农村居民点整理影响下的景观格局及其生态效应研究

邓 静, 张 贞, 陈 晨, 高金权

(1.天津城建大学 地质与测绘学院, 天津 300384;2.辽宁省发展和改革委员会农业资源区划研究所, 沈阳 110034; 3.天津市农业技术推广站, 天津 300061)

农村居民点整理影响下的景观格局及其生态效应研究

邓 静1, 张 贞1, 陈 晨2, 高金权3

(1.天津城建大学 地质与测绘学院, 天津 300384;2.辽宁省发展和改革委员会农业资源区划研究所, 沈阳 110034; 3.天津市农业技术推广站, 天津 300061)

以天津市武清区下朱庄街农村居民点整理工程为例，采用ArcGIS 9.3和Fragstats 3.3数据分析平台研究工程影响下景观格局指标的变化规律；并进一步将生态系统服务价值计算同敏感度分析结合，探讨工程影响下的生态效应。结果表明：项目实施后，斑块破碎化程度增强，连接性以及斑块聚集性增强；生态服务价值提高22.12%，且生态价值敏感度变化在合理范围之内；景观生态风险值由0.76变为1.12，研究区生态风险从较高风险区转变为高风险区，表现出增加的趋势。该研究有效评价农村居民点整理的实施效果，为后期农村居民点整理决策制度提供科学依据。

农村居民点整理; 景观格局; 生态风险; 生态服务价值; 天津市武清区下朱庄街

面对我国当前城镇化进程加快，城市建设用地不断扩张，农村居民点分布零散、大量闲置，耕地利用效率低等问题，农村居民点统一规划的要求不断被提出，农村居民点整理项目的重要意义日益突显。推进农村居民点整理是实现耕地总量动态平衡、改善农民生活和生产环境的重要途径, 也是新农村建设的重要手段之一[1]。农村居民点整理主要是运用工程技术以及调整土地产权，通过村庄改造、归并和再利用，使农村建设逐步集中、集约，提高农村居民点土地利用强度，促进土地利用有序化、合理化、科学化，并改善农民生产、生活条件和农村生态环境[2]。该项目不仅有利于推动我国城镇化进程，统筹城乡发展，更加有利于减少农村建设用地浪费，拓宽城市发展空间，从而达到土地资源集约利用的目标[3]。目前，国内学者对农村居民点整理的研究主要集中于其整理潜力分析[4-6]，也有不少学者对其整理模式进行了探讨[7-8]，而较少研究该工程对区域景观格局及其生态环境的影响。

因此，本文以天津市武清区农村居民点整理规划工程为例，在研究该工程实施前后景观格局变化、生态服务价值变化的过程中，结合对研究区生态风险的研究分析，综合评价该研究区农村居民点整理的实施效果。对农村居民点整理后的研究区进行动态监测与科学评价，使农村居民点整理能够真正成为实现统筹城乡发展、实现城乡一体化的重要决策。

1 研究区概况及项目整理情况

1.1 研究区概况

武清区位于天津市西北部，海河水系下游，东经116°46′43″—117°19′59″，北纬39°07′05″—39°42′40″。下朱庄街位于武清区南侧，气候介于大陆性气候和海洋性气温的过渡带上，属于暖温带半湿润大陆季风气候，年均气温11.6℃，年降水量为578 mm，年际间降水量变化较大，是造成干旱和洪涝的主要原因。其地形为轻微起伏的冲击平原。

1.2 项目整理情况

下朱庄街农村居民点整理自2006年起，通过在镇区新建居住小区，将居民宅基地复耕为耕地，使分散的村庄向镇区集中发展，从而增加耕地面积。整理范围主要为下朱庄街西部，将北运河沿岸的下朱庄、高楼、高王院、白疙瘩、太平庄5个村庄迁入南北辛庄后整理成耕地，南北辛庄仍整理为建设用地，整理内容包括田块、水利设施、防护林、道路以及电力设施5部分。

2 研究方法

2.1 数据来源

以研究区农村居民点整理前土地利用现状图和规划图(1∶2 000)作为基础数据，使用ArcGIS 9.3作为数据处理平台，利用景观格局计算软件Fragstats 3.3对本文所选取的景观格局指数进行计算。

2.2 景观格局指数的选取

景观格局指数能够很好地反映景观格局变化，通过景观格局分析软件Fragstates 3.3可计算多项景观指标，但不同指标之间具有高度相关性。本文主要研究居民点整理前后，其景观破碎化、规则度、分离度、聚集性等变化。因此，在类型水平上，选取斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块形状指数(SHAPE_MN)、面积加权平均斑块分维数(FRAC_AM)、斑块结合度指数(COHESION)、聚集度(AI)6个指标；在景观水平上，选取斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、平均斑块形状指数(SHAPE-MN)、面积加权平均斑块分维数(FRAC-AM)、斑块结合度指数(COHESION)、分离度(SPLIT)、聚集度(AI)、香农多样性指数(SHDI)、香农均匀度指数(SHEI)9个指标[9-10]。具体指标计算方法以及含义如表1所示。

