沙區城鎮化過程的生態環境影響

候 陽，張宇清，，吳 斌，，趙紫陽，石慧書

（1．北京林業大學 水土保持學院，北京100083；2．寧夏鹽池荒漠生態系統定位研究站，寧夏 鹽池751500）

隨著我國城鎮化的推進，鄉村經濟發展迅速，大量剩余勞動力進入第二、三產業，生產要素不斷分化和重組，產業結構不斷調整和改善。傳統的鄉村生產功能已不能滿足鄉村的可持續發展，資源開發利用和鄉村生態環境變化受到關注。城鎮的快速發展使景觀格局不斷變遷，呈現出不同的組合格局與空間表現形態，其中最直觀、最顯著的體現是鄉村景觀格局的變化［1］。景觀生態學的理論與方法在空間維度和動態視角下，為城鎮化進程中鄉村景觀變遷研究提供了思路與方法［2－4］。Forman［5］提出斑塊—廊道—基質的景觀空間鑲嵌模型，成為景觀生態學的研究基礎。

從國內外干旱區城鎮化與生態環境交互作用關系研究現狀來看，國外學者多重視城鎮化與生態環境交互作用機理研究，從經濟發展與環境污染之間的關系出發，探討城鎮化對生態環境的影響［6－7］。韓國、日本、荷蘭、丹麥等國在土地利用制度變革、城鎮化發展以及農村發展和生態環境建設等方面提供了參考［8－10］。國內學者更多關注干旱區水資源緊張及生態惡化的原因［11－12］。主要運用EKC模型、雙指數模型和耦合度模型等定量分析手段，從城市人口集聚、經濟增長、空間擴展等角度，探討城鎮化與生態環境之間的交互作用［13］。特殊的城鎮化道路和必要的生態建設使城鎮化對生態環境影響的研究具有深遠的意義［14－15］。

中國作為荒漠化最為嚴重的國家之一，經歷著與西方國家不同的城鎮化道路。沙區惡劣的自然環境和嚴峻的生存空間制約了當地社會經濟的可持續發展，人居環境受到威脅。本文以寧夏鹽池縣北部風沙區為研究對象，考慮到鹽池縣地理位置特殊，位于毛烏素沙漠邊緣，是典型的沙區城鎮，常年受風沙危害，自然環境具有一定的典型性。同時，鹽池縣在20世紀80年代起，為了改善當地生態環境，陸續開展防沙治沙、退耕還林、封育禁牧等生態建設工程。2000年開始舊城改造，新修農村住房和基礎設施，新農村建設步伐加快，開始進入城鎮化快速階段。通過近年寧夏鹽池北部風沙區城鎮化建設引起景觀格局的變化分析，揭示風沙區城鎮化進程對生態環境的影響。

1 研究方法

1．1 城市化水平的度量

本文的研究重點是城鎮化進程對沙漠化的影響，而非城鎮化，所以采用城鎮化測度方法中的主要指標法來描述城鎮化水平。以研究區內非農業人口占總人口的比例來計算［16－17］，數據來源于鹽池縣統計局統計年鑒。

1．2 景觀格局指數的計算分析

研究采用1989，2007年2a的鹽池縣土地利用圖和衛星遙感圖（附圖2），結合地面調查進行圖形處理和景觀單元歸并分類，基于地理信息系統平臺和在Fragstats 3．3軟件的支持下，對景觀要素圖（地形圖、土地利用現狀圖和行政區劃圖等）進行矢量化分析計算。

鹽池縣地處于農牧交錯帶，毛烏素沙地南緣，聚落格局受自然條件的影響較大，表現出明顯的以居民點為中心，結合周邊的土地格局，形成不同的空間構型。景觀格局指數是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置的簡單定量指標。主要包括2個部分，即景觀單元特征指數和景觀異質性指數。

