汪雪純，宋蘭蘭，張其成，李士軍

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.泗洪縣水利局，江蘇 宿遷 223900）

0 引言

坑塘是指蓄水量小于10 萬m3，自然形成或人工開挖的較封閉的［1］，在地球上比湖泊覆蓋面積更多［2］的水體。與其他淡水水體相比，坑塘能為物種提供更多棲息地和營養(yǎng)物質(zhì)，包括一些稀有的和受威脅的物種，是生物多樣性的熱點(diǎn)區(qū)域［3］。近年來，受城市擴(kuò)張、農(nóng)業(yè)集約化和環(huán)境變化的影響，不少坑塘被閑置、廢棄甚至變?yōu)槔鴪?，?shù)量正在不斷減少，如英國現(xiàn)存坑塘數(shù)量較19世紀(jì)下降了75%［4］，印度坑塘的減少損失了195 萬hm2灌溉潛力［5］，2000-2012年南昌市水庫坑塘和灘地減少最多［6］?？犹镣嘶蛦适O大限制了坑塘系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮［5］。

坑塘不僅是國土空間的組成部分［7］，更是一項(xiàng)綠色基礎(chǔ)設(shè)施，其形態(tài)特征、空間分布決定了坑塘功能［8］，坑塘功能又與其結(jié)構(gòu)相互作用、相互依存，使坑塘景觀成為一種可持續(xù)的水適應(yīng)景觀［9］。坑塘的形態(tài)結(jié)構(gòu)與空間分布可由坑塘面積、岸線發(fā)育系數(shù)、坑塘距河/湖庫距離、坑塘密度、周邊土地利用等因子來描述，這些因子影響著坑塘系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能［5］。YADAV［5］研究了印度坑塘現(xiàn)狀及其與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)面積大的坑塘，其水資源、生境資源更豐富，更容易被保留下來；相同面積的坑塘，長寬比在3∶1 左右時(shí)水流更均勻［5］；坑塘岸線越曲折，物種多樣性越少［10］。距河/湖庫距離能夠?qū)^(qū)域生物多樣性產(chǎn)生較大影響，距離越小，其生物多樣性和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也越高［11］。USIO N［12］研究了不同用地對(duì)坑塘生物多樣性及水質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)周邊是林地的坑塘，更能發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能。城市坑塘因熱島效應(yīng)，其平均水溫比農(nóng)村坑塘高3.04 ℃，溫度增高有利于苯酚等有害物質(zhì)揮發(fā)，使得有害藻類大量繁殖，導(dǎo)致城市坑塘生態(tài)系統(tǒng)比農(nóng)村坑塘更容易失衡［13］。JELIAZKOV等［14］研究表明，流域或區(qū)域內(nèi)物種豐富度隨著坑塘密度的增加而增加。SONG等［15］利用衛(wèi)星成像數(shù)據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)60%的土地變化都與人類活動(dòng)有關(guān)，人類活動(dòng)改變了土地利用類型，繼而影響了坑塘面積和分布［16］。前人研究發(fā)現(xiàn)，與湖庫等大型水體相比，坑塘類微小水體在調(diào)蓄洪水［15］、保留養(yǎng)分［4］、緩解熱島效應(yīng)［17］、魚類生產(chǎn)和養(yǎng)殖［3］等生態(tài)服務(wù)往往被低估，也未得到法律或政策的支持。隨著生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興的推進(jìn)，人們逐漸意識(shí)到坑塘系統(tǒng)功能及效應(yīng)的重要性［18］，加強(qiáng)了坑塘的治理保護(hù)，尤其是具有重要生態(tài)服務(wù)效益的坑塘，使其轉(zhuǎn)型成為所在城市的生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施［19］。

當(dāng)前坑塘研究集中在宏觀上闡述坑塘的演變、時(shí)空分布特征方面，對(duì)坑塘本身特性及重要程度的研究較少?；诳犹撂匦匝芯科渲匾?，決定治理保護(hù)優(yōu)先級(jí)別，在城鎮(zhèn)快速發(fā)展和土地資源約束環(huán)境下［20］顯得尤為重要。本文以聊城市坑塘系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用衛(wèi)星遙感資料研究聊城市坑塘格局和空間分布，開展聊城市坑塘重要度評(píng)價(jià)，根據(jù)不同重要度提出坑塘利用策略，保障坑塘的土地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

