基于景觀(guān)格局的土地整理風(fēng)險(xiǎn)與固碳功能評(píng)價(jià)

董玉紅，劉世梁，王 軍，侯笑云

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091；2. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3. 國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100812）

基于景觀(guān)格局的土地整理風(fēng)險(xiǎn)與固碳功能評(píng)價(jià)

董玉紅1，劉世梁2※，王 軍3，侯笑云2

（1. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091；2. 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；3. 國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100812）

通過(guò)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建和碳儲(chǔ)量服務(wù)模擬，評(píng)價(jià)土地整理對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和固碳功能的影響，由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究中的缺乏，利用土地整理前后生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化和碳儲(chǔ)量服務(wù)變化之間的相關(guān)關(guān)系分析，探討利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化評(píng)價(jià)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的可能。以吉林省西部重大土地整理區(qū)為研究對(duì)象，基于景觀(guān)格局變化構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，利用InVEST模型分析碳儲(chǔ)量服務(wù)變化，結(jié)果表明：土地整理使整理區(qū)的景觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，優(yōu)勢(shì)景觀(guān)類(lèi)型由鹽堿地和草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，耕地破碎度和分離度降低，鹽堿地和草地的分離度和破碎度增加。土地整理后，耕地、建設(shè)用地和其他用地的景觀(guān)損失度指數(shù)降低，其他景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)損失度指數(shù)增加。土地整理前后整理區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)為主，整理后低和較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積變化明顯，其他等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積變化不大。InVEST模擬結(jié)果表明，土地整理前后整理區(qū)總碳儲(chǔ)量分別為990.82、1 145.22萬(wàn)t，總碳儲(chǔ)量增加154.40萬(wàn)t，土地整理導(dǎo)致固碳功能的增加。相關(guān)分析結(jié)果表明整理區(qū)碳儲(chǔ)量服務(wù)變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中應(yīng)用的可能。

整理；生態(tài)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；Invest模型；固碳功能

董玉紅，劉世梁，王 軍，侯笑云. 基于景觀(guān)格局的土地整理風(fēng)險(xiǎn)與固碳功能評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：246－253.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.032 http://www.tcsae.org

Dong Yuhong, Liu Shiliang, Wang Jun, Hou Xiaoyun. Assessment of risk and carbon sequestration function of land consolidation based on landscape pattern[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 246－253. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.032 http://www.tcsae.org

0 引 言

土地整理項(xiàng)目通過(guò)一系列生物、工程或綜合措施對(duì)土地資源進(jìn)行整理，不可避免地影響環(huán)境要素及其相關(guān)生態(tài)過(guò)程，影響敏感生態(tài)系統(tǒng)及景觀(guān)組分[1]。土地整理顯著改變土地利用和景觀(guān)格局，土地整理項(xiàng)目的景觀(guān)生態(tài)效應(yīng)受到廣泛的關(guān)注[2-6]。利用景觀(guān)結(jié)構(gòu)及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行區(qū)域尺度上生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是當(dāng)今學(xué)者研究的趨勢(shì)[7-10]，針對(duì)土地整理活動(dòng)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，一般是通過(guò)建立生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別體系，采用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)并建構(gòu)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)[11]。目前，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，景觀(guān)生態(tài)學(xué)的研究受到重視，如艾建超等[12]以吉林省鎮(zhèn)賚縣土地整理區(qū)為研究對(duì)象，分析土地整理前后的景觀(guān)格局變化和可能的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。鄧靜等[13]以天津市武清區(qū)下朱莊街農(nóng)村居民點(diǎn)整理工程為研究對(duì)象，利用景觀(guān)干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)計(jì)算生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，分析景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化。

