由單一走向多樣：平原農業區生物多樣性保護的規劃途徑
——以遼寧省黑山縣為例

賈一非 王云才

人類社會最緊迫的挑戰之一是減緩全球生物多樣性的喪失和滅絕的速度，這也是亟待解決的聯合國可持續發展目標的重要一環[1]。農業區作為生物多樣性喪失最快的區域，是當前研究的熱點之一。大量研究表明，農業景觀中的植被、節肢動物、鳥類、哺乳動物等多樣性已嚴重降低，并且損害了生態系統服務的運作[2]。在過去的幾十年,全球對于農業生物多樣性保護的研究從物種特性(數量、規模、分布等)逐漸轉變為農業區景觀結構特征，如歐盟實施的自然2000計劃(Nature 2000)，強調保護高自然價值的農業景觀有利于區域生物多樣性的提高。Gagic等發現農業區非農棲息地特征比物種特性更有利于預測生物多樣性[3]；Nadja等認為農業景觀的空間異質性對生物多樣性有著較強的影響[4]，同時相關研究對農業系統設計、種植方式、管理與補償模式等與生物多樣性的關系進行了探討[5]。隨著生態文明建設提升到 “五位一體”總體布局的戰略高度，研究農業區的生物多樣性規劃成為國土空間規劃的重要任務[6]。國內通過施行一系列宏觀保護政策和計劃，關注農業區物種保護，包括建立保護區、種質資源庫、基因育種等[7]，農業區生態規劃集中在生態修復、多功能的農業園區建設等方面，對于生物多樣性的空間規劃研究較少[8]。生物多樣性保護仍面臨著對農業生境認知和保護力度不足、缺乏完善技術體系、補償政策不清等問題。合理的景觀規劃手段，有助于構建穩定安全的生態屏障，對農業區域生境保護和多樣性的提升是一種行之有效的途徑[9]。故有必要將各學科相關研究整合在一個框架內，形成平原農業區生物多樣性規劃的理論基礎。

1 生態智慧引導下的平原農業區生物多樣性規劃的思考

1.1 平原農業區對生物多樣性的影響機制

平原農業景觀在多個方面影響著區域生物多樣性，主要體現在空間、時間和功能3個維度[10]。

在空間維度上，空間的組成和結構異質性影響生物多樣性。在區域尺度上，田地被合并和擴大，以提高耕作效率，形成了均勻的農田景觀，導致自然、半自然棲息地比例下降；在景觀尺度上，農田之間的邊界變得模糊，原有棲息地之間的連通性消失，趨于碎片化與隔離。空間結構異質性指的是不同景觀類型組合方式的差異，如近似的2塊農業區域，由于景觀斑塊的形狀、數量、邊界長度等差異，形成空間結構的異質性，其主要在景觀尺度上通過影響農田邊界的長度及非農棲息地特征而對生物多樣性產生作用。

在時間維度上，平原農業景觀隨著時間的變化逐漸呈現出破碎化和簡化的態勢。以黑山縣為例，一方面，隨著人口和糧食需求的增加，農業區中的河道、濕地和林地被農田占用，部分自然棲息地轉變為建設用地；另一方面，技術的發展促進了規模化和機械化的種植，導致農業區生態質量的下降。

在功能維度上，農業景觀的不同空間為多種生物提供食物、庇護場所、遷移廊道等功能[11]。但由于物種類型之間需求的差異，難以對空間做出功能維度的細致劃分[10]。綜上所述，時間維度是形成空間和功能的主要驅動力，同時空間的分異又影響了功能的差異，因此，農業區生物多樣性的規劃應關注于不同空間組合與構成、不同空間尺度下對于生物多樣性的影響。

1.2 由單一走向多樣，生態智慧引導下的新選擇

平原農業區在空間維度上改變了原有多樣化的土地覆蓋類型和景觀結構，同時景觀組成和結構異質性在不同尺度上影響著物種分布和生態系統服務，這些影響也會反作用于農業生產，造成產量下降。以上問題的本質是抽象的人地關系的體現，根源在于人地關系的失調。故解決平原地區生物多樣性問題的本質在于解決人居、生產與生態空間之間的耦合關聯，以實現人與自然和諧相處的目標[12]。生態智慧作為深層生態學(Deep Ecology)中重要的理論，是人類生產和生活中主張“天人合一”處理與自然關系的思維模式和實踐準則，其從時間和空間2個維度，運用生態理論對生態問題做出剖析，并結合科學的方法做出正確的實踐指導[13]。故生態智慧有助于理解農業區作為與城市類似、但影響相對單一的社會-生態系統(Socio-Ecological Systems，SES)構成的復雜性，以及農業空間對生物多樣性影響的復雜性。

