薛智超,甄 霖,閆慧敏

1 北京工商大學國際經(jīng)管學院,北京 100048

2 中國科學院地理科學與資源研究所,北京 100101

3 中國科學院大學,北京 100049

人類對有限土地資源的壓力隨著人口增長和經(jīng)濟發(fā)展而日益增加。全球已有60%以上的土地發(fā)生了不同程度的退化[1],威脅著土地資源的可持續(xù)管理[2—3]。深入理解土地利用變化對可持續(xù)發(fā)展帶來的影響是當前決策者和科學界共同關(guān)注的議題[4—5]。2015年聯(lián)合國提出的全球可持續(xù)發(fā)展目標(Sustainable Development Goals,SDGs)中,消除貧窮、零饑餓、清潔飲水和衛(wèi)生設(shè)施、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施、可持續(xù)城市和社區(qū)、水下生物和陸地生物等主要目標均與土地可持續(xù)利用相關(guān)[6]。全球土地計劃(Global Land Programme,GLP)在土地科學實施計劃報告中指出[7],應(yīng)當在充分理解土地多功能與土地功能的空間分離策略的基礎(chǔ)上,開展更加細致的、多尺度的評估,以提出適應(yīng)未來情景的土地利用方案?；谕恋囟喙δ艿难芯客ㄟ^合理界定區(qū)域土地功能并設(shè)定土地利用管理政策情景開展可持續(xù)性評估,以充分認識土地資源價值,推動土地資源的合理利用和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[8]。土地多功能研究框架已經(jīng)被廣泛用于歐洲、中國和其他一些發(fā)展中國家,為土地資源的可持續(xù)管理與政策制定提供決策支持[9—10]。

黃土高原是世界上水土流失最為嚴重的地區(qū)之一,也是我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱的地區(qū)之一。黃土丘陵溝壑區(qū)是黃土高原水土流失的主要來源區(qū),具有坡陡溝深、地表破碎等地貌特點[11],大面積坡耕地的開墾是引起區(qū)域水土流失的主要原因之一。為有效改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,自1999年起,政府組織實施了三北防護林工程、退耕還林還草工程、天然林保護工程等一系列生態(tài)保護和恢復工程,黃土高原的植被覆蓋度由1999年的31.6%增加到了2018年的63%,黃河的年輸沙量已由1999年的16億t減少到了2021年的1.7億t左右。然而,大面積的退耕同樣使得山區(qū)以及梁峁坡面地區(qū)農(nóng)民的人均耕地大幅度減少,土地資源約束增強,影響著區(qū)域的農(nóng)戶生計和糧食安全[12—13]。目前針對梁、塬、峁等黃土丘陵溝壑區(qū)不同地貌類型的土地利用與牧戶生計差異的關(guān)注較少,而開展地貌和村落尺度的分類研究與系統(tǒng)的診斷,深入刻畫不同地貌區(qū)域土地資源自然-生態(tài)-經(jīng)濟社會的綜合體特征,可以為在生態(tài)環(huán)境脆弱的黃土丘陵溝壑區(qū)探索平衡生態(tài)環(huán)境保護與農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)路徑提供精準化支撐。

土地利用系統(tǒng)是人與自然交互作用的復雜系統(tǒng),受內(nèi)生因素和外生因素的共同影響,具有非線性的多重穩(wěn)定狀態(tài)[14—15]。尋找可持續(xù)的土地資源管理策略,需要將區(qū)域利益相關(guān)者對發(fā)展的認知及其影響因素納入管理。農(nóng)戶土地利用行為受氣候等自然條件和土地利用政策等社會因素影響,農(nóng)戶的適應(yīng)性決策是緩解或加深土地利用問題的主要因素之一[16]。通過利益相關(guān)者的參與來探究區(qū)域可持續(xù)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變[14, 17],探究農(nóng)戶及區(qū)域土地利用相關(guān)主體對自然和社會環(huán)境變化的感知和調(diào)整機制,可以充分認識和全面分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)與社會系統(tǒng)之間的相互作用與響應(yīng),并為不同的目標群體制定建議,對區(qū)域土地利用決策的調(diào)整、適應(yīng)性行為的引導及糧食安全的保障具有重要意義[14, 18—19]。聚焦剖析人-地關(guān)系的土地利用變化模擬研究經(jīng)歷了從傳統(tǒng)數(shù)據(jù)方法或經(jīng)驗統(tǒng)計模型,到復雜適應(yīng)系統(tǒng)和過程仿真模擬的發(fā)展過程。結(jié)合多利益相關(guān)者的評估有利于對關(guān)鍵政策問題提供支持,也有助于面向現(xiàn)實需求的模型構(gòu)建[20]。基于主體的建?；蚨嘀悄荏w模型(ABM)因其從主體自治性與適應(yīng)性的獨特分析視角出發(fā),以充分體現(xiàn)人類主觀能動性改造自然的能力而越來越受到學者的重視[21]。ABM將真實世界的復雜系統(tǒng)抽象化表達,通過整合各種社會和環(huán)境因素,模擬個體、政策和生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部相互作用[22—24],尤其在面對不確定性活動對區(qū)域的影響評估中,ABM通過預測不同決策可能帶來的后果而被廣泛應(yīng)用于基于社會-生態(tài)系統(tǒng)情景的決策支持中[25—27]。

