西江中游典型河段岸线带景观格局分析

方神光，冯子洋，刘晋高，黄代忠

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广州 510611)

景观生态学是从社会角度和自然角度，根据不同景观尺度来进行景观空间的变化研究；景观格局是景观空间结构特征，包括景观组成单元的多样性和空间配置[1]，其与生态过程的耦合是该学科研究的核心，傅伯杰和陈利顶[2]将景观多样性概况为斑块多样性、类型多样性和格局多样性，从物质迁移、能量交换和生产力水平等方面总结了景观多样性的生态意义。景观格局一般采用斑块-廊道-基底模式进行描述，其分析方法主要包括景观指数法、梯度分析法和分析模型[3]，如Zhang等[4]提出了矢量化的斑块方向指数，分析了三江平原湿地的景观格局，总结了湿地斑块的形状特征；白元等[5]利用Fragstas软件分别在景观水平和类型水平上选取景观指数，进行景观格局梯度分析与比较，指出以河道为中心建立的辐射缓冲带的景观格局分析方法，很好地揭示了河流廊道-绿洲-荒漠过渡地区景观梯度动态和生态效应幅度。

流域是水文响应的基本单元，流域景观格局变化造成河流水文情势、水质、地貌、生物特征等改变，从而对河流健康造成影响[6]。因此，开展流域景观格局分析，不仅可以识别各种生态问题，还能够为流域评估、规划、水环境治理、水生态修复及河湖管理政策制定等方面提供技术支撑。目前对珠江流域景观格局的研究主要集中在下游三角洲和东江流域，如周昊昊[7]等通过对5个时期珠江三角洲滨海湿地景观格局变化特征的研究指出，人口快速增长、滩涂开发、围填海活动、海砂开采和水利工程等是导致研究区滨海湿地萎缩的主要因素；吕乐婷等[8]采用转移矩阵、移动窗口法和景观格局指数法分析了不同时期内东江流域景观格局演变趋势，指出为降低对自然植被的破坏，要充分利用已建立的人工区。高爱等[9]提取了广州市典型河流水域，通过建立不同尺度范围的河岸缓冲带，分析其景观格局的变化与对环境的影响范围。周婷等[10]研究东江主干10 km缓冲带，分析其多年的景观格局演变趋势，并探讨各景观要素类型及景观整体格局变化对水体恢复造成的影响。针对西江流域典型河流廊道范围内景观类型变化及其原因探索的成果较为少见。浔江为西江干流中游河段，具有水深良好、水量充沛、水质较好、水生动植物丰富等特点，并分布有鱼类等水生态功能保护区。为探讨近些年流域内发展变化对该河段自然生态的影响，本文选取了部分河段岸线带，基于卫星遥感影像资料对该区域的景观格局演变进行了分析和探讨。

1 研究河段功能区划及景观分类

浔江位于珠江流域西江中游，由郁江和黔江交汇而成，至梧州与桂江汇合，共长172 km。《全国生态功能区划》[11]将浔江流域划定为广西中部丘陵平原农产品提供功能区(Ⅲ-01-28)。《广西壮族自治区水功能区划》(2002)[12]将从武宣石龙三江口至梧州城东镇的桂、粤省界之间的黔、浔江成为西江中下游河段，划分出11个保护区、9个保留区、6个缓冲区和10个开发利用区。浔江干流主要包括浔江桂平鱼类产卵场保护区、平南中华鲟保护区和苍梧中华鲟保护区。鱼类产卵场区、中华鲟保护区和缓冲区的主要功能是保证鱼类生存繁殖，开发利用区主要提供工业、农业以及生活用水，如图1所示。《珠江流域综合规划(2012-2030年)》[13]从完善防洪减灾、水资源供给与保障、水资源保护与修复和流域综合管理方面进行了规划和部署，其中浔江段为西江干流下游段，水量充沛，是实施跨流域调水的重要水源地，以防洪治涝、航运为主，兼顾灌溉、供水、发电、水环境及水资源保护等。浔江区域属于西江在中下游低山丘陵红壤区，水土流失危害严重，重点加强沟道治理工程和林草植被建设，严格生产建设项目的监督管理。《珠江-西江经济带岸线资源开发利用与保护规划》[14]对西江干流河道岸线按保护区、保留区、控制利用区和开发利用区进行了划分，规划中浔江岸线保护区段涵盖桂平东塔鱼类产卵场水产种质资源保护区、西江梧州段水产种质资源保护区、浔江木圭鱼类产卵场、桂平市水源保护区、平南县水源保护区、藤县水源保护区、梧州市水源保护区等生态敏感区域。

