饒滴滴,劉某承,閔慶文
(1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)是指人類與其所處環(huán)境在長(zhǎng)期協(xié)同發(fā)展中,創(chuàng)造并傳承至今的獨(dú)特農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),這些復(fù)合系統(tǒng)具有歷史悠久、結(jié)構(gòu)合理、富含獨(dú)特美學(xué)價(jià)值的生態(tài)與文化景觀[1]。景觀作為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分,在傳承過程中不斷更新變化。了解農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀要素特征,對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)文化傳承、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)功能拓展和生態(tài)農(nóng)業(yè)優(yōu)化布局具有重要的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐意義。同時(shí),它也是理解農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)價(jià)值的重要方向[2]。然而,目前針對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀要素所開展的研究較少,尤其在農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)申報(bào)過程中,景觀分析較為單一,僅有的景觀分析拘泥于景觀美學(xué)價(jià)值的定性描述,對(duì)遺產(chǎn)地景觀的結(jié)構(gòu)、功能、動(dòng)態(tài)變化分析較為薄弱,不符合景觀分析的基本要求。
受氣候變化和對(duì)自然資源需求所帶來的與日俱增的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境變化的影響,遺產(chǎn)地景觀亦存在不同程度破壞,景觀生境破壞和景觀破碎是農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地可持續(xù)發(fā)展的障礙,如何科學(xué)界定農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀質(zhì)量,不僅需要衡量遺產(chǎn)地景觀的美學(xué)價(jià)值,更要從景觀的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)變化著手,進(jìn)一步揭示農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀格局和內(nèi)在機(jī)理。因此,探討和開發(fā)一套科學(xué)有效的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀監(jiān)測(cè)方法和評(píng)價(jià)體系具有重要意義。
實(shí)地觀測(cè)、遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)以其成熟的監(jiān)測(cè)手段為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀要素的監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)方法支撐[3];景觀生態(tài)學(xué)以景觀為研究對(duì)象,強(qiáng)調(diào)景觀結(jié)構(gòu)、功能對(duì)生態(tài)過程的影響,在揭示生物群落與周邊環(huán)境之間復(fù)雜的因果關(guān)系,生物多樣性保護(hù)以及自然保護(hù)區(qū)功能區(qū)劃等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛并且成效顯著[4]。本文綜合現(xiàn)階段成熟的地理學(xué)技術(shù)手段對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行探究,并借鑒景觀生態(tài)學(xué)理念與方法,結(jié)合農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)特征,嘗試對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀多樣性及其指標(biāo)選取進(jìn)行探討,旨在進(jìn)一步揭示農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀格局內(nèi)在機(jī)理,促進(jìn)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展,為現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)合理布局提供有效借鑒。
農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀是指人類與其所處環(huán)境長(zhǎng)期協(xié)同發(fā)展過程中,創(chuàng)造與傳承至今的所形成的獨(dú)特的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)所衍生并呈現(xiàn)的獨(dú)具特色的生態(tài)與文化景觀。作為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)特性的表征實(shí)體,農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)生態(tài)文化景觀也具有活態(tài)性、復(fù)合性、多功能性和瀕危性特征,揭露和分析農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀特性,首先要對(duì)不同類型農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)類型進(jìn)行合理劃分。自2002年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)啟動(dòng)全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)(GIAHS)項(xiàng)目以來,截至2018年7月初,共認(rèn)定了分布于21個(gè)國(guó)家的52個(gè)全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng),它們共同見證了人類在使用和管理自然資源、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性方面的智慧與和創(chuàng)造力。其所衍生的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)自然景觀類型豐富多彩。根據(jù)各個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要自然景觀數(shù)目多少以及它們所占面積的比例,可將遺產(chǎn)地景觀分為:濕地景觀、農(nóng)田景觀、森林景觀、草地景觀及復(fù)合景觀5大類。