本研究以黃土丘陵溝壑區(qū)土地可持續(xù)利用為背景,從土地多功能出發(fā),構(gòu)建多層次利益相關(guān)者參與式的評估框架,選取黃土丘陵溝壑區(qū)典型地貌村落,以農(nóng)戶的耕地利用行為為切入點,以農(nóng)戶行為與社會-生態(tài)系統(tǒng)相互作用為核心,構(gòu)建多智能體模型模擬區(qū)域土地利用與土地多功能的時空變化,實現(xiàn)基于土地利用主體行為的自下而上的多尺度時空變化模擬,從而探究土地功能在不同土地管理情景模式下的變化,為脆弱區(qū)土地可持續(xù)利用與管理提供決策支持。

1 研究區(qū)概況與典型區(qū)選擇

1.1 研究區(qū)概況

固原市位于寧夏南部黃土丘陵溝壑區(qū),地處東經(jīng)105°19′—106°57′、北緯35°14′—36°31′,海拔在1320—2928 m之間,具有溝壑縱橫,梁峁交錯,山多川少,塬、梁、峁交錯的地理特征(圖1)。固原市地處暖溫帶半干旱氣候區(qū),是典型的大陸性季風氣候,年平均降水量492.2 mm。全市的耕地主要以旱地為主,灌溉難度大,耕地質(zhì)量較差,耕地產(chǎn)出率低。2015年末固原市農(nóng)用地為8.9×105hm2,占全市土地總面積的84.67%,而大約有41.64%位于坡度大于15°的坡地。以家庭農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的玉米為例,盡管人均糧食產(chǎn)量在逐步提高,但仍僅占全區(qū)平均水平的65.29%(2019年)[28]。自2002年退耕工程在固原市全面啟動以來,固原市完成退耕還林3.1×105hm2,其中退耕造林1.7×105hm2、荒山造林1.4×105hm2。全市林草植被大面積恢復,森林覆蓋率由退耕前的12.8%增加到22.2%,草原植被覆蓋度由退耕前的35%提高到73%[29]。

圖1 調(diào)研村落地貌及實景特征圖Fig.1 The landform and scenes of typical study sites

2021年,固原全年實現(xiàn)生產(chǎn)總值375.13億元。2021年末,固原市常住總?cè)丝跒?14.8萬人,鄉(xiāng)村人口占比55.57%[30]。固原市農(nóng)村居民外出勞動力就業(yè)比例呈現(xiàn)逐年上升的趨勢,根據(jù)寧夏調(diào)查調(diào)查總隊對農(nóng)村居民家庭住戶抽樣調(diào)查的結(jié)果,抽樣住戶中外出就業(yè)勞動力從2010年360人波動上升到2016年的479人,外出就業(yè)勞動力在家庭常住人口中的占比從18.5%增加到22.3%。2021年全市共完成勞務(wù)輸出33.65萬人,比上年增長1.54%[30]。2021年農(nóng)村居民家庭可支配收入為13086.0元,為全國平均水平的69.13%。根據(jù)國家統(tǒng)計局寧夏調(diào)查總隊的調(diào)查數(shù)據(jù),農(nóng)村家庭中農(nóng)業(yè)收入占比在逐年下降,由2010年的41%下降到2016年的23%。

1.2 典型村落自然與社會經(jīng)濟特征

綜合考慮對黃土丘陵溝壑區(qū)典型地貌類型的代表性,選擇五個代表性村落進行深入考察與調(diào)研(圖1,表1)。原州區(qū)楊郎村為典型的河谷川地區(qū)域村落,彭陽縣夏塬村代表塬地村落,西吉縣馬營村代表梁峁區(qū)村落,涇源縣勝利村代表土石山地村落,并選擇原州區(qū)大馬莊村代表城郊村。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展以及勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)等政策的引導,固原從事農(nóng)業(yè)耕作的勞動人員趨于老齡化,耕地破碎且多位于陡坡,耕地撂荒現(xiàn)象明顯。據(jù)調(diào)研中地方部門專家估算,目前在北部4縣域(除南部以土石山地為主的涇原縣),約有近20%—30%的耕地均已經(jīng)發(fā)生了不同程度的撂荒。5個典型村落的選擇便于從不同地貌類型的角度開展區(qū)域耕地管理限制因素及不同區(qū)域農(nóng)戶認知與意愿的比較性研究,從而為土地管理決策制定提供更加精準的自下而上的參考信息。

表1 典型村落代表地貌及土地利用基本特征Table 1 Land use and landform characters of representative villages

2 研究方法

多層次利益相關(guān)者參與式的土地多功能評估與模擬過程,通過結(jié)合在不同時空尺度上與土地利用相關(guān)的農(nóng)戶、管理者、政策制定者及專家等利益相關(guān)者的共同參與,充分發(fā)掘研究區(qū)土地利用特征與問題,同時促進政策制定者對區(qū)域土地利用措施影響的深入了解。本研究中通過利益相關(guān)者參與式的研究方法確定區(qū)域的土地功能與評估指標、未來土地利用情景、以及不同利益相關(guān)者的土地利用決策特征,提取黃土丘陵溝壑區(qū)不同地貌背景下土地利用主體與空間環(huán)境作用特征構(gòu)建多主體模型,結(jié)合參與式評估過程得到的情景與指標響應(yīng),開展不同情景下土地多功能時空變化模擬(圖2)。

