河北宽城传统板栗(Castanea mollissima)栽培系统景观特征及演变

时间：2024-05-23

陈继龙，刘洋，闵庆文，杨伦，刘某承，张文林，刘荣高

(1.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101；2.中国科学院大学，北京 100049；3.宽城满族自治县农业农村局，河北宽城 067600)

农业文化遗产是农村与其所处环境长期协同进化和动态适应下所形成的独特的土地利用系统和农业景观，这种系统与景观具有丰富的生物多样性, 可以满足当地社会经济与文化发展的需要, 有利于促进区域可持续发展[1-3]。农业景观是农业文化遗产的重要组成部分，承载了遗产地粮食生产功能，并提供了多样化的生态系统服务以及满足当地居民的生活需求[4-5]。研究农业文化遗产的景观特征和演变，能够加深对遗产地各景观要素的空间结构和时间演化的理解，有助于农业文化遗产的保护和可持续发展[6]。

农业文化遗产景观研究主要从景观资源现状调查及禀赋评价[7]和景观生态格局分析[8]两个方面进行。景观资源现状调查及禀赋评价通过文献综述、实地调研、政策资料审查等方式，从自然科学、社会经济、历史文化角度研究农业景观的资源状况，包括植物生产力、土壤肥力、微量气体排放、生物多样性、土地质量等，并研究其历史文化价值、保护与发展等[9-12]。景观生态格局分析采用遥感、地理信息系统、景观生态学等多种技术方法，重点关注农业文化遗产景观的景观结构、演变特征及其影响因素和效应[13-14]。例如胡伟芳等[15]使用国土资源调查土地利用数据结合景观生态原理和方法,刻画了联合梯田的景观空间格局和资源现状。WEI等[16]利用多年Landsat卫星影像分析了庆元香菇文化系统的景观现状、结构、特征以及景观类型演变规律及驱动要素。也有学者通过利用时间序列遥感数据和高分辨率土地利用数据模拟不同情景下景观变化的生态效应和农业土地管理模式[17]。然而，这些研究多从土地利用或景观格局指数的角度出发开展景观现状研究，较少关注景观要素变化对区域植被整体状况的影响[18]。卫星遥感能够获取地表大范围长时间序列的动态观测, 是景观状况和地表动态监测的重要手段[19]，为研究农业文化遗产系统的景观格局及其特征、景观要素变化及其对区域植被整体状况的贡献提供了可能。

河北省宽城满族自治县板栗(Castaneamollissima)栽培历史悠久，据考证至今已有3 000多 a[20]。宽城居民利用当地特有的自然环境和悠久的栽培历史，不断完善板栗栽培技术体系，在板栗生产加工的同时实现了板栗的可持续经营和水土资源保护，形成了以板栗栽培为核心，以森林为主体，林下产业、板栗文化和地方民俗等特色综合发展的农业文化遗产系统。全县百年以上树龄的板栗树达到10万余株，现存最老的板栗树树龄达700余a, 被称为“中国板栗之王”[21]。当地板栗品质优良，有着“东方之珠”的称号[22]。2014年河北宽城传统板栗栽培系统入选中国重要农业文化遗产，2019年入选全球重要农业文化遗产系统候选名录[23]。

该文综合采用Landsat土地利用分类结果、MODIS卫星数据、林业统计数据和实地调研数据，分析了河北宽城传统板栗栽培系统遗产地的景观分布现状、结构及其特征，研究了遗产系统内板栗林景观的演变特征及其对森林覆盖和区域植被绿度的贡献，可为宽城传统板栗栽培系统的保护、传承和可持续发展提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河北宽城传统板栗栽培系统遗产地(以下简称“遗产地”)位于河北省东北部(图1)，在北纬40°17′～40°45′，东经118°10′～118°50′之间，涵盖宽城满族自治县西部的碾子峪镇、松岭镇、铧尖乡、桲罗台镇、宽城镇和塌山乡6个乡镇，总面积547.22 km2，人口17.78万。该地隶属于燕山山脉东南段，主要为山地地貌，包括中山、低山、河谷等类型，海拔介于114～1 250 m，坡度最大达60.48°。遗产地为暖温带半干旱半湿润季风性气候区，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温9.4 ℃，全年高于10 ℃ 的积温3 600 ℃，年均降水量618 mm。