聊城市介于東經(jīng)115°16′～116°32′和北緯35°47′～37°02′之間，系華北平原的一部分，屬暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，溫度適宜，境內(nèi)地形平緩，除東南部沿黃河一帶外，其余均為黃河沖積平原，地勢(shì)西南高、東北低，總面積8 628 km2，轄8 個(gè)縣（市、區(qū)）。全市多年平均降水量為560.32 mm。全年60%降水集中在夏季，易出現(xiàn)局部內(nèi)澇，冬季降水少，不足全年的3%。地下水類型主要為淺層地下水、深層承壓水，地下水流向與地表傾斜方向基本一致。聊城市河流密集，水系眾多，坑塘湖泊散布，水域及水利設(shè)施用地483.34 km2，地理位置圖見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

1.2 土地利用數(shù)據(jù)來源

坑塘屬于面積較小的水體，使用低分辨率影像提取信息會(huì)產(chǎn)生信息丟失、邊界破碎等問題。Landsat 8 是美國國家航空航天局和美國地球物理調(diào)查局（USGS）共同開發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，擁有比以前的衛(wèi)星更高的分辨率和更廣泛的應(yīng)用。本研究考慮到坑塘分布散，形狀復(fù)雜等特點(diǎn)，選取分辨率為30 m 的2021年6月云量少于20%的Landsat-8 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)每幅影像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括大氣校正、去云處理、影像融合、鑲嵌裁剪；然后利用聊城市水利志、水利普查、骨干水利工程圖、聊城市1∶10 000 地形圖、野外土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)提取的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，得到聊城市土地利用狀況，如圖2所示。

2 聊城市坑塘特征和空間分布

2.1 坑塘特征分析

根據(jù)校正后的聊城市土地利用狀況，統(tǒng)計(jì)各區(qū)縣坑塘的面積、岸線發(fā)育系數(shù)、距河/湖庫距離等參數(shù)，繪制坑塘特征參數(shù)的分布直方圖、累積頻率，詳見圖3所示。

圖3 坑塘特征參數(shù)分布直方圖和累積頻率圖Fig.3 Histogram and cumulative frequency plot of characteristic parameter distribution in ponds

坑塘面積：坑塘的滯蓄、涵養(yǎng)水源、凈化污水、生境資源能力與其面積大小密切相關(guān)。面積越大，蓄水能力越強(qiáng)，對(duì)抗外界干擾的能力越強(qiáng)，提供水源和棲息地的物質(zhì)和空間的能力也越大，生境資源越豐富，生態(tài)服務(wù)功能也越強(qiáng)。由圖3 可知，聊城坑塘面積中位數(shù)為0.002 95 km2，面積大于0.01 km2以上累積曲線變化趨向平穩(wěn)，表明聊城坑塘面積分布整體比較集中，大于0.01 km2的坑塘較少；在直方圖和累積曲線中，0.03 km2以上坑塘的數(shù)量存在小的突變，主要分布在高唐縣，這表明坑塘面積大的相較于中等面積的坑塘更易被保留下來。

岸線發(fā)育系數(shù)：坑塘岸線長度與面積之比為岸線發(fā)育系數(shù)，反映了岸線彎曲程度與不規(guī)則程度［21］。當(dāng)岸線發(fā)育系數(shù)≈1，坑塘形狀趨近于圓；≈1.25 時(shí)，坑塘形狀趨規(guī)則矩形；岸線發(fā)育系數(shù)≥2 時(shí)為河流型坑塘，岸線曲折度增加，詳見表1。圖3中，聊城坑塘岸線發(fā)育系數(shù)2 以下累積曲線增速快，大于2 累積曲線增速變緩。岸線發(fā)育系數(shù)的中位數(shù)為1.26，表明聊城坑塘形狀比較規(guī)則，岸線發(fā)育系數(shù)介于1～2 之間的坑塘被保留；岸線發(fā)育系數(shù)在2～3的河流型坑塘數(shù)量較少，岸線發(fā)育系數(shù)大于3的坑塘數(shù)量極少，結(jié)合坑塘面積的累積曲線可知，河流型坑塘的岸線曲折度增加，其景觀效應(yīng)增強(qiáng)，提升了區(qū)域旅游價(jià)值而被保留下來。

表1 不同岸線發(fā)育系數(shù)的坑塘形狀Tab.1 Pond shapes with different shoreline development coefficients