2.1 利益相關(guān)者參與式調(diào)研

2.1.1參與式評估

參與式評估(Framework of Participatory Impact Assessment,FoPIA)的開展共分為3個階段[31]:準備階段、評估階段和結(jié)果分析與政策建議階段。準備階段主要通過機構(gòu)專家研討會以及文獻閱讀與綜述,就固原目前面臨的土地利用問題做出判定與討論,確定固原主要的土地功能和對應(yīng)指標草稿。參與式評估階段于2017年5月在固原市開展。共有來自不同的學科背景(經(jīng)濟、社會和生態(tài))的10名成員參與,包含5位政策制定者、2位固原市研究人員和3位相關(guān)領(lǐng)域研究人員,政策制定者和當?shù)氐难芯咳藛T至少已有9年相關(guān)工作經(jīng)驗。評估過程包括:(1)確定研究區(qū)土地多功能、對應(yīng)的指標及評估情景;(2)開展兩輪制的土地多功能權(quán)重打分;(3)針對每個情景分別開展兩輪制的情景對土地多功能的影響打分。

(1)情景設(shè)定

根據(jù)準備階段研討會得到的區(qū)域重點土地利用問題與政策,討論與確定本研究中擬開展評估的4個土地利用情景:1)慣性發(fā)展情景。固原市土地按照當前的利用方式照常發(fā)展。土地流轉(zhuǎn)主要仍以當前速率按照自發(fā)的形式進行,耕地撂荒仍舊在隨著經(jīng)濟的發(fā)展和年輕人就業(yè)擇業(yè)觀的轉(zhuǎn)變而不斷加劇。2)發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景。由于農(nóng)戶撂荒的耕地一般均選擇偏遠且耕地地力條件差、生產(chǎn)效益差的土地,農(nóng)戶為追求更高的經(jīng)濟效益而放棄低效益土地對管理等資源的占用,而適當?shù)牧袒囊欢ǔ潭壬嫌欣趨^(qū)域?qū)崿F(xiàn)不宜耕種土地的生態(tài)恢復。因此,情景假設(shè)除固原市南部土石山區(qū)大力發(fā)展苗木種植外,將有更多的低質(zhì)量耕地被撂荒。3)農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景。將位于緩坡、遠離居民區(qū)或灌溉設(shè)施不足的潛在撂荒耕地集中管理,改善相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施配置,緩解因為勞動力不足帶來的撂荒。4)生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景。強調(diào)一方面鞏固退耕還林成果,對已經(jīng)開展了退耕還林區(qū)域的林地進行補植補播,維持退耕還林工程的生態(tài)環(huán)境效果;另一方面是大力發(fā)展林下經(jīng)濟,衍生退耕還林地的新產(chǎn)業(yè)鏈,例如,林下養(yǎng)殖蜜蜂、山地雞等。

(2)兩輪參與式評估

參與者對土地多功能開展兩輪重要性打分,分數(shù)范圍為0—5,功能對區(qū)域的重要性隨分數(shù)遞增。收集每位專家第一輪打分的結(jié)果后,按照式(1)現(xiàn)場快速計算并展示各個土地功能所有專家給出的平均得分,專家對照結(jié)果展示圖討論各個指標打分結(jié)果的考慮因素,意見交流后將專家打分表返回對應(yīng)的專家手中,進行第二輪打分,與會的各位專家可以選擇在討論的基礎(chǔ)上更改或者維持原有打分結(jié)果。第二輪結(jié)果收集后同樣快速計算并展示平均的得分結(jié)果并討論,打分循環(huán)直到結(jié)果得到所有專家的認可。

(1)

式中,wi為第i(i= 1—9) 個土地功能本輪的重要性得分,n為參與打分專家的數(shù)量。j為第j位專家,wij為第j位專家在本輪給出的第i個土地功能的分數(shù)。

針對每個情景對區(qū)域各土地功能的影響開展兩輪評估。評估分數(shù)范圍為(-3—3),數(shù)字絕對值代表影響的大小,絕對值越大,影響越大。正值代表具有積極促進的正面影響,負值代表具有消極抑制的負面影響,0代表沒有影響。按照式(2)計算最終綜合的情景影響評估結(jié)果。

(2)

式中,fki為第i個土地功能在情景k(k=1—4)的評估值,fkij是k情景下j專家在最后一輪中給出的評估值。為方便不同利益相關(guān)者群體開展比較,將情景影響評估的結(jié)果按照土地功能的經(jīng)濟、社會、生態(tài)3個維度進行綜合。綜合公式如下:

Fki=wi×fki, (k=1,2,3,4)

(3)

(4)

(5)

式中,Fk,d即k情景對d維度的土地功能的影響值,Fk,eco,Fk,soc,Fk,ecg分別是k情景對經(jīng)濟、社會和生態(tài)維度的影響。Fk是情景k對區(qū)域土地多功能帶來的綜合影響值。

2.1.2問卷調(diào)研

本研究中對農(nóng)戶這一利益相關(guān)者群體采取一對一訪談問卷調(diào)查的方式。調(diào)查問卷主要包含3大部分內(nèi)容。第一部分為農(nóng)戶家庭基本情況;第二部分為農(nóng)戶對村落土地多功能變化的認識與感知;第三部分為根據(jù)FoPIA討論結(jié)果考察農(nóng)戶目前的退耕還林狀況、土地撂荒狀況和土地流轉(zhuǎn)意愿。其中,第一部分調(diào)查的重點內(nèi)容包括家庭成員的性別、年齡、主要職業(yè)、工作地點和文化程度等。用于了解農(nóng)戶基本信息、工作狀況以及家庭結(jié)構(gòu),為土地多功能評估分析與模型模擬時的用戶主體特征提取做準備。第二部分的主要內(nèi)容為農(nóng)戶對近10年來土地各項功能變化的感知。根據(jù)FoPIA中判定的固原各項土地多功能指標,采訪農(nóng)戶對于指標變化的感知,并與專家的認知做對比。第三部分內(nèi)容主要包括:對于退耕還林的滿意度和退耕意愿;棄耕地數(shù)量、質(zhì)量和棄耕原因;個人土地流轉(zhuǎn)的現(xiàn)狀、意愿及原因。這部分內(nèi)容是對FoPIA中的政策情景從農(nóng)戶角度開展調(diào)查與分析,一方面通過文本分析與FoPIA中專家認知的結(jié)果做比較,另一方面,通過定量提取土地利用行為的驅(qū)動指標以及意愿驅(qū)動因素,為土地多功能模擬模型的參數(shù)輸入做準備。每份問卷需要大約50分鐘。農(nóng)戶的選擇遵循隨機的原則,每個村落樣本量的確定參考村落土地管理者的建議,并要求樣本數(shù)量不低于本村常住戶數(shù)的10%,以確保其可信度和代表性。調(diào)研5個村落最終收集到有效問卷202份。