對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)少不了實(shí)地觀測(cè)的數(shù)據(jù)搜集和記錄。實(shí)地監(jiān)測(cè)是對(duì)景觀類型差異最直觀且有效的監(jiān)測(cè)方法,廣泛應(yīng)用于揭示生態(tài)系統(tǒng)要素機(jī)理研究。農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中的景觀作為受人類活動(dòng)影響下的活態(tài)性景觀,包括土壤、植被、水、生物多樣性等諸多活態(tài)要素存在。這些景觀中的要素是如何維持系統(tǒng)穩(wěn)定,如何調(diào)整景觀內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與功能,解決這些問題都是需要建立在了解景觀要素動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)之上,即探究景觀內(nèi)部要素的機(jī)理變化。只有通過實(shí)地現(xiàn)象觀測(cè),借助科學(xué)的儀器設(shè)備和監(jiān)測(cè)手段,才能獲取一手準(zhǔn)確的信息。如今,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)的技術(shù)手段已較為成熟,如可以采用土壤參數(shù)測(cè)定儀監(jiān)測(cè)農(nóng)田景觀內(nèi)土壤養(yǎng)分、水勢(shì)、微量元素等,這對(duì)定量分析農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀結(jié)構(gòu)組成及探究其合理布局的驅(qū)動(dòng)因素提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐,進(jìn)而對(duì)構(gòu)建農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀可持續(xù)發(fā)展模式提供科學(xué)指導(dǎo)。
農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀監(jiān)測(cè)方法多樣,傳統(tǒng)的實(shí)地調(diào)研工作量大、成本高、效率低,一定程度上對(duì)大范圍景觀系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)快速獲取造成阻礙。隨著遙感和地理信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,衛(wèi)星遙感、航空遙感和近地面遙感(手持光譜儀和無人機(jī)遙感)等監(jiān)測(cè)平臺(tái),以其高效、便捷、成本低、定量化的特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于土地利用類型監(jiān)測(cè)與判定,同樣也適用于大小規(guī)模不一的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀類型的識(shí)別。例如,在全球尺度上,可以利用中分辨率遙感影像Landsat系列(空間分辨率30 m)對(duì)全球52個(gè)已經(jīng)認(rèn)定的重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地進(jìn)行基本景觀類型的監(jiān)測(cè)與判別;小尺度范圍內(nèi),為了實(shí)現(xiàn)更為精確的景觀類型和結(jié)構(gòu)識(shí)別,如我國(guó)哈尼稻作梯田的特殊景觀,斑塊面積小而狹長(zhǎng),條帶狀的形狀已經(jīng)難以在中分辨率像元尺度上識(shí)別,可從歐洲航空局平臺(tái)免費(fèi)獲取Sentinel-2系列多光譜遙感數(shù)據(jù),Sentinel-2系列以其最高10 m的空間分辨率可以良好支撐梯田景觀和更為細(xì)小的斑塊劃分,Sentinel-2系列不但在空間分辨率上優(yōu)于Landsat 系列,特殊的3個(gè)紅邊波段,以其對(duì)植被健康指數(shù)和植被色素敏感的特征廣泛用于植被景觀季節(jié)變化的監(jiān)測(cè)和生物量估算中。在農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀中,植被占據(jù)其主要部分。通過挖掘農(nóng)業(yè)系統(tǒng)景觀長(zhǎng)時(shí)間序列的物候信息,開展農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀定量評(píng)估具有巨大可行性;近年來,無人機(jī)遙感發(fā)展迅速,全分辨率的特點(diǎn)使其能夠?qū)r(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。多樣化成熟的科技手段足以支撐農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀的記錄和監(jiān)測(cè),為后續(xù)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀多樣性的定量研究提供可觀的數(shù)據(jù)支撐。
隨著空間分析技術(shù)日益完善,多樣化的景觀識(shí)別手段和平臺(tái)廣泛應(yīng)用于地表景觀提取。在上述遙感中高分辨率遙感數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,從以像元為單元的傳統(tǒng)目視解譯、監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類方法到面向?qū)ο蟮慕庾g方法,利用景觀的顏色因子、形狀因子、緊致度因子等指標(biāo),能夠?qū)崿F(xiàn)特定景觀類型快速識(shí)別。例如,基于eCognition平臺(tái)的面向?qū)ο蠓诸惙ㄔ诟叻直媛蔬b感影像識(shí)別中應(yīng)用廣泛,精度優(yōu)良。在上述中高分辨率多光譜遙感數(shù)據(jù)的支撐下,基于面向?qū)ο蟮姆诸惙椒?,既能?duì)不同地方農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀類型進(jìn)行快速識(shí)別,又能對(duì)同一地方農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的景觀變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)具有不可忽視的多功能性,其為食品保障領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)在全球糧食危機(jī)和食品安全日益嚴(yán)峻的大背景下顯得尤為重要。