距河/湖庫距離：反映了坑塘與主河道/湖庫之間的水力和生態(tài)廊道的連通性。距河/湖庫的距離越小，生物連通性，生物多樣性越高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也越高［22］。距河/湖庫的距離越小，破碎化程度越小，坑塘與大型水體的連接性也越強(qiáng)［23］。圖3 中坑塘距河/湖庫距離中位數(shù)為1 228.17 m，大多處于2 000 m 以內(nèi)，50%的坑塘的距離在1 228.17 m 以下。研究發(fā)現(xiàn)，兩棲類動(dòng)物的遷移距離通常為1 000 m，距離大型水體越近的坑塘，更容易作為兩棲類動(dòng)物的繁殖點(diǎn)［24］。因此，聊城市坑塘距離大型水體的距離大多能夠滿足兩棲類動(dòng)物的遷移。整體上，聊城坑塘距離主河道/湖庫的距離比較近，其蓄水或進(jìn)行水資源的交換成本也越低，更容易發(fā)揮其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

2.2 坑塘周邊土地利用

結(jié)合國家土地資源遙感調(diào)查分類標(biāo)準(zhǔn)［25］和聊城實(shí)際土地資源類別，將聊城坑塘周圍土地利用分為耕地、農(nóng)村居民地、城鎮(zhèn)居民地和林地［26］4種類型，統(tǒng)計(jì)坑塘個(gè)數(shù)、坑塘面積以及不同土地利用類型面積，詳見圖4。由圖4 知，聊城耕地面積占比高達(dá)71.43%，農(nóng)村居民點(diǎn)和林地占比均在12%左右，城鎮(zhèn)居民點(diǎn)所占的比例僅為3.25%。從坑塘數(shù)量上看，63.13%位于耕地，23.53%位于林地，9.7%位于農(nóng)村居民點(diǎn)，位于城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的僅有3.64%。從坑塘面積上看，66.76%位于耕地，占坑塘總面積的2/3，17.93%位于林地，8.3%位于城鎮(zhèn)居民點(diǎn)，7.01%位于農(nóng)村居民點(diǎn)。無論是數(shù)量還是面積，坑塘周邊以耕地為主，其次為林地。城鎮(zhèn)居民點(diǎn)中坑塘數(shù)量占比小于農(nóng)村居民點(diǎn)，但面積占比卻大于農(nóng)村居民點(diǎn)，城鎮(zhèn)居民點(diǎn)所擁有的坑塘面積大于農(nóng)村居民點(diǎn)，也就是說在城鎮(zhèn)居民點(diǎn)的坑塘，面積大的更容易被保留。

各區(qū)縣坑塘個(gè)數(shù)和水面率如圖5。從坑塘數(shù)量上看，各區(qū)縣坑塘的數(shù)量均呈現(xiàn)耕地-林地-農(nóng)村居住用地-城鎮(zhèn)居住用地依次遞減，其中東昌府區(qū)、茌平區(qū)、陽谷縣坑塘位于耕地的數(shù)量最多，其次高唐縣、東阿縣，冠縣、臨清市、莘縣則最少。位于林地的坑塘數(shù)量，除冠縣、臨清市、莘縣在500個(gè)以下，其余區(qū)縣林地坑塘數(shù)均在500～750 個(gè)之間，差異并不明顯。各區(qū)縣位于農(nóng)村居民地和城鎮(zhèn)居民地坑塘個(gè)數(shù)均很少，且區(qū)縣間的差異不明顯。從坑塘水面率上看，高唐縣、陽谷縣的水面率較高；冠縣、莘縣的坑塘水面率較低；其余區(qū)縣坑塘水面率相差不大，均在5%左右。各區(qū)縣坑塘水面率大多遵循林地坑塘水面率（2%左右）＞耕地坑塘水面率（1%左右）＞農(nóng)村居住用地坑塘水面率（＜1%）。城鎮(zhèn)居住用地的坑塘水面率在各區(qū)縣有較大差異，高唐縣、陽谷縣的城鎮(zhèn)居住用地坑塘水面率遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣。

圖5 各區(qū)縣坑塘個(gè)數(shù)、水面率統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistics of the number of ponds and water surface rate in each district and county

2.3 坑塘空間分布特征

核密度估計(jì)法是ArcGIS 中一種計(jì)算空間內(nèi)的點(diǎn)狀或線狀地理空間要素的密度，利用自然間斷法將其分割為幾個(gè)不同值范圍，分析點(diǎn)或線狀要素的空間分布情況的方法［27］。核密度分析方法可以分析聊城市坑塘的空間分布疏密狀態(tài)，得出聊城市坑塘分布集中的地區(qū)。其表達(dá)公式為：