2.1.3關(guān)鍵人物及機構(gòu)訪談?wù){(diào)研

研究組在固原典型村落開展關(guān)鍵人物訪談以獲取典型村落的環(huán)境條件、農(nóng)戶生活狀況和種植意愿等基本狀況與趨勢,每個村落調(diào)研搜集3份關(guān)鍵人物訪談資料。主要針對村落中代表性利益相關(guān)者群體——村干部與村落帶頭人展開。選擇關(guān)鍵人物時考慮:(1)每個典型村落的關(guān)鍵人物必須至少包含一位村落管理者(即村干部)和一位村落帶頭人;(2)村落管理者需要至少有5年以上的工作經(jīng)驗,并且對村落土地利用具有宏觀且直接的管理工作經(jīng)驗;(3)村落帶頭人需要至少在村中有10年以上的生活經(jīng)驗,直接從事家庭的土地種植與管理工作,不應(yīng)當是經(jīng)常外出打工的年輕人或者是主要從事家庭內(nèi)部工作的人員等。

訪談內(nèi)容主要包括兩大部分,第一部分是半結(jié)構(gòu)式訪談問卷,包括:過去20年間村落土地利用變化狀況及主要原因;目前的土地撂荒狀況、趨勢及原因;村民對土地流轉(zhuǎn)政策實施的理解和意愿等。第二部分是針對調(diào)研村落土地多功能的重要性排序,從而與FoPIA中的結(jié)果進行對比,了解不同利益相關(guān)者群體間認知的差異。

2.2 土地多功能指標

本研究中根據(jù)FoPIA準備階段的專家討論結(jié)果、文獻綜述對土地多功能的分類與界定以及固原的社會經(jīng)濟與土地利用背景,結(jié)合土地多功能和指標確定的原則[32],從平衡區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟、社會和生態(tài)3個維度出發(fā)構(gòu)建黃土丘陵溝壑區(qū)土地多功能的評估框架,綜合反映土地利用變化對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的影響。通過FoPIA界定得到的固原土地多功能與指標如表2 所示。土地多功能的表征指標為專家開展評估的基礎(chǔ),情景對區(qū)域的影響落實到具體的指標上,使專家對區(qū)域土地多功能的感知更為具體,評估更為準確。

表2 固原土地多功能與表征指標Table 2 LUFs and corresponding indicators in Guyuan

2.3 多主體模型構(gòu)建

本研究選取Repast J包搭載Eclipse平臺使用JAVA編程語言開展建模。在本研究中采用的模型在耕地利用模型[33]基礎(chǔ)上,搭建固原耕地利用變化模擬過程,擴充土地多功能變化子模型,實現(xiàn)了黃土丘陵溝壑區(qū)土地多功能模擬多智能體模型。模型具體布局過程中,構(gòu)建了Model、Space和Agent 3個主要的模塊。Model模塊實現(xiàn)了模型的構(gòu)建(buildModel),模型運行的控制(buildSchedule)以及模型結(jié)果的展示(buildDisplay)。具體實現(xiàn)了外部數(shù)據(jù)的讀入、地塊數(shù)據(jù)的重新存儲與歸類、主體的狀態(tài)的轉(zhuǎn)變與土地利用決策判斷的接口、模擬結(jié)果輸出中地塊利用的空間展示以及統(tǒng)計圖表展示等。Agent模塊實現(xiàn)了主體的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)變與活動,包括主體的出生、死亡、移動、職業(yè)、年齡和教育程度等,并賦予其土地租入租出或撂荒的意愿偏好等。Space模塊讀取柵格地圖形式的Agent的活動空間,并以GRID和矩陣的形式存儲。土地利用類型、DEM、坡度、道路、NPP等環(huán)境與空間信息導入該模塊,并標記每個點的坐標,使得主體與地塊以及地塊的空間屬性均實現(xiàn)對應(yīng),為模擬主體活動與決策做準備。

本研究將從農(nóng)戶的角度自下而上的模擬土地利用決策,模型設(shè)計的概念框架如圖3所示。模型有個體、農(nóng)戶、農(nóng)戶組和政府四類主體,包括5個子模型,分別為:個人狀態(tài)轉(zhuǎn)換子模型,農(nóng)戶分類子模型,空間環(huán)境配置子模型,農(nóng)戶耕地利用決策子模型和土地功能變化子模型。

