由单一走向多样：平原农业区生物多样性保护的规划途径——以辽宁省黑山县为例

贾一非 王云才

人类社会最紧迫的挑战之一是减缓全球生物多样性的丧失和灭绝的速度，这也是亟待解决的联合国可持续发展目标的重要一环[1]。农业区作为生物多样性丧失最快的区域，是当前研究的热点之一。大量研究表明，农业景观中的植被、节肢动物、鸟类、哺乳动物等多样性已严重降低，并且损害了生态系统服务的运作[2]。在过去的几十年,全球对于农业生物多样性保护的研究从物种特性(数量、规模、分布等)逐渐转变为农业区景观结构特征，如欧盟实施的自然2000计划(Nature 2000)，强调保护高自然价值的农业景观有利于区域生物多样性的提高。Gagic等发现农业区非农栖息地特征比物种特性更有利于预测生物多样性[3]；Nadja等认为农业景观的空间异质性对生物多样性有着较强的影响[4]，同时相关研究对农业系统设计、种植方式、管理与补偿模式等与生物多样性的关系进行了探讨[5]。随着生态文明建设提升到 “五位一体”总体布局的战略高度，研究农业区的生物多样性规划成为国土空间规划的重要任务[6]。国内通过施行一系列宏观保护政策和计划，关注农业区物种保护，包括建立保护区、种质资源库、基因育种等[7]，农业区生态规划集中在生态修复、多功能的农业园区建设等方面，对于生物多样性的空间规划研究较少[8]。生物多样性保护仍面临着对农业生境认知和保护力度不足、缺乏完善技术体系、补偿政策不清等问题。合理的景观规划手段，有助于构建稳定安全的生态屏障，对农业区域生境保护和多样性的提升是一种行之有效的途径[9]。故有必要将各学科相关研究整合在一个框架内，形成平原农业区生物多样性规划的理论基础。

1 生态智慧引导下的平原农业区生物多样性规划的思考

1.1 平原农业区对生物多样性的影响机制

平原农业景观在多个方面影响着区域生物多样性，主要体现在空间、时间和功能3个维度[10]。

在空间维度上，空间的组成和结构异质性影响生物多样性。在区域尺度上，田地被合并和扩大，以提高耕作效率，形成了均匀的农田景观，导致自然、半自然栖息地比例下降；在景观尺度上，农田之间的边界变得模糊，原有栖息地之间的连通性消失，趋于碎片化与隔离。空间结构异质性指的是不同景观类型组合方式的差异，如近似的2块农业区域，由于景观斑块的形状、数量、边界长度等差异，形成空间结构的异质性，其主要在景观尺度上通过影响农田边界的长度及非农栖息地特征而对生物多样性产生作用。

在时间维度上，平原农业景观随着时间的变化逐渐呈现出破碎化和简化的态势。以黑山县为例，一方面，随着人口和粮食需求的增加，农业区中的河道、湿地和林地被农田占用，部分自然栖息地转变为建设用地；另一方面，技术的发展促进了规模化和机械化的种植，导致农业区生态质量的下降。

在功能维度上，农业景观的不同空间为多种生物提供食物、庇护场所、迁移廊道等功能[11]。但由于物种类型之间需求的差异，难以对空间做出功能维度的细致划分[10]。综上所述，时间维度是形成空间和功能的主要驱动力，同时空间的分异又影响了功能的差异，因此，农业区生物多样性的规划应关注于不同空间组合与构成、不同空间尺度下对于生物多样性的影响。

1.2 由单一走向多样，生态智慧引导下的新选择

平原农业区在空间维度上改变了原有多样化的土地覆盖类型和景观结构，同时景观组成和结构异质性在不同尺度上影响着物种分布和生态系统服务，这些影响也会反作用于农业生产，造成产量下降。以上问题的本质是抽象的人地关系的体现，根源在于人地关系的失调。故解决平原地区生物多样性问题的本质在于解决人居、生产与生态空间之间的耦合关联，以实现人与自然和谐相处的目标[12]。生态智慧作为深层生态学(Deep Ecology)中重要的理论，是人类生产和生活中主张“天人合一”处理与自然关系的思维模式和实践准则，其从时间和空间2个维度，运用生态理论对生态问题做出剖析，并结合科学的方法做出正确的实践指导[13]。故生态智慧有助于理解农业区作为与城市类似、但影响相对单一的社会-生态系统(Socio-Ecological Systems，SES)构成的复杂性，以及农业空间对生物多样性影响的复杂性。

