基于生態流方法的土地整治項目對農田生態系統的影響研究

郭貝貝，金曉斌，林憶南，楊緒紅，周寅康

南京大學地理與海洋科學學院, 南京 210023

基于生態流方法的土地整治項目對農田生態系統的影響研究

郭貝貝，金曉斌*，林憶南，楊緒紅，周寅康

南京大學地理與海洋科學學院, 南京 210023

將土地整治活動作為外界對農田生態系統(項目區)集中性的外部激勵，以陜西關中鳳翔縣典型土地整治項目為例，分析了項目實施前后生態流(物質流、能量流、信息流)變化狀況，建立了土地整治生態影響概念性模型，明確了相應生態流的流向與路徑關系，使用可用能法和能值法測算項目區外部輸入及生態產品輸出，應用生態流分析法，對土地整治項目生態流和系統效率進行了定量計算。根據設定的土地整治工程使用年限，評估了項目實施后區域凈生態價值、自然資源依賴度、可更新資源依賴度、生態產出率、生態承載力和生態可持續度等指標的時間變化過程。得到以下研究結果：(1)可用能法和能值法測算出的系統生態效益均呈現由項目建設初期陡降為負值，而后指數增加，再趨于平穩的過程；(2)可用能法測算出項目實施后的第29年，生態效益由虧轉盈，體現出系統從被擾亂后恢復自然平衡狀態的過程；(3)能值法測算出項目實施后的第4年，生態系統趨于平衡狀態；(4)研究區土地整治項目的經濟效益為負，于項目實施3a后趨于平穩，總投資中農業生產年投入占資金總額的78.35%。通過可用能和能值方法的結合，可以定量計算系統穩定性，為土地整治項目的物質、勞動力和資金投資選擇等提供借鑒。

土地整治；農田生態系統；生態流；可用能；能值；寶雞鳳翔

土地是人類賴以生存的基礎，是人類最珍貴的自然資源，隨著人口增長，經濟發展，以及城市化和工業化迅速推進，土地尤其是耕地，在確保糧食安全、拓展發展空間、建立生態紅線、建設美麗中國的道路上承受的壓力越來越重。土地整治是世界上許多國家解決社會經濟發展過程中土地利用問題，調整土地利用結構和布局，改善土地關系的活動和推動農村發展的政策工具[1]。在此宏觀背景下，土地整治仍將在我國糧食安全戰略方面擔任重要的角色，其具有持續性和規模性。而隨著新型城鎮化的推進，土地整治將不僅增加耕地數量、提升耕地質量，確保糧食安全，而且與新型城鎮化以及城鄉統籌發展相結合，逐步由自然性工程轉變為綜合性社會工程，成為破解目前存在的農村分散性經營與現代農業規模化趨勢之間基本矛盾的重要途徑或方式[2]。因此，土地整治一方面在增加有效耕地面積適度提升耕地質量的同時將富有更深刻的時代內涵，同時業已成為我國現階段最為顯著的土地利用方式之一。

與歐洲地區廣泛開展的，以地塊歸并、生態環境與景觀建設為重點[3-4]的土地整治相比，我國在集體土地所有制背景下，受產權制度、地塊分散等因素的影響，現階段土地整治主要以提升農田水利基礎設施水平和配套率，以穩定耕地數量和提高耕地質量為主要目標。據統計，2006—2012年，國家共安排土地整理項目15.23萬個，建設總規模829萬hm2，實現新增耕地270萬hm2，投資總額為2203.7億元，《全國土地整治規劃(2011—2015年)》進一步提出“十二五”期間，全國要完成2670萬hm2高標準基本農田建設任務[5-6]。隨著土地整治的迅速發展，相關規劃控制、技術方法[7]、環境影響、績效評價[8]等研究受到廣泛關注，但在生態影響與生態風險方面尚缺乏系統化的研究，不多的研究集中在對生態系統單要素、景觀生態影響等方面，利用定量方法進行土地整治生態影響的研究存在一定的欠缺，以持續監測數據為基礎的定量分析更為鮮見。