圖3 土地多功能性變化模型模擬概念框架圖Fig.3 Conception framework of LUFs′ change simulation

模型中,隨著時間的推移,個體年齡發(fā)生增長,在個體狀態(tài)轉(zhuǎn)換子模型中完成職業(yè)的轉(zhuǎn)換與選擇;隨著個體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,農(nóng)戶主體的屬性發(fā)生變化,即家庭構(gòu)成根據(jù)個體狀態(tài)的轉(zhuǎn)換而改變,家庭中務(wù)農(nóng)人員所占比例進而決定農(nóng)戶所屬的農(nóng)戶組類型,該過程在農(nóng)戶分類子模型中實現(xiàn)。農(nóng)戶組的類型包括非農(nóng)業(yè)兼業(yè)戶、農(nóng)業(yè)兼業(yè)戶、農(nóng)業(yè)戶和非農(nóng)業(yè)戶四大類,不同的農(nóng)戶組類型會有不同的土地耕作能力,面對政府主體制定的不同土地利用與管理決策,會因家庭結(jié)構(gòu)條件做出不同的土地利用決策,在農(nóng)戶耕地利用決策子模型中實現(xiàn)。在某一時間步,當所有農(nóng)戶完成土地利用行為的決策(自種、租出、租入和撂荒)后,耕地在空間上同時呈現(xiàn)出自種、流轉(zhuǎn)和撂荒三種表現(xiàn)形式。不同的土地利用類型,對每一個土地功能的貢獻度均不同,而同一土地利用類型針對同一功能在不同的區(qū)域貢獻度也不相同。本研究中,不同地類的空間功能貢獻度矩陣表由FoPIA中參與的當?shù)卣糠止ぷ髡吲c專家根據(jù)固原土地利用以及社會經(jīng)濟發(fā)展特點而制定,在土地功能變化子模型中實現(xiàn)土地功能的空間變化模擬。個體狀態(tài)轉(zhuǎn)換機制,農(nóng)戶決策機制以及政府主體的決策制定均為從典型村落問卷與關(guān)鍵人物訪談搜集到的資料與信息中提取。模型中的隨機性機制在實現(xiàn)的過程應(yīng)用蒙特卡洛方法實現(xiàn)。其中各環(huán)境影響因子的計算方式分別如下:

(1)土地質(zhì)量因子(NPP)

土地的NPP值越高,土地生產(chǎn)能力越高。模型運行初始年份為2015年,取2015年的NPP值代表土地質(zhì)量,NPP范圍為0—680 g C m-2a-1。采用標準差分類方式對區(qū)域內(nèi)NPP 值范圍進行劃分,研究假設(shè)選取區(qū)域內(nèi)1倍標準差的上下限作為土地質(zhì)量因子影響邊界值,分別約為150 g C m-2a-1和230 g C m-2a-1。即,正常情況下,農(nóng)戶會優(yōu)先租入高于區(qū)域土地平均水平0.5倍標準差質(zhì)量的耕地;而當政策促進土地流轉(zhuǎn)的發(fā)生,則對于低于區(qū)域土地質(zhì)量平均水平0.5倍的耕地同樣有機會被流轉(zhuǎn)。此外,使用區(qū)域NPP最大值對NPP值進行歸一化(6),得到區(qū)域土地質(zhì)量因子。

(6)

式中,NPPmax為區(qū)域最大NPP值,這里取681 g C m-2a-1。Inpp為土地質(zhì)量因子。

(2)坡度因子

基于固原90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)計算得到固原土地坡度范圍為0— 54.47°。坡度越高,坡地越陡峭,耕地越難以被耕種。根據(jù)調(diào)研,當坡度小于5°時,沒有農(nóng)戶會選擇放棄耕種;當坡度大于5°且小于15°時,最多有5%的農(nóng)戶會選擇放棄耕種;當坡度大約15°且小于25°時,最多有18%的農(nóng)戶會選擇放棄耕種;當坡度大于25°時,最多有45%的農(nóng)戶會選擇放棄耕種。因此,本研究中將坡度因子做如下提取:

(7)

式中,Islope為坡度因子,Slope為坡度值。Islope越高,地塊越不容易被放棄耕種。

(3)地形起伏度

以固原90 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用窗口分析法計算區(qū)域地形起伏度因子Irelief。具體過程為,將ArcGIS加載Spatial Analysis模塊,在Spatial Analysis下使用柵格鄰域計算工具 Block Statistics計算鄰域最大值(maximum),鄰域的類型為矩形,鄰域的大小為3×3,得到最大值層面A;按照最小值(minimum)進行鄰域計算,即可得到DEM數(shù)據(jù)的最小值層面B;將層面A與B求差得到區(qū)域的地形起伏度范圍為0—220。根據(jù)區(qū)域農(nóng)戶調(diào)研結(jié)果,對于地形起伏度因素,最少的情況下有47%的農(nóng)戶不會撂荒;最多情況下有98%的農(nóng)戶不會受到影響;一般情況下,按照固原市的平均地形起伏度因素,會有74%的農(nóng)戶可以承受。因此,結(jié)合地形起伏度與水土流失特征分析[34]的劃分標準,我們將固原地形起伏度劃分為3個等級,本研究將地形起伏度因子進行如下提取:

(8)

式中,Relief為窗口分析法得到的區(qū)域地形起伏度。Irelief越高,地塊價值越不容易被放棄耕種。

(4)道路因子

本研究中按照獲取的固原省道、國道、鐵路和高速公路的道路信息,以1 km、3 km、5 km和10 km分別為緩沖距離形成緩沖區(qū)。距離道路越近,耕地條件越好(易于抵達,方便農(nóng)戶開展機器耕種等)。由于研究中沒有詳細的耕地地塊道路信息,因此按照距離道路的遠近提取道路產(chǎn)生的隱形因子Iroad,其計算公式如下:

