京津冀地區縣域耕地景觀多功能性評價

彭　建,劉志聰,劉焱序,陳　昕,趙會娟

1 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京　100871 2 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室, 深圳　518055 3 民政部地名研究所,北京　100721

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京津冀地區縣域耕地景觀多功能性評價

彭建1,*,劉志聰2,3,劉焱序1,陳昕2,趙會娟2

1 北京大學城市與環境學院,地表過程分析與模擬教育部重點實驗室, 北京100871 2 北京大學深圳研究生院城市規劃與設計學院,城市人居環境科學與技術重點實驗室, 深圳518055 3 民政部地名研究所,北京100721

摘要:隨著城鎮化發展和農業產業化升級,耕地景觀功能由單一的生產功能向經濟功能、生態功能、文化功能拓展,耕地景觀多功能性成為新的學術熱點。已有研究往往側重于探討耕地功能的多指數耦合,缺乏耕地景觀多重功能空間定量化與相互關聯的分析。以京津冀地區為研究區,對耕地景觀的糧食供給功能、生境維持功能、景觀連通功能、土壤保持功能、景觀美學功能和人口承載功能六項功能及其冷熱點聚集區分別空間定量化,評價縣域尺度耕地景觀多功能性,并識別耕地景觀多種功能的空間關聯。研究結果表明,京津冀中部平原地區糧食供給功能顯著,南部平原地區景觀連通功能突出,燕山與太行山山脈土壤保持功能、維持生境功能最高,山前平原地帶人口承載功能相對重要。2010年京津冀地區耕地景觀功能總體呈現南高北低的分布格局,但功能高低值分布規律差異明顯,各功能全部處于高值或低值的樣本極少；耕地景觀不同功能間的權衡與協同關系數量相當,景觀連通功能與糧食供給功能呈現明顯協同關系,而與土壤保持功能呈現較強權衡關聯。

關鍵詞：耕地景觀；景觀多功能性；空間關聯；熱點分析

耕地景觀是在自然景觀的基礎上經人們長期農業生產活動改造而成的重要景觀類型。耕地的有限性及其供給的稀缺性對我們合理高效地利用耕地提出了要求,而在社會經濟發展過程中,耕地經濟生產功能之外的其他功能價值往往被忽視,耕地功能評價的不完整性和不準確性導致了耕地保護主體和受益主體不對稱、耕地非農化無序轉變的局面。在此背景下,耕地景觀多功能性作為農業及其發展的客觀屬性逐漸被學界關注。耕地景觀多功能性是集農業經濟屬性、社會屬性、生態屬性為一體的農業多元價值屬性的綜合表征[1],主要體現在農業景觀、生物多樣性、農村生存與就業、食品質量衛生、糧食安全保障、農業文化遺產以及動物福利等諸多方面[2-4]。伴隨農業多功能性概念逐漸進入中國政策制定者的視野,耕地多功能性亦成為解決農業環境問題、振興農業文化傳承的有效途徑[5],在調整優化農業產業結構、指導農業可持續發展等方面意義重大[6,7]。

景觀多功能性是指景觀在發揮其主要生態功能的同時還兼具社會、經濟、文化、歷史和美學等其他功能及不同功能相互作用的特性。在社會-經濟-生態耦合系統框架下,耕地景觀經濟功能是指耕地作為農業生產資料所具有的糧食綜合生產能力,是有效耕地面積與作物單產綜合作用的結果[8]；耕地景觀生態功能指耕地生態系統支持人類社會、經濟發展的功能,代表人類從耕地生態環境和農業生產過程中獲取的收益,如調節氣候及大氣中氣體組成、涵養水源及水土保持、支持生命的自然環境條件等[9]；而耕地景觀社會功能是指耕地在生活或社會文化等方面的功能,如養育、承載、增值與保值、信用擔保等[10]。然而,目前耕地景觀功能定量化研究對耕地生態功能與社會功能的關注較多[11-14],對多功能耦合研究涉及較少,現有評價結果往往不能反映現代耕地多功能性的本質。尤其是受到空間數據的可用性和時空尺度的限制,耕地景觀多功能性空間制圖相關研究相對較少,對多種功能的相互關系并不明晰[15]。為此,需要在耕地單功能定量評價的基礎上將單個因素的評價結果有機整合,進行空間化綜合評價；并對比分析不同功能間的空間關聯特征,從而實現系統化的耕地景觀多功能性評價[16-17]。