由于现有研究多局限于生物物种的保护措施，空间规划相关的研究方法不明晰，故亟待探索新的方式，即由单一物种考量转向结合景观空间变化，处理人地关系平衡的生态智慧。主要体现为生态智慧引导、问题分析、实践途径、优化提升4个方面：1)明晰自然、人居和生产空间之间的关系，以及实现和谐相处的最终目的；2)剖析农业区在多维度对生物多样性的影响机制，从而实现对区域内生境类型的识别，明确景观空间异质性对于生物多样性的影响及评价方法，实现对于现有空间的整理和认知；3)提升现有生境的质量，提高生态系统服务水平；4)考虑不同空间维度下生物多样性需求的差异，制定针对性的优化提升策略。根据以上研究和生态智慧的指引，形成以农业区景观要素的多样化的识别为基础，空间异质性评价为依托，多尺度空间优化措施为手段的研究框架(图1)，以减少集约化农业对于生态系统的负反馈。

2 平原农业区生物多样性规划方法

2.1 研究区域与数据来源

黑山县位于辽宁省西部，隶属锦州市，全县面积2 497.09km2，是“全国商品粮基地县”。境内河流皆为绕阳河水系，水资源丰富；林地面积较小。县域西部为医巫闾山余脉，多低山、丘陵，中部及东南部为冲积平原。研究所用数据及来源包括遥感影像、土地利用类型图、林地植被类型图(黑山县自然资源局/林业局，时间2019年)，DEM数字高程(美国地质勘探局Landsat 8，时间2020年1月，空间分辨率30m)，夜间灯光数据(美国国家环境信息中心网站NPP-VIIRS，时间2020年1月，空间分辨率500m)。

2.2 多样化生境的识别

农田景观是由农田和自然生境(如林地、河流、草地、沟渠等)斑块形成的镶嵌体[14]。研究显示，高强度、集约化生产的农田景观，自然斑块较小，界定和保护难度较大，如何识别其范围与类型显得十分重要。现有主要识别方法包括：1)土地覆盖分析法；2)农业系统分析法，通过对农业数据的分析提取潜在生态空间指标；3)物种信息分析法，通过区域指示性物种识别生境的空间范围[15]。同时不同的生境类型对生物多样性的影响各不相同，如水田和灌溉时期的水浇地，通常被视为人工湿地，相比旱地具有较丰富的物种类型。农田景观中的林地所具有的不同树种搭配、林龄及更新周期、林分演替、林地面积等特征对生物多样性影响不同[16]。本文选用土地覆盖分析法，根据实地调研和土地覆盖遥感数据，将区域内生境按照各自特征精细划分，本文生境可分为6个一级生境和23个二级生境(表1)。

表1 研究区域生境类型和特征描述

2.3 平原农田生境综合质量评估

现有研究将景观异质性(Landscape Heterogeneity)作为定量评估农业生物多样性的重要指标，景观空间结构与组成是在区域和景观尺度上主导生物多样性格局的重要因子。在评估空间异质性时一般从3个方面进行，包括空间尺度、景观单元、要素的结构与特征[17]。本文选用景观格局指数(Landscape Indices or Metrics)来量化在区域和景观尺度的异质性[18]。区域尺度异质性主要体现在景观空间组成多样性即人工、半自然、自然空间比例，选取指标为香农多样性指数(Shannon's Diversity Index，SHDI)、香农平均指数(Shannon's Evenness Index，SHEI)，景观分离度(DIVISION)和蔓延度指数(Landscape Contagion Index，CONTAG)；景观尺度上的空间结构影响生物多样性，即景观元素的空间密度、形状、位置等，选取指标为斑块密度(Patch Density，PD)、散布与并列指数(Intersprsion Juxtapsition Index，LJI)、最大斑块指数(Largest Patch Index，LPI)、斑块数量(Number of Patches，NP)。使用Fragstats 4.2软件中的移动窗口法(Moving Windows)，经过测试选取粒度为30m、幅度1 000m为最优参数[14]。在地块尺度选取生境质量(Habitat Quality Index，HQI)指数来表示斑块之间相互作用的权衡，该指数通过InVEST模型的生境质量模块(Habitat Quality Module)计算，根据现有研究成果并参考InVEST说明书[19-20]，确定生境威胁因子影响距离与生境适宜性及敏感性矩阵。将以上数据作均一化处理(1～100)，构建多尺度生境质量指数(Multiscale Habitat Quality Index，MHQI)，即：

