Investigation and Evaluation of Farmland Ecosystem in Essence Irrigation District of Chengdu Plain

doi:10.11924/j.issn.1000-6850.casb2025-0001

Abstract

Abstract:

The Chengdu Plain serves as the core area for constructing the ‘Tianfu Granary’, and the protection of cultivated land is of great significance to national food security. This paper took a typical area within the essence irrigation district of Chengdu Plain as an example, employing various investigation and analysis methods to collect baseline data on the farmland ecosystem in the study area. An evaluation system was established focusing on ecological patterns, ecological health, ecological safety and ecological services, and corresponding indicators were defined. Decision weights were calculated using methods such as analytic hierarchy process (AHP), entropy weight method and expert scoring. Comprehensive evaluation and analysis of the farmland ecosystem in the essence irrigation district were then conducted. The results showed that: (1) from 2019 to 2022, the area of cultivated land in the study area showed a trend of decreasing first and then increasing, indicating that the protection of cultivated land had achieved initial success, and the background of farmland ecological environment was in good condition; (2) the fragmentation of farmland landscape in the study area was prominent, mainly due to factors such as property rights and road barriers, which lead to a low degree of cultivated land connectivity. The rural population per capita farmland was only 0.08 hm², which is not conducive to the development of agricultural scale and mechanization; (3) the overall condition of the farmland ecosystem in the study area was relatively good, with 98.05% of the land in good or moderate condition, 78.42% classified as safe or relatively safe, and 95.55% rated as healthy or relatively healthy. The high ecological service value made it suitable for agricultural production. The research methodology and findings could provide reference for the protection of cultivated land, quality improvement and the construction of ‘Tianfu granary’ in Chengdu Plain, and provide reference for the evaluation of farmland ecosystem in other regions.

Key words: Chengdu Plain, essence irrigation district, farmland ecosystem, ecological baseline, index system investigation and evaluation

CHEN Zuying, JING Faming, CHEN Da, XU Zhengqiang, QIN Shilyu, ZHAO Li. Investigation and Evaluation of Farmland Ecosystem in Essence Irrigation District of Chengdu Plain[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2025, 41(28): 56-67.

Figures/Tables 29

目标层	因素层	指标名称	计算公式	变量说明
生态格局	景观形状	斑块个数(NP)	$N P = n$	n为斑块的数目
		斑块面积(CA)	$C A = ∑ j = 1 n a i j (110000)$	a_ij为斑块ij的面积
		斑块周长(TE)	$T E = ∑ j = 1 n p i j$	p_ij为斑块ij的周长
		斑块总面积(TA)	$T A = A$	A为景观总面积
		面积比重(PLAND)	$P L A N D = P i = ∑ j = 1 n a i j A × 100 %$	Pi为斑块i所占景观比例
		最大斑块占景观面积比例(LPI)	$L P I = m a x (a 1, . . ., a n) A × 100 %$	a₁,…,a_n为各斑块面积
		景观形状指数(LSI)	$L S I = 0.25 E A$	E为景观中所有斑块边界总长度
	景观连通	聚合度指数(AI)	$A I = g i j m a x → g i j × 100 %$	max→g_ij为最大相似邻接数量
	景观多样	香农多样性指数(SHDI)	$S H D I = (- ∑ k = 1 n P k) l n P k$	P_k是斑块类型k在景观中出现的概率
	景观多样	辛普森指数(SIDI)	$S I D I = 1 - ∑ k = 1 n P k 2$	P_k为景观类型k所占景观比例

目标层	因素层	指标名称	计算公式	变量说明
生态格局	景观形状	斑块个数(NP)	$N P = n$	n为斑块的数目
		斑块面积(CA)	$C A = ∑ j = 1 n a i j (110000)$	a_ij为斑块ij的面积
		斑块周长(TE)	$T E = ∑ j = 1 n p i j$	p_ij为斑块ij的周长
		斑块总面积(TA)	$T A = A$	A为景观总面积
		面积比重(PLAND)	$P L A N D = P i = ∑ j = 1 n a i j A × 100 %$	Pi为斑块i所占景观比例
		最大斑块占景观面积比例(LPI)	$L P I = m a x (a 1, . . ., a n) A × 100 %$	a₁,…,a_n为各斑块面积
		景观形状指数(LSI)	$L S I = 0.25 E A$	E为景观中所有斑块边界总长度
	景观连通	聚合度指数(AI)	$A I = g i j m a x → g i j × 100 %$	max→g_ij为最大相似邻接数量
	景观多样	香农多样性指数(SHDI)	$S H D I = (- ∑ k = 1 n P k) l n P k$	P_k是斑块类型k在景观中出现的概率
	景观多样	辛普森指数(SIDI)	$S I D I = 1 - ∑ k = 1 n P k 2$	P_k为景观类型k所占景观比例