京津冀地區是我國最重要的政治、經濟、文化與科技中心。當前,京津冀迎來一體化與區域人口發展的重要變革期,是協調區域人口與產業、社會和經濟、資源和環境等關系的重大機遇期。在這一背景下,如何理解京津冀地區耕地資源的功能定位,促進耕地資源的宏觀調控使其得以規范、合理利用,是京津冀地區國土空間優化的重要前提。本研究試圖突破常用的耕地價值定量測算方法,實現耕地景觀各項功能的空間定量化制圖,探究耕地各項功能間的相互關系,從而為快速城鎮化背景下鄉村景觀規劃與生產、生活、生態空間重構提供空間定量指引。

1研究區概況

京津冀地區位于36.07—42.65°N, 113.46—119.79′E,總面積約 21.65 萬km2(圖1)。整體上由東南至西北,海岸灘涂、濱海濕地、農田、城市、灌叢、森林、森林草原和草原依次更替,地貌形態豐富多樣。燕山山脈和太行山脈自東向西又向南形成弧形山脈,山脈東部及南部為河北平原區,境內海拔相差懸殊,境內最高海拔為小五臺山(約2840m),平原地區多數海拔為50m以下。京津冀地區涉及兩市一省,包括北京和天津兩個直轄市以及河北省的石家莊、唐山、秦皇島、保定、滄州、廊坊、邯鄲、承德、張家口、邢臺和衡水 11 個地級市,是我國北方經濟發展程度最高的區域。在本研究中,北京市東城區、西城區、海淀區、朝陽區、豐臺區、石景山區被合并為北京市區；天津市市內六區和東麗區、西青區、津南區、北辰區被合并為天津市區。

圖1　京津冀地區地理位置與高程Fig.1　The geographical location and DEM of Beijing-Tianjin-Hebei area

2數據與方法

2.1數據來源

本研究采用的數據主要包括：(1)京津冀各縣市人口數據,源自第六次人口普查；(2)2010年MODIS衛星MOD17A3年NPP數據集,空間分辨率1km,源自美國地質調查局(USGS)；(3)2010年MODIS衛星MOD13Q1植被指數,空間分辨率250m,時間分辨率16d,源自美國地質調查局(USGS)；(4)2010年京津冀土地利用類型數據,分辨率250m,源自中國科學院資源環境科學數據中心；(5)中國土壤類型圖,分辨率1km,源自中國科學院資源環境科學數據中心；(6)GDEM數字高程數據,分辨率30m,源自地理數據云；(7)京津冀道路矢量基礎數據,源自國家1∶400萬矢量圖。

2.2研究方法

景觀功能與生態系統服務在實質上是近似的,但景觀功能更強調非生態功能的效用。參照目前常見的20余種景觀功能[18],本研究選擇6種代表性功能,即糧食供給、生境維持、景觀連通、土壤保持、景觀美學、人口承載,分別涵蓋了生態系統/景觀服務的供給、支持、文化、調節四個方面,包括直接服務和間接服務,具有代表性且便于計算。

2.2.1糧食供給功能

糧食供給功能是耕地景觀最基本的功能,在人類社會發展的各個時期都會發生作用。凈初級生產力(NPP)是植被在固定時間內所積攢的干物質總量。本研究實現耕地景觀糧食供給功能空間化的方法為：使用耕地圖斑提取全年NPP,得到各縣域耕地NPP；基于統計年鑒得到縣域糧食產量；換算各縣的單位NPP所對應的糧食產量,得到收獲指數；將收獲指數乘以每個耕地像元的NPP,從而完成空間制圖。

2.2.2維持生境功能

維持生境功能是耕地景觀能夠提供物種生存繁衍條件的潛力,因而保存生物多樣性成為維持耕地景觀可持續性的關鍵指標[19]。基于生境質量評價表征景觀的維持生境功能已在InVEST模型發布后得到了廣泛應用[20]。在模型計算的具體設置中,基于土地利用的生境分類包括水田、平原耕地、坡耕地、非耕地,生境敏感性依次賦值0.9、0.8、1.0、0,這主要是考慮坡耕地處于山區生物多樣性較高,而水田雖然生物多樣性相較之趨于單一,但水生態系統的敏感程度高于平原旱地。基于土地利用的干擾源則包括城市、農村居民點、其他建設用地、沙地沼澤等未利用地,依據人類活動強度的大小,干擾強度依次降低；按照城市的空間影響范圍最大而未利用地最小,設置空間衰減距離10—30 km,半飽和常數為0.1,構建csv文件輸入模塊。代入模型輸出耕地景觀維持生境功能空間分異。該模型可表征為：

