北京大学建筑与景观设计学院, 北京 100871
Zhifang WANG, Ganglu ZHU
中图分类号:
TP984
收稿日期:
2016-02-24
修回日期:
2016-06-7
网络出版日期:
2017-07-05
版权声明:
2017 《北京大学学报(自然科学版)》编辑部 《北京大学学报(自然科学版)》编辑部 所有
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摘要 以重庆两江新区为研究区域, 以2000年和2012年的遥感影像为主要数据源, 运用地理信息系统和景观生态指标等研究方法, 通过陂塘的数量、面积、密度、破碎度、分离度和连接度等指标来研究陂塘景观的数量特征和空间分布特征的变化规律, 以及城镇化建设与陂塘景观变化之间的关系。通过水田、旱地、疏林草地、林地、水域和建设用地等指标来研究陂塘周边用地基质的变化规律。结果表明: 1) 在12年间陂塘显著削减, 数量由1906个削减为270个, 水面面积由175.9 hm2降至59.2 hm2, 数量减少85.8%, 面积减少66.3%; 2) 快速扩张的城镇化建设是导致陂塘景观荒废和消失的主要原因, 其中影响最大的是道路广场用地和旱地(待建设用地); 3) 空间分布上远离建成区的陂塘斑块存活率较高, 且保留的陂塘水面面积主要为0.1~1 hm2; 4) 大部分保留的陂塘景观利用价值低, 居住用地中保留的陂塘是最完整的, 也是最具有后续生态利用价值的。研究结果可以为现代海绵城市规划建设提供依据。
关键词：
Abstract The study analyzes changes in landscape characteristics of ponds in the Liangjiang New Area. The spatial and temporal changes of ponds were present by quantitative characteristics and spatial distribution characteristics using remote sensing images of 2000 and 2012. Landscape metrics of amount, surface area and density of ponds were calculated to analyze quantitative characteristic changes of ponds associated with increased urbanization. Landscape indices of fragmentation, resolution and connectedness were utilized to describe changes in spatial networks of ponds based on GIS, as well as the relationships between urbanization and them. PLANDS of buffer area around ponds were calculated to analyze changes of lands around ponds, which combined paddy, upland, grassland, woodland, water area and construction area. The results show that the number of ponds was significantly reduced from 1906 to 270 with a reduction rate of 85.8%, and the water surface area decreased from 175.9 to 59.2 hectare with a reduction rate of 66.3% during the 12 years. Increased urbanization is the main reason of the persistent decrease of ponds, especially the effect of roads, squares and lands to be built. Ponds would have a bigger chance to exist if they have a long distance from built-up areas in space distribution. The surface area of ponds existed are between 0.1 to 1 hectare. However, most of the ponds existed had low utilization value except the complete ponds in the residential land with ecological value. The results offer some suggestions for modern sponge city construction.
