農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警因子與模型*

張正峰，劉 靜，郭戰(zhàn)勝

(1.中國(guó)人民大學(xué)公共管理學(xué)院土地管理系，北京 100872;2.上海市建設(shè)用地和土地整理事務(wù)中心，上海 200003;3.山東菏澤市國(guó)土資源局，菏澤 274000)

農(nóng)地整治在增加耕地面積，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件等方面發(fā)揮著重要作用，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡與提高農(nóng)地生產(chǎn)能力的重要途徑［1-2］。農(nóng)地整治中的工程措施必然會(huì)對(duì)整治區(qū)域中的土壤、水資源、植被、生物等產(chǎn)生影響［3］，而農(nóng)地整治所導(dǎo)致的土地利用方式與強(qiáng)度、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施密度與布局等方面的變化也必然對(duì)區(qū)域的資源環(huán)境產(chǎn)生影響。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)地整治的生態(tài)環(huán)境影響開(kāi)展了部分研究［3-8］，但專門針對(duì)資源環(huán)境效應(yīng)開(kāi)展預(yù)警研究的極少。該研究針對(duì)農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警模型與方法缺乏的現(xiàn)狀，開(kāi)展農(nóng)地整治預(yù)警因子及預(yù)警方法的研究，能夠根據(jù)預(yù)先評(píng)估的警情調(diào)整農(nóng)地整治規(guī)劃的設(shè)計(jì)方案，從而指導(dǎo)農(nóng)地整治項(xiàng)目科學(xué)的開(kāi)展，避免農(nóng)地整治對(duì)區(qū)域生態(tài)、環(huán)境、景觀等帶來(lái)不良影響。該文在界定農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，分析了農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警的過(guò)程，構(gòu)建了效應(yīng)預(yù)警的因子，并確定預(yù)警的模型方法，最后選定案例區(qū)進(jìn)行實(shí)證研究，根據(jù)預(yù)警結(jié)果提出了相應(yīng)的排警措施。

1 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)分析

將農(nóng)地整治的資源環(huán)境效益分為資源效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)與景觀效應(yīng)。資源效應(yīng)方面，農(nóng)地整治從耕地?cái)?shù)量、土壤質(zhì)量以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件三個(gè)方面對(duì)其產(chǎn)生影響。耕地?cái)?shù)量的改變主要基于以下三個(gè)方面的原因:(1)田坎以及邊角地的變化。田坎的減少，邊角地的消失，都能有效增加耕地面積。(2)道路、溝渠的重新布設(shè)。農(nóng)地整治中對(duì)溝、渠、路進(jìn)行重新布設(shè)，可以增加耕地面積;但整治過(guò)程中，路網(wǎng)、農(nóng)田水利設(shè)施的完善、防護(hù)林的建設(shè)也會(huì)占用一定面積的耕地，引起耕地面積的減少。(3)零星未利用地的開(kāi)發(fā)。如坑塘的填埋，荒草地的開(kāi)墾等。土壤質(zhì)量的變化主要是由于農(nóng)地整治工程的影響以及由于限制因素的解除所帶來(lái)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的改變。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的改變，包括田塊的平整、路網(wǎng)的優(yōu)化尤其是農(nóng)田水利設(shè)施的完善。

農(nóng)地整治對(duì)環(huán)境效應(yīng)的影響，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。首先是對(duì)生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。生態(tài)結(jié)構(gòu)是指生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素及其時(shí)、空分布和物質(zhì)、能量循環(huán)轉(zhuǎn)移的途徑。不同的土地利用類型即形成了不同的種群，農(nóng)地整治的過(guò)程改變著土地利用的結(jié)構(gòu)，也就必然會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成要素以及物質(zhì)、能量的循環(huán)轉(zhuǎn)移形成較大的影響。其次是對(duì)生態(tài)穩(wěn)定性的影響。農(nóng)地整治的過(guò)程，土地平整工程的開(kāi)展會(huì)對(duì)土壤的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，使得有機(jī)質(zhì)含量減少、土壤微生物數(shù)量下降;道路工程以及農(nóng)田水利工程中水泥的大量使用會(huì)影響物種的擴(kuò)散，橫平豎直的線性工程的設(shè)計(jì)也會(huì)使得生物棲息地環(huán)境退化，從而影響到區(qū)域生態(tài)的穩(wěn)定性。第三是對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響。農(nóng)地整治過(guò)程中土地利用結(jié)構(gòu)的變化必然導(dǎo)致土地利用覆被、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化。農(nóng)地整治的過(guò)程使得土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生變化進(jìn)而影響到生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，從而使得生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)價(jià)值也就發(fā)生了相應(yīng)的或增加或減少的變化。