(1)

式中,Qxj是自然度類型j中柵格x的生境質量；Dxj是自然度類型j柵格x的生境脅迫水平；k是半飽和常數；Hj是自然度j的生境適宜性。

2.2.3景觀連通功能

景觀連通功能是指耕地景觀與周圍地域耕地的可聯系程度,代表了斑塊間的物種交流,即各種動植物和微生物的長距離傳播。景觀連通功能往往是生態系統服務研究中被忽視的功能類型,這是由于該功能并不直接參與具體生態系統服務。但在景觀生態學研究中,景觀連通性作為斑塊之間相互作用程度的表征被高度重視。就耕地景觀而言,高度的景觀連通性不僅有利于農田生態系統物種基因交流,更為集中連片的機械化生產提供便利。因此,景觀連通性有必要作為一項潛在功能在耕地景觀功能空間化過程中予以強調。景觀連通度主要是由斑塊面積大小和斑塊之間的連接情況共同決定的。本研究采用景觀重要性計算方法,遞歸運算每個斑塊撤出后對景觀連通度的改變幅度。PascualHortal和Saura提出的整體連通性指數(IIC)是基于圖論思想的二元連通性模型,計算方式如下[21]：

(2)

式中,n表示景觀中斑塊總數,ai和aj分別表示斑塊i和斑塊j的面積,nlij表示斑塊i和斑塊j之間的連接數,AL是景觀的面積。0≤IIC≤1,IIC 的值為0,表示各生境斑塊之間沒有連接。IIC 等于1,表示整個景觀都為生境斑塊。

(3)

式中,dI(%)表示單個斑塊對整體連通度的貢獻率,IIC,IICremove是去除單個斑塊后剩下的斑塊的連通度。IIC與dI的具體運算在Conefor Sensinode2.2軟件中實現。

2.2.4土壤保持功能

土壤保持功能是指耕地景觀在固持水土、減少土壤肥力損失、控制徑流泥沙量等方面的功能。景觀的土壤保持功能研究往往以森林景觀為對象,而耕地尤其是坡耕地也具備一定的土壤保持能力,這在部分研究中往往被忽視。本研究采用修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)作為研究土壤保持功能的基本框架,以潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量的差值計算土壤保持量[22]。其基本公式為：

A=R×K×LS×C×P

(4)

式中,A為實際土壤侵蝕量(t hm-2a-1),R為降雨侵蝕力因子[23],K為土壤可蝕性因子[24],LS統稱為地形因子,其中L為坡長因子[25],S為坡度因子[26],C為植被覆蓋管理因子[27],P為水土保持措施因子(水田P值取0.01,旱地P值取0.4)[28]。

在RUSLE模型中不考慮植被覆蓋管理因子C與水土保持措施因子P,即將兩項因子的數值設為1,則可以評估潛在土壤侵蝕量：

AP=R×K×LS

(5)

式中,AP為潛在土壤侵蝕量(t hm-2a-1),表示沒有任何植被覆蓋管理與水土保持措施下的土壤最大侵蝕量。

土壤保持量則可表示為潛在土壤侵蝕量與實際土壤侵蝕量之差,計算公式為：

AC=AP-A

(6)

式中,AC表示土壤保持量(t hm-2a-1)。

2.2.5景觀美學功能

景觀美學功能是指耕地景觀本身作為一種自然和人文的綜合景觀可以給予人類以美的享受,是景觀多功能性評價的重要組成部分[29]。耕地景觀美學價值不僅體現在景觀自身的質量和景觀美學信息的多寡,還取決于人類獲取信息的能力及其感官認知。因此,度量耕地景觀的美學價值要從景觀本底美景度和獲取美學感受的便捷性兩方面綜合度量。就耕地景觀本身而言,通常認為有一定地形起伏度的,集中連片的耕地景觀更具美學價值；從欣賞主體的角度,相較于農村居民,耕地景觀對城鎮居民更具吸引力,而他們前往某地觀賞,往往會考慮距離因素和交通可達性因素。因此,本文綜合考慮地形起伏度、斑塊集聚度、城市距離、公路距離四項要素,利用專家打分法賦予因子權重,集合各要素得分計算耕地景觀的美學功能價值。其中,地形起伏度按照封志明等提出的公式計算[30],斑塊聚集度指數(CONTAG)在Fragstats4.1中運算[31]。

