不同環境風險情景下農業土地利用效應評價
——以長沙市金井鎮為例

李洪慶， 鄭 菲， 趙姚陽

(河海大學公共管理學院土地資源管理系，江蘇南京 210098)

目前我國農業普遍實行集約化生產經營模式，不僅保證了我國的糧食安全，同時也為農民增收提供了有效途徑，但是由于農村社會生產力低下、農業技術推廣緩慢，高集約化農業生產模式仍然依靠投入大量的勞動力、農藥、化肥來實現增產增收的目的，尤其是糧食主產區、城郊農業區等，長期過量的農藥、化肥施用導致土壤質量下降[1]、重金屬污染[2]、河流富營養化等[3]，甚至影響到糧食與食品安全[4]，直接危害人類健康[5]。雖然我國已經高度重視農業造成的非點源污染問題，且取得了一定的研究成果[6-7]，同時也在積極治理，但是由于長期的累積，農業環境風險控制仍然面臨很大的挑戰。農業環境風險控制是一個復雜、系統的過程，目前既有從生態工程方向來改善和治理農業環境的研究，如采取最佳管理措施(BMPs)[8-9]、建立人工濕地系統[10-11]等，也有從經濟、政策[12]等方面來引導與降低環境風險的研究，如建立生態補償制度、農業水稅制度[13]等，但無論采取何種措施，都須要深入了解未來會達到何種效果。我國社會經濟發展迅速，造成農業環境風險的不確定因素日益增多，除了農業投入過程本身造成污染以外，商業公司的介入或政府政策都能夠極大地影響未來農業發展方向，進而影響農業環境風險，因此，須要分析在長期不確定情形下未來農業的發展情景。情景分析法作為一種預測方法，能夠展現出未來不同的發展情景，有效幫助管理者避免過高或過低評估未來的變化及其影響，十分適用于戰略管理、政策分析、風險評價、決策管理、可持續評價等，在環境經濟、自然資源管理、生態保護等領域有廣泛的應用空間。因此，本研究借助標準景觀情景法，重點對提出的3種未來農業發展情景從景觀格局、水環境質量、經濟價值、生態系統服務價值、生物多樣性與農戶意愿等方面綜合評價農業土地利用效應，向管理者展現未來不同農業環境風險情景下的農業景觀格局和土地利用效應，以期為控制農業環境風險、尋求合適的農業發展模式提供科學的參考依據。

1 案例區概況

本研究案例區為湖南省長沙市金井鎮(27°55′～28°40′N，112°56′～113°30′E)(圖1)，位于洞庭湖糧食主產區，面積為13 440 hm2，其中耕地面積為2 313 hm2，地貌類型以丘陵為主，屬于亞熱帶季風濕潤氣候，降水較集中，金井河與脫甲河是流域內的主要河流。金井鎮是住房和城鄉建設部小城鎮建設試點鎮，是長沙市北部的工業強鎮、農業重鎮和商貿中心，融入長沙市“半小時經濟圈”，有“金鑄、金革、金茶、金薯、金菜、金米”等“六金”品牌，農民人均純收入為11 088元，農產品生產及加工主要有稻米、蔬菜和茶葉。

金井鎮屬于典型的城郊高集約化農業模式，長期采用高施肥、農藥的方式提升農產品產量，調研發現，旱地年均純氮使用量約為252 kg/hm2，水田約為285 kg/hm2，嚴重超出了國際標準。流域內有多個大規模養殖場，很多農戶也有養殖行為，糞便、廢水、廢棄物直接排入河流，導致流域內水體污染較嚴重，2010年水污染物監測數據分析顯示，流域內水體具有高氮低磷特點，水污染物總氮濃度高于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類標準，嚴重影響了金井鎮飲用水質量與下游水質。

隨著經濟社會的發展，金井鎮面臨著新的發展機遇，一方面要求保持經濟快速增長，積極發展特色產業，如茶園、蔬菜、農業產業園等；另一方面也面臨著農業污染治理、農村環境整治、生態村鎮建設等問題，旨在在未來發展為4A級生態旅游鎮，兩者之間須要相互配合、協調發展，制定合理的發展規劃、有效的政策法規等實現預期目標，因此決策者須要了解不同環境、經濟手段組合下未來景觀格局與土地利用效應。本研究基于農業環境風險控制構建未來不同發展方向的情景，重點對未來農業土地利用效應進行綜合評價，直接展現土地利用達到的效果，并給予決策者多角度的參考建議。

2 不同環境風險下農業景觀情景設計

標準景觀情景法是情景分析法的一種，強調將景觀生態學的知識應用在政策分析中，與傳統的趨勢外推法和政府規劃預測相比，該方法更加靈活，可以設定多種變量因素，建立多個可行的情景目標假設，提供明確的實現路徑；與其他情景分析法相比，該方法綜合運用多學科領域知識，專業性強，強調利益相關者的參與，并進行多方面綜合效應評估，非常適用于城鄉建設規劃、土地利用、自然資源管理等[14]。