图1 浔江河段水功能区划

因此，浔江流域地处桂东南农产品主产区，土地利用以农业空间和城镇空间为主；浔江河段水量充沛、水质良好，不仅分布有西江流域重要的水功能区和自然保护区，对自然生态安全意义重大，而且还是重要的城镇水源地，是桂东南主要城镇群航运、供水和水利枢纽建设的重要依托河段。综合考虑国家土地划分标准、研究区域土地利用特点及遥感图像资料的可分辨度，将研究河流廊道景观类型分为：农田、林地、水体、建筑用地、沙地岩石及裸地五类，定义见表1。

表1 土地分类含义

2 数据来源及景观指标

2.1 数据来源

此处进一步选取浔江河流上游47 km长的局部河段及岸线带作为研究对象。原始遥感图来自于两个不同时期：地理空间数据云Landsat 7卫星的2000年10月31日条带号124行编号44和Landsat8卫星2017年1月22日条带号124行编号44遥感图[15]，选择的遥感图选取裁剪后的云量均小于1%。为提高图像质量，利于对土地利用类型的解读，选取ENVI5.3影像处理软件，对遥感图像进行辐射标定、大气校正、图像剪裁。为消除大气中光对比地表反射等因素的影响，本文采用FLAASH大气校正工具，提高能见度、精度，使得校正后的植物波普曲线更加接近真实植被曲线。采取监督分类方法，选取训练样本均匀分散在研究区域内，合理勾选训练样本数量，保证样本之间的可分离度高于1.8，以保证土地利用类型分类的准确性。根据选取样本，利用最大似然分类法即在两类及以上的土地类型判别中根据最大似然比贝叶斯判决准则法建立非线性判别函数集，通过选择训练区计算分类样本的归属概率，进而进行整体图像分类，最后得到2000年和2017年浔江研究河段长47 km、两岸宽3 km的河道走廊遥感影像如图2所示。

图2 浔江上游河岸带景观格局分类图

根据得出的景观格局图可以发现，2000-2017年期间浔江上游河段河流廊道主要基底为农田基地，即图中橙色区域范围，无颠覆性改变，也与《全国生态功能区划》对浔江流域的定位一致。建设用地改变主要体现在江口镇、平南县城镇区域的扩张；沙地、岩石及裸地的面积有明显减少，由于机械化发展和技术进步，包括江心洲范围内部分沙石地转化为农田，部分沙地转化为建设用地；林地景观斑块的改变具有一定区域性特征，江口镇以南林地范围有明显增加，而其他区域林地斑块面积都有不同减少。水体景观斑块主要以浔江干流为主，涵盖大湟江、乌江及一些水库、池塘等。

2.2 景观指标计算公式

景观格局指数是集中反映景观信息的表征值，对景观格局空间结构及组成特征进行定量化分析，经常被用于生态健康结构的评估。本文选取景观板块、景观形状和景观多样性3个类别中的5个景观格局指数(斑块所占景观面积比例(PLAND)、最大板块指数(LPI)、边缘密度(ED)、景观蔓延度指数(CONTAG)、Shannon景观多样性指数(SHDI))进行，这些指标物理概念理解明确，不仅能反应区域的土地利用态势的变化，而且从生态学上来分析和预测该研究区域生态质量的变化趋势，应用也最为广泛。利用Fragstats提取和计算ENVI中预处理的样本训练监督结果并进行分析，所选代表性景观格局指数生态意义如表2所示，计算公式为：

表2 景观格局指数意义

(1)

(2)

(3)

CONTAG=

(4)

(5)