景观类型	斑块数目		斑块面积		斑块密度/(个/hm²)	平均斑块面积/hm²
景观类型	测定值/个	占比/%	测定值/hm²	占比/%	斑块密度/(个/hm²)	平均斑块面积/hm²
林地	27367	34.58	72998.46	70.57	0.37	2.67
建设用地	22873	28.90	16053.03	15.52	1.42	0.70
耕地	16225	20.50	6349.32	6.14	2.56	0.39
水域	8996	11.37	4668.03	4.51	1.93	0.52
园地	2557	3.23	2564.19	2.48	1.00	1.00
草地	1114	1.41	806.40	0.78	1.38	0.72
全部类型	79132	100.00	103439.43	100.00	0.77	1.31

斑块类型	数量指标	大小指标			形状指标		聚散性指标
斑块类型	斑块个数(NP)/ 个	斑块面积(CA)/ hm²	斑块周长(TE)/ m	面积比重(PLAND)/ %	最大斑块占景观面积比例(LPI)/%	景观形状指数(LSI)	聚合度指数(AI)/ %
林地	27367	72998.46	10242960.00	70.57	36.21	96.85	89.34
建筑	22873	16053.03	6957870.00	15.52	5.38	138.13	67.44
耕地	16225	6349.32	4030980.00	6.14	0.31	127.19	52.24
水域	8996	4668.03	2580000.00	4.51	1.95	95.40	58.32
园地	2557	2564.19	1482240.00	2.48	0.07	73.40	56.80
草地	1114	806.40	452970.00	0.78	0.02	39.80	58.42

类型	指标	数值
整体特征	斑块总面积(TA)/hm²	103439.43
整体特征	最大斑块指数(LPI)	36.21
边缘指标	总边缘长(TE)/m	25747020.00
异质性指标	香农多样性指数(SHDI)	0.98
异质性指标	辛普森指数(SIDI)	0.47

目标层	因素层	指标层	计算方法	指标性质	权重
生态安全	立地	表层土壤质地	将表层土壤质地数据按斑块赋值	正	0.287
		土壤酸碱度	将土壤酸碱度数据按斑块赋值	负	0.031
		有机质含量	将土壤有机质含量数据按斑块赋值	正	0.117
		有效土层厚度	将有效土层厚度数据按斑块赋值	正	0.072
	景观	景观多样性指数	$I S E D = - ∑ i = 1 ∞ P i l n P i$	正	0.083
	景观	景观分离指数	$D = 1 - ∑ j = 1 m a i j / A 2$	负	0.061
	胁迫	土地利用程度	将土地利用程度数据按斑块赋值	正	0.156
	胁迫	人口密度	人口数量/土地面积	负	0.193

目标层	因素层	指标层	计算方法	指标性质	权重
生态安全	立地	表层土壤质地	将表层土壤质地数据按斑块赋值	正	0.287
		土壤酸碱度	将土壤酸碱度数据按斑块赋值	负	0.031
		有机质含量	将土壤有机质含量数据按斑块赋值	正	0.117
		有效土层厚度	将有效土层厚度数据按斑块赋值	正	0.072
	景观	景观多样性指数	$I S E D = - ∑ i = 1 ∞ P i l n P i$	正	0.083
	景观	景观分离指数	$D = 1 - ∑ j = 1 m a i j / A 2$	负	0.061
	胁迫	土地利用程度	将土地利用程度数据按斑块赋值	正	0.156
	胁迫	人口密度	人口数量/土地面积	负	0.193

