黄河故道流域景观多功能测度及时空演变

张艺严，张 健，杨永均，钱 勇，吉金春，陈 浮①

(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116；2.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.睢宁县自然资源和规划局，江苏 徐州 221200)

黄河故道是1855年黄河北徙山东从利津入海后，不再汇淮而遗留下来的一条“地上悬河”[1]，流经豫、鲁、皖、苏4省，全长738 km[2]。受决口和改道的影响，黄河故道流域普遍存在地势高亢、水土流失、植被受损、水系紊乱、河道淤积和土地质量差等问题，沿线土地利用效率低下，生态环境功能差，经济发展相对滞后，严重地制约当地经济社会发展[3-5]，区域景观功能亟待提升。为解决这一问题，国家和地方高度重视黄河故道生态环境的综合整治[6-7]，不断推进流域开发与治理，旨在促进区域景观功能提升和经济社会可持续发展[8]。

景观可提供与人类福祉息息相关的多种产品和服务，且不同功能间往往存在着相互作用[9]，从而间接反映了区域发展水平[10]，因此，定量评估景观多功能性有助于区域土地资源的优化配置。现有的景观多功能研究集中于景观综合功能的定量评估，且多为快速城市化区域。如任国平等[11]采用空间自相关方法研究了上海市青浦区184个行政村1980—2015年乡村景观多功能间权衡-协同关系变化；黄隆杨等[12]通过自然资源大数据的支撑算法研究了烟台市基层行政管理单元景观多功能水平；冯喆等[13]在物质生产、碳汇、土壤保持、生境维持和居住等单一景观功能的空间化模型模拟基础上，采用自组织特征映射网(SOFM)模型对北京及其周边地区景观功能组合的空间分异特征进行定量识别与聚类分析。但对黄河故道此类地理环境特殊、人工干预修复较多、整理活动频繁区域的景观多功能及其演变的研究极少，现有的黄河故道相关研究主要集中于区域生态问题分析和土地整治实践途径。刘江生等[14]以黄河故道山东段为研究对象，结合多种指标，评价了流域内不同区域的土壤质量；孙雪萍等[15]定量研究了夏津黄河故道域内古桑树群的生态功能；还有学者对黄河故道不同河段高标准农田建设模式[16]、绿色化土地综合整治体系[4]、土地配置状况[17]、生态规划思路[18]和协作治理方法[19]开展了实证研究。此外，一些研究针对黄河故道生物多样性[20]、水文条件[21]等环境本底开展了调查。

尽管一些研究已关注到黄河故道流域生态问题和土地整治实践，但对黄河故道持续整治后景观多功能及其变化缺乏定量评估，不利于该区景观适应性提升和可持续性管理。为此，该研究选取黄河故道(睢宁段)作为典型区，评估了近30年景观变化及多功能时空演化，探索土地综合整治的影响，可为黄河故道及其他流域综合整治、土地利用与优化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黄河故道(睢宁段)全长69.5 km，流经双沟、王集、庆安、魏集、梁集、姚集和古邳7个镇，流域面积为851.01 km2。研究区属暖温带陆地性季风气候区，年均气温为14 ℃，年均降水量为922.1 mm。区域平均海拔为28.3 m，西北高，东南低，为黄泛冲积平原，仅西北、西和西南地区有零星低山与丘陵。为改善当地生态环境，睢宁县持续开展土地综合整治。一是大力整治土地和农村居民点，推进农地规模化和中心社区建设；二是恢复水系连通性，改善流域生态本底；三是开展山水林田湖草综合整治，推进区域生态化建设。多年的“集约化-集中化-生态化”综合整治带动了区域社会-经济-生态系统功能与结构的深刻变化，可视作人为修复流域生态的典型案例。

1.2 数据来源

主要数据包含遥感影像、社会经济统计资料和自然地理数据。(1)遥感影像为1990、2000、2010和2020年数据，1990和2000年为Landsat 5 TM遥感影像，2010和2020年为Landsat 8 OLI遥感影像。所有影像成像时间为每年4—5月，无云。(2)社会经济统计资料来源于《中国统计年鉴》《徐州市统计年鉴》《睢宁统计年鉴》和《睢宁县土壤志》，土地综合整治数据来自于调研及睢宁县自然资源和规划局提供的历史数据。(3)自然地理数据包括降水量和温度数据(中国科学院资源环境科学研究中心，http:∥www.resdc.cn)、土壤数据(联合国粮食及农业组织HWSD项目数据)、地形数据、蒸散发量数据(空间信息联盟，https:∥cgiarcsi.community)。