由于現有研究多局限于生物物種的保護措施，空間規劃相關的研究方法不明晰，故亟待探索新的方式，即由單一物種考量轉向結合景觀空間變化，處理人地關系平衡的生態智慧。主要體現為生態智慧引導、問題分析、實踐途徑、優化提升4個方面：1)明晰自然、人居和生產空間之間的關系，以及實現和諧相處的最終目的；2)剖析農業區在多維度對生物多樣性的影響機制，從而實現對區域內生境類型的識別，明確景觀空間異質性對于生物多樣性的影響及評價方法，實現對于現有空間的整理和認知；3)提升現有生境的質量，提高生態系統服務水平；4)考慮不同空間維度下生物多樣性需求的差異，制定針對性的優化提升策略。根據以上研究和生態智慧的指引，形成以農業區景觀要素的多樣化的識別為基礎，空間異質性評價為依托，多尺度空間優化措施為手段的研究框架(圖1)，以減少集約化農業對于生態系統的負反饋。

2 平原農業區生物多樣性規劃方法

2.1 研究區域與數據來源

黑山縣位于遼寧省西部，隸屬錦州市，全縣面積2 497.09km2，是“全國商品糧基地縣”。境內河流皆為繞陽河水系，水資源豐富；林地面積較小。縣域西部為醫巫閭山余脈，多低山、丘陵，中部及東南部為沖積平原。研究所用數據及來源包括遙感影像、土地利用類型圖、林地植被類型圖(黑山縣自然資源局/林業局，時間2019年)，DEM數字高程(美國地質勘探局Landsat 8，時間2020年1月，空間分辨率30m)，夜間燈光數據(美國國家環境信息中心網站NPP-VIIRS，時間2020年1月，空間分辨率500m)。

2.2 多樣化生境的識別

農田景觀是由農田和自然生境(如林地、河流、草地、溝渠等)斑塊形成的鑲嵌體[14]。研究顯示，高強度、集約化生產的農田景觀，自然斑塊較小，界定和保護難度較大，如何識別其范圍與類型顯得十分重要。現有主要識別方法包括：1)土地覆蓋分析法；2)農業系統分析法，通過對農業數據的分析提取潛在生態空間指標；3)物種信息分析法，通過區域指示性物種識別生境的空間范圍[15]。同時不同的生境類型對生物多樣性的影響各不相同，如水田和灌溉時期的水澆地，通常被視為人工濕地，相比旱地具有較豐富的物種類型。農田景觀中的林地所具有的不同樹種搭配、林齡及更新周期、林分演替、林地面積等特征對生物多樣性影響不同[16]。本文選用土地覆蓋分析法，根據實地調研和土地覆蓋遙感數據，將區域內生境按照各自特征精細劃分，本文生境可分為6個一級生境和23個二級生境(表1)。

表1 研究區域生境類型和特征描述

2.3 平原農田生境綜合質量評估

現有研究將景觀異質性(Landscape Heterogeneity)作為定量評估農業生物多樣性的重要指標，景觀空間結構與組成是在區域和景觀尺度上主導生物多樣性格局的重要因子。在評估空間異質性時一般從3個方面進行，包括空間尺度、景觀單元、要素的結構與特征[17]。本文選用景觀格局指數(Landscape Indices or Metrics)來量化在區域和景觀尺度的異質性[18]。區域尺度異質性主要體現在景觀空間組成多樣性即人工、半自然、自然空間比例，選取指標為香農多樣性指數(Shannon's Diversity Index，SHDI)、香農平均指數(Shannon's Evenness Index，SHEI)，景觀分離度(DIVISION)和蔓延度指數(Landscape Contagion Index，CONTAG)；景觀尺度上的空間結構影響生物多樣性，即景觀元素的空間密度、形狀、位置等，選取指標為斑塊密度(Patch Density，PD)、散布與并列指數(Intersprsion Juxtapsition Index，LJI)、最大斑塊指數(Largest Patch Index，LPI)、斑塊數量(Number of Patches，NP)。使用Fragstats 4.2軟件中的移動窗口法(Moving Windows)，經過測試選取粒度為30m、幅度1 000m為最優參數[14]。在地塊尺度選取生境質量(Habitat Quality Index，HQI)指數來表示斑塊之間相互作用的權衡，該指數通過InVEST模型的生境質量模塊(Habitat Quality Module)計算，根據現有研究成果并參考InVEST說明書[19-20]，確定生境威脅因子影響距離與生境適宜性及敏感性矩陣。將以上數據作均一化處理(1～100)，構建多尺度生境質量指數(Multiscale Habitat Quality Index，MHQI)，即：

