遗产灌溉网络与乡村土地利用的长期协同演化：以里运河—高邮灌区为例

《Land》：Canals in Transition: Long-Term Co-Evolution of Heritage Irrigation Networks and Rural Land Use

　　

： 遗产灌溉系统网络（heritage irrigation system network, HISN）是长期存续的空间基础设施，持续塑造着乡村土地利用、聚落与生态空间。在灌溉现代化、乡村发展与遗产保护的共同影响下，理解遗产灌溉网络与乡村土地利用的长期协同演化，对于活态灌溉景观的可持续管理具有重要意义。本研究以世界灌溉工程遗产（World Heritage Irrigation Structures, WHIS）里运河—高邮灌区为对象，利用1970年、2002年和2025年三个时间断面开展分析。研究结果揭示了从水网适应到工程化重构、再到现代复合重组的三个阶段转型。渠系网络由密集的树枝状构型向以干渠为主导的规则网格状结构演变，而乡村土地利用与人类聚落则向集生产、生活、生态功能于一体的多功能系统转变。两个系统之间的关系在四象限变化类型和耦合协调状态上均呈现出明显的阶段特异性变化。尽管2025年调整状态仍占主导（72.4%），但耦合协调度总体上升，拮抗状态显著减少。研究结果表明，HISN的空间转型与乡村聚落空间结构在1970—2002年和2002—2025年两个时段之间存在明显的阶段差异，并伴随耦合协调状态的显著空间异质性与转移特征。在预设评价框架内，干渠密度与渠系连通性的变化在两个阶段均表现出相对较高的模型贡献度，而距城市边界距离变化和渠路交叉强度变化则与耦合协调度变化表现出较强的模型关联。这些发现表明，灌溉网络的转型与乡村土地利用的长期重组密切相关，并提示活态WHIS的可持续管理应将灌溉网络保护与乡村土地利用转型、基础设施建设和生态管理相结合。

论文解读

一、研究背景与问题提出

遗产灌溉工程（heritage irrigation structures, HIS）由国际灌溉排水委员会（International Commission on Irrigation and Drainage, ICID）提出，旨在识别和弘扬古代灌溉系统的历史价值及其对农业文明的贡献。与联合国教科文组织世界遗产名录不同，该计划更强调灌溉工程的历史与文明贡献。被列入HIS的工程不仅是一组水工建筑物，更是由干渠、支渠和闸涵节点构成的综合性遗产网络系统，并在当代景观中持续发挥功能。作为长期存续的空间基础设施，灌溉网络在漫长历史时期中深刻组织着农业土地利用、乡村聚落和水—地关系。然而，现有研究多聚焦于单个水工结构、代表性设施或特定灌溉技术，对由渠道、河流和水工节点构成的遗产灌溉系统网络（heritage irrigation system network, HISN）关注不足。在空间尺度上，HIS常被视为离散的遗产点或文化符号，而非具有空间组织能力、历史延续性和区域整合性的流域尺度网络系统。与此同时，乡村聚落空间结构研究虽已形成较为成熟的评价框架，尤其是生产—生活—生态（production-living-ecological, PLE）视角，但此类研究通常以行政村、县域或单一聚落为尺度，对流域尺度系统特别是由工程化灌溉景观塑造的区域关注有限。因此，历史基础设施网络在塑造乡村空间演化中的长期作用尚未得到充分探讨，HISN与乡村聚落空间结构之间的长期互动机理缺乏系统的定量分析。基于此，本研究以里运河—高邮灌区这一世界灌溉工程遗产（World Heritage Irrigation Structures, WHIS）为对象，将其视为具有历史延续性和现实功能关联的活态遗产灌溉系统区域（heritage irrigation system area, HISA），利用历史地理信息系统和多源时空数据，选取1970年、2002年和2025年三个关键时间断面，重建HISN与乡村聚落空间结构的空间格局，并构建综合评价框架，结合年变化率（Annual Change Rate, ACR）分析、耦合协调模型和空间统计方法，识别两个系统在不同历史阶段的时空变化特征与耦合关系，以期推动HIS研究从单一结构阐释走向系统层面理解，从静态价值评估走向动态过程解释。

二、研究设计与技术方法

研究人员以里运河—高邮灌区主灌区为研究区域，剔除城市建成区后核心研究区约608 km2，采用500 m网格作为基本空间分析单元。研究首先通过文献综述和理论综合初步识别12个评价指标，采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）确定指标权重，并利用跨时期共同归一化方法保证时间可比性，加权聚合得到HISN特征综合指数和乡村聚落空间结构综合指数。在此基础上，研究人员计算耦合协调度并将状态划分为拮抗、调整和协调三类，采用桑基图和局部空间关联指标（Local Indicators of Spatial Association, LISA）刻画耦合协调的时空转移与空间集聚特征。研究人员分别计算1970—2002年和2002—2025年的ACR，构建四象限变化类型分析，识别两个子系统增减组合及其转移。最后，研究人员采用XGBoost回归结合SHapley Additive exPlanations（SHAP）方法，在两层分析中分别考察12个构成指标变化和4个独立空间过程变量与耦合协调度变化（ΔD）的模型关联。数据来源方面，1970年影像来自USGS Keyhole历史卫星档案，2002年和2025年影像来自天地图，土地利用分类结合中国科学院空天信息创新研究院30 m土地覆盖数据集进行人工校正。

