白根川，夏建國，王昌全，楊 娟，王 鵬(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130)

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城市郊區(qū)基本農(nóng)田安全風(fēng)險(xiǎn)研究①——以眉山市東坡區(qū)為例

白根川，夏建國*，王昌全，楊 娟，王 鵬
(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130)

摘 要：基本農(nóng)田生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的確定對(duì)保障糧食安全、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。本文基于GIS平臺(tái)，利用最小累計(jì)阻力模型，對(duì)成都平原城市眉山市東坡區(qū)的基本農(nóng)田生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了研究。在該研究中以東坡區(qū)基本農(nóng)田規(guī)劃圖中提取的基本農(nóng)田數(shù)據(jù)作為累計(jì)阻力“源”，選取了坡度、土地利用類型等6個(gè)因子作為阻力層進(jìn)行分析。結(jié)果通過把最小累計(jì)阻力柵格的突變點(diǎn)作為臨界點(diǎn)，設(shè)定閾值，劃分出了基于阻力值的4個(gè)功能區(qū)：基本農(nóng)田生態(tài)安全重點(diǎn)區(qū)域、一般區(qū)域、過渡區(qū)域和非基本農(nóng)田區(qū)域?；巨r(nóng)田安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的確定可為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)全面規(guī)劃提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基本農(nóng)田；最小累計(jì)阻力模型；眉山市東坡區(qū)；閾值

基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的劃定是最大限度保護(hù)稀缺耕地資源、穩(wěn)定農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)主體地位的重要手段。目前在基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)劃定過程中，還存在較多簡單地以基本農(nóng)田保護(hù)率作為基本農(nóng)田保護(hù)控制指標(biāo)，基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)“劃遠(yuǎn)不劃近”、“劃劣不劃優(yōu)”的狀況。有的雖采用了“指標(biāo)控制與土地用途分區(qū)相結(jié)合”，但仍然偏重指標(biāo)控制，而較為忽視土地用途分區(qū)的空間管制作用。目前已有相關(guān)學(xué)者針對(duì)基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)的合理劃分方式進(jìn)行了多方面研究，在全面考慮耕地自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響因素、耕地自身生產(chǎn)能力等的基礎(chǔ)上，通過土地適宜性評(píng)價(jià)、農(nóng)用地分等定級(jí)等方法[1-5]，來劃分基本農(nóng)田的合理空間分布區(qū)域，一定程度上提高了基本農(nóng)田劃分的科學(xué)性。但對(duì)于平原城市郊區(qū)，其建成區(qū)的快速擴(kuò)張方式多呈環(huán)狀外擴(kuò)的勢態(tài)，一方面城市化發(fā)展要求建設(shè)用地規(guī)?；胁季?，其規(guī)?；l(fā)展很可能影響到城市邊緣郊區(qū)的農(nóng)用地甚至基本農(nóng)田；另一方面由于建設(shè)用地本身指標(biāo)緊張、用地矛盾尖銳[6]，其基本農(nóng)田發(fā)生變化的可能趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出丘陵區(qū)城市和山區(qū)城市[7]。因此平原城市建設(shè)發(fā)展過程中基本農(nóng)田潛在被占用的風(fēng)險(xiǎn)明顯偏高。本研究從基本農(nóng)田生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，借助GIS空間分析技術(shù)，研究基本農(nóng)田因受周邊各種土地景觀的影響而進(jìn)行用途轉(zhuǎn)換所需克服的各種阻力類型以及累計(jì)阻力大小，得出基本農(nóng)田潛在被破壞和被占用的不同風(fēng)險(xiǎn)空間區(qū)域，從而為提出平原城市郊區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)劃定及保護(hù)措施的實(shí)施提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

眉山市東坡區(qū)位于103°26′57″～103°59′15″E，29°24′43～30°16′56″N，地處成都平原西南部，北倚彭山，南瞰夾江、青神，東臨仁壽，西望丹棱、蒲江(圖1)。東坡區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.1℃，年平均降雨量大于1 000 mm。全區(qū)地勢西北高、東南低，其中沖積平原約占30%，緩丘平壩約占60%，低山約占10%。岷江縱貫縣境東部，境內(nèi)流長46 km[8]。全區(qū)耕地主要分布在沿河谷階地及中淺丘區(qū)，耕地土壤酸堿度適中，肥力中等偏高[9]。基本農(nóng)田主要分布在岷江流域及其支流沿地勢相對(duì)平緩的區(qū)域。東坡區(qū)作為眉山市政治、經(jīng)濟(jì)、文化、商貿(mào)中心，隨著近幾年來成都平原經(jīng)濟(jì)圈城市化進(jìn)程的深入推進(jìn)，東坡區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在眉山市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的戰(zhàn)略地位不斷提高，城市規(guī)模不斷擴(kuò)張，其基本農(nóng)田保護(hù)受到一定程度威脅。

