生態脆弱區農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能的影響
——以四川省西昌市為例

李學東,劉云慧,李鵬山,伍盤龍,宇振榮,5,*

1 山東建筑大學建筑城規學院,濟南 250101 2 中國農業大學資源與環境學院,北京 100193 3 成都市土地整治和生態修復中心,成都 100036 4 內蒙古大學生態與環境學院,呼和浩特 010021 5 國土資源部農用地質量與監控重點實驗室,北京 100035

我國是世界上生態脆弱區分布面積最大、類型最多、脆弱性表現最明顯的國家之一[1—3]。根據《全國主體功能區規劃》,我國極度脆弱區域占9.7%,重度脆弱區域占19.8%,中度脆弱區域占25.5%,中度以上生態脆弱區域占全國陸地國土空間的55%[4]。我國的生態脆弱區大多位于農牧、林牧、農林等復合交錯帶,通常具有系統抗干擾能力弱、時空波動性強、邊緣效應顯著等多種特征；而生態系統結構穩定性差,對環境變化反應敏感,容易受到外界的干擾而發生退化是生態脆弱區的主要特征[5]。

我國的生態脆弱區通常也是經濟相對落后,人民生活貧困的地區[6—8]。該類地區農村居民點規模小、分布分散,生態環境監管薄弱；農村居民點作為生態脆弱區中主要人類活動區,成為導致生態脆弱區生態環境質量下降的重要干擾源。農村居民點整治是推進農村居民點布局優化的重要手段,在解決我國農村居民點規模小、分布分散問題中發揮著重要作用[9—11]。開展生態脆弱區農村居民點整治效益評估,對于完善生態脆弱區生態環境保護政策,優化農村居民點整治模式具有積極推動作用。

農村居民點整治效益可分為經濟效益、社會效益、生態效益3個方面。Fang等以吉林省長春市A、B村為例,對“按需分配”與“按房產分配”兩種宅基地交換公寓模式的經濟/社會效益進行了研究,結果表明：采用“按房產分配”比“按需分配”模式取得了更好的社會/經濟效益[12]。Lo等對陜西省與山西省30個扶貧安置點調查結果表明：長距離安置的經濟收益優于短途安置,但農民面臨更高的非農就業挑戰[13]。孫琦以山東省肥城市陶陽村、澗北村和張店村為例,對原地整治、異地搬遷、中心村合并3種模式的經濟效益進行了研究,結果表明：原地整治模式對農民生產基本沒有影響、異地搬遷模式產生了一定的負面影響、中心村合并模式對農民生產既有正面影響又有負面影響[14]。竇敬麗,張軍連等對北京市順義區郎中村與福建省泉州市玉美村農村居民點整治生態效益評估結果表明：農村居民點整治可產生明顯的生態效益,其價值主要受農民的收入水平、文化程度、對農村居民點整治的支持意愿等因素的影響[15]。李雙成對貴州省異地扶貧搬遷項目的經濟/社會/生態綜合效益研究結果表明：異地扶貧搬遷實現了發展與生態的雙贏,村民搬遷后經濟收入增加,并且村民搬遷后原有土地開展生態退耕,為“山水林田湖草”生命共同體修復提供了土地資源保障[16]。李倩則對南鄭縣高臺鎮12個村農村居民點整治的綜合效益進行了評估,結果表明：農民人均收入、新增耕地面積、新增建設用地指標等多項效益為正向變動,平均耕作半徑、景觀多樣性與均勻度等呈負向變化[17]。

當前農村居民點整治效益研究多關注局域尺度農村居民點整治的經濟/社會/生態效益,較少關注區域尺度農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能的影響,而關于生態脆弱區農村居民點布局優化所產生的生態效益的研究則更少。根據生態環境部印發的《全國生態脆弱區保護規劃綱要》,四川省西昌市位于我國西南山地農牧交錯生態脆弱區,該地區地形起伏大、水熱條件垂直變化明顯,土壤瘠薄、植被稀疏,受人為活動的強烈影響,區域生態退化明顯[5]。2017年,作者應西昌市政府要求,制定了西昌市農村居民點布局優化方案,并針對西昌市面臨的植被退化、水土流失、面源污染等生態環境問題,利用生態系統服務和交易綜合評估模型InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型中的生境質量評估模塊、沉積物持留率分析模塊、養分輸出率分析模塊評估了西昌市農村居民點布局優化對區域生境質量、土壤輸出量與氮(N)、磷(P)輸出量的影響。InVEST模型由美國斯坦福大學、大自然保護協會與世界自然基金會聯合開發,當前廣泛應用于區域尺度生態系統服務評估之中[18—20]。