近年來(lái)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過(guò)程變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響已成為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)應(yīng)用最為廣泛的是 Costanza等[14]提出的價(jià)值量評(píng)價(jià)[15-17]。土地整理的生態(tài)效益可用土地整理前后生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量來(lái)衡量，一些研究通過(guò)價(jià)值量分析評(píng)價(jià)土地整理對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[18-21]。而利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)受到關(guān)注，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究還很少，大多還都處在探討階段，只是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為評(píng)價(jià)終點(diǎn)進(jìn)行研究，康鵬等[22]提出從生態(tài)服務(wù)提供者、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程和功能以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究。景觀(guān)格局變化后生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的增大直接表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的降低，進(jìn)而影響人類(lèi)福祉，彭建等[23]提出可將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值損失作為景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)人類(lèi)福祉影響的重要評(píng)判依據(jù)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)方法還可利用模型方法，其中InVEST模型發(fā)展最為成熟，利用InVEST模型（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs）模擬不同土地覆被情景下生態(tài)服務(wù)系統(tǒng)服務(wù)功能的變化，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量評(píng)估的空間化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用該模型對(duì)碳儲(chǔ)量、水源供給、水土保持功能、生物多樣性以及生境質(zhì)量等生態(tài)功能評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[24-30]。土地整理導(dǎo)致土地利用發(fā)生變化，利用InVEST模型可模擬土地整理對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。

國(guó)家重大土地整理工程的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)目前受到廣泛關(guān)注，吉林西部大安市作為重要的土地儲(chǔ)備戰(zhàn)略資源與土地開(kāi)發(fā)整理重大工程所在地，土地整理對(duì)景觀(guān)格局產(chǎn)生了重要的影響。目前已經(jīng)進(jìn)行了不同空間幅度整理區(qū)土地整理前后的景觀(guān)格局指數(shù)[31]、基于層次分析法—模糊綜合評(píng)價(jià)模型的土地整理可持續(xù)性評(píng)價(jià)[32]以及村域、鎮(zhèn)域和縣域尺度下土地整理區(qū)的服務(wù)價(jià)值變化[33]方面的研究工作，對(duì)項(xiàng)目區(qū)土地整理引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化目前還沒(méi)有研究。本文以大安市土地整理區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分，基于景觀(guān)格局指數(shù)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)定量化和空間化，探討土地整理對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響，選擇土地整理對(duì)碳儲(chǔ)量的擾動(dòng)為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的指標(biāo)，利用InVEST模型分析土地整理前后碳儲(chǔ)量服務(wù)的變化，進(jìn)一步分析生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化和碳儲(chǔ)量服務(wù)變化的相關(guān)關(guān)系，探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化應(yīng)用于生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的可能，對(duì)于進(jìn)一步深入研究土地整理的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

大安市（123°08′45″－124°21′56″E，44°57′00″－45°45′51″N）位于吉林省西北部，地處松嫩平原腹地，總面積4 879 km2。氣候?qū)儆诎霛駶?rùn)、半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量為413.7 mm，年平均蒸發(fā)量為1 749 mm，年平均氣溫4.3 ℃，年平均積溫2 921.3 ℃。大安市土壤鹽堿化程度嚴(yán)重且分布較集中，重度鹽堿地面積多[34]。大安市土地整理項(xiàng)目是吉林西部土地開(kāi)發(fā)整理重大工程，整理區(qū)總面積約1 201.96 km2，是吉林省西部蘇打鹽堿地分布的核心區(qū)，分布范圍包括新平安鎮(zhèn)、兩家子鎮(zhèn)、樂(lè)勝鄉(xiāng)和海坨鄉(xiāng)等14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，整理區(qū)地貌類(lèi)型包括微起伏平地?壟間低地?沙垅?鹽漬低地?湖沼洼地和漫灘，土壤主要有沖積土、沼澤土、鹽土和堿土等類(lèi)型[31,33]?

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究景觀(guān)類(lèi)型數(shù)據(jù)由國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供，數(shù)據(jù)來(lái)源于大安市項(xiàng)目區(qū)土地整理前（2008年）1:10 000土地利用圖和土地整理后（2014年）1:10 000土地整理圖，運(yùn)用GIS數(shù)字化整理區(qū)的土地利用圖件，獲得整理區(qū)的景觀(guān)類(lèi)型數(shù)據(jù)[31]。依據(jù)全國(guó)土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)，將整理區(qū)景觀(guān)類(lèi)型劃分為 9類(lèi)，包括林地、建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、耕地、鹽堿地、濕地、草地、其他用地和園地。項(xiàng)目區(qū)土地整理前后的景觀(guān)類(lèi)型及分布如圖1所示。

