基于生態特征與問題聚類識別的平原農業區鄉村生態修復策略
——以遼寧省黑山縣為例

盛 碩 王云才

快速城鎮化和農業發展對城鄉生態空間造成干擾，帶來生態空間破碎化、自然河流水文調節能力降低、動植物棲息地喪失等一系列問題，威脅糧食生產和人居安全。在平原鄉村地區，農業生產和礦產開發等類活動帶來的生態干擾是降低生態系統韌性的主要原因。全球范圍內，農業生產系統正在對植被、水體、生物多樣性和氣候帶來干擾。耕地的擴張侵占林地、濕地，中國約42.14%的濕地被耕地復墾侵占，尤其是東北地區[1]。同時，糞肥和殺蟲劑的使用引發面源污染[2]，對生物繁衍產生負面效應甚至超過城市化[3]。聯合國17個可持續發展目標提出，建設適應氣候變化和氣象災害的可持續糧食生產體系(SDGs2.4)，確保可持續的農業生產系統。鄉村地區的非農業生態空間可以提高景觀多功能性，減輕農業生產與生態保護的沖突[4]，通過生態修復，建立適應性強的綠地網絡是實現鄉村地區可持續農業生產的途徑之一。

1 平原農業區鄉村生態修復思考與邏輯

1.1 鄉村生態修復具有層次性和在地性

國際生態恢復協會(SER)定義生態修復為協助恢復已經退化、受損或被破壞的生態系統的過程[5]，包括結構的恢復和功能的提升[6]。通過積極干預和有效行動，恢復生態系統產品和服務的流動，促進關鍵性生態過程的持久[7-8]。作為應對生態退化的對策，生態修復已被納入國際生物圈計劃，目前中國啟動的一系列生態修復項目貢獻了全球綠色增量的25%，有效減緩了全球森林資源喪失[9]。

隨著“美麗鄉村”“鄉村振興”等政策提出，鄉村生態空間價值的管控和修復受到關注。現有研究涉及村莊人居環境優化提升、山水林田湖草綜合治理、鄉村整體生境保護與提升等多個方面[10]。相比城市化區域，鄉村空間生產、生活和生態融合更為緊密，三生空間協調發展成為難題[11]。國土生態修復注重宏觀尺度上的區域性、系統性、整體性和綜合性，強調三生空間的協作發展，成為保障鄉村生產和生態安全的探索方向[12]。國外學者有相似的觀點，認為鄉村景觀受到農村經濟的強烈影響，農業生產系統中的生態空間被部分決策者當作違背生產目標的存在[4]。針對鄉村生態修復的相關研究集中在植被群落多樣性恢復和生物棲息地重建等方面[13]，其中景觀規劃被研究者認為是整合社會、經濟、文化的途徑[14]。

鄉村生態修復旨在平衡生態-生產-生活間的關系，保障區域生態安全和農業生產。有效的鄉村生態修復規劃不僅僅是對生態受損斑塊的植被恢復，還需要在理解鄉村生態斑塊、廊道和人類棲息網絡間水文地質過程的前提下，恢復山水林田湖草之間的生態聯系[15]。與城市生態修復類似，鄉村生態修復受到生態和地理特征制約，具有尺度性和層次性，可以從3個層次展開[7]。1)受損生態斑塊修復：鄉村生態修復的最基本層次，作用于具有明確生態問題的生態斑塊，僅在本層次展開的修復對整體生態系統積極性有限。2)生態修復單元整體修復：類比生態單元的概念，界定生態特征和問題類似的區域為生態修復單元，是鄉村生態修復的中間層次。生態修復需立足單元的生態問題和生態功能，統籌各單元間的生態關系。3)城鄉生態功能保障：鄉村生態空間是廣大城鄉區域的基底，統籌三生融合是生態修復的最終目標，亦是其他層次鄉村生態修復策略擬定的依據。生態修復應從更大的視角切入，對城鄉生態網絡進行整體性修復和穩固。

在景觀設計中，在地性主張依托場地的自身特征和本土風貌，尊重原有要素進行設計凝聚，鄉村生態修復亦是如此。在多層次的生態特征定位和生態問題分析后，受損斑塊的修復工程應依托其所在生態修復區開展。而面向處于不同生態區位、承擔不同角色、受到不同類型和程度干擾的生態修復區，修復策略應當尊重自然過程，針對其生態問題，強化其與其他單元的關聯，增強農業生態系統整體韌性。