图1 宽城传统板栗栽培系统地理位置和高程

1.2 数据来源

1.2.1土地利用数据

采用基于Landsat 8的宽城土地利用分类结果分析遗产地的景观分布与格局[19]。该数据空间分辨率为30 m，时间为2018年，包含了板栗林、落叶林(不包含板栗林)、常绿林、农田、建设用地和水域6种景观类型。采用MODIS季节序列光谱观测选择板栗林分类的关键物候期，并基于对应时期的Landsat影像提取了板栗林与其他地类高区分度分类特征，包括1、6和9月的Landsat蓝(Blue)、绿(Green)、红(Red)、近红外(NIR)和短波红外(SWIR1)波段反射率以及比值短波红外指数(RSI)、归一化差值植被指数(NDVI)、归一化差异指数(NDI)、归一化水体指数(NDWI)和比值植被指数(RVI)。通过目视解译Google Earth亚米级高分辨率影像和实地调研共选取宽城县6种景观类型的典型样本14 237个，随机选取10 982个样本用于训练支持向量机分类器并完成分类，剩余的 3 255个像元作为独立验证样本用于分类精度验证。相对于验证样本，该数据板栗林的制图精度和用户精度分别为89.90%和89.71%，总体精度达94.75%，Kappa系数为0.94(表1)。与2018年宽城林业局板栗林面积统计数据相比，精度可达93.45%。

表1 2018年宽城不同景观类型遥感分类精度

1.2.2森林覆盖度及植被指数数据

采用2000—2020年的森林覆盖度和归一化差值植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)分析遗产地森林覆盖及植被绿度变化。森林覆盖度数据是基于MODIS地表反射率自主生成的全球森林覆盖度数据集(GLOBMAP Fractional Tree Cover)[24]，覆盖全球2000—2020年，时空分辨率为250 m·a-1。该数据根据木本植被和禾本植被光谱季节曲线的形状差别，基于MODIS时间序列地表反射率提取了9个高区分度特征。采用全球25～30 m分辨率的森林覆盖产品GlobeLand 30和PALSAR FNF生成250 m亚像元训练样本并训练神经网络，然后将训练好的神经网络应用于MODIS地表反射率生成全球森林覆盖度产品。与1 140个Google Earth高分辨率影像目视解译结果验证，R2为0.93，RMSE和MAE分别为11.78% 和7.39%。另外，基于MODIS地表反射率数据生成了2000—2020年每8 d 500 m分辨率的NDVI数据，进行了精确的云检测和时间序列插值，数据时空完整，可重建当地植被的季节和年际曲线。通过年最大合成获得了每年的最大NDVI数据，来表征遗产地植被绿度。

1.2.3DEM数据

采用ASTER GDEM V2数字高程数据分析遗产地景观要素分布的海拔和地形特征，数据空间分辨率为30 m，下载自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn/)。

1.2.4统计数据

采用宽城林业局提供的2009和2016年2期各乡镇森林分树种统计数据分析当地森林变化状况，数据包括油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)等生态树种和板栗、苹果(Malusdomestica)、梨(Pyrus)等经济树种2大类型，涵盖了遗产地的主要森林类型。

1.3 研究方法

1.3.1实地调研

于2018年9月25至27日对遗产地进行实地调研，重点考察了宽城镇、碾子峪镇等遗产地代表性区域。通过野外调研、典型景观定位、与专家和当地村民交流等方式对遗产地进行调研，记录了遗产地内的景观类型、特征及结构。当地主要景观类型包括板栗林，蒙古栎(Quercusmongolica)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、杨树(Populus)、桦树(Betula)、榆树(Ulmuspumila)和柳树(Salix)等其他落叶阔叶林、以油松为代表的人工针叶林、农田、建设用地和水域6类。各景观类型沿海拔规律性分布，呈现明显的垂直空间结构，在板栗林内部形成了农作物、药材、菌类、家禽等多样化的林下复合农业景观。