本文采取分離度和分維度對景觀單元進行量化，用多樣性指數、均勻度指數、景觀破碎度和優勢度指數進行景觀水平上的異質性分析［18］。計算公式為：

（1）分離度指數。某一景觀類型中不同元素個體在空間分布上的分散程度。

式中：Fi——分離度指數；n——斑塊數量；A——斑塊總面積；Ai——斑塊i所占斑塊面積的比例。

（2）分形維數。景觀要素或板塊類的邊界褶皺程度，表明斑塊受干擾的程度。

式中：MPDF——平均斑塊分維數；pij——斑塊ij的周長（m）；aij——斑塊ij的面積（m2）；N——景觀中斑塊的數量；m——景觀類型數量；n——某景觀類型的斑塊數。

文革結束后，楓橋區在全國率先給改造好的“四類分子”全部摘帽。1979年2月5日，《人民日報》就此發表《摘掉一頂帽，調動幾代人》長篇通訊，全面介紹楓橋區給“四類分子”摘帽的經驗。

（3）多樣性指數。多樣性反映景觀類型的多少和各景觀類型所占比例變化。本文采用Shannon指數來表述公式為：

式中：HT——異質性指數；Pi——景觀類型i所占面積的比例；n——景觀類型數量。

（4）均勻度指數。描述景觀中各組分的分配均勻程度，其值越大，表明景觀各組成成分分配越均勻。趨于1時優勢度最低，說明景觀中沒有明顯的優勢類型且各斑塊類型在景觀中均勻分布。

式中：E——均勻度指數；H——Shannon多樣性指數，Hmax為其最大值；Pi——景觀類型i所占面積的比例；n——景觀類型的數量。

（5）景觀破碎度。指景觀被分割的破碎程度，斑塊的破碎度與斑塊數量呈正相關，與平均板塊面積負相關，是描述景觀受自然、人為等因素的干擾程度，包括整個趨于景觀破碎度及區域內某一景觀類型破碎度。

式中：Fi——景觀類型i的破碎度指數，景觀破碎度指數Fi越大代表景觀越破碎；Pi——景觀類型i的斑塊數；Q——研究區所有景觀類型的平均面積。

2 結果與分析

2．1 研究區城鎮化進程

根據式（1）—（6）對鹽池縣1989—2007年的統計資料計算分析表明，這一時期在非農業人口總體上呈增加、國民生產總值增長的大前提下，鹽池縣的城鎮化水平以1995年為轉折點，1995年前呈快速增加的趨勢（圖1），之后逐步降低，存在著明顯的階段性。1985—1995年城鎮發展快速，城鎮化水平變動在54．0%～73．4%；1995—2007年城鎮化水平緩慢下降且變化不均勻，城鎮化水平變化在73．4%～64．3%。

圖1 鹽池縣1985－2007年非農業人口和城市（鎮）化水平變化

2．2 研究區各鄉鎮土地利用變化

城鎮的發展使村落分布、道路網絡、鄉村社會生活、經濟狀況等都發生了明顯的變化，這些變化在土地利用方式上表現得更為直觀［19］。

從1989—2007年土地利用總的趨勢來看，草地、耕地、林地、沙地等這些表征生態狀況的用地比重明顯大于生產用地，且生活用地也多分布在以草地為主的耕地、沙地相間分布的模式中［20］。林地和草地增長率較高，但草地相對林地更加穩定；耕地、沙地及未利用地面積明顯減小（圖2），由最初粗放式的農牧業生產為主逐步轉為以生態建設為主，土地沙化得到有效控制，植被恢復明顯。5個鄉鎮土地利用的情況存在差異，馮記溝鄉和青山鄉的耕地面積減小，林地、建設用地比重增大。這說明生態環境改善的同時，城鎮化推動農業產業結構調整及廠礦用地的開發增大了土地利用程度。花馬池鎮相對其他鄉鎮主要表現為林地和穩定水域的增加，揚黃灌溉的政策實施為區域農業發展提供條件，又位于縣政府所在地，城鎮化使交通用地和居民點得到發展。高沙窩鎮沙化威脅最嚴重，新農村建設使大部分居民點外遷。王樂井鄉耕地面積仍占比重較高，這與其以特色農產品種植與畜牧業為主的產業規劃有關。