圖1　眉山市東坡區(qū)位置圖Fig.1 Location of Dongpo district

2 研究方法

本研究中土地利用現(xiàn)狀及基本農(nóng)田分布數(shù)據(jù)信息來源于東坡區(qū)土地利用變更調(diào)查圖(2013年)及東坡區(qū)基本農(nóng)田規(guī)劃圖(2010—2020年)，東坡區(qū)DEM數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)服務(wù)平臺(tái)。從土地利用現(xiàn)狀圖提取了道路、河流、坑塘等數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)為ArcGIS的shape格式并統(tǒng)一進(jìn)行影像配準(zhǔn)，投影到西安1980坐標(biāo)系下，中央經(jīng)線105°，同時(shí)將所有矢量數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)化成30 m × 30 m柵格圖像。

最小累計(jì)阻力模型是模擬某個(gè)物種在從“源”到達(dá)目的地運(yùn)動(dòng)過程中所需克服阻力而耗費(fèi)代價(jià)的模型。該模型主要有3個(gè)要素：“源”、阻力層、阻力值，可通過綜合計(jì)算從“源”到每一個(gè)介質(zhì)單元的最小阻力值來衡量“源”到某點(diǎn)的易達(dá)性[10-13]，因此可用于反映基本農(nóng)田變遷運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及運(yùn)動(dòng)趨勢。在本研究中，應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能，借助最小累計(jì)阻力模型，計(jì)算各阻力層斑塊離基本農(nóng)田“源”的最小累計(jì)阻力值，生成基本農(nóng)田擴(kuò)展的最小累計(jì)阻力表面，進(jìn)而根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，確定各分區(qū)相應(yīng)的閾值，最終劃分得出東坡區(qū)基本農(nóng)田生態(tài)安全重點(diǎn)區(qū)域、一般區(qū)域、過渡區(qū)域和非基本農(nóng)田區(qū)域。

3 東坡區(qū)基本農(nóng)田安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分

3.1 基本農(nóng)田擴(kuò)展“源”的確定

“源”是事物維持和擴(kuò)散的源點(diǎn)，它具有內(nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)張或向“源”本身匯集的能力[14-16]。在本研究中，將東坡區(qū)基本農(nóng)田規(guī)劃圖中提取的基本農(nóng)田作為“源”。由于現(xiàn)狀基本農(nóng)田本身具有的良好自然屬性及相對(duì)較高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力，因此將其提取作為本研究的“源”圖層(圖2)。提取的基本農(nóng)田面積為64 096.00 hm2，占耕地總面積的84.94%。

圖2　東坡區(qū)基本農(nóng)田分布Fig.2 Prime farmland map of Dongpo District

3.2 基本農(nóng)田擴(kuò)展阻力層的構(gòu)建

基本農(nóng)田需要克服一定的土地利用景觀阻力，即擴(kuò)展影響因子來實(shí)現(xiàn)其擴(kuò)張過程。原則上基本農(nóng)田的分布主要受地形(海拔、坡度)、周邊土地利用現(xiàn)狀類型、交通情況、土壤質(zhì)量、灌溉條件、土地連片程度、投入產(chǎn)出等諸多因素的影響[17-18]。在本研究中，土壤質(zhì)量等內(nèi)在因素已通過“源”自身的劃定進(jìn)行了反映，即設(shè)定現(xiàn)狀基本農(nóng)田均為土壤質(zhì)量較高、亟需保護(hù)的區(qū)域，重點(diǎn)在于分析基本農(nóng)田分布受外界土地利用景觀阻力影響而產(chǎn)生未來變化的風(fēng)險(xiǎn)趨勢，因此阻力因子選取主要考慮坡度、土地利用類型、主要道路、次要道路、河流水庫分布、坑塘分布6個(gè)因素，作為基本農(nóng)田生態(tài)景觀阻力因素?；巨r(nóng)田擴(kuò)展時(shí)通過景觀介質(zhì)的難易程度用阻力值表示，各種景觀介質(zhì)對(duì)事物擴(kuò)展所造成的阻力是有差別的，該差別可以通過事物對(duì)景觀的適宜程度及相互轉(zhuǎn)換難度來確定。本研究采用權(quán)重賦值的方法來確定阻力值。本文設(shè)定10作為最大阻力值，并假定在阻力值達(dá)到10的情況下，基本農(nóng)田將受到難以避免的嚴(yán)重威脅，而阻力值為1的像元?jiǎng)t代表基本農(nóng)田的最適宜生態(tài)地[19]。各因子阻力值的確定方式如下：

