农业文化遗产系统景观要素分析的思考

饶滴滴，刘某承，闵庆文

（1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049）

农业文化遗产是指人类与其所处环境在长期协同发展中，创造并传承至今的独特农业生产系统，这些复合系统具有历史悠久、结构合理、富含独特美学价值的生态与文化景观[1]。景观作为农业文化遗产系统的重要组成部分，在传承过程中不断更新变化。了解农业文化遗产系统景观要素特征，对我国农业文化传承、农业可持续发展、农业功能拓展和生态农业优化布局具有重要的科学价值和实践意义。同时，它也是理解农业文化遗产系统价值的重要方向[2]。然而，目前针对农业文化遗产景观要素所开展的研究较少，尤其在农业文化遗产申报过程中，景观分析较为单一，仅有的景观分析拘泥于景观美学价值的定性描述，对遗产地景观的结构、功能、动态变化分析较为薄弱，不符合景观分析的基本要求。

受气候变化和对自然资源需求所带来的与日俱增的社会经济和环境变化的影响，遗产地景观亦存在不同程度破坏，景观生境破坏和景观破碎是农业文化遗产地可持续发展的障碍，如何科学界定农业文化遗产地景观质量，不仅需要衡量遗产地景观的美学价值，更要从景观的结构、功能和动态变化着手，进一步揭示农业文化遗产地景观格局和内在机理。因此，探讨和开发一套科学有效的农业文化遗产景观监测方法和评价体系具有重要意义。

实地观测、遥感和地理信息系统技术以其成熟的监测手段为农业文化遗产系统中景观要素的监测提供了技术方法支撑[3]；景观生态学以景观为研究对象，强调景观结构、功能对生态过程的影响，在揭示生物群落与周边环境之间复杂的因果关系，生物多样性保护以及自然保护区功能区划等领域应用广泛并且成效显著[4]。本文综合现阶段成熟的地理学技术手段对农业文化遗产系统景观监测方法进行探究，并借鉴景观生态学理念与方法，结合农业文化遗产特征，尝试对农业文化遗产景观多样性及其指标选取进行探讨，旨在进一步揭示农业文化遗产景观格局内在机理，促进农业文化遗产可持续发展，为现代高效农业和生态农业合理布局提供有效借鉴。

1 农业文化遗产系统景观类型

农业文化遗产景观是指人类与其所处环境长期协同发展过程中，创造与传承至今的所形成的独特的农业生态系统所衍生并呈现的独具特色的生态与文化景观。作为农业文化遗产特性的表征实体，农业文化遗产生态文化景观也具有活态性、复合性、多功能性和濒危性特征，揭露和分析农业文化遗产景观特性，首先要对不同类型农业文化遗产类型进行合理划分。自2002年联合国粮农组织（FAO）启动全球重要农业文化遗产（GIAHS）项目以来，截至2018年7月初，共认定了分布于21个国家的52个全球重要农业文化遗产系统，它们共同见证了人类在使用和管理自然资源、生物多样性、生态系统多样性方面的智慧与和创造力。其所衍生的农业系统自然景观类型丰富多彩。根据各个农业系统主要自然景观数目多少以及它们所占面积的比例，可将遗产地景观分为：湿地景观、农田景观、森林景观、草地景观及复合景观5大类。

2 农业文化遗产系统景观监测方法与评价指标

2.1 实地原位观测对农业文化遗产系统景观监测

对生态系统的监测少不了实地观测的数据搜集和记录。实地监测是对景观类型差异最直观且有效的监测方法，广泛应用于揭示生态系统要素机理研究。农业文化遗产系统中的景观作为受人类活动影响下的活态性景观，包括土壤、植被、水、生物多样性等诸多活态要素存在。这些景观中的要素是如何维持系统稳定，如何调整景观内部的结构与功能，解决这些问题都是需要建立在了解景观要素动态变化的基础之上，即探究景观内部要素的机理变化。只有通过实地现象观测，借助科学的仪器设备和监测手段，才能获取一手准确的信息。如今，现场实地观测的技术手段已较为成熟，如可以采用土壤参数测定仪监测农田景观内土壤养分、水势、微量元素等，这对定量分析农业文化遗产地景观结构组成及探究其合理布局的驱动因素提供了可靠的数据支撑，进而对构建农业文化遗产系统景观可持续发展模式提供科学指导。