其中，

式中，LHa為區域空間異質性指數；LHb為景觀空間異質性指數；＊為歸一化后的值；α、β、γ為貢獻度常數，一般根據研究區域的景觀現狀，通過層次分析法確定，本研究中α=0.2，β=0.2，γ=0.6。

2.4 平原農業區生態廊道與生境斑塊識別

在區域尺度下識別潛在生態廊道，構建生態網絡，對于物種在棲息地之間的移動和多樣性的提升具有重要的作用[21]。現有研究中利用最小成本路徑(Leastcost-path Method，LCP)來確定斑塊間潛在廊道的重要性，但該方法被多個研究指出，其模型限制于單個最優路徑，計算較為煩瑣，且不能完全反映物種或基因的隨機流動性[9]。電路模型結合隨機遷移理論和圖論的優點，通過將電阻、電流、電導率等物理量賦予生態學含義后運用于生態網絡的識別，在一定程度上解決了以上問題[22]。因此，本文以生境識別為基礎，使用基于圖論的Conefor 2.6軟件計算生境斑塊的整體連通度指數(Integral Index of Connectivity，IIC)和可能連通度指數(Probability of Connectivity，PC)來量化生境間維持或改善連通性的相對重要性，按照當地常見的鳥類的飛行半徑作為連通距離閾值(Distance Threshold，DT)，如鳳頭??(Podiceps cristatus)、白鷺(Egretta garzetta)[23]，選擇1～15km為鳥類搜索半徑，1km為間隔，共15個距離閾值進行測試計算，經過計算與比較，選擇4km為最佳閾值[9]，引入斑塊重要性指數dI均分權重，其計算公式為[24]：

式中，dI為斑塊重要性指數；dIIC為斑塊整體連通度指數；dPC為可能連通度指數。選取因子構建阻力面(表2)，使用Linkage Mapper V 2.0中的Pathways Tool識別潛在廊道，Centrality Mapper計算斑塊中心度和廊道電流密度，Pinchpoint Mapper識別廊道中關鍵夾點[23]。

表2 阻力面構建參數

3 研究結果

3.1 生境識別結果

研究區域內生境分布如圖2，具體為人工生境，農田類總面積為1 976.15km2，占總面積的79.1%，是區域中最主要的生境類型；建設用地類總面積為263.81km2，該區域中人為活動的擾動較大。自然生境、林地類總面積為138.33km2，僅西北具有較大成片的林地，其他區域孤立分布；東北部防風林網較多，總長883.21km，沿農田和道路分布，寬度約10m左右，其可作為連通棲息地的重要廊道。農田內具有大量用來灌溉的溝渠，總長度約為874.5km，其兩側可作為生物棲息的場所；坑塘主要存在于農田或靠近農村居民點，用來旱季儲水或養殖，其可作為生物遷徙和流動中的踏腳石(stepping-stone)[11]。

圖2 黑山縣生境類型識別結果

3.2 整體生境質量評價

基于景觀格局指數的空間異質性評價顯示，在區域尺度上空間異質性較高的區域主要在人口集中的西南部、防風林與農田組合的東北部，以及林地較多的西北山地(圖3-1)；在景觀尺度上，異質性較高的區域主要是中部和東北部農田區，該區域農田生境斑塊占據主導地位，造成了斑塊散布程度、密度和數量的指數較高(圖3-2)。由以上可知，景觀指數在一定程度上可以評價景觀空間的異質性，但缺乏對于生境之間相互作用程度的考量。在基于InVEST模型的生境質量評價中，耕地和建設用地作為主要的威脅，生境質量較高的區域主要為面積較大的水庫區，部分河道、林地及東部的水田(圖3-3)。同時，公式(1)統籌以上的評價結果得到區域生境質量(圖3-4)，區域內大面積的農田拉低了整體生境質量，生境質量較高的區域孤立分布且面積較小，其位置與已識別的自然生境位置較為吻合，結果具有一定的可信度。