作為農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中重要的景觀要素,景觀態(tài)勢(shì)的健康與否對(duì)作物產(chǎn)量、糧食安全,以及農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展有重大影響?;诖?,在前文現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和遙感數(shù)據(jù)的支撐下,綜合應(yīng)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)學(xué)建模方法,可將實(shí)測(cè)的土壤參數(shù)或植被參數(shù)與表征土壤與植被特性的遙感專題數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建,定量分析作物產(chǎn)量與景觀類型之間的關(guān)系,選取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型,得出估產(chǎn)最優(yōu)模型。如將應(yīng)用廣泛并成熟的遙感植被指數(shù)與作物實(shí)測(cè)生物量進(jìn)行擬合分析,可以實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量估算,從而對(duì)作物估產(chǎn)提供有效支撐,進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行有效反饋,對(duì)下一步合理優(yōu)化農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀布局具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。相應(yīng)地,景觀識(shí)別結(jié)果的結(jié)構(gòu)分析需要建立在一定成熟的指標(biāo)基礎(chǔ)上加以實(shí)現(xiàn)[5]。
景觀多樣性指標(biāo)常以斑塊多樣性、類型多樣性和格局多樣性來衡量單位內(nèi)景觀形態(tài)[4]。斑塊多樣性通常指斑塊總數(shù)、大小、形狀的復(fù)雜性。自然景觀中斑塊是指內(nèi)部基質(zhì)均一所構(gòu)成的物種聚集地。農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中,受人類活動(dòng)影響,斑塊內(nèi)部物種單一。例如,我國(guó)江西萬年稻作農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的田塊以稻谷為主要基質(zhì)。即便如此,斑塊數(shù)目也對(duì)景觀的完整度和破碎化有影響,用單位面積上斑塊數(shù)量表征景觀的完整度和破碎化。農(nóng)田景觀中,田塊的破碎度越大表示可用于種植作物的可利用有效面積越小,反之則越大;景觀斑塊大小與能量、養(yǎng)分總量成正比,相對(duì)的斑塊面積大小與物種的生產(chǎn)力水平成正比[4]。因此,在物種單一的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀內(nèi),斑塊數(shù)量越大則表明其生產(chǎn)力水平越高;景觀形狀通常以分維度來表征,不同斑塊形狀對(duì)徑流過程和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的截留影響不同,針對(duì)不同農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀,因地制宜分析斑塊形狀對(duì)科學(xué)合理布局系統(tǒng)內(nèi)景觀格局狀態(tài)具有指示意義,對(duì)了解農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)與能量遷移過程具有導(dǎo)向作用。
類型多樣性是指景觀中類型的豐富度和復(fù)雜度[6]。類型多樣性普遍考慮景觀中不同的景觀類型(如農(nóng)田、森林、草地、濕地等)的數(shù)目多少以及它們所占面積的比例。通常以優(yōu)勢(shì)度、豐富度和多樣性指數(shù)來衡量景觀類型多樣性[4]。景觀類型的多樣性對(duì)徑流、侵蝕等生態(tài)過程影響顯著。具體表現(xiàn)為,溝間地景觀類型多樣性低、優(yōu)勢(shì)度高、相對(duì)豐富度和破碎度低[7]。而以梯田為主的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)通常分布于溝間地區(qū),景觀類型隨主要農(nóng)作物基質(zhì)比例而定。不同的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀類型不同,單一基質(zhì)下以絕對(duì)優(yōu)勢(shì)占比維持了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)景觀中稻谷的比例,如稻谷作為農(nóng)田系統(tǒng)景觀中的主要地類基質(zhì)。但值得關(guān)注的是,景觀類型多樣性對(duì)物種多樣性的影響是顯著的,景觀類型多樣性的增加或減少,會(huì)導(dǎo)致物種多樣性的增減變化,這種增減趨勢(shì)并非一致,物種多樣性與景觀類型多樣性并非成正比,它們之間的關(guān)系是呈正態(tài)分布趨勢(shì)[4]。
因此,在復(fù)合農(nóng)業(yè)文化系統(tǒng)景觀中,規(guī)劃布局合理的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)景觀類型、合適大小的均質(zhì)斑塊以及邊境生境條件,對(duì)于類似 “?;~塘”的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地中,能有效實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的雙贏,因地制宜既促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)創(chuàng)收又實(shí)現(xiàn)物種多樣性增加。由于景觀之間具有連接性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),合理的景觀類型布局對(duì)坡面徑流、水土流失和生物多樣性保護(hù)都具有重要影響[8]。農(nóng)田系統(tǒng)景觀中,適度的增加森林斑塊可引進(jìn)森林生境的物種,構(gòu)建生態(tài)廊道,有助于本地物種的恢復(fù)和保護(hù),增加物種多樣性,對(duì)保護(hù)和維持農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。