2.3 生态效应研究

本文从生态服务价值和景观生态风险两方面反映农村居民点整理工程影响下的生态效应。其中生态服务价值主要反映生态系统服务在经济上的功能和效益[13]；景观生态风险主要用于描述一个样地内综合生态损失的相对大小[14]，以便对研究区的景观风险值变化进行监测。

2.3.1 生态服务价值变化分析 生态服务价值理论阐述了生态系统的各种服务功能及其价值的量化方法[15]。为了方便对区域不同土地利用类型的生态服务价值进行量化，认为生态系统服务的功能与效益能够通过货币量化来体现。根据Costanza等人研究并提出的生态服务价值系数，对武清区下朱庄街所涉及的土地利用类型进行赋值，具体赋值情况[16-17]：水浇地、菜地、设施农用地属于农田/耕地类(cropland)，其生态服务价值系数为92 $/(hm2·a)；坑塘水面、沟渠属于湖泊/河流类(Lakes/rivals)，其生态服务价值系数为8 498 $/(hm2·a)；果园属于林地/园地类(Temperate/boreal)，其生态服务价值系数为302 $/(hm2·a)；道路以及居民点属于城镇用地，因此，其生态服务价值系数为0。

运用Costanza等人研究得出的生态服务价值的估测方法(公式1)来计算研究区居民点整理前后生态服务价值。其计算公式为：

(1)

式中：ESV——研究区总的生态服务价值量($)；Ak——研究区第k类土地利用类型的分布面积(hm2)；VCk——生态价值系数，即单位面积上第k类土地利用类型的生态服务价值[$/(hm2·a)]。

在对单位面积上某种生态系统中某单一的生态服务功能价值进行估测时难免会出现偏差，不同尺度下生态系统的生态服务价值有所不同。因此，本文就研究区的生态服务价值进行敏感度检测，用于表征某地类生态价值系数变化后所引起的总生态系统服务价值的变化[18]。在原有Costanza模型的基础上对各土地利用类型的生态服务价值系数上下各调整50%[19]，计算并对其波动状况进行研究分析，其计算公式如下:

(2)

式中：ESV——研究区总的生态服务价值量($)；VC——生态价值系数；i，j——最初的生态价值系数和调整后的生态价值系数；k——土地利用类型；CS——敏感度。

2.3.2 景观生态风险分析 本文通过构建景观干扰度指数[20]和脆弱度指数[21]来构建生态风险指数，建立景观格局与区域生态风险之间的联系，从而对该区域景观动态变化下的生态风险进行计算分析[22]。其中，干扰度指数由景观破碎度、分离度和优势度等指

标构建[23]，具体计算公式在此不做描述；脆弱度指数根据前人研究并结合本文实际得出，研究区内8种景观类型所代表的生态系统脆弱度从高到低依次为：沟渠8、坑塘7、水浇地6、果园5、菜地4、设施农地3、居民点2、道路1，并对其做归一化处理[24]。

通过上述景观格局指数，计算景观生态风险指数,其计算公式为：

(3)

式中：Ai——研究区景观类型i的面积；A——研究区景观总面积；Ri——景观损失度指数，其值为景观干扰度指数Si与景观破碎度指数Fi之积[20]。

表1 景观格局指数计算公式及含义说明

3 结果与分析

3.1 景观格局变化分析

3.1.1 类型水平上景观格局动态变化分析 下朱庄街景观格局在类型水平上的变化如表2所示，由于其果园、菜地、设施农用地面积所占比重小，居民点经整理后面积减小，景观格局总体表现出规则化增强，分散性减小趋势，且各项景观指数变化不大，因此本文不对这4种地类再做分析。以下为水浇地、沟渠、道路以及坑塘水面的景观格局指数所表征的农村居民点整理过后的变化情况：水浇地斑块密度增大，最大斑块面积指数减小，说明农村居民点整理将大块水浇地进行分割；平均斑块形状指数减小、面积加权平均斑块分维数略微减少，说明水浇地受人为影响程度加大，斑块形状趋近于规则化；斑块结合度指数几乎不变、聚集度指数有所增加，说明水浇地经整理后聚集性略微增强。水浇地的变化情况与居民点整理的目的密切相关，其聚集度指数增加与水浇地面积增加有一定联系。

