土地整治对生态系统服务影响研究综述

王 军,钟莉娜,应凌霄

〔1.国土资源部土地整治中心/ 国土资源部土地整治重点实验室,北京 100035;2.中国地质大学(北京)土地科学技术学院,北京 100083〕

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统获得的各种惠益[1]。近代以来,人类活动对地球的影响范围和强度不断增大,已经成为地球生态系统的主导者,人类对生态系统的直接和间接作用显著增强,强烈干预生态系统的结构和功能,消费生态系统服务[2]。如何全面认识和深入理解人类活动对生态环境的影响,将生态系统服务评价纳入管理决策,实现区域的协调和可持续发展,是21世纪人类社会面临的共同挑战。

土地整治指为满足人类生产、生活和生态功能的需要,对未利用、低效利用以及闲置、损毁和退化土地进行综合治理的活动[3-4]。在全球变化、快速城镇化和经济持续发展进程中,有限的土地资源成为日益突出的社会问题之一[5-6]。世界上许多国家通过土地整治解决经济社会发展过程中土地利用问题，调整土地利用结构和布局，缓解人地关系。土地整治已成为目前最大规模改变土地利用方式和影响陆地生态系统的有组织的人类活动之一[7]。土地整治在促进区域经济和社会效益的同时,也对自然生态系统的空间格局和生态系统服务产生了多种影响[8-10],这些影响需要持续的给予关注和调控[11-14]。近年来,中国的专家学者开始关注土地整治与生态系统服务的关系、机制和评价等研究[7],但尚处于研究的初级阶段[15]。笔者在阐述土地整治与生态系统服务关系的基础上,总结了土地整治对不同生态系统服务及其相互关系的影响,分析了土地整治对生态系统服务影响的尺度效应,提出了土地整治对生态系统服务影响的研究展望,以期对中国土地整治中生态系统服务评价有所借鉴和参考,促进区域的可持续发展。

1 土地整治与生态系统服务

中国土地资源总量多,但是人均耕地少,耕地后备资源严重不足,土地利用粗放。为了保障粮食安全,国家于1998年提出开展土地整治。在1998年以前以“土地整理”概念为标志,1999—2007年以“土地开发整理”或“土地整理复垦开发”概念为标志,2008年党的十七届三中全会第一次在中央层面提出“土地整治”的概念,是对“土地整理”和“土地开发整理”概念的继承和发展,也是对“土地整理复垦开发”的统称[7]。2011年以来,中国整治农用地0.35亿hm2,建成高标准农田0.27亿hm2,补充耕地184.5万hm2。《全国土地整治规划(2016—2020年)》提出在“十三五”时期确保建成0.27亿hm2、力争建成0.4亿hm2高标准农田的目标,通过土地整治补充耕地133.3万hm2;通过农用地整理改造中低等耕地0.13亿hm2左右,开展农田基础设施建设,建成排灌渠道900万km,建成田间道路600万km[16]。土地整治的大规模实施深刻地影响着区域乃至全国的景观格局与生态结构和功能,同时也会对生态系统服务造成显著影响[17-18]。

生态系统服务可满足人类的需求,对人类社会的福祉产生重要影响,是人类生存和发展的基础。DAILY[19]最早提出了生态系统服务的概念,认为生态系统服务是指“自然生态系统及其物种所提供的能满足和维持人类生活所需要的条件和过程”。千年生态系统评估(The Millennium Ecosystem Assessment, MA)将生态系统服务分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4大类[20]53-60。MA的衡量和评价方法主要包括以下3种:(1)由COSTANZA等[1]最早提出、在中国主要由XIE等[21]进行改进的价值量评价法[22-24],该方法计算的生态系统服务价值均以货币值为量纲,便于对生态系统服务进行比较,因依赖人类的支付意愿,其结果的主观性比较强;(2)以空间模型(包括InVEST、ARIES等模型)为基础的物质量评价法[25-28],采用这一评价方法得出的结果较客观、恒定,能较准确地评价生态系统服务,不足的是由于各种生态系统服务的单位不同,因此采用此方法难以比较和综合各种生态系统服务;(3)采用统一的以太阳能等可用能为基础测算的能值评价法[29-31],该方法有助于调整生态环境与经济发展的关系,为人类认识世界提供了一个重要的度量标准,但能值转换率计算分析过程非常复杂。3种方法各有优劣,在实际研究中,应根据研究目的、区域和尺度、精度要求,结合经费预算等条件选择合适的方法对生态系统服务进行评价。

