热带海岛规模性土地整治项目区生态质量变化过程与特征分析

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

孙瑞^,¹^,², 金晓斌^,¹^,²^,³, 蒋宇超¹^,², 李刚⁴, 陈传钊⁵, 韩博¹^,², 张晓琳¹^,²

1. 南京大学地理与海洋科学学院,南京 210023

2. 自然资源部海岸带开发与保护重点实验室,南京 210023

3. 江苏省土地开发整理技术工程中心,南京 210023

4. 海南省土地储备整理交易中心,海口 570203

5. 海南国源土地矿产勘测规划设计院,海口 570203

The process and characteristics of ecological quality change in the large-scale land consolidation project area of tropical island

SUN Rui^,¹^,², JIN Xiaobin^,¹^,²^,³, JIANG Yuchao¹^,², LI Gang⁴, CHEN Chuanzhao⁵, HAN Bo¹^,², ZHANG Xiaolin¹^,²

1. School of Geography and Ocean Science, Nanjing University, Nanjing 210023, China

2. Key Laboratory of Coastal Zone Exploitation and Protection, Ministry of Natural Resources, Nanjing 210023, China

3. Jiangsu Land Development and Consolidation Technology Engineering Center, Nanjing 210023, China

4. Hainan Province Land Reserves Collation Trading Center, Haikou 570203, China

5. Hainan Guoyuan Land and Mineral Resources Planning & Design Survey Institute, Haikou 570203, China

通讯作者: 金晓斌（1974-）,男,甘肃兰州人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为土地利用与国土综合整治研究。E-mail: jinxb@nju.edu.cn

收稿日期:2020-08-21接受日期:2021-03-3

基金资助:

国家自然科学基金项目(41971234)
国家自然科学基金项目(41971235)

Received:2020-08-21Accepted:2021-03-3
作者简介 About authors
孙瑞（1995-）,女,四川成都人,博士研究生,主要研究方向为土地利用与国土综合整治研究。E-mail: rsun17@163.com

摘要
土地整治通过重塑国土空间格局,改变区域生态系统的结构与功能,进而对生态系统质量产生影响。本研究以热带海岛地区土地整治重大工程项目区为研究对象,引入遥感生态指数（RSEI）,在构建生态质量变化评估模型的基础上设置对照区,对比分析土地整治全生命周期内区域生态质量变化过程及空间特征。结果表明：① 土地整治在全生命周期不同阶段深刻影响着区域的土地利用格局和生态过程,遥感生态指数能够结合现象特征发现、变化过程解析,直观、动态地反映区域生态质量状况,对有效表征土地整治区生态环境质量状况、开展长期有效监测评估等具有适宜性;② 土地整治对区域生态质量具有较为明显的负面影响,但随整治周期推移,负向影响减弱逐步呈现正向影响。生态质量呈中期<初期<后期趋势。整治区生态质量呈“V”字型变化态势,而对照区生态质量呈“N”字型变化态势。③ 研究区内,整治区与对照区的生态质量短期内呈“两极分化”态势,整治区生态质量改善比例为51.23%略低于对照区的52.68%,降低比例28.31%略高于对照区的25.51%。④ 研究期内,生态质量热点斑块主要集中于北部地区,冷点斑块主要分布于南部及南渡江左岸地区。而生态质量变化的热点斑块主要分布于对照区和南渡江右岸的整治区,冷点斑块则主要分布于对照区和南渡江左岸的整治区。研究结果提升了土地整治生态影响机制认识,为区域尺度开展土地整治生态响应评价分析、生态化土地整治实施与管理对策研究提供借鉴参考。
关键词： 土地整治;生态质量;重大工程;变化过程;热带海岛

Abstract

Land consolidation changes the regional ecosystem's structure and function by reshaping the spatial land pattern and affecting the ecosystem quality. This paper took the major land consolidation project in the tropical island as the research area, introduced the remote sensing ecological index (RSEI), and built an ecological quality change assessment model to analyze the regional ecological quality change process in the life cycle of land consolidation. And it set up a control area to compare and explore its change process and characteristics. The results show that: (1) Land consolidation affects the regional land use pattern and ecological process at different life cycle stages. Remote sensing ecological index can combine phenomenon feature discovery and change process analysis to intuitively and dynamically reflect regional ecological quality characteristics, which is beneficial to mining changes. Therefore, they are suitable for effectively characterizing the land consolidation area's ecological environment quality and carrying out long-term effective monitoring and evaluation. (2) Land consolidation has an apparent negative impact on regional ecological quality. Still, with the consolidation cycle's progress, it gradually shows a positive effect, and the ecological quality indicates a trend of mid-stage<initial stage < later stage. (3) In the study area, the ecological quality of the land consolidation area and the control area showed a "polarization" trend in the short term. The improvement ratio of the ecological quality of the consolidation area was 51.23%, which was slightly less than 52.68% of the control area, and the reduction ratio of 28.31% was marginally higher than 25.51% of the control area. (4) During the study period, ecological quality hot spots were mainly concentrated in the northern region, while cold spots were primarily distributed in the south and the left bank of the Nandu River. Thus, the hot spots of ecological quality changes were mainly distributed in the control area and the consolidation area of the right bank of the Nandu River. In contrast, the cold spot patches were distributed primarily on the control area and the consolidation area of the left bank of the Nandu River. The research results further enhance the understanding of the ecological impact mechanism of land consolidation and provide a reference for evaluating and analyzing the ecological effects of land consolidation, the implementation of ecological land consolidation, and the study of management strategies at the regional scale.