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)劃分

為了能夠?qū)⑸鷳B(tài)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行空間化，將整理區(qū)按4 km×4 km的采樣網(wǎng)格進(jìn)行劃分，獲得146個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，分別計(jì)算每個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，分析土地整理前后整理區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化情況。

圖1 大安市土地整理前后的景觀(guān)類(lèi)型Fig.1 Landscape types before and after land consolidation in Da’an city

1.2.3 景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)構(gòu)建

利用景觀(guān)干擾度指數(shù)和景觀(guān)脆弱度指數(shù)計(jì)算每個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)各景觀(guān)類(lèi)型的損失度指數(shù)，基于小區(qū)內(nèi)各景觀(guān)類(lèi)型的面積比例和景觀(guān)損失度指數(shù)計(jì)算生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)（ecological risk index, ERI）。

1）景觀(guān)干擾度指數(shù)

景觀(guān)干擾度指數(shù)（Si）用來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)受外部干擾的程度，通過(guò)景觀(guān)格局分析，利用景觀(guān)破碎度指數(shù)、景觀(guān)分離度指數(shù)和景觀(guān)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的疊加來(lái)構(gòu)建景觀(guān)干擾度指數(shù)[10,35]。其表達(dá)式為

式中Ci是景觀(guān)破碎度指數(shù)，，Ni是景觀(guān)分離度指數(shù)，，Di是景觀(guān)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，Ci=0.4Li+0.6Pi。ni為景觀(guān)類(lèi)型i的斑塊數(shù)，Ai為景觀(guān)類(lèi)型i的總面積，A為景觀(guān)總面積，hm2；Li為景觀(guān)i的斑塊數(shù)/斑塊總數(shù)，Pi為景觀(guān)i的斑塊面積/總面積。a、b、c為Ci、Ni和Di的權(quán)重，且a+b+c=1，根據(jù)相關(guān)研究，a、b和c分別賦以0.5、0.3、0.2的權(quán)重值，由于鹽堿地的生態(tài)脆弱性強(qiáng)，優(yōu)勢(shì)度更能代表其受干擾程度，因此，a、b和c分別賦以0.3、0.2、0.5的權(quán)重值[12,36]。

2）景觀(guān)脆弱度指數(shù)

景觀(guān)脆弱度指數(shù)（Fi）表示受外部干擾導(dǎo)致的不同景觀(guān)類(lèi)型所代表生態(tài)系統(tǒng)的易損性，采用專(zhuān)家打分法[8-9]，將研究區(qū)景觀(guān)類(lèi)型的脆弱性分為9級(jí)，從低到高依次為：交通運(yùn)輸用地、建設(shè)用地、林地、草地、園地、耕地、濕地、鹽堿地、其他用地，通過(guò)歸一化處理計(jì)算各景觀(guān)類(lèi)型的脆弱度指數(shù)Fi，分別為0.02、0.04、0.07、0.09、0.11、0.13、0.16、0.18和0.20。

3）景觀(guān)損失度指數(shù)

每一景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)損失度指數(shù)Ri，可以表示為以下公式

式中Si是景觀(guān)干擾度指數(shù)；Fi是景觀(guān)脆弱度指數(shù)。

4）生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)

利用各景觀(guān)類(lèi)型的面積比例和景觀(guān)損失度指數(shù)，建立景觀(guān)結(jié)構(gòu)和區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)之間的聯(lián)系，計(jì)算各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)[8,37]

式中 ERIi是為景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；n為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)內(nèi)景觀(guān)類(lèi)型的數(shù)量，Ai為第生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)i類(lèi)景觀(guān)類(lèi)型的面積；A為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的總面積。

1.2.4 基于InVEST模型的碳儲(chǔ)量服務(wù)模擬

利用 InVEST模型中的碳儲(chǔ)量模塊對(duì)土地整理區(qū)的碳儲(chǔ)量服務(wù)進(jìn)行評(píng)估，所需要的數(shù)據(jù)包括：整理區(qū)土地整理前后的景觀(guān)類(lèi)型圖，不同景觀(guān)類(lèi)型地上部分碳密度、地下部分碳密度、土壤碳密度和死亡有機(jī)碳的碳密度，碳密度數(shù)據(jù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)[38-41]獲得（表1）。通過(guò)模型模擬獲得整理區(qū)土地整理前后的碳儲(chǔ)量和碳儲(chǔ)量變化，分析土地整理區(qū)的固碳功能變化。