1.3 研究方法

1.3.1土地利用结构的提取和分析

采用ENVI 5.3和ArcGIS 10.3软件对4期遥感影像进行处理，包括辐射校正、几何校正和监督分类，参考谷歌地球及土地调查数据校正4期遥感影像分类结果，最终将研究区土地利用分为居民点、道路、耕地、林地、园地、设施农用地、河滩、河流、养殖水面、湿地公园、水库和工矿废弃地12类，4期影像分类精度分别达90.13%、90.57%、93.72%和91.59%。采用土地利用变化幅度(ΔV)来说明土地利用结构变化，计算公式为

(1)

式(1)中，Va、Vb分别为研究区初期和末期某一种土地利用类型面积，km2。

1.3.2景观多功能的评估和分析

景观功能与生态系统服务实质上是相近的，但景观功能更强调非生态功能的效用[22]。参考联合国《2030年可持续发展议程》提出的可持续目标，从生产功能、生活功能和生态功能3个方面考虑，选择初级生产、游憩服务、人居承载、碳固存、产水、水质净化、土壤保持和生境维持8种景观功能，分别涵盖景观功能的调节、供给、支持和文化4个方面，具有代表性且便于计算[22]。将8种景观功能得分等权重相加得到景观多功能指数。各景观功能计算方法见表1。根据各个景观功能的计算方法，定量评估1990—2020年4期各项景观功能。同一景观单元具有多种功能，将各项景观功能正向标准化到0～1区间，对同一景观单元上的各项景观功能的标准化值进行累加，以此表征景观单元的多功能性。

表1 景观功能评价的指标和方法

1.3.3景观多功能权衡-协同关系的测算

将黄河故道睢宁段1990—2020年4期景观功能评价结果输入SPSS 22.0软件，运用Spearman相关性分析计算研究区景观功能间相关系数，在此基础上分析多功能间的权衡-协同时间变化趋势。

(2)

式(2)中，Pi为Xi位于序列中第k个位置，k为Xi的秩次；Qi为Yi的秩次；n为独立同分布数据对(随机过程中，任何时刻的取值都为随机变量，如果这些随机变量服从同一分布并且互相独立时，即为独立同分布)；rs(Xi，Yi)为秩次相关系数，相关系数为正表示两种功能间存在协同关系，相关系数为负表示两种功能间存在权衡关系，相关系数不显著表示两种功能相互独立。

2 结果与讨论

2.1 流域土地利用结构变化

1990—2020年研究区土地利用空间分布见图1，耕地、居民点和林地是最主要的土地利用类型。1990年耕地面积为494.35 km2，占59.33%，分布分散，近30年呈先减少再增加趋势；1990年居民点面积为113.76 km2，前20年基本保持不变，后10年呈下降趋势，主要沿交通线布局；1990年林地面积为117.95 km2，前20年持续增加，近10年呈大幅下降趋势，主要分布于河道、道路两侧；1990年水库、工矿废弃地、河滩等地类面积仅占12.87%，近30年显著下降，呈零星分布。不同年份土地利用空间分布具有典型特点，1990年黄河故道(睢宁段)两岸存在大量河滩地；2000和2010年耕地与居民点混杂，破碎度较高；2020年土地利用呈现边缘平整、集聚度高、破碎度低的农田和居民点分布格局。总体来看，土地综合整治在区域土地利用变化过程中发挥极大的推动作用，表现为建设用地与耕地的空间布局调整和功能性地类集聚。同时，研究区土地利用类型逐渐多元化与生态化，湿地公园建设、居民点拆迁集中、基础设施建设、养殖水面清理等使得研究区生态化程度不断提高。

