農村居民點整理影響下的景觀格局及其生態效應研究

鄧 靜, 張 貞, 陳 晨, 高金權

(1.天津城建大學 地質與測繪學院, 天津 300384;2.遼寧省發展和改革委員會農業資源區劃研究所, 沈陽 110034; 3.天津市農業技術推廣站, 天津 300061)

農村居民點整理影響下的景觀格局及其生態效應研究

鄧 靜1, 張 貞1, 陳 晨2, 高金權3

(1.天津城建大學 地質與測繪學院, 天津 300384;2.遼寧省發展和改革委員會農業資源區劃研究所, 沈陽 110034; 3.天津市農業技術推廣站, 天津 300061)

以天津市武清區下朱莊街農村居民點整理工程為例，采用ArcGIS 9.3和Fragstats 3.3數據分析平臺研究工程影響下景觀格局指標的變化規律；并進一步將生態系統服務價值計算同敏感度分析結合，探討工程影響下的生態效應。結果表明：項目實施后，斑塊破碎化程度增強，連接性以及斑塊聚集性增強；生態服務價值提高22.12%，且生態價值敏感度變化在合理范圍之內；景觀生態風險值由0.76變為1.12，研究區生態風險從較高風險區轉變為高風險區，表現出增加的趨勢。該研究有效評價農村居民點整理的實施效果，為后期農村居民點整理決策制度提供科學依據。

農村居民點整理; 景觀格局; 生態風險; 生態服務價值; 天津市武清區下朱莊街

面對我國當前城鎮化進程加快，城市建設用地不斷擴張，農村居民點分布零散、大量閑置，耕地利用效率低等問題，農村居民點統一規劃的要求不斷被提出，農村居民點整理項目的重要意義日益突顯。推進農村居民點整理是實現耕地總量動態平衡、改善農民生活和生產環境的重要途徑, 也是新農村建設的重要手段之一[1]。農村居民點整理主要是運用工程技術以及調整土地產權，通過村莊改造、歸并和再利用，使農村建設逐步集中、集約，提高農村居民點土地利用強度，促進土地利用有序化、合理化、科學化，并改善農民生產、生活條件和農村生態環境[2]。該項目不僅有利于推動我國城鎮化進程，統籌城鄉發展，更加有利于減少農村建設用地浪費，拓寬城市發展空間，從而達到土地資源集約利用的目標[3]。目前，國內學者對農村居民點整理的研究主要集中于其整理潛力分析[4-6]，也有不少學者對其整理模式進行了探討[7-8]，而較少研究該工程對區域景觀格局及其生態環境的影響。

因此，本文以天津市武清區農村居民點整理規劃工程為例，在研究該工程實施前后景觀格局變化、生態服務價值變化的過程中，結合對研究區生態風險的研究分析，綜合評價該研究區農村居民點整理的實施效果。對農村居民點整理后的研究區進行動態監測與科學評價，使農村居民點整理能夠真正成為實現統籌城鄉發展、實現城鄉一體化的重要決策。

1 研究區概況及項目整理情況

1.1 研究區概況

武清區位于天津市西北部，海河水系下游，東經116°46′43″—117°19′59″，北緯39°07′05″—39°42′40″。下朱莊街位于武清區南側，氣候介于大陸性氣候和海洋性氣溫的過渡帶上，屬于暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，年均氣溫11.6℃，年降水量為578 mm，年際間降水量變化較大，是造成干旱和洪澇的主要原因。其地形為輕微起伏的沖擊平原。

1.2 項目整理情況

下朱莊街農村居民點整理自2006年起，通過在鎮區新建居住小區，將居民宅基地復耕為耕地，使分散的村莊向鎮區集中發展，從而增加耕地面積。整理范圍主要為下朱莊街西部，將北運河沿岸的下朱莊、高樓、高王院、白疙瘩、太平莊5個村莊遷入南北辛莊后整理成耕地，南北辛莊仍整理為建設用地，整理內容包括田塊、水利設施、防護林、道路以及電力設施5部分。