Keywords：land consolidation;ecological quality;major project;influencing factor;tropical island

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本文引用格式
孙瑞, 金晓斌, 蒋宇超, 李刚, 陈传钊, 韩博, 张晓琳. 热带海岛规模性土地整治项目区生态质量变化过程与特征分析[J]. 地理研究, 2021, 40(8): 2331-2346 doi:10.11821/dlyj020200851
SUN Rui, JIN Xiaobin, JIANG Yuchao, LI Gang, CHEN Chuanzhao, HAN Bo, ZHANG Xiaolin. The process and characteristics of ecological quality change in the large-scale land consolidation project area of tropical island[J]. Geographical Research, 2021, 40(8): 2331-2346 doi:10.11821/dlyj020200851

1 引言

土地整治作为大规模改变土地利用方式和影响生态系统的有组织的人类活动之一,深刻影响着区域土地利用格局和生态过程^[1,2],进而影响区域生态质量。土地整治区生态质量是指在特定的整治时间和整治区域范围内,区域内生态环境对农业生产及社会经济可持续发展的适宜程度,表现为生态系统的自我维持与抗干扰能力。土地整治通过改变土地利用/覆被类型和结构重塑国土空间格局,探究其对区域生态质量的影响,有助于理解区域生态质量变化原因与农业生产、社会经济发展的内在联系,对统筹区域生态环境保护与土地利用具有重要意义^[3,4]。

随着土地整治的内涵和外延不断拓展,其目标从单一关注土地的发展与利用问题向侧重综合人地关系的多源化发展转移,注重城乡协调发展与生态环境的保护和改善^[5,6]。土地整治在夯实农业现代化和粮食安全的基础上,激发、催化和保持其在配置各种相关要素资源过程中的基础作用,推动城乡要素资源向有利于提升土地利用综合价值的方向有序流动,通过要素资源的集聚,不断增强土地整治在保护生态环境、助力城乡良性互动、实现城乡等值化、促进生态可持续性中的资源要素配置能力^[7,8]。因而,土地整治作为优化土地利用格局、改善土地利用功能、提高资源利用效率等的重要政策工具,以土地平整、田间道路、农田水利等工程措施为主,辅以权属调整等管理手段措施,实现提高土地利用效率、优化农业生产结构、挖掘资源利用潜力及改善农业生产条件等目标^[9],在工程建设实施过程中也不可避免造成区域生态环境变化、生物多样性变化、景观格局变化、水文环境变化以及水土保持功能变化等正负面效应^[10,11,12]。

由于土地整治具有尺度性、地域性、目标多元性及效果不确定性等特性,为有效解析土地整治对区域生态环境全面、持续的影响,国内外****针对土地整治的生态环境影响、评价、遥感生态指数及其应用开展了积极探索。土地整治生态环境影响研究多从生态环境要素入手,基于景观格局与生态效应,定量评估生态系统服务价值^[13,14],围绕物质生产、气候条件、水质净化、土壤结构等探究生态系统服务功能变化^[15,16,17],为解决土地整治过程中水土流失、景观功能退化、面源污染、景观格局优化等生态问题开展生态风险研究^[18,19],注重社会、经济、环境和景观等效益的统一^[20]。土地整治生态环境评价采用景观分析、能值分析、生态位等模型方法^{[21,22,23,24]},遵循定性与定量相结合的原则构建土地整治生态适宜性指标体系,就土地整治对区域生态系统服务、生物多样性保护、景观格局、生态损益及土地可持续发展开展评价^[25,26,27],科学、系统地评价分析土地整治区域生态环境。其中,遥感生态指数（RSEI）可从自然资源、生态安全、景观格局等维度综合测度土地整治区的生态环境变化^[28,29],揭示不同区域之间、不同整治周期之间、区域内部与周边区域之间的生态环境状况,弥补了以往单一时间断面研究的不足,有助于更加深入地量化和了解区域生态环境,从而为指导区域改善生态环境、发挥生态功能等方面提供较为直观的决策依据。整体来看,土地整治生态环境影响研究经历了从地表表层要素到生态过程研究,目标由土地整治中进行生态保护转变为实现土地整治与生态补偿的空间均衡性,研究范式由特定区域、特定时间节点转向多尺度、长序列的动态变化监测。然而,以单一土地整治项目为对象的研究受制于项目本身及研究特定时间断面的限制,以分析土地整治前后生态环境变化为主要内容,导致研究区过于分散,缺乏区域性及对比研究,研究结果存在不同程度的偏离,忽视了整治过程中对区域生态质量产生的影响。研究区多以内地沿海地区为重点,针对热带海岛地区的研究较为鲜见。同时,尽管基于遥感生态指数的研究得到了较为广泛的应用,但缺乏从地块、项目到区域的多尺度生态化整治与景观空间优化配置的统筹结合^[30]。揭示土地整治全生命周期^[31,32]的生态质量变化过程与规律,对区域性土地整治活动开展生态质量与土地利用的均衡关系和空间关联格局研究,可以为生态化整治和资源有效配置提供决策辅助,对区域土地可持续发展具有重要意义。