道路和沟渠景观格局变化形式大致相似，其斑块密度增加，最大斑块面积指数减小，说明通过重新规划新建道路和沟渠，使得农村道路增加，沟渠体系更加完善，布局更加合理；其平均斑块形状指数和面积加权平均斑块分维数减少，说明人类干扰程度的增加使得斑块自我相似性增强，几何形状趋近于简单化[25]；斑块结合度指数以及聚集度指数增加，说明农村居民点整理加大了道路之间以及沟渠之间的连接性，大大提高交通便捷性，方便农业生产。

表2 下朱庄街类型水平景观格局变化

坑塘水面的斑块密度增加，但最大斑块指数变化不大，说明在对沟渠进行整理的过程当中，可能存在部分废弃或面积较大的沟渠转化为坑塘，使得其斑块密度增加；平均斑块形状指数减小，说明农村居民点整理使坑塘更加规则化；斑块结合度指数和聚集度几乎没有变化，说明坑塘的连接性没有发生变化。由坑塘景观格局指数变化情况可得，坑塘除斑块密度外，其他指数并没有发生较大变化，说明坑塘不是该研究区整理的重点内容。

3.1.2 景观水平上景观格局动态变化分析 从表3可以看出，在农村居民点整理后，研究区景观格局有所变化。斑块密度(PD)增加、最大斑块指数(LPI)降低，说明通过新建沟渠、道路以及对水浇地进行分割，使得研究区整体斑块密度增加。由表2下朱庄街类型水平上的景观格局变化可得，除水浇地外，其他类型的斑块密度均呈现增加的趋势，水浇地变化对整体景观格局变化影响最大，这也与水浇地在研究区所占面积最大有关。平均斑块形状指数(SHAPE_MN)略微减小，说明从整体上来说，斑块形状更加规则，由表2了解到，各土地类型平均斑块形状指数均有一定减小，斑块形状表现出受人为干扰作用增强，最终使得景观水平上研究区斑块形状趋近于规则化。斑块结合度指数(COHESION)略微增加，说明其斑块空间连接性增强，而讨论其原因，主要由于沟渠和道路的系统性规划，加强了其连接性。聚集度(AI)有所增加，分离度指数(SPLIT)大大降低，说明土地整理通过将细碎斑块进行合并以及新建沟渠、道路，增加斑块聚集程度，使得斑块间分离程度降低。香农多样性指数(SHDI)取决于斑块类型的多少，其值增加而研究区内土地类型没有发生变化，说明各土地类型所占比例差异增大[25-26]。从表4居民点整理前后土地利用类型面积变化可以看出，水浇地、道路以及沟渠的面积有较为明显的增加，且所增加的面积主要来源于居民点面积的减少。香农均匀度指数(SHEI)增加，且值更加趋近于1，说明各斑块类型在景观中的分布更加均匀。

表3 下朱庄街景观水平景观格局变化

3.2 生态效应分析

3.2.1 生态服务价值估算 引用上文所述公式(1)，结合生态服务价值系数对研究区的土地利用类型进行赋值并计算。下朱庄街总面积为85.85 hm2，由于土地利用类型的相互转移，导致整理前后生态服务价值共增加了11 426.96$，说明生态服务功能总体上得到提高，区域生态环境得到提升。在整理过程中水浇地生态服务价值共增加了240.12$；整理前后坑塘水面的面积呈减少趋势，相比土地整理前减少了0.02 hm2，其生态服务价值减少了169.96$；土地整理后，渠系生态服务价值增加了11 727.24$，果园生态服务价值减少了199.32$；道路以及居民点，由于其生态服务价值系数为0，因此，此类用地的变化对生态服务价值没有影响；最后，农村居民点整理使菜地以及设施用地减少，由于其生态服务价值系数相同，因此，其生态服务价值共减少171.12$。最终，通过整理，下朱庄街的生态服务价值共增加11 426.96$，增加率为22.12%。

表4 下朱庄街生态服务价值估算

由表4可以看出，生态服务价值增长最多的为沟渠，其增长价值为11 727.24 $，变化率为71.88%，说明整理后规划新建了大量沟渠，不仅方便农业生产，还起到了改善生态环境的作用；水浇地虽面积增加最多，但由于其生态服务价值系数较小，因此，其对生态服务价值提升作用不大；果园、菜地、坑塘水面以及设施用地都有一定减少，由于减少面积或生态服务价值系数较小，最终，对生态服务价值变化影响不大。

整理后的下朱庄街生态服务价值平均每1 hm2增加了133.10 $，说明对研究区进行土地整理活动有利于该区的生态发展。该地经农村居民点整理过后，水浇地仍占最大比重，由此可见，农户对土地的依赖性很强，经济的发展主要以农业为主。对土地进行总体规划时，不仅要考虑农用地的配置与管理，还应保障生态服务功能发挥作用，该研究区农村居民点整理完成了生态效益和经济效益的双重任务，建立了一种平衡合理的土地利用空间格局。

