农用地整理对区域景观动态与生态风险影响研究——以福建省建溪流域为例

钟莉娜，王 军，白中科，陈艳华，董占杰

（1.天津财经大学商学院，天津 300222；2.国土资源部土地整治中心土地整治重点实验室，北京100035； 3.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；4. 福建省土地开发整理中心，福建福州 350001）

1 引言

土地整治是世界上许多国家解决经济社会发展过程中土地利用问题、调整土地利用结构、布局及人地关系的重要手段和措施[1-4]。2000—2015年，中国通过土地整治补充耕地7000多万亩，按平均5%的新增耕地率计算，全国累计有将近10%的国土面积被整治[5]。作为土地整治的重要内容之一，农用地整理是指在以耕地为主的区域，通过实施土地平整、田间道路、农田防护与生态保持、灌溉排水等一系列农用地整理工程，对田水路林村进行综合治理，增加有效耕地面积、提高耕地质量、改善农业生产条件和生态环境的活动[6]。农用地整理在带来粮食增产和农民增收积极效益的同时也会显著改变土地利用和景观格局，进而影响生态系统及其风险程度。

农用地整理对景观动态的影响一直是国内外学者研究的重点[7-10]，在此基础上，进一步探究农用地整理对生态系统稳定和生态风险评价研究日益成为政府部门、科研学者关注的热点。已有研究表明，农用地整理对整理区的景观格局影响显著[11-12]，农用地整理形成了景观大斑块，降低了项目区的景观多样性[13]。农用地整理引起的景观斑块、格局等景观动态变化会进一步影响区域的物质循环和能量、信息流动等生态过程，从而可能导致诸多生态风险。农用地整理的风险包括经济、社会、技术、管理和生态风险，生态风险是其他风险的集中体现也是潜在长期的风险[14]。国内外学者在生态风险评价领域取得了诸多成果[15-19]，为开展农用地整理与生态风险研究打下了良好基础。实际上，土地平整工程、田间道路工程、农田水利工程和水土保持及防护林工程等每一种农用地整理工程类型的实施都是一种风险源，释放不同的生态压力，引起土壤资源、水资源、生物多样性等多方面的生态风险响应。另外，由于无法剔除城市化等其他因素对景观动态和生态风险的影响，农用地整理对景观格局和生态风险影响的研究大多集中在项目区等小尺度[20-24]，本文采用单一变量法，实现了大中尺度上农用地整理对景观格局和生态风险影响的研究，对促进区域农用地整理工程的实施和土地可持续利用具有重要的科学意义。

本文以福建省建溪流域为研究对象，采用单一变量法、景观格局指数、生态风险指数等方法分析了流域内约1 000个农用地整理工程项目区对区域景观格局的影响及其产生的生态风险，对进一步深入研究农用地整理的生态效应具有推动作用。

2 研究区域与数据来源

建溪流域面积1.65×106hm2，位于闽江流域上游、福建省南平市辖区内，包括南平市的武夷山、浦城、松溪、建阳、政和和建瓯等县市，北纬26°38′～28°20′，东经117°30′～119°18′之间（图1），占南平市面积的63.12%。该区属亚热带季风湿润气候，气候温和，雨量充沛，境内常年平均气温17℃～19℃，日照1 700～2 000小时，无霜期250～300天，年平均降水量1 684～1 780 mm。境内水资源和矿产资源都极其丰富，森林覆盖率74.7%，是福建省重点林区。

图1 建溪流域位置及农用地整理项目区分布Fig.1 The location of Jianxi River Basin and the distribution of agricultural land consolidation project

2010—2016年间，建溪流域内实施并竣工的农用地整理项目约有1000个（图1），总面积23 323.44 hm2，农用地整理项目在各行政区的分布情况详见表1。2010—2016年1∶1万建溪流域景观类型图、农用地整理工程矢量数据等来源于福建省土地整理中心。

表1 农用地整理面积及其比例Tab.1 Agricultural land consolidation area and its proportion

3 研究方法

3.1 单一变量法

农用地整理既包括新增耕地，也有原有耕地的质量提升。根据实地调研和走访农户，建溪流域的新增耕地主要来源于政府组织的农用地整理项目，也有极少部分新增耕地来源于农民自主开荒种田。但由于《森林法》《土地管理法》《水土保持法》等法律明确提出禁止毁林、毁草开荒，农民自主开荒种田所增加的耕地数量十分有限。因此，本文认为增加的耕地均来源于农用地整理项目，以耕地的变化来量化农用地整理对景观格局和生态风险的影响。