土地整治重大工程作为区域性土地整治活动,是宏观政策制定和微观政策落实的有利抓手,在促进土地可持续利用中扮演着极其重要的角色。为实现对土地整治区域生态质量科学合理、客观直接、长期有效的监测评估,本文以热带海岛区土地整治重大工程为研究区域,借助遥感生态指数构建生态质量变化评估模型,基于土地利用/覆被变化与整治过程解析,全面直观地分析土地整治全生命周期内区域生态质量变化过程;通过整治区与对照区的对比分析,探讨其生态质量时空变化特征,加深土地整治生态影响作用机制认识,为区域尺度开展土地整治的生态效应评价分析提供方法基础,为差异化开展生态化土地整治与管理提供借鉴参考。

2 研究框架与研究方法

2.1 研究框架

生态质量研究已经成为当下土地利用变化的生态效应评估的重要手段,涵盖了生态系统结构、功能及景观过程,遥感生态指数作为研究主流方法之一,能够综合、客观、动态、直观地反映生态环境状况。而土地整治作为大规模改变土地利用方式的活动之一,通过重塑国土空间格局,改变区域生态系统结构与功能。传统土地整治以增加耕地质量与数量为核心,忽略对周边生态环境与景观格局的影响,改变土地利用/覆被状况,强烈干扰区域生态质量,直接或间接影响生态系统。基于此,本文从土地整治全生命周期理论出发,从生态环境要素入手,结合土地整治发展历程,聚焦土地整治区生态质量,系统统筹土地整治各个阶段,全面、动态的监测土地整治区生态质量变化过程,这对开展区域尺度的土地整治生态效应研究具有现实意义。

相较于相对分散、独立、单一的土地整治项目,土地整治重大工程更强调区域综合性,开展过程性、周期性、区域性的整治活动。而开展以土地平整、灌溉排水、田间道路工程、农田防护和生态环境保护工程、骨干工程等建设活动为核心的整治工程体系活动,虽然在一定程度上改善农业生产条件,缓解土地供需矛盾,但也会对区域生态环境造成一定的动态扰动。处于不同生命周期的土地整治活动,对区域生态质量造成不同程度的正负向影响。土地整治的初期阶段,主要涉及项目前期开展土地清查、可行性研究、项目测量、项目设计等内容。由于现状难以满足乡村振兴和现代农业发展的需求,为应对社会经济发展的变化,亟待建设具有较高生产力和稳定性的农业生态系统,以此确定土地整治区域范围及整治任务。在此阶段,区域生态环境处于未受工程干扰的初始状态。土地整治的中期阶段,主要为项目工程的具体实施建设,以土地平整、农田水利、田间道路、水土保持及生态防护林等工程实施建设为核心,改善农业生产条件、挖掘资源利用潜力,同时伴随一定程度的区域生境扰动与景观重塑。整治工程建设期间,改变了原有地表覆被状况,对项目区的土壤、水分、生物等生态环境要素产生直接或间接的影响。破坏了区域地表植被及土壤结构,抑制土壤理化性质的重组与再生,影响生态系统中地形、气候、水资源等调节功能,并且阻碍生态系统内部物质和能量的供应与传输。土地整治的后期阶段,主要包括土地整治项目建设完成后的运营和维护。以恢复与利用为主,强调土地利用方式的改变及生态环境要素的自我修复。随着基础设施配套完善、农业生产条件改善、土地利用效率的提升,生态环境要素改变,区域地表植被变化、生长状况、农田小气候及环境也相应变化。如何在自然过程与人类活动的交互作用下,衡量土地整治引发的国土空间格局重塑,水、土、气、生等生态环境要素在资源配置、物质循环及功能发挥等方面的变化,因而定性与定量结合探究土地整治对区域生态质量的影响尤为重要。