1 研究區域簡介與數據來源

1.1 研究區域簡介

西昌市位于四川省西南部,幅員面積約2655 km2；中部為沿斷裂線發育的安寧河谷,由北向南貫穿全境,約占市域總面積的20%；兩側分布著磨盤山、牦牛山、螺髻山、瀘山等山脈,約占市域總面積的80%(圖1)。西昌市位于我國西南山地農牧交錯生態脆弱區,當前面臨著植被破壞、水土流失、山洪與泥石流災害頻發、水體富營養化等多種生態環境問題。

圖1 西昌市位置與地形圖Fig.1 Location and topographic map of Xichang City

1.2 數據來源

本研究所采用的數據庫為西昌市國土資源局提供的西昌市2015年土地利用變更數據庫,土地利用分類與全國第二次土地調查土地分類一致,坐標系采用西安80坐標系,并通過了矢量數據的拓撲檢查；高程數據精度為10 m×10 m。本研究所采用的生境質量評估模型中的干擾源信息表、不同類型生境對不同干擾源敏感性信息表,沉積物持留率評估模型中的降雨侵蝕性因子、土壤侵蝕性因子數據,養分輸出率評估模型中的不同土地利用類型N/P負荷、不同土地利用類型N/P持留率、不同土地類型達到最大養分持留率的路徑長度等相關數據均通過查閱相關文獻獲得。

2 西昌市農村居民點布局優化方案

前期研究表明：西昌市微型(0.1 hm2以下)與小型(0.1—1 hm2)農村居民點斑塊數量占到總斑塊數量的94.8%,占總面積的71.1%；農村居民點破碎化程度高成為導致西昌市生活、生產、生態三類空間質量下降的重要因素[21]。本研究根據前期研究結果,結合西昌市面臨的多種生態環境問題,制定了以農村居民點布局優化為核心的土地利用調整方案,即通過中心村建設來引導農民集中居住,減少農民生產生活對生態環境的影響。其中,高山陡坡區為西昌市生態系統服務與生態敏感性雙高的區域,農村居民點與農田逐漸向低山緩坡區與河谷平原區轉移,騰退土地開展植被恢復。低山緩坡區為西昌市“林田沖突”與“林居沖突”最嚴重區域,現狀居民點可逐漸向大于0.5 hm2,且交通便捷的農村居民點集中,騰退土地恢復為林地。河谷平原區為西昌市耕地數量-質量最高的區域,現狀居民點可逐漸向大于3 hm2,且基礎設施完善的農村居民點集中,騰退土地復墾為耕地[21]。根據西昌市農村居民點方案,西昌市三類空間面積比例變化如表1與圖2所示。其中,生活空間面積占比由原來的4.0%,下降到2.2%；生產空間面積占比由原來的25.6%,下降到25.3%；生態空間面積占比由原來的70.4%,增長到72.4%。

圖2 西昌市農村居民點布局優化前后生活-生產-生態空間面積變化Fig.2 Changes in the areas of life-production-ecological space after layout optimization of rural settlements in the Xichang City

表1 西昌市農村居民點布局優化前后生活-生產-生態空間面積比例變化

3 研究方法

3.1 生境質量評估方法

(1)InVEST生境質量評估模塊簡介

生境是指生物賴以生存的外部環境,生境質量是指生境對于生物生存的適宜程度。InVEST生境質量評估模塊可以結合研究區域土地利用狀況及導致生境質量下降的干擾源信息生成研究區域生境質量分布圖。該模塊以研究區域土地利用圖作為分析該區域生境質量的數據基礎,土地利用信息以柵格數據形式存儲,每個柵格代表一種土地利用類型。使用者根據研究的物種的不同確定哪些土地利用類型可以作為生境,并對不同土地利用類型進行賦值,最適宜的生境賦值為1,非生境賦值為0[22]。