赋值	表层土壤质地	土壤酸碱度	有机质含量/(g/kg)	有效土层厚度/cm	土地利用程度
100	壤土	6.5~7.5	>35	70~100	水田
75	黏壤土	5.5~6.5	30~35	60~70	旱地
50	黏土	—	25~30	55~60	水浇地
25	砂土	—	≤25	≤55	其他

安全等级	指数区间	安全水平
I	0.80~1	安全
Ⅱ	0.60~0.80	较安全
Ⅲ	0.50~0.60	临界安全
IV	0.30~0.50	不安全
V	0~0.30	极不安全

目标层	因素层	指标层	指标权重	总体权重
生态健康	环境质量	土壤环境质量	0.3204	0.0974
		农田灌溉水质	0.4051	0.1232
		农田胁迫指数	0.2745	0.0835
	农田格局	农田优势指数	0.7138	0.3514
		破碎度指数	0.1215	0.0598
		连片性指数	0.1647	0.0811
	空间结构	田块平均大小面积	0.042	0.0086
		田块平均边缘密度	0.0372	0.0076
		田块平均临近距离	0.8213	0.1672
		田块平均形状指数	0.0394	0.008
		面积加权平均分维数	0.0601	0.0122

健康等级	指数区间	健康水平
Ⅰ	0.80~1	健康
Ⅱ	0.60~0.80	较健康
Ⅲ	0.50~0.60	亚健康
Ⅳ	0.30~0.50	不健康
Ⅴ	0~0.30	病态

健康等级	面积/km²	占比/%
病态	2.61	0.98
不健康	3.84	1.45
亚健康	5.36	2.02
较健康	187.63	70.78
健康	65.64	24.76
总计	265.08	100.00

目标层	因素层	评价内容	评价方法	评价公式	公式解析
生态服务	生产功能	粮食供给价值	市场价值法	$V p = Σ (S j × V j × P j)$	V_p为农田生态系统提供产品总价值，S_j为第j种农田生态系统类型或粮食作物的分布面积，V_j为第j种农田类型单位面积净生长量或产量，P_j为第j种农田生态系统粮食作物的市场价格，j表示不同的农田生态系统类型
	生态功能	水源涵养价值	影子工程法	$Q = ∑ i = 1 n (c × W i)$	Q为水源涵养总价值，c为单位面积水库库容造价，n为栅格个数
	生态功能	水土保持价值	水土保持效益评价	$V a = T h × Σ (C i × P i)$	V_a为保持土壤养分价值，T为土壤保持量，i为土壤中养分种类，C为土壤中第i类养分含量，P为第i类养分的市场价格

目标层	因素层	评价内容	评价方法	评价公式	公式解析
生态服务	生产功能	粮食供给价值	市场价值法	$V p = Σ (S j × V j × P j)$	V_p为农田生态系统提供产品总价值，S_j为第j种农田生态系统类型或粮食作物的分布面积，V_j为第j种农田类型单位面积净生长量或产量，P_j为第j种农田生态系统粮食作物的市场价格，j表示不同的农田生态系统类型
	生态功能	水源涵养价值	影子工程法	$Q = ∑ i = 1 n (c × W i)$	Q为水源涵养总价值，c为单位面积水库库容造价，n为栅格个数
	生态功能	水土保持价值	水土保持效益评价	$V a = T h × Σ (C i × P i)$	V_a为保持土壤养分价值，T为土壤保持量，i为土壤中养分种类，C为土壤中第i类养分含量，P为第i类养分的市场价格

单位面积价值区间/(万元/hm²)	村社个数/个	粮食供给总价值/万元	占比/%
0.0~0.1	6	323.95	2.02
0.1~0.3	10	1010.61	6.30
0.3~0.6	5	1336.82	8.34
0.6~1.0	16	5768.35	35.97
1.0~1.5	8	4712.43	29.38
1.5~2.2	3	2885.20	17.99

水源涵养单位面积价值/(万元/hm²)	村社个数/个	水源涵养总价值/万元	占比/%
0.06~0.19	5	279.66	1.28
0.19~0.50	16	2873.96	13.20
0.50~0.90	15	5021.89	23.06
0.90~1.40	6	3216.45	14.77
1.40~1.93	6	10387.89	47.69

单位面积价值区间/(万元/hm²)	村社个数/个		水土保持价值/万元	占比/%
90~4500	41		19552.53	3.39
4500~19000		2	12072.15	2.09
19000~49300		1	18970.06	3.29
49300~91600		2	126159.94	21.88
91600~521000		2	399860.17	69.35