表1 碳密度參數(shù)Table1 Carbon density index t·hm-2

2 結(jié)果與分析

2.1 土地整理前后景觀(guān)格局指數(shù)變化

大安市土地整理項(xiàng)目區(qū)各種景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)格局變化如表2所示，土地整理前后景觀(guān)格局變化的總趨勢(shì)是：耕地面積顯著增加，鹽堿地和草地面積顯著減少，濕地面積減少，其他景觀(guān)類(lèi)型面積變化不大。土地整理后，耕地面積增加了68 432.7 hm2，斑塊數(shù)、破碎度和分離度減少，優(yōu)勢(shì)度增加，土地整理使得一些小斑塊合并成大斑塊，減少了耕地的破碎化程度。土地整理后，鹽堿地和草地面積分別減少了31 332.34和33 203.79 hm2，斑塊數(shù)、破碎度和分離度增加，優(yōu)勢(shì)度減少，土地整理使得鹽堿地和草地開(kāi)發(fā)為耕地，分布特征由大片集中分布變?yōu)樾K隨機(jī)散落分布。土地整理后，濕地面積減少3 718.1 hm2，斑塊數(shù)和優(yōu)勢(shì)度減少，破碎度和分離度增加。

表2 土地整理區(qū)景觀(guān)格局指數(shù)Table2 Landscape pattern index of land consolidation district

土地整理后，林地、建設(shè)用地、交通運(yùn)輸用地、其他用地和園地面積變化不大，其中林地和交通運(yùn)輸用地斑塊數(shù)、破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度增加，建設(shè)用地斑塊數(shù)、破碎度、分離度和優(yōu)勢(shì)度減少，其他用地的斑塊數(shù)、破碎度和分離度減少，園地的破碎度和分離度增加。耕地、鹽堿地、濕地和草地的優(yōu)勢(shì)度變化主要取決于面積變化，林地、建設(shè)用地和交通運(yùn)輸用地的變化主要取決于斑塊數(shù)量變化。

2.2 土地整理前后的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

土地整理區(qū)各景觀(guān)類(lèi)型的干擾度指數(shù)和損失度指數(shù)如表 3所示，建設(shè)用地、其他用地和園地的干擾度指數(shù)最高，主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)用地、其他用地和園地的面積最少，分離度明顯高于其他景觀(guān)類(lèi)型。土地整理后耕地、建設(shè)用地和其他用地的干擾度指數(shù)降低，主要是土地整理導(dǎo)致其破碎度和分離度降低所致，鹽堿地、草地、林地、交通運(yùn)輸用地、濕地和園地的干擾度指數(shù)增加，主要是土地整理導(dǎo)致其破碎度和分離度增加所致。利用干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)計(jì)算景觀(guān)損失度指數(shù)，土地整理后各景觀(guān)類(lèi)型的損失度指數(shù)的變化與干擾度指數(shù)變化一致。土地整理通過(guò)改變景觀(guān)格局影響干擾度指數(shù)和損失度指數(shù)，土地整理后，耕地面積增加，破碎度和分離度的減少導(dǎo)致其干擾度指數(shù)和損失度指數(shù)的降低，鹽堿地、草地和濕地面積減少，破碎度和分離度的增加導(dǎo)致其干擾度指數(shù)和損失度指數(shù)的增加，林地面積變化不大，破碎度和分離度的增加導(dǎo)致其干擾度指數(shù)和損失度指數(shù)的增加。

表3 土地整理區(qū)景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)Table3 Landscape ecological risk index of land consolidation district

利用公式（3），計(jì)算出各個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值（圖2），土地整理前各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)范圍為0.014 5～0.098 6，整理區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值總和為5.57，土地整理后各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)范圍為 0.013 0～0.095 6，整理區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值總和為 5.25，綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)比整理前降低，各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化在?0.068 2～0.058 6之間。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值較高的小區(qū)景觀(guān)類(lèi)型分布以鹽堿地分布為主，鹽堿地面積比例越大，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值越高，土地整理后鹽堿地面積減少，耕地變?yōu)橹饕坝^(guān)類(lèi)型，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值降低。