2 研究方法

2.1 數據來源

以研究區農村居民點整理前土地利用現狀圖和規劃圖(1∶2 000)作為基礎數據，使用ArcGIS 9.3作為數據處理平臺，利用景觀格局計算軟件Fragstats 3.3對本文所選取的景觀格局指數進行計算。

2.2 景觀格局指數的選取

景觀格局指數能夠很好地反映景觀格局變化，通過景觀格局分析軟件Fragstates 3.3可計算多項景觀指標，但不同指標之間具有高度相關性。本文主要研究居民點整理前后，其景觀破碎化、規則度、分離度、聚集性等變化。因此，在類型水平上，選取斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊形狀指數(SHAPE_MN)、面積加權平均斑塊分維數(FRAC_AM)、斑塊結合度指數(COHESION)、聚集度(AI)6個指標；在景觀水平上，選取斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、平均斑塊形狀指數(SHAPE-MN)、面積加權平均斑塊分維數(FRAC-AM)、斑塊結合度指數(COHESION)、分離度(SPLIT)、聚集度(AI)、香農多樣性指數(SHDI)、香農均勻度指數(SHEI)9個指標[9-10]。具體指標計算方法以及含義如表1所示。

2.3 生態效應研究

本文從生態服務價值和景觀生態風險兩方面反映農村居民點整理工程影響下的生態效應。其中生態服務價值主要反映生態系統服務在經濟上的功能和效益[13]；景觀生態風險主要用于描述一個樣地內綜合生態損失的相對大小[14]，以便對研究區的景觀風險值變化進行監測。

2.3.1 生態服務價值變化分析 生態服務價值理論闡述了生態系統的各種服務功能及其價值的量化方法[15]。為了方便對區域不同土地利用類型的生態服務價值進行量化，認為生態系統服務的功能與效益能夠通過貨幣量化來體現。根據Costanza等人研究并提出的生態服務價值系數，對武清區下朱莊街所涉及的土地利用類型進行賦值，具體賦值情況[16-17]：水澆地、菜地、設施農用地屬于農田/耕地類(cropland)，其生態服務價值系數為92 $/(hm2·a)；坑塘水面、溝渠屬于湖泊/河流類(Lakes/rivals)，其生態服務價值系數為8 498 $/(hm2·a)；果園屬于林地/園地類(Temperate/boreal)，其生態服務價值系數為302 $/(hm2·a)；道路以及居民點屬于城鎮用地，因此，其生態服務價值系數為0。

運用Costanza等人研究得出的生態服務價值的估測方法(公式1)來計算研究區居民點整理前后生態服務價值。其計算公式為：

(1)

式中：ESV——研究區總的生態服務價值量($)；Ak——研究區第k類土地利用類型的分布面積(hm2)；VCk——生態價值系數，即單位面積上第k類土地利用類型的生態服務價值[$/(hm2·a)]。

在對單位面積上某種生態系統中某單一的生態服務功能價值進行估測時難免會出現偏差，不同尺度下生態系統的生態服務價值有所不同。因此，本文就研究區的生態服務價值進行敏感度檢測，用于表征某地類生態價值系數變化后所引起的總生態系統服務價值的變化[18]。在原有Costanza模型的基礎上對各土地利用類型的生態服務價值系數上下各調整50%[19]，計算并對其波動狀況進行研究分析，其計算公式如下:

(2)

式中：ESV——研究區總的生態服務價值量($)；VC——生態價值系數；i，j——最初的生態價值系數和調整后的生態價值系數；k——土地利用類型；CS——敏感度。

2.3.2 景觀生態風險分析 本文通過構建景觀干擾度指數[20]和脆弱度指數[21]來構建生態風險指數，建立景觀格局與區域生態風險之間的聯系，從而對該區域景觀動態變化下的生態風險進行計算分析[22]。其中，干擾度指數由景觀破碎度、分離度和優勢度等指

標構建[23]，具體計算公式在此不做描述；脆弱度指數根據前人研究并結合本文實際得出，研究區內8種景觀類型所代表的生態系統脆弱度從高到低依次為：溝渠8、坑塘7、水澆地6、果園5、菜地4、設施農地3、居民點2、道路1，并對其做歸一化處理[24]。

通過上述景觀格局指數，計算景觀生態風險指數,其計算公式為：

(3)