現階段土地整治根據建設對象和目標可以分為農用地整治、建設用地整治和區域綜合整治，其中農用地整治是當前土地整治項目的主體。在農用地整治中，對農田生態系統影響的要素包括土壤、水、植被以及生物等。在土壤要素研究方面，當前研究主要側重于土地整治工程實施過程中對土壤理化性質及相關生態過程的影響，如改變土壤結構與質地[9]、改變土壤質量、改變土壤肥力與養分循環、造成土壤侵蝕與加劇土壤退化等[10-12]；對于水要素的研究，重點體現于改變水文過程[13]、影響水環境質量[14]、影響區域水資源配置、改善水資源管理系統等[15]；在植被要素方面，主要分析對區域植被數量結構[16]和空間格局[9]的影響；對于生物與生態，主要分析土地整治區關鍵或敏感動植物及生境(棲息地)影響與變化[17]。相關研究多集中于土地整治活動帶來的項目區生態環境影響結果，較少涉及對其影響機制的分析。

土地整治涉及項目區田塊規模、地塊形狀、地塊平整度等的改變，一般引入景觀生態學中斑塊、廊道、基質、節點、網絡等概念，對由斑塊—廊道—基質構成的景觀空間格局以及相應的水、土、生物等生態過程的相互作用進行研究。如項目區灌排體系與田間道路的重新布設，將改變項目區的斑塊與廊道，引起土地整治區域土地景觀格局的變化[18]，或致田塊規整度提高、田塊連片程度提高、田塊破碎度降低[19]、廊道連通度提高、景觀復雜度降低等[20]。

土地整治生態環境影響是評價土地整治對生態環境產生正面或負面影響的生態效應，是相關研究中的熱點與難點之一。現有研究多運用生態系統服務功能價值、生態足跡[21]、生態敏感性評價等，以定量研究土地整治的生態環境影響[22]。其中生態系統服務功能價值核算多根據生態系統生態服務價值當量表及全國平均狀態的生態系統生態服務價值單價為基礎，結合土地整治生態變化特征，得到修正后的生態系統服務價值估算模型，以測算不同土地利用類型的生態系統服務功能價值。也有學者從景觀角度出發，通過土地整治后整治區的景觀結構、景觀功能的評價分析土地整治的生態環境影響[23]。

綜合而言，土地整治對項目區水、土、植被等要素的影響機制及其定量關系尚待深入。現有土地整治生態環境影響評價的方法側重于考慮某一方面的整體效應，評價測算方法較單一，未能考慮生態系統不同組分受土地整治活動的影響。考慮到中國土地整治建設特點，建立農田生態系統輸入輸出模型，采用可用能和能值的方法以單一介質進行統一定量測算[24]是系統性探索生態影響的有效途徑之一。而可用能方法[25]比能值法[26]更為系統，內涵上不僅包含了能值方法所研究的能流[27]和物質流[28]，還包含了生態系統中的信息流[29]，因此使用兩種方法結合研究更為全面。本文以陜西關中鳳翔縣開展的典型土地整治項目為例，通過可用能[30-31]和能值方法分析土地整治行為對此區域農田生態系統的生態流產生的影響，通過資金流計算來衡量研究區內的經濟效益[32]，可為生態效益提供定量的方法研究，同時采用可用能和能值方法[33]分別對比分析不同工程使用年限的土地整治工程對農田生態系統的影響，可估算土地整治建設期、恢復期和穩定期的時長，為土地整治項目規劃實施和生態建設提供理論依據。

1 方法

圖1 土地整治項目生態影響概念性模型示意圖 Fig.1 Conceptual model diagram of ecological effect of land consolidation projects

基于可用能與能值方法可使用統一量綱進行參數分析，結合清單法簡便清晰的特點，本文提出了具有生態影響量化功能以及反饋功能的生態流[34-36](物質流、能量流、信息流)分析方法，該方法包含三大部分：生態流系統模型、輸入輸出流計算和指標分析，其中生態流系統模型是基礎。

1.1 生態流模型

土地整治項目的建設行為是對農田生態系統的一種集中性外部刺激，將對項目區生態流(物質流、能量流、信息流)產生影響，其概念性模型如圖1所示，此模型從生態流的流向與路徑兩個層面來考察土地整治項目可能引起的生態流變化。土地整治項目對農田生態系統生態流輸入和輸出的影響如圖2所示，包括農田生態系統內的自然資源、人工、環境的投入和生態產品輸出等，以生態流和資金流來系統分析土地整治項目實施后，土地整治活動的一次性投入和引發整治工程設施運行期的農業生產投入變化對生態系統的共同影響[37]。

