The effects of land consolidation on the ecological connectivity based on ecosystem service value: A case study of Darsquo;an land consolidation project in Jilin province
WANG Jun 1 , YAN Shenchun 1,2 , GUO Yiqiang 1 , LI Junran 3 , SUN Guoqing 2
1. Key Laboratory of Land Consolidation and Rehabilitation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035,China;
2. School of Land Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
3. Department of Geosciences, The University of Tulsa, Tulsa, OK 74104, USA
Abstract: Land consolidation has a profound impact on landscape patterns and ecological functions at various scales through engineering and biological measures. In recent years,China invests more than 100 billion RMB yuan on land consolidation each year. To understand how land consolidation affects landscape patterns and ecosystems, we investigated the ecosystem service value and the ecological connectivity in a consolidated area of Darsquo;an city from 2008 to 2014 using a revised ecological connectivity index. The results indicated that land consolidation has certain negative influences on the ecosystem services in this area.The total ecosystem service value will decrease by nearly 30% in the late stage of consolidation. This decrease is caused by the loss of ecosystem service of the wetland and grassland,despite a sensible increase of cultivated land. In addition, land consolidation could change the ecological connectivity as well as the land use structure. Up to 85% of the entire area will be in low connectivity in the late stage of consolidation, representing a 6.23% increase in the total coverage compared to pre-consolidation. Finally, the different connectivity landscape and their key areas can be identified by the revised ecological connectivity index effectively.This study is helpful to trace out the relationships between landscape pattern and ecological process, and provides insights for ecological planning and designing of land consolidation in this area. We suggest that more attentions should be paid to improve the quality and ecosystem service value per unit area of the landscape, to establish ecological compensation mechanism of wetland losses, and to create the ecological corridors along the least accumulated impendence surface in the key areas during land consolidation.
Keywords: land consolidation project; ecological connectivity; ecosystem service value; landscape pattern, landscape function; Darsquo;an city
1 Introduction
The influence of land use/cover changes (LUCC) on ecological functions has become one of the hot fields in ecology and geography. Land consolidation is known to be a most important driving force for the LUCC with purpose, and it inevitably results in an impact on the ecological functions (Rafael et al., 2002; Yu et al., 2011; Wang et al., 2011). Land consolidation may be depicted as a planned re-adjustment and re-arrangement of land parcels and their ownership. Through land consolidation, land quality and agricultural infrastructures such as irrigation systems and roads are improved, and land fragmentation is reduced. At the same time, land use patterns are significantly transformed (Wang and Zhang, 2004; Yun etal., 2008; Pasakarnis and Maliene, 2010).
The impacts of land consolidation on landscape pattern have been analyzed primarily based on the “matrix-patches-corridors” theory (Wang et al., 2007; Yu et al., 2008; Liu et al.,2008; Gu and Chen, 2008). These studies usually compared the changes of landscape structure characteristics and evaluated the ecological effect of land consolidation by using the traditional landscape indices. However, these landscape indices are sensitive to the scales of
observations or samplings, and the classification of data sources. Studies about dual impacts
of land consolidation on the environment and ecological processes are concentrated on its
effects on soil, water, flora and fauna (Luo and Zhang, 2002; Zhang and Zhao, 2007; Ai et
al., 2007; Niu et al., 2008). While a rational land consolidation may put positive effects on
the environment, it can also disturb or damage the ecological functions and processes if land
consolidation exceeds the capacity of ecosystems. Moreover, it is a great challenge to evalu-
ate the dual influences of land consolidation on environment objectively and accurately.
Most researchers assess the ecological effects of land consolidation by means of landscape
pattern index and some mathematical models (Zhang, 2008; Wu et al., 2008; Chen et al.,
2008; Ou et al., 2009).
An issue raised here is how to trace out the relationships between landscape pattern and ecological functions during the process of land consolidation. Landscape ecological connectivity is the degree to which the landscape facilitates or impedes the movement of ecological flows among resource patches, which is considered an effective link among patterns, processes, and functions in an area (Taylor, 1993; Philippe and Burel, 1997; Mallarach and Marull, 2006; Sun and Liu, 2010). Ecological connectivity plays a highly important role in ecological processes, such as soil erosion, movements of flora and fauna populations, gene flow and disturbance spread (Davenport, 1998). In addition, ecological connectivity has also been widely applied in the biological resource management, biodiversity protection, and landscape planning and designing (Jordan et al., 2003; Ferreras, 2001; Timothy, 2004). It is critical to investigate the relationships between landscape patterns and ecological functions during the process of land consolidation using ecological connectivity methods. Unfortunately, there are not many further studies to explore the relationships by ecological connectivity method in a large scale.
