农田景观格局演变规律分析

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农田景观格局演变规律分析

山东茂隆新材料科技有限公司 2021-02-24 2162


农田景观格局是人类及其环境空间分布差异的表现,是由人为干扰形成的,规模、形状、结构和质地各异,排列不同的农田景观要素共同作用的表现,是各种复杂的自然和社会条件相互作用的结果。同时,农田景观格局也制约和影响着各种生态过程。农田斑块的大小、形状和廊道的构成将影响到农田内农作物和其他物种的丰度、分布、生产力及抗干扰能力。农田景观格局是包括干扰在内的一切生态过程作用于农田景观的结果。在不同时间和空间尺度上,不同农田生态学过程的作用结果也不同。因此,理解与把握农田景观格局演变的生态学规律和研究农田景规格局与生态过程之间相互关系对重建农田景观格局、预测农田景观发展趋势和农田景观管理有重要意义。

  1 农田景观演变过程

  农业是人类社会最基本的物质生产部门,种植业生产的场地是农田,人类通过社会劳动,对原有自然生态系统演变过程及其所处的环境条件进行干预,从而获得适合农作物生长的耕地。作为农作物生产的农田还要有人类生产劳动对其景观过程的干预,这种干预必须符合农作物生长发育的自然规律,又符合社会经济发展的客观规律。这种干预的有效性,一方面取决于人类对自然界景观演变规律的认识程度和干预手段的先进程度;另一方面又必然受社会经济条件的制约,这样就构成了农田景观过程的二重性。受农田景观过程二重性影响,农田生产规模随社会经济的发展而不断扩大,人类对农田景观过程的干预能力,是随科学技术的进步而不断提高。农田景观格局演变集中体现了农田景观过程二重性的特点,在农田建设的初级阶段,农田景观格局明显表现出对自然环境的适应性特征,随着人们生产技术的进步,农田景观格局更多的体现在人与自然的和谐。在这样的过程下,农田景观格局大致经历了短期或定期零星农田、长期集中连片农田和配套集约化农田的发展历程。

  1.1 短期或定期零星农田景观格局的形成与发展

  Forman在系统总结景观与区域生态学的一般原理中指出,景观的动态变化可以作为解释地球表面动态变化的一种途径,可以从景观的穿孔、分割、破碎化、收缩、消失等方面描述景观的动态变化类型。农田景观的形成过程中原始本底的消失正是与Forman的描述相同。反之农田景观的形成过程则表现为楔入、扩大、连片、本底化等动态变化类型。

  农田是农作物生长的立足之本,不同的种植方式必然造成不一样的农田景观,于是农田景观格局与作物种植制度自然地连在一起。《尔雅·释地》有“田,一岁曰灾,二岁曰新田,三岁曰畲”,揭示了新垦农田景观演变和熟化的过程,即“灾”是生满杂草的“不耕地”;“新”是已经撂荒二年,正在复壮的土地;“畲”是经过撂荒、复壮,准备耕垦的土地。西汉中期为了便于地力的恢复,代田制一改原来的漫撤制,在农田中起垄作圳。庄稼种在垄下的沟即圳中,第二年垄圳互易,地力得到局部的休整[1],形成新的种植方式和农田景观。在实际垦荒过程中规律是相同的,经过除草及杂物—翻土压草—晒土—新田—部分种植—熟田—全部种植过程,将其他自然斑块改造成为人工景观的农田,出现撂荒也是人口稀少的关系。

  1855年以前的黄河在北到海河、南抵淮河之间的广大华北平原上迁徙、漫流,而华北大平原又是由黄河、海河和淮河合力冲积而成的。大量资料表明,第四纪以来,华北平原的沉积速度愈来愈快。根据张天曾的资料推算[2],华北平原的沉积速率在更新世时为0.15mm/a,全新世时3.03mm/a,近代大致为3.70mm/a,经过长期的沉积,经历滩涂—湿地—苇地—草甸沼泽,形成早期的华北沿海平原。随着人口的迁移、定居和围垦,则出现了较早的短期或定期零星农田景观,没有配套的田间设施,完全靠天吃饭,农作物产量非常低,而且不稳定。