其中，

式中，LHa为区域空间异质性指数；LHb为景观空间异质性指数；＊为归一化后的值；α、β、γ为贡献度常数，一般根据研究区域的景观现状，通过层次分析法确定，本研究中α=0.2，β=0.2，γ=0.6。

2.4 平原农业区生态廊道与生境斑块识别

在区域尺度下识别潜在生态廊道，构建生态网络，对于物种在栖息地之间的移动和多样性的提升具有重要的作用[21]。现有研究中利用最小成本路径(Leastcost-path Method，LCP)来确定斑块间潜在廊道的重要性，但该方法被多个研究指出，其模型限制于单个最优路径，计算较为烦琐，且不能完全反映物种或基因的随机流动性[9]。电路模型结合随机迁移理论和图论的优点，通过将电阻、电流、电导率等物理量赋予生态学含义后运用于生态网络的识别，在一定程度上解决了以上问题[22]。因此，本文以生境识别为基础，使用基于图论的Conefor 2.6软件计算生境斑块的整体连通度指数(Integral Index of Connectivity，IIC)和可能连通度指数(Probability of Connectivity，PC)来量化生境间维持或改善连通性的相对重要性，按照当地常见的鸟类的飞行半径作为连通距离阈值(Distance Threshold，DT)，如凤头䴙䴘(Podiceps cristatus)、白鹭(Egretta garzetta)[23]，选择1～15km为鸟类搜索半径，1km为间隔，共15个距离阈值进行测试计算，经过计算与比较，选择4km为最佳阈值[9]，引入斑块重要性指数dI均分权重，其计算公式为[24]：

式中，dI为斑块重要性指数；dIIC为斑块整体连通度指数；dPC为可能连通度指数。选取因子构建阻力面(表2)，使用Linkage Mapper V 2.0中的Pathways Tool识别潜在廊道，Centrality Mapper计算斑块中心度和廊道电流密度，Pinchpoint Mapper识别廊道中关键夹点[23]。

表2 阻力面构建参数

3 研究结果

3.1 生境识别结果

研究区域内生境分布如图2，具体为人工生境，农田类总面积为1 976.15km2，占总面积的79.1%，是区域中最主要的生境类型；建设用地类总面积为263.81km2，该区域中人为活动的扰动较大。自然生境、林地类总面积为138.33km2，仅西北具有较大成片的林地，其他区域孤立分布；东北部防风林网较多，总长883.21km，沿农田和道路分布，宽度约10m左右，其可作为连通栖息地的重要廊道。农田内具有大量用来灌溉的沟渠，总长度约为874.5km，其两侧可作为生物栖息的场所；坑塘主要存在于农田或靠近农村居民点，用来旱季储水或养殖，其可作为生物迁徙和流动中的踏脚石(stepping-stone)[11]。

图2 黑山县生境类型识别结果

3.2 整体生境质量评价

基于景观格局指数的空间异质性评价显示，在区域尺度上空间异质性较高的区域主要在人口集中的西南部、防风林与农田组合的东北部，以及林地较多的西北山地(图3-1)；在景观尺度上，异质性较高的区域主要是中部和东北部农田区，该区域农田生境斑块占据主导地位，造成了斑块散布程度、密度和数量的指数较高(图3-2)。由以上可知，景观指数在一定程度上可以评价景观空间的异质性，但缺乏对于生境之间相互作用程度的考量。在基于InVEST模型的生境质量评价中，耕地和建设用地作为主要的威胁，生境质量较高的区域主要为面积较大的水库区，部分河道、林地及东部的水田(图3-3)。同时，公式(1)统筹以上的评价结果得到区域生境质量(图3-4)，区域内大面积的农田拉低了整体生境质量，生境质量较高的区域孤立分布且面积较小，其位置与已识别的自然生境位置较为吻合，结果具有一定的可信度。