表1　耕地景觀美學價值評價指標體系

2.2.6人口承載功能

人口承載功能是指耕地為農民提供生計、容納剩余勞動力、維持正常的經濟社會發展的功能。人們對耕地的經營過程,其實也是耕地景觀對人口提供就業的一種方式,因而耕地景觀是農村人口的主要載體。本研究采用地均農村人口承載力指標,即單位耕地上農村人口的分布情況,來度量耕地景觀的人口承載功能。顯然,人口不是平均分布在耕地上的,為避免在縣域尺度上出現過度均質化,采用NDVI對結果作以修正,即認為植被長勢較好的耕地對區域內部人口承載的正向功能越大。具體是將縣域總人口除以縣域耕地年最大NDVI的總和,得到單位NDVI所對應的人口,再乘以各柵格的NDVI值得到柵格化的人口承載量。

2.2.7功能冷熱點識別

(7)

(8)

2.2.8功能關聯特征分析

目前,生態系統服務關聯剖析已經被國際生態學界廣泛關注[34],而如何定量生態系統服務之間的權衡與協同兩種關聯關系業已成為地理學、生態學領域的最新國際熱點研究議題[35]。在這種關聯剖析中,如果一種生態系統服務的升高會同時伴隨著另一種生態系統服務的下降,則二者可被視作權衡關系；如果兩種生態系統服務在生態過程交互作用下同時升高,則二者可被視作協同關系[36]。作為生態系統服務的概念延展,景觀功能權衡與協同關系的判定與生態服務關聯剖析在方法上并無本質區別。其中,Spearman秩相關是分析景觀功能權衡關系的常用方法[37]。這是由于地理空間數據分布往往具有非線性和非正態特征,因而需要應用非參數相關性分析。

Spearman秩相關方法將變量從小到大進行排序,即編秩；將變量的順序即秩次帶入傳統的相關系數定義公式,即得到秩相關結果。若為顯著負相關,則功能之間存在空間權衡；若為顯著正相關,則功能之間存在空間協同；若相關性不顯著,則功能之間呈現空間兼容。

3結果分析

3.1耕地景觀功能空間化制圖

根據耕地景觀單一功能歸一化評價結果可以看出,同一位置不同功能的值域分布特征有明顯差異(圖2)。糧食高產區主要位于京津冀中部平原地區、燕山山脈東段山前平原地帶；而地形起伏較大的山區丘陵地帶因為耕地面積較少且零星分布,糧食供給能力較低。遠離城鎮的耕地景觀由于受城鎮化影響相對較小,生境質量相對較高；而大城市周邊與主干道路周圍的耕地景觀生境質量較低。景觀連通功能突出的區域出現在京津冀中部與南部廣泛的平原地區,這一特征無疑是有利于集中連片農業規模化經營的；而北部燕山山脈由于山地的阻隔,即便有零星坡耕地分布,也不具備高連通特征。研究區土壤保持量與海拔、植被類型密切相關,燕山與太行山山脈所覆蓋的耕地景觀土壤保持功能最高；而平原地區由于潛在土壤流失量少,耕地景觀土壤保持功能最低。景觀美學功能較強的區域出現在地形起伏度較高、距離公路較近的區域；而農耕區腹地一些遠離交通干線的耕地景觀觀賞評分相對較低。人口承載功能高值區位于保定中部、石家莊東部、邢臺中部等地,而張家口市耕地承載人口密度較小,一般小于250人/km2。

圖2　京津冀地區耕地景觀功能空間化Fig.2　Mapping farmland landscape functions of Beijing-Tianjin-Hebei area

3.2耕地景觀多功能性

耕地景觀多功能性代表耕地各功能相互依存、相互制約、相互促進的多功能有機系統特性,故而有強弱之分。鑒于柵格分布較為零散,不利于對區域整體耕地景觀特征進行認識,本研究將評價結果統計至縣域層面,并以20%為間隔閾值,將耕地景觀功能從低到高劃分為五個等級,并依次賦值1—5(圖3)。從而,可以形成耕地景觀功能得分等級圖。將耕地景觀功能得分等權重相加,即可得出耕地景觀多功能性得分,且6種功能的景觀多功能性分布區間應為6—30。最終計算得出,縣域景觀多功能性分布區間為10—23(圖4)。