从20世纪90年代开始,为维护地球的生态安全和促进区域协调发展,联合国通过并支持了多项涉及生态系统服务的国际重大研究计划,主要有政府间气候变化专门委员会(IPCC)的全球气候变化研究、国际生物多样性计划(DIVERSITAS)、未来地球(Future Earth)、国际长期生态监测研究网络(ILTER)、生物多样性和生态系统服务政府间科学-政策平台(IPBES)等。生态系统服务研究正经历着迅速的发展,成为当前生态学和地理学研究的热点领域[32]。

2 土地整治对生态系统服务的影响

土地利用/ 覆被是理解生态系统服务形成与使用的重要本体[33]。一方面,土地整治通过改变土地利用/ 覆被的类型、结构和格局间接影响生态系统服务,土地利用/ 覆被变化作为一种重要的驱动对生态系统服务的影响已有广泛研究[34-37]。同时,已有研究涉及不同自然条件和社会政策下未来基于经济发展或生态保护优先的土地利用/ 覆被变化情景,从而能够预测生态系统服务的变化[28,38-40];另一方面,土地整治通过土地平整、农田水利、田间道路和生态防护等工程措施对生态效应的影响,既有正向的,也有负向的,既有可逆的,也有不可逆的,对项目区的农作物生产、气候调节、水土保持等生态系统服务产生直接影响(表1)。而人类从生态系统服务价值中获得生计保障、精神享受和环境宜居等福祉,根据社会发展不同阶段的需求对生态系统服务进行权衡与优化,可为指导土地整治规划设计提供科学依据(图1)。

表1不同土地整治工程的生态效应及其影响的生态系统服务

Table1Ecologicaleffectsofdifferentkindsoflandconsolidationprojectsandthecorrespondingaffectedecosystemservices

土地整治工程生态效应正向负向生态系统服务 土地平整工程 田块平整利于灌溉,增加有效利用面积,提高生产能力和抵御自然灾害能力直接破坏地表植被及土壤种子库;大型机械使用造成土壤板结,破坏表层土,降低土壤质量;造成土壤流失农作物生产、土壤保持等 废弃沟渠 坑塘填埋改变地貌,增加可使用土地表土流失,碾压使土地板结碳固定、气候调节、土壤保持、农作物生产等 梯田修筑利于耕作,改变地貌,保持水土能力增强植被缺失,景观变化水土保持、农作物生产等 农田水利工程耕地面积增加;通行改善;沟渠设计利于农田灌溉排水,合理利用水资源沟渠设计使水易流失,生物生境破碎化;水泥大量使用影响生物多样性,阻隔物种迁移;改变地下水文结构,影响水循环,导致土壤次生盐碱化水源涵养、土壤保持等田间道路工程改善农田小环境;通行方便;道路廊道利于物种的空间运动及其生存和延续建设期间,水土流失严重,破坏土壤环境;生境破碎化,不利于物种扩散;人为践踏使土地板结,植被减少;人类活动增多,改变景观格局和过程,损害斑块内部物种和稀有物种,导致生物多样性降低水源涵养、土壤保持、碳固定、气候调节等水土保持及生态防护林工程保持水土,改善环境景观及保持生态平衡,防风固沙,调节净化空气,提供动物栖息地景观变化,不合理的防护林种植会破坏地下水结构气候调节、水土保持、水源涵养、碳固定等

改自刘世梁等[15]的论述。

2.1 土地整治对生态系统供给服务的影响

生态系统供给服务指生态系统通过初级和次级生产产生的能为人类带来直接利益的产品,包括食品、木材、淡水等[41-42]。为了满足人类对粮食等产品的需求,积极应对未来气候和经济社会的变化,需要建设生产力更高更稳定、恢复性更强的农业生态系统,同时尽可能降低对生态环境的负面影响[43-44]。土地整治是在耕地数量锐减和粮食安全受到威胁的情况下提出的,其核心任务就是要提升粮食生产能力,这已经在近年来的众多研究中得到证实。张正峰等[45]认为增加耕地面积确实是通过土地整治满足人类对粮食需求的重要措施,但可能会引起一些生态问题;王军等[46]和WU等[47]指出土地整治能通过采用新技术提高耕地产量而提高粮食供给服务能力;HUANG等[48]研究表明中国农村土地整治工程改善了农业生产条件,从而给粮食供给服务价值带来正向影响;吴昊[49]针对中国东北地区土地整治研究表明通过优化农业生产结构能提高供给服务;VIALA[11]研究了俄罗斯、法国、西班牙和阿拉伯地区的土地整治项目,指出采取改善农田生态环境等手段和措施,可以提高粮食抵御自然灾害的能力,从而保证耕地的粮食供给能力等等。