为消除除耕地之外的其他景观类型的变化对建溪流域景观的影响，单纯分析由农用地整理引起的景观变化，将2010年景观类型图作为基础数据，用2011—2016年景观类型图中的耕地数据替换2010年景观类型图中相应位置的数据，拼接后的数据作为整理后相应年份的景观类型图。农用地整理前的景观类型图采用2010年的数据（图2）。

3.2 景观格局指数

景观格局是指构成景观的生态系统或土地利用/土地覆被类型的形状、比例和空间配置[25]。农用地整理通过改变土地利用/土地覆被类型的形状、比例和空间配置实现土地资源及其利用方式的再组织和再优化[26]，从而引起整理区景观斑块、基质、廊道的显著变化。景观格局指数是定量描述景观格局变化的一种重要研究方法，在农用地整理对景观格局影响的研究中也有较广泛的应用[27]。从基本特征指数、形状特征指数、空间构型特征指数和多样性指数4个方面选取21个景观格局指数分析农用地整理对景观格局的影响（表2）。所有景观格局指数是基于ArcGIS 10.0和Fragstats 4.2软件进行计算。

图2 景观类型单变量处理示意图（以2016年为例）Fig.2 Single variable processing of landscape type (take 2016 as an example)

3.3 生态风险指数

生态风险指数基于研究区内各景观类型的面积比例和景观损失度指数计算得到，而景观损失度指数则通过景观干扰度指数和景观脆弱度指数计算。

（1）景观干扰度指数。景观干扰度指数（Si）主要通过不同权重景观破碎度指数、景观优势度指数和景观分离度指数的叠加来计算，用来反映生态系统受到外部干扰的程度[28-29]，值大小与景观受外部干扰的程度成正比，表达式为[30]：

式（1）中：Ci是景观破碎度指数（LF）；Ni是景观分离度指数（DIVISION）；Di是景观优势度指数（LD）；a、b、c分别为Ci、Ni、Di的权重，且a+b+c=1。建溪流域景观本身破碎度较高，农用地整理对破碎度的影响较大，所以破碎度更能代表其受干扰的程度。根据已有研究成果[31-32]，a、b、c分别赋以0.5、0.3、0.2的权重值。

（2）景观脆弱度指数。景观脆弱度指数（Fi）反映了不同景观类型生态系统在受到外部干扰时的易损程度。本文用到的主要方法是专家打分法，通过综合整理地理学、景观生态学、农用地整理等领域10余位专家的意见，对建溪流域不同景观类型脆弱性进行打分，从高到低依次为：耕地、园地、草地、林地、其他土地、水域及水利设施用地、工矿仓储用地、住宅用地、交通运输用地。基于归一化方法处理各景观类型的脆弱度指数，分别为0.23、0.18、0.14、0.13、0.10、0.09、0.07、0.04、0.02，各景观类型脆弱度之和为1。

表2 景观格局指数Tab.2 Landscape pattern index

（3）景观损失度指数。景观损失度指数用于反映不同景观类型所代表的生态系统在受到自然和人为干扰时其自然属性的损失程度[33]。景观损失度指数值越大，说明景观受到自然和人为干扰所造成的自然属性损失程度越高。每一种景观类型的景观损失度指数（Ri）可通过景观干扰度指数和景观脆弱度指数来计算，具体公式如下[30]：

式（2）中：Si为景观干扰度指数；Fi为景观脆弱度指数。

（4）生态风险指数。生态风险是指生态系统及其组分所承受的风险，指在一定区域内，具有不确定性的事故或灾害对生态系统及其组分可能产生的作用，这些作用的结果可能导致生态系统结构和功能的损伤，从而危及生态系统的安全和健康[34]，生态风险评价是实现宏观生态管理的重要途径。