為了便于比較土地整理前后的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的空間差異，按照等間距法的劃分方法[37,42]將生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)值劃分為5個(gè)等級(jí)：0.01～0.02低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，＞0.02～0.03較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，＞0.03～0.04中生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，＞0.04～0.05較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，大于0.05為高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，統(tǒng)計(jì)各等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的面積（圖 3）。結(jié)果表明，土地整理區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主，土地整理后較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積百分比分別減少了8.87%、1.16%，低、較高和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積百分比分別增加了8.19%、1.32%和0.51%。表明土地整理后整理區(qū)由于景觀(guān)格局的改變導(dǎo)致部分地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)降低，生態(tài)環(huán)境有所改善，但是有少部分地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加。較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積增加的小區(qū)景觀(guān)變化主要是鹽堿地減少、草地減少或草地和鹽堿地共同減少，高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積增加的小區(qū)的景觀(guān)變化主要是濕地面積減少、草地面積減少或濕地和草地面積共同減少，導(dǎo)致較高和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積增加的小區(qū)景觀(guān)類(lèi)型以耕地為主，但耕地的斑塊數(shù)增加，使得其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖2 土地整理前后土地整理區(qū)各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Fig.2 Ecological risk of each ecological sub-area in land consolidation district before and after land consolidation

圖3 土地整理區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積比例Fig.3 Area ratio of ecological risk grade of land consolidation district

2.3 土地整理前后碳儲(chǔ)量變化

利用 InVEST模型的碳儲(chǔ)量模塊模擬土地整理前后整理區(qū)的碳儲(chǔ)量服務(wù)變化（圖4），結(jié)果表明，土地整理前的碳儲(chǔ)量和碳密度分別為990.82萬(wàn)t和82.43 t/hm2，土地整理后的碳儲(chǔ)量和碳密度分別為 1 145.22萬(wàn) t和95.28 t/hm2，土地整理導(dǎo)致整理區(qū)的碳儲(chǔ)量增加了154.40 萬(wàn)t，增幅達(dá)15.58%，表明土地整理導(dǎo)致固碳功能的改善?？傮w上看，碳儲(chǔ)量服務(wù)增加的區(qū)域分布在整理區(qū)的中部和東部，在土地整理前，這些地區(qū)集中分布著鹽堿地景觀(guān)類(lèi)型。碳儲(chǔ)量服務(wù)的變化主要受土地整理后景觀(guān)類(lèi)型化的影響，土地整理后耕地的碳儲(chǔ)量增加，其他景觀(guān)類(lèi)型碳儲(chǔ)量減少，雖然草地面積的減少導(dǎo)致碳儲(chǔ)量減少，但可通過(guò)耕地的大面積增加導(dǎo)致碳儲(chǔ)量大幅增加而抵消，碳儲(chǔ)量服務(wù)的增加主要是由于鹽堿地大面積開(kāi)發(fā)為耕地，導(dǎo)致整理區(qū)總碳儲(chǔ)量增加。

圖4 土地整理前后土地整理區(qū)的碳儲(chǔ)量Fig.4 Carbon storage of land consolidation districts before and after land consolidation

2.4 碳儲(chǔ)量變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化的關(guān)系

將整理區(qū)土地整理前后各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)的碳儲(chǔ)量變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明二者具有顯著的相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.747（P＜0.01）。進(jìn)一步回歸分析表明生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化和碳儲(chǔ)量變化可用線(xiàn)性方程擬合（圖 5），說(shuō)明整理區(qū)碳儲(chǔ)量服務(wù)變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的降低，碳儲(chǔ)量服務(wù)增加，而隨著生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加則碳儲(chǔ)量服務(wù)降低。

圖5 土地整理前后土地整理區(qū)碳儲(chǔ)量服務(wù)變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化的關(guān)系Fig.5 Relationship between changes of carbon storage service and eological risk in land consolidation district before and after land consolidation

圖5的線(xiàn)性擬合結(jié)果表明，土地整理引起的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的增加直接表現(xiàn)為碳儲(chǔ)量服務(wù)的下降，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的降低則表現(xiàn)為碳儲(chǔ)量服務(wù)的增加，可基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失與不利服務(wù)進(jìn)行表征區(qū)域土地整理的生態(tài)效應(yīng)，可利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化來(lái)指示生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