1.2 生態可用能分析

可用能又稱火用能[38-40]，生態系統中火用能是當系統由一任意狀態可逆地變化到與給定環境相平衡的狀態時，理論上可以無限轉換為任何其他能量形式的那部分能量，主要的火用能參數和表示方法為：

ηEx=Exin/Exout

(1)

式中，ηEx是指系統儲存的火用值轉化率(%)，Exin是帶動整個過程或者系統運作的火用值(J)，Exout是指過程輸出的火用值。

根據熱力學第二定律，定義生態系統中的生態火用密度為：

(2)

與同系統組分中的單位質量對生態火用的貢獻相比，壓力和溫度的貢獻十分微小，因此，為了實際應用的方便，簡化計算過程，忽略壓力和溫度對最終結果的影響，將農田生態系統中主要能量輸入和輸出之間的火用指數表示為：

(3)

式中，φ指對系統平衡影響的系數；βi指生態系統內各組分要素i的權重，可根據系統內要素的信息或某種水平上的組分含量計算，通過實驗方法獲得各部分ci的數據。

1.3 生態影響評價指標

借鑒Odum的能值研究方法，依據土地整治活動的特性和生命周期，將農田生態系統中的生態流影響的輸入和輸出分為年自然資源輸入(AN)、年購買資源輸入(AP)、一次性自然資源輸入(ON)、一次性購買資源輸入(OP)、年生態輸出(AY)和一次性生態輸出(OY)6個方面[41]。自然資源輸入光、溫、水等自然資源的，為避免重復僅計算新增耕地部分的自然資源輸入；購買資源輸入指資金、勞動力、材料、灌溉水量和技術等投入，其中一次性輸入為土地整治整個建設期的投入，年購買資源輸入為新增耕地部分的購買資源投入，具體指標如表1所示。農田生態系統是一個典型的半人工半自然的生態系統，將土地整治行為視為一個整體的外部刺激，以年為研究周期，土地整治項目邊界為系統邊界，其受土地整治活動影響具體的輸入和輸出流向和路徑如圖2所示。

生態影響評價指標參考了前人對可用能和能值的分析，反應了農田生態系統各方面的生態影響，主要的評價指標有凈生態價值、自然資源依賴度、可更新自然資源依賴度、生態產出率、生態承載率和生態可持續度[42]。而將土地整治活動以及農業生產活動中產生的資金流與生態流進行比較，為土地整治規劃的經濟效益提供數據支撐。可通過這些指標的定量計算，來評價研究區域的土地整治活動對生態環境在一定空間和時間范圍內的影響。

(1)凈生態價值

NEV=Y-I

(4)

通過比較生態輸出(Y)和生態輸入(I)的差值得到凈生態價值(NEV)，反映了土地整治行為對農田生態系統穩定性的總量影響，NEV值為正，說明土地整治對農田生態系統產生了生態效益富余，反之則對生態效益產生了負面影響。

(2)自然資源依賴度

(5)

自然資源依賴度(ND)為輸入自然資源的總和(N)與總輸入(I)之比，反映了土地整治實施后農田生態系統對自然資源投入的依賴程度，依賴度越高，說明土地整治對農田生態系統的影響越小，系統受外部刺激時的緩沖能力越強。

(3)可更新資源依賴度

(6)

可更新資源依賴度(RD)為土地整治和農業生產中對農田生態系統的可更新資源的輸入(R)占總輸入(I)的比例，反映了土地整治后可更新資源在系統運行中的重要程度，RD值越高，系統的可更新能力越強。

(4)生態產出率

(7)

生態產出率(EYR)為總生態產出(Y)與購買資源(P)的比值，反映了土地整治后農田生態系統的外部投入利用效率，生態產出率越高說明在吸引外部投入時更具有競爭力。

(5)生態承載力

(8)