图3-1 研究区区域空间异质性

图3-2 研究区斑块空间异质性

图3-3 研究区斑块生境质量

图3-4 研究区区域生境质量

3.3 研究区生境格局优化

在最优距离阈值4km下，以区域生境质量评价为基础，选取dI值大于0.5、面积大于5hm2的自然斑块80个，总面积为34.42km2，作为生物迁徙和栖息的生态源地；识别源地间潜在廊道208条，长度为42～34 975m，其主要沿河流、沟渠、林网分布(图4-1)。基于斑块中心度和廊道电流密度，对所识别的廊道和斑块进行分级(图4-2)，其中，廊道电流强度集中在33～474A之间，选取大于177.62A的为重要廊道，共34条，总长度为68.88km；选取大于127.93A的为一般重要廊道，共44条，总长度为244.22km；同时选取中心度大于200的33个斑块为重要生态源地，同时发现中心度越高的斑块其所连接的生态廊道越多。重要生态源地主要分布在西北丘陵区，以中心度最高的龙湾水库为中心，向北连接蛇盘山风景区、老官水库，向东连接黑山子，向西连接医巫闾山，形成了密集的生态网络；高密度电流的生态廊道主要集中在东北、西北、东南3个区域范围内，南北虽有连通，但廊道电流密度相对较低，也同时说明由于中部区域生态源地的缺乏。夹点区域的识别结果显示(图4-3)，关键夹点区域主要分布在农田边缘区且靠近农村居民点，对照遥感影像发现，80%以上的重要夹点区域与河道、沟渠、坑塘或防风林网位置重合(图4-4)，说明农村居民点的建设对于原有廊道空间的干扰对物种迁移造成了一定的阻力，同时沟渠、坑塘和防风林可以作为生态廊道的重要载体。

图4-1 生态源地与潜在廊道识别

图4-2 斑块及廊道重要性分级图

图4-3 廊道关键夹点识别

图4-4 卫星图对照研究

4 平原农业区生物多样性保护规划途径

4.1 保护和恢复核心生境质量

由图4-2可知，重要的生态斑块主要有3种类型，即以B2、B3、B7、B13为代表的西北部浅山区自然林地；以B4、B10为代表的靠近农村居民点的林地；以B1、B5、B6、B8、B11为代表的开放水域。B3区域是巫医闾山东侧边缘地带，由于城镇的建设和农田的侵占，其林地质量和面积逐年降低，故对该类型斑块应加强林木抚育、建设缓冲带，禁止农田对林地的继续侵占；同时构建廊道连接B15，加强与行政边界外的生态空间的联系。B1作为饮用水源保护区，有着较好的生态质量，斑块中心度最高，是多种生物的栖息场所，但其他水域斑块的生态质量参差不齐。如紧邻农田和居民点的B4、B10、B11等区域，其受干扰程度大，植被稀少，在对该类型空间在加强防护的同时，应建设围村围屯林地，以协调人类活动干扰与生态本底之间的矛盾为关键，将原有的破碎斑块(B6、B10、B13)整合连通，形成完整的生态空间。B16区域不是本次识别的重要生态斑块，其现状是一片水田，该区域原为饶阳河湿地中心区，后因历史原因被农田侵占，且该区域在国土空间规划所划定的湿地生态红线之中，故应在规划中恢复其湿地属性。

4.2 “营林造盘”构建农业平原生态廊道重要夹点

根据图4-3、4-4可知，研究区内大量夹点区域位于靠近农村居民点的生态空间。同时现有村镇体系中乡村生活空间的生态屏障不完整，对自然空间产生多重的污染与干扰。故需整合破碎化的林斑林带，完善围村、护村的林盘建设；将村镇间低效的耕地、破碎的宅基地退耕还林；沿现有沟渠和坑塘布局林带，形成多样化的林盘空间，形成生态宜居的基本村镇单元(图5)。尤其是研究区的中间地带，增加该类型的生态斑块，有助缩短廊道长度，提供物种栖息场所和迁徙的踏脚石。