式中：f（x）是閾值范圍內(nèi)的核密度值；h表示密度數(shù)值窗口的指定搜索半徑距離；n為指定空間范圍內(nèi)坑塘的總數(shù)。

聊城市坑塘空間分布及核密度如圖6所示。在空間上，坑塘呈現(xiàn)北多南少、東多西少的分布，形成了6 個(gè)集聚區(qū)域。其中，東昌府區(qū)東北部、東阿縣中部以及高唐縣東北部的坑塘密度達(dá)10 個(gè)/km2，屬熱點(diǎn)區(qū)域，坑塘較多且分布較集中；茌平區(qū)北部、東昌府區(qū)西部與冠縣交界處、陽谷縣東北部坑塘密度在3～8個(gè)/km2，屬次聚集中心；西北部和西南部坑塘數(shù)量少且分散，坑塘密度約為1 個(gè)/km2。聊城坑塘分布與其地勢(shì)、水系分布是一致的，水系多的地方坑塘數(shù)量多。對(duì)比城區(qū)與農(nóng)村的坑塘分布發(fā)現(xiàn)城區(qū)坑塘密度小于農(nóng)村坑塘密度，尤其在東昌府區(qū)中心城區(qū)、東阿縣中心城區(qū)基本無坑塘。

圖6 聊城市坑塘分布圖和核密度圖Fig.6 Nuclear density map of the distribution of pits and ponds in Liaocheng City

3 坑塘重要度評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

坑塘作為典型的景觀要素和重要農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，發(fā)揮著多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)［26］?？犹恋淖陨硖匦院涂臻g分布決定著坑塘的功能?？犹辽鷳B(tài)價(jià)值突出，其重要程度高。在土地資源緊缺條件下，選取生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力大的坑塘，優(yōu)先利用和保護(hù)，才能使得效益最大化。

坑塘特征包括自身形態(tài)和坑塘與周邊的水力聯(lián)系；坑塘形態(tài)可用坑塘面積和岸線發(fā)育系數(shù)描述，這是維持坑塘生態(tài)體系的物質(zhì)基礎(chǔ)，坑塘與周邊的水力聯(lián)系可用距河/湖庫距離表示，反映坑塘與外界水生態(tài)連接程度。坑塘周邊狀況反映陸域系統(tǒng)對(duì)坑塘的影響?？犹撩芏葎t是物種豐富度的重要影響因素之一。因此，從坑塘特征、周邊狀況和空間分布三方面構(gòu)建坑塘重要度指標(biāo)體系，詳見表2。

表2 坑塘重要度指標(biāo)體系Tab.2 Index system of pond importance

3.2 坑塘重要度評(píng)價(jià)

坑塘重要度采用加權(quán)平均法進(jìn)行評(píng)價(jià)，層次分析法確定權(quán)重。層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的主觀賦權(quán)方法，相較其他權(quán)重確定方法，更系統(tǒng)且方便［28］，被廣泛應(yīng)用于多層級(jí)、多因素、難量化的分析決策系統(tǒng)。依據(jù)坑塘重要度指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造成對(duì)判斷矩陣，計(jì)算指標(biāo)層權(quán)向量并滿足一致性檢驗(yàn)后，得到各指標(biāo)層的權(quán)重，詳見表3。將坑塘各指標(biāo)實(shí)測值加權(quán)平均后得到聊城市坑塘重要度統(tǒng)計(jì)表，見表4，用高斯函數(shù)擬合重要度頻率分布，如式（2），其中R2=0.99，做累計(jì)頻率擬合曲線，擬合結(jié)果見圖7。

表3 判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix

表4 坑塘重要度統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Table for importance rating of ponds

圖7 坑塘重要度得分頻率圖和空間分布圖Fig.7 Frequency and spatial distribution of pond importance scores

由表4、圖7 可知，大多數(shù)坑塘得分位于中間分段（4～5 分），且分別向左右兩側(cè)逐漸均勻下降，3.87 分以下的坑塘占10%，50%的坑塘重要度在4.61 分以下。從空間上看，聊城市坑塘重要度呈現(xiàn)北高南低，東高西低的趨勢(shì)，得分高的坑塘主要位于聊城市中部和北部，與坑塘分布規(guī)律大體一致。從區(qū)、縣層面上看，重要度得分高的坑塘位于東昌府區(qū)的最多，其次是茌平區(qū)、陽谷縣、高唐縣和臨清市，少量分布于東阿縣、冠縣和莘縣。坑塘重要度得分越高，說明該坑塘無論是從自身特性還是所處空間，都具有更大潛力，可將此類坑塘作為坑塘網(wǎng)絡(luò)的核心優(yōu)先考慮，發(fā)揮其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