景觀是由不同的生態(tài)系統(tǒng)組成的鑲嵌體，可將景觀的基本單元分為斑塊、廊道、基質(zhì)三種類型。土地平整工程改變著斑塊的大小和形狀;農(nóng)田水利工程、道路工程以及農(nóng)田防護(hù)林工程改變著廊道的連通度以及環(huán)通度。作為具有美感效果的景觀，其效應(yīng)可以從景觀的異質(zhì)性、有序性、自然性及運(yùn)動(dòng)性4個(gè)方面來(lái)衡量。農(nóng)地整治后，土地利用結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定程度的變化，一般情況下，耕地?cái)?shù)量會(huì)增加，未利用地?cái)?shù)量會(huì)減少，林地、草地等景觀類型的數(shù)量也會(huì)發(fā)生變化，景觀的異質(zhì)性會(huì)發(fā)生變化。景觀的異質(zhì)性越高，景觀生態(tài)系統(tǒng)破壞的程度或者說(shuō)被破壞的幾率就越小，也即其景觀功能越強(qiáng);反之，則越弱。景觀有序性是對(duì)景觀要素自身的組合關(guān)系以及人類對(duì)其認(rèn)知的一種表達(dá)。適度的有序性可使得景觀更加生動(dòng)，增加景觀的形態(tài)美。農(nóng)地整治過(guò)程追求“田成方、樹(shù)成行”的有序性，工程項(xiàng)目的開(kāi)展會(huì)使得田塊鑲嵌體平均形狀趨向于一致和規(guī)則。景觀的自然性主要是基于人們對(duì)于自然性因素，如水域、草地的偏好，以及對(duì)人為擾動(dòng)的厭惡。農(nóng)地整治的過(guò)程也是一個(gè)改變土地利用結(jié)構(gòu)的過(guò)程，各種景觀類型在數(shù)量上、空間上都會(huì)發(fā)生一定的變化。農(nóng)地整治過(guò)程中，開(kāi)發(fā)未利用地、填埋坑塘使得未利用地面積減少、耕地面積增加;鋪筑硬化路面，修建硬化溝渠、將原有河道裁彎取直等行為在很大程度上影響著景觀的連通性以及斑塊間物種和能量的交流，自然性會(huì)大大降低。景觀的運(yùn)動(dòng)性是指景觀自身的可達(dá)性以及生物在其中可自由移動(dòng)的程度。農(nóng)地整治的過(guò)程追求“渠相通、路相連”的較高的連通度。農(nóng)地整治過(guò)程中溝渠路的建設(shè)過(guò)程中建筑材料的選用不當(dāng)可能會(huì)對(duì)生物的自由移動(dòng)造成不利影響，但是對(duì)于適宜的溝渠路網(wǎng)的規(guī)劃，提高其連通程度又可促進(jìn)生物的自由移動(dòng)，促進(jìn)物質(zhì)和能量在不同區(qū)域間的流動(dòng)。

2 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警過(guò)程與預(yù)警因子選擇

2.1 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警過(guò)程

農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警的過(guò)程是一個(gè)明確警義、尋找警源、分析警兆、劃分警度、判斷警情并最終輸出預(yù)警信號(hào)的過(guò)程。農(nóng)地整治過(guò)程對(duì)資源環(huán)境效應(yīng)的影響主要可以歸結(jié)于兩方面:一是農(nóng)地整治工程，包括土地平整工程、農(nóng)田水利工程、田間道路工程、農(nóng)田防護(hù)林工程等，二是農(nóng)地整治前后土地利用結(jié)構(gòu)和布局的變化。這兩方面作用于土地系統(tǒng)，形成了新的土地利用系統(tǒng)，這也就構(gòu)成了農(nóng)地整治的整個(gè)系統(tǒng)。農(nóng)地整治的資源環(huán)境效益預(yù)警具體過(guò)程見(jiàn)圖1。