图1 土地整治与生态系统服务的关联

2.2 土地整治对生态系统调节服务的影响

相比于土地整治对生态系统供给服务的积极影响,其对调节服务的影响具有双重性。耕地是CO2、CH4和N2O等多种温室气体的排放源之一[10,50],因而农业对气候调节服务的影响是负面的。ANDERSON-TEIXEIRA等[51]也指出,由于生物地球化学因素,一般情况下自然生态系统对气候调节的价值要高于耕地,土地整治等带来的耕地面积增加可能会导致区域的气候调节作用减弱。王思乂[52]研究表明中国湖北省通山县的土地整治项目改变了该地区耕地和林地的比例,对温室气体排放服务造成2.11万元的生态负效益;而王瑷玲等[53]则指出,在对中国低山丘陵区耕地的整治中通过加深土层、改善灌溉条件、采用覆膜种植技术等措施,使得气候调节价值增加1倍多。

土地整治通过改变土地利用/ 覆被类型而影响土壤理化性质及地表径流、土壤渗透、深层渗透等水文过程,从而调节土壤侵蚀。LIU等[54]通过研究中国山东省新泰市的土地整治项目,指出土地整治中的客土覆盖、深翻等工程措施改变了土壤可蚀性;土地平整等工程改变了项目区的坡长与坡度等地形条件,对生态系统的侵蚀控制和泥沙调节等服务功能产生影响。刘世梁等[55]针对丘陵地区土地整治项目建立坡面土壤侵蚀模型,结果表明,梯田建设对于土壤保持和产沙量都具有明显影响,随着坡度增加,梯田工程对于土壤保持的作用减弱,但有助于减少总产沙量。

土地整治对水资源调节服务的影响主要表现在以下方面:改变地表坡度、起伏度、粗糙度等,进而影响地表径流的流向、流深和面积等属性;改变地表植被覆盖,影响渗透和蒸发过程,同时影响滤除、分解水中化学物质和提供洁净水资源的能力;农田灌溉排水系统的重新规划设计、灌溉方法与技术的更新等都会影响区域水资源的配置[17,56]。AERTS等[57]指出通过土地整治的现代农业工程措施能增加土壤水循环中的渗透、保持和蒸腾作用,还对暴风雨具有一定的调节作用;但FIRBANK等[50]认为土地整治对水循环及水质的调节服务具有负面影响。

2.3 土地整治对生态系统支持服务的影响

土地整治对生态系统支持服务的影响主要体现在土壤生境的形成、养分储存和循环等方面。ADL[58]认为土地整治能促进项目区生物多样性的恢复;PÉREZ等[59]在多米尼加矿区的研究认为实施土地复垦能促进土壤理化性质的改善,提高土壤的支持服务能力;原野等[60]对中国平朔煤矿的研究表明,土地整治中表土覆盖和配合施肥能起到加速复垦地区土壤熟化的作用;钟莉娜等[61]以中国土地整治重大项目为例研究发现,通过组织和优化影响生境斑块之间物质流、能量流的循环过程,合理的整治规划设计能有效地改善生境质量;YUAN等[62]同样指出,排土场空间优化、土壤生境再造以及植被重建和景观优化等一系列整治恢复技术的实施,能有效地改善大型露天煤矿的土壤理化性质,促进土壤微生物生境和生态系统恢复。

2.4 土地整治对生态系统文化服务的影响

生态系统文化服务指通过精神满足、发展认知、思考、消遣和体验美感而使人类从生态系统获得的非物质收益,主要体现在文化多样性、娱乐和生态旅游以及审美价值中[20]58-59。VITIKAINEN[63]比较分析了欧洲地区瑞典、德国、荷兰和芬兰等地的土地整治项目,认为土地整治对景观的美化、生活质量的提高和生物多样性的保护具有十分重要的作用。严金明等[64]指出,中国的土地整治也应高度重视保护乡土文化,大力鼓励土地整治以保护乡土文明为前提,构建独特的、具有地域特征的自然风貌、建筑民居和传统文化。近年来,中国开展的生态型土地整治(ecological land consolidation)对乡村景观特征的提升、乡村休闲旅游的发展以及乡村基础设施和生活条件的改善等方面愈加重视,土地整治成为提高乡村景观审美、促进乡村娱乐和生态旅游的重要手段[65]。中国上海市郊野土地整治研究表明,生态保育、自然保护、休闲游乐和健身康体等功能在设计实施中得到体现,发挥了土地整治在促进娱乐和生态旅游以及提高审美价值方面的作用[66-67]。