图1 1990—2020年研究区土地利用类型的空间分布

1990—2020年流域内土地利用类型变化见表2，主要为耕地、林地和居民点等传统地类向道路、湿地公园、设施农用地等新型地类转移。各转出地类中耕地面积最大，但在转出的同时也有一定数量的转入，耕地面积基本保持稳定，体现了综合整治对耕地保护的支持作用，且耕地空间布局得到不断优化，大大增加耕地的集中连片化和生态林网化。林地转出比例最高，主要转为耕地和居民点，转出面积分别为36.45和15.98 km2，表明30年村镇扩张对生态用地产生了较大压力。而在转入地类中，湿地公园面积增加最多，主要由耕地、居民点和林地转入。设施农用地和道路主要由耕地转入，转入面积分别为19.30和17.17 km2。大量土地转为湿地公园、设施农用地和道路，表明在黄河故道生态治理与村镇发展过程中拆迁、合并、整理了大量居民点和废弃地，土地综合整治工程的实施使得区域内设施农用地与道路大量增加。

2.2 区域景观功能时空变化

1990—2020年研究区各项景观功能指数变化见表3。各景观功能中，初级生产、人居承载和游憩服务等景观功能均不断增长，而碳固存、产水、水质净化、土壤保持和生境维持等生态功能则均在波动中上升。其中，初级生产功能在研究期内逐步上升；人居承载功能受到城市扩张引起的人口增加与建筑物容积率提升影响，承载能力逐步上升；随着土地综合整治工程的推进，建成多处自然和人文景观，如房湾湿地、家庭农场等，使得研究区游憩功能不断增强。碳固存功能水平值随时间变化显著，这主要是由于研究区30年间在碳存储功能较强的地类中，耕地和森林面积稳定，而湿地公园等地类面积持续增加；研究区产水能力通过产水量体现，其变化与区域降水量保持一致，呈现先增后减再增的趋势，年际间差距较大；1990至2000年，研究区城市发展粗放，占用地块面积增多，耕地面积回升而林地面积大量减少，导致氮磷输出量增多，使得水质净化功能不断减弱。而在2000年以后，研究区土地综合整治的推进使得区域土地氮磷输出量逐渐减少，研究区水质净化功能增强；土壤保持功能的水平持续上升，表明在经过黄河故道生态修复工程后，区域土壤流失量逐渐减少；生境维持功能同样因受到建设用地增加的影响而呈显著减弱趋势，在开展土地综合整治后逐步回升。

表2 1990—2020年研究区土地利用转移矩阵

表3 1990—2020研究区各项景观功能指数变化

区域景观多功能水平见图2。在空间分布方面，区域景观多功能性水平呈现北高南低的分布格局；多功能性较强的区域集中分布在黄河故道以北的魏集镇、古邳镇和姚集镇等行政单元，其中，以研究区西北部的京山周边区域、北部的葛峄山周边区域、东部的马邦大沟一带景观多功能性最强，土地利用类型以林地、湿地公园和居民点等为主；而多功能性较弱的区域集中分布在黄河故道以南的平原区域，包括双沟镇、王集镇、庆安镇和梁集镇等行政单元，土地利用类型以长期进行农业生产的耕地、未治理的工矿废弃地和河滩为主。

图2 1990—2020年黄河故道睢宁段景观多功能性变化

在时间变化方面，1990年景观多功能性水平区间为1.00～5.45，均值为3.18；2000年景观多功能性水平区间为1.58～5.59，均值为3.44；2010年景观多功能性水平区间为1.74～6.05，均值为3.71；2020年景观多功能性水平区间为1.97～6.20，均值为3.85。从区间与平均值的变化来看，研究区30年间区域内景观多功能变化显著，总体上增加21.07%。区域内景观多功能提升明显的区域集中于黄河故道沿岸地区，分布在村庄拆迁、工矿废弃地治理和湿地公园建设区域。

以温室内营养钵的方式来替代传统的冷床育苗，其不仅能为幼苗的生长过程创造更加有利的环境，且能促使幼苗生长得更加健壮。与此同时，绝大多数蔬菜种类，其本身在低温与弱光的环境下将更有助于自身生长，且同时基于高垄栽培、膜下暗灌等技术，对于病虫害亦能起到良好的控制作用[2]。