2.2 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警因子

遵循目的性、系統(tǒng)性、完整性、相對(duì)獨(dú)立性、準(zhǔn)確一致性、科學(xué)性和可操作性兼顧的原則，在農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)理論分析基礎(chǔ)上，進(jìn)行專家咨詢，劃分預(yù)警因子層次，并確定預(yù)警因子。具體見(jiàn)表1。

3 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)的預(yù)警模型

3.1 預(yù)警因子的量化以及標(biāo)準(zhǔn)化

農(nóng)地整治對(duì)資源環(huán)境效應(yīng)的影響，既有正效應(yīng)，也有負(fù)效應(yīng)。據(jù)此可將因子分為兩類:一類為正向因子，即因子值越大，產(chǎn)生的正向影響越大，這類因子包括了有效耕地面積比率、有效土層厚度、土壤有機(jī)質(zhì)含量、灌溉保證率、排澇排漬率、可機(jī)械化耕作面積比率、灌排溝渠連通度、田間道路連通度、水域面積比率、綠色植被覆蓋率、生物多樣性狀況、自然災(zāi)害抵御度、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值、景觀多樣性指數(shù)、自然景觀分離度指數(shù)、景觀相對(duì)均勻度、景觀類型相對(duì)豐富度、通達(dá)度;另外一類為負(fù)向因子，即因子值越小，產(chǎn)生的正向影響越大，這類因子包括了土地鹽堿化率、土地侵蝕率、田塊集中度、土地沙漠化率、土地污染率、人為干擾指數(shù)、人工廊道密度。

圖1 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警過(guò)程

對(duì)于定量因子的量化，先確定單因子取值的上限、下限以及警限，在不同的因子值區(qū)間內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插得到各個(gè)因子的綜合得分，采用取自然對(duì)數(shù)再線性內(nèi)插的方法保證歸一化之后的分值分布均勻。對(duì)應(yīng)于因子值的取值區(qū)間 ［a，b］，［b，c］得分區(qū)間為 ［S1，S2］，［S2，S3］采用內(nèi)插法進(jìn)行因子的歸一化處理，記S為實(shí)際因子值的得分，當(dāng)為正向因子時(shí)，S1d為S2與S1之間的差值，S2d為S2與S3之間的差值;當(dāng)為負(fù)向因子時(shí)，S1d為S2與S3之間的差值，S2d為為S2與S1之間的差值。

對(duì)于正向因子，其得分計(jì)算方式如下:

式中:S—實(shí)際因子值的得分;a—警限的下限，即最差狀態(tài)值;b—有警無(wú)警的分界線;c—因子的目標(biāo)值或者最大可達(dá)到的值;S1d—警限a，b對(duì)應(yīng)的分值區(qū)間差;S2d—警限b，c對(duì)應(yīng)的分值區(qū)間差。

對(duì)于負(fù)向因子，其計(jì)算公式如下:

式中:a—警限的上限，也即最好狀態(tài)值;c—警限的下限，也即最差狀態(tài)值;其他符合含義同上。

對(duì)于定性評(píng)價(jià)因子的量化，如物種多樣性狀況，土地污染程度等按實(shí)地調(diào)查的方法來(lái)確定。將每一項(xiàng)因子分為5個(gè)等級(jí)，如將物種多樣性狀況分為非常豐富、豐富、一般豐富、稀少、非常稀少5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)不同的預(yù)警狀態(tài)。每個(gè)等級(jí)等距從0到100等距賦分，取實(shí)地調(diào)查結(jié)果的平均值作為最后得分。

表1 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警因子體系表

3.2 預(yù)警模型的建立

3.2.1 效應(yīng)的表達(dá)

農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)的表達(dá)有兩種方式:第一種用農(nóng)地整治后因子的狀態(tài)表示;第二種用農(nóng)地整治的演化方向及演化強(qiáng)度表示。

式中:I—效應(yīng)的分值;If、Ib—效應(yīng)整治后、前的得分值;n—因子的個(gè)數(shù);