1.2 遵循自然過程的平原農業區鄉村生態修復邏輯

平原農業區涵蓋我國多個糧食產區，其生態空間以半自然林網、林地、河流等生態斑塊和廊道為主，是維持自然過程和保障農業生產的生命系統[16]。自然過程是生態系統中有形或者無形的作用力(風、水等)作用于環境后所形成的發展和變化狀態[17]，遵循自然過程的生態修復是維持平原農業鄉村生態系統健康、實現城鄉生態功能保障這一目標的基礎，需厘清平原農業空間和嵌套其中的自然生態空間的相互作用(圖1)，通過生態修復建立和諧的生態-生產-生活互動關系。

圖1 平原農業區鄉村生態修復邏輯

1.3 面向生態問題的平原農業區生態修復實踐框架

相比高原、山地農業生產區，平原農業區擁有廣袤平坦的適耕土地，有利于大規模集約化糧食生產。然而，該區域自然特質平淡，生態干擾強度低、范圍廣，不易察覺，需仔細研判。耕地擴張侵占生態空間是該區域自然過程失調的根源：河流溝渠系統可以為農業生產提供水源，具有水源涵養和水土保持的上游林地及河漫灘萎縮后，河流水量變小，流速放緩；而水土流失加劇帶來的泥沙沉降導致河道變窄，雨水調節能力降低，對農業面源污染的消減能力減弱，直接威脅糧食生產。圍村圍田的防護林網系統可有效防風護沙，對生產和生活安全至關重要。此外，它們作為候鳥和野生動物的棲息地，起到維持生物多樣性的作用。

基于平原農業區域的生態修復邏輯框架，構建本研究的技術路徑，即面向生態問題的平原農業區生態修復框架(圖2)，包括生態特征與功能認知-生態問題識別-在地性生態修復。生態特征與問題認知目的在于認識研究區域在更大尺度空間中承擔的主要功能及與外界的生態聯系，是實現鄉村生態修復第3層次目標的前提。通過分析該地主導生態系統服務、生態失衡的外在表現和內在原因，認知主要自然過程和關鍵生態要素。第2步為生態特征與問題聚類識別，是關鍵的橋接步驟。生態問題復雜多樣難以直接描述，本研究在劃分研究樣本基礎上，抽象關鍵生態要素占比為評價指標，聚類具有共性生態問題的樣本為修復單元，定量表達生態問題。第3步為生態修復單元劃分與策略指引，對應鄉村生態修復第2、3層次，將受損生態斑塊的修復納入整體生態循環恢復的框架中，在保障各修復區生態安全的基礎上，滿足城市和區域未來發展的需要。

圖2 平原農業區鄉村生態修復框架

2 黑山縣生態特征與生態問題

2.1 研究區域概況

黑山縣位于遼寧省西部，醫巫閭山脈與松遼平原的過渡地帶，北部多低山丘陵，東南部為沖積平原，擁有煤礦和膨潤土礦資源。境內繞陽河水系呈枝狀南北延伸，溝渠沿主要水系梳狀平行蔓延(圖3)。黑山縣四季分明，雨熱同季，年降水量為556.3mm，時空分布不均，春旱和局部夏澇易發。作為“全國商品糧基地縣”“全國糧食生產先進縣”，縣域耕地面積占全縣總面積的68.8%[18]，擁有典型的平原農業景觀。

圖3 黑山縣生態特征概況

2.2 黑山縣生態特征與生態問題認知

黑山縣生態空間以林地和自然河流為主，在耕地基底上，防護林網沿河流、溝渠、道路和田埂分布，林斑多位于丘陵，或圍村、圍田分布，平原林網體系具有雛形。保障糧食生產是其承擔的主要生態功能，充分且清潔的水資源供給是實現這一功能的基礎，以自然河流為骨架的水文循環過程是該地區的主導自然過程(圖4)。水系上游山體、林地承擔水源涵養功能，周邊的濕地-林網系統提供水源和生物棲息地，農業灌溉修建的溝渠-坑塘體系將自然水系引入農田，調節旱澇時空不均。農業與采礦造成的山體植被破壞和生態濕地退化是黑山縣自然過程的主要干擾，主要生態問題如下。

圖4 黑山縣主導生態過程

1)水文調節能力降低，旱澇時空分異加劇。縣域自然降水和地下水儲量皆呈現東南多、西北少的特征。山體植被受損導致雨季地表徑流存蓄和下滲量減少，水土流失將泥沙帶入河流溝渠系統，河道與干渠行洪空間變窄，水文調節能力降低，加劇東南地區夏澇和西北地區春旱現象。