图5 “营林造盘”模式

4.3 构建多网共生的栖息地网络

根据图4-2可知，重要廊道C1～C6，一般重要廊道C7～C12，一般廊道C13～C30与主要的河流、防护林网、沟渠和坑塘位置接近或重合，具有较强的可实施性。同时河流、防护林网、沟渠是农田景观中生物多样性最为富集的边缘区域。故结合30条可规划实施的潜在生态廊道，依托林网、水网、沟渠网体系串联坑塘和林盘单元，形成具有平原农业特色的生态基底，为生物多样性的提高营造了基础环境(图6)。其中依托于水网的廊道作为网络的骨架结构；依托林网的廊道需要完善现有道路和河流周边的核心林带，完善沿道路和沟渠建设的防护林网；同时加强坑塘体系建设，使其成为区域物种的密集区与中心区。

图6 多网共生的栖息地网络构建及分类效果图

5 结论与讨论

平原农业区集约化的生产方式给区域的生物多样性带来了挑战，通过景观规划的方式提高平原农业区多尺度的空间异质性，构建多样化的生境和廊道是有效的解决手段。本研究的结论具体为以下几方面。

1)不同生境对于生物生存的影响有着较大的区别。本文通过辨别农田的种植模式，林地的树木种类、农业区水域的不同功能、农业区建设用地类型，将研究区域的生境类型分为23个生境。其中坑塘、沟渠功能为农业生产，但对于平原农业区生物多样性的促进具有一定的潜力。同时需要注意的是，农村居住用地和城镇居住用地相比，对于生物多样性的威胁较低。

2)本研究结合景观格局指数和生境质量评价发现，区域内整体生境质量不佳，高质量区域面积较小且分布孤立，农田是影响整体生境的主要原因。景观格局指数对于区域景观异质性的描述不能够完全代表该区域的景观生境的质量，从而对生物多样性的提升做出决策，主要原因在于景观格局指数只能反映斑块之间的数量关系、空间关系等，不能反映斑块之间内在生态层面的相互影响。故引入生境之间相互作用的关系权衡作为补充，可使研究较为完整。

3)本研究以“源地-廊道-节点”的生态空间构建范式优化平原农业的生境格局。识别生境源地80个，潜在生态廊道208条，并根据其重要性做出分级。同类型的研究将文献或实际观测的生物(鸟类、节肢动物等)空间分布与所识别的廊道和源地进行比照，可以进一步提高结果的可信度，但本研究可参照的数据较少；同时本文将鸟类的飞行半径作为连通距离阈值，是因为在区域尺度上鸟类对于生态空间的连通性特别敏感，且相关数据的获取更为容易[25]；但在更小尺度上，相关研究通常采用节肢动物如蝴蝶、蜜蜂等作为指示物种，研究其迁徙的路径和物种丰度，作为廊道研究分布的补充[14]，但本文由于数据的限制未考虑此部分。斑块B15所处的区域林地面积较大，实际生境质量较好，但在Linkage Mapper计算的中心度较低，未选择其为重要斑块，由于该模型对于中心度数值的计算依赖于与其他斑块的连接数量，该斑块所处的位置为行政区划边缘，影响了最终结果。本研究所识别的关键夹点区域靠近农村居民点，与河道、坑塘、沟渠、林地等生境重叠，通常为农田的边缘区域，受到农村居民点的干扰。同类型的研究也证实了以上结论，夹点区域通常位于不同类型景观的边缘区域，同时受到干扰较大，如道路切割、建设用地占据等[9]。

4)最后提出了多尺度的平原农业区生物多样性保护规划途径，包括保护和恢复核心生境，构建“营林造盘”的生态廊道关键夹点，形成以林网、水网、坑塘网为依托的生境体系。除了空间规划之外，农业生产管理也对生物多样性有着重要的影响。丰富的种植模式在增加斑块内异质性的同时，避免由于种植单一农作物而造成的病虫害，以及过量化学品的施用造成的经济和生态损失。后期的研究还需针对农业系统提出生产的多样性规划，鼓励发展立体农业技术，促进生态系统物质循环稳定，提高生物多样性。

注：文中图片均由作者绘制。