  1.2 长期集中连片农田景观格局的形成与发展

  随着人口的不断增多,人类生产技术的进步,对自然景观农田化的改造进一步扩大,零散的农田不利于抵御动植物的侵袭和自然灾害的破坏,也不利于农田设施配套和管理,需要对农田进行集中连片,由星点式或斑块式开发转为大规模连片开发,构造更大尺度的农田斑块或本底。

  从我国农业发展史看,开荒垦殖,扩大耕地面积一直是社会发展的重要构成,特别是1949年以后更进一步促进农田的集中连片。1955年开展蓬勃迅速的合作化运动,并出台了《1956—1967年全国农业发展纲要(草案)》,把“开垦荒地,扩大耕地面积“作为重要目标之一[3]。开垦荒地主要是通过移民和组织农业生产合作社、建立新的国营农场和扩大现有农业社的耕地面积来实现,消除农田的插入、过远、楔入、插花等现象,尽量做到农田集中连片和外形整齐,这对于促进农田集中化和规模化具有重要的作用。

  在开展农业合作社前,农民的私有农田一般面积较小,并且常由一些分布零散的若干小田块和窄条地组成,为了适应生产的要求,必须将农田合并起来。因此,在全国大部分地区开展了“方田”、“条田”规划和工程实施,对农田进行集中化和规则化,改良土壤,配套建设田间道路、防护林、沟渠等,为集约化农田景观格局的形成奠定了初步基础。

  1.3 配套集约化农田景观格局的形成与发展

  21世纪上半叶,是我国现代化建设的关键时期,也是人口增长的高峰期,为保障社会的可持续发展,在全国开展了农田整理以及中低产田改造工作。农田整理是指归并畸零不整的农田、沟渠和田间道路。根据土地资源详查,全国田坎面积0.12×109hm2,沟渠0.05×109hm2,分别超过集约化水平中等国家的1-2倍。据典型调查,通过对地块、沟渠的平整、归并,可增加耕地面积5%-10%左右。各地实践表明,农田整理不仅能增加有效耕地面积,改善农业生产条件,还能提高耕地质量,降低生产成本[4]。整理后的农田全部成为地块平整、沟渠配套的配套集约化农田景观。在经济发达的地区,灌渠已由土质结构改为PVC管材或防渗渠、地下暗管、喷灌、微灌等节水设施,农田景观更加集约化,农田设施高标准配套,农田景观的生产功能得到有效保障。

  1.4 未来“天地人和”的绿色休闲农田景观格局发展趋势

  农业中的人与大自然的关系具体表现为人、天、地、稼的关系,天人关系为中心的可持续农业,使中华文明古国长达数千年而不衰。未来随着科学技术的发展,农田生产力将有更高的上升空间,而且农田的替代基质也会不断增多,扩大新的食品来源,农田的历史任务有所改变,保护环境和提供休闲服务的功能将相对提高。因此,未来农田景观的格局将随之变化,农田斑块的基质得到进一步改良,并以增施有机肥料和农作物品种改良作为增产的主要保障,以多样化的种植方式和廊道结构生物防治病虫害,秀丽的农田风光给人陶醉,达成人与自然、人与田园的“天地合一”。当前出现的观光农业的景观,可谓是未来农田景观之早期雏形的体现。

  2 现代农田景观演变的过程

  我国农业发展历史悠久,经历了原始农业、传统农业、石油农业。目前,我国农业吸取“石油农业”的教训,正向知识高度密集型现代农业发展,相继出现了“有机农业”、“生态农业”、“持续农业”和“精准农业”等替代型现代农业。同时,与之发展相配套的农田景观也悄然向现代农田景观方向演变。