圖3-1 研究區區域空間異質性

圖3-2 研究區斑塊空間異質性

圖3-3 研究區斑塊生境質量

圖3-4 研究區區域生境質量

3.3 研究區生境格局優化

在最優距離閾值4km下，以區域生境質量評價為基礎，選取dI值大于0.5、面積大于5hm2的自然斑塊80個，總面積為34.42km2，作為生物遷徙和棲息的生態源地；識別源地間潛在廊道208條，長度為42～34 975m，其主要沿河流、溝渠、林網分布(圖4-1)。基于斑塊中心度和廊道電流密度，對所識別的廊道和斑塊進行分級(圖4-2)，其中，廊道電流強度集中在33～474A之間，選取大于177.62A的為重要廊道，共34條，總長度為68.88km；選取大于127.93A的為一般重要廊道，共44條，總長度為244.22km；同時選取中心度大于200的33個斑塊為重要生態源地，同時發現中心度越高的斑塊其所連接的生態廊道越多。重要生態源地主要分布在西北丘陵區，以中心度最高的龍灣水庫為中心，向北連接蛇盤山風景區、老官水庫，向東連接黑山子，向西連接醫巫閭山，形成了密集的生態網絡；高密度電流的生態廊道主要集中在東北、西北、東南3個區域范圍內，南北雖有連通，但廊道電流密度相對較低，也同時說明由于中部區域生態源地的缺乏。夾點區域的識別結果顯示(圖4-3)，關鍵夾點區域主要分布在農田邊緣區且靠近農村居民點，對照遙感影像發現，80%以上的重要夾點區域與河道、溝渠、坑塘或防風林網位置重合(圖4-4)，說明農村居民點的建設對于原有廊道空間的干擾對物種遷移造成了一定的阻力，同時溝渠、坑塘和防風林可以作為生態廊道的重要載體。

圖4-1 生態源地與潛在廊道識別

圖4-2 斑塊及廊道重要性分級圖

圖4-3 廊道關鍵夾點識別

圖4-4 衛星圖對照研究

4 平原農業區生物多樣性保護規劃途徑

4.1 保護和恢復核心生境質量

由圖4-2可知，重要的生態斑塊主要有3種類型，即以B2、B3、B7、B13為代表的西北部淺山區自然林地；以B4、B10為代表的靠近農村居民點的林地；以B1、B5、B6、B8、B11為代表的開放水域。B3區域是巫醫閭山東側邊緣地帶，由于城鎮的建設和農田的侵占，其林地質量和面積逐年降低，故對該類型斑塊應加強林木撫育、建設緩沖帶，禁止農田對林地的繼續侵占；同時構建廊道連接B15，加強與行政邊界外的生態空間的聯系。B1作為飲用水源保護區，有著較好的生態質量，斑塊中心度最高，是多種生物的棲息場所，但其他水域斑塊的生態質量參差不齊。如緊鄰農田和居民點的B4、B10、B11等區域，其受干擾程度大，植被稀少，在對該類型空間在加強防護的同時，應建設圍村圍屯林地，以協調人類活動干擾與生態本底之間的矛盾為關鍵，將原有的破碎斑塊(B6、B10、B13)整合連通，形成完整的生態空間。B16區域不是本次識別的重要生態斑塊，其現狀是一片水田，該區域原為饒陽河濕地中心區，后因歷史原因被農田侵占，且該區域在國土空間規劃所劃定的濕地生態紅線之中，故應在規劃中恢復其濕地屬性。

4.2 “營林造盤”構建農業平原生態廊道重要夾點

根據圖4-3、4-4可知，研究區內大量夾點區域位于靠近農村居民點的生態空間。同時現有村鎮體系中鄉村生活空間的生態屏障不完整，對自然空間產生多重的污染與干擾。故需整合破碎化的林斑林帶，完善圍村、護村的林盤建設；將村鎮間低效的耕地、破碎的宅基地退耕還林；沿現有溝渠和坑塘布局林帶，形成多樣化的林盤空間，形成生態宜居的基本村鎮單元(圖5)。尤其是研究區的中間地帶，增加該類型的生態斑塊，有助縮短廊道長度，提供物種棲息場所和遷徙的踏腳石。