圖2 1989－2007年研究區土地利用變化

從各土地類型從不同時間段的變化來看（圖3），1989—1995年變化最快的是未利用地，年變化速率達到5．9%。1995—2000年林地變化速率達到11．1%，水域變化也較明顯，達到8．9%。2000—2007年建設用地、沙地、耕地面積年變化速率分別達到－8．7%，－7．8%和－6．7%，同時草地面積以每年4．4%增長。由此可以看出，土地利用類型比重的巨大轉變，與近年來實施治沙造林、封育禁牧、退耕還林、恢復植被等政策有關。

圖3 研究區土地利用類型變化速率

2．3 研究區景觀格局的變遷

2．3．1 景觀結構變化 從1989—2007年5個鄉鎮景觀結構指數變化來看，5個鄉鎮均表現出草地的面積比重均增大，斑塊數量明顯減少的同時，平均斑塊面積增大，草地大面積形成，聚集度高；耕地面積比重減小的同時，斑塊數量和斑塊平均面積減小，耕地得到整合，破碎度大幅下降（圖4）；沙地的景觀結構指數均減小，且減小幅度呈現出斑塊面積比重＞斑塊平均面積＞斑塊數量，可知近20a沙地面積迅速減小，大斑塊萎縮，原集中連片沙地被分割成零星分布的小斑塊，但斑塊數量減小程度低，部分破碎的小斑塊仍在連通，仍存在潛在沙化威脅。林地和建設用地斑塊數量增加，平均斑塊面積減小，破碎度較大。其中沙埋災害嚴重的高沙窩鎮因居民點外遷，耕地面積比重減小，斑塊數量相對較大，破碎度大于其他4個鄉鎮。青山鄉與馮記溝鄉在政府引導下大力發展林業，有效實施退耕還林還草政策，但隨著面積比重、斑塊數量增大，平均斑塊面積減小幅度更大，表現出林地景觀較大的破碎度。花馬池鎮由于位于縣政府所在地，林業發展快速，同樣表現為林地、沙地及未利用地破碎度增大，耕地、草地、建設用地高度集中。近20a耕地和沙地集中分布的王樂井鄉，耕地整合，沙地進一步破碎，居民點的遷出也使建設用地逐漸被草地景觀代替。

2．3．2 景觀單元變化 1989—2007年草地、林地、耕地分離度均下降，沙地及未利用地在空間上分布的分離程度增大明顯，表現出更高的穩定性。5個鄉鎮的分形維數變化體現了各區域不同的農牧經濟發展和自然條件差異對景觀格局的影響（圖5）。

圖4 1989－2007年鹽池縣主要鄉鎮景觀結構指數

隨著城鎮化發展，各鄉鎮新增居民點和基礎設施的建設、工礦用地的擴張、道路交通在鎮域經濟中的地位越來越突出，建設用地分維數增大，景觀斑塊不規則趨勢增強，景觀輪廓越來越復雜。沙地及未利用地表現出景觀斑塊形狀更加簡單規整，復雜程度減小，不穩定程度提高。高沙窩鎮、馮記溝鄉和青山鄉的耕地分形維數減小，復雜程度降低，在各土地利用類型相互轉化中易轉化為沙地。但林草地的擴張可以遏制沙化，結合林草地的變化情況可知青山鄉相對其他鄉鎮土地更易沙化。高沙窩鎮天然水域面積極少且極易干涸，景觀分形維數的增加表現出水域極易轉化成為鹽堿地，生態環境受到威脅。

圖5 1989－2007年鹽池縣主要鄉鎮景觀單元指數

2．3．3 景觀異質性變化 5個鄉鎮景觀異質性指數變化均表現出多樣性、均勻度、破碎度、分離度減小，聚集度增大的趨勢（表1）。其中，多樣性指數均減小，說明各景觀要素類型所占面積比例差異增大。均勻度變化較大的是青山鄉和馮記溝鄉，其余鄉鎮有微弱的減小趨勢，說明由原來景觀斑塊分布不均勻，人為干擾較大，逐漸趨于斑塊分布均勻，人為干擾逐漸減輕的態勢。從破碎度來看，鎮域內林地、耕地、草地成片分布，在農業生產結構向以草畜、林業為主迅速轉變過程中，農業規模經營，企業集聚發展，可以預測，隨著農業現代化水平的不斷提高和集聚化推進，各鄉鎮景觀破碎度將進一步減小，同時聚集度指數進一步增大。