Keywords：
“海绵城市”成为近年来解决中国水问题的重要途径, 怎样利用小水面就地解决雨洪问题, 成为探索的重点。然而, 中国传统历史中所存在的雨洪处理措施不仅没有受到足够的重视, 而且还在快速消失过程中, 并未实现传统设施与现代海绵城市建设相结合。本文研究的陂塘景观就是一个典型的中国传统农耕体系中的雨洪综合利用措施。
陂塘是重庆市农业灌溉系统的重要组成部分, 春秋时期就作为我国古老的蓄水工程而存在[1]。陂塘一般是拦截溪流或就地凿池储蓄雨水而形成[2], 一般将容量大于 10 万 m3 的塘定义为水库(小二型水库), 面积小于小二型水库的称为家塘[1]。国内对塘池堰库等水利工程的研究集中在 3 个方向: 1) 分析陂塘的历史发展, 从理论层面提出陂塘的价 值[1,3]; 2) 从生态效益和水利工程角度提出改进方 法[4,5,6]; 3) 研究城市建设过程中陂塘的削减情 况[7,8]。这些研究对于陂塘定义中的面积大小未做出明确规定, 同时对于陂塘演变过程中景观特征的改变、陂塘及其周边用地之间的空间格局以及陂塘在城镇化过程中的功能角色和理论意义等没有进行详细的研究[7]。
国际上, 与陂塘对应的概念为 pond 或 farm pond[9], 即水塘, 指面积在 1 m2~2 hm2 之间且一年之中至少存在4个月, 包括自然、半自然和具有人工特征的水体[10]。国际上对陂塘的研究主要有三方面: 从宏观理论上研究陂塘的历史发展、演变动力和保护策略[10,11], 从空间格局上研究陂塘景观系统特性改变与空间结构变化[12], 从生态价值上研究陂塘景观要素的生态影响力[13,14,15]。对怎样在城市化进程中有效地整合陂塘景观也研究较少。
综合国内外研究, 将陂塘定义为除水库、湖泊等大型水体之外的具有半自然和人工属性的小型水体, 确切地说是人工截蓄自然径流而形成的小型水体[16]。陂塘景观则是陂塘受到周边环境的干扰, 对此做出应对后形成的一种“水适应性景观”[16]。陂塘景观主要包含3个内容: 斑块——陂塘、廊道——陂塘与水田形成的连续性冲沟和沟渠、基质——陂塘周边用地[13-14,17]。作为农业生态系统的重要组成部分, 陂塘景观具有雨洪滞蓄[18]、旱涝调节[19]以及维护生物多样性[10]等重要的生态价值, 与城市景观也息息相关。
本文主要分析陂塘景观的数量特征和空间结构特征的变化, 研究城镇化建设与陂塘景观变化之间的关系, 为目前海绵系统与城市用地之间的耦合关系提供参考和建议。
重庆市属于旱涝灾害频发的山地丘陵城市, 生态环境脆弱, 水土流失严重, 后备资源短缺, 生态环境建设和耕地保护矛盾日益突出。快速的城镇化建设使重庆的农业景观和生态环境面临巨大的挑战, 尤其是陂塘景观系统。
本文选取重庆市两江新区渝北片区为研究区域(图 1), 北起重庆绕城高速, 南至金渝大道, 与江北区接壤; 东起包茂高速, 西至湖云街-云松路-兰馨大道。区域功能以交通运输和工业仓储为主, 居住为辅; 总面积为 11648.9 hm2, 其中 2012 年耕地面积约 1061 hm2, 陂塘总面积为 59.2 hm2, 建成区面积为 5317 hm2。该区域处于快速城镇化建设阶段, 建设力度大, 涉及的用地矛盾较全面和突出, 资料比较齐全, 其中江北国际机场的建设属于《重庆市土地利用总体规划(2006—2020 年)》中的重点保障建设项目, 导致该区域城镇建设与农业用地之间的矛盾更加突出, 可作为研究的典型。
以 2000 和 2012 年遥感影像为基础数据, 通过ENVI解译得到 2000 和 2012 年用地类型数据(图 2), 主要分为水田、旱地、疏林草地、林地(包括灌木林)、水域和建成区用地等六大类。通过ArcGIS绘图得到2000和2012年陂塘水面面积数据(图 3)。运用土地转移矩阵和标准差椭圆分析研究区域用地基质变化、陂塘斑块整体变化趋势, 通过ArcGis10.0和 Fragstats4.2 计算陂塘斑块和用地基质的生态指标。本研究总共选取陂塘斑块样本量: 2000 年 1906 个, 水面总面积 175.9 hm2; 2012 年270个, 水面总面积 59.2 hm2, 研究区域用地基质总面积11648.9 hm2。