圖5 “營林造盤”模式

4.3 構建多網共生的棲息地網絡

根據圖4-2可知，重要廊道C1～C6，一般重要廊道C7～C12，一般廊道C13～C30與主要的河流、防護林網、溝渠和坑塘位置接近或重合，具有較強的可實施性。同時河流、防護林網、溝渠是農田景觀中生物多樣性最為富集的邊緣區域。故結合30條可規劃實施的潛在生態廊道，依托林網、水網、溝渠網體系串聯坑塘和林盤單元，形成具有平原農業特色的生態基底，為生物多樣性的提高營造了基礎環境(圖6)。其中依托于水網的廊道作為網絡的骨架結構；依托林網的廊道需要完善現有道路和河流周邊的核心林帶，完善沿道路和溝渠建設的防護林網；同時加強坑塘體系建設，使其成為區域物種的密集區與中心區。

圖6 多網共生的棲息地網絡構建及分類效果圖

5 結論與討論

平原農業區集約化的生產方式給區域的生物多樣性帶來了挑戰，通過景觀規劃的方式提高平原農業區多尺度的空間異質性，構建多樣化的生境和廊道是有效的解決手段。本研究的結論具體為以下幾方面。

1)不同生境對于生物生存的影響有著較大的區別。本文通過辨別農田的種植模式，林地的樹木種類、農業區水域的不同功能、農業區建設用地類型，將研究區域的生境類型分為23個生境。其中坑塘、溝渠功能為農業生產，但對于平原農業區生物多樣性的促進具有一定的潛力。同時需要注意的是，農村居住用地和城鎮居住用地相比，對于生物多樣性的威脅較低。

2)本研究結合景觀格局指數和生境質量評價發現，區域內整體生境質量不佳，高質量區域面積較小且分布孤立，農田是影響整體生境的主要原因。景觀格局指數對于區域景觀異質性的描述不能夠完全代表該區域的景觀生境的質量，從而對生物多樣性的提升做出決策，主要原因在于景觀格局指數只能反映斑塊之間的數量關系、空間關系等，不能反映斑塊之間內在生態層面的相互影響。故引入生境之間相互作用的關系權衡作為補充，可使研究較為完整。

3)本研究以“源地-廊道-節點”的生態空間構建范式優化平原農業的生境格局。識別生境源地80個，潛在生態廊道208條，并根據其重要性做出分級。同類型的研究將文獻或實際觀測的生物(鳥類、節肢動物等)空間分布與所識別的廊道和源地進行比照，可以進一步提高結果的可信度，但本研究可參照的數據較少；同時本文將鳥類的飛行半徑作為連通距離閾值，是因為在區域尺度上鳥類對于生態空間的連通性特別敏感，且相關數據的獲取更為容易[25]；但在更小尺度上，相關研究通常采用節肢動物如蝴蝶、蜜蜂等作為指示物種，研究其遷徙的路徑和物種豐度，作為廊道研究分布的補充[14]，但本文由于數據的限制未考慮此部分。斑塊B15所處的區域林地面積較大，實際生境質量較好，但在Linkage Mapper計算的中心度較低，未選擇其為重要斑塊，由于該模型對于中心度數值的計算依賴于與其他斑塊的連接數量，該斑塊所處的位置為行政區劃邊緣，影響了最終結果。本研究所識別的關鍵夾點區域靠近農村居民點，與河道、坑塘、溝渠、林地等生境重疊，通常為農田的邊緣區域，受到農村居民點的干擾。同類型的研究也證實了以上結論，夾點區域通常位于不同類型景觀的邊緣區域，同時受到干擾較大，如道路切割、建設用地占據等[9]。

4)最后提出了多尺度的平原農業區生物多樣性保護規劃途徑，包括保護和恢復核心生境，構建“營林造盤”的生態廊道關鍵夾點，形成以林網、水網、坑塘網為依托的生境體系。除了空間規劃之外，農業生產管理也對生物多樣性有著重要的影響。豐富的種植模式在增加斑塊內異質性的同時，避免由于種植單一農作物而造成的病蟲害，以及過量化學品的施用造成的經濟和生態損失。后期的研究還需針對農業系統提出生產的多樣性規劃，鼓勵發展立體農業技術，促進生態系統物質循環穩定，提高生物多樣性。

注：文中圖片均由作者繪制。