表1 1989－2007年鹽池縣主要鄉鎮景觀異質性指數變化

2．4 城鎮化對生態環境的階段性影響

1985—1990年非農業人口迅速增加，國民生產總值173．8元／人，新農村建設、道路交通的發展和工業的起步使建設用地面積增大。該時期內農業活動迅速增長，不合理的農作灌溉方式使沙地及未利用地快速增長，且沙地斑塊數量、平均斑塊面積增大，斑塊密度增大，這與當地農民在經濟發展落后情況下不合理的挖甘草、摟發菜等行為有關。草場被破壞，沙地大面積集中連片分布，局部沙化程度加大，生態環境受到威脅。

1990年后城鎮化水平逐漸降低，到2000年時降至69．8%。非農人口數量進一步擴大，10a內國民生產總值增長了180．3元／人，經濟穩步增長。經濟的發展使農業產業得到調整，生態環境在外界的干擾下各景觀不斷變化，沙地景觀破碎度增大，分布越來越離散。同時，1995—2000年生態環境建設受到重視，大面積治沙造林使得這一時段林地和草地面積增加，研究區生態環境逐步得到改善，但沙漠化被遏制的同時其他土地類型也在向沙地類型轉化，沙漠化現象不容忽視。

2000—2007年退耕還草、封育禁牧政策的有效實施，沙化治理效果明顯，揚黃灌區的建設為墾殖創造了條件，更加集中化的用地使草場進一步得到保護。草地面積的增加又極大地促進了林業和牧業發展，農業規模和產出價值的增大使經濟發展水平提高。到2007年時國民生產總值達1 007．5元／人，已比城鎮化初期增長了85．0%，這期間城鎮化穩步發展。

3 景觀格局變化的驅動力分析

3．1 人口集聚

隨著鄉村城市化、工業化和農業現代化水平的提高，大量鄉村剩余勞動力向城鎮集中，從而使居住在鄉村的總人口不斷下降，城鎮用地面積大幅度擴張，大量小村落衰退。從整個縣城來看，人口向中心鎮集中的趨勢明顯，其中花馬池鎮人口占全縣城鎮人口的34．2%。總體來看，鹽池縣人口密度由新中國建設初期的3．99人／km2，增加到2005年的24．15人／km2。人口增長率從80年代起遞減，人口密度在1988—1992年迅速增長，鄉村人口的高度集中的同時，土地承壓力增加。

自然環境惡劣的沙區，人口增長引起對生活資料需求的增長，落后的生產經營方式和對資源不合理的利用造成生態環境持續惡化。由于區域土地資源有限，農業生產也進一步改革，種植業畜牧業的高度集中。推行中心村建設以來，村莊數量大幅度下降，不僅在空間分布上利于區位擴展，人口也向著規模較大、經濟基礎較好的村莊集中。由此整個鄉村景觀要素重新進行組合，呈現出新景觀格局。

3．2 社會經濟的發展

耕地的大量流失是經濟快速發展地區面臨的一個普遍問題，表明經濟是耕地數量變化的主要驅動力之一。鄉村景觀格局的變化是在耕地資源變化機制的基礎上發生。在經濟效益的驅動下，農業產業結構不斷優化，為保障鹽池縣特色產業畜牧業的發展，為實現草原和牲畜的動態生態平衡，由過去偏重種植業與放牧業逐漸轉向種植優質牧草，“以種促養，以養增收”的方式不僅提高了農業的附加值，還開拓了更大的特色農產品市場。經濟快速發展帶來城鎮的迅速擴張，鹽池縣1989年城鎮建設總面積到2007年增加為8 557．7km2。由于城鎮位于風沙區，耕地基本上均為旱地，少數鄉鎮有少量水澆地，鹽池縣城鎮建設用地來源是草地和耕地，伴隨經濟發展，農業經濟的發展和產業結構的調整，交通各類線狀基礎設施的建設對景觀進行規則的切割增大了景觀的邊界密度，降低了景觀的連通性。