Wi—第i個(gè)因子的權(quán)重值;Fif、Fib—第i個(gè)因子整治后、前的分值。

3.2.2 警限的確定以及警度的劃分

警限是確定警情嚴(yán)重程度的等級(jí)分界線。該文警限的確定采用以下方法:(1)絕對(duì)確定法。依據(jù)國(guó)家指定和頒布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及土地行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。(2)相對(duì)確定法。根據(jù)地方總體區(qū)域水平確定上下限。即可根據(jù)區(qū)域所轄面積內(nèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)概率來(lái)確定，一般情況下，數(shù)據(jù)落在平均值±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差之外的區(qū)間的概率很小，是可以視為小概率事件的，所以也可以用平均值作為有警無(wú)警的分界線，用平均值±3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為因子取值的上限和下限;(3)專家確定法。對(duì)于一些沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)可以參照的問(wèn)題，可以通過(guò)德?tīng)柗品修r(nóng)地整治領(lǐng)域?qū)＜业募w智慧來(lái)確定。(4)根據(jù)理論最佳值來(lái)確定。

警度是指農(nóng)地整治系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中各要素偏離正常狀態(tài)的程度。整治后狀態(tài)的警度根據(jù)專家咨詢的結(jié)果取60分為有警無(wú)警的分界線;對(duì)于演化方向與演化強(qiáng)度的預(yù)警，若整治前后因子的差值為負(fù)值即進(jìn)入警戒狀態(tài)，具體警度區(qū)間的劃分主要根據(jù)專家咨詢結(jié)果及當(dāng)?shù)貙?shí)際情況而定。綜合警情的確定，采用極限條件法綜合整治后狀態(tài)與演化方向和強(qiáng)度，兩警相權(quán)取其重。警情判斷對(duì)照見(jiàn)表2。準(zhǔn)則層、次準(zhǔn)則層以及因子層的警度區(qū)間的端點(diǎn)由各自的權(quán)重與不同警度區(qū)間的端點(diǎn)相乘得到。

表2 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)警情判斷對(duì)照表

4 案例研究

4.1 案例區(qū)概況

選擇山東省東明縣土地澇洼地整治項(xiàng)目區(qū)作為實(shí)證研究的區(qū)域，項(xiàng)目區(qū)地處黃河沖積平原，是歷次黃河南北改道的三角地帶，土地總面積1 782.86hm2。全區(qū)西南高，東北低，地面比降1/3000～1/5000，總的來(lái)說(shuō)地勢(shì)平坦，但局部地區(qū)仍有較大的起伏。因背臨引黃干渠受河水側(cè)滲的緣故，形成大面積土地地勢(shì)高低不平，加之農(nóng)田水利配套設(shè)施不足，每逢汛期、雨季大面積水，形成河灘高地、決口扇形地、緩平坡地、淺平洼地、背河槽狀洼地和黃河灘涂等復(fù)雜的微地貌類型。

4.2 預(yù)警因子體系的選擇

根據(jù)前文構(gòu)建的普適性農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警因子體系，結(jié)合案例區(qū)的實(shí)際情況，從資源效應(yīng)方面選擇有效耕地面積比率、有效灌溉面積比率、土地鹽堿化率、農(nóng)田林網(wǎng)面積比率、排澇排漬率、田塊集中度、可機(jī)械化耕作面積比率、灌排溝渠密度、田間道路密度9項(xiàng)因子;從環(huán)境效應(yīng)方面選擇水域面積比率、綠色植被覆蓋率、生物多樣性狀況、自然災(zāi)害抵御度、土地污染率、單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值6項(xiàng)因子;從景觀效應(yīng)方面選擇景觀的多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、景觀類型破碎度、田塊形狀指數(shù)、相對(duì)均勻度、人為干擾指數(shù)、人工廊道密度、景觀類型相對(duì)豐富度和通達(dá)度9項(xiàng)因子。