为刻画土地整治全生命周期对区域生态质量的影响,针对土地整治初期、中期和后期,选取绿度、干度、热度和湿度构建遥感生态指数用以表征区域生态质量,基于土地整治内部空间扰动和生态响应视角,反映自然过程和人类活动影响下区域土地利用的覆被、气候及环境的变化过程、空间特征、区域效应,定量刻画土地整治对生态系统的正、负向潜在影响。通过设置整治区和对照区,对比分析土地整治对区域生态质量的影响,揭示土地整治对区域生态质量的作用机制及变化规律。此外,本文探索性构建适用于土地整治区生态质量分析框架（图1）,解析水、土、气、生等生态环境要素在资源配置、物质循环及功能发挥的作用,可为土地整治生态效应研究提供思路借鉴,也可为生态化土地整治提供决策支持。

图1

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图1土地整治生态效应解析框架

Fig. 1Analytical framework for ecological effects of land consolidation

2.2 研究方法

2.2.1 遥感生态指数模型本文利用遥感数据的动态监测、直观反映区域现状的优势,选取作为生态环境影响评价重要手段的遥感生态指数^[33],表征区域植被生长状况、地表覆被、气候及环境变化。基于此,选取湿度（WET）、绿度（NDVI）、热度（LST）和干度（NDBSI）4个分量指标构建遥感生态指数（RSEI）。其中,湿度指标基于ETM+和OLI数据提取^[33];绿度指标由归一化植被指数来表征^[34,35];热度指标由经过反演的地表温度来表征^[36];干度指标由建筑指数和裸土指数的均值表征^[37]。为了避免主观设定权重,通过标准化、水体掩膜处理,对去除水体后的合成影像进行主成分分析并构建初始遥感生态指数^[38],为了使评价结果具有可比性,对

RSE I_{0}

进行标准化处理,得到遥感生态指数,公式如下：

（1）

RSE I_{0} = PAC [f (WET, NDVI, LST, NDBSI)]

（2）

RSEI = \frac{(RSE I_{0} - RSE I_{\min})}{(RSE I_{\max} + RSE I_{\min})}

式中：

RSE I_{0}

指初始遥感生态指数;

PAC

指主成分分析;WET表示湿度指标;NDVI表示绿度指标;LST表示热度指标;NDBSI表示干度指标;

RSEI

指标准化后的遥感生态指数,取值范围为[0,1],其值越大表明生态质量越好。

为判定RSEI的生态质量综合代表程度,应用相关度来检验模型的适宜性。平均相关度数值越接近1,RSEI综合代表性越好,模型适宜性越强。其中,平均相关度用某一指标与同一时期其他指标相关系数的平均绝对值来表示^[33],公式如下：

（3）

\bar{C_{P}} = \frac{|C_{Q}| + |C_{R}| + ? + |C_{S}|}{n - 1}

式中：P、Q、R、S等指进行相关性分析的指标;

\bar{C_{P}}

为指标

P

的平均相关度;C_Q、C_R、C_S分别为指标

P

与同期的Q、R、S等指标的相关系数;

n

为指标数。

2.2.2 空间自相关分析为探究土地整治区生态质量及其变化程度在空间上的分布特征,本文采用全局莫兰指数（Global Moran's I）进行计算^[39],公式如下：

（4）

I = \frac{n \overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{n}{\sum_{j = 1}} W_{ij} (x_{i} - \overset{?}{x}) (x_{j} - \overset{?}{x})}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{n}{\sum_{j = 1}} W_{ij} \overset{n}{\sum_{i = 1}} {(x_{i} - \overset{?}{x})}^{2}}

式中：

I

指全局莫兰指数;

n

指评价区域内的斑块总数;x_i、x_j指斑块i、j内的生态质量数值;

\overset{?}{x}

指所有斑块的平均数值;

W_{ij}

指空间权重矩阵。

2.2.3 热点冷点分析为探究土地整治区生态质量及其变化程度的高值、低值聚集区^[40],本文通过冷热点分析并结合土地整治项目区建设,揭示土地整治对生态质量的影响规律。局部G指数统计公式如下：

（5）

G_{i}^{*} = \frac{\overset{n}{\sum_{j = 1}} x_{j} W_{ij} - \overset{?}{x} \overset{n}{\sum_{j = 1}} W_{ij}}{\sqrt[]{n \overset{n}{\sum_{j = 1}} {W_{ij}}^{2} - {(\overset{n}{\sum_{j = 1}} W_{ij})}^{2}} \times \sqrt[]{n - 1}}

式中：

G_{i}^{*}

指斑块

i

的局部G指数统计值;

n

指评价区域内的斑块总数;

x_{j}

指斑块

j

内生态质量的观测值;