3 討 論

國(guó)內(nèi)學(xué)者高賓等[8-9]、卿鳳婷等[37]等基于損失度指數(shù)和景觀(guān)類(lèi)型的面積比例構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，表明從景觀(guān)格局角度來(lái)研究區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化是可行的、合理的。本研究利用空間采樣方格劃分生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小區(qū)，利用景觀(guān)損失度指數(shù)和景觀(guān)面積比例計(jì)算生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，也能較好地反映整理區(qū)土地整理前后的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化。但通過(guò)景觀(guān)指數(shù)計(jì)算的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)只是反映了景觀(guān)空間格局的變化，沒(méi)有考慮具體生態(tài)過(guò)程的影響。

土地利用變化對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量有著顯著的影響，關(guān)于土地利用對(duì)固碳功能的研究越來(lái)越受到重視，現(xiàn)階段的土地整理以增加耕地面積為目的，明顯改變了土地利用的格局變化，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化影響明顯。土地整理的大部分區(qū)域都處理水土流失的不敏感區(qū)域，并且整理區(qū)所獲數(shù)據(jù)有限，沒(méi)有考慮整理后水土保持生態(tài)服務(wù)功能的變化[43]。此外，由于土地整理區(qū)所獲數(shù)據(jù)有限，僅利用InVEST模型根據(jù)景觀(guān)格局變化進(jìn)行了碳儲(chǔ)量服務(wù)變化的模擬，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化之間的關(guān)系進(jìn)行初步的探討。目前國(guó)內(nèi)外基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究并不多見(jiàn)，可基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)損失與不利服務(wù)進(jìn)行表征生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。本研究通過(guò)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化和碳儲(chǔ)量服務(wù)變化之間的相關(guān)性分析表明碳儲(chǔ)量服務(wù)變化和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化具有顯著的相關(guān)性，表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中應(yīng)用，彌補(bǔ)基于景觀(guān)格局進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的不足。

4 結(jié) 論

土地利用景觀(guān)格局能夠反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，本文以吉林省大安市土地整理區(qū)為研究對(duì)象，從景觀(guān)格局角度來(lái)研究土地整理前后的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化，并采用InVEST模型分析碳儲(chǔ)量服務(wù)的變化，得出以下結(jié)論：

1）土地整理明顯改變土地利用類(lèi)型，從景觀(guān)類(lèi)型格局變化來(lái)看，大安市的土地整理以增加耕地?cái)?shù)量為主。研究區(qū)土地整理前，占優(yōu)勢(shì)的景觀(guān)類(lèi)型是鹽堿地和草地，而耕地受優(yōu)勢(shì)景觀(guān)類(lèi)型分割的影響，分布比較零散。土地整理后，大部分的草地和鹽堿地轉(zhuǎn)換為耕地，形成了以耕地為主的景觀(guān)格局，耕地集中連片分布，減少了破碎度和分離度。

2）土地整理造成的景觀(guān)格局的差異導(dǎo)致整理區(qū)景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的變化，土地整理后耕地、建設(shè)用地和其他用地的景觀(guān)損失度指數(shù)降低，鹽堿地、草地、林地、交通運(yùn)輸用地、濕地和園地景觀(guān)類(lèi)型的景觀(guān)損失指數(shù)增加。土地整理區(qū)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)以較低和中等風(fēng)險(xiǎn)為主，土地整理后較低和中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積降低，低、較高和高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積增加。

3）土地整理造成的景觀(guān)格局的變化導(dǎo)致整理區(qū)碳儲(chǔ)量服務(wù)的變化，InVEST模擬結(jié)果表明，整理區(qū)土地整理前后的土壤碳儲(chǔ)量由990.82萬(wàn)t變?yōu)? 145.22萬(wàn)t，碳儲(chǔ)量增加了154.40萬(wàn)t，表明土地整理導(dǎo)致固碳功能的改善，碳儲(chǔ)量服務(wù)的增加主要是由于鹽堿地大面積開(kāi)發(fā)為耕地，導(dǎo)致整理區(qū)總碳儲(chǔ)量增加。