1.1 Ecological connectivity
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基于生态系统服务价值的连通性的土地整理对生态环境的影响
——以吉林省大安市土地整理项目为例
王俊１，严申春１，２，郭强１，李俊然３，孙国庆２
- 国土资源部土地整理与修复重点实验室，北京100035，中国；
- 中国地质大学土地科学与技术学院，北京100083；
- 地球科学系，塔尔萨大学，塔尔萨，行74104，美国
摘要：由于工程和生物措施在不同尺度有不同的功能，土地整理对景观格局和生态环境有着深远的影响。近年来，中国每年投资在土地整理上的花费达1000亿元以上。为了了解土地整理如何影响景观格局和生态系统，我们调查到２００８到２０１４年的生态系统服务价值在大安市地区的生态连通性，采用修订的生态连通指数。结果表明，土地整理对区域生态系统服务有一定的负面影响。在整合后期，总生态系统服务价值将减少近30%。这一减少是由湿地和草地生态系统服务的损失造成的，尽管耕地面积的增加是合理的。此外，土地整理可能改变土地利用结构的生态连通性。达85%的整个地区将在后期的整合低连接，与预整合相比，占总覆盖率的６.２３％。最后，对不同连通性景观及其关键区域进行有效的识别。本文的研究有助于探讨景观格局与生态过程之间的关系，为区域土地整理的生态规划与设计提供启示。我们认为，应重视提高质量和生态系统服务价值每单位面积的景观，建立湿地生态补偿机制和损失，在土地整理中创造生态走廊沿最小阻抗表面积累的重点区域。
关键词：土地整理项目；生态连通性；生态服务价值；景观格局；土地景观功能；大安市
- 引言
影响土地利用/覆盖变化（LUCC）对生态功能已经成为一个生态与地理学的研究热点。土地整理是一种有目的的土地利用变化最重要的驱动力，它必然导致对生态的影响逻辑功能（拉斐尔等人，2002，等，2011，王等人，2011）。土地巩固可能被描述为一个计划的重新调整和重新安排土地及其所有权。通过土地整理、土地质量和农业基础设施建设，如灌溉系统和道路都得到改善，土地的破碎度降低。在同时，土地利用模式明显转变（王、张、2004；云等人，2008；pasakarnis和maliene，2010）。
土地整理对景观格局的影响主要分析基于“矩阵补丁走廊”理论（王等人，2007，与等，2008。，2008；顾和陈，2008）。这些研究通常比较景观结构的变化对于土地整理的生态效应及其特征评价传统景观指数。然而，这些景观指数是敏感的尺度观测和采样，和数据源的分类土地整理对环境和生态过程的双重影响研究主要集中在对土壤、水的影响，动植物（罗、张、张、赵，2002；2007；AI等，2007；牛et al.，2008）。而合理的土地整理可能会对环境产生积极的影响，如果土地整理超过了生态系统的能力，它也会干扰或破坏生态功能和过程。土地整理对环境的双重影响是一个巨大的挑战，大多数研究者通过景观格局指数和一些数学模型（张、2008、吴等）评价土地整理的生态效应，2008、2008、2009。
这里提出的问题是如何在土地整理过程中跟踪景观格局与生态功能的关系。景观生态连接度是景观有利于或阻碍生态运动的程度。资源斑块间的流动，这被认为是一个有效的链接之间的模式，流程，和在一个区域的功能（泰勒，1993；菲利普和Bvrel，1997；mallarach，李巍，2006；孙、刘，2010）。
1.1生态连通性及其实际应用
生态连通性的主要方法是量化的实验研究景观格局与生态功能的变化，在特定的生态过程的模拟，以及景观指数（露西亚和索拉，2006；傅et al.，2009）。实验研究可以用来获得原始数据的生物行为特征，通过跟踪他们的运动路径，使用适当的方法。例如，吉利斯和克雷布斯（2003）使用无线电遥测监控分散和少年的雪鞋野兔的生存。他们的研究表明，产后传播相关的生存成本很低的雪鞋野兔周期的早期增加中。保捷等人。（2006）
基于观测到的五个年龄性别等级的龟的运动速度和运动概率的计算。他们的研究结果表明，连接强烈依赖于物种的运动行为。langevelde（2000）研究了森林斑块测量连通程度的关系
不同的空间尺度和鳾这些修补程序的定植（Sitta europaea L.）与阈值距离人口。他们的研究结果表明，所覆盖的距离分散红胸币鸟导致成功的殖民化。然而，应该指出的是，实验方法的成本通常是高的，因为它们通常需要大量的采样点和长时间的观察。