景观格局和区域生态风险之间存在必然联系，本文采用生态风险指数衡量农用地整理可能对生态系统结构和功能产生的损伤，公式如下[33]：

式（3）中：ERIi为景观生态风险指数；n为区域内的景观类型数量；Ai为i类景观类型的面积；A为区域总面积；Ri为景观损失度指数。

4 结果与分析

4.1 农用地整理前后建溪流域景观动态变化

4.1.1 景观面积变化

2010—2016年建溪流域的景观类型面积相对变化不大。林地是主要的景观类型，2010年林地面积为1 253 893 hm2，占建溪流域总面积的75.77%；2016年，林地面积与2010年相比下降了2 459 hm2，林地面积占建溪流域面积比例为75.62%。草地面积由2010年的20 102 hm2下降到了2016年的18 900 hm2，下降了1 202 hm2。林地和草地面积在2010—2016年间下降幅度逐渐减小。随着国家和福建省政府对生态保护的重视和农民环保意识的增强，福建集体林权制度改革的推进取得了明显进展，保持了近些年建溪流域林地面积基本稳定。2010年，耕地和园地面积分别为159 652 hm2和113 017 hm2，占建溪流域总面积的9.65%和6.82%。2010年以来，耕地面积逐年增加，而园地面积均有小幅度下降，至2016年，耕地面积增加了1 602 hm2，而园地面积减少了1 244 hm2，分别为161 254 hm2和111 773 hm2，占建溪流域总面积的9.74%和6.75%。福建省素有“八山一水一分田”之称，人口、粮食、耕地三者之间的矛盾突出。农用地整理的大规模实施是保障建溪流域耕地面积稳中有升的重要措施。2010—2016年间建溪流域的城镇村及工矿用地和交通运输用地面积大幅度上升，城镇村及工矿用地面积增加了3 446 hm2，交通运输用地面积增加了1 166 hm2。城镇村及工矿用地和交通运输用地面积增加的主要原因是经济的发展和人口的增加。

4.1.2 景观格局变化

耕地、林地、园地是建溪流域的主要景观类型（图3）。林地多分布在海拔较高的山地；耕地多沿河谷分布，距离水域及水利设施用地较近；园地与耕地交叉分布，东南方向园地分布较为广泛；草地和城镇村及工矿用地分布零散，地块面积较小；河流交汇处多形成城镇，此处人口聚集，占地面积相对较大。

基于ArcGIS 10.0平台绘制建溪流域2010年和2016年的景观格局分布图，并提取其耕地空间分布（图4）。结合建溪流域的数字高程模型图和耕地空间分布图可以看出，建溪流域耕地主要分布在海拔较低的河谷区域。将建溪流域高程分为5级，统计每一高程等级上的耕地面积以进一步量化耕地在不同海拔上的分布特征得到表3。从表中可以看出，建溪流域超过一半的耕地分布在海拔低于300 m的区域，超过80%的耕地分布在海拔低于600 m的区域，有0.11%的耕地分布在海拔高于1 200 m的地方。河谷区域水源丰富，灌溉用水充足，河流从上游带来的泥沙在此处沉积形成肥沃的土壤，耕作条件良好，因此大多耕地分布在河谷区域。2010—2016年，分布在海拔低于300 m区域的耕地面积所占比例逐渐减小，海拔高于300 m的区域耕地面积增加。这说明2010—2016年间农用地整理工程增加的耕地主要在海拔高于300 m的区域。研究发现占地面积较大的城镇多位于河流交汇处，此处通常地势较低、土壤肥沃、灌溉用水充足、耕地分布广泛。人口的增加和经济的发展使城镇规模不断扩张占用耕地，根据耕地占补平衡制度，必须补充相应面积的耕地，以保证耕地不减少，但研究区海拔低于300 m的区域多为河谷，耕地接近饱和，因此新增加的耕地主要在海拔高于300 m的区域。

图3 景观类型图Fig.3 Landscape pattern map

图4 耕地面积高程分级Fig.4 Cultivated land elevation classi fi cation

4.2 农用地整理对建溪流域景观动态的影响

4.2.1 农用地整理对景观面积的影响

基于单一变量法处理2010—2016年的景观类型图，并统计各景观类型面积得到表4。建溪流域总面积165.49万hm2，耕地、林地和园地是主要景观类型。2010年耕地面积为159 652 hm2，占建溪流域面积的9.65%。2010—2016年，耕地面积增加了2 411 hm2，2016年耕地面积为162 063 hm2。2010年林地面积占建溪流域总面积的75.77%。2010—2016年间，林地面积小幅减少，林地面积由2010年的1 253 893 hm2降至2016年的1 253 497 hm2，面积减少了396 hm2。园地和草地的面积下降幅度较大，园地由2010年的113 017 hm2降至2016年的112 413 hm2，面积减少了604 hm2，草地由2010年的20 102 hm2降至2016年的19 475 hm2，面积减少了627 hm2。分析2010—2016年间景观类型数量的变化可以得出如下结论： 2010—2016年间耕地面积稳中有升，而其他景观类型的面积减少。农用地整理工程中的新增耕地主要来源于草地、园地和林地，也有部分城镇村及工矿用地、交通用地等由于村庄合并或矿区土地复垦等原因被整理为耕地。