陂塘景观的主要构成要素是陂塘(斑块)、陂塘与水田形成的连续性冲沟和沟渠(廊道)、陂塘周边用地(基质)。研究区域中的陂塘与水田形成的连续性冲沟和沟渠大部分已被填埋或者废弃, 在高清遥感影像中无法识别。因此, 研究主要分析陂塘斑块和用地基质的景观特征变化。
图1 市域尺度上研究区域区位(a)和周边概况(b) Fig. 1 Location (a) and surrounding environment (b) of the study area within Chongqing
研究区域的陂塘大小不一, 水面面积 2~33000 m2不等, 陂塘斑块的数量和空间结构变化是最明显的特征。主要选取陂塘斑块数量、水面面积、最大、最小和平均水面面积等指标来研究陂塘景观的数量特征变化。陂塘景观的空间结构特征包括陂塘斑块的密度、破碎度、分离度、连接度等指标。陂塘斑块的密度反映其空间分布的均匀程度[20], 破碎度可以体现由较低的连通性或连接度引起的单个水塘或成组的水塘[21], 分离度则可以度量陂塘在区域范围内的个体空间分布离散程度[20], 连接度可以衡量陂塘在景观中的空间结构特性[5]。根据度量方法的不同, 可将景观连接度分为结构连接度和功能连接度两种类型[19,22-23]。仅从景观要素在空间结构上的连续性出发, 不考虑任何生态学功能的景观连接度称为结构连接度。根据最邻近距离法, 分别测算2000和2012年研究区域内陂塘斑块的平均距离和平均最邻近距离, 用来衡量陂塘斑块的结构连接度的变化。陂塘景观基质的组成及其空间配置对陂塘景观的连接度有较大的影响[24], 研究主要通过分析区域中用地基质景观百分比的变化来研究陂塘景观基质整体变化趋势。陂塘景观的特征变化可以通过景观指数的测算来表征[16]。
图3 2000和2012年保留陂塘斑块空间分布 Fig. 3 Space distribution map of ponds reserved in 2000 and 2012
统计结果(表 1 和 2)显示: 研究区域陂塘斑块总量减少 85.8%, 水面总面积缩减 66.3%, 密度降低为原来的 1/8, 破碎度降为原来的 1/2 左右, 分离度同比增加 4 倍多, 平均最邻近距离为原来的 2 倍多。统计结果说明 2000—2012 年期间, 陂塘斑块总量急剧下降, 陂塘斑块个体之间的空间距离不断增加, 空间分布趋向不均匀, 传统的农耕海绵系统基本上不复存在。与人类活动密切相关的景观类型, 如苗圃、农田和采伐迹地, 其斑块破碎化指数与人类的干扰强度成反比关系[25]。2000—2012 年陂塘斑块景观特征的变化在一定程度上说明人类活动对陂塘景观的干扰越来越强烈。
表1 陂塘景观数量特征变化统计
Table 1 Changes of quantity characteristic of ponds
表2 陂塘景观空间结构特征变化统计
Table 2 Changes of spatial characteristic of ponds
对比 12 年期间消失的陂塘与增加的建成区面积的空间变化(图4), 其规律是: 陂塘在空间上消失的延展方向与建成区用地在空间上扩张的方向基本上一致, 且越靠近建设用地中心, 陂塘消失得越明显和彻底。
图4 2000—2012年期间消失的陂塘与增加的建成区用地标准差椭圆 Fig. 4 Standard deviation ellipse of disappeared ponds and built-up area from 2000 to 2012