強多功能性首先意味著農業產業本身發展具有巨大潛在價值；其次,鑒于耕地景觀對整個社會、經濟、文化和生態的基礎支撐作用,多功能性越強表示耕地景觀的外部性和公共性越強。根據縣域耕地景觀多功能性累加結果,京津冀耕地景觀多功能性南北分異明顯,呈現南高北低的分布格局；強多功能區集中在太行山麓與黃淮海平原的接壤地帶,主要位于北京市西部、保定市北部、石家莊南部和邯鄲市西部；弱多功能區散布在渤海沿岸、北京市,以及壩上草原。在數量上,得分14及以下的縣域共13個,得分15—17的縣域共51個,得分18—20的縣域共77個,得分21及以上的縣域共26個。其中,多功能性得分大于等于22的10個區縣分別為涉縣、肥鄉縣、武安市、沙河市、邱縣、內丘縣、贊皇縣、高邑縣、新河縣、撫寧縣。

圖3　京津冀地區縣域耕地景觀功能等級Fig.3　Interval threshold scores of a farmland landscape function of Beijing-Tianjin-Hebei area at county level

圖4　京津冀地區縣域耕地景觀多功能性　Fig.4　The score of farmland landscape multifunction of Beijing-Tianjin-Hebei area at county level

3.3耕地景觀功能熱點分析

耕地景觀功能有賴于土地、水、光、熱等自然資源,而這些資源又客觀存在地域上的差異性,因此耕地景觀功能分布也具有一定的空間特征。識別在特定區位空間集中的耕地景觀功能,有利于制定針對性的農業政策,發揮規模集聚效應,擴充功能價值總量,提升功能綜合效益。糧食功能熱點區是優先發展傳統農業生產的地區,景觀連通功能熱點區是利于農業集約規模化生產和斑塊完整性優先保護的區域,土壤保持功能熱點區是需要優先考慮保護地表覆被的區域,景觀美學功能熱點區是開發潛在旅游資源的優先區,人口承載功能熱點區是關注農業人口生計的重點區域,維持生境功能熱點區是生態環境保護意義重大的區域。反之,各景觀功能冷點區則是相應視角和政策指引的規避區域。其中,糧食供給功能和景觀連通功能呈現南熱北冷的分布,土壤保持功能呈現南北熱、中央冷的格局,景觀美學功能呈現西熱東冷的態勢，人口承載功能呈現東西冷、中央熱的形態，維持生境功能熱點集中于北部而冷點集中于中部(圖5)。

3.4耕地景觀功能空間差異與相互關聯

一般而言,變異系數可以有效衡量樣本數值分布差異性。分別計算研究區耕地景觀各功能標準差和平均值,得出糧食供給、景觀連通、土壤保持、景觀美學、人口承載、維持生境6種功能變異系數依次為0.19、0.45、1.23、0.12、0.59、0.06,可見在縣域單元間的土壤保持功能相對空間分異特征更明顯,這顯然與研究區地形特征的巨大分異性直接相關。然而,值得注意的是,這一結論更側重于對樣本個體之間相互關系的宏觀描述,而忽視了高值與低值樣本在空間集聚后形成的區塊式的分布規律,例如冷熱點分布形態所表征的空間差異性。為進一步充分定量耕地景觀功能的空間差異,將熱點樣本與冷點樣本作為兩組變量,帶入SPSS19.0中進行獨立樣本T檢驗。在已知輸入數據會存在顯著差異的前提下,t值計算結果可以表征熱點區樣本均值和冷點區樣本均值的差異程度。研究結果表明,糧食供給、景觀連通、土壤保持、景觀美學、人口承載、維持生境6種功能的t檢驗結果分別為34.94、12.34、8.03、4.62、6.07、5.87,表明糧食供給功能的冷點和熱點均值差異是最明顯的,而土壤保持、景觀美學、人口承載、維持生境四種功能冷點與熱點之間的數據分布均值差異相對較小。也就是說,冷點和熱點兩組樣本分類中糧食供給功能的差異是最大的,其南高北低、東高西低的分布對應了幾種功能中最顯著的冷熱差異。

