市化胁迫下至2007年消减为居住用地、商业及工矿用地。在塘消减过程中，部分水塘类型虽然数量不变但面积缩小；部分水塘形状逐渐规整、缩小，直至消失；部分水塘主要功能发生转换等。

表1 研究区水塘的面积与数量变化Table 1 Pond area and quantity of the study area change

图3 研究区塘消失过程的时空分布图Fig. 3 Temporal and spatial distribution of pond disappearance process

由水塘面积散点图与趋势线图(图4)对水塘的面积变化过程进行全面地分析。养殖塘和水塘的总体面积呈指数型减少，风水塘、灌溉塘和山塘呈对数型减少，但景观塘在连续减少之后，在最后一个时段增加。

图4 研究区水塘面积散点图与趋势线Fig. 4 Area scatter plots and trend lines of pond

城市化胁迫下，研究区已由农业为主的农村改变为商住为主的城市，带有耕作及生活服务功能性的灌溉塘、山塘已消失或转换功能，成为景观塘。人文历史功能的景观塘也随村落的搬迁而转换为景观塘。使得具有亲水功能、增加观赏性和趣味性的景观塘，成为唯一在2007年至2011年数量和面积有所增加的水塘类型，呈现U型的库茨涅茨曲线拐点(图4)。

从水塘面积与结构变化图(图5)可见，2011年山塘和灌溉塘都已全部消失，风水塘仅剩一座，水塘结构类型与1996年相比，发生了质的变化。1996年养殖塘和景观塘各占水塘总面积的62.82%和24.55%，至2011年两者比例变为5.19%和92.65%，景观塘代替养殖塘占据了主导地位。

3.2 水塘消减的土地利用驱动力分析

通过地土地利用转移矩阵对塘及其缓冲区内土地利用类型的变化进行分析，得到土地利用类型转移矩阵(表2)。

图5 研究区水塘面积与结构变化图Fig. 5 Pond’s area and structure change

表2 缓冲区内4时段土地利用类型转移矩阵Table 2 Transition matrix of four phases type of land use hm2, %

水塘消失面积占水塘总面积的比例在1996—2000年、2000—2004年、2004—2007年和2007—2011年4个时段分别为：59.66%、59.42%、24.5%和9.51%，逐渐降低。水塘面积在前3个时段分别减少了14.16 hm2、8.91 hm2、3.01 hm2，在第四个时段增加了2.95 hm2。水塘的主要去向和所占的比例由高到低为裸地55.34%、荒草地25.45%、商业及工矿用地23.76%、园林地18.17%、居住用地16.93%和交通用地12.24%。其中比例最高的裸地，其主要去向和所占比例由高到低为居住用地121.39%、商业及工矿用地65.06%、荒草地64.33%、园林地61.3%和裸地48.08%；所占比例次高的荒草地，其主要去向和所占比例由高到低为荒草地168.27%、园林地101.95%、商业及工矿用地55.5%、居住用地29.84和裸地22.41%。结合各类土地利用类型的转移去向，水塘被填埋后的最终去向为居住用地和商业及工矿用地，表明研究区经历了城市化的过程。塘的灌溉及用水功能不再是必需功能时，人口密集、用地紧张导致了塘被侵占。

3.3 水塘消减的缓冲区内土地利用主成分分析

通过对消失塘的周边土地利用格局的分析，来研究塘的消失与周边土地利用格局的关联。在四个时段中，第一和第二个时段水塘分别消失了40座和48座；第三个时段水塘消失6座，增加1座；第四个阶段水塘消失1座，增加5座。在第一和第二个时段中，因部分消失的水塘空间相邻，周边土地利用格局一致，将相邻的消失塘合并作为一个研究对象。第四个时段水消失1座，样本个数不够故不参与比较分析。

在缓冲区内，除去塘、其他土地2种土地利用类型，共有8种类型参与分析。从方差分解主成分提取分析表（表3）中可见，第一个时段特征值大于1的前5个主成分和第二个时段特征值大于1的前6个主成分的累积方差所占百分比分别为96.434%和97.584%，第三时段的前4个主成分累积方差所占百分比为97.469%，表明主成分对原变量的解释力度大，满足数据降维的要求，可以利用它们来对周边土地利用格局作对比性研究。

图6 消失塘的区域内土地利用类型主成分变化图Fig. 6 Principal component change of land use in the disappearance of the pond area

图7 1996、2000、2004和2007年研究区内土地利用状况的变化图Fig. 7 1996, 2000, 2004 and 2007 status of land use change comparison chart in study area