对比不同水面面积层级的陂塘存活率, 发现陂塘的存活率与陂塘水面面积存在正相关关系(图5)。个体水面面积≤600 m2的陂塘存活率不超过5%, 个体水面面积为600~3000 m2的陂塘存活率不超过 16%, 个体水面面积为 3000~10000 m2 的陂塘存活率约为 36%, 个体水面面积大于 10000 m2 的陂塘存活率也只有 40%左右。调查发现, 面积较小的陂塘一般都是家塘, 蓄水能力较差、自身系统不完善, 主要依附天然降水与大型水库之间的水源联系, 随着耕地的消失, 家塘逐渐堙废。面积最大的陂塘一般是河段中的陂塘或联塘, 由村镇或大队共同维护, 除了被建设用地侵占, 其存活率相对较高。
图5 2000和2012年不同面积层级的陂塘水面总面积 Fig. 5 Surface areas of ponds in different levels in 2000 and 2012
由于陂塘与其周边用地斑块共同构成陂塘景观系统, 所以陂塘斑块与其周边的水田、河流、灌木林、建设用地、林地等用地基质密不可分的[13,14]。研究表明, 研究区域内用地基质景观特征变化最明显的是农业用地、疏林草地的持续减少和建成区用地的成倍增加(图 6)。2000—2012 年期间, 研究区域的水田用地和疏林草地总面积分别减少 68%和48.7%, 建成区用地面积则增加为原来的 4 倍多; 旱地、林地和水域面积没有太明显的变化。由此可见, 快速城镇化建设使研究区的用地基质景观发生大面积转移, 城市建设用地不断吞噬自然用地。
为进一步研究陂塘斑块周边用地基质景观的特征变化, 分别对 2000 和 2012 年的陂塘斑块做 50和100 m的缓冲区。缓冲区内各类用地面积统计结果(图 7)显示, 50 m 和 100 m 缓冲区内用地基质的变化趋势基本上一致, 陂塘斑块周边用地基质主要由水田、疏林草地转变为旱地基质, 建成区用地的面积比例增加 10%, 水田面积比例减少20%左右。
图7 陂塘斑块50和100 m缓冲区用地基质景观面积比 Fig. 7 PLAND of different matrices about 50 and 100 meters buffer zone around ponds
对比图6和7可以看出, 陂塘斑块缓冲区内用地基质的景观特征变化与研究区域内用地基质景观特征变化趋势整体上一致, 均是水田、疏林草地基质减少, 建成区用地基质增加; 不同之处在于缓冲区内旱地基质的增加最为明显。
对 2000 年陂塘斑块做 100 m 缓冲区, 研究缓冲区内陂塘斑块和用地基质的转移变化趋势。结果(表 3)显示: 陂塘的转移方向与水田用地的转移方向基本上一致, 陂塘斑块转移趋势最大的是建成区用地, 其次是疏林草地、水田和旱地, 转移趋势最小的是水域和林地。水田、旱地、疏林草地、林地和水域等几类用地大部分转移为建成区用地, 而建成区的用地只有 15%左右转移为其他用地。由此可见, 与陂塘斑块联系最紧密的基质是水田, 两者的土地转移方向基本上一致, 其次是疏林草地; 对陂塘斑块变化影响最大的是建成区用地。2000 年, 农田-沟渠-陂塘的景观结构主要分布于水田用地和疏林草地之中, 2012 年陂塘的分布特点有明显变化, 水田用地和疏林草地中的陂塘大量减少, 陂塘主要集中分布于旱地之中, 这些旱地大部分属于待建设用地。
表3 用地基质转移矩阵统计
Table 3 Transition matrix of land
对建成区用地类型进一步细分, 各类用地中陂塘面积统计结果(图8)显示: 2000年, 约92%的陂塘分布于道路广场用地中, 剩余 8%的陂塘分布于商业、居住和公共管理用地中。12年期间, 道路广场用地中陂塘的削减率是最大的: 2012 年道路广场面积比 2000 年增加 10 倍多, 而 2012 年道路广场用地范围内陂塘比 2000 年减少 88.8%。对 2000 和2012年研究区域内路网做缓冲区分析, 结果(表 4)显示: 2000年, 研究区域路网相对集中, 距道路 1000 m 范围内保留的陂塘面积达到 68.6%, 2012年新规划的路网密集, 覆盖面大, 距道路1000 m范围内保留的陂塘面积减少为6%。