式中：Pi为第i类斑块所占景观面积比例, %；aij为第i类斑块的第j个色块的面积，m2；n为第i类斑块识别的色块个数；A为所有景观的总面积，m2；aimax为第i类景观最大斑块的面积，m2；Pij为景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度，m；Ai为第i类景观面积，m2；gik为第i类斑块和第k类型斑块毗邻的数目；m为景观中的斑块类型总数目。

3 景观格局指标分析

3.1 斑块所占景观面积比例(PLAND)

统计研究河段5类斑块：建设用地、农田、林地、水体和砂石及裸地所占景观面积比例如图3和表3所示。2017年用地以农业用地为主，占比达到53.8%，余下依次是建设用地、水体、林地和裸地，占比分别为14.6%、13%、12.7%和5.9%。相较于2000年，农业和林业用地呈现明显下降，下降比例分别为2.9%和2.8%；建设用地和裸地明显增加，增加比例分别为4%和1.6%；水域面积占比基本不变。显然，城镇用地扩张是导致农田及林地向建设用地及裸地转化的主要原因，根据《贵港市国民经济和社会发展公报》(2003-2018年)，近15年内，贵港市城镇户籍人口比例从10.93%大幅度上涨至50.09%，城镇人口增加了169.4万人，《贵港市推进农业可持续发展实施方案(2017-2030)》[16]调查分析显示，贵港市农田面积自2013-2016年下降了7.4%。但总体来看，农田作为该区域的基底仍维持不变，符合贵港市土地规划中农田保留率的规定要求。建设用地上涨4%，主要集中在平南县和江口镇城镇扩张。林地占比总体下降，但各区域变化趋势不同，桂平市江口镇南部区域林地面积呈现增长趋势，这与桂平市江口镇大力推广经济林种植密切相关，但桂平市石咀镇南部山区、桂平市木圭镇南部山区及平南县北部的林地面积因城镇用地扩张而呈现下降，这也是导致沙石裸地占比因而提高的主要原因。

图3 斑块所占景观比例柱状图

3.2 最大板块指数(LPI)

5类用地的LPI指数如图4和表3所示。在划分的五种景观类型中，农田及水体的LPI值远高于其他3种。其中，《贵港市水利发展规划》中明确要提高农田有效灌溉系数，连通小块农田，实现规模化经营和提高农田质量，也是导致近年农田最大斑块指数提升了4.5%的主要原因。研究区域水体LPI基本保持不变，显示近些年浔江干流水域面积基本维持不变。建设用地LPI增加了3.06%，显示城镇向周边区域扩张是其主要原因。林地及沙石裸地的LPI值基本保持不变。

图4 最大斑块指数柱状图

表3 景观指数计算统计表

景观最大斑块指数反映了连通程度，农田连通性提高，有利于提高农田耕种效率，水系连通性较高可以提高有效灌溉系数，继而减少单位面积农田用水量，降低万元GDP用水量，有效控制用水总量。水系连通性较高有利于动植物栖息地的发展和物种保护，发挥河岸中物质迁移及能量交换的作用，但农田景观与建设用地连通性过高却会阻断利于动物活动景观廊道的发展，对生物迁徙起到阻碍作用[17]。

3.3 边缘密度(ED)

斑块边缘密度ED与斑块面积占比相对应，斑块面积占比越大，边缘密度也越大。统计研究区域5类用地ED结果如图5和表3，可见建设用地、农田、水体、沙石裸地的边缘密度(ED)值都有不同程度升高，林地边缘密度(ED)值有所下降。由于城镇建设用地增加显著，其边缘长度增大，建设用地边缘密度(ED)值有较大提高。原有林地转化为城镇建设用地，面积减少，边缘密度(ED)值下降。水体斑块面积占比在基本保持不变的前提下，边缘密度ED显著增大了3.22%，显示水域斑块与其他斑块的边缘较之前呈现更多的复杂交错现象，该现象与近些年经济社会迅速发展、城镇化迅速提升和人类活动频繁等密切相关，尤其是涉河建筑物的增加会导致边缘线迅速增长，也是导致沙地岩石及裸地斑块缘密度(ED)增大的主要原因。农田作为研究区域的基底，尽管从2000-2017年农业用地PLAND占比下降了2.9%，但边缘密度ED则显著增大了8.47%，显示农田的边界较2000年变得复杂化，它与建设用地、水体、沙地岩石及裸地的ED值显著升高相对应。