該模塊同樣以柵格數據的形式存儲干擾源信息,以及不同生境對不同干擾源的敏感程度。某種干擾源對某種生境的相對威脅程度可以采用0—1之間的數值進行表示,1代表威脅程度最高,0代表威脅程度最低,某一干擾源對同種生境的干擾程度隨距離的增加而降低。InVEST生境質量評估模塊提供了線性函數(公式1)與指數函數(公式2)兩種方法來描述某種干擾源的威脅在空間上隨距離的衰減情況[23]。

(1)

(2)

式中,irxy為干擾源r(用柵格x表示)對某種生境(用柵格y表示)質量的影響；dxy是柵格x與y之間的線性距離；drmax是干擾源r的最大威脅距離[24]。

(2)數據來源與參數設置

利用InVEST生境質量評估模塊,開展西昌市農村居民點布局優化前后生境質量評估,需要輸入的主要數據和參數包括：西昌市農村居民點布局優化前后土地利用圖、西昌市干擾源信息表、西昌市不同生境類型對不同干擾源敏感性信息表等,各類數據的來源、格式與精度如表2與表3所示。

表2 西昌市生境質量評估模型的數據來源與參數設置

表3 西昌市生境質量評估模型干擾源信息表

3.2 水土流失狀況評估方法

(1)InVEST模型中沉積物持留率分析模塊簡介

某區域水土流失狀況主要受降雨強度、土壤特性、地形地貌、植被覆蓋度等自然因素,以及毀林開荒、農作物種植等人為因素影響。InVEST沉積物持留率分析模塊分為3個子模塊,可綜合多種自然與人文因素來模擬陸地上各類沉積物的產生、流動與匯集過程來評估不同土地利用方式下水土流失情況[27—29]。

模塊一：土壤流失量計算。采用土壤流失方程來計算每個柵格每年的土壤流失狀況(公式3)。

uslei=Ri×Ki×LSi×Ci×Pi

(3)

式中,uslei為柵格i的年土壤流失量,單位為thm-2a-1；Ri為降雨侵蝕性因子,單位為MJmmhm-2h-1a;Ki為土壤易侵蝕程度,單位為thm2hrMJ-1hm-2mm-1；LSi為坡長梯度因子,Ci為植被覆蓋與管理因子,Pi為水土保持措施因子。

模塊二：土壤持留量計算。該模塊通過計算每個柵格的連通性指數(IC)來推算土壤持留率,計算方法如公式4—6所示。連通性指數描述了沉積物的源和匯之間的水文聯系,IC值越高,源頭的土壤侵蝕越有可能流入匯中。某柵格的IC值與其上游匯水區屬性(Dup)和下游匯流路徑屬性(Ddn)有關,如果該柵格上游區域面積大、坡度緩、植被覆蓋度高,則Dup值較低,沉積物進入河流的可能性較低。同樣,如果該柵格與下游水體間的匯流路徑長、坡度緩、植被覆蓋度高,則Ddn較低。

(4)

(5)

(6)

模塊三：土壤輸出量計算。柵格i的土壤輸出量和流域出口處總土壤輸出量根據公式7—8計算。

Ei=uslei×SDRi

(7)

E=∑iEi

(8)

式中,Ei為柵格i的土壤輸出量,為該柵格中每年實際進入水體的土壤總量,單位為 thm-2a-1；E為流域內總的土壤輸出量,單位為 thm-2a-1。

(2)數據來源與參數設置

利用InVEST模型中的沉積物持留率分析模塊開展西昌市農村居民點布局優化前后土壤流失量評估,需要輸入的主要數據和參數包括：西昌市數字高程模型、農村居民點布局優化前后土地利用圖、流域劃分圖、降雨侵蝕性因子分布圖、土壤侵蝕性因子分布圖等,各類數據與參數如表4所示。

表4 西昌市沉積物持留率評估模型的數據來源與參數設置

圖3 西昌市土壤質地、有機物含量、降雨侵蝕因子與土壤易侵蝕性因子分布圖Fig.3 Distribution map of soil texture, organic matter content, rainfall erosivity and soil erodibility in Xichang City