1.3.2景观分布及格局分析

从宽城全县的Landsat土地利用分类结果中提取遗产地内的土地利用图进行景观分布及格局分析。通过绘制分类结果图直观地呈现板栗林、落叶林、常绿林、农田、建设用地和水域 6大景观要素的空间分布。统计不同景观要素的面积及占比，分析优势景观。结合数字高程数据分析不同景观的空间结构特征，并提取不同要素的海拔和坡度，定量表征景观要素分布格局。

1.3.3景观格局指数计算

采用景观格局指数描述遗产地的景观格局特征[25]。基于Landsat土地利用数据，利用Fragstats软件计算遗产地景观格局指数，分析各类景观要素的数量形状、破碎化和规则程度以及延展趋势等，并揭示遗产地板栗栽培系统景观的空间特征。选取8个常用的景观格局指数[26]，包括景观类型和整体景观2个层次[27]。景观类型层面的有斑块密度(PD)、斑块破碎度指数(SPLIT)、平均斑块面积(MPS)、景观形状指数(LSI)和最大斑块面积指数(LPI)，用来表征景观要素的破碎化、集聚程度、斑块形状以及优势景观；整体景观层面的有香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)和蔓延度指数(CONTAG)，分别表征景观的异质性、多样性和团聚程度。

1.3.4景观演变分析

通过整合宽城林业局提供的2009和2016年森林分树种统计数据，分析遗产地森林和板栗林2大景观要素的面积变化。将生态树种和经济树种面积之和作为森林面积，计算板栗、苹果、梨、山楂(Crataeguspinnatifida)等经济树种总面积为果园面积，分析这8 a间遗产地森林和板栗林景观的演变。并利用基于MODIS数据得到2000—2020年森林覆盖度及NDVI数据，逐像元计算遗产地森林覆盖度及植被绿度线性变化斜率，评估遗产地森林覆盖度及植被绿度的变化特征。

2 结果与分析

2.1 景观分布现状

2018年Landsat 8遥感影像分类结果(图2)显示，河北宽城传统板栗栽培系统遗产地内主要有板栗林、落叶林、常绿林、农田、建设用地和水域6类景观。区内森林资源丰富，总森林覆盖度高达84.72%。其中以落叶林为主的森林是优势景观类型，广泛分布于遗产地内，总面积达277.57 km2，占遗产地总面积的50.72%。遗产地板栗林栽培规模大，面积达151.60 km2，分别占森林和遗产地总面积的32.70%和27.70%，在长城沿线的铧尖乡、松岭、碾子峪和桲罗台镇分布最为密集。根据实地调研，板栗林树龄结构配置合理，按照产量可分为产前、初产、盛产和衰产4种类型，其中盛产板栗林占主导地位。遗产地内常绿林分布相对板栗林和其他落叶林较少，总面积34.44 km2，占遗产地总面积的6.29%。常绿林以人工种植的油松为主，多分布于海拔较高的山顶和坡度较大的阴坡区域。农田、建设用地和水域3类非森林景观总面积达83.62 km2，占遗产系统总面积的15.28%。建设用地是主要的非森林景观类型，分布在遗产地的中部，面积达36.56 km2，占遗产地总面积的6.68%，包括城镇、村庄、交通用地等。农田多沿山谷分布，面积达24.32 km2，占遗产区面积的4.44%，包括水田、旱地和水浇地3大类型。遗产地水域较丰富，包括瀑河、滦河和长河等河流、零散分布的水库和坑塘，面积达22.74 km2，占遗产系统总面积的4.15%。