模型仿真方法可以在一定程度上克服实验方法的局限性，从而简化了有限的生态过程。
仿真模型在生态连通性研究中发挥着重要的作用。准（2008）建立了一个模型来解释在一个支离破碎的大西洋雨林景观林下鸟的发生和发现的物种丰富度，丰度和组成的变化是由连接的主要影响。Hanski和奥瓦斯凯宁（2000）介绍了高度分散的景观荟萃人口的能力并将其应用于实证案例多网络由一个濒临灭绝的蝴蝶品种占。香港和殷（2008）利用最小成本路径法和生态网络的基础上的重力模型和景观指数，确定了潜在的走廊济南市。莱文等人。（2007）以修订后的最小费用距离模型，分析了在多个空间尺度上的景观连通性，肯定了开放区域在生态保护中的价值。
传统的景观指数，包括连通性指数（CI）、分维数、斑块聚集度指数、分离度指数，通常能够反映景观结构连接到一定程度（mcgarigal et al.，2002）。最近，在实验和模型模拟的基础上，开发了一些新的指标。这些新指标既反映了结构和功能的连通性，又充分简化了以往生态连通性的途径。尼尔（2008）评估连接与景观指数的基因流的影响。他们发现，在特定的尺度的连通性仍然是足够的，以提供一个相对有前途的前景物种持久性的条件，总的网络连接将减少。厨师等，（2002）用景观指数评估凤凰生态网络分析表明，生态价值显著的改善可以通过实施开放空间系统规划策略的实现。mallarach，李巍（2006）采用生态连通性指数（ECI）评价景观在巴塞罗那市中心和确定局部景观的重要领域。蜥蜴和Pascual hortal（2007）系统地比较了一套基于连接性指数图给出了积分指数连接（IIC）和概率的连接（PC）评估景观连通性。他们认为，IIC和PC在景观规划中的有效应用。熊等人，（2008）用IIC与PC进行连接对重庆市都市区土地景观草坪。他们发现这些指标可以捕捉到他们发现这些指标可以直接或间接地捕捉到景观动态变化，并在不同尺度上认识到连接的重要性。然而，他们也指出，有一些缺陷在这些指标中。例如，IIC和PC值增加或减少与消除分离或连接片和IIC和PC是不敏感的，矩阵的影响走廊。至于CI和ECI，细胞大小的影响结果与ECI不是承载能力和等级的敏感源。
1.2中国土地整理
中国土地整理的实践可以追溯到公元前1066年，而现代的土地整理实际上始于上世纪90年代末，有十多年的发展。土地整理增加了耕地的数量和质量，有力地促进了耕地保护，有效地促进了农业生产力的发展。然而，由于所有的土地整理已经进行了工程和生物措施，它具有强大的潜力，改变土地利用和环境。因此，近年来，对景观格局和生态系统的双重影响，已经引起了极大的关注（拉斐尔et al.，2002；安卡和码头，2005；斯克莱尼卡，2006；Wang et al.，2011）。
2材料与方法
2.1研究区
大安市位于吉林省西部地区。大安市土地整理项目是主要的土地整理项目之一。研究区
具有地缘平面座标大约介于123°16′0.6Prime;E–124°15′16Prime;E和45°05′9.7Prime;N–45°43′39.2Prime;N（图1），包括1202公里的2个地区。该区也坐落在开阔平坦的地形，松嫩平原腹地。该地区具有半干旱大陆性季风气候，在北温带地区，平均年降水量为412.4毫米。土壤主要有潮土、沼泽土、盐土和碱土。此外，该地区还拥有丰富的耕地保护区和湿地资源。景观可分为耕地、林地、草地、湿地（自然和人工湿地）、建设用地和其他土地的，根据当地的景观特征和土地利用分类标准（GB / T 21010-2007）在中国。自然湿地包括沼泽、河流、湖泊、滩涂，人工
湿地包括水库、池塘和水沟的研究。这一地区的土地整理项目开工2008，2014年底完成实施方案。在这两个领域的地图，在2008大安市土地利用现状图和规划土地利用图2014，已收集的生态连通性指数比较的基本地图。
2.2方法
2.2.1生态系统服务价值评估
在本文中，我们评估了生态系统服务的方法，唐等人，2007。他们开发的生态系统服务价值系数（ESV）的腹地松嫩平原。根据他们的结果，我们分类的系数，根据景观类型在我们的研究领域。表1显示研究区中的系数。这是假设在这项研究中，土地整理期间同一景观类型的ESV不变。
2.2.2修订生态连通性指数