3.3 水體污染負荷評估方法

(1)InVEST養分輸出率分析模塊簡介

該模塊根據物質守恒定律,描述了N、P等營養物質在空間中的運動,共分為4個子模塊。與更復雜的養分模型不同,該模型通過經驗關系反應養分在空間上的長期-穩定流動,忽略了養分循環細節[31—34]。

modified.loadxi=loadxi×RPIxi

(9)

RPIi=RPi/RPav

(10)

式中,RPIi為柵格i的產流系數,RPi為柵格i的降雨量,RPav為流域內年平均降雨量。每個柵格的營養負荷可以分為沉積物約束部分和溶解于水中部分,前者代表通過地表或淺層地下徑流輸送的養分,后者代表通過地下流輸送的養分。

模塊二：地表養分持留率計算。InVEST模型中養分輸出率分析模塊利用養分輸出率來反映上游柵格到下游柵格的養分輸出量。其中地表流養分輸出率計算方法如公式11—12所示。

(11)

(12)

式中,IC0和k是校準參數,ICi是地形指數,NDR0,i是下游柵格未持留的養分比例。該模塊將沿著水體流動路徑,根據每種土地利用類型之間的總距離,計算每個柵格對養分的持留量。來自同一土地利用/覆蓋類型的每個柵格將為總持留率貢獻較小的值,直到達到給定土地利用類型的最大養分持留率為止。

模塊三：地下養分持留率計算。NDR模型中地下養分持留率采用公式13計算：

(13)

式中,effsubs為地下流最大養分持留率,無量綱；lsubs為地下流達到最大養分持留率的最大匯流路徑距離(m),li為柵格i到溪流的匯流路徑長度(m)。

模塊四：流域養分輸出量計算。柵格i的養分輸出量和流域出口總養分輸出量按公式14—15計算：

“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索?！弊鳛槭姓こ谈苯浝砑婵偣こ處煹乃偰苌硐仁孔?，沖在市政工程項目的最前列，面對困難，廢寢忘食變成了他的常態，直到解決團隊所面臨的難題，才肯休息。這樣的工作方式，讓他早早地彎了腰，少了發。沒有人不在乎自己的外貌，但是這個黝黑的漢子卻依然奮斗在工程的第一線。

xexpi=loadsurf,i×NDRsurf,i+loadsubs,i×NDRsubs,i

(14)

(15)

式中,xexpi為柵格i的養分輸出量,loadsurf,i為柵格i的地表年平均營養負荷,NDRsurf,i為柵格i的地表養分輸出率,loadsubs,i為柵格i的地下年平均營養負荷,NDRsubs,i為柵格i的地下養分輸出率,xexptot為流域總養分輸出量。

(2)數據來源與模型參數設置

利用InVEST模型中的養分輸出率分析模塊開展西昌市農村居民點布局優化前后水體污染負荷評估需要輸入的主要數據和參數包括：西昌市數字高程模型(DEM)、農村居民點布局優化前后土地利用圖、西昌市流域劃分圖、西昌市年降雨量分布圖、不同土地利用類型N/P負荷、不同土地利用類型N/P持留率等,各類數據與參數的數據來源、格式與精度如表5所示。

表5 西昌市水體污染負荷評估模型的數據來源與參數設置

4 研究結果

4.1 生境質量評估結果

農村居民點布局優化前,西昌市生境質量平均得分為0.58分,生境質量較高的區域主要位于高山陡坡區,生境質量較差的區域主要位于低山緩坡區與河谷平原區(圖4)。農村居民點布局優化后,西昌市低山緩坡區和河谷平原區生境質量得到大幅提升,高山陡坡區生境質量也有所改善,西昌市生境質量平均得分變為0.71分,較農村居民點布局優化前提高了22.4%。所以,西昌市農村居民點布局優化方案中通過推進小型與微型農村居民點向大中型農村居民點的集聚,以及開展退耕還林、增加農田半自然生境等各類措施,可以有效的減少農民的生產生活對生態環境的干擾,提高生境質量。