  2.1 现代农田景观格局的形成与发展

  现代农业虽是初见端倪,但已展示其鲜明特征和绚丽前景。现代农业是以生物技术和信息技术为先导的,现代技术高度密集的科技型产业;是面向全球经济和农工贸一体化经营的现代企业;是正在拓展中的多元化和综合性的新型产业;是资源节约和可持续发展的绿色产业;是以生物为中心的一种优化的生物—技术—经济—社会复合人工生态系统[5]。农田是农业耕作的场所,现代农业生产的重要特点是“精准”生产,精准农业是现代农业的发展方向[6]。

  “精准农业”按照田间每一个操作田块的具体条件,精细准确地调整各项土壤和作物管理措施,最大限度地优化使用各种农业投入,以获取最高产量和最大经济效益,保护农业生态环境,保护土地等农业自然资源的效果,农业可持续地发展下去[7]。精准农业表现出良种选育精准化、模式栽培精准化、平衡施肥精准化、农业灌溉精准化、病虫害防治精准化和作物收获精准化等特点。

  农田景观则属于经营景观中的人工经营景观,景观构图的几何化与物种的单纯化是其显著特征。随着传统农业向现代农业的演进,原有分散和形状不规则的耕作斑块向着线形和规则多边形的方向演变,斑块的大小、密度和均匀性都会发生变化[8],特别是精准农业的发展,要求农田进一步集约化、田面平整化、田块规则化和设施配套化与智能化。

  2.2 现代农田景观格局

  现代农业发展方向的精准农业要求农业集约化,可能导致原动植物生境破碎化、田块扩大、植被类型减少和农田景观中动植物多样性亟剧变化,而这些变化又可能通过削弱生态系统天敌与害虫间自调节功能,降低农业可持续性[9]。在现代农业景观中,农田景观格局仍然是控制农作物和其他物种时空分布和生态学过程重要的因素,其景观格局变化受自然环境、农作系统、农业耕作活动、社会经济等因素的综合影响,而景观格局的变化又能反映社会的发展和科学技术的进步。现代农业景观格局主要表现出以下特征:

  (1)农田斑块内部均质性增强,生物多样性显著降低,田面平坦,形状规则

  精准农业的实施重要条件是作业对象的标准化,在作物品种选择、品种布局、栽培方式、栽植密度等环节上,要求同一作业农田斑块的农作物的一致性和田面平整,清除田块内残留的其他斑块和障碍物,田块规则化,利于机具的生产作业。这些要求已经在机械化作业实施中得到体现和证明,机械化使农业景观趋于一致或相似[10]。在育种环节上,要求农作物品质适合精准农业的管理要求,进行工厂化精准育种,标准化播种、田间管理、收获和加工等,使农作物田间生长形态均质和分布密度一致。另外,在田间管理环节上,为实现平衡施肥精准化、灌溉精准化、病虫害防治精准化和作物收获精准化等作业的高精度要求,需要对现有农田基质条件不断改造,使农田斑块基质达到均质。

  (2)农田廊道结构简单化,各种生态流稳定、畅通

  随着现代农业的发展,农田中小的或零星的斑块(如林地、防护林、沟渠、草地等)大量地从现代农业景观中消失。伴随着农业机械化的增加,田块边缘带急剧减少,如防护林和沟渠密度在减少(如图1)[11]。农业生产方式的变化必然促进农田景观格局的演变,其中变化最大的算是廊道结构。按照精准农业生产要求,仅灌溉精准化一方面就需要积极发展节水灌溉,对原有灌溉系统提出挑战,固定的明渠将消失,被地下暗管、喷灌、滴灌、微灌等节水设施取代。从适合精准农业作业角度出发,部分为小农具和人畜服务的田间道路会被整理为农田,部分田间道路将拓宽改造适宜大型农机具作业,由较宽廊道围成的农田斑块规模扩大,各种生态流更加稳定和畅通。

  农田景观格局演变规律分析

  3 农田景观演变影响驱动力分析

  农田景观演变的驱动力是指导致农田景观格局发生变化的各种因素,驱动力对农田景观演变的作用方式多种多样,既有正向的促进作用,也有逆向的阻碍作用。同时驱动力对农田景观演变的作用在不同时间段可能呈现出不同的作用,可能在一个时期起促进作用,而进入另一时期起阻碍作用。正是驱动力作用方式变化的多样性形成复杂的农田景观演变形式。

