黄土丘陵区高标准农田建设的生态系统服务响应研究

刘春芳　刘立程　何瑞东

摘要：随着区域生态服务功能提升与生产功能增强同步成为高标准农田建设的主要目标，高标准农田建设项目的生态系统服务响应的定量化评估成为“生态型”农田建设措施优化与决策的技术前提。论文以榆中县已实施完成的三个典型高标准农刚建没项目为例，应用InVEST模型，结合GIS空间分析技术，定量分析了生境维持、土壤保持、食物供给和景观美学四项生态系统服务对高标准农田建设实施的变化响应及其空间分异特征。结果表明：①高标准农田建设项目的实施，使得研究区田坎系数降低，沟渠道路布局更为合理，提高了土地利用的节约集约化程度。但北、中、南部项目由于建设内容的不同，土地利用结构及格局变化存在较大差异。②通过重新分配十地资源利用，高标准农田建设改变了田面坡度，降低了土壤侵蚀，进而改善或提高了项目区生态系统服务能力。但四项生态系统服务能力的变化却呈现小差异，除了景观美学服务能力变化不明显外，生境维持服务能力稳定中略有提升，土壤保持服务能力得到增强，粮食产量则表现出大幅度提升。③高标准农田建设的生态系统服务响应具有明显的北、中、南部空间差异性，且在项目区内部田块尺度上的响应也不尽相同。尤其是景观美学服务能力往北部、中部和南部项目区的响应差异较大。论文最后初步探讨了黄土丘陵区“生态型”高标准农田建设的优化策略，强调需根据“区域—项目—田块”不同尺度自然地理环境要素及其组合的差异，着眼于生态服务正效应的提升及负效应的降低，确定系统化、差别化、精准化、绿色化的建设内容及措施。

关键词 ：高标准农田建设；生态系统服务；InVEST模型；响应

中图分类号 S284 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2018）12-0124-07 [WTHZ]DOI：10.12062/cpre.20180717

作为“藏粮于地，藏粮于技”国家战略实施的重要举措，高标准农田建设已在全国范围内广泛开展并不断深入。随着生态文明理念的不断落实和耕地多功能管理的转型需求，高标准农田建设也逐渐向“生态型”转变，这标志着耕地生态服务功能提升与生产功能的增强已同步成为“新时代”高标准农田建设的核心目标。因此，研究高标准农田建设项目的生态系统服务响应，厘清高标准农田建设措施与生态系统服务的互动关系，是制定“生态型”高標准农田建设策略的前提，更是进行高标准农田建设分区、实施和管理的基础性工作，具有重要的学术价值和现实意义。

1 文献综述

生态系统服务是人类从生态系统中所获得的各种惠益，是人类赖以生存和发展的资源与环境基础[1-2]。土地利用和生态系统服务有着密切的关系[3-4]，耕地更是维持区域生态系统结构过程完整和区域生态安全格局不可或缺的重要组成部分[5-6]。

高标准农田建设是我国乡村地区土地整治的重点工作，对于提高耕地质量、保护粮食安全、改善区域民生和生态服务具有重要意义。20世纪60年代，国外学者就开始关注土地整治对生态环境的影响，并提倡将景观与环境保护纳入到土地整治之中[7]。学者们重点关注了土地整治对区域土壤的碳存储量、理化性质等各方面的影响[8-9]，土地整治中的生物多样性保护、气候变化等[10-12]，土地整治过程中的生态系统服务评估[13-14]，以及土地复垦对生态环境的影响及优化[15-16]等方面的理论与实践研究。2000年以来，随着土地整治所引发的生态问题愈来愈多，国内学者开始关注生态环境效应评价的理论与方法，探讨了土地整治的生态效益评价、土地整治引起的环境问题及管理对策、土地整治的生态损失及补偿等[17-19]方面的内容。同时，也开展了生态系统服务价值的评估[20-21]。在此基础上，进一步从理论层面探讨了土地整治的生态系统服务价值的影响及响应[22-25]，以及基于生态系统服务功能价值的土地利用规划环境影响评价[26-28]。