表3 2010—2016年耕地面积高程分级统计Tab.3 Cultivated land elevation classi fi cation from 2010 to 2016 (%)

表4 景观面积动态变化（单变量条件）Tab.4 Dynamic change of landscape area (single variable) (hm2)

农用地整理虽然大规模开展，但耕地面积增加较少，这说明整理的主要目标并不是单纯增加耕地面积，而是在保证耕地面积的基础上提高耕地质量。研究期间，建溪流域经济发展迅速，人口的增长和城市的迅速扩张对耕地保护工作造成了巨大的压力，耕地面积增长有限，在原有耕地的基础上完善农业基础设施建设、提升耕地质量等级、建设高标准农田成为建溪流域农用地整理工作的重要方面。

4.2.2 农用地整理对景观格局的影响

在单变量条件下，基于景观格局指数分析2010—2016年农用地整理对景观格局的影响。将景观格局图层转化为栅格图层，栅格大小为30 m×30 m，利用Fragstats 软件进行景观格局指数分析，结果见表5。从表中可以看出，2010—2016年间景观格局指数变化具有较为明显的特征。21个景观格局指数中，有9个格局指数在2010—2016年间呈现递减趋势，分别是斑块密度（PD）、斑块数量（NP）、总边缘长度（TE）、景观形状指数（LSI）、散布和并列指数（IJI）、斑块丰富度（PR）、斑块丰富度密度（PRD）、Shannon’s均匀度指数（SHEI）、Shannon’s多样性指数（SHDI）。有12个景观格局指数在2010—2016年间呈现递增趋势，分别是斑块面积平均值（AREA_MN）、最大斑块指数（LPI）、平均形状指数（SHAPE_MN）、平均分维数（FRAC_MN）、聚合度指数（AI）、景观破碎度指数（LF）、内聚力指数（COHESION）、景观分离度指数（DIVISION）、相似邻接比例（PLADJ）、蔓延度指数（CONTAG）、景观优势度指数（LD）、分散指数（SPLIT）。建溪流域耕地图斑破碎严重，集中连片耕地较少，生产规模较小，机械化程度较低，建溪流域农用地整理将耕地的小斑块合并成较大斑块，降低了区域内耕地的破碎程度，在一定程度上扩大了生产规模。同时，经过农用地整理其他景观类型的零碎斑块转变为耕地，使得其他景观类型也趋向于向大斑块聚集。因此，整体来看农用地整理使流域内的景观类型斑块变得较为规则、景观多样性降低。

表5 2010—2016年景观格局指数Tab.5 Landscape pattern index from 2010 to 2016

4.3 建溪流域农用地整理前后的生态风险评价

4.3.1 农用地整理的生态风险分析

在区域尺度分析农用地整理的生态风险，通常分析农用地整理引起的景观生态风险。从景观生态学的角度来看，农用地整理工程实施的基底为耕地，田间道路、灌溉沟渠、防护林和护坡护岸等为廊道，合并后的农村居民点称为嵌块。典型农用地整理工程通常包括土地平整工程、田间道路工程、农田水利工程、水土保持及防护林工程和农村居民点合并等一系列工程类型，每一种工程类型都是一种风险源，其释放的风险压力主要有景观单一化和景观破碎化两种（图5）。田间道路工程、农田水利工程、水土保持及防护林工程措施的实施增加了区域内的廊道，对原有基底进行了切割，造成景观格局的破碎化；土地平整工程将小块耕地合并成大块，并进行土方平整和表土剥离及回填，农村居民点的合并主要通过搬迁、调整和集聚等措施实现，土地平整和农村居民点的合并可能会降低区域内景观多样性，造成景观格局的单一化。农用地整理工程通过影响景观格局对水资源系统、土壤资源系统和生物资源系统产生影响，进一步产生生态风险。生态风险指数是进行景观生态风险评价的重要方法。