3 土地整治对生态系统服务之间关系的影响

土地整治对某一种生态因子的评价难以全面客观地评价其对生态系统服务的影响,各项生态系统服务之间存在协同(同时增强或减弱)、独立(互不影响)、权衡(此消彼长)3种可能的相互关系[68]。在生态系统供给服务中,一种服务的提升常常以牺牲其他种类的供给服务或其他类型的生态系统服务为代价,对生态系统服务权衡关系的忽视可能会导致某些生态系统服务下降,以至威胁整个生态系统的稳定和安全[69]。研究表明,同为供给服务的农业生产和渔业养殖之间存在权衡关系[70];生态系统的供给服务和调节服务之间的权衡关系最为明显[71-72]。而生态系统服务之间的协同关系存在于水质调节与旅游景观[73]、水源涵养与土壤保持[74]等关系中;生态系统管理需考虑多种生态系统服务,使其综合效益最大[75]。土地整治对土地利用结构和格局的改变会直接造成生态系统服务之间的空间竞争,同时也会使得多种生态系统服务类型产生协同或此消彼长的改变。例如,一些多功能的自然和半自然生态系统经过土地整治转变为农作物生产功能较突出的农田,提高了生态系统的粮食生产服务而减弱了其他服务[76]。不少研究表明,自然和半自然生态系统不仅在生态上更加可持续,文化价值更大,而且在经济收益上也常常高于高度利用或纯粹保护的生态系统或景观,可以为人类社会提供多种服务[77-78]。FOLEY等[43]对不同土地利用模式下区域的多种生态系统服务价值进行比较研究,结果表明自然生态系统的农作物生产价值较低,但其他生态系统服务价值都很高;在集约农业生态系统中,只有农作物生产的生态系统服务价值较高,其他生态系统服务价值均较低;而在兼顾不同生态系统服务的农业生产模式下,各项生态系统服务能均衡高效发展。

基于对土地整治会影响不同类型生态系统服务间关系的认识,近年来,在相应的研究中开始关注和综合考虑多种生态系统服务,探讨不同类型生态系统服务之间的关系。鄢大彬等[79]以采煤沉陷区土地复垦项目为研究对象,发现土地整治后的生态系统供给和调节服务增强,而支持和文化服务减弱;ZHANG等[80]通过对平原农地土地整治项目区的研究指出,土地整治对粮食增产有积极作用,但同时削弱了景观多样性等其他生态系统服务;而刘晓丽[81]的研究表明,项目区土地整治之后各类生态系统服务是协同提高的,这的确能通过综合的生态型土地整治技术得以实现[82];ZHOU等[40]预测了在土地整治情景下未来土地生态系统服务的权衡关系。土地整治的区域生态系统服务集成与优化在未来的研究中将更为重要,将为从科学知识到管理决策提供技术支撑。

4 土地整治对生态系统服务影响研究的尺度效应

尺度效应分析主要是评价和理解尺度变化对研究结果的影响,生态系统服务也会随着研究尺度的变化而变化[83]。土地整治对生态系统服务的影响具有较强的尺度依赖性,某一尺度上得到的研究结论必须经过尺度转换研究才能推广到另外一种尺度上应用。目前土地整治与生态系统服务的研究多在单一尺度上进行,得到的结果不尽相同。例如,在村域或项目区尺度上,王瑷玲等[53]的研究表明土地整治对生态系统的气体调节服务价值增加的影响最大,而KE[82]认为土地整治对废物处理的服务功能改善最明显,对气体调节服务影响较小;在县域尺度上,张正峰等[84]和柳芳[85]的研究得出土地整治引起的生态系统服务价值变化具有相反的趋势;在市域和区域尺度上,付光辉等[86]的研究表明土地整治能提升生态系统服务总价值,而KINDU等[87]和ZHAO等[88]认为人类对土地进行的开发复垦等整治活动降低了研究区生态系统服务总价值。即使是对于同一研究区,有学者通过多尺度对比分析发现,不同尺度上土地整治对生态系统服务的影响也并不一致,而此类综合的多尺度研究不多。例如,王军等[89]对中国吉林省大安市土地整治项目的研究发现,项目区总的生态系统服务价值在县域、镇域和村域尺度上分别下降33.08%、14.20%和10.47%;严慎纯[90]的研究表明土地整治造成的景观斑块丰富度的改变与生态系统服务价值的改变,在村域和镇域尺度上有明显相关性,且前者相关性较大,而在县域尺度上没有显著相关性。已有的众多特定尺度上土地整治对生态系统服务影响的研究,提供了针对单一尺度的有益见解,但未能清晰评价土地整治对生态系统服务影响在不同尺度的效应,缺乏尺度效应的作用机制探讨,使得尺度之间无法耦合,不利于建立普适性的指标体系或模型。