式中：Ai——研究區景觀類型i的面積；A——研究區景觀總面積；Ri——景觀損失度指數，其值為景觀干擾度指數Si與景觀破碎度指數Fi之積[20]。

表1 景觀格局指數計算公式及含義說明

3 結果與分析

3.1 景觀格局變化分析

3.1.1 類型水平上景觀格局動態變化分析 下朱莊街景觀格局在類型水平上的變化如表2所示，由于其果園、菜地、設施農用地面積所占比重小，居民點經整理后面積減小，景觀格局總體表現出規則化增強，分散性減小趨勢，且各項景觀指數變化不大，因此本文不對這4種地類再做分析。以下為水澆地、溝渠、道路以及坑塘水面的景觀格局指數所表征的農村居民點整理過后的變化情況：水澆地斑塊密度增大，最大斑塊面積指數減小，說明農村居民點整理將大塊水澆地進行分割；平均斑塊形狀指數減小、面積加權平均斑塊分維數略微減少，說明水澆地受人為影響程度加大，斑塊形狀趨近于規則化；斑塊結合度指數幾乎不變、聚集度指數有所增加，說明水澆地經整理后聚集性略微增強。水澆地的變化情況與居民點整理的目的密切相關，其聚集度指數增加與水澆地面積增加有一定聯系。

道路和溝渠景觀格局變化形式大致相似，其斑塊密度增加，最大斑塊面積指數減小，說明通過重新規劃新建道路和溝渠，使得農村道路增加，溝渠體系更加完善，布局更加合理；其平均斑塊形狀指數和面積加權平均斑塊分維數減少，說明人類干擾程度的增加使得斑塊自我相似性增強，幾何形狀趨近于簡單化[25]；斑塊結合度指數以及聚集度指數增加，說明農村居民點整理加大了道路之間以及溝渠之間的連接性，大大提高交通便捷性，方便農業生產。

表2 下朱莊街類型水平景觀格局變化

坑塘水面的斑塊密度增加，但最大斑塊指數變化不大，說明在對溝渠進行整理的過程當中，可能存在部分廢棄或面積較大的溝渠轉化為坑塘，使得其斑塊密度增加；平均斑塊形狀指數減小，說明農村居民點整理使坑塘更加規則化；斑塊結合度指數和聚集度幾乎沒有變化，說明坑塘的連接性沒有發生變化。由坑塘景觀格局指數變化情況可得，坑塘除斑塊密度外，其他指數并沒有發生較大變化，說明坑塘不是該研究區整理的重點內容。

3.1.2 景觀水平上景觀格局動態變化分析 從表3可以看出，在農村居民點整理后，研究區景觀格局有所變化。斑塊密度(PD)增加、最大斑塊指數(LPI)降低，說明通過新建溝渠、道路以及對水澆地進行分割，使得研究區整體斑塊密度增加。由表2下朱莊街類型水平上的景觀格局變化可得，除水澆地外，其他類型的斑塊密度均呈現增加的趨勢，水澆地變化對整體景觀格局變化影響最大，這也與水澆地在研究區所占面積最大有關。平均斑塊形狀指數(SHAPE_MN)略微減小，說明從整體上來說，斑塊形狀更加規則，由表2了解到，各土地類型平均斑塊形狀指數均有一定減小，斑塊形狀表現出受人為干擾作用增強，最終使得景觀水平上研究區斑塊形狀趨近于規則化。斑塊結合度指數(COHESION)略微增加，說明其斑塊空間連接性增強，而討論其原因，主要由于溝渠和道路的系統性規劃，加強了其連接性。聚集度(AI)有所增加，分離度指數(SPLIT)大大降低，說明土地整理通過將細碎斑塊進行合并以及新建溝渠、道路，增加斑塊聚集程度，使得斑塊間分離程度降低。香農多樣性指數(SHDI)取決于斑塊類型的多少，其值增加而研究區內土地類型沒有發生變化，說明各土地類型所占比例差異增大[25-26]。從表4居民點整理前后土地利用類型面積變化可以看出，水澆地、道路以及溝渠的面積有較為明顯的增加，且所增加的面積主要來源于居民點面積的減少。香農均勻度指數(SHEI)增加，且值更加趨近于1，說明各斑塊類型在景觀中的分布更加均勻。