(9)

式中,Roaddis為提取的到主干道路的距離,單位為 km。Iroad越高,地塊價值越高。

3 結(jié)果分析

3.1 土地多功能及不同情景的影響

從情景的綜合影響來看,生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景(29.57)>農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景(26.98)>慣性發(fā)展情景(16.19)>發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景(5.71)。綜合影響最高的為生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景(29.57),這一情景對土地的社會、經(jīng)濟和生態(tài)3個維度的功能均實現(xiàn)了相對均衡的有益影響(圖4),退耕還林的繼續(xù)推進和林下經(jīng)濟的發(fā)展,既保證了生態(tài)環(huán)境的恢復和穩(wěn)定,也增加了農(nóng)民在土地上的工作機會和經(jīng)濟產(chǎn)出,綜合提高土地的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益。

圖4 不同情景對固原土地多功能的影響Fig.4 Scenarios′ impact on LUFs in Guyuan

在經(jīng)濟維度,農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景可以顯著提升土地產(chǎn)出功能,情景中耕地的流轉(zhuǎn)與土地集約化利用,一方面提高土地質(zhì)量,另一方面提升了產(chǎn)品的經(jīng)銷方式,避免因為農(nóng)戶個人對市場判斷的失誤而帶來的損失。例如,在楊郎村,根據(jù)關(guān)鍵人物訪談獲得的信息,土地流轉(zhuǎn)已經(jīng)在該村開展了較好的試點實施,土地流轉(zhuǎn)使得村內(nèi)的水澆地比例從50.0%提升到流轉(zhuǎn)后的86.1%,撂荒地比例從流轉(zhuǎn)前的13.9%下降到流轉(zhuǎn)后的4.0‰,并且使得改良后的土地產(chǎn)量相比之前的旱地提升了至少一倍。

在社會維度,慣性發(fā)展情景和發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景均對社會維度的功能產(chǎn)生消極負面的影響。其中最重要的原因即為農(nóng)戶對土地依賴性的日益下降。而造成這一現(xiàn)象的重要影響因素為農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)收入的提升。據(jù)統(tǒng)計資料,固原市2003年農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)年收入為0.64 × 109元,到2015年已經(jīng)增長到4.62×109元,增長率達到51.8%[35],是參加勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)農(nóng)戶可支配收入的主要來源。因此尤其是對于主要農(nóng)用地在陡坡、干旱且道路條件差區(qū)域的農(nóng)戶,艱難的耕作條件和微薄的土地產(chǎn)出使得農(nóng)戶越來越趨向于選擇外出務(wù)工,而放棄自己的耕地種植。此外,農(nóng)村教育條件的缺失也是勞動力流失的重要影響因素。根據(jù)在村中關(guān)鍵人物訪談,固原市所有的中學(67座)均位于城鎮(zhèn)[36],為了使適齡兒童接受到更好的教育,越來越多的父母選擇在城鎮(zhèn)中兼職務(wù)工陪同子女上學。在農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景中,流轉(zhuǎn)后的土地采用機器進行規(guī)模化耕作,農(nóng)戶可以選擇繼續(xù)留在自己的土地上從事耕種管理工作,可以獲得租金和耕作兩份收入。因此,土地流轉(zhuǎn)在一定程度上保留了土地提供就業(yè)的功能,同時提高了保障生活質(zhì)量和食物安全功能。而土地的流轉(zhuǎn)對土地提供就業(yè)功能的影響具有不確定性。一方面是機械化種植對勞動力需求的減少[37],另一方面農(nóng)戶同樣對于耕地的依賴性減弱。

在生態(tài)維度,慣性發(fā)展情景和發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景的積極影響主要獲益于退耕還林等生態(tài)工程和生態(tài)系統(tǒng)自然恢復帶來的生態(tài)環(huán)境效益。根據(jù)統(tǒng)計資料,自2000年以來,退耕還林使得固原的森林覆蓋率從35%提升到了73%,草地面積增加了3.11 × 105hm2,將草地覆蓋率從12.8%提升到22.2%。與此同時,發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景中的撂荒土地也一定程度上促進了生態(tài)系統(tǒng)過程的維持[38]。然而,土地流轉(zhuǎn)對區(qū)域土地生態(tài)維度功能帶來的影響具有不確定性。一方面是因為土地流轉(zhuǎn)往往意味著大片土地的集約化規(guī)模化種植和同質(zhì)化而使得生態(tài)系統(tǒng)過程的維持具有不確定性,另一方面也影響了重新利用的撂荒土地的生態(tài)功能[39]。

3.2 不同情景下土地多功能空間變化

3.2.1慣性發(fā)展情景土地多功能空間變化

從土地功能的空間變化來看(圖5),隨著時間的推移,全域的土地多功能整體出現(xiàn)功能減弱的現(xiàn)象,功能出現(xiàn)下降的區(qū)域范圍內(nèi)占40.17%。相對功能增加的區(qū)域主要分布在中軸線兩側(cè)林地較為集中的區(qū)域,全區(qū)功能增加的范圍為59.83%。分維度觀察可知,慣性發(fā)展情景下,由于撂荒耕地范圍的不斷擴大,土地的經(jīng)濟和社會維度的功能出現(xiàn)明顯的下降,分別有40.17%和90.57%的區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的功能下降,而生態(tài)維度的功能呈現(xiàn)升高趨勢,有99.59%的土地均出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)功能的增加。經(jīng)濟功能較高的區(qū)域為中心區(qū)域。其次是中軸的北部區(qū)域和東南區(qū)域,主要是由于部分流轉(zhuǎn)土地帶來的土地生產(chǎn)功能提升。社會功能整體較低,是由于慣性發(fā)展情景下,耕地的撂荒現(xiàn)象依然嚴重,因此耕地提供的區(qū)域農(nóng)民的社會功能(例如提供就業(yè)功能)減低,而撂荒地有助于區(qū)域生態(tài)自然恢復帶動了生態(tài)功能的增加。