将消失塘的缓冲区内土地利用类型主成分变化图（图6）和1996、2000、2004、2007年整个研究区的土地利用类型变化图(图7)进行对比，消失塘缓冲区与整个研究区的土地利用类型主成分变化趋势并非一致。在消失塘的缓冲区内，园林地、商业及工矿用地和耕地的比重直线下降；交通用地、裸地和荒草地的比重直线上升；居住用地、水利用地呈折线式不规律发展且在主成分分析中影响相对较小；至第三个时段各土地利用类型所占比成分比重趋于均匀，即塘消失后主要转化为居住用地和商业及工矿用地。这表明研究区内土地利用格局的城市化表现由建设用地“摊大饼”式的发展转为跳跃式发展；交通用地所占比重的上升可以理解为土地交通区位的影响，缓冲区内有交通用地说明该地块交通的通达性和便捷性较好，交通运输成本相对较低，从而成为人们填埋水塘转换为新建设用地更佳的选择；裸地比重上升，即塘周边有裸地的水塘更易于被填埋用于建设，是土地区位的边缘效应和集聚效应所导致的结果。

表3 方差分解主成分提取分析表Table 3 Variance decomposition of the principal component extraction and analysis

4 结论

本文着眼于长期被忽略的小型水体景观——塘，探明研究区内塘因城市化胁迫而消减的数量及空间分布特征。在199—2011年内，区内水塘景观在15 a间显著消减，数量由109个减至20个，面积由36.30 hm2降至13.18 hm2，个体减少率为81.65%，面积减少率为63.69%。

依据塘的主要功能对塘进行功能性分类，并经主成份分析与转移矩阵分析，发现各时段、各类型的水塘消减过程存在明显差异，养殖塘、风水塘、山塘和灌溉塘面积急剧减少，景观塘面积先少后多。功能性水塘逐渐转变为景观性水塘。

将研究区内和消失塘缓冲区内的土地利用格局进行对比分析，指出水塘的主要转换去向为居住用地、商业及工矿用地，周边有交通用地、荒草地的塘更易于被转换成建设用地。

快速城市化地区，水塘已成为居住、商业、工矿用地的主要侵占对象。水塘具有保持生物多样性、调节气温、改善气候、防旱排涝、改善人居环境等生态价值，又具有历史文化、景观美化等人文价值，因此在城市化进程和土地规划中都应重视水塘、保护水塘。

CAO X., ONISHI A., CHEN J. et al. 2010. Quantifying the cool island intensity of urban parks using ASTER and IKONOS data [J]. Landscape and Urban Planning, 96: 224-231.

CHANG C R., LI M H., CHANG S D. 2007. A preliminary study on the local cool island intensity of Taipei city parks[J]. Landscape and Urban Planning, 80: 386-395.

CHESSMAN BC, WILLIAMS SA. 1999. Biodiversity and conservation of river macroinvertebrates on an expanding urban fringe: Western Sydney, New South Wales, Australia [J]. Pacific Conservation Biology, 5(1): 36-55.

DONG C S, RONALD D. 2010. Nutrient uptake and release in ponds under long-term and short-term lotus (Nelumbo nucifera) cultivation: Influence of compost application [J]. Ecological Engineering, 36: 1373-1382.

DOUGHERTY M, DYMOND R L, GRIZZARD T J, et al. 2006. Empirical modeling of hydrologic and NPS pollutant flux in an urbanizing basin[J]. Journal of the American water resources association, 42(5): 1405-1419.

EPCN (European Pond Conservation Network) [EB/OL]. http://campus.hesge.ch/epcn/welcome.asp

HOBBS R J. 1997. Future landscape and the future of landscape ecology. [J]. Landscape & Urban Planning, 37: 1-9.

JIN X C, XU Q J, HUANG C Z. 2005. Current status and future tendency of lake eutrophication in China [J]. Science in China series C-life sciences, 48: 948-954.

MOORE J W, SCHINDLER D E, SCHEUERELL M D , et al. 2003. Lake eutrophication at the urban fringe, Seattle region, USA [J]. AMBIO, 32(1): 13-18.

SAARONI H, BEN-DOR E, BITAN A, et al. 2000. Spatial distribution and microscale characteristics of the urban heat island in Tel-Aviv, Israel[J]. Landscape and Urban Planning, 48: 1-18.

TATRAI I, OLAH J, PAULOVITS G, et al. 1997. Biomass dependent interactions in pond ecosystems: Responses of lower trophic levels to fish manipulations [J]. Hydrobiologiam, 345(2-3): 117-129.