2.2 地理信息系统和遥感技术对农业文化遗产系统景观定量监测

农业文化遗产地景观监测方法多样，传统的实地调研工作量大、成本高、效率低，一定程度上对大范围景观系统基础数据快速获取造成阻碍。随着遥感和地理信息技术和互联网技术的飞速发展，卫星遥感、航空遥感和近地面遥感（手持光谱仪和无人机遥感）等监测平台，以其高效、便捷、成本低、定量化的特点，已广泛应用于土地利用类型监测与判定，同样也适用于大小规模不一的农业文化遗产系统景观类型的识别。例如，在全球尺度上，可以利用中分辨率遥感影像Landsat系列（空间分辨率30 m）对全球52个已经认定的重要农业文化遗产地进行基本景观类型的监测与判别；小尺度范围内，为了实现更为精确的景观类型和结构识别，如我国哈尼稻作梯田的特殊景观，斑块面积小而狭长，条带状的形状已经难以在中分辨率像元尺度上识别，可从欧洲航空局平台免费获取Sentinel-2系列多光谱遥感数据，Sentinel-2系列以其最高10 m的空间分辨率可以良好支撑梯田景观和更为细小的斑块划分，Sentinel-2系列不但在空间分辨率上优于Landsat 系列，特殊的3个红边波段，以其对植被健康指数和植被色素敏感的特征广泛用于植被景观季节变化的监测和生物量估算中。在农业文化遗产景观中，植被占据其主要部分。通过挖掘农业系统景观长时间序列的物候信息，开展农业文化遗产景观定量评估具有巨大可行性；近年来，无人机遥感发展迅速，全分辨率的特点使其能够对农业文化遗产景观进行实时监测。多样化成熟的科技手段足以支撑农业文化遗产景观的记录和监测，为后续农业文化遗产景观多样性的定量研究提供可观的数据支撑。

随着空间分析技术日益完善，多样化的景观识别手段和平台广泛应用于地表景观提取。在上述遥感中高分辨率遥感数据基础上，从以像元为单元的传统目视解译、监督分类和非监督分类方法到面向对象的解译方法，利用景观的颜色因子、形状因子、紧致度因子等指标，能够实现特定景观类型快速识别。例如，基于eCognition平台的面向对象分类法在高分辨率遥感影像识别中应用广泛，精度优良。在上述中高分辨率多光谱遥感数据的支撑下，基于面向对象的分类方法，既能对不同地方农业文化遗产系统景观类型进行快速识别，又能对同一地方农业文化遗产系统的景观变化进行动态监测。

2.3 模型模拟农业文化遗产系统景观差异与作物产量的关系

农业文化遗产具有不可忽视的多功能性，其为食品保障领域作出的贡献在全球粮食危机和食品安全日益严峻的大背景下显得尤为重要。作为农业文化遗产系统中重要的景观要素，景观态势的健康与否对作物产量、粮食安全，以及农业文化遗产系统的可持续发展有重大影响。基于此，在前文现场观测和遥感数据的支撑下，综合应用地理信息系统技术和数学建模方法，可将实测的土壤参数或植被参数与表征土壤与植被特性的遥感专题数据进行模型构建，定量分析作物产量与景观类型之间的关系，选取实测数据验证模型，得出估产最优模型。如将应用广泛并成熟的遥感植被指数与作物实测生物量进行拟合分析，可以实现作物产量估算，从而对作物估产提供有效支撑，进而对农业文化遗产地景观的结构和布局进行有效反馈，对下一步合理优化农业文化遗产地景观布局具有现实指导意义。相应地，景观识别结果的结构分析需要建立在一定成熟的指标基础上加以实现[5]。

2.4 农业文化遗产系统的景观斑块多样性指标

景观多样性指标常以斑块多样性、类型多样性和格局多样性来衡量单位内景观形态[4]。斑块多样性通常指斑块总数、大小、形状的复杂性。自然景观中斑块是指内部基质均一所构成的物种聚集地。农业文化遗产系统中，受人类活动影响，斑块内部物种单一。例如，我国江西万年稻作农业文化遗产系统的田块以稻谷为主要基质。即便如此，斑块数目也对景观的完整度和破碎化有影响，用单位面积上斑块数量表征景观的完整度和破碎化。农田景观中，田块的破碎度越大表示可用于种植作物的可利用有效面积越小，反之则越大；景观斑块大小与能量、养分总量成正比，相对的斑块面积大小与物种的生产力水平成正比[4]。因此，在物种单一的农业文化遗产系统景观内，斑块数量越大则表明其生产力水平越高；景观形状通常以分维度来表征，不同斑块形状对径流过程和营养物质的截留影响不同，针对不同农业文化遗产系统景观，因地制宜分析斑块形状对科学合理布局系统内景观格局状态具有指示意义，对了解农业文化遗产系统景观内部物质循环与能量迁移过程具有导向作用。