3.2.2發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景土地多功能空間變化

與土地利用現(xiàn)狀相比,土地多功能的減弱范圍與程度更為明顯(圖6)。固原全域有40.21%的土地功能出現(xiàn)了下降。

圖6 發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景土地多功能變化Fig.6 Land use functions change in spatial under development oriented scenarioa圖為土地各維度功能的空間變化,顯示該情景下功能變化情況的空間分布,圖例顯示功能變化值表征;b圖為土地各維度功能呈現(xiàn)增加與減少的面積比例,以進行數(shù)量上的直觀對比

土地分維度的空間變化中,土地功能下降幅度最大的是經(jīng)濟維度,大約有96.77%的土地均出現(xiàn)了不同程度的經(jīng)濟維度功能的下降;而功能下降范圍最廣的是社會維度的功能,下降土地占比為98.54%,而生態(tài)維度中,有99.59%的區(qū)域均出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)維度土地功能上升的現(xiàn)象。主要是由于在發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景中,勞動力轉(zhuǎn)移就業(yè)帶來的勞動力不足現(xiàn)象更為明顯和普遍,也使得土地撂荒范圍更廣。撂荒地的土地多功能降低幅度為28%。因此,撂荒地的廣泛分布盡管使得區(qū)域生態(tài)功能有所增加,但綜合經(jīng)濟和社會維度功能的下降而帶來區(qū)域整體功能的降低。功能增加的區(qū)域仍為中軸線區(qū)域,主要得益于建設(shè)用地和林地等地塊的經(jīng)濟功能。

3.2.3農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景土地多功能空間變化

農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景下,全域的土地多功能有明顯的提升(圖7),土地多功能增加的區(qū)域占比為93.45%,且土地多功能增加的區(qū)域其相應(yīng)的經(jīng)濟維度的功能和社會維度的功能也呈現(xiàn)增加趨勢。從分維度功能變化空間圖可知,功能提升最為明顯的是經(jīng)濟維度的功能,其次是社會維度。而對于生態(tài)維度,空間統(tǒng)計表明,有99.59%的區(qū)域均出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)維度功能的增加,但增加幅度很小。主要是由于在農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景中,土地的規(guī)?；N植程度提高,而流轉(zhuǎn)土地對生態(tài)維度影響具有不確定性,因此對于生態(tài)維度土地功能的影響也沒有明顯的變化。而土地流轉(zhuǎn)帶來的撂荒耕地比例的下將(由慣性發(fā)展情景的21.17%下將為13.14%),使得在經(jīng)濟維度主要表現(xiàn)在自種耕地對土地生產(chǎn)的保證和流轉(zhuǎn)土地對土地產(chǎn)量的提高,而社會維度主要表現(xiàn)在自種耕地和流轉(zhuǎn)耕地對農(nóng)戶就業(yè)和區(qū)域糧食安全的保證,并進一步提高區(qū)域農(nóng)戶的生活質(zhì)量。

圖7 農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景土地多功能變化Fig.7 Land use functions change in spatial under agricultural development oriented scenario土地各維度功能的空間變化圖,顯示該情景下功能變化情況的空間分布,圖例顯示功能變化值表征;坐標圖為土地各維度功能呈現(xiàn)增加與減少的面積比例,以進行數(shù)量上的直觀對比

3.2.4生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景土地多功能空間變化

生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景中,區(qū)域土地多功能整體呈現(xiàn)增加趨勢(圖8),有59.83%的土地多功能得到了提升。而在經(jīng)濟維度、社會維度和生態(tài)維度中,分別有90.97%、90.97%和99.59%的土地功能是表現(xiàn)為提升的。相對于慣性發(fā)展情景,由于退耕還林的繼續(xù)實施,盡管發(fā)生耕地轉(zhuǎn)換為林地或草地的區(qū)域面積范圍不明顯,但退耕地的林下經(jīng)濟發(fā)展優(yōu)勢逐漸凸顯,尤其是土地生產(chǎn)功能得到了明顯提升。林地區(qū)域的土地多功能提升幅度為13%,因此不論從綜合功能的角度還是經(jīng)濟功能的角度,都有效地提升了區(qū)域土地多功能。但退耕還林對于耕地撂荒現(xiàn)象沒有起到很好的控制作用,東西兩翼等區(qū)域由于土地質(zhì)量差仍然存在著撂荒地增加的趨勢,而使得其經(jīng)濟維度和社會維度包括土地生產(chǎn)、提供就業(yè)、區(qū)域糧食安全以及生活質(zhì)量的提高等功能均相應(yīng)的呈現(xiàn)減弱趨勢。

圖8 生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景土地多功能變化Fig.8 Land use functions change in spatial under ecological protection oriented scenario 土地各維度功能的空間變化圖,顯示該情景下功能變化情況的空間分布,圖例顯示功能變化值表征;坐標圖為土地各維度功能呈現(xiàn)增加與減少的面積比例,以進行數(shù)量上的直觀對比