等级	描述
优秀	农田生态系统整体状况非常良好，各因子表现出较高水平，具有出色的生态系统
良好	农田生态系统整体状况良好，各因子表现出较高水平，具有较好的生态系统
中等	农田生态系统整体状况一般，各因子表现出中等水平，需要进一步改进和维护
一般	农田生态系统整体状况较差，各因子表现出较低水平，需要紧急改进和保护
差	农田生态系统整体状况非常差，各因子表现出极低水平，需要紧急采取行动恢复和改善

References 20

[1]	尹飞, 毛任钊, 傅伯杰, 等. 农田生态系统服务功能及其形成机制[J]. 应用生态学报, 2006, 17(5):929-934.
[2]	陈源泉, 高旺盛. 中国粮食主产区农田生态服务价值总体评价[J]. 中国农业资源与区划, 2009(1):33-39.
[3]	郝小雨. 基于碳足迹的黑龙江垦区农业生态系统碳源/汇时空变化[J]. 中国农业资源与区划, 2022, 43(8):64-73.
[4]	胡晓燕, 于法稳, 徐湘博, 等. 农田生态系统服务价值核算:指标体系构建及应用研究[J]. 生态经济, 2023, 39(4):111-121.
[5]	谢高地, 张彩霞, 张雷明, 等. 基于单位面积价值当量因子的生态系统服务价值化方法改进[J]. 自然资源学报, 2015, 30(8):1243-1254.
[6]	熊文, 幸悦, 孙晓玉, 等. 长江经济带重点区域农田生态系统服务价值评价[J]. 人民长江, 2022, 53(12):56-62.
[7]	张晓瑶, 虞虎, 张潇, 等. 基于多源数据的三江源国家公园土地生态安全综合评价[J]. 生态学报, 2022, 42(14):5665-5676.
[8]	祝宏辉, 张颖. 新疆农田生态系统服务价值变化及影响因素分析[J]. 石河子大学学报(自然科学版), 2020, 38(3):340-346.
[9]	付梅臣. 不同生产条件下农田景观格局分析与评价[J]. 农机化研究, 2008(8):211-214.
[10]	王同达, 曹锦雪, 赵永华, 等. 基于PSR模型的陕西省土地生态系统健康评价[J]. 应用生态学报, 2021, 32(5):1563-1572. doi: 10.13287/j.1001-9332.202105.013
[11]	霍子文, 王佳. 基于PSR模型的北京市西北生态涵养区生态健康评价研究[J]. 中国土地科学, 2020, 34(9):105-112.
[12]	赵晶, 廖宇波, 赵维全, 等. 加强耕地健康管控的相关思考[J]. 中国土地, 2023(6):30-32.
[13]	张志林, 贾宇云. 成都平原经济区耕地压力的时空演变研究[J]. 农村经济与科技, 2018, 29(13):10-12.
[14]	陆海田. 河流健康评价指标权重分析[J]. 水资源开发与管理, 2018(9):14-18.
[15]	陈歆, 靳甜甜, 苏辉东, 等. 拉萨河河流健康评价指标体系构建及应用[J]. 生态学报, 2019, 39(3):799-809.
[16]	HAO R F, YU D Y, LIU Y P, et al. Impacts of changes in climate and landscape pattern on ecosystem services[J]. Science of the total environment, 2017,579:718-728.
[17]	O'NEILL R V, KRUMMEL J R, GARDNER R H, et al. Indices of landscape pattern[J]. Landscape ecology, 1988, 1(3):153-162.
[18]	陈爽, 李阳兵, 李明珍. 镇域尺度的规模农地演变特征及其驱动机制研究——以重庆奉节县为例[J]. 山地学报, 2021, 39(1):101-116.
[19]	张锐, 郑华伟, 刘友兆. 基于PSR模型的耕地生态安全物元分析评价[J]. 生态学报, 2013, 33(16):5090-5100.
[20]	信桂新, 杨朝现, 杨庆媛, 等. 用熵权法和改进TOPSIS模型评价高标准基本农田建设后效应[J]. 农业工程学报, 2017, 33(1):238-249.