  农田景观格局的变化是由农田景观要素间的相互转化和干扰引起的。在景观生态学中,将引起景观类型相互转化的动力称之为干扰,按作用方式将干扰分为自然扰动与人工扰动。干扰是自然界中无时无处不存在的一种现象,直接影响着生态系统的演变过程。农田景观同时受到二者双重作用,两种扰动作用大小的差异,体现在不同景观要素的转移方向与大小上,大尺度的农田景观格局受制于自然扰动,小尺度的农田景观格局为人工所为。

  3.1 人类活动对农田景观格局演变的影响

  农田景观的结构主要取决于土地利用方式(旱地、水田和菜地)与种植方式(间作、混作和套种)的不同和管理的精细程度,常常表现为田块的大小或种植单元的大小。自人类文明进入农业文明以后,人口因素对自然景观的影响越来越大,对自然景观的破坏作用加大,相伴产生的是大面积农田景观及其他人工景观、干扰景观和残留景观等,如19世纪以来我国东北地区的土地开垦,先坡地后沟地,先阳坡后阴坡,将大面积的漫岗和缓坡自然景观、沼泽和湿地景观垦殖为农田,自然景观被分割、残留和灭失。反之,在城市化进程中,农田景观也面临着分割、残留和灭失威胁,大量的农田被改变为建设用地[12,13]。

  随着现代农业的推进,规划对农田景观格局的作用日益突出,以适应生产的发展需要。景观生态规划强调景观空间格局对过程的控制和影响,并试图通过格局的改变来维护景观功能流的健康和安全,尤其强调景观格局与水平运动和流的关系(Forman 1995)[14]。农田景观规划是对农田景观结构和格局的统筹安排,确定农田廊道、斑块的位置、形状、规模和范围,提高农田生态系统的各项功能。合理轮作对农田景观格局的演变也有重要影响,主要表现在对农田生态流和基质的影响,如防治病、虫、草害,均衡地利用土壤养分,改善土壤理化性状,调节土壤肥力等。《齐民要术》中总结前人经验说:“谷田必须岁易”,如果不实行轮作易地,就会“莠多而收薄”。“麻欲得良田,不用故墟”。“稻无所缘,唯岁易为良”。无论是谷田、麻田,还是稻田,轮作易地,都会获得减少杂草、提高产量的结果。总之,在农田景观形成与发展过程中科学技术、政策和人类文化对其有着深刻影响。

  3.2 自然环境变化对农田景观格局的影响

  自然环境的变迁在一定程度范围内形成特定的地貌、气候、土壤和植被等条件,使全球自然景观呈现出水平地带性和垂直地带性分布规律,作为干扰后形成的农田景观格局与其原始自然景观一样呈现出水平和垂直地带性,如我国东部地区分为北方旱作区和南方水田区。自然环境变化在影响农田景观格局的同时也制约着农田景观规模的扩大,如部分农田受风沙等灾害影响而消失,变为沙地、戈壁,甚至石漠化[15]。

  3.3 采矿对农田景观格局的作用

  随着经济的不断发展,人们对各种矿产资源的需求越来越大,采矿活动也随之变得频繁,规模也不断增大,采矿对农田景现格局的改变也必然会加剧。采矿活动对农田景观影响及其机制是非常复杂的,不仅取决于被开采矿物的种类、采矿方法、采掘机械的选用,还取决于矿山周围的自然地理特征、社会文化环境等。采矿活动对农田最直观的影响莫过于使矿区周围的地形发生变化。地下开采和露天开采对地形影响的程度和表现形式是不同的。

  矿区开采对景观形成扰动,改变景观格局,一般随着开采活动的进展,原有农田景观数量呈下降趋势,开采活动停止后稳定,同时沉陷景观由小到大,受复垦活动影响又由大变小,林地、水面等其他景观不同程度增加,景观多样性提高,斑块破碎度增加[16]。