4.3 農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警結(jié)果

農(nóng)地整治對(duì)資源環(huán)境效應(yīng)單項(xiàng)因子的影響大多是正向的，其中代表資源效應(yīng)的因子均為無(wú)警狀態(tài)。表征環(huán)境效應(yīng)的因子中綠色植被覆蓋率、自然災(zāi)害抵御度、土地污染情況、單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值屬于無(wú)警;生物多樣性狀況屬于中警;水域面積覆蓋比率屬于巨警。表征景觀效應(yīng)的因子中除景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、景觀類型破碎度、田塊形狀指數(shù)三項(xiàng)因子沒(méi)有出現(xiàn)警情外，其他因子均出現(xiàn)了不同程度的警情。

從農(nóng)地整治資源環(huán)境總效應(yīng)來(lái)看，從整治的狀態(tài)和整治的演化方向強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，均屬于無(wú)警狀況，說(shuō)明該項(xiàng)目對(duì)資源環(huán)境總的影響是良性的，具體見(jiàn)表3。從單項(xiàng)效應(yīng)來(lái)看，資源效應(yīng)與環(huán)境效應(yīng)的綜合警情均為無(wú)警，而景觀效應(yīng)分值由整治前的15.68降到了整治后的12.92，其整治后的狀態(tài)屬于輕警，演化方向?qū)儆谥芯?，綜合警情為中警。另外用于衡量環(huán)境效應(yīng)的生態(tài)結(jié)構(gòu)綜合預(yù)警結(jié)果為輕警，用于衡量景觀效應(yīng)的異質(zhì)性與自然性的綜合預(yù)警結(jié)果為中警，運(yùn)動(dòng)性的綜合預(yù)警結(jié)果為重警。

表3 案例區(qū)農(nóng)地整治資源環(huán)境效應(yīng)預(yù)警結(jié)果

4.4 排警措施的制定

針對(duì)出現(xiàn)的警情，從生態(tài)保育和景觀塑造兩個(gè)角度出發(fā)，提出相應(yīng)的排警措施，據(jù)此對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善。

4.4.1 設(shè)計(jì)生態(tài)緩沖區(qū)域

可在農(nóng)田邊緣設(shè)計(jì)生態(tài)緩沖區(qū)域，生態(tài)緩沖區(qū)域不僅包括原有已經(jīng)配置的防護(hù)林、道路和溝渠，其還應(yīng)該形成一個(gè)空間上多層次的防護(hù)體系，形成一個(gè)“作物邊界+多層次防護(hù)林+草皮+道路溝渠”的緩沖邊界，其為物種提供了緩沖生境同時(shí)也提供了較為安全的遷徙通道。對(duì)于原有河流、池塘，可在其周圍保留和規(guī)整出2～3 m的洼地作為農(nóng)田邊界，保護(hù)自然界天然的濕地環(huán)境，一方面保留景觀的自然性，另一方面對(duì)生物多樣性保護(hù)也起著十分重要的作用。

4.4.2 建造生態(tài)化道路、河流溝渠

道路、溝渠建造材料的選擇應(yīng)考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境以及景觀自然性的保護(hù)，如道路盡量采用素土夯實(shí)或者采用泥結(jié)碎石，渠系盡量采用石砌渠底燈等。整治過(guò)程應(yīng)盡量保證河流、坑塘水面面積不減少，對(duì)河流溝渠的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能保留河道原有彎曲以及自然風(fēng)貌，一方面保證農(nóng)田的蓄水能力，另一方面為野生動(dòng)植物如茅草、葦草等留下一些合適的棲息地和生存、繁衍空間，促進(jìn)生態(tài)的永續(xù)發(fā)展。

4.4.3 注重農(nóng)田景觀的塑造

從生物多樣性角度來(lái)講，必須注重原有景觀要素的保留和重塑，如可以保留部分的沼澤地，灌木叢等片狀生物群落，針對(duì)東明縣澇洼地農(nóng)地整治項(xiàng)目區(qū)域來(lái)說(shuō)，可以保留部分茅草、蘆葦?shù)染哂袠O強(qiáng)景觀功能的植被類型，以小風(fēng)景點(diǎn)綴田塊，可以避免景色的單調(diào)、呆板，增強(qiáng)景色的美感度。

［1］陳印軍，肖碧林，陳京香.我國(guó)耕地“占補(bǔ)平衡”與土地開(kāi)發(fā)整理效果分析與建議.中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2010，31(1):1～6

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