表3 下朱莊街景觀水平景觀格局變化

3.2 生態效應分析

3.2.1 生態服務價值估算 引用上文所述公式(1)，結合生態服務價值系數對研究區的土地利用類型進行賦值并計算。下朱莊街總面積為85.85 hm2，由于土地利用類型的相互轉移，導致整理前后生態服務價值共增加了11 426.96$，說明生態服務功能總體上得到提高，區域生態環境得到提升。在整理過程中水澆地生態服務價值共增加了240.12$；整理前后坑塘水面的面積呈減少趨勢，相比土地整理前減少了0.02 hm2，其生態服務價值減少了169.96$；土地整理后，渠系生態服務價值增加了11 727.24$，果園生態服務價值減少了199.32$；道路以及居民點，由于其生態服務價值系數為0，因此，此類用地的變化對生態服務價值沒有影響；最后，農村居民點整理使菜地以及設施用地減少，由于其生態服務價值系數相同，因此，其生態服務價值共減少171.12$。最終，通過整理，下朱莊街的生態服務價值共增加11 426.96$，增加率為22.12%。

表4 下朱莊街生態服務價值估算

由表4可以看出，生態服務價值增長最多的為溝渠，其增長價值為11 727.24 $，變化率為71.88%，說明整理后規劃新建了大量溝渠，不僅方便農業生產，還起到了改善生態環境的作用；水澆地雖面積增加最多，但由于其生態服務價值系數較小，因此，其對生態服務價值提升作用不大；果園、菜地、坑塘水面以及設施用地都有一定減少，由于減少面積或生態服務價值系數較小，最終，對生態服務價值變化影響不大。

整理后的下朱莊街生態服務價值平均每1 hm2增加了133.10 $，說明對研究區進行土地整理活動有利于該區的生態發展。該地經農村居民點整理過后，水澆地仍占最大比重，由此可見，農戶對土地的依賴性很強，經濟的發展主要以農業為主。對土地進行總體規劃時，不僅要考慮農用地的配置與管理，還應保障生態服務功能發揮作用，該研究區農村居民點整理完成了生態效益和經濟效益的雙重任務，建立了一種平衡合理的土地利用空間格局。

3.2.2 生態服務敏感度分析 將下朱莊街的水澆地、坑塘、溝渠、果園、菜地以及設施農地的生態服務價值系數上下各調整50%，運用上述公式(2)，計算其生態服務價值的敏感度變化范圍為0.002～0.538(表5)。水澆地、菜地、設施農地中生態服務價值變化最大的為水澆地，其變化率為4.91%，接近于區域耕地生物量價值總和的生態價值系數真實值；同樣，

由果園敏感度分析可得，其生態服務價值系數接近研究區生態系統價值系數的真實值。敏感度變化較大的主要為坑塘以及溝渠，范圍為0.316～0.538，這是由于其生態服務價值系數較大所引起，說明水域面積的變化對生態服務價值的變化起到關鍵的作用，在生態環境保護和城市建設時應予以特別關注[27]。

3.2.3 景觀生態風險分析 根據所構建的景觀生態風險評價指數，運用公式(3)計算下朱莊街景觀生態風險值，結果如表6所示。

表5 下朱莊街生態服務價值敏感度

表6 下朱莊街景觀生態風險值

由表6可得出，景觀生態風險值由整理前的0.76變化為1.12。通過對風險劃分的研究，為使劃分的風險區更加趨近于客觀實際，本文決定按照高賓等人對區域風險指數的分類法，分類標準為：高風險風險區(ERI≥0.85)、較高生態風險區(0.75≤ERI≤0.85)、中等生態風險區(0.55≤ERI≤0.75)、較低生態風險區(0.45≤ERI≤0.55)、低生態風險區(ERI≤0.45)[22]。景觀生態風險與那些衡量干擾的指標相關聯，它能夠清晰地評價和定量化描繪各種景觀類型所代表的生態系統在受到危害性和不確定性因素后產生風險的概率[22]。農村居民點整理前，該研究區景觀生態風險值為0.76，屬于較高生態風險區，這可能與研究區的生態環境有密切的關系。天津是一個典型的人均占有耕地面積較少的城市，在土地利用方面存在結構不合理以及利用率較低等問題，該地工業企業較多，生態環境質量較低。農村居民點整理在該地的實施，使該地景觀生態風險值增加為1.12，屬于高生態風險區。