  开采引起的地表移动和变形,随着开采深度、开采厚度、采煤方法等因素的不同,农田景观的空间形态变化也不完全相同。对于华东高潜水位平原地区来说,由于采深与采厚比值较大,农田景观的空间形态变化一般是连续的、渐变的,具有明显的规律性[17]。当采煤工作面推进到一定距离时,开采影响波及到地表,引起地表下沉。然后,随着工作面的继续推进,农田影响范围继续扩大,下沉量在一定范围内继续增大,从而形成一个比采空区范围大得多的沉陷盆地景观,积水、坡地、裂缝等景观格局是演变的主要结果,必须进行复垦,恢复为农业景观,其中部分为农田景观。

  4 农田景观格局演变调控与管理

  农田景观空间格局包括空间异质性、空间相关性和空间规律性等内容,空间格局决定着农田的分布形成和组分,制约着各种农田生态过程,与干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性有着密切的关系。景观结构是农业发展内在的驱动要素,未来的农田景观变化更加重视其多样性[18]。斑块大小、斑块形状、斑块密度、斑块的分布构型和廊道形态等是影响农田景观格局的重要因素,必须对其控制和管理,保障农田各项功能的发挥。

  4.1 农田景观格局演变调控

  土地利用是人类影响环境的主要方式之一,历史上人类最大的土地利用变化是将森林景观干扰为农业景观和居住景观。19世纪至20世纪,伴随着科学技术的发展和人口增长,人类按照自己的要求塑造环境,满足人类需求的增加[16]。随着可持续发展观念的深入,全球各地从土地的适宜性和生态安全角度,不断对农田景观格局进行调控,主要表现在以下两大方面:

  一方面,以提高生态安全为目的,对生态环境脆弱地区退耕还林(草),建立合理的农业生态系统结构。生态脆弱地区由于人口压力和不适当的农业开发,农林牧用地比例不合理,使粮食产量较低、森林覆盖率低、水土流失和土地荒漠化加剧,生态环境退化。合理的农业景观格局是一种充分注重保护生态安全的系统,是适应生态要求和经济发展要求实现生态—经济—社会效益最大的农业生产系统。农田建设要根据土壤、地形适宜程度,坚持便于耕作、灌溉和管理的原则,因地制宜实施,以维护生态规律和生态环境保护为中心,陡坡地退耕,增加林草植被覆盖度,减轻水土流失,控制土地荒漠化趋势,改善生态环境,构造生态安全的农

土工布广泛用于水利、电力、矿井、公路和铁路等土工工程:l、土层分离的过滤材料;2、水库、矿山选矿的排水材料,高层建筑地基的排水材料;3、江河堤坝、护坡的防冲刷材料;4、铁路、公路、机场跑道路基的补强材料,沼泽地带修路的加固材料;5、防霜、防冻的保温材料;6、沥青路面的防裂材料。

业景观格局。

  另一方面,加强农田基本建设,开展农田区的土地整理,控制建设占用农田,加强农田生产安全监督等。高效农业生产是现代农业的特征,田块规模明显比过去十年增加,田间道路、灌排沟渠和防护林等廊道的密度下降,但系统配套程度更加完善[19]。我国土地整理可追溯到殷周时期的井田制,从那时起就从未间断过。解放后虽进行了几次大规模的农田基本建设和近年来的小流域治理、农业综合开发等方面的土地整理。但农村地区仍存在大量零星闲散废弃土地,田埂沟渠占地量大,村落零散;矿山损毁、塌陷和占压土地长期得不到治理。特别是随着人口的不断增加、耕地不断减少,人地矛盾日益加剧。近年来,我国通过土地整理,对田、水、路、林、村进行综合整治,提高了耕地质量,增加了有效耕地面积,改善了生产条件,提高了农业综合生产能力[20]。同时,降低了农田景观破碎度,有利于控制非点源污染的形成,提高了农田生产的稳定性和安全程度,降低农业生产成本,增加了农民收入。