图2 2018年遗产系统和宽城县土地利用类型

2.2 景观格局及其特征

2.2.1宏观景观空间结构

遗产地内地势起伏大，随着海拔高度的变化，遗产系统沿山顶到河谷形成了“林地-板栗林-农田-村落-水域”依次分布的山地景观空间结构(图3)。这里的“林地”指的是除板栗林之外的落叶阔叶林和常绿针叶林。山坡上部土层较薄，肥力低，水分条件差，分布着以槲树(Quercusdentata)、蒙古栎为主要建群种的天然次生林和人工种植的油松林，发挥水土保持及水源涵养作用，平均海拔分别为530.58和445.94 m，坡度分别为19.67°和18.74°(表2)。山坡的中下部土层深厚、肥沃且水分条件较好，区内村民通过修筑石砌坎壁和土壁梯田开发坡地空间，栽植以板栗林为主，苹果、枣(Ziziphus)、山楂等为辅的果树，平均海拔414.45 m，坡度11.88°，最高可至海拔大于1 100 m、坡度大于25°的区域。山下的沟谷地带地形平坦，土壤深厚，水肥条件最好，用来种植玉米(Zeamays)、大豆(Glycinemax)、谷子(Setariaitalica)等粮食作物。同时，在沟谷修建水库、池塘以汇集山坡来水，调蓄水流，为板栗林、农田灌溉和生活用水提供水源。水域、村落和农田的平均海拔分别为223.56 、343.42 和359.06 m，平均坡度分别为7.31°、7.69°和8.60°。

图3 遗产系统宏观空间景观结构

2.2.2板栗林复合农业景观

遗产地大力栽培板栗树，逐渐形成了以板栗栽培为核心，林下作物、药材、家禽等多样化复合农业系统，为全球半干旱半湿润山地生态农业景观。主要包括4种复合农业景观(图4)：(1)板栗林-农作物间作复合景观。林下间作的玉米、大豆、红豆(Vignaangularis)、大葱(Alliumfistulosum)、萝卜(Raphanussativus)、窝瓜(Sechiumedule)等农作物，填补了林下生态位，实现空间资源及林分环境的充分利用。(2)板栗林下菌类养殖复合景观。养殖栗蘑(Grifolafrondosa)等菌类，充分利用板栗修剪下的枝条作为生长的基质，基质利用完后又作为有机肥增加板栗林的土壤肥力。(3)板栗林下家禽饲养复合景观。鸡、鹅、兔等家禽以板栗林中的昆虫和枯枝落叶为食，其粪便也可作为有机肥培肥土壤。(4)板栗林下药材种植复合景观。种植黄芩(Scutellariabaicalensis)等中药材，用来保持水土和涵养水源。

表2 遗产系统景观类型海拔和坡度分布

2.2.3景观指数特征

实地调研和景观指数结果(表3)显示，板栗林栽培区域形状复杂且栽培较为集中，景观形状指数最大，平均斑块面积、最大斑块和斑块破碎度指数值相对其他景观类型居于中间水平。遗产系统内落叶林分布广泛且聚集程度高，最大斑块指数最大，景观破碎度指数最小，最大斑块指数仅次于水域。常绿林和农田2种景观类型呈小斑块状离散分布，破碎程度高，斑块密度、景观破碎度指数高居前2，平均斑块面积和最大斑块指数相反，景观形状指数仅次于最大的板栗林。建设用地分布较为集中且规整，斑块密度、景观形状指数较小，斑块平均面积和最大斑块指数值居于中间。大部分水域集中分布，其他坑塘水域形状接近正方形，斑块密度和景观形状指数最小，最大斑块指数最大。总体而言，遗产系统内多种景观要素密集，整体景观分布较为破碎，不同景观类型局部连通度较好，香农多样性指数、香农均匀度指数和蔓延度指数分别为1.33、0.74和43.99。

表3 遗产地景观指数结果

遗产系统内森林增加在空间上与板栗林分布较为吻合，主要分布在遗产地北部塌山乡和宽城镇2个乡镇，增长率超过2% ·a-1，桲罗台镇北部和铧尖乡南部的森林也有少量增加，碾子峪镇和松岭镇部分区域森林有所减少(图5)。随着森林的增加，2000—2020年间年最大NDVI总体上也呈现增加趋势，增加区域零碎地分布在北部的塌山乡和宽城镇2个区域，指示遗产地在变绿。