本研究采用標準景觀情景法，對相關利益者(包括農戶、政府、企業與科研人員)調研數據進行分析，結合金井鎮的景觀格局特點、自然資源特點、經濟與社會發展實際情況，通過農業景觀格局優化、農村生活廢水與固體廢棄物處理、養殖業調控等3個方面路徑設計，提出不同環境風險下的農業景觀情景：以農產品產量提高為主(maximizing agricultural production，簡稱MAP)的情景，即提高農業生產總值，同時保證環境風險不高于基準年；以水環境質量提升為主(improving water quality，簡稱IWQ)的情景，即水環境質量達到國家地表水標準，并保證農戶收入不低于基準年(2010年)；以新型城鎮化建設為主(new countryside construction，簡稱NCC)的情景，即模擬在當前城鎮化高速發展情況下鄉村景觀演變格局。3種農業景觀情景設計是基于經濟、環境和社會不同的未來發展目標而建立的，向管理者展示出不同發展方向下未來可能存在的農業景觀格局(圖2)。本研究重點對設計的3種情景進行多方面的評價和對比，了解不同發展模式下土地利用效應將達到何種效果，從而使結果更加有助于管理者作出合理的決策。

3 不同情景下的土地利用效應評價

3種土地利用情景分別強調了未來不同發展方向下的景觀格局，且表現出各自的特點，為了更加直觀地展現3種情景效果，分別從景觀格局分析、水環境質量、經濟效益、生態系統

服務價值、生物多樣性、農戶意愿分析等方面進行土地利用效應評價，將得到的結果與基準年(2010年)進行對比分析，并展示不同環境風險情境下土地利用效應。

3.1 景觀格局分析

景觀格局在一定程度上決定了景觀功能，景觀功能變化也會改變景觀格局，因此，在設計情景實現途徑時，景觀格局優化是一個重要的環境風險控制方法。根據各自的情景假設目標，未來情景表現出各自不同的景觀格局特點，其中景觀構成見表1。

結合圖2景觀格局分析可知，MAP情景中為了維持低農業環境風險，林地景觀面積基本維持不變，北部山區土壤條件差、面積零散的稻田與旱地實施退耕還林，但是土壤、交通條件良好的稻田變為蔬菜用地，總稻田面積雖然減少約 54.36%，但是經濟效益卻成倍增加，茶園面積迅速擴張，成為典型的優勢產業，約為基準年的5倍，為了適應高集約化生產，對耕地、溝渠、河流、池塘、道路等進行土地整理，因此面積相應發生變化。IWQ情景中為了提升水環境質量，將北部山區劃為自然保護區，以保護飲用水源地，林地面積大大增加，由于退耕還林和自然保護區的建立等使得稻田面積減少了 43.16%，但是減少的主要為質量較差的二級耕地類，糧食產量僅減少約25%，可以滿足糧食安全的基本要求，茶園作為優勢產業也逐漸增加，但速度遠遠小于MAP情景，生態緩沖區、人工濕地等為該情景特有景觀類型，為提升水環境質量作出了很大貢獻。NCC情景中林地、稻田、茶園、水面面積變化較小，由于基于城鎮發展趨勢推導，鄉村景觀發生了巨大變化，城鎮面積相對基準年增加了3.88倍。綜上所述，相對于基準年，3種不同假設目標下的土地利用結構均發生了變化，且基于不同的目標各自表現出各自的景觀特色，代表著未來景觀的功能定位，形成了鮮明對比。

表1 未來情景景觀結構分析

3.2 水環境質量評價

水環境質量是未來發展十分關鍵的因素，也是未來環境風險控制重點監測指標之一，直接影響未來的景觀格局。根據監測數據，金井鎮農業非點源污染造成的地表水氮元素超標嚴重，因此水環境質量評價指標選取硝態氮(NO3--N)、銨態氮(NH4+-N)、全氮(TN)濃度。水環境質量模擬與預測過程非常復雜，影響因素多，包括污染源、水文特征、氣候變化等，相關模型雖然有很多，但是準確預測仍是一個難題。考慮未來情景是基于當前水文、氣候、土壤、農業類型等參數設計的，相對變化因素較少，因此采用非機理性水質模擬，利用線性分析、多元回歸方法[15]建立景觀格局指數與水污染之間的關系模型，具體方法可參考已建立的模型[16]。根據模型估算未來3種不同情景下污染物濃度值，將每個集水單元的平均濃度做成盒狀。由圖3可知，3種情景的設計均滿足原設定的目標假設，與基準年相比，MAP情景水污染物年平均濃度低于基準年，水質量得到一定控制；IWQ情景由于采用大量的生態環境風險控制措施，水環境質量基本控制在GB 3838—2002《地表水環境質量標準》的Ⅴ類標準內，水質提升非常明顯；NCC情景設計中由于人口、建設用地增加，導致污染源增加，因此呈現出很大的波動性，年平均污染物濃度略高于基準年，也在預計之中。