W_{ij}

指空间权重矩阵。

3 研究区概况与数据来源

3.1 研究区概况

为探究热带海岛区规模性土地整治区的生态质量变化及特征,本文以热带海岛区（海南省海口市）某土地整治重大工程为研究案例（图2）。海口市属热带海洋性季风气候,年平均气温24.7 ℃,自然资源条件优渥,光温充足,光合潜力大,具备独特的气候条件和物种资源。研究区为滨海台阶式地貌,地势南高北低,南部地形起伏较大,海拔14.78~52.86 m,南渡江从中部穿过。受地理环境影响,其农业和经济发展相对缓慢,作为以农业为主导产业的研究区环境脆弱性更为显著。受地形地貌制约,高强度的洪涝灾害频繁;同时由于长期投入不足,农田基础设施薄弱,耕种方式粗放,耕地产能低下。为改善农业生产条件,挖掘区域优势资源,改变农业生产经营模式,拓宽农民增收渠道,研究区通过田间工程、骨干工程、农田防护及其他土地整治工程发展现代设施农业,助推现代高效农业。

图2

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图2研究区2012年土地利用现状及研究期NDVI变化

Fig. 2Schematic diagram of land use status in 2012 and NDVI changes in the study area during the study period

为保证研究时段的统一,选取项目开始建设时间为2014年,建设平均周期为23个月的项目区开展研究,项目建设内容围绕防洪堤骨干工程,土地平整、灌溉与排水、田间道路等田间工程,村基础设施配建等农村居民点环境整治工程,热带农业示范区工程及南渡江防护工程等其他项目工程开展项目工程建设。研究区共22个土地整治子项目,涉及3个行政区的7个镇和47个行政村,总建设规模2.17万hm²,总投资27.95亿元,新增耕地341.22 hm²,建成高标准基本农田1.4万hm²。基于典型热带田园风光与独特的生态景观,拟建设成为田园式、生态型、国际化的土地整治示范区。

3.2 数据来源及预处理

本文所需的数据主要包括土地整治项目数据、土地利用数据和遥感数据（表1）。其中,通过实地调研、函调等方式获取土地整治重大工程项目信息,并添加至子项目矢量边界的属性表;为突出土地整治区生态质量变化情况及特征,设置对照区充分显示区域生态质量的差异性,利用ArcGIS缓冲区分析功能,以项目区边界外3 km内未实施整治活动的区域作为对照区,其气象条件、作物类型、种植制度、田间管理方式等与整治区内基本一致。根据项目实施进展情况,选取2012—2014年、2014—2018年及2018—2020年分别代表项目区土地整治初期、中期、后期3个阶段的土地利用状况,并将2020年的土地利用栅格数据转化为矢量数据;为保证研究结果的可比性,遥感影像时像选取时相基本相同,使用ENVI 5.3软件对遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气校正等处理。

Tab. 1
表1
表1数据来源
Tab. 1Data sources

数据类型	数据名称	格式	时间	分辨率	数据来源
土地整治项目数据	土地整治重点工程项目建设信息	-	2012年、2014年、2016年、2018年、2020年	-	实地调研、函调
土地利用数据	第二次土地利用调查变更数据	矢量	2012年、2016年	1 $∶$ 10000	土地利用变更调查数据库
土地利用数据	土地利用调查数据	栅格	2020年	10 m×10 m	土地利用变更调查数据库
遥感数据	Landsat-7 ETM+影像	栅格	2012年、2014年、2016年、2018年和2020年的5月	30 m×30 m	美国地质勘探局官网（https://earthexplorer.usgs.gov/）
	Landsat-8 OLI
	TIRS 影像

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4 结果分析

4.1 土地整治区生态质量变化过程

基于土地整治全生命周期理论,探究研究区生态质量变化过程（图3）。结果显示,研究期内研究区北部的生态质量整体上高于南部地区,其空间分布特征与湿度和绿度分量相近,与热度和干度分量相反,即表现为湿度、绿度值越高而热度、干度值越低的区域,其RSEI值越高,区域的生态环境质量越好,反之生态环境质量越差。2012—2020年间,研究区RSEI均值始终处于0.6以上,表明区域整体的生态环境质量较好。由研究期内生态质量的变化趋势可知,生态质量均值在整治区呈现先下降后上升的“V”字型趋势,而对照区则呈现为先上升后下降再上升的“N”字型趋势。