  4.2 农田景观格局管理

  1987年—2000年间,吉林省大安市由于大量抽取地下水,致使地下水位下降和耕地大面积碱化(地下水矿化度高,水质差),影响到农田景观的生态质量和农田景观格局的合理演变;农田防护林数量减少,防护功能急剧下降,严重影响了区域的生态安全[21]。所以,安全高效的农田需要不断地维护和发展,加强其景观格局的管理是持续发展的需要。

  (1)加强农田污染防治与监督力度

  随着社会和经济的不断发展,农田生产所面临的环境问题越来越突出,特别是在一些工矿区附近,农田环境已经恶化到不能维持的地步,如灌溉水质超标和工矿业废物的排放,已经对区域农田基质产生危害,严重者危及当地人民的身心健康,必须进一步加大对农田污染的监测与防治力度,从根本上保护农田生态环境安全,促进农业生产的可持续发展。

  (2)不断更新和完善农田人工廊道系统

  农田中防护林、沟渠和田间道路形成的人工廊道系统,具有较高的生态环境安全价值,不同农田之间的防护林、溪沟可以隔离不同农田地块之间虫害传播、污染源扩散和其它干扰,而且可以促进水分、养分在农田景观中的迁移[22]。目前,我国农田防护林网与灌溉渠系普遍存在残缺和老化现象,不能及时维护和更新,已经影响农业生产的稳定和生态安全,需要加大投资力度,完善农田人工廊道系统,保障农田生产安全。

  (3)建立健全农田及其设施产权制度与流转制度

  Chen Liding对中国陕西延安地区安塞县大南沟流域的土地利用变化研究表明,该地区的土地利用变化可以根据产权制度变革分为三个阶段:1949年前,地主私人占有,农民从地主手中租地,由于土地生产力较低开垦了许多耕地;1949年新中国建立,土地使用有国家统筹安排;到1981年农村进行改革,实行家庭联产承包责任制,土地使用发生了第三次变革[23]。农田产权的设置、确定、界定、保护和行使必须建立一系列的规则,使其产权关系制度化,有利益刺激或激励产权人保护农田、合理使用农田设施和维护景观安全格局。如建立健全农田水利设施相关产权的流转制度,可以促进农田水利设施产权的优化配置,提高产权配置效率[24]。所以,建立健全农田及其设施产权制度与流转制度,能够保障农田景观格局的健康和稳定,维护区域生态安全。

  5 结论

  农田景观格局是各种复杂的自然和社会条件相互作用下农田景观要素时空组织形态,是一切生态过程作用于农田景观的结果。通过景观指数描述农田景观格局及变化,能够了解农田景观格局与景观过程之间的关系,掌握农田景观格局特征和演变规律。大尺度的农田景观格局受制于自然扰动,小尺度的农田景观格局为人工所为。长期的农田景观格局演变表明:农田景观演变,一方面取决于人类对自然界景观演变规律的认识程度和干预手段的先进程度;另一方面又必然受社会经济条件的制约,这样就构成了农田景观过程的二重性。农田斑块规模随社会经济的发展而不断扩大,人类对农田景观过程的干预能力,也随科学技术的进步而不断提高。在农田建设的初级阶段,农田景观格局明显表现出对自然环境的适应性特征,原始本底逐渐消失,随着人们生产技术的进步,农田景观格局更多的体现在人与自然的和谐。在这样的过程下,农田景观格局经历了短期或定期零星农田、长期集中连片农田和配套集约化农田等发展历程,通过中捷友谊农场农田景观格局演变分析,也揭示了这一规律。

  随着社会的发展和科学技术的进步,农业生产方式的变化促进了农田景观格局的演变,在各种驱动力的作用下形成了复杂的农田景观演变形式。合理的农田景观格局利于区域生态安全和持续发展,安全高效的农田需要不断地维护和发展,对其演变进行合理干扰,进行科学控制和管理。因此,复垦农田景观恢复的方式与标准应该以一般农田景观格局演变规律为基础,结合其自身的演变规律,参照农田景观格局发展趋势,建设现代生态复垦农田景观和持续发展的矿区生态安全格局。


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