生態承載力(ELR)[31,43]為購買資源(P)與不可更新自然資源(NN)的和與購買的可更新資源(PR)與可更新自然資源輸入值(NR)的和之比，反映了土地整治后農田生態系統自然資源的承載壓力，按照資源的質量(自我調節能力和可更新能力)評價系統的競爭力。

(6)生態可持續度

(9)

生態可持續度(ESR)[42,44]為生態產出率與生態承載力之比，反映了整體的生態產出和負荷，可衡量土地整治后農田生態系統的可持續發展能力，可持續度越高，系統越趨于相對穩定。

2 研究區和數據

研究區位于陜西省寶雞市鳳翔縣，是關中地區典型黃土臺塬區，涉及郭店鎮、彪角鎮和虢王鎮3個鎮的18個行政村，地理坐標介于107°23′41″—107°32′44″ E、34°22′00″—34°27′03″ N，總面積2848.96 hm2，如圖3所示。研究區地勢平坦，土層深厚，土質良好，屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候區，年平均日照時數2101.2 h，年輻射總量474.05 kJ/cm2。多年平均降水量534.1—550.5 mm，年平均氣溫11.5 ℃，平均無霜期207 d。糧食作物夏田主要以小麥、油菜為主，秋田以玉米為主，經濟作物有辣椒、烤煙、蔬菜和棉花等，植被覆蓋度為4.97%(不含農作物)，土壤類型中婁土和黃綿土面積占95%，耕地土壤熟化層一般在50cm左右，土層養分有機質含量0.5%—1.65%。除農村居民點、池塘、主干公路外，項目建設規模為2520.87 hm2，其中農用地整理面積309.37 hm2，舊居民點、磚廠、取土場、谷場等復墾117.40hm2，預算總投資4287.40萬元，主要工程建設內容包括完成覆土 6.86萬m3，修建硬質化輸水渠道67.77 km，開挖機井95眼，敷設低壓管道49.51 km，修建泥結碎石田間道37.4 km，防護林網總長112.46 km，栽樹37476株。項目2006年完成規劃設計，工程建設期為兩年。

本研究所采用的數據來源于項目規劃設計成果資料、驗收報告等項目建設資料，以及《鳳翔縣統計年鑒》(2012年)等統計資料。在整治項目驗收實施后，在所在村集體的組織下，大部分耕地通過大戶承包或引入農業生產企業進行現代化生產，主要種植糧食作物和經濟作物。具體工程施工和農業生產中物質投入和產出量計算參數如表1和表2所示。

3 結果分析

土地整治項目實施后，新增耕地面積為117.4 hm2，根據可用能轉化率計算研究區域的生態流，得出年自然資源輸入的可用能值為1.05 TJ，年購買資源輸入的可用能值為0.12 PJ，一次性自然資源輸入為0.13 PJ，一次性購買資源輸入為7.30PJ，年生態輸出為84.4 TJ，一次性生態輸出為0.30PJ。其中一次性購買資源輸入占總輸入的96.72%，但由于工程使用年限的增加，一次性購買輸入所占比例會逐漸減少。

圖3 研究區示意圖Fig.3 Location of study area

表1 土地整治對生態流影響指標體系Table 1 The index system of land consolidation on ecological flow effect

表2 土地整治施工內容和農業生產相關參數Table 2 Relevant parameters of land consolidation construction and agricultural inputs

(1)農業機械包括播種機、收割機、拖拉機等；(2)不考慮未直接參與農田生態系統內部循環的安裝設備及建設中使用的小型設備；(3)作物產量采用原耕地的產量增加值和新增耕地的產量總和計算

再分別使用可用能、能值、資金流方法對生態流的各項指標進行計算，可得出土地整治活動對農田生態系統的生態流不同時間范圍內的影響，并分析不同土地整治建設工程的使用年限下農田生態系統的凈生態價值、生態轉化率、自然資源依賴度和生態可持續度等，具體結果如圖4和表3所示。