图3

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图3研究区生态质量的变化过程

Fig. 3The change process of ecological quality in the study area

土地整治初期,2012年整治区RSEI均值为0.685,对照区RSEI均值为0.638,整治区内部生态质量在项目实施前期显著高于对照区,且生态质量低值斑块主要分布于对照区,表明整治初期,整治区生态质量优于对照区,区域生态质量普遍较好。土地整治中期,2014年整治区RSEI均值为0.659,对照区RSEI均值为0.669,由于土地整治项目开始建设,整治区RSEI均值大幅下降,出现大量低值斑块,生态质量呈现不同程度地衰退,而对照区RSEI均值大幅上升并高于整治区,表明项目工程建设对整治区生态环境质量造成较大的扰动。随着项目进一步实施,2016年整治区RSEI均值下降为0.628,对照区RSEI均值下降为0.631,受到区域大环境影响,整治区和对照区生态质量均值相较于前一年大幅度下降,且对照区RSEI均值高于整治区,由于50%的子项目建设已经完工,整治区与对照区之间的差异有所减小,土地整治对生态质量的影响呈减弱态势。土地整治后期,2018年整治区RSEI均值为0.649,对照区RSEI均值为0.641,高值斑块其生态质量较快恢复甚至超过整治前水平,而低值斑块的生态质量恢复周期相较高值斑块更长,表明初始生态环境低值区其生态状况越脆弱,受到土地整治的影响程度越深。随着整治区生态环境状况缓慢恢复,RSEI均值开始回升,2020年整治区RSEI均值为0.694,对照区RSEI均值为0.682,整治区生态质量高于对照区,且在整治后第二年二者差距进一步扩大,但差距仍小于土地整治前期,可见土地整治后期区域生态质量恢复过程较为缓慢。研究表明,土地整治活动对区域生态质量具有较为明显的负面影响,并且这种扰动在土地整治初期最强,随后其影响能力逐渐减弱并呈现正向影响,但其累计的生态环境负效应在建设活动结束前达到顶峰,而后在生态环境缓慢的恢复过程中被逐渐抵消。

为刻画土地整治全生命周期各阶段的生态质量状况,对土地整治区生态质量进行定量分级,采用ArcGIS将各期RSEI以0.2为间隔划分为“优”（0.8~1.0）、“良”（0.6~0.8）、“一般”（0.4~0.6）、“较差”（0.2~0.4）和“差”（0-0.2）共5个等级（图4）。结果显示,研究区生态质量等级处于“良”以上的区域规模占比始终不低于60%,表明研究区的生态质量始终保持较高水平。

图4

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图4研究区生态质量等级分布

Fig. 4Distribution of ecological quality grades in the study area

土地整治初期,整治区生态质量状况优于对照区。2012年整治区和对照区生态质量等级主要为“良”,其规模占比分别达46.19%、43.53%;其次为“优”等级,占比分别为25.91%和22.04%;生态质量为“差”和“较差”等级的斑块较少,其对照区占比之和为15.20%,整治区仅为9.43%。“较差”等级以下的斑块主要分布在对照区南部和西部,其主要为建设用地和未利用地。土地整治中期,2014年整治区生态质量等级处于“一般”以下的斑块增多,规模占比为34.56%,等级为“良”占比为35.94%,相较于整治前期明显减小,整体生态质量有所下降,且整治区左岸“较差”等级斑块持续向东北方向蔓延。而对照区位于“一般”等级以下的斑块占比为31.80%,呈现小幅度下降,等级为“优”的斑块占比为34.60%,相较于整治前期呈显著增长态势,整体生态质量有所上升。2016年整治区“一般”等级以下的斑块面积持续增加,占比为40.64%,“优”等级占比为24.10%,相较之前有较大降幅,整治区生态质量持续衰退,而对照区变化呈相同态势。土地整治后期,2018年整治区等级为“良”以上的斑块规模占比为64.92%,相较于整治前减少,生态质量等级为“较差”以下的斑块占比为14.77%,高于整治前9.43%;而对照区整治前后分别为15.20%和16.32%,变化幅度较小。整治区处于“优”和“良”等级的斑块规模占比呈“此消彼长”的态势,“优”等级斑块占比由整治前25.91%上升为48.48%,“良”等级斑块占比由整治前46.19%下降至16.49%;表明整治区生态质量逐步开始恢复,对照区等级斑块规模占比变化类似,但变化幅度小于整治区。

总体上,土地整治在建设过程中对区域生态质量等级具有较强负面影响,但在建设活动停止后,逐渐显现其对生态环境的正面影响,生态质量总体等级也因此有所提升。整治区和对照区生态质量“两极分化”态势较整治前更加明显。在整治中期,整治区位于“优”“良”等级斑块规模占比有所下降,生态质量呈衰退趋势;而对照区斑块规模占比虽有波动,但在整治后期,已基本恢复至整治前的状态。此外,由于土地整治能在短期内对生态质量造成强烈扰动,初始生态质量等级较低的斑块,其生态质量更易变差且恢复难度更大,而初始生态质量等级较高斑块抗扰动能力更强,其生态质量在短期内虽有下降,但恢复过程更快,并且在土地整治正向效益的影响下,其生态质量日趋向好,从而导致研究区生态质量在短期内出现了较为明显的分化。受土地整治活动“溢出效应”的影响,对照区也呈现出生态质量高低等级分化现象。

4.2 土地整治区生态质量变化特征

为了更直观地反映生态质量的变化特征,将相邻两期的生态质量结果做差值ΔRSEI,将生态质量变化情况分为明显变差（-1.00≤ΔRSEI<-0.50）、变差（-0.50≤ΔRSEI<-0.05）、不变（-0.05≤ΔRSEI≤0.05）、变好（0.05<ΔRSEI≤0.50）及明显变好（0.50<ΔRSEI≤1.00）共5个等级。此外,为了体现土地整治全生命周期下区域生态质量总体变化情况,对整治前后采取差值和分级处理（图5）。