2)林地連續性差，面源污染難以防護。截至2020年，黑山縣森林覆蓋率僅為16.5%。防護林網、林斑空間分布不均，連續性差，破碎度高，加之自然水系兩側河漫灘濕地被耕地侵占，沿河缺乏連續的生態屏障，農業耕種帶來的面源污染威脅自然水系和生物棲息地的安全。

3)礦產資源粗放開采，礦坑裸露塌陷。煤礦和膨潤土的粗放開采破壞山體植被，形成裸露礦坑。位于丘陵地帶的煤礦開采區引發地面塌陷和滑坡、崩塌等地質災害，且具有污染溢流風險，威脅周邊人居空間和生態空間安全。

基于上述分析，本研究認為，對黑山縣生態修復具有關鍵意義的生態要素包括水網、林網、山體、耕地，其面臨的主要干擾為人居網絡干擾、旱災、洪澇、水土流失、礦坑與采礦塌陷。依據黑山縣第3次全國國土調查數據和自然災害數據，將上述9類因子的空間分布整合為分辨率為5m的柵格數據，作為生態問題識別的依據。

3 基于指標聚類的黑山縣生態特征與問題定量識別

將定性的生態問題定量化是本步驟的關鍵，恰當的樣本劃分是實現這一目標的前提。樣本是定量計算和制圖的基本單元，其分割方法、尺度、形狀等會對研究結果產生影響。現有研究通常直接采用土地利用柵格作為單元，或通過行政區、小流域、網格等方式對研究區域進行切分。然而，土地利用單元邊界過于破碎，不利于較大尺度的規劃管理；小流域、山脊線等自然邊界不適于特質平淡的地區，網格、行政區等則會將生態問題不同的斑塊納入同一樣本，不利于在地性問題識別。本研究將深度學習領域中常用的多尺度分割引入風景園林規劃制圖單元，基于研究區域的關鍵生態要素和生態問題空間分布規律切分樣本。進一步將生態特征和生態問題相似的樣本進行聚類和制圖，實現生態特征和生態問題的聚合與空間表達。

3.1 基于eCognition多尺度分割的研究樣本劃分

圖像分割是深度學習中面向對象的高分辨率影像解譯常用的預處理方法，基于多光譜數據特征和給定分割準則，將影像分割為具有相似特征的切片，不同切片光譜特征有差異[19]。基于eCognition的多尺度分割方法以異質性最小為原則，依據波段信息采用模糊分類法將像元聚類為多邊形對象[20-21]。基于此，當將多光譜對象由常用的衛星影像變為研究區域的關鍵生態要素時，則可用于劃分研究單元，實現保障樣本內的一致性和樣本間的差異性的目的。

多尺度分割首先需要構建多光譜柵格數據集。采用ArcGIS波段合成工具，將對黑山縣生態修復具有關鍵意義的生態要素和干擾要素整合為多光譜數據，導入eCognition Developer 9.0軟件。第2步為設定波段權重，經過團隊討論和專家評價，強調水網、林網在縣域生態空間中的主導性，賦權重為2，其余波段為1。最后調試分割參數，設定試驗尺度為10～100，步長為10，固定形狀權重為0.1，緊湊度為0.5。對比輸出結果，當分割尺度為50時，黑山縣域被分為3 969個研究樣本，尺度適宜，生態差異性明顯，可用于生態特征與問題的定量化識別。

3.2 樣本生態特征和生態干擾特征統計

劃分研究樣本后，需統計每個樣本中各要素的空間占比，表征其生態特征面臨生態干擾的程度，基于ArcGIS中的分區統計功能實現。例如，利用河流溝渠面積占比表征單元內水網的生態重要性，利用水土流失面積占比表征單元內受水土流失影響的程度。將上述統計結果整合為數據集，供聚類使用。

3.3 樣本生態特征和干擾特征的空間聚類

聚類是機器學習中常用的非監督分類方式，依據研究樣本各維度指標，將給定數據集劃分為若干類簇，同類研究單元內部差異盡可能小。在本研究中，通過關鍵要素占比聚類，實現同組樣本生態特征接近、受到生態干擾類型和范圍相似，而不同組樣本間或生態特征有差異，或面臨不同生態問題。