3.1 可用能轉化率

從農業生產角度，土地整治生命周期可分為建設期、恢復期和穩定期。從可用能角度分析得出，農田生態系統是典型的半自然半人工的生態系統，在農業生產投入相對固定且其他自然條件不變的前提下，計算得出土地整治對農田生態系統的影響的自然恢復期限為29a；其中土地整治項目建設后第1年的生態負面影響最大，達到7.17 PJ，隨著時間變化可用能值呈指數遞減，實施后第4年，生態效益變化曲線出現減速變緩，凈生態價值為-1.59 PJ，自然資源依賴度為1.67%；高標準基本農田建設標準(TD/T1033—2012)中規定基礎設施使用年限不低于15a，項目實施后第15年使用可用能值法得出農田生態系統的生態產出率為67.30%，生態可持續度為5.10%，生態承載力提高為62.06，負生態效益減小速率變小；至第29年土地整治對農田生態系統的生態效益由虧轉盈，凈生態效益的可用能值為8.96 TJ，自然資源依賴度為1.45%，生態產出率為109.00%。

圖4 不同工程使用年限凈生態效益的可用能、能值和資金流變化數值Fig.4 Changes of net ecological efficiency in different project usage term of exergy, emergy and currency

表3 不同工程使用年限的生態流指標變化值Table 3 Values changes of different project usage term of eco-flow indicators

自然資源依賴度、可更新資源依賴度隨著時間增加而遞減，但變化幅度較小，仍處于1%—2%之間，一次性可更新資源輸入可用能占生態輸入可用能的比重1.69%，因此，一次性可更新資源的輸入對研究區農田生態系統帶來的影響變化較小；生態承載力和生態可持續度與時間變化成正比，變化幅度較小；凈生態價值和生態產出率隨時間變化較大，其中一次性不可更新購買資源輸入對生態系統影響很大，可見農田生態系統受土地整治活動干擾之后需要通過一定的時間才能恢復到系統自然平衡狀態。

3.2 能值轉化率

以能值方法分析結果可知，農田生態系統受土地整治活動集中性影響4a之后可達到系統相對平衡狀態，其生態效益由負轉為正值，生態效益為負時，最大值為21.02 EJ，約為可用能值的3000倍；能值法測算的生態效益變化趨勢與可用能值法相似，但土地整治對區域農田生態系統的影響其他指數變化明顯不同于可用能值法的結果；能值法計算的其他各項指標變化均于土地整治項目實施第15年之后變化減緩。能值實際上表現為一種“能量記憶”，表示所有通過系統的初級、次級生產等能量總和，而不是現實系統包含的能量[33]，所有能值投入濃縮在農田生態系統中后又被輸入到產出的糧食作物中，能值只是記錄了自然與社會生態流和資金流等的來源與去向，與農業生產過程和投入方式無關。

項目實施后第4年，生態效益轉為正值，自然資源依賴度為4.79%，可更新資源依賴度為5.42%，可見研究區內農田生態系統自我更新能力較弱；生態承載力為17.48，高于可用能值計算的結果，系統在輸入中購買資源與不可更新自然資源和的高于可更新資源的能值，反映系統輸入仍以不可更新購買資源為主。項目實施后第15年，系統能值生態產出率為188.97%，說明系統達到相對平衡一段時間后，會吸引越來越多的能量輸入，鑒于生態承載力的增加，系統自然資源和可更新資源依賴的減少，會引起年購買資源輸入的增加，如：農藥、化肥和農膜等，可能會引起新一輪的系統動態平衡變化。項目實施后的第29年，即可用能方法中生態效益轉為正值時，系統能值生態產出率高達218.76%，但增幅明顯減緩，同時自然資源依賴度、可更新自然資源依賴度和生態承載力數值趨于平穩。

3.3 資金流效率

在土地整治項目對農田生態系統資金流的輸入和輸出影響中，可從生態系統角度看出土地整治項目的經濟效益為負值，在項目實施后的第3年開始資金流的凈生態價值趨于平穩，同時生態產出率和生態承載力也趨于平穩，而生態可持續度隨著凈生態價值變為正值之后，幾乎無變化，仍為0.7%—0.9%之間；土地整治項目的資金投入并不能換取同等的產出，同時每年還需要一定的農資投入，但是考慮項目實施同時產生的生態效益和社會效益，其綜合效益是可達到收益大于投資的水平。本項目經濟效益核算中的投資回收期是3a，研究結果可證實資金流于投資回收期之后恢復相對平衡水平，其中年農業生產運行資金投入占總資金投入的78.35%，因此僅在土地整治項目實施初期對農田生態系統的資金流影響較明顯。