图5

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图5研究区生态质量等级变化特征

Fig. 5The characteristics of ecological quality grade changes in the study area

土地整治初期,2012—2014年间对照区生态质量变好的比例为1.29%,高于整治区的0.73%,生态质量变差的比例为26.31%低于整治区的38.15%,整治区生态质量变好的斑块少于变差的斑块,对照区生态质量变好的斑块多于变差的斑块,表明土地整治对区生态质量产生的负面效应明显。土地整治中期,2014—2016年间整治区与对照区生态质量变差斑块占比分别为43.23%和42.87%,明显高于变好的斑块占比分别为30.36%和28.90%,此时整治区与对照区差距较小;2016—2018年间整治区和对照区生态质量变好的斑块占比分别为43.10%和40.80%,略高于生态质量变差的斑块占比31.92%和34.01%,整治区生态质量变好斑块占比高于对照区,变差斑块的比例低于对照区,表明整治区生态质量开始逐步恢复。土地整治后期,2018—2020年间整治区生态质量变好占比为57.22%高于对照区占比55.23%,生态质量变差斑块占比为25.04%高于对照区的24.87%,整治区生态环境质量持续恢复。2012—2020年间,研究期内整治区生态质量变好的比例51.23%略低于对照区的52.68%,生态质量变差的比例为28.31%高于对照区的25.51%,表明整治区生态环境状况尚未完全恢复。

整体上,生态质量的变化等级主要集中于变差、变好,两者占比总和在70%~80%之间,而生态质量明显变差、明显变好的比例在各阶段都处于5%以下,在整治区建设过程中其比例甚至低于2.5%。由此可见,土地整治虽然会影响研究区的生态环境质量状况,但并不会造成区域生态质量在短期内出现大幅度的急剧变化。在整治后期,研究区生态质量变好的斑块显著增多,不变和变差的斑块相应减少,明显变差和明显变好的斑块略有增加,表明研究区内生态质量逐步恢复。研究期内（2012—2020年）,研究区内大部分斑块的生态质量都有变化,且改善的斑块多于退化的斑块,表明研究区内生态环境状况有所提升。

4.3 土地整治区生态质量空间格局

根据生态质量冷热点空间分布和变化特点可知（图6）,研究区北部及南渡江右岸地区的生态质量总体较高。结果表明,2012—2020年间生态质量热点斑块主要分布于研究区北部,冷点斑块主要分布于研究区南部和南渡江左岸地区。土地整治初期,2012—2014年间生态质量的热点斑块主要集中于整治区及对照区北部,而冷点斑块主要分布于对照区南部,整治区内冷点斑块较少,整治区生态质量高于对照区;土地整治中期,2014—2018年间生态质量冷点斑块数量大幅增长,新增冷点主要集中分布于整治区,以南渡江左岸片区居多;生态质量热点斑块也有所增加,主要分布于对照区北部。整治区内生态质量出现了明显的下降,且低于对照区。土地整治后期,2018年整治区生态质量的热点斑块增多,冷点斑块显著减少,而对照区热点、冷点斑块都有所减少,表明土地整治后期整治区生态质量初步恢复,且与对照区生态质量差距减小。2020年生态质量冷点和热点则在整治区和对照区内均大幅增长,且交错分布,破碎明显,表明整治区生态质量持续恢复,研究区生态质量等级为“优”和“差”的斑块占据多数,区域生态质量出现了两极分化的现象。

图6

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图6研究区生态质量冷热点分布

Fig. 6Distribution of ecological quality cold and hot spots in the study area

从冷热点变化情况来看（图7）,土地整治初期,2012—2014年间研究区生态质量变化的热点斑块主要分布于对照区东部,冷点斑块分布于对照区西南部及整治区内部;土地整治中期,2014—2016年间生态质量变化的热点、冷点斑块均主要分布于对照区,而整治区的热点斑块集中于已完成建设项目,冷点斑块集中于在建项目。2016—2018年间生态质量变化的热点斑块主要分布于整治区及对照区南部,且部分与上一期中的冷点斑块重合（这部分斑块分布于新建成整治区及周边地区）,冷点斑块主要分布于对照区,且临近整治在建区;土地整治后期,2018—2020年间生态质量变化的热点斑块与冷点斑块主要出现在对照区。根据土地整治初期、中期及后期对比分析,生态质量变化的热点斑块主要位于对照区以及南渡江右岸的整治区,冷点斑块则主要位于对照区西南部和南渡江左岸的整治区。因此,土地整治在工程实施建设过程中,能在短期内对区域生态质量造成明显的负面影响,而生态质量的恢复过程则较为缓慢。

图7

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图7研究区生态质量变化冷热点分布

Fig. 7Distribution of cold and hot spots of ecological quality changes in the study area