道路作为城市建设必不可少的重要部分, 在道路规划过程中主要考虑社会服务功能, 却没有考虑长久的城市环境与生态功能, 导致道路对陂塘等自然景观的破坏力度大大增加。研究区域中对陂塘景观破坏最大的广场用地是江北国际机场用地。2000—2006 年, 机场一、二期工程的扩建还没有对周边(尤其是机场东边)的用地造成太大的影响, 陂塘保留也相对完整。但是, 从机场修建的三、四期以及远期规划中可以发现, 机场往东的村镇用地基本上已纳入机场备用地, 导致周边村镇人口大规模迁往城市, 村镇的土地荒置。同时机场建设给周边的村镇带来巨大的建设污染以及生活干扰, 最终导致村镇空置, 陂塘逐渐消失殆尽。
图8 5类建成区用地中陂塘水面面积统计 Fig. 8 Surface areas of ponds within five kinds of built-up districts
以上分析结果表明: 2000—2012 年期间, 建设用地中的陂塘景观保留率基本上不超过 15%, 保留的陂塘相对独立, 形态破碎, 功能不稳定, 无法形成相对完整的小海绵系统。大部分陂塘的水源来自天然降雨和水库取水, 导致陂塘对气候和成本的依赖性过大。当城市建设用地包围或者侵占陂塘用地时, 除非保留较完整的陂塘系统, 否则单个保留的陂塘也会面临“零功能”荒置和废弃的状态。
值得一提的是, 在居住用地范围内一直较完整地保留了几个大型水库(图 9), 各个水库周边的居住小区基本上都是新建或扩建的, 居住区的布局基本上迎合水库的形态, 并以水库为中心景观展开, 整体形式统一, 水库保留也较完整, 究其原因, 主要有两个方面: 1) 相对其他中小类型的陂塘, 水库具有面积大、水质清、水量充足、形态完整以及功能稳定的特点, 在雨季存储的水量大部分可以应对旱季缺水的情况, 因此存活率相对较高; 2) 水库属于村政府管理, 部分承包, 运营相对稳定, 管理也较完善。中小型陂塘的大面积消失和大型水库的普遍保留, 表明了陂塘景观系统的破碎化和功能分散化。
表4 道路缓冲区内陂塘面积比例统计
Table 4 Area ratio of ponds in different buffers around road
两江新区渝北片区陂塘景观的特征变化研究显示, 传统农耕海绵系统的变更不是随机的, 而是与城镇化建设有着紧密的联系。2000—2012 年期间, 研究区域陂塘景观特征变化的主要规律如下。
1) 快速扩张的城镇化建设是导致陂塘消失和荒废的主要原因, 消失的陂塘景观在空间上的发展
规律与城市扩张在空间上的发展规律基本上一致。
2) 研究区域陂塘斑块总量急剧下降, 从 1906个削减为 270 个, 水面面积从 175.9 hm2降至59.2 hm2, 数量减少 85.8%, 面积减少 66.9%。单个陂塘面积变大, 陂塘斑块个体之间的连接距离不断增加, 空间结构联系减弱, 空间分布趋向不均匀。
3) 陂塘斑块周边用地基质主要由水田、疏林草地转变为旱地和建成区用地。陂塘斑块的空间发展方向与水田基质的空间发展方向基本上一致, 对陂塘斑块景观特征变化影响最大的是道路广场用地及旱地基质。
4) 存活率较高的陂塘斑块水面面积在0.1~10000 m2 之间, 保留的陂塘景观利用价值低, 大部分陂塘景观处于闲置状态, 只有部分大型水库作为城市景观发挥作用。因此, 陂塘景观在未来的城镇发展中仍然面临消失的威胁。