應用Spearman秩相關,分析縣域耕地景觀功能的空間關聯關系,其中權衡與協同關系各半(表2)。具體而言,糧食供給功能與景觀連通功能、人口承載功能呈現協同關系,與土壤保持功能、景觀美學功能、維持生境功能呈現權衡關系；景觀連通功能與土壤保持功能、景觀美學功能、維持生境功能呈現權衡關系,而與人口承載功能呈現兼容關系；土壤保持功能與景觀美學功能、維持生境功能均呈現協同關系,與人口承載功能呈現兼容關系；景觀美學功能與人口承載功能呈現權衡關系,而與維持生境功能呈現協同關系；人口承載功能與維持生境功能也呈現權衡關系。

表2　京津冀地區縣域耕地景觀功能Spearman秩相關

**在置信度(雙測)為 0.01 時,相關性為極顯著

整體而言,耕地景觀功能空間關聯結果揭示了以下三點：(1)由代表經濟功能的糧食供給與代表生態功能的土壤保持、景觀美學、維持生境呈權衡關系可知,耕地景觀生態功能與經濟功能的發揮是一組不可回避的矛盾。農業經濟的高速發展往往是以犧牲生態環境為代價的,而歷史實踐證明這種增長方式是不可取的,這就要求我們以可持續的視角盡量平衡耕地景觀的不同功能,將發揮耕地景觀多功能性納入農業可持續管理的核心目標；(2)由代表耕地景觀是否集中連片的景觀連通功能與糧食供給功能間的協同關系可知,規模化生產經營更有利于帶來產業集聚效應,進而產生規模經濟效益；(3)由維持生境與人口承載的并不突出的權衡關系可知,人類干擾對耕地景觀的生境質量維系造成負向影響,但這種影響可能是間接的,人類活動不一定對自然生境產生高強度的破壞,關鍵在于如何將人類活動的負面影響限定在一定的自然承載閾限范圍之內。

4討論

4.1耕地景觀功能分區

圖6　京津冀地區耕地景觀功能分區　Fig.6　Zoning of farmland landscape function of Beijing-Tianjin-Hebei area

根據京津冀地區耕地景觀功能冷熱點空間分布,提取熱點區域進行耕地景觀功能分區。在分區中考慮各功能間的權衡協同關系,在有兩個以上功能出現熱點時,考慮其最主要功能。例如,景觀連通功能與糧食供給功能呈現協同作用,但在分區命名時糧食供給功能優先級更高。同理,土壤保持功能與維持生境功能高度相關,但維持生境功能在定量化過程中的不確定性大于土壤保持功能,命名以土壤保持功能優先。最終,將破碎小單元進行融合后的分區結果如圖6所示。

對于糧食供給功能區,有必要進一步發揮糧食主產區的優勢,依托連通的耕地景觀,建立集中連片的高標準農田,其中水資源的高效利用成為保障糧食供給的關鍵環節。對于景觀連通功能區,其往往緊鄰糧食供給功能區,加強農業基礎設施建設是縣域第一產業競爭力提升的重要方式。景觀美學功能區與生境維持功能區大量重疊,而二者本身也存在一定的依存關系,加強生物多樣性保護是維持耕地景觀美學的重要舉措之一。對于生境維持功能較強的張家口市而言,發展生態農業是發揮耕地多功能性潛力的有效途徑。承德市與太行山麓土壤保持功能較高,因而合理的種植與耕作方式對于地區水土保持尤為關鍵。而保定北部與北京西部上農村人口較密集,如何對農村勞動力進行有效利用值得繼續探討。此外,京津唐三角地帶無突出功能,該區域屬于京津冀城市群的中心,發展集約型的都市農業值得倡導。

4.2不確定性分析

本研究在遙感空間數據與GIS算法的支持下,進行了京津冀地區耕地景觀多功能性評價與功能空間關聯識別。相比較前人將耕地多功能看作單功能的綜合、不考慮景觀的空間特征,本研究從耕地景觀功能制圖與空間關聯分析切入,進一步明晰了耕地景觀多功能性定量化的技術手段,可以有效識別耕地多種功能之間的空間相互關系。同時,基于熱點分析的耕地景觀功能分區有助于對可持續土地規劃與生態系統管理的空間指引,并為維護農村自然生態環境、完善鄉村社會保障、優化耕地景觀美學、進行農耕文化傳承等工作提供定量支持。