4.3.2 基于生态风险指数的农用地整理生态风险评价

在单变量条件下，基于生态风险指数公式分别计算2010—2016年不同景观类型的生态风险指数（表6），2010—2016年建溪流域的生态风险值介于2 386.11～2 394.76之间，最小值出现在整理后2016年，而最大值出现在2010年，2010年后生态风险指数逐年降低。林地和耕地由于面积较大成为建溪流域生态风险的主要来源，建溪流域林地和耕地生态系统及其组分所承受的风险较高。2010—2016年，耕地的生态风险指数降低了5.94，林地的生态风险指数降低了0.57，耕地和林地的生态风险指数都呈现小幅下降的趋势。耕地生态风险指数下降的原因主要是农用地整理将耕地小地块合并为大地块，虽然耕地面积增加但其景观破碎度和分离度降低，降低了耕地的景观干扰度指数和损失度指数，生态风险指数呈现下降趋势。而林地生态风险指数下降的原因有两点：第一是林地面积减少，2010—2016年间林地面积减少了396 hm2；第二是原有林地多分布在海拔较高的区域，分布相对比较集中，农用地整理将林地的部分零碎斑块转变为耕地，使其景观类型分布更为集中，引起景观干扰度指数和损失度指数的降低，从而使林地的生态风险指数下降。农用地整理工程的实施降低了建溪流域林地和耕地生态系统及其组分所承受的风险。但2010—2016年草地、城镇村及工矿用地和水域及水利设施用地的生态风险指数增加，但增量极低，几乎可以忽略不计。其原因主要是农用地整理中的新增耕地打乱了原有草地、城镇村及工矿用地和水域及水利设施用地斑块，使景观破碎度和分离度增加所致。

图5 典型农用地整理工程的生态风险分析Fig.5 Ecological risk analysis of typical agricultural land consolidation projects

表6 2010—2016年生态风险指数（单变量条件）Tab.6 Ecological risk index from 2010 to 2016 (single variable)

5 结论与讨论

5.1 结论

（1）耕地、园地、林地是建溪流域主要的景观类型。2010—2016年耕地、城镇村及工矿用地和交通运输用地面积增加，其他景观类型呈现递减趋势。林地多分布在海拔较高的山地；耕地多沿河谷分布，距离水域及水利设施用地较近，园地与耕地交错分布；草地和城镇村及工矿用地分布零散，地块面积较小。建溪流域超过一半的耕地分布在海拔低于300 m的区域。2010—2016年，分布在海拔高于300 m的区域耕地面积增加，期间通过农用地整理工程增加的耕地主要在海拔高于300 m的区域。

（2）2010—2016年间耕地面积稳中有升，而其他景观类型的面积减少。农用地整理工程中的新增耕地主要来源于草地、园地和林地，也有部分城镇村及工矿用地、交通用地等由于村庄合并或矿区土地复垦等原因被整理为耕地。

（3）每一种农用地整理工程类型都是一种风险源，其释放的风险压力主要有景观单一化和景观破碎化两种。田间道路工程、农田水利工程、水土保持及防护林工程措施的实施造成景观格局的破碎化；土地平整工程和农村居民点的合并将会降低区域内景观多样性，造成景观格局的单一化。

（4）建溪流域农用地整理将耕地的小斑块合并成大斑块，且同一种景观类型趋向于向大斑块聚集，整理后流域内的景观类型斑块变得较为规则、景观多样性降低。2010—2016年建溪流域的生态风险值介于2 386.11～2 394.76，最小值出现在整理后2016年，而最大值出现在2010年，2010年后生态风险指数逐年降低。

5.2 讨论

农用地整理通过增加耕地面积，小地块合并为大地块，改变景观格局来影响生态风险。本文采用单一变量法分析了农用地整理对景观动态和生态风险的影响，剔除了城市扩张等因素引起的景观格局和生态风险变化，对大尺度上农用地整理对景观生态的研究有借鉴意义，可以为区域尺度的土地利用优化设计和农用地整理设计规划提供科学依据。在实际应用中可参考本文的方法，在农用地整理设计规划初步方案的基础上，采用情景模拟法分析大中尺度上农用地整理对景观格局和生态风险的影响，根据研究结果对农用地整理设计规划方案进行调整，以保证农用地整理规划设计方案符合生态要求。生态风险指数的计算主要基于景观格局的变化，尚未考虑农用地整理措施对地表植被覆盖和生态系统的扰动。在综合考虑景观类型和格局变化的基础上，发展融合农用地整理措施对地表植被覆盖和生态系统扰动的生态风险指数构建和评价是下一步研究的重点。