根據2009—2010年集水單元水徑流監測數據，估算金井鎮流域內不同污染物的年輸出量。由表2可知，總氮年輸出量表現為IWQ情景

表2 未來情景污染物年輸出量

3.3 經濟效益評價

經濟效益是衡量地區社會經濟發展的重要因素，也是政府追求的重要指標，同時農民收入高低也決定了農民生活質量、農業發展方向等，由于本研究重點關注的是農業景觀格局和土地利用發展模式，因此評價只考慮農業經濟效益與農戶收入。

農業是金井鎮的主要收入來源之一，且一些加工業也基于農產品，已經形成了“金米、金茶、金菜、金薯”等特色產業，經濟效益評價包括稻米、茶葉、蔬菜、木材、肉類與農業生態旅游等。本研究所用數據一部分來源于2010、2014年的實地調研，如糧食產量、水稻類型、面積、糧食收購價格、化肥農藥投入數量與價格等，另一部分來源于統計年鑒、公司經營、鄉(鎮)統計，如家庭戶數與人口數量、蔬菜產量與價格，茶葉產量與收益等。

由表3可知，2010年金井鎮農業總產值為3.95億元，主要收入來自養殖業，占68%，由于養殖業造成的污染巨大，因此，在未來情景設計中養殖數量必須加以控制，并保持在畜禽養殖環境承載力范圍之內。MAP情景中繼續積極發展茶園優勢產業，收益增加為2.5億元，約是基準年的5倍；同時大規模蔬菜基地的建立也增加了1.9億元的農業收益，這也是MAP情景的特色產業。IWQ情景中采用環境承載潛力下的養殖密度，設置水源地禁養區，養殖數量大大減少，基于生態涵養區、生態示范農業(如“百里茶廊”“茶文化節”“茶博園”等)、自然保護區等優勢自然條件，傳統農業逐漸向生態農業旅游業轉變，生態農業旅游業的收益預計可達3億元，但是總經濟效益比基準年略高。NCC情景中各項均衡發展，與基準年變化不大，維持穩定狀態。

表3 未來情景農業經濟效益評價

金井鎮是高集約化城郊農業區，農民收入高低在一定程度上也決定了金井鎮未來農業發展的方向，這是一個全局性的問題，因此在考慮物價、人口數量的基礎上展示各個情景下的人均農業純收入，有助于管理者思考未來農戶的收入來源(表4)。

在MAP情景和IWQ情景中，農戶純收入均得到提升，其中MAP情景下最高，主要來源于茶園與蔬菜，IWQ情景農戶收入主要來源于農業生態旅游，而NCC情景由于重點在于城

表4 未來情景農戶人均純收入構成

鎮化發展，因此農業發展較緩慢，在人口增速較快的狀態下，農戶的農業純收入變化并不明顯。

3.4 生態系統服務價值評價

農業除了能夠提供直接經濟效益外，其生態服務價值也越來越受到關注，成為評價生態環境的一個指標，該指標在資本量化時有一定的難度，目前常用方法為依據生態系統服務價值當量表進行修正估算，本研究根據Costanza等提出的生態系統服務價值評估體系[17-18]，結合金井鎮的實際生產收益情況，計算出不同情景下的生態系統服務價值。

由表5可知，IWQ情景的生態系統服務價值最高，為 20.335 8 億元/年，高于基準年與其他2種情景，說明該情景能夠提供更多的生態服務功能，尤其是在調節氣候、涵養水源等方面表現尤為突出，這與IWQ情景中建立的自然保護區、禁養區、濕地、生態緩沖帶有很大關系，其他2種情景生態系統服務價值與基準年相比變化不大，但是總體生態系統服務價值估算都遠遠高于直接經濟價值。

表5 未來情景生態系統服務價值

3.5 生物多樣性評價

生物多樣性是保持區域系統可持續發展的必要條件之一，其評級指標可表明該區域的生態環境如何，常用評價方法有物種多樣性指數計算、生物多樣性評價體系等，由于是對未來情景生物多樣性進行評估，因此實地調研方法并不可取，所以采用基于景觀生態學的景觀格局指數來反應生物多樣性，雖然具有一定的經驗性與局限性，但仍能在一定程度上表示景觀格局與生物多樣性的關系。