距今已有800多年歷史的江西省崇義客家梯田系統(tǒng),其農(nóng)作物以水稻為主,同時(shí)兼有山林。森林具有涵養(yǎng)水源的作用,客觀上對(duì)這種垂直高差落差大的梯田系統(tǒng)起到保護(hù)作用。受此啟發(fā),農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地可發(fā)掘和探尋遺產(chǎn)地景觀內(nèi)部規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上探究高效生態(tài)安全的病蟲害防治手段,優(yōu)化農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀布局,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)保護(hù)。
面對(duì)瀕危性、活態(tài)性和復(fù)合性兼具的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng),動(dòng)態(tài)性變化促使我們需要掌握和探求農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀格局中景觀類型內(nèi)部斑塊與斑塊之間、景觀類型之間的空間關(guān)系和功能聯(lián)系,總結(jié)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀要素中物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)規(guī)律。
景觀格局多樣性正是研究景觀類型空間分布的多樣性、各類型之間以及斑塊與斑塊之間的空間關(guān)系和功能聯(lián)系的有效理論支撐,對(duì)揭示景觀類型的空間結(jié)構(gòu)對(duì)生態(tài)過程的影響有重要意義。景觀格局多樣性通常以聚集度、連接度和連通性指標(biāo)來表征。聚集指的是同一類型景觀中不同斑塊之間的聚集,連接性也多指同一類型間的連接度和連通性[4]。不同農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀類型的空間格局(森林、草地、農(nóng)田等的結(jié)構(gòu)配置)對(duì)地表徑流、下滲、侵蝕以及養(yǎng)分等元素的遷移影響不同[9]。如在稻魚共生系統(tǒng)中,魚類活動(dòng)攪動(dòng)了土壤,使雜草和浮游生物呼吸作用減弱,減少了稻田對(duì)甲烷等溫室氣體的排放;哈尼梯田系統(tǒng)以“森林-村寨-梯田-河流”垂直分布的生態(tài)景觀為特點(diǎn),對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源循環(huán)利用、涵養(yǎng)水源地表水的流速以及下滲都會(huì)有影響。研究農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀格局分布是發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部斑塊中潛在規(guī)律和控制空間格局分布的影響因子以及其作用機(jī)制的重要方面,是進(jìn)一步研究農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地景觀功能和動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)。
本文主要從農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)的活態(tài)性、適應(yīng)性、復(fù)合性、戰(zhàn)略性、多功能性和瀕危性6大主要特征出發(fā),強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀要素的重要性。
(1)以探究農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀格局的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為首要目標(biāo),分別從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)、遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)以及數(shù)學(xué)建模等監(jiān)測(cè)方法上對(duì)分析農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀生態(tài)系統(tǒng)要素的機(jī)理、景觀類型、景觀斑塊大小和面積等要素的現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行針對(duì)性探討。旨在應(yīng)用科學(xué)有效的方法定量分析農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)的景觀要素結(jié)構(gòu)與功能,為進(jìn)一步厘清農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀格局與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)發(fā)展之間的關(guān)系提供科學(xué)有效支撐。
(2)以景觀生態(tài)學(xué)中對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中景觀要素理論和指標(biāo)選取作為參考,從景觀多樣性(斑塊多樣性、類型多樣性、格局多樣性)角度,探討了農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)中景觀要素監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取。
值得關(guān)注的是,基于目前成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段,對(duì)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀基本要素的研究需要全面考慮影響景觀變化的各種要素,實(shí)現(xiàn)多因素綜合分析,找出對(duì)景觀格局變化影響的主要驅(qū)動(dòng)因素,為下一步研究農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀要素對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)和正負(fù)反饋機(jī)制做出正確導(dǎo)向,對(duì)構(gòu)建健康、完善的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)景觀格局機(jī)制,促進(jìn)農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,進(jìn)而對(duì)構(gòu)建和發(fā)展現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)模式提供有效借鑒。