3．3 生產技術

鄉村農業生產水平的提高明顯地影響鄉村景觀格局。通過20a多的發展，鹽池縣農業機械化水平大幅度提高，糧食作物播種的機耕率提高到目前的27．9%，機電排灌率17．4%，農業生產現代化生產逐步形成。隨著農業生產規模的擴大和農業的產業化經營，大中型農用機械急劇增長，2009年末全縣擁有農業機械總動力3．62×105kW，同比增長5．5%。小型農用機械同比下降1．0%，呈現出緩慢下降的趨勢，從而顯示出農業已經進入機械化生產，保證了在耕地面積減小的情況下，糧食產量有所增加。揚黃灌區建設，結合滴灌和噴灌等節水措施，發展拱棚和日光溫室等設施農業，極大改善了農牧業生產條件，資源利用情況略有好轉。同時，充分利用珍貴的水資源，有利于沙地治理項目實施和生態的恢復。

3．4 政策因素

生態保護政策是鹽池北部風沙區土地利用變化最重要的驅動因素，20世紀90年代后期，鹽池縣各鄉鎮實施人工造林、禁牧封育、退耕還林還草，極大促進了研究區土地利用時空變化。西部大開發加大新農村建設的步伐，結合自身特殊條件，以協調發展草畜、改善生態環境、促進經濟發展為目標，促使人口向城鎮集中，工業向園區集中，農業逐漸向規模經營轉變。在經濟的驅動和政策的引導下進行村鎮調整，一些村鎮在快速繁榮的同時另一些村鎮則逐漸衰敗，鄉村聚落景觀格局由分散格局緩慢向聚集轉變。

在經濟政策的影響下，各地根據自然稟賦、經濟基礎和區位條件發展壯大優勢產業，特別是灘羊集中養殖和優勢農產品基地的規劃與建設大大改變了鄉村景觀格局。現在鄉村景觀的差異除了自然景觀以外，還與農產品、距離城市的位置有著密切的關系。從空間布局上，花馬池鎮、高沙窩鎮、馮記溝鄉、王樂井鄉、青山鄉的景觀格局變化的差異在于優勢農產品基地的不同分布。其中重點鎮花馬池鎮以商貿物流、建材、石化、農產品深加工等產業為主，高沙窩鎮著重發展煤炭石油開采、發展新型能源為主。從龍頭企業規劃與發展來看，王樂井鄉、青山鄉主要重點發展畜牧業，特色種植，以畜牧產品加工及深加工為主，而在相鄰區域仍保持自然景觀，形成了不同的鄉村景觀。

4 結 論

鹽池縣典型荒漠地區城鎮化進程對區域生態環境的影響具有階段性。從整體上來看，城鎮化發展極大地促進了生態環境建設，在經濟發展和正確的政策引導下，兩者相輔相成，生態環境得到改善，特色的城鎮化道路穩步發展。

城鎮化對生態環境的直接影響體現在土地利用格局的變化，景觀破碎度的減小最具代表性。植被的恢復和連通使沙地蔓延受到抑制，生態環境良性發展，而經濟產業規模化生產和農民生活方式的轉變也間接地影響了生態環境的變化。如選擇適應干旱環境的作物，退耕并調整用地投入，合理安排生產要素，降低災害風險，種植業產值不斷增加，農民生活得到改善的同時，區域生態環境和局部生境得到改善。綜合分析1989—2007年城鎮化與生態環境建設相互作用的發展過程，可知，區域農村經濟的發展和土地生態環境的改善首先依靠正確的政策導向和科技的發展，而城鎮化也在某種層面和意義上賦予了兩者生命力和執行力。

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