4.2 水土流失狀況評估結果

西昌市磨盤山、牦牛山、螺髻山的溝谷地帶是最易發生水土流失的區域。該區域距離水體匯流路徑較近,并且匯流路徑兩側分布有大量的小微型居民點與坡耕地,農民的生產生活易導致植被破壞與土壤擾動,引發水土流失(圖4)。農村居民點布局優化前西昌市總的土壤侵蝕量為9795.2×104t/a,土壤流入水體量為698.6×104t/a；農村居民點布局優化后西昌市總的土壤侵蝕量為9522.2×104t/a,土壤流入水體量為666.2×104t/a。農村居民點布局優化后土壤侵蝕量下降了2.8%,土壤流入水體量下降4.6%。

4.3 水體污染負荷評估結果

西昌市安寧河谷兩側的山谷地帶地勢較陡、坡耕地數量多、農村居民點破碎化程度高,為西昌市單位面積N、P輸出量最高的區域。安寧河谷平原區為西昌市N、P輸出總量最高的區域,但該區域地勢相對平緩,單位面積N、P輸出量相對較少(圖4)。農村居民點布局優化前西昌市N、P負荷為934.2、209.4 t/a,流入水體的N、P負荷為199.6、57.5 t/a。農村居民點布局優化后流域內N、P負荷為894.3、197.3 t/a,流入水體的N、P負荷為173.5、52.8 t/a。農村居民點布局優化后相較于農村居民點布局優化前N、P總負荷分別下降4.3%與5.8%,流入水體中的N、P負荷分別下降13.1%與8.2%。

圖4 西昌市農村居民點布局優化前后生態系統服務功能評價結果Fig.4 Evaluation results of ecosystem service functions before and after the layout optimization of rural settlements in Xichang City

5 討論

5.1西昌市農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能影響機制

世界是普遍聯系的統一整體,任何問題的出現通常不是單一因素引起的,而是系統內部多種要素共同變化的結果。本研究對西昌市農村居民點與農田破碎化過程、植被破壞過程、山洪與泥石流災害發生過程、水體污染過程等多種景觀過程進行了綜合分析,研究結果表明：農村居民點破碎化是導致西昌市農田破碎化、植被退化、山洪與泥沙流災害頻發、水土流失、水體污染、景觀視覺質量下降等多種問題的關鍵因素(圖5)。農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能的影響體現在以下三個方面。

圖5 西昌市景觀綜合過程分析Fig.5 Integrated landscape process in Xichang City

(1)農村居民點數量與面積的減少,降低了森林火災、土地開墾等植被破壞事件發生的概率。

實地調查發現,森林火災是導致西昌市植被退化的關鍵因素,而火災成因多為燒荒開荒、燒牧場、烘烤食物、吸煙、烤火、小孩玩火等人為因素。例如,2019年2月12日,西昌市黃水鄉鹿鶴村六組發生森林火災,過火面積17 hm2,火災起因是黃水鄉鹿鶴村6組村民用打火機焚燒雜草引發(圖6)。農民毀林開荒、毀林建房也是導致西昌市植被退化的重要人為因素。西昌市“林田爭地”與“林居爭地”現象普遍,而農村居民的破碎化使得生態管護難度與成本增加,森林防火和植被保護難度增大(圖7)。

植被破壞進一步導致生境質量的下降與生物多樣性的喪失,加上西昌市具有“山高坡陡,降雨集中”的地貌與氣候特征,使得西昌水土流失嚴重,山洪與泥石流災害頻發。農村居民點布局優化后農村居民點數量下降,小型與微型居民點對生境的干擾減少,降低了森林火災、土地開墾等植被破壞事件發生的概率；所以,生境質量評分提高了22.4%。另外,農村居民點布局優化后林地面積的增加,耕地與農村居民點面積的減少導致土壤侵蝕量下降,而徑流匯流路徑兩側退耕還林與退居還林使得土壤流入水體量進一步減少；所以,農村居民點布局優化后西昌市土壤侵蝕量下降了2.8%,土壤流入水體量下降4.6%。

圖6 2019年2月12日西昌市黃水鄉森林火災(圖片來源：涼山州電視新聞網)Fig.6 Forest fire in Huangshui Township on February 12, 2019 (Photo source: Liangshan TV and News Network)

圖7 西昌市“林田爭地”與“林居爭地”現象Fig.7 Forest land occupied by farmland and rural settlements in Xichang City