三、研究结果

3.1 土地利用变化分析

研究人员通过提取同一地块内不同土地利用类型的景观纹理格局并构建桑基图，量化了土地利用类型间的转移动态。1970年，自流灌溉系统基本建成，渠系呈现密集树枝状构型，耕地主导景观，聚落斑块小而分散，道路依附于主要渠道。2002年，渠道硬化工程显著重塑水文网络，渠系趋向规则网格结构，支渠密度降低，干渠主导地位增强，水产养殖塘和少量工业用地开始出现。2025年，渠系演化为以干渠为主导的规则网格结构，耕地比例显著下降，工业用地和养殖塘大幅扩张并趋于连片，聚落大规模扩展，道路网络形成更完整的网格结构，水域和湿地规模扩大并呈现部分空间连通。总体而言，灌区空间格局与渠道硬化和灌溉现代化同步发生显著变化，灌溉网络与生产、生活、生态空间呈现同步重组。

3.2 HISN特征与乡村聚落空间结构评价结果

HISN特征综合指数呈先降后升趋势，区域综合指数从1970年的0.186降至2002年的0.145，2025年回升至0.173。空间聚类程度先增强后略有减弱，全局莫兰指数从1970年的0.557升至2002年的0.642，2025年降至0.598，南北差异持续缩小。乡村聚落空间结构综合指数同样呈U形趋势，从1970年的0.140降至2002年的0.133，2025年回升至0.137；空间聚类呈倒U形，全局莫兰指数从0.440升至0.497峰值后降至0.474。

3.3 HISN特征与乡村聚落空间结构的时空变化格局

1970—2002年阶段以HISN下降—乡村上升型和双下降型为主导，南部区域主要表现为这两种类型交织分布。2002—2025年阶段，双上升型和HISN上升—乡村下降型比例大幅增加并成为主导模式，双下降型比例显著减少，南部许多原为双下降型的网格转向双上升型和HISN上升—乡村下降型，HISN上升—乡村下降型在灌区中部呈现斑块状聚集。

3.4 耦合协调的时空演化

1970年调整状态约占70%，低值区散布于HISA北部边缘。2002年耦合协调度总体上升，调整状态达到三个时期最高比例约75%。2025年耦合协调度进一步上升，拮抗状态减少，调整状态仍占主导约72.4%，协调状态部分增加，低值区收缩，中高值区形成更广泛的连续集聚。LISA分析显示，空间聚类从局部差异化向区域集聚转变，高—高集聚从南部扩展至整个HISA，低—低集聚连续性增强，空间异常值数量减少。

3.5 构成指标变化的模型贡献与敏感性

第一阶段（1970—2002）XGBoost模型表现较强（R2=0.892，RMSE=0.033），干渠密度和渠系连通性变化的平均绝对SHAP值最高，支渠密度、道路密度和聚落密度次之。第二阶段（2002—2025）模型表现略低（R2=0.768，RMSE=0.029），干渠密度和渠系连通性仍居前两位，道路密度升至第三位，耕地比例相对重要性上升，支渠密度从第三位降至第六位。两个阶段中干渠密度和渠系连通性始终保持主导贡献，支渠密度、道路密度和耕地比例呈现阶段特异性变化。

3.6 独立空间过程变量的关联模式

第一阶段独立空间过程模型R2=0.191，距城市边界距离变化具有最强模型关联，渠路交叉强度变化呈较稳定的正向关联，聚落紧凑度变化总体正向但非线性，土地利用转移强度关联较弱。第二阶段模型R2=0.160，距城市边界距离变化和渠路交叉强度变化仍保持较强关联，土地利用转移强度排名上升，聚落紧凑度变化降至末位并呈现总体负向关联。

四、讨论与结论

讨论部分指出，1970—2025年间HISN特征与乡村聚落空间结构并非作为两个独立空间系统演化，而是在长期人地互动中持续进行结构适应和功能重组，经历了从传统水网适应到工程化重构、再到现代复合重组的阶段性转型。1970—2002年表现为异步调整过程，2002—2025年双上升型显著增加，但耦合关系仍以调整状态为主导，完全协调状态尚未成为主流格局。研究强调，HISN的结构完整性和连通性是维持两个系统协调的重要基础，交通网络扩展改变了传统以水网为依托的乡村空间组织，治理理念转变则为遗产保护与乡村发展的协调提供了制度支撑。研究结论指出，里运河—高邮灌区的HISN与乡村土地利用和聚落格局实现了从传统水网适应到工程化重构、再到现代复合重组的协同演化；两个系统的长期协同关系在时间上从明显的阶段分化转向更高的耦合协调值，在空间上从局部差异化转向区域集聚；耦合格局的演化与水利工程建设、道路和聚落扩展、土地利用转型、生态治理和遗产保护政策等多重过程相关；作为活态HIS，里运河—高邮灌区不应被理解为孤立水工结构的集合，而应视为HISN与乡村聚落空间结构之间的整合关系，未来管理应优先保障渠网完整性和连通性，协调道路发展、聚落更新、农业转型、养殖调控和生态修复，推动活态HIS保护从静态保护转向灌溉网络与乡村土地系统的整合性适应性治理。