2.3 景观多功能权衡-协同关系

研究区各景观功能间相关系数见图3，可以看出，由于碳固存与生境维持功能较高的区域都集中在林木覆盖率较高的山体和平原森林区，两者在空间上重叠，相关系数大于0.7，协同关系明显。此外，研究区人居承载力较高的居民点聚集区地面硬化程度高，产水量和土壤流失量大，使得人居承载与产水和土壤保持相关系数均大于0.3，协同关系也较为显著。而碳固存-产水、产水-生境维持及水质净化-土壤保持3组景观功能在20年间保持了明显的权衡关系。产水-碳固存、产水-生境维持功能间权衡关系分别小于-0.5和-0.6，表明研究区产水与碳固存、生境维持功能在空间上分离性较强，碳固存与生境维持功能较高的区域产水能力差。

图3 1990—2020年黄河故道睢宁段景观功能相关性

从1990—2020年黄河故道睢宁段各组景观功能间相关系数变化上来看，景观功能间权衡-协同关系年际变化较小。初级生产-游憩服务、初级生产-产水及初级生产-生境维持功能间的协同关系不断增强，表明土地综合整治不断提升耕地、林地的生产功能，同时这些景观的游憩服务功能被不断开发，区域初级生产能力和游憩服务功能在协同中增加。

2.4 土地综合整治对景观多功能性的影响

黄河故道综合性的治理措施是实现地区景观多功能提升的重要途径，其作用主要体现在优化区域景观结构和改善区域景观功能两个方面。首先，土地综合整治可以有效优化区域的景观结构。景观结构的优化是一定时期内自然生态和经济社会要素综合作用的结果，可直观反映综合治理措施的效果。通过土地综合整治，1990—2020年间黄河故道睢宁段景观结构优化显著，时空变化较大。区域内居民点不断搬迁、整理、集聚，面积从113.76 km2下降为108.80 km2，到2020年，居民点基本分布在研究区内各个镇的行政中心或交通沿线，城镇化水平不断提高；大量的原村庄旧址、林地、其他用地被整理为高标准农田或开发为设施农用地，转入面积在新增农田中占比较高；黄河故道沿岸的积水坑塘形成的养殖水面也被疏通治理；黄河故道地上悬河产生的河滩面积大量减少，至2020年该地类基本消除，治理后变为湿地公园、设施农用地。此类变化可增强景观内部生态环境稳定性，使研究区景观结构得到优化，通过集约化和淘汰落后景观类型的模式，较好地实现了土地资源节约集约利用，全面系统地提升了当地居民的生活水平和生产条件。总体来看，长期土地综合整治改变了研究区景观结构，为区域人居环境、自然条件和农业生产条件的改善提供了基础。

此外，土地综合整治可以有效改善区域的景观功能。治理期间，区域的农业生产条件、人居环境和自然条件得到显著改善，对景观多功能具有显著的积极效应。在生产空间整治方面，30年间通过整治使得区域内农业生产空间质量稳步提高，在整治现有耕地的同时淘汰低产能耕地，同时加大技术投入建设高标准基本农田，提高了区域的农业规模化和产业化水平，原有的粗放式农业向生态型现代都市农业转型，在提升农民收入的同时提高了生产效率，区域生产功能得到提升；在生活空间整治方面，通过土地综合整治，推进村庄合并、房屋改造等农村建设用地安置与改造，优化了区域内居民点布局，建设了道路等公共基础设施，区域生活功能得到提升；在生态空间整治方面，研究区建设与保护了大量兼具多功能性、具有较高功能质量与较高聚集度的生态空间，例如，区域内建设了由大量生态功能低下的区域修复而来的兼具土壤保持、水源净化、生物多样性保护、游憩休闲等诸多功能的湿地公园，同时积极开展河道治理工程，在重视工程效用的同时兼顾生态保护，通过河流断面设计、生态护岸、水质监测等手段，使流域内各河道的连通性、产水量与水质净化等生态功能总体上升，提升了受“地上悬河”现象影响较大的区域生态功能。通过“生产集约化-生活集中化-景观生态化”的土地综合整治模式，研究区生产-生活-生态功能得到协同提升，增强了景观可持续发展能力。

3 结论

总体来看，科学合理的土地综合整治能够大幅度提高黄河故道区域景观多功能性，改善区域的自然和社会条件。今后，有必要继续深化探索生态化与多元化的土地利用模式，研究景观多功能转型的影响因素和驱动机制，从而更加精准地调控相似流域景观的结构和功能，有效提高景观的可持续性。