5 结论与讨论

立足土地整治全生命周期理论,以热带海岛区土地整治重大工程为研究案例区,引入遥感生态指数（RSEI）,构建土地整治区生态质量变化评估分析框架,通过设置对照区,揭示了土地整治区生态质量的时空变化特征,进一步挖掘土地整治对区域生态质量的作用机制及变化规律。研究结果能够加深对土地整治生态影响作用机制的认识,为区域尺度开展土地整治的生态效应评价分析、生态化土地整治的实施与管理对策研究提供决策支持。研究结论如下：

（1）土地整治从全生命周期理论出发,在整治不同阶段、不同程度地影响着区域生态质量。遥感生态指数能够结合现象特征发现、变化过程解析,直观、动态地反映区域生态质量特征,有利于挖掘变化规律及特性,契合土地整治改变区域生态质量的内在要求,对有效表征土地整治区生态环境质量状况、开展长期有效监测评估等具有适宜性。

（2）土地整治活动对区域生态质量会产生较为明显的负面影响,但随整治周期推移,负面影响趋于减弱并逐步转为正向影响。2012—2020年,生态质量均值始终处于0.6以上,且优、良斑块的占比高于60%。研究区生态质量呈中期<初期<后期变化趋势。其中,整治区的生态质量均值呈“V”字型变化态势,对照区的生态质量均值则呈现“N”字型变化态势。

（3）研究期内,研究区生态质量改善的斑块多于退化的斑块。整治区内优、良斑块比例有所下降,而对照区虽有波动,已恢复至初始状态。整治区生态质量改善比例为51.23%略低于对照区的52.68%,降低比例为28.31%高于对照区的25.51%。整治后,整治区和对照区各等级斑块占比相近,对照区也呈现生态质量高低等级分化现象,且整治区和对照区生态质量“两极分化”态势较整治前更加明显。

（4）2012—2020年间,生态质量热点斑块主要分布于研究区北部,冷点斑块主要分布于研究区南部和南渡江左岸地区。而生态质量变化的热点斑块主要位于对照区以及南渡江右岸的整治区,冷点斑块则主要位于对照区和南渡江左岸的整治区。

基于土地整治全生命周期,探究热带海岛规模性土地整治项目区生态质量变化过程与特征分析,对认识土地整治区域效应的空间分异格局及加深土地整治生态影响作用机制的理解具有积极意义。相较于传统的土地整治,土地整治重大工程作为区域性土地整治活动,具备过程性、周期性的特点。同时,土地整治重大工程对区域生态质量的影响具有规模效应,区域环境、土地利用、景观格局和项目建设显著影响着土地整治区生态质量变化。整治区内建设用地转化为耕地、林地的规模与区域生态质量具有较高的相关性,同时由于项目建设实施,在整治前期产生负面生态影响,随着整治后期生态用地（林地、耕地等）占比提升,景观生态格局优化,整治区内生态质量提升。热带海岛规模性土地整治项目区对整治区及周边区域的生态质量提升具有积极的作用,并且整治区原始生产条件、基础设施较差,通过整治改善农业生产状况,相较于基础较好的项目区其整治效益明显,对区域生态质量产生正面影响的可能性更高。同时,从项目建设和后期利用来看,整治目标、整治规划的具体落实均会对区域生态质量产生直接或间接、暂时或长久的影响。而整治过程中土地利用结构或方式的调整,也会影响整治区内能量、物质和信息流动,对生态质量造成直接和间接、短期和长远的影响。因而,土地整治不仅是土地的问题,也是生态的问题,如何从被干扰破坏的土地生态系统迈向与自然和谐的生态系统,重建生态平衡也是土地整治后续关注的重点。由于土地整治项目的布局安排受到管理制度的影响,具有一定的区域依赖性,后续以规模性开展土地整治活动的整治目标和任务应兼顾生态理念,并纳入全生命周期中加以考虑,从而减小对生态环境的扰动作用,进一步降低对区域环境的负面影响。

本文基于土地利用调查数据,结合遥感影像数据解译进行修正,进一步提高分析结果的准确性,该方法为土地整治生态环境监测、生态效益评价等提供了新的思路和手段。受制于数据获取能力,本研究对土地整治区生态质量影响作用机制的分析存在一定的局限性。在后续研究中,基于土地整治区生态质量的研究有待深化,针对其驱动机制、影响因素及定量测度值得进一步探索。

致谢：

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文研究框架与结论梳理等方面的提供了十分宝贵的意见,使本文获益匪浅。

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

[1]

Zhang

, Zhao

, Gu

. Changes resulting from a land consolidation project (LCP) and its resource-environment effects: A case study in Tianmen city of Hubei province, China
Land Use Policy, 2014, 40, 74-82. DOI: 10.1016/j.landusepol.2013.09.013.

URL [本文引用: 1]

[2]

王军, 严慎纯, 白中科, 等. 土地整理的景观格局与生态效应研究综述
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