4）整理區(qū)碳儲(chǔ)量服務(wù)變化與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的降低，碳儲(chǔ)量增加，生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)增加則碳儲(chǔ)量降低，可考慮將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法。

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Assessment of risk and carbon sequestration function of land consolidation based on landscape pattern

Dong Yuhong1, Liu Shiliang2※, Wang Jun3, Hou Xiaoyun2
(1.Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation of State Forestry Administration, Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry, Beijing100091, China; 2.State Key Joint Laboratory of Environment Simulation and Pollution Control,School of Environment, Beijing Normal University, Beijing100875, China; 3.Key Laboratory of Land Consolidation of Land and Resources Ministry, Beijing100812, China)

Land consolidation has been regarded as an important measure to realize quantity equilibrium of cultivated land. However, the ecological environmental problem of land consolidation has

widespread concern. There may exist some ecological risks under the consolidation of the western fragile area. The objective of this paper was to evaluate the effect of land consolidation on ecological risk and carbon sequestration function by construction of ecological risk index and simulation of carbon storage services. Due to the lack of ecosystem services in ecological risk study, by analyzing the relationship between changes of ecological risk and carbon storage services in the consolidation district before and after land consolidation, the possibility of the application of ecosystem services in ecological risk assessment was discussed. Taking the great land consolidation area in western Jinlin Province as the study area, ecological risk and carbon storage services of land consolidation were assessed based on landscape pattern change. Based on 1:10 000 current landuse map (in 2008) before land consolidation and 1:10 000 land consolidation map (in 2014), the ecological risks were assessed based on landscape loss index and area ratio of landscape type, and the changes of carbon storage services were analyzed with the Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs (InVEST) model. The results showed that land consolidation resulted in great change of landscape pattern, the dominant landscape types changed from saline-alkali land and grassland to cultivated land. The fragmentation index and isolation index of cultivated land decreased, while that of saline-alkali land and grassland increased. After land consolidation, the ecological loss degree of cultivated land, construction land and other land decreased, while that of other landscape types presented an increasing trend. By re-sample in the district, the ecological risk of each ecological risk sub-area was calculated. The integrated ecological risk of the land consolidation district changed from 5.57 to 5.25. After land consolidation, the ecological risk of the consolidation district decreased. According to the scope of ecological risk, 5 ecological risk grades were separated with the equal interval method. If ecological risk was less than 0.01-0.02, the ecological risk grade was low; if ecological risk was 0.02-0.03, the ecological risk grade was lower; if ecological risk was ＞0.03-0.04, the ecological risk grade was medium; if ecological risk was ＞0.04-0.05, the ecological risk grade was higher; and if ecological risk was over 0.05, the ecological risk grade was high. The ecological risk grades of the land consolidation district were mainly lower and medium. After land consolidation, the percentage of the areas with the lower and medium risk grade deceased by 8.87% and 1.16%, respectively, and that of low, higher and high grade increased by 8.19%, 1.32% and 0.51%, respectively. The simulation results of InVEST model showed that the carbon storage in the consolidation district before and after land consolidation was 990.82 and 1 145.22 million ton, respectively, and carbon storage increased by 154.40 million ton after land consolidation. Land consolidation led to an increase in carbon sequestration function. The relationship analysis showed that the change of carbon storage service in the consolidation area was significantly negatively correlated with the change of ecological risk; with the decrease of ecological risk, the carbon storage increased, and the carbon storage decreased with the increase of ecological risk. It is suggested that the ecosystem service change is possible to be applied in ecological risk assessment.

consolidation; ecology; risk assessment; InVEST model; carbon sequestration function

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.032

X821

A

1002-6819(2017)-07-0246-08

2016-09-16

2017-04-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0502103）；國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（20160328）資助

董玉紅，女，副研究員，主要從事生態(tài)系統(tǒng)模擬研究。北京 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所/國(guó)家林業(yè)局林木培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100091。

Email：yhongdong@163.com

※通信作者：劉世梁，博士，主要從事景觀(guān)生態(tài)學(xué)和土地利用的研究。北京北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，100875。

Email：Shiliangliu@bnu.edu.cn