影响陂塘景观系统的演变的因素主要包括宏观政策引导, 社会、经济、农业发展以及城镇化建设等方面(图10)。2000—2006年, 由于国家西部大开发战略的实施、城镇工矿迁建以及成渝高速铁路和遂渝高速公路等国家重点基础设施项目, 建设用地占用大量耕地, 尤其是 2003 年受到三峡库区淹没影响, 建设用地量达到最高峰[26]。与此同时, 大面积退耕还林还草, 调整农业结构, 发展现代农业园区, 使部分耕地转变为林地[27]。快速的经济发展导致二、三产业不断占用耕地, 农业科技的进步使耕地集约化发展, 而粗放型的城镇化发展更是加剧了非农用地对耕地的占用速率[28]。对此, 国家分别于 1998和2004年两次修改土地管理法, 确立了土地用途管制、耕地占补平衡和基本农田保护等制度; 相继颁布《土地管理法实施条例》、《闲置土地处置办法》、《耕地占补平衡考核制度》等法规, 加上《1997—2010 年重庆市土地利用总体规划》的实施, 在一定程度上缓减了耕地的减少, 但远远赶不上耕地消失的速度。在耕地被占用的同时, 陂塘也相继被占用, 并且大量陂塘因此荒废。
城镇化是一个不可逆的发展过程, 陂塘景观将逐渐从农业景观系统转变成城市景观系统的一部分, 这是一个必然的趋势。传统农业景观资源很难应对城市化的冲击, 只有将资源整合, 发掘和建立潜在联系, 并针对城市化赋予其新的功能, 才能在城市景观系统中发挥其景观价值。
The authors have declared that no competing interests exist.
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1 研究区概况
2 研究方法
2.1 数据来源与处理
2.2 陂塘景观的特征分类与测度
3 结果与分析
3.1 研究区域中陂塘斑块景观特征变化分析
年份 数量 水面总面积/104m2 平均水面面积/104m2 最大面积/104m2 最小面积/m2 2000 1906 175.9 0.1 7.7 0.2 2012 270 59.2 0.2 3.3 2.2
年份 密度/10-6m-2 破碎度/10-4m-2 分离度 结构连接度 平均距离/m 平均最邻近距离/m 2000 16.4 10.8 10.3 5413.3 54.4 2012 2.3 4.6 53.5 5289.2 113.7
3.2 研究区域中用地基质景观特征变化分析
3.3 研究区域中陂塘斑块景观特征变化与用地基质景观特征变化的关系分析
项目 用地类型 2012年用地面积/104m2 2000年用地
面积/104m22000年
面积比例%用地中陂塘
面积比例/%水田 旱地 疏林草地 林地 水域 建成区 陂塘 2000年用地
面积/(104m2)水田 331.5 219.5 202.0 115.3 8.5 659.3 15.00 1551 36.8 37.9 旱地 10.3 160.3 66.8 56.8 3.0 218.3 1.0 516.5 12.2 9.3 疏林草地 78.0 192.3 317.8 71.8 3.3 572.3 7.0 1242.25 29.4 27.6 林地 33.5 65.8 29.3 195.5 5.8 138.5 4.0 472.3 11.2 9.6 水域 6.0 8.5 7.3 5.3 28.00 49.5 4.3 108.8 2.6 11.5 建成区 1.0 6.5 12.0 2.3 2.3 134.0 0.5 158.5 3.8 4.2 陂塘 20.8 19.3 21.8 6.8 4.3 85.3 13.00 171 4.1 100 2012年用地
面积/104m2481 672 656.8 453.5 55 1857 44.75 2012年面积
比例/%11.4 15.9 15. 10.8 1.3 44.0 1.1 用地中陂塘
面积比例/%15.7 32.5 12.2 15.7 11.9 12.0 100
缓冲区/m 陂塘面积比/% 2000年 2012年 0~200 5.4 40.0 200~400 5.4 29.8 400~600 5.6 14.5 600~800 8.8 7.6 800~1000 6.2 2.2 >1000 68.6 5.9
4 陂塘景观特征的变化规律、原因及策略总结
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