K-Medoids是聚類中最常見的算法，采用歐氏距離作為相似性判斷的準則，該算法取樣本中最靠近中心的對象，對異常值較不敏感[22]，PAM(Partitioning Around Medoids)是其最常用的實現方式。假設將包含N個i維度研究單元的數據集劃分為K類，各聚類中心點為Ok。首先，在所有樣本中隨機選擇Ok，逐一計算剩余點M到Ok的歐氏距離，將M分配給距離最近的Ok所在類，得到初始聚類。然后，隨機選M來替代Ok，記為OM，計算替代前后剩余點到中心點距離變化情況，判斷OM是否優于Ok，迭代上述步驟至收斂[22-23]。本研究中上述步驟在R中實現，數據集含3 969個樣本，被9個維度所描述。聚類前采用最小均方誤差法初判類別數。經多次試驗，當K值為8時各聚類特征清晰，冗余信息少，因此將樣本分為8組具有不同生態特征和問題的聚類。

3.4 各聚類生態特征與生態問題識別

經過關鍵生態要素識別和聚類，黑山縣縣域被劃分為8類生態特征和生態問題鮮明的聚類。圖5、6分別展示各聚類的空間分布和生態要素指標值特征。結合實地調研，總結各聚類的生態特征、生態問題和生態修復目標(表1)。

表1 各聚類生態特征、生態問題與修復目標歸納

圖5 各聚類的空間分布

圖6 各聚類關鍵生態要素指標值特征

4 生態修復單元整合與在地性修復策略

4.1 基于自然過程的生態修復單元整合途徑

在明晰各聚類的生態特征和生態問題基礎上，基于自然過程，聚合生態區位、功能和問題相類似的聚類為生態修復單元，一方面承擔保障城鄉生態功能的高層次目標，另一方面指導具有突出生態問題樣本的在地性修復。

自然水循環主導了黑山縣水資源分布，西北部為河流上游保育區(聚類3、6、7和8)，山體植被修復和河流濕地重建是保障水源的前提。東南部平原位于水系下游(聚類4、5)，防止水土流失和增加生物多樣性為目標的河漫灘濕地建設是修復重點。水網-林網-人居網絡復合系統構筑了黑山縣生態基底，面對旱澇分異加劇對農業生產的威脅，疏通生態微循環是生態修復的核心。西北丘陵旱災多發(聚類6、7、8)，需修筑山前蓄水池和蓄水坑塘；東南側多洪澇災害(聚類4、5)，需疏浚河流溝渠，恢復水系微循環，構筑林網籬笆體系，緩解面源污染。此外，結合實地踏勘和聚類分析的結果，關注各聚類中特有的生態問題(如聚類8中的煤礦開采問題)，進行針對性修復。基于上述分析，劃分黑山縣域為6個生態修復單元(圖7)，提出針對性修復策略，整合為整體生態網絡規劃(圖8)。

圖7 黑山縣生態修復單元劃分

圖8 黑山縣總體生態網絡規劃

4.2 各生態修復單元的在地性修復策略

1)生態基底單元：籬笆體系建設與水網修復。

該區域包括聚類1、聚類2中除縣城建設區以外的樣本，地勢平坦，以耕地為主。區域內自然河流南北延伸，溝渠平行分布，植被覆蓋度較低。修復目標以生產、生活產生的面源污染治理為主，加強平原綠色籬笆體系的建設和水網-林網的融合共生是該區域修復的主導策略。通過林地修復和溝渠疏通，構建圍村圍田的平原林帶體系和連通性高的溝渠灌溉體系。修復自然水系兩側生態濕地，削弱面源污染影響(圖9-1)。

2)城鎮建設單元：生態屏障建設與景觀優化。

包括聚類2中縣城建設區及其周邊生態關聯緊密的樣本，是黑山縣城市建設和人居活動最為頻繁的區域，鐵路和河道穿城而過。受上游水土流失影響，建成區河道淤積嚴重，生態功能降低；鐵路生態屏障不連續，干擾人居生活。構建生態-游憩廊道體系，營造良好人居環境為該片區修復目標。在河道清淤的基礎上，恢復其兩側濕地構建濱水游憩帶；完善人居防護體系，在鐵路、工業區、礦坑周圍建設生態屏障(圖9-2)。

3)上游保育單元：濕地修復與水土流失治理。

該區域以聚類3中的樣本為主，地勢平坦，林網較為密集。水土流失是這一區域主要存在的生態問題，河流上游的區位加劇了這一問題對黑山縣水文循環過程的影響。生態修復實踐需在河道清淤的基礎上，在河流沿線重構濕地植被群落，保水育林，防止水土流失現象加劇(圖9-3)。