总体来看，国外在土地整治对生态环境影响的研究主要集中在实证层面，即通过分析土地整治活动对生态环境具体某一方面的正负作用，得到定量化的研究结果。国内对这一主题也进行了较多的理论探讨，关注了土地利用及其变化相关的生态系统服务效应，但针对土地整治措施的生态环境要素、生态系统格局和生态系统服务等效应的实证研究相对较少。同时，以往研究多以具体项目区为对象，从“田块—项目—区域”综合视角系统梳理其生态环境影响的研究鲜见，这使得评估的空间指引性及工程措施针对性明显不足。

高标准农田建设作为推动乡村土地可持续发展的重要举措，对生态系统服务的影响尤为显著。因此，论文以榆中县已实施完成的高标准农田建设项目为例，运用生态系统服务的理论方法来定量化评估区域生境维持、土壤保持、食物供给和景观美学四类生态系统服务对高标准农田建设的变化响应及空间分异特征，探讨面向生态系统服务提升的黄土丘陵区“生态型”高标准农田建设措施优化策略。理论上，这不仅能够厘清高标准农田建设与生态系统服务的互动关系，从“格局—功能—服务”反映土地整治所引起的生态系统服务变化，从而更准确地优化“生态型”高标准农田建设措施，凸显高标准农田建设的“山水林田湖草生命共同体”综合整治效应。实践上，高标准农田建设的生态系统服务效应评估可为完善高标准农田建设项目运行机制、实现“生态型”高标准农田建设的有效实施和科学管理提供技术参考，对维持土地利用系统的生态保护功能和实现可持续发展至关重要。

2 高标准农田建设的生态系统服务响应评估

2.1 研究区概况

榆中县地处甘肃省会兰州市的东部，位于黄土高原、青藏高原两大高原和三大自然区的交汇处，特殊的地理位置和自然条件，使其形成了从南至北明显的过渡性特征[29]：南部为高寒石质山区，气候湿润，区内植被茂密，是全县的生态屏障；北部为沟壑纵横的黄土丘陵区， 干旱少雨、植被稀疏，为典型的生态脆弱区和整治重点区；中部是川塬河谷区，地势平坦、交通便利、水源丰富，是县内主要城镇发展区。

过渡性地理与生态格局使该县高标准农田项目建设内容呈现出明显北、中、南三大地域性特征。北部农地以坡耕地为主，无灌溉水源，高标准农田建设以土地平整、道路建设和农田防护林建设为主；中部农地均为水浇地，但水利设施老化，水资源利用效率较低，高标准农田建设以农田水利建设为主；南部农地以坡旱地为主，但随着县域“引洮”等重大水利工程的建设和水利基础设施的完善，区域灌溉水源覆盖面不断扩大，故高标准农田建设以土地平整、农田水利建设、道路建设和农田防护林建设为主，建设内容较为全面。因此，本研究在县域北部、中部和南部各选取一个集中连片、建设内容能够代表所在区高标准农田建设项目特征，且近年在该区域未实施过其他土地整治措施的典型区域进行分析（见表1）。

2.2 研究方法

研究区自然环境脆弱，水土流失严重。针对该区域自然条件及发展水平，结合高标准农田建设的“集中连片、设施配套、高产稳产、生态良好”的基本要求，从“生境维持、土壤保持、食物供给、景观美学”四个方面对高标准农田建设的生态系统服务效应进行评估。

2.2.1 生境维持服务评估

使用InVEST模型中的生境质量模块（Habitat quality）对各高标准农田项目区生境维持服务进行评估，该模型中的生境是指被物种占有并可为其提供资源和生存及繁育的空间。模型需要自定义区域生境威胁源。考虑到建设用地是所有土地利用类型中人类活动较为集中的地类，它会对区域生物多样性造成威胁。因此，本文将所有建设用地设为威胁源，其余不同的地类代表了不同的生境类型。生境质量计算公式：