生态连通性指数是由mallarach，李巍提出（2006），这是定义为：
Ｘ是适应的成本距离值的像素，最大和最小的是在一个给定的区域内的最大和最小的调整成本距离。ECI是基于ArcGIS 9.3的最小耗费距离模型。该模型被用来计算每个细胞到最近的源超过一个成本表面的最小累计成本距离。在这个模型中，考虑了两个因素，源和成本的表面，都考虑在内。源是一个光栅或特征数据集，该数据集确定了每个细胞的最小累计成本距离的细胞或位置。成本面是一个栅格定义的阻抗或成本移动通过每个细胞。通常情况下，源被识别和映射的一系列复杂的协议和表面被定义的障碍和潜在的亲和力矩阵的影响，在城市景观生态连通性的研究。虽然这种方法是能够评估在大城市的生态连通性，它需要很长的时间来确定的来源和成本的研究区域的表面和一些参数可能要被分配任意。在综合区内，以“源、汇”理论为基础，以生态服务价值为基础，以自然湿地的密集和连续分布区为基础，以生态系统服务价值为代价。生态系统服务价值越高，材料、能源和信息之间的传播就越容易。生态系统服务价值所定义的成本价值如下：
CV是在成本面每个电池的成本价值，是在每个单元的生态系统服务价值，ESV Max和ESV min最大和最小的生态系统服务价值用在一个特定的区域。应该指出的是，其是基于成本距离算法之间的关系，这是不能通过简单的量化表达。然而，所采用的成本距离（我）在一个给定的面积可以计算通过ArcGIS 9.3中最小费用距离模型的来源和费用的确认后价值（简历）在成本面。因此，出口信用保险可以通过将所采用的成本计算距离（Ｘｉ）为公式（1）
值得注意的是，出口信用保险具有值的离散分布，与1和10之间的范围。ECI将分为六类，根据在ArcGIS 9.3自然断裂的方法。非常低，低，中等，高，非常高，每一类的值最高的是表2。
3结果
3.1生态系统服务价值的变化
我们首先计算LUCC研究区土地整理和转移矩阵的过程中是表3中列出的。结果表明，在土地整理后期耕地面积将增加至68407.06公顷，但一小部分
耕地将统一为林地、草地等类型。这是我国土地整理的目标高度相关，其中强烈的旨在增加品种农用土地。此外，表3表明，增加耕地主要是由于其他土地，草地和湿地减少。与之相对应的是，在后期，其他土地、草地和湿地的土地面积分别减少78.82%、70.79%和35.82%。在后期的土地整理中，林地和建设用地有轻微的变化。
表4显示，土地整理对综合区的生态系统服务价值有负面影响。的总量将减少近30%的晚
土地整理期。同时，草地和其他土地总价值将下降超过70%相比前期土地整理。湿地的总价值减少了31107.24times;10 4元2014。有轻微的减少林地总价值以及建设用地。耕地总量将有一个价值高达19153.98times;2014 10 4元，这几乎是翻两番的总价值在土地整理的早期。然而，由于耕地是因为单位比湿地和草原下，增加造成的ESV显著增加耕地不能补偿的湿地和草地减少ESV损失。因此，在整个研究区域的总价值将在盘整后期大幅减少。
3.2生态连通指数的变化
图2显示了ECI在土地整理的初期和后期的分布基于ESV。景观与最高的连通性主要分布在湿地及其周边地区。高和非常高的连通性景观占小部分的整个地区往往是接近的来源。相比之下，非常低，低和介质连通性景观通常是远离源。事实上,一些过渡性的区域被发现在不同的连接景观。生态连接指数的趋势，以减少或增加，导致能源的变化，材料和信息流。建立一些缓冲区是必要的过渡区覆盖不同的景观。
表5显示了在2008个不同的连通性景观中的嬗变和2014。具有非常低，低和中等连接的景观将占主导地位该地区在早期和晚期的整合。至于每一个景观类别，面积非常低的连接在2014个将大约两倍的面积在2008。但在低连接景观的总面积有几乎没有变化固结结束。中等连接景观将减少约10000在后期的整合。同时，土地整理已经减少了，高和非常高的连接景观3445.31公顷和1316.88公顷，在这方面的最高的连通性景观也将整合到较低的连通性景观。如果没有足够的景观与更高的连接，规则，能量，材料和信息的流动可能会影响和正常的生态进程和功能也会受到干扰。
图3描述了在后期不同连接ECI的分布变化固结阶段。出口信用保险的变化可归纳为三类。在第一类，在固结后期不同程度的
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