TAYLOR S L, ROBERTS S C, WALSH C J, et al. 2004. Catchment urbanisation and increased benthic algal biomass in streams: linking mechanisms to management[J]. Freshwater biology, 49(6): 835-851.

WERNICK B G, COOK K E, SCHREIER H. 1998. Land use and streamwater nitrate-N dynamics in an urban-rural fringe watershed[J]. Journal of the American water resources association, 34(3): 639-650.

WU J. 2006. Landscape ecology, cross-disciplinarity, and sustainability science [J]. Landscape Ecology, 21: 1-4.

冯长春. 1984. 试论水塘在城市建设中的作用及利用途径——以赣州市为例[J]. 城市规划, 1: 38-42.

姜庆虎, 刘艳芳, 黄浦江, 等. 2013. 城市湖泊流域面源污染的源-汇效应研究——以武汉市东湖为例[J]. 生态环境学报, 22(3): 469-474.

史培军, 陈晋, 潘耀忠. 2000. 深圳市土地利用变化机制分析[J]. 地理学报, 55(2): 151-160.

杨格. 2010. 再见清水塘[J]. 新故事, 5: 8-11.

余振汉. 2008. 乡村水塘的变迁[J]. 陕西水利, 3: 77-77.

张文霖. 2005. 主成分分析在SPSS中的操作应用[J].市场研究, 12: 31-34.

The Disappearance and reduction process of ponds in rapid urbanization area: Tianhe district, Guangzhou city as a case

ZHANG Yulin1, LIU Xiaonan2, ZHAO Yu2, CHENG Jiong2*
1. College of Yingdong Agriculture Science and Engineering, Shaoguan University, Shaoguan 512005, China; 2. Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Science, Guangzhou 510650, China

The pond is a very common landscape in south China, also a kind of relatively independent ecological system, which is playing a important role in the ecosystem services and economic, cultural activities. International scholars mainly study the major functionsof pond manifest in biodiversity conservation, drainage-prevention of water logging, geomancy landscaping andimprovement to the living environment. But the question of the formation, the eco-environmental effect and the disappearance and reduction process of ponds has been lacking of recognition for too long, in China, the phenomenon of filling pond for increase area of construction land occurs widely during the fast urbanization. This paper took Tianhe District in Guangzhou City as the research object, obtained Landscape pattern characteristics by interpreting remote sensing data of terms (1996, 2000, 2004, 2007 and 2011), extracted information of ponds, classified according to main functions, explored the distribution of quantity and space of disappearance and reduction process of ponds, through the analysis of buffer, principal component and transfer matrix. Our results demonstrated that: (1) during 15 years, the area of ponds remarkably reduced by as much as 63.70 percent: from 36.3 0 hm2to 13.1 8 hm2. (2) There’s an obvious difference at different stages and with different types of ponds. The area of aquaculture ponds, geomancy ponds, pool-ponds and irrigation ponds declines sharply or even disappears, the area of landscape ponds expand after a decline during the recession. (3) At different stages ,most of the pond converted into residential land, commercial-industrial land, if the pond is surrounded by some special land use patterns such as transportation land and grassland ,it is more likely to transfer into other land use types.(4) During the construction of habitat environment, the pond has important ecological and humane value, such as biodiversity conservation, regulating temperature, improves the microclimate，drainage- prevention of water logging, improvement to the living environment, historical culture, landscaping, etc. But in rapid urbanization areas, ponds have become the main occupancy object of residential land and commercial-industrial land. As a cold-island effect ecosystem, ponds deserve a serious look and protected in the process of city development and the planning.

ponds; rapid urbanization; land use; Tianhe district

X144

A

1674-5906（2014）02-0244-08

张妤琳，刘晓南，赵宇，程炯. 快速城市化地区塘的消减过程研究——以广州市天河区为例[J]. 生态环境学报, 2014, 23(2): 244-251.

ZHANG Yulin, LIU Xiaonan, ZHAO Yu, CHENG Jiong. The Disappearance and reduction process of ponds in rapid urbanization area: Tianhe district, Guangzhou city as a case [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(2): 244-251.

国家自然科学基金（31170445，41201543）；广东省科技计划项目（2010B030300012）；韶关学院校级科研课题2012年扶持项目4号

张妤琳（1989年生），女，研究方向为土地资源管理。E-mail: lynn0797@gmail.com

*通信作者：程炯（1969年生），男，研究员，主要从事区域环境、城市生态、人居环境的研究。E-mail: chengjiong@soil.cn

2013-12-18