其中，Qxj为生境类型j中x栅格的生境质量指数；Dxj为生境类型j中x栅格的生境退化度；Hj为生境类型j的生境适宜度，值域为[0，1]；k为半饱和常数，取最大生境退化度（由模型运算一次得到）的一半；z为归一化常量，通常设为2.5[31]。

2.2.2 土壤保持服务评估

由于地处黄土高原区，榆中县长期以来遭受着较为严重的水土流失，因此土壤保持服务提升是高标准农田建设重要的建设目标之一。使用InVEST模型中泥沙输出（Sediment Delivery Rate）模块评估各项目工程建设前后的土壤保持情况，模型基于修正土壤流失通用方程（RUSLE）对区域土壤侵蚀量进行估算。计算公式为：

A=R×K×LS×P×C（2）

其中，A是年均土壤侵蚀量，t ·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀因子，MJ·mm·hm-2·h-1· a-1；K为土壤可侵蚀因子，t·hm2·h·hm-2 ·MJ-1·mm-1；LS为坡长坡度因子；P为工程措施因子；C为植被覆盖因子。

2.2.3 食物供给服务评估

食物供给是农业生态系统中较为重要的一项服务，对人类的生存和发展起到至关重要的作用。榆中县作为兰州市的粮食主产区和国家高标准农田建设示范县，评估其食物供给状况显得更为重要。本文依据各项目区土地利用数据和实地抽样调查粮食产量来评估各项目区的食物供给情况，计算各项目区的粮食产量。计算公式为：

Gi=GsumiSi（3）

其中，Gi粮食供给能力（kg·hm-2）；Gsumi为i村的粮食供给总量（kg）；Si表示i村的耕地面积（hm2）。

2.2.4 景观美学服务评估

基于“田成方、路成网、林成行”的高標准农田建设的景观美学目标，研究分别选取植被覆盖度、平均斑块面积、分维数倒数三项指标对项目区斑块规模、斑块形状规则程度等景观美学效应进行评估。各项指标值由Fragstats4.2软件计算获取，并采用Z-score方法对所有数据作标准化处理，各指标权重依据已有研究[32-34]确定。计算公式如下：

LAI=0.5F+0.3PA+0.2FD（4）

其中，LAI为景观美学指数；F为植被覆盖度；PA为平均斑块面积；FD为分维数倒数。

2.3 数据来源

本文所需数据主要有：①研究区实施前与实施后土地利用数据来源于榆中县土地利用变更调查数据；②降雨数据来自于榆中县气象局；③土壤数据来源于榆中县第二次土壤普查报告（2008年）与榆中县农用地分等定级数据库（2015年）；④粮食产量数据来源于课题组2016年9月至12月对研究区进行的分层随机抽样问卷[30]。⑤DEM高程数据来源于项目实施前后的实测地形数据。

3 高标准农田建设的生态系统服务响应结果分析

3.1 土地利用变化

项目实施前后，各项目区的土地利用类型均以耕地、林地和草地为主（表2），三者占研究区总面积的87.42%以上。其中耕地是最主要的土地利用类型，占总面积的69.20%以上。项目实施后，各项目区土地利用结构均呈现显著地单调递变，主要表现为：耕地和交通运输用地增加，水利工程用地、草地及其他用地减少，林地、园地和建设用地基本保持不变。具体而言，项目实施后，旱地面积净减少168.75 hm2，水浇地净增加207.84 hm2，耕地面积净增加33.46 hm2，农村道路增加3.81 hm2，沟渠减少5.67 hm2，草地减少2.80 hm2，田坎占地减少34.22 hm2 。项目实施后，其他地类对耕地累积补充38.88 hm2，新增耕地的主要来源依次是：田坎（30.41 hm2）>沟渠（5.67 hm2）>草地（2.80 hm2）。总的来说，项目实施后，研究区田坎系数降低，沟渠道路布局更为合理，土地利用的节约集约化程度明显提高。虽然建设实施使各项目区资源配置更为合理、土地利用格局均得到优化，但北、中、南部项目由于建设内容的不同，土地利用结构及格局变化存在较大差异。北部项目建设以坡耕地改造为主，项目实施后土地利用变化主要表现为田坎系数的降低、道路通达度的提升和耕地面积的增加，新增耕地来源主要为田坎；中部项目建设以农田水利设施提升改造为主，项目实施后，土地利用变化主要表现为农田水利设施用地的降低和耕地面积的增加，新增耕地全部由沟渠转入；南部项目建设以坡耕地改造和农田水利设施完善为主，项目实施后，土地利用变化主要表现为旱地向水浇地大规模转入和草地、田坎占比的降低，新增耕地主要来源于草地和田坎。