4 討論與結論

4.1 討論

土地整治項目的集中性實施，會對區域農田生態系統產生持續性的影響，在時間序列上，其影響會先驟變，后呈指數式變化，一定時間后變化趨勢再趨于平緩。本研究從定量角度計算得出了研究區土地整治影響的建設期、恢復期和穩定期時長，其對系統各方面的影響可通過生態指標體現。

(1)凈生態價值

土地整治項目對農田生態系統的凈生態價值影響最為明顯，可通過凈生態價值反映生態效益以及其變化過程。采用可用能或能值方法得出，研究區土地整治項目的生態影響均呈現了由項目實施初期負生態價值的陡增到指數變化再到逐漸平穩并轉變為正效益的過程，預示該區域土地整治對生態系統的影響具有長期性和動態變化的特點。不同的土地整治項目實施所帶來的影響會有差異，本研究通過凈生態價值指數分析了影響的普遍趨勢并預測了研究區的影響時間與生態系統各項變化的特征點。

(2)自然資源依賴度

研究區內自然資源依賴度在項目實施后的年份一直在變小，同時項目實施初期的基值也很小，說明該研究區內對購買資源的依賴，對比自然資源投入和購買資源投入，年購買資源輸入的可用能和能值分別約為年自然資源輸入112.7倍和30.6倍；一次性購買資源輸入的可用能和能值分別約為一次性自然資源輸入的57.2倍和16.1倍。其中年購買資源中，農藥、化肥和農膜的可能用能和能值比重較大；一次性購買資源輸入的可能用能和能值中，沙、碎石和鋼材占的比重較大，這些購買資源對生態環境具有長期的影響，但卻是土地整治和農業生產中常用的資源，因此要盡量減少此類資源的輸入。

(3)可更新資源依賴度

可更新資源是系統內不可或缺的主要資源，不僅可維持系統穩定性，還可以增加系統的可持續能力。研究區的可更新資源依賴度略高于自然資源依賴度，其中樹木輸入的可用能占總資源輸入的6.67%，生態系統內輸入的可更新資源較少，不可更新資源較多，資源輸入中不可更新資源占總輸入資源的90%以上，嚴重影響了農田生態系統的更新和恢復能力。因此，在土地整治活動中，應考慮多輸入可更新資源，例如增加項目的樹木和植被種植等，不僅提高了系統的可更新能力，還能增加更多的生態產出，有效提高系統的生態效益。

(4)生態產出率

研究區的生態產出率變化水平由低向高變化，其增長速率是逐漸降低的，超過相對穩定期(4a)和自然穩定期(29a)之后，其對應的產出率將分別高于100%，此時農田生態系統開始產生生態正效益。以能值計算的結果約是可用能的2—8倍，可見系統的有效產出率仍有待提高，可在后期的土地整治項目規劃中，將部分購買資源替換為更新能力強且能有效改善生態系統的資源輸入，例如道路和水利工程建設中使用環保的材料。

(5)生態承載力

生態承載力在土地整治項目的實施之后逐漸增加，但變化幅度較小，說明農田生態系統的承載能力需要逐漸增加才能維持穩定，這對系統的自恢復能力會產生影響，還會對部分生態效益產生抵消等。系統承載的不可更新資源和購買的自然資源的增加都將對系統的生態承載力產生影響。

(6)生態可持續度

系統的生態可持續度在整治項目實施后逐年增加，基數和變化幅度均較小，可見系統的生態可持續能力較弱，需要在農業生產過程中增加凈生態效益，提高生態產出率。由于較高的生態產出率會吸引年資源投入，因此在農業生產中，仍要減少部分購買資源的投入，特別是農藥、化肥等。

4.2 結論

本研究以可用能和能值為統一量綱，分析了土地整治項目對農田生態系統集中性資源輸入的定量影響，以及各類資源在不同使用年限的生態影響指數變化；通過分析生態流和資金流的輸入和輸出，預測各種生態影響指標變化帶來的項目建設對系統穩定性和自恢復性的影響。研究結果顯示，生態流方法能反映項目建設對生態系統動態平衡影響的機理，較為有效地分析土地整治項目對農田生態系統影響的路徑、方向和大小；通過可用能法和能值法的結合，可以較為全面地體現系統變化過程，定量預測系統相對穩定期和自然穩定期時間變化；項目實施后各生態指標變化的趨勢可提供人工修復系統的途徑，為優化土地整治項目規劃設計和實施管理提供建議。