3.3 坑塘利用策略

在國土資源開發(fā)和利用規(guī)劃時(shí)，可結(jié)合坑塘形態(tài)和空間分布和坑塘的重要度，確定其功能規(guī)劃和利用策略。由于大多數(shù)坑塘重要度評(píng)分大于4，僅10%坑塘低于3.87，為最大程度的保留坑塘系統(tǒng)，以累計(jì)頻率＞10%為坑塘分界點(diǎn)。

當(dāng)坑塘重要度大于3.87，具有重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力，是坑塘治理保護(hù)的重點(diǎn)，不得棄置或非法占用；對(duì)其開發(fā)利用時(shí)需結(jié)合坑塘形態(tài)特征及其空間分布來確定。面積大、形狀規(guī)整的坑塘可成為標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖坑塘，結(jié)合聊城市特色，投放大宗淡水魚等水產(chǎn)進(jìn)行養(yǎng)殖，也可以與種植蓮藕相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生態(tài)互補(bǔ)塘。岸線發(fā)育系數(shù)大的坑塘形狀更加多樣化，在城區(qū)可以承擔(dān)景觀游憩功能，營造有設(shè)計(jì)性的水景觀。距離河流湖泊近、面積大且形狀規(guī)整的坑塘，在農(nóng)村可以承擔(dān)農(nóng)業(yè)灌溉功能，在居民區(qū)可以承擔(dān)生活用水功能。

當(dāng)坑塘重要度小于3.87，對(duì)其開發(fā)利用時(shí)需結(jié)合坑塘空間分布來確定。在東北部高坑塘密度區(qū)域，由于經(jīng)濟(jì)和城鎮(zhèn)發(fā)展需要可結(jié)合全域土地綜合整治進(jìn)行生態(tài)復(fù)墾，在農(nóng)村可改造為農(nóng)村耕地，在城市可進(jìn)行填埋用于城市建設(shè)；但在西南部低坑塘密度區(qū)域，則盡量作為儲(chǔ)水塘、灌溉塘等保留。

4 結(jié)論

研究分析了聊城市坑塘特性和分布，評(píng)價(jià)其重要性，結(jié)論如下。

（1）聊城坑塘面積分布整體比較集中，大部分在0.01 km2以下；坑塘岸線發(fā)育系數(shù)中位數(shù)為1.26，形狀較規(guī)則，接近矩形；50%的坑塘距離主河道/湖泊水庫的距離在1 228.17 m 以內(nèi)，有利于兩棲動(dòng)物遷移，更容易發(fā)揮其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

（2）耕地周圍的坑塘在數(shù)量（63.13%）和面積（66.76%）上都遠(yuǎn)大于其他用地類型。各區(qū)縣坑塘個(gè)數(shù)均按照耕地-林地-農(nóng)村居住用地-城鎮(zhèn)居住用地遞減。高唐縣、陽谷縣的城鎮(zhèn)居住用地坑塘水面率遠(yuǎn)高于其他區(qū)縣。

（3）聊城市坑塘總體分布情況為北多南少、東多西少。主要集聚中心東昌府區(qū)東北部、東阿縣中部以及高唐縣東北部的坑塘密度達(dá)10 個(gè)/km2；次要的聚集中心在茌平區(qū)北部、東昌府區(qū)西部和陽谷縣東北部，聊城坑塘分布與其水系分布是一致的。

（4）聊城市坑塘重要度得分分布呈現(xiàn)北高南低，東高西低的趨勢(shì)；分布符合高斯函數(shù)分布，重要度得分高的坑塘位于東昌府區(qū)的最多。對(duì)重要度得分＞3.87 的坑塘，結(jié)合坑塘形態(tài)和空間分布進(jìn)行利用；對(duì)于重要度得分低的坑塘，可結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋鼐C合整治規(guī)劃進(jìn)行坑塘生態(tài)復(fù)墾。

研究中未考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口分布等影響；社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展會(huì)對(duì)坑塘分布狀況產(chǎn)生影響，在今后的研究中可選擇不同發(fā)展階段，開展坑塘重要度研究。