3.2 生境维持服务对高标准农田建设的响应

高标准农田建设项目实施后，研究区的生境维持服务能力总体保持稳定，略有提升。生境质量指数从工程实施前的0.388提高到工程实施后的0.414，提高了6.62%。北部、中部和南部的生境质量指数分别为提高了0.001、0.001和0.076，增幅分别为0.26%、0.24%和20.65%，南部对整个研究区生境维持服务提升的贡献率最高，达97%（表3）。究其原因，主要与项目实施的工程内容不同有关。北部和中部项目虽然通过农田防护林网建设和种树优化，提高了项目区内的植被覆盖度，实现了区域农田小气候调节及水分蒸发的减少，但由于生境基础较差且建设规模较小，区域生境维持服务能力的提高相对有限。南部项目通过农田水利及农田防护工程的实施，增加了灌溉面积，使得项目区内原旱地大规模转变为生境适宜度更高的水浇地，从而较大的提升了项目区的生境质量，最终改善了区域的生境维持服务。

虽然建设项目实施后，北、中、南各项目区生境维持服务能力均得到提升，但区域内部田块尺度的生境维持服务响应并不相同。北部项目生境质量变化区域沿田

块呈连續线状规律分布，提升区域为农田防护林带分布区，降低区域为新增的田间道路分布区；中部项目生境质量变化区域沿田块呈不连续线状分布，提升区域为田间沟渠分布区，降低区域为新增的田间道路分布区；南部项目生境质量提升区呈面状分布，主要为新增水浇地分布区域，生境质量降低区沿田块呈连续线状分布，主要是新增的田间道路分布区域。总的来说，生境质量变化的空间分布与各项目区土地利用类型的变化格局基本一致，但因项目建设内容的不同而表现出差异。

3.3 土壤保持服务对高标准农田建设的响应

高标准农田建设项目实施后，研究区土壤侵蚀量呈明显下降，单位土壤侵蚀量从实施前的3.682 t/hm2·a降低到实施后的2.071 t·hm-2·a-1，降低了48.29%。北部、中部和南部项目区的单位土壤侵蚀量分别降低了3.63 t·hm-2·a-1、0.02 t·hm-2·a-1和1.183 t·hm-2·a-1，降幅分别为55.29%、6.57%和27.84%，说明各项目区的土壤保持服务能力均得到不同程度的增强。北部和南部项目区土壤侵蚀量的降幅明显，主要是由于北部项目位于全县土壤侵蚀极敏感区，地形起伏度较高、降水侵蚀力强。通过田面的平整和田坎的修筑，区内原有的坡耕地转变为梯田，进而减小了田面坡长，降低了田面坡度，增加了土层厚度，增强了田间保水保土能力，显著地改善了北部项目区的土壤保持服务；中部项目区位于河谷川区，属于全县土壤侵蚀不敏感区，水土流失并不突出，土壤侵蚀量较工程实施前只是小幅降低。

北、中、南各项目区内部田块尺度土壤保持服务响应空间差异明显。北部和南部项目土壤侵蚀量降低区域依田块形状呈面状分布，增加区域沿田坎呈线状分布。田面的降坡平整措施使田块内部土壤侵蚀明显降低，而田块之间的田坎区由于坡度增大而使侵蚀发生的可能