3.2.2 生态服务敏感度分析 将下朱庄街的水浇地、坑塘、沟渠、果园、菜地以及设施农地的生态服务价值系数上下各调整50%，运用上述公式(2)，计算其生态服务价值的敏感度变化范围为0.002～0.538(表5)。水浇地、菜地、设施农地中生态服务价值变化最大的为水浇地，其变化率为4.91%，接近于区域耕地生物量价值总和的生态价值系数真实值；同样，

由果园敏感度分析可得，其生态服务价值系数接近研究区生态系统价值系数的真实值。敏感度变化较大的主要为坑塘以及沟渠，范围为0.316～0.538，这是由于其生态服务价值系数较大所引起，说明水域面积的变化对生态服务价值的变化起到关键的作用，在生态环境保护和城市建设时应予以特别关注[27]。

3.2.3 景观生态风险分析 根据所构建的景观生态风险评价指数，运用公式(3)计算下朱庄街景观生态风险值，结果如表6所示。

表5 下朱庄街生态服务价值敏感度

表6 下朱庄街景观生态风险值

由表6可得出，景观生态风险值由整理前的0.76变化为1.12。通过对风险划分的研究，为使划分的风险区更加趋近于客观实际，本文决定按照高宾等人对区域风险指数的分类法，分类标准为：高风险风险区(ERI≥0.85)、较高生态风险区(0.75≤ERI≤0.85)、中等生态风险区(0.55≤ERI≤0.75)、较低生态风险区(0.45≤ERI≤0.55)、低生态风险区(ERI≤0.45)[22]。景观生态风险与那些衡量干扰的指标相关联，它能够清晰地评价和定量化描绘各种景观类型所代表的生态系统在受到危害性和不确定性因素后产生风险的概率[22]。农村居民点整理前，该研究区景观生态风险值为0.76，属于较高生态风险区，这可能与研究区的生态环境有密切的关系。天津是一个典型的人均占有耕地面积较少的城市，在土地利用方面存在结构不合理以及利用率较低等问题，该地工业企业较多，生态环境质量较低。农村居民点整理在该地的实施，使该地景观生态风险值增加为1.12，属于高生态风险区。

由上文景观生态风险指数的构建方式可以了解到，景观生态风险与景观破碎化程度、景观分离度、景观优势度、景观脆弱度以及类型面积等有关。景观生态风险值的增加可能包含以上多方面的原因，也可能与某一主要方面有关。

景观生态风险值的增加主要来源于水浇地、沟渠以及道路生态风险值的增加。因此，本文认为研究区生态风险增加原因可能是由于景观结构的变化。一般来说，某地类面积增加且其斑块密度增加，破碎度指数也相应增加。农村居民点整理通过新建大量沟渠、道路，使得面积较大的水浇地分割为规则形状，使土地利用布局更加合理，更加方便生产。水浇地、沟渠、道路的斑块密度以及面积都相应增加，且水浇地和沟渠受人为干扰作用较弱，脆弱度指数较高，因此，其生态风险值增加，由于这三类地类所占比重较大，导致区域生态风险增大。

4 结 论

(1) 景观格局变化的总体趋势为：水浇地、沟渠以及道路面积增加。居民点、坑塘、果园、菜地以及设施用地的面积相应减少。下朱庄街在居民点整理项目实施过后，表现出斑块破碎化程度增强，连接性以及斑块聚集性增强等特点。实现了将零散分布的居民点合理规划，从而增加耕地面积等数量方面的目的。

(2) 生态服务价值变化上，研究区生态服务价值提高22.12%，且生态价值敏感度变化在合理范围之内，该研究区居民点整理规划工程考虑了该地生态功能，在考虑经济发展需求，增加耕地面积的过程中建立了一种生态平衡合理的土地利用空间格局。

(3) 农村居民点整理工程实施后，景观生态风险值由0.76变为1.12，研究区生态风险从较高风险区转变为高风险区，表现出增加的趋势。其原因可能与沟渠、道路的系统性规划，水浇地斑块被分割有关，在方便生产的同时，由于其面积所占比重较大，使得区域景观生态风险增加。

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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

国家自然科学基金项目“土地质量评价的尺度效应研究”(41101536)

邓静(1991—),女,四川德阳人,硕士研究生,研究方向:土地利用与自然灾害防治。E-mail:jackfal@163.com

张贞(1982—),女,四川宜宾人,副教授,博士,研究方向:土地利用与生态过程。E-mail:zhangzhen1227@126.com

F301.2

：A

：1005-3409(2014)05-0157-06