图5 斑块边缘密度柱状图

景观边缘密度ED通常反映景观中异质斑之间物质、能量、物种及其他信息交换的潜力和相互影响的强度，也反映斑块的生态强度[18]。人工斑块边缘密度受人为活动方式控制，自然斑块密度则反应斑块自然动态发展趋势。自然景观斑块边缘密度增大表示景观异质性提高，斑块转换能力强，活力提高。研究区域内林地自然斑块边缘密度下降，显示自然生态活力降低，不利于动物繁衍发展。水体自然斑块边缘密度上升，利于其和农田格局的交互，提高灌溉能力，但也容易受到农田景观带来的负面影响。人工斑块异质性受人类活动控制，农田和建设用边缘密度提高，异质性也提高，其生态活力较强，且不受自然斑块影响，较难参与自然斑块转化。

3.4 景观蔓延度指数(CONTAG)和香农景观多样性指数(SHDI)

景观蔓延度指数用于描述景观斑块的团聚程度及延展趋势，指数代表了景观是否连接良好，破碎化程度高低，与边缘密度呈负向关。香农多样性指数在群落生态学中被广泛应用于多样性的检测，该指标能反映景观异质性，特别对景观中各斑块类型非均衡分布状况较为敏感，与丰富度、破碎度有关。计算显示，2000-2017年间，景观蔓延度指数(CONTAG)值从48.2降低到35.6，Shannon景观多样性指数(SHDI)从1.25上涨到1.31。

景观蔓延度指数(CONTAG)下降说明这期间产生了较多较小的斑块结构，破碎化程度较高，与近年经济发展、人类频繁活动有密切关系。景观蔓延度与最大斑块指数同样体现了景观的连通性，研究区域内人工斑块连通性提高，林地自然斑块连通性减低，而景观蔓延度指数整体降低，不利于动物的迁徙繁衍[19,20]。景观蔓延度降低也意味着景观的破碎化程度提高，景观的过度破碎化危害性巨大，会减少物种适宜生存空间，斑块内物种生存可能性减少，对种群扩散和迁入产生不同程度影响，影响生境质量。

Shannon景观多样性指标(SHDI)有所提升，说明研究区域景观多样性有所提高，与原斑块占比较少的建设用地和沙石裸地面积增加关系紧密，然而Shannon景观多样性(SHDI)基数较小，区域内农田斑块占主导地位，总体景观多样性较低；景观类型和物种多样性的关系并不是简单的正相关，景观类型多样性即可增加物种多样性，又可减少物种多样性[21]。本文研究区域农田景观占主导地位，林地面积减少降低了生物多样性，增加的景观斑块主要为建设用地和沙石裸地，这样的人工生态景观出现反而降低了物种多样性，对生态造成了负面效益。

4 结 论

(1)浔江上游两岸基底以农田为主，主要斑块为建设用地、林地和砂石裸地；近些年来，农田基底基本维持不变且略有下降，林业用地占比下降2.8%；建设用地和裸地明显增加，增加比例分别为4%和1.6%；水域面积占比基本不变。

(2)农田和建设用地最大斑块指数LPI近些年提升明显，其他斑块LPI基本维持不变且水体LPI较高；人工(农田和城镇)斑块连通性提高，显示区域农田耕种效率和城镇化提升，但不利于自然生物的迁徙。

(3)人工斑块(建设用地、农田、沙石裸地)和水体边缘密度值(ED)近些年都有不同程度升高，自然林地边缘密度(ED)值有所下降，显示研究区域由于人类活动加剧，自然生态活力有所下降。

(4)研究区域景观蔓延度指数(CONTAG)下降，破碎化程度较高；Shannon景观多样性指标(SHDI)值较小，景观多样性低，不利于区域内种群扩散和迁入，区域生境质量降低。

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