性增加。同时，由于南部项目实施前田面坡度较北部项目平缓，因此单位面积土壤侵蚀减少量也相比较小。中部项目土壤保持服务变化区域沿田块边缘呈不连续线状分布，增加区域为田间沟渠边坡分布区，降低区域为新增的田间道路分布区。总的来说，土壤保持服务变化的空间分布与各项目区微地形变化格局基本一致。

3.4 粮食供给服务对高标准农田建设的响应

高标准农田建设项目实施前，研究区的单位面积粮食单产平均为3 354.75 kg·hm-2，总体单产较低。其中中部项目区单产最高（5 208 kg·hm-2），南部次之（3 075 kg·hm-2），北部最低（1 781.25 kg·hm-2），呈现出由中部向北

部和南部递减的空间分布趋势。主要是由于中部项

目区地形平坦、土地肥沃、灌溉水源充足，粮食单产较高。北部和南部项目区以山旱地为主，土地贫瘠，水资源利用率低，耕地保土保水保肥能力差，粮食单产较低。同时，由于南部降雨较北部更为丰富，所以南部项目区的粮食单产高于北部。

项目实施后研究区粮食供给服务的空间分布格局依然没有改变，但各项目区的粮食产量均有较大幅度的提升。研究区的单位平均粮食产量增加到3 965.85 kg·hm-2，净增加611.10 kg·hm-2，增长率为18.22%，其中以南部和北部项目区的提升尤为显著。南部项目通过农田水利设施的建设，使原来水资源利用受限的山旱地变为旱涝保收的水浇地，显著提升了项目区的粮食供给能力，单产增长幅度最高，净增加1 435.05 kg·hm-2，增长率达46.67%；北部项目通过田面平整，田坎修筑、土壤改良等工程措施增强了区内耕地的保土保水保肥能力，单产增长幅度次之，净增加281.25 kg·hm-2，增长率为15.79%；中部项目由于只是对原有的土渠进行衬砌硬化，提高水资源利用率，因此粮食供给服务提升幅度较小，净增加117 kg·hm-2，增长率为2.25%。

3.5 景观美学服务对高标准农田建设的响应

高标准农田建设项目实施后，研究区景观美学服务能力总体变化并不明显，中部高、北部和南部低的空间分布格局也并未改变（见表4）。北部项目区的植被覆盖度（F）虽然由0.89提升到0.90，但由于考虑到造价成本及田坎高度因素，田面改造使部分大块坡地分割，从而导致田块区内平均斑块面积（PA）由0.29 hm2减小到0.24 hm2，分维数倒数（PD）由0.94降低到0.87。因此，北部景观美学指数降低了0.02，降幅为2.78%，这意味着北部项目区内平均斑块面积变小，景观破碎化程度的加剧，景观美学服务能力下降。中部项目区建设前景观美学服务能力相对较高，加之项目实施未对区内土地利用格局进行调整，因此景观美学指数未发生变化。南部项目建设实施后，景观美学指数略有提升，增幅为1.43%。项目区的植被覆高到0.89，平均斑块面积由0.29 hm2降低到0.26 hm2，而分维数倒数则由0.88提高到0.94。虽同北部一样有田块分割的情况，但由于南部山区为了满足灌溉要求使田块规整度有了明显提高，所以该项目区的景观美学指数略有提升。

4 結论与讨论

高标准农田建设的本质是对乡村土地资源及其利用方式的再组织和再优化，也是对人地关系的再调节，对土地的供给、调节、文化、支持等服务功能的综合权衡。在国家大力推进生态文明建设的背景下，研究高标准农田建设的生态系统服务响应对高标准农田建设工作以及生态保护工作意义重大。本文通过对榆中县高标准农田建设项目的生态系统服务进行定量化评估，从“格局—功能—服务”系统分析了高标准农田建设对各项目区生境维持、土壤保持、粮食供给和景观美学等生态系统服务功能的影响，说明了各项服务对高标准农田工程实施响应的时空差异。主要结论如下：

（1）高标准农田建设项目实施前后，土地利用类型均以耕地、林地和草地为主。但项目实施后，研究区田坎系数降低，沟渠道路布局更为合理，土地利用的节约集约化程度明显提高。