在景觀尺度的地理生態過程空間化表征中,仍存在一定的不確定性。例如,在土壤保持功能估算時,靜態的土壤類型圖在表述土地利用變化時存在誤差；在維持生境參數確定中,水田與坡耕地的敏感程度尚無定論。同時,評價對象本身的局部不確定性需要被強調。正如文中敘述,每個地塊的美學觀賞價值和承載人口結構往往是獨立的,很難通過少量幾個地理因子的組合對其完成精確識別,因此本文對耕地景觀功能的定量趨于宏觀,難以直接將柵格評價結果帶入多功能性運算,因而通過擴大尺度到縣域單元來降低不確定性。而就耕地景觀多功能性本身而言,對多功能性定義標準的不一致決定了評價結果具有不確定性,將不同功能通過等權重加權匯總的方式并非唯一選擇。

5結論

本研究基于遙感反演數據與相應統計年鑒,運用生態模型和GIS空間分析手段,進行糧食供給、景觀連通、土壤保持、景觀美學、人口承載、維持生境等6項景觀功能的空間化制圖,在景觀功能冷熱點識別和各功能空間關聯探究的基礎上,完成京津冀地區縣域耕地景觀多功能性制圖與評價。

從耕地景觀單一功能來看,京津冀中部平原地區和燕山山脈東段山前平原地帶糧食供給功能顯著,京津冀中部與南部平原地區景觀連通功能突出,燕山與太行山脈所覆蓋的耕地景觀土壤保持、生境維持功能最高,山前平原地帶的耕地景觀人口承載功能相對重要。2010年,京津冀地區耕地景觀功能總體呈現南高北低的分布格局。縣域樣本顯示土壤保持功能的空間分異最為明顯,而冷熱點分區中糧食供給功能的區間差異最顯著。研究同時表明,耕地景觀不同功能間存在顯著協同或權衡的關系,耕地景觀生態功能與經濟功能間的矛盾難以回避,而景觀連通與糧食供給相互增益,人類干擾會對生境質量維系造成負向影響但強度不一定高。

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Assessment of farmland landscape multifunctionality at county level in Beijing-Tianjin-Hebei area

PENG Jian1,*, LIU Zhicong2,3, LIU Yanxu1, CHEN Xin2, ZHAO Huijuan2

1LaboratoryforEarthSurfaceProcesses,MinistryofEducation,CollegeofUrbanandEnvironmentalSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2KeyLaboratoryforEnvironmentalandUrbanSciences,SchoolofUrbanPlanningandDesign,ShenzhenGraduateSchool,PekingUniversity,Shenzhen518055,China3PlaceNamesResearchInstituteofMinistryofCivilAffairs,Beijing100721,China

Abstract：With the development of urbanization and the upgrade of agricultural industrialization, farmland landscape function has developed from a single production function to the function bundle of the economic function, ecological function and cultural function. Thus the farmland landscape multifunctionality has become a hot topic in academic research. However, the existing studies discussed more on coupling the multi indices of farmland function. How to map different functions and the multi-scale correlation analysis on the farmland landscape functions is lack of attention. This study has selected the Beijing-Tianjin-Hebei area as study area, and calculated six farmland landscape functions spatially. The functions are respectively grain provision function, landscape connection function, soil conservation function, landscape scenery function, population capacity function, and habitat sustain function. Remote sensed net primary productivity (NPP), Habitat Quality model in InVEST, Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) model, Integral Index of Connectivity (IIC), demographic census data, and Relief Degree of Land Surface (RDLS) are used to quantify these functions. The farmland landscape multifunctionality is quantified by hot spot identification and spatial overlay using spatial autocorrelation method. The result shows that the grain provision function is significant in the middle plain; the landscape connection function is prominent in the south plain; both of the soil conservation function and the habitat sustain function are high in the Yan Mountain and Taihang Mountain; the population capacity function near Beijing City is relatively important. The spatial distribution of different farmland landscape functions differs a lot in Beijing-Tianjin-Hebei Area in the year of 2010. The Beijing-Tianjing-Heibei area has a higher distribution of farmland landscape multifunctionality in the south than the north at county level. There are few counties in high value of all functions. The trade-off and synergy relations between each function are almost equal in number. The functions of landscape connectivity and grain provision are in synergy, while the trade-off between landscape connectivity and soil conservation is apparent. Based on remote sensed images and GIS analysis, this study mapped the farmland landscape multifunctionality and the relationships between different functions, which is an exploration in studying agricultural functions.

Key Words:farmland landscape; landscape multifunctionality; spatial correlation; hot-spot analysis

基金項目:國家自然科學基金重點項目(41130534)

收稿日期:2015- 09- 09;

修訂日期:2016- 02- 23

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: jianpeng@urban.pku.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201509091856

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