由上文景觀生態風險指數的構建方式可以了解到，景觀生態風險與景觀破碎化程度、景觀分離度、景觀優勢度、景觀脆弱度以及類型面積等有關。景觀生態風險值的增加可能包含以上多方面的原因，也可能與某一主要方面有關。

景觀生態風險值的增加主要來源于水澆地、溝渠以及道路生態風險值的增加。因此，本文認為研究區生態風險增加原因可能是由于景觀結構的變化。一般來說，某地類面積增加且其斑塊密度增加，破碎度指數也相應增加。農村居民點整理通過新建大量溝渠、道路，使得面積較大的水澆地分割為規則形狀，使土地利用布局更加合理，更加方便生產。水澆地、溝渠、道路的斑塊密度以及面積都相應增加，且水澆地和溝渠受人為干擾作用較弱，脆弱度指數較高，因此，其生態風險值增加，由于這三類地類所占比重較大，導致區域生態風險增大。

4 結 論

(1) 景觀格局變化的總體趨勢為：水澆地、溝渠以及道路面積增加。居民點、坑塘、果園、菜地以及設施用地的面積相應減少。下朱莊街在居民點整理項目實施過后，表現出斑塊破碎化程度增強，連接性以及斑塊聚集性增強等特點。實現了將零散分布的居民點合理規劃，從而增加耕地面積等數量方面的目的。

(2) 生態服務價值變化上，研究區生態服務價值提高22.12%，且生態價值敏感度變化在合理范圍之內，該研究區居民點整理規劃工程考慮了該地生態功能，在考慮經濟發展需求，增加耕地面積的過程中建立了一種生態平衡合理的土地利用空間格局。

(3) 農村居民點整理工程實施后，景觀生態風險值由0.76變為1.12，研究區生態風險從較高風險區轉變為高風險區，表現出增加的趨勢。其原因可能與溝渠、道路的系統性規劃，水澆地斑塊被分割有關，在方便生產的同時，由于其面積所占比重較大，使得區域景觀生態風險增加。

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ResearchforLandscapePatternandEcologicalEffectsundertheInfluenceofRuralResidentialLandConsolidation

DENG Jing1, ZHANG Zhen1, CHEN Chen2, GAO Jin-quan3

(1.SchoolofGeologyandGeomatics,TianjinChengjianUniversity,Tianjin300384,China; 2.LiaoningProvincialAgriculturalDivisionResearchInstitute,Shenyang110034,China; 3.CenterforPopularizationofAgriculturalofTianjin,Tianjin300061,China)

Rural residential land consolidation in Xiazhuzhuang of Tianjin was taken as a case, this paper analyzed change in landscape pattern index under the rural residential land consolidation by using ArcGIS 9.3, Fragstats 3.3. Based on the ecosystem service value and ecological sensitivity analysis, the ecological effects of the project were also studied. The results indicated that the patch shape tended to be regularized, connectivity and aggregation enhanced; ecosystem service value improved 22.12%, the value of ecological sensitivity was in a reasonable range. And it showed that ecological risk value was enhanced from 0.76 to 1.12, ecological risk showed an increasing trend. This research effectively evaluated the effect of rural residential land consolidation, also provided a scientific basis for decision-making system.

rural residential land consolidation; landscape pattern; ecological risk; ecosystem service value; Xiazhuzhuang in Wuqing district of Tianjin City

2013-11-30

：2014-01-03

國家自然科學基金項目“土地質量評價的尺度效應研究”(41101536)

鄧靜(1991—),女,四川德陽人,碩士研究生,研究方向:土地利用與自然災害防治。E-mail:jackfal@163.com

張貞(1982—),女,四川宜賓人,副教授,博士,研究方向:土地利用與生態過程。E-mail:zhangzhen1227@126.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)05-0157-06