2.5 农业文化遗产系统的景观类型多样性指标

类型多样性是指景观中类型的丰富度和复杂度[6]。类型多样性普遍考虑景观中不同的景观类型（如农田、森林、草地、湿地等）的数目多少以及它们所占面积的比例。通常以优势度、丰富度和多样性指数来衡量景观类型多样性[4]。景观类型的多样性对径流、侵蚀等生态过程影响显著。具体表现为，沟间地景观类型多样性低、优势度高、相对丰富度和破碎度低[7]。而以梯田为主的农业文化遗产系统通常分布于沟间地区，景观类型随主要农作物基质比例而定。不同的农业文化遗产系统中景观类型不同，单一基质下以绝对优势占比维持了农田生态系统景观中稻谷的比例，如稻谷作为农田系统景观中的主要地类基质。但值得关注的是，景观类型多样性对物种多样性的影响是显著的，景观类型多样性的增加或减少，会导致物种多样性的增减变化，这种增减趋势并非一致，物种多样性与景观类型多样性并非成正比，它们之间的关系是呈正态分布趋势[4]。

因此，在复合农业文化系统景观中，规划布局合理的农业文化遗产景观类型、合适大小的均质斑块以及边境生境条件，对于类似 “桑基鱼塘”的农业文化遗产地中，能有效实现经济效益和生态效益的双赢，因地制宜既促进当地经济创收又实现物种多样性增加。由于景观之间具有连接性和网络结构，合理的景观类型布局对坡面径流、水土流失和生物多样性保护都具有重要影响[8]。农田系统景观中，适度的增加森林斑块可引进森林生境的物种，构建生态廊道，有助于本地物种的恢复和保护，增加物种多样性，对保护和维持农业文化遗产系统景观的可持续发展具有重要作用。

距今已有800多年历史的江西省崇义客家梯田系统，其农作物以水稻为主，同时兼有山林。森林具有涵养水源的作用，客观上对这种垂直高差落差大的梯田系统起到保护作用。受此启发，农业文化遗产地可发掘和探寻遗产地景观内部规律，并在此基础上探究高效生态安全的病虫害防治手段，优化农业文化遗产系统景观布局，进一步实现对农业文化遗产地系统的动态保护。

2.6 农业文化遗产系统的景观格局多样性指标

面对濒危性、活态性和复合性兼具的农业文化遗产系统，动态性变化促使我们需要掌握和探求农业文化遗产地景观格局中景观类型内部斑块与斑块之间、景观类型之间的空间关系和功能联系，总结农业文化遗产系统景观要素中物质循环、能量流动规律。

景观格局多样性正是研究景观类型空间分布的多样性、各类型之间以及斑块与斑块之间的空间关系和功能联系的有效理论支撑，对揭示景观类型的空间结构对生态过程的影响有重要意义。景观格局多样性通常以聚集度、连接度和连通性指标来表征。聚集指的是同一类型景观中不同斑块之间的聚集，连接性也多指同一类型间的连接度和连通性[4]。不同农业文化遗产系统景观类型的空间格局（森林、草地、农田等的结构配置）对地表径流、下渗、侵蚀以及养分等元素的迁移影响不同[9]。如在稻鱼共生系统中，鱼类活动搅动了土壤，使杂草和浮游生物呼吸作用减弱，减少了稻田对甲烷等温室气体的排放；哈尼梯田系统以“森林-村寨-梯田-河流”垂直分布的生态景观为特点，对当地水资源循环利用、涵养水源地表水的流速以及下渗都会有影响。研究农业文化遗产系统中景观格局分布是发现其内部斑块中潜在规律和控制空间格局分布的影响因子以及其作用机制的重要方面，是进一步研究农业文化遗产地景观功能和动态变化的基础。

3 结束语

本文主要从农业文化遗产的活态性、适应性、复合性、战略性、多功能性和濒危性6大主要特征出发，强调了农业文化遗产系统中景观要素的重要性。

(1)以探究农业文化遗产系统景观格局的动态变化规律为首要目标，分别从现场实地观测、遥感和地理信息系统技术以及数学建模等监测方法上对分析农业文化遗产系统景观生态系统要素的机理、景观类型、景观斑块大小和面积等要素的现状及动态变化规律进行针对性探讨。旨在应用科学有效的方法定量分析农业文化遗产系统的景观要素结构与功能，为进一步厘清农业文化遗产系统景观格局与当地产业发展之间的关系提供科学有效支撑。

(2)以景观生态学中对生态系统中景观要素理论和指标选取作为参考，从景观多样性（斑块多样性、类型多样性、格局多样性）角度，探讨了农业文化遗产系统中景观要素监测指标的选取。

值得关注的是，基于目前成熟的监测技术和手段，对农业文化遗产系统景观基本要素的研究需要全面考虑影响景观变化的各种要素，实现多因素综合分析，找出对景观格局变化影响的主要驱动因素，为下一步研究农业文化遗产系统景观要素对环境变化的适应和正负反馈机制做出正确导向，对构建健康、完善的农业文化遗产系统景观格局机制，促进农业文化遗产系统可持续发展具有重要意义，进而对构建和发展现代生态农业模式提供有效借鉴。