（2）高标准农田建设重新分配了土地资源利用，改变了田面坡度，降低了土壤侵蚀，进而改善或提高了生态服务能力。但这种提升效应，在生态系统服务能力的不同方面呈现出差异。具体表现在：从生境维持服务、土壤保持

服务、食物供给服务及景观美学服务四个方面来看，除了景观美学服务能力变化不明显外，都得到了不同程度的提升。其中，生境维持服务能力稳定中略有提升，土壤保持服务能力也得到增强，食物供给服务则表现出大幅度提升。

（3）高标准农田建设的生态系统服务响应具有明显的北、中、南部空间差异性，且生态系统服务在项目区内部田块尺度的响应也不尽相同。项目实施后，北、中、南各项目区生境维持服务能力、土壤保持服务能力和粮食供给服务能力均得到提升，但在不同区域以及同一区域内部田块尺度的服务响应程度并不相同。建设项目实施后，景观美学服务能力在北部、中部和南部项目区的响应差异较大。北部项目区的景观美学功能有所下降，中部项目区景观美学功能保持不变，南部项目区景观美学功能提升。

高标准农田建设引起的各项生态系统服务的变化并不是独立、片面、静止的，而是互相流动、紧密地有机联系在一起的。厘清生态系统服务的“源”和“汇”及其之间的流动关系与权衡关系将是今后“生态型”高标准农田建设工作的重要方向。

因此，为优化高标准农田建设措施，促进“生态型”高标准农田建设，需要从“格局—功能—服务”视角，系统化地考虑高标准农田建设的生态效应。在此基础上，根据“区域—项目—田块”不同尺度自然地理环境要素及其组合的差异，着眼于生态系统服务正效应的提升及负效应的降低，确定系统化、差别化、精准化、绿色化的建设内容及措施。这对于稳步推进“生态型”高标准农田建设，实现乡村地域“生产发展—生活服务—生态良好”的建设目标至关重要。

（编辑：于 杰）

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Abstract With the synchronization enhancement of regional ecological service function and production service function as the main goal of the wellfacilitated farmland construction， the quantitative evaluation of the response of ecosystem services value to the wellfacilitated farmland construction project has become the technical prerequisite for the optimization and decision of the ecological wellfacilitated farmland construction. Taking three typical wellfacilitated farmland construction projects completed in Yuzhong County as an example， the paper quantitatively analyzed the response and spatial differentiation characteristics of four ecosystems services，including habitat maintenance， soil conservation， food supply and landscape aesthetics， and analyzed their response to wellfacilitated farmland by using the INVEST model and GIS technology. The results showed that： ①The implementation of wellfacilitated farmlands construction projects， reduced the field ridge coefficient of the study area， rationalized the layout of ditches and roads， and significantly increased the degree of intensive land use. However， due to the different construction contents of each project， the land use structure and pattern change of the north， central and south projects are quite different. ②By redistributing the use of land resources，the construction of wellfacilitated farmland changed tile slope of the field， reduced soil erosion，and improved or enhanced the ecosystem services capacity of the project area，but there were differences in habitat maintenance service， soil conservation service， food supply and landscape aesthetics. While， the four ecosystem services showed different changes. Except landscape aesthetic services， the habitat maintenance services improved slightly， the soil conservation services raised a little higher， and food supply services increased significantly. ③The response of the ecosystem services in the construction of wellfacilitated farmland has obvious spatial differences in the north， middle and south， and the response of different field scale inside the project area is also different. In particular， the response of landscape aesthetics service ability in northern， middle and southern project areas is quite different. Lastly， the optimization strategy of ecological wellfacilitated farmland construction in Loess Hilly Region was also discussed. It is emphasized that the construction contents and measures of systematization， differentiation，precision and greening should be determined according to the differences of different scales of natural geographic environment elements and their combinations of ‘regionalprojectfield and

the improvement of positive and negative effects of ecological services.

Key words wellfacilitated farmland construction； ecosystem service； InVEST model； response