綜上所述,在內分泌科晨交班中開展sbar交班模式,可提高護士專業水平,建立和諧的醫護團隊,提升醫療護理服務質量,促進患者安全。因此,在晨交班中應普及推廣sbar交班模式,縮短交班時間,提高交班質量。

圖9 各生態修復單元修復策略圖9-1 生態基底圖9-2 城鎮建設圖9-3 上游保育圖9-4 平原低地圖9-5 丘陵淺山圖9-6 礦坑恢復

4)平原低地單元：溝渠體系構建與洪澇調節。

該區域主要包含聚類4、5中的樣本，是縣域海拔最低的區域，受降水和地形的雙重影響夏澇較嚴重，而水網不成體系、河道淤積與河漫灘退化降低了坑塘體系的調節能力。因此，提出疏通溝渠網絡、連接坑塘體系、恢復濕地植被的生態修復策略，促進水文循環過程的恢復，緩解夏澇災害(圖9-4)。

5)丘陵淺山單元：山體植被修復與雨水存蓄。

該區域主要包括聚類6、7中的樣本，是縣域水源涵養的重要源地，植被以灌草地為主，滯水固土能力弱，水土流失較嚴重，春旱頻發。因此，需修復山體植被，通過退耕復綠和種植本地樹種，依托自然演替營造多樣化植被群落；還需完善坑塘體系，依據雨季地表徑流模擬，在低洼處和徑流匯集處設山前蓄水池，緩解春旱的同時，營造小微濕地生境(圖9-5)。

6)礦坑恢復單元：裸露礦坑修復與污染防治。

該區域以聚類8中的樣本為主，地勢起伏大，林地覆蓋率高但質量不佳，亦為重要的水源涵養地。煤礦開采和村鎮建設使其生態問題復雜，包括春旱、裸露礦坑與塌陷、局部水土流失等。生態修復首先保障人居安全，對露天礦坑、采礦區和塌陷區進行植被恢復，建設生態屏障，防止污水和地質災害外溢。對碎片化耕地退耕還林，完善坑塘體系以調節雨水時空不均(圖9-6)。建成區周邊多處膨潤土礦開采遺留礦坑亦屬該區，蓄水成湖，形成獨特景觀。對廢棄礦坑進行群落恢復的基礎上，擇景觀獨特的尾礦打造礦坑公園，為尋常景觀增加變化。

5 結語

在保障糧食生產的要求下，平原農業地區農業生產對生態系統產生威脅，阻斷維持鄉村地區生產生活安全的自然過程，造成的負面影響甚至超過城市。農業生產對生態環境和氣候變化具有依賴性，依托自然過程和針對生態問題的生態修復是協調生態-生產-生活關系的關鍵。本研究在厘清鄉村生態修復相關理論的基礎上，將其劃分為受損生態斑塊修復、生態修復單元整體修復和城鄉生態功能保障3個層次，分析遵循自然過程的平原農業鄉村生態修復邏輯，構建面向生態問題的平原農業區生態修復實踐框架，并以典型的平原農業鄉村區域——遼寧省黑山縣為例進行了實踐研究。在定性認知研究區域生態問題基礎上，通過多尺度分割將縣域劃分為3 969個研究樣本，聚類為生態特征與問題各異的8類，并結合其空間特征，聚合為6個生態修復單元。進一步，分析各修復區承擔的生態功能和生態關聯，制定在地性修復策略，將受損生態斑塊修復納入鄉村生態單元整體修復中，保障農業生產和人居生活需求，直接指導當地生態修復，具有實踐價值。

相比高山丘陵地區，平原農業地區往往生態特質不突出、生態問題不明顯，多為長期農耕活動對生態空間侵占和破壞累積導致。因此，生態特質分析和生態問題診斷尤為重要，識別主導自然過程和關鍵生態問題則是提出有效生態修復策略的保障。本研究采用定量分析與定性解讀相結合的途徑，為鄉村生態空間認知和生態修復規劃提供依據。在單元劃分時，采用多尺度分割方法，將破碎的生態要素和生態干擾規整為樣本，確保樣本內部的均質性和樣本間的差異化，為后續分析打下良好基礎。在生態修復單元識別時，定量化的聚類分析直觀表達出研究區域的生態特征和核心生態問題，而對自然過程的定性認知則幫助確定各聚類對保障區域生態功能的獨特作用，是關聯各樣本在地性修復策略和區域生態功能保障的橋梁。研究的理論和實踐框架在鄉村地區生態修復實踐中具有推廣價值，尤其是生態特征和問題不突出、難以直觀認知的平原農業區。

注：文中圖片均由盛碩繪制。