(2)農村居民點數量與面積的減少,降低了垃圾回收成本與污水處理成本,N、P輸出量下降。

西昌市小型與微型農村居民點數量多、分布廣,導致農村基礎設施建設成本高,環衛設施與污水處理設施覆蓋率低,農村垃圾回收成本高,生活污水處理率低,水體面源與點源污染嚴重。農村居民點布局優化后,小型與微型農村居民點數量與農村居民點總面積下降,將使有限的基礎設施建設資金實現更高的環衛設施與污水處理設施覆蓋率。所以,農村居民點布局優化后西昌市N、P總負荷分別下降4.3%與5.8%,流入水體中的N、P負荷分別下降13.1%與8.2%。

(3)農村居民點數量與面積的減少,降低了農田破碎化程度,有助于鄉村景觀風貌的提升。

農村居民點破碎化增加了農田孔隙度與農田道路密度,成為導致西昌市農田破碎化的主要因素之一。農田破碎化進一步導致西昌市農業生產機械化與專業化水平低,加上西昌市人均居民點面積大,農田面積占比小,成為制約西昌市農業發展的重要因素。另外,農村居民點破碎化使得西昌市開闊田園景觀區減少,致使鄉村景觀風貌受損；二是農村居民點破碎化使得村莊規劃與管理成本增加,村莊形式及色彩多樣,視覺效果差。所以,農村居民點布局優化有利于降低西昌市農田破碎化狀況,提升鄉村景觀風貌。

5.2 研究不足與展望

通常伐木者多沿道路進行樹木的砍伐,以方便木材的運輸,所以農村道路是導致森林質量下降的重要干擾源。西昌市隨著農村居民點數量與面積的減少,村莊與村莊之間道路密度也將逐漸降低。所以,西昌市農村居民點布局優化除了可以直接減少對生境質量的干擾外,也可以通過降低村落間道路密度來間接對生境質量產生影響。但是,隨著農村居民點數量的減少,農村道路密度的變化預測難度較大。所以,本研究僅分析了農村居民點布局優化對區域生境質量的直接影響,忽略了因農村道路密度下降而帶來的間接影響。與生境質量評估類似,本研究僅考慮了農村居民點布局優化對土壤侵蝕量與土壤流入水體量的直接影響,忽略了人為干擾降低、生境質量提升等間接因素對西昌市土壤侵蝕量影響。關于N、P輸出量的分析,本研究也忽略了農田集中連片程度提高帶來的施肥效率增加對西昌市N、P負荷的影響。

另外,本研究未能定量化分析農村居民點布局優化對耕地質量與景觀視覺質量的影響,相關研究者可進一步定量化分析農村居民點布局優化對多種區域生態系統服務功能的綜合影響,以及不同生態系統服務功能間的相互作用,明確農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能影響機制。

6 結論

四川省西昌市位于我國西南山地農牧交錯生態脆弱區,當前面臨著植被退化、水土流失、面源污染等多種生態環境問題。通過開展中心村建設,來引導小型與微型農村居民點向大中型農村居民點聚集,西昌市生境質量平均得分可提高22.4%,土壤輸出量下降4.6%,N、P輸出量下降13.1%與8.2%。所以,農村居民點布局優化有利于生態環境脆弱區生態系統服務功能的提升。

農村居民點布局優化后,農村居民點數量與面積的減少,降低了森林火災、土地開墾等植被破壞事件發生的概率,成為促使西昌市生境質量提升的主要原因；而農村居民點與農田面積下降,林地面積的增加是導致西昌市土壤輸出量與N、P輸出量下降的主要原因。農村居民點數量減少,可降低垃圾回收成本與污水處理成本,從而促使 N、P輸出量進一步下降。

本研究忽略了農村道路密度下降對西昌市生境質量的間接影響,人為干擾降低、生境質量提升等間接因素對西昌市土壤侵蝕量的影響,以及農田集中連片程度提高帶來的施肥效率增加對西昌市N、P負荷的影響。另外,本研究未能定量化分析農村居民點布局優化對耕地質量與景觀視覺質量的影響,相關研究者可進一步定量化分析農村居民點布局優化對多種區域生態系統服務功能的綜合影響,以及不同生態系統服務功能間的相互作用,明確農村居民點布局優化對區域生態系統服務功能影響機制。