3.3 土地多功能降低區(qū)域的空間分析

從土地質(zhì)量(植被凈初級生產(chǎn)力)、坡度、地形起伏度以及道路可達性等因素分別分析發(fā)生土地多功能降低區(qū)域的空間分布特點(圖9)?？傮w而言,發(fā)生土地功能下降的區(qū)域在土地質(zhì)量較好的區(qū)域明顯減少。對于慣性發(fā)展情景和發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景,主要是凈初級生產(chǎn)力小于150 gC m-2a-1的耕地發(fā)生了功能的下降。而在農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景中,土地質(zhì)量的差異最為明顯,凈初級生產(chǎn)力小于150 gC m-2a-1的土地中34.63%均發(fā)生了功能的下降,這一比例分別是凈初級生產(chǎn)力在150—315 gC m-2a-1和大于315 gC m-2a-1范圍的5.14倍和4.96倍。在生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景中,凈初級生產(chǎn)力在315 gC m-2a-1以上的土地均沒有發(fā)生功能的下降。

圖9 不同土地質(zhì)量、坡度、地形起伏度及道路可達性范圍內(nèi)土地多功能降低面積比例Fig.9 Portion of the decreased land use functions in different land quality, slope, relief and road accessibility range

按照耕地所處的坡度統(tǒng)計綜合各維度發(fā)生土地多功能下降的耕地占該坡度范圍內(nèi)所有耕地的比例(圖9)可知,在四種發(fā)展情景中,耕地多功能下降比例最大的為坡度處于5—15°范圍內(nèi)的耕地,其次是15°以上的耕地區(qū)域。在慣性發(fā)展情景、發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景、農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景和生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景中5—15°范圍內(nèi)的耕地出現(xiàn)多功能下降的比例分別為97.05%、97.12%、16.73%和22.81%。一方面是因為有62.78%的耕地處于5—15°的范圍內(nèi),而大于15°的耕地在區(qū)域耕地的占比僅為3%,因此多數(shù)農(nóng)戶家庭中坡度最大的耕地為5—15°范圍內(nèi)的耕地,優(yōu)先發(fā)生的撂荒使得這一范圍內(nèi)的耕地的土地多功能發(fā)生下降。而對于慣性發(fā)展情景和發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景,不論處于何種坡度范圍內(nèi)的耕地,均有至少95.27%的耕地發(fā)生了不同程度的功能下降,主要是由于這兩種情景中撂荒地的大量增加與廣泛分布。

從地形起伏度角度來看,發(fā)生土地多功能下降的區(qū)域范圍均呈現(xiàn)按照地形起伏度為0—30、30—75、75m以上的范圍依次變多。在慣性發(fā)展情景、發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景、農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景以及生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景中,地形起伏度在75m以上而發(fā)生多功能下降的土地占比分別為96.93%、97.12%、16.75%和22.85%。發(fā)展優(yōu)先兼顧生態(tài)情景由于撂荒范圍最大而功能發(fā)生下降的范圍最廣,而農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景由于土地流轉(zhuǎn)在地力條件較好區(qū)域的有效推廣而使得在地形起伏度為30°以下的區(qū)域發(fā)生功能下降的比例最小,約為10.40%。在4個情景中,土地功能發(fā)生下降的土地比例在距離道路1 km、3 km、5 km和10 km范圍內(nèi)逐漸增多。

4 結(jié)論

本研究著眼于黃土丘陵溝壑區(qū)不同的典型地貌類型土地多功能的差異,采用多層次利益相關(guān)者參與式的評估框架,通過構(gòu)建土地多功能空間變化模擬機理,研究實現(xiàn)了空間地塊以及耕地內(nèi)部不同利用狀態(tài)下土地多功能的變化模擬與分析。主要結(jié)果表明:

從情景的綜合影響來看,生態(tài)優(yōu)先兼顧發(fā)展情景綜合影響最高,對土地的社會、經(jīng)濟和生態(tài)3個維度的功能均實現(xiàn)了相對均衡的有益影響。而農(nóng)業(yè)優(yōu)先兼顧生態(tài)情景對區(qū)域土地的經(jīng)濟維度的功能和社會維度具有更為明顯的提升效應(yīng),規(guī)?；耐恋毓芾碛兄谔嵘恋刭|(zhì)量,增加耕地對農(nóng)戶的吸引力,但對區(qū)域土地生態(tài)功能的影響具有不確定性。

根據(jù)土地多功能空間變化模擬結(jié)果,研究區(qū)土地利用破碎化現(xiàn)象明顯;耕地撂荒表現(xiàn)出影響全域土地功能的下降,而土地流轉(zhuǎn)與規(guī)模種植鼓勵措施的實施,也使得土地多功能在全域得到了較好的提升。退耕還林政策的影響的空間范圍變化不大,但有效促進了區(qū)域土地多功能尤其是經(jīng)濟維度功能的提升。

發(fā)生土地功能下降的區(qū)域隨著土地質(zhì)量的提升而明顯減少;耕地下降比例最大的為坡度處于5—15°范圍內(nèi)的耕地;地形起伏度越大,功能下降越明顯;距離道路越遠,土地多功能的下降亦越明顯。

黃土丘陵溝壑區(qū)不同的地貌類型下有著不同的自然環(huán)境和人文背景。本研究綜合探索了不同區(qū)域環(huán)境特征和不同利益相關(guān)者群體中,土地利用與生態(tài)保護工程的影響現(xiàn)狀、存在的問題及未來可能的發(fā)展情景,可以為開展更加具有針對性的區(qū)域可持續(xù)土地管理利用政策提供有效支撐。