2.3 森林景观演变特征

GLOBMAP森林覆盖度产品显示，2000年以来遗产地森林覆盖度增加明显，林冠总面积增速达8.18 km2·a-1(P<0.01，图5)。

图4 板栗林下复合种植结构

图5 2000—2020年遗产地森林覆盖度和年最大NDVI变化

宽城林业局森林分树种统计数据(图6)显示，2009—2016年遗产系统内森林面积由311.91增加至367.36 km2，增加了17.78%(55.45 km2)。其中面积增加最为显著的是板栗林，由76.13扩张到122.31 km2，扩大了60.66%(46.18 km2)。油松和板栗外的其他果树面积略有下降，分别由32.95和10.47 km2缩减为30.16和7.94 km2。其他森林面积略有扩大，由192.36增加为206.95 km2。2009—2016年板栗林增长面积达到了森林增长总面积的83.28%，这说明板栗林在遗产地的景观优势度显著提升，并为区域植被绿度增长做出了贡献。

图6 2009和2016年遗产地板栗林及其他森林面积变化

3 讨论与结论

3.1 讨论

研究基于多源卫星数据和林业局统计数据获得了河北宽城传统板栗栽培系统景观的分布和空间结构，分析了板栗林景观的变化及其对当地森林覆盖和植被绿度变化的贡献，有助于深入理解遗产地景观特征及其效应。研究发现，板栗栽培系统具有“林地-板栗林-农田-村落-水域”依次分布的宏观景观结构以及板栗林与农作物、菌类、家禽和药材等多样化的林下间作复合农业景观结构，这具有明显的生态合理性，不仅扩展了山区有限的水土资源，也减少了板栗树病虫害、培肥地力，有利于维持板栗栽培系统的生物学稳定性、抵抗力稳定性和功能稳定性[28]。此外，板栗林景观优势度持续提升，截至2018年，板栗林面积占遗产地面积的27.70%，在提高遗产系统森林覆盖度中发挥着重要作用，对区域植被绿度增加具有突出贡献。板栗林面积的增长得益于当地政府出台的扶持政策和技术的进步，也与当地适宜的气候和土壤环境密不可分。增加的板栗林不仅有助于提高农民的经济收入，同时增加了河北宽城传统板栗栽培系统景观的稳定性。

研究采用了Landsat、MODIS卫星遥感数据和林业局统计数据等多源数据。Landsat土地利用数据已被证明具有良好的分类精度[19]，能够合理表征遗产地的景观要素分布现状及其格局特征。MODIS森林覆盖度数据和植被指数(NDVI)数据用于遗产地森林覆盖变化和绿度变化分析，该数据覆盖2000—2020年，时空完整，年际序列稳定，能够表征遗产地的植被变化[24]。林业局统计数据为宽城县2009和2016年2期的森林数据，记录了遗产地内所有乡镇不同树种的面积，提供了高精度、分树种的详细森林数据，有助于得到遗产地精细的板栗林和森林变化信息。这些数据能够从不同角度刻画板栗栽培系统景观的分布格局、结构特征和核心景观要素的变化及其对遗产地森林增长和植被绿度的贡献。虽然不同数据的来源、分辨率、时相不同，但各种数据相互印证，共同证实了遗产地板栗林和森林增长的趋势。

研究区板栗栽培系统为高度的人工干预景观，不同间作模式和林龄大小会导致板栗林光谱特征存在差异，这增加了遥感提取的不确定性。目前仅提取了遗产地2018年土地利用分布数据，不同时期的分类需要分别获得训练样本来提高精度，而早期土地利用类型训练样本的缺乏也给景观时间序列演变研究带来挑战。另外，Landsat 30 m分辨率的遥感数据难以表征林下间作等微观的景观特征，使得板栗林下复合间作等景观难以量化，未来更高时空分辨率的卫星观测、历史影响高质量处理等将有助于提高遗产地板栗栽培系统景观的精细动态监测，开展实地调研将能够更好地表征微观景观特征。