本研究采用了生態流的概念模型，通過可用能、能值的方法定量計算土地整治項目對農田生態系統的影響，同時融入資金流以生態系統角度計算項目輸入的經濟效益。但研究案例僅局限為特地區域，仍需要針對不同區域和不同土地整治項目特點對生態系統影響進行對比分析，才能更好地為優化土地整治項目提供理論支撐，實現其綜合效益最優。

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Determining the effect of the land consolidation project on the cropland ecosystem based on the ecological flow method

GUO Beibei, JIN Xiaobin*, LIN Yinan, YANG Xuhong, ZHOU Yinkang

SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China

Ecological flows reflect the relationships among metabolism, energy conversion, information exchange, and so forth. A quantitative analysis of the development of ecological flow patterns of various parameters was performed. Based on existing exergy accounting, ecological flow networks in a typical semi-natural cropland ecosystem were analyzed, with five ecological indicators being used to evaluate the ecological effectiveness of these networks. Exergy buffers the capacity and environmental impact on cropland ecosystems. Previous studies have examined exergy effectiveness in a variety of fields, but exergy analysis has rarely been applied to assess cropland ecosystems. Research time is significant because ecosystem stability varies in different periods; hence, ecological flow results will differ. In the cropland ecosystem used for this study, we chose the time period from planting to harvest to determine eco-flows based on the life-cycle theory, and set the land consolidation project edge as the boundary. This study only considered crop growth and the impacts of human-assisted primary production. As a sudden short-term external incentive of the project cropland ecosystem area, land consolidation activities influenced ecological flow changes after land consolidation project implementation (LCPI), which included material, energy, and information flow changes. A land consolidation ecological conceptual model was built and reflected ecological flow direction and path. It used exergy and emergy accounting methods to study the external input, output, and ecological products. The study used a land consolidation project in Fengxiang County of Shaanxi Province as a case study, and applied ecological flow analysis to it to determine the intensity of ecological flow and system efficiency. Using different land consolidation project terms, this study evaluated net ecological value, natural resource dependency, renewability dependency, ecosystem productivity, ecological capacity, and ecological sustainability after LCPI. The exergy and emergy accounting methods presentedchanges to the ecological benefits process as a steep negative decline at the preliminary stage, followed by an exponential increase, and finally leveled off. Second, the exergy accounting method traced the ecological benefit losses and profit over the 29 years after LCPI in the study area was initiated, and manifested the system process recovery from chaos to natural balance. Third, the emergy accounting method demonstrated that, in the fourth year after LCPI, the ecosystem tended toward a state of relative balance, with an increase in ecological productivity and potential investment demands. Fourth, the economic benefits of the land consolidation project were negative and leveled off after 3 years, reflecting an annual agricultural production investment of 78.35%. Through the combination of exergy and emergy, the system stability was quantified and calculated. This study can be used as a reference for deciding input material, labor, capital, etc. for use in future land consolidation project planning.

land consolidation; cropland ecosystem; ecological flow; exergy; emergy; Fengxiang County

教育部博士點基金(20120091110014); 國家自然科學基金(41201386); 江蘇省普通高校研究生科研創新計劃資助項目(CXZZ13_0046)

2014- 05- 11; < class="emphasis_bold">網絡出版日期:

日期:2015- 05- 18

10.5846/stxb201405110964

*通訊作者Corresponding author.E-mail:jinxb@nju.edu.cn

郭貝貝，金曉斌，林憶南，楊緒紅，周寅康.基于生態流方法的土地整治項目對農田生態系統的影響研究.生態學報,2015,35(23):7669- 7681.

Guo B B, Jin X B, Lin Y N, Yang X H, Zhou Y K.Determining the effect of the land consolidation project on the cropland ecosystem based on the ecological flow method.Acta Ecologica Sinica,2015,35(23):7669- 7681.