由表6可知，MAP、IWQ情景的散布與并列指數較高，表明在這2種情景下生態系統類型變化不大，較穩定，生物多樣性受自然因素影響較小；但是IWQ情景中蔓延度指數與景觀豐度密度最高，表明該情景下景觀破碎度低，景觀異質性最好，具有很好的連通性以及良好的生態廊道功能，且有可能生態系統受到人類的干擾最少；香濃多樣性指數與生物多樣性呈現正態分布關系，根據評估值可以判定金井鎮香濃多樣性指數與生物多樣性指數關系處于正態分布右半區，MAP情景與IWQ情景的土地利用程度超過了生物多樣性最大值，在農業環境風險控制中要十分注意土地利用開發程度與景觀破碎度；NCC情景中由于建設用地急劇增加及人口增加，對生態環境干擾較大，生物的生存空間被壓縮，因此生物多樣性表現較弱。

表6 未來情景生物多樣性景觀格局指數

3.6 農戶意愿分析

農戶是土地利用、農業發展、農業污染控制的主要實踐者，其行為直接影響未來的景觀格局，在不同情景設計過程中須進行多次農戶調研，了解農戶行為與意愿，如了解到農戶種地意識越來越淡薄、農業收益不再是影響其是否繼續種地的主要因素、家庭耕地面積以0.33 hm2左右為宜、大部分農戶希望出租自己的耕地等，這些調研結果是政府制定農業風險控制、發展規劃不可忽略的因素。

根據農戶對于未來情景中景觀單元設計意愿調研結果分析可知，在未來景觀布局上，農戶作為理性人更傾向于整潔、易于管理、交通方便、收益較高的MAP情景發展模式，同時對于IWQ情景模式表現出極大的期望，80%的農戶愿意規范自己的行為，不會通過破壞生態環境來提升農業產量和個人收入，但是也對生態緩沖區和人工濕地的投資建設及其環境治理效果表示懷疑，這暗示管理者，農戶主要關心的依然是如何提升家庭收入和生活水平，環境保護更需要科學的引導及持續地增加資金投入。

4 結論與討論

本研究對未來3種農業發展模式，即以農產品產量提高為主的MAP情景、以水環境質量提升為主的IWQ情景、以新型城鎮化建設為主的NCC情景進行綜合評價，分別采用ArcGIS軟件分析景觀構成與格局、景觀格局指數與水環境質量回歸關系模型模擬水環境質量、市場直接測算法評估農業經濟價值、生態系統服務價值評估體系評價生態系統服務價值、景觀格局指數法評價生物多樣性、調研統計法分析農戶對不同情景的意愿，結果顯示，MAP情景下蔬菜基地和茶園成為特色景觀，可以實現最高的農業經濟效益、農戶純收入，同時水環境質量保持穩定；IWQ情景下林地和生態緩沖區是特色景觀，水環境質量最優，生物多樣性和生態服務價值最高，同時農業經濟效益和農戶收入不降低；NCC情景下鄉村城鎮是特色景觀，住宅面積增加較多，同時水環境質量、農業經濟效益等基本維持穩定。

本研究采用標準景觀情景法描繪未來可能存在的農業發展情景，通過綜合評價分析展示未來土地利用效應，該評價分析結果并不是說明未來哪一種情景會更好或哪一種情景更加適應未來的發展趨勢，而是向決策者展示不同政策、環境控制方法、規劃等可帶來不同的土地利用效應結果，可為尋求制定未來合適的發展方向提供科學的參考。

從實際意義分析，金井鎮政府為了保持經濟的發展，引進了大型蔬菜基地、蔬菜加工廠，將傳統稻田流轉為高污染、高投入、高產出的蔬菜基地等，擴大茶園面積，破壞丘陵植被等造成一定的環境負面效應；同時為確保金井鎮生活用水安全，有效減輕畜禽養殖污染，推進農村環境綜合治理，加快建設生態村鎮力度，制定一些相關的環境政策，如建立畜禽養殖禁養區、建立村級垃圾處理站、推廣沼氣、探索發展循環農業示范村等，積極改善生態環境。這些政策或行為之間存在一定的矛盾性，對于未來的發展具有不確定性影響，通過本研究展示的未來不同環境風險情景下的農業土地利用效應評價結果，決策者可以根據實際需求來制定相關的發展策略，如未來偏向于經濟發展優先型，則可多參考MAP情景設計模式，在控制一定的農業環境風險下發展特色經濟產業，加快經濟發展；如未來偏向于生態環境優先，則可多參考IWQ情景的設計路徑，在經濟、收入穩定發展下提升生態環境質量，完成生態村鎮建設；但如在不干預情況下則會出現NCC情景的土地利用評價效應結果，因此該評價結果可以起到一定警示作用。基于該評價結果，決策者可以根據實際情況，協調經濟、社會、生態之間的關系，共同發展，探尋一種合理可持續的農業發展模式。