5 土地整治对生态系统服务影响研究的展望

中国的生态系统服务研究已成为影响国际相关领域研究的重要力量。中国地域辽阔,地形复杂多样,自2008年土地整治上升为国家战略以来,整治规模之大和类型之丰富是世界上其他国家所没有的,为土地整治的生态系统服务影响研究提供了丰富多样的区域案例。同时,“建设生态文明”提升为“千年大计”的战略决策也为土地整治的生态系统服务研究提供了良好的发展机遇和空间。中国学者在土地整治与生态系统服务方面开展了有益探索,未来中国土地整治对生态系统服务影响研究的主要方向如下:

(1)加强土地整治对生态系统结构和过程影响的研究。土地整治是在短期内有目的的通过工程和生物等措施改变生态系统结构和过程的活动,土地整治对生态系统时空结构的影响通过3S技术和景观格局分析技术容易测度[91],而对生态过程和功能的影响则是长期、复杂和非线性的[92]。土地整治工程实施后,土壤水文、生物组成等都处于动态变化之中,其生态效应需要长期定点观测和分析,然后才能定量研究物质流和能量流对土地整治的响应过程,深入分析土地整治对生态系统的影响,构建土地整治对生态过程和功能影响的方法与模型,进而揭示这种影响机制与规律。

(2)强化土地整治中生态系统服务及其相互关系的研究。由于生态系统服务来源于生态系统的一种或多种功能组合[93],研究应围绕土地整治影响生态系统结构与功能—生态系统服务—调节调控这一主线,基于生态系统的结构和过程,探寻表征某种生态系统服务的指标。同时,生态系统服务之间的关系包括协同、独立和权衡关系,对土地整治中生态系统服务的管理和调控应建立在对这些关系研究的基础上[68]。保障国家粮食安全是土地整治的首要任务[3],土地整治中供给服务水平要求高。一般而言,生物多样性高的自然生态系统,其调节和文化服务水平较高,随着人类利用强度的增加,生态系统调节和文化服务水平逐渐降低[43]。在大力推进生态文明建设和保障国家粮食安全的战略要求下,土地整治以供给服务为核心,通过区域分异、自组织和协同理论,分区域辨识土地整治影响下的供给服务与其他关键生态系统服务的空间尺度大小,明晰生态系统服务之间的快变化、慢变化相互作用关系,探究土地整治影响下生态系统服务之间的权衡、独立或协同关系,对区域的土地整治项目布局和生态系统服务的优化管理提供支撑和指导。

(3)加强土地整治的区域生态系统服务集成和优化研究。在辨析生态系统服务协同/权衡关系的基础上,对生态系统管理进行科学决策,是保障区域可持续发展的有力支撑。在土地整治影响的生态系统服务中,以粮食生产为主的供给服务与调节服务、文化服务有时是矛盾和对立的[76]。在土地整治实施过程中,面临着增加耕地数量、改善生态环境和增加农民收入等多重目标,因此,必须权衡关键生态系统服务功能项,科学合理地集成服务项以实现区域生态系统服务的优化,进而调控土地整治影响的关键生态系统服务和时空布局。

(4)重视土地整治对生态系统服务影响的尺度效应。土地整治影响下的生态系统服务具有空间异质性和时间动态性,且随着时空尺度的推移发生改变[90],这样的尺度依赖性源于生态系统服务与生态过程中的尺度关联[94]。土地整治对生态系统结构、功能和生态系统服务的形成与影响所涵盖的时空尺度不尽相同,粮食、种子资源等供给服务,土壤保持、侵蚀控制等部分调节服务主要在项目区和局地尺度发挥作用,而气候调节、养分循环等更多的调节、娱乐文化服务则在大范围内发挥作用。同时,不同地区的自然和社会条件存在较大差异,在不同背景条件下,土地整治作用于生态系统服务的影响有所不同,而这样的比较研究不多。另外,土地整治中显化的生态系统服务作用的时间跨度也存在差异性,如粮食生产、洪涝减缓在短期内成效明显,而水源涵养和污染控制则在长时间内发挥作用[31]。因此,针对土地整治实施和研究的特点,探讨对于短时期和长时期的项目区、局地、区域等不同时空尺度上生态系统服务的耦合机制,构建多尺度耦合模型,对实现多尺度土地整治的综合管理与调控具有重要的科学意义和实用价值。