坡度：根據(jù)國家退耕還林政策，坡度在25° 以上的耕地將全部退耕還林，因此對(duì)坡度25° 以上的用地區(qū)域賦予最大阻力值。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中，坡度越平緩越有利于土地的耕作利用，所以相應(yīng)地坡度越大，其阻力就越大，反之則小。

土地利用現(xiàn)狀：根據(jù)研究需要，將東坡區(qū)土地利用類型進(jìn)行重分類，共分為農(nóng)用地、建設(shè)用地、林地、水域、未利用地5大類。對(duì)于最小累計(jì)阻力而言，土地利用類型的影響主要表現(xiàn)在其與基本農(nóng)田之間的相互轉(zhuǎn)換趨勢的難易程度[20]。顯然在這5大類用地中，阻力最大的是建設(shè)用地，而阻力最小的是農(nóng)用地。

道路：東坡區(qū)境內(nèi)有成昆鐵路、成樂高速和省道103、106線等交通線路，形成了到成都1小時(shí)、到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)和鄰縣半小時(shí)的快速交通網(wǎng)。在本研究中道路是個(gè)雙向指標(biāo)，對(duì)于基本農(nóng)田的擴(kuò)展具有兩方面的影響。對(duì)于主要道路(鐵路、高速公路)而言，其自身的區(qū)域分割性、排外性嚴(yán)格限制著基本農(nóng)田的發(fā)展。而對(duì)于村道、田間路等次要道路路網(wǎng)來說，其較高的密集度和與外界土地利用景觀介質(zhì)較強(qiáng)的相容性可以很好地提高基本農(nóng)田之間及其與外界的通達(dá)度，有利于各項(xiàng)保護(hù)措施的開展，對(duì)于基本農(nóng)田的生態(tài)保護(hù)能起到正面、積極的作用。因此在本研究中，設(shè)定距離主要道路越近，基本農(nóng)田擴(kuò)展阻力越大；距離次要道路越近，則阻力越小。

水域：水域的影響方式類似于道路，但又有其特殊之處?；巨r(nóng)田如果距離大型河流水庫太近，會(huì)受到潛在被淹沒的威脅，而距離太遠(yuǎn)水源又不利于灌溉，所以距離適中的區(qū)域的阻力是最小的。而坑塘作為農(nóng)田小型水域，距其越近越有利于農(nóng)田的灌溉，阻力也就越小。

由此，根據(jù)各種景觀表面介質(zhì)對(duì)基本農(nóng)田的影響程度，在0～10之間對(duì)其賦予相應(yīng)的阻力值(表1)。

表1　不同影響因子對(duì)基本農(nóng)田擴(kuò)展的阻力值Table 1 Resistance values of different factors for prime farmland extensions based on expert advice and literatures

3.3 各因子阻力柵格與最小累計(jì)阻力柵格的建立

按照以上的阻力分級(jí)，對(duì)各阻力要素進(jìn)行阻力柵格的建立，其中坡度和土地利用類型因子在處理時(shí)根據(jù)屬性直接進(jìn)行重分類賦予相應(yīng)的阻力值，而另外的4個(gè)因子則需先采用spatial analyst里面的straight line分析，再根據(jù)要求進(jìn)行重分類賦值(圖3)。然后根據(jù)各阻力因子對(duì)基本農(nóng)田影響的大小賦予相應(yīng)的權(quán)重，并進(jìn)行圖層加權(quán)計(jì)算，生成最終的阻力柵格表面(圖4)，最后再通過最小累計(jì)阻力模塊，計(jì)算生成最終的最小累計(jì)阻力圖層(圖5)。

3.4 基本農(nóng)田生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃定

閾值確定是劃分基本農(nóng)田不同生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域類型的關(guān)鍵。在劃分閾值時(shí)，參照阻力面格點(diǎn)頻率及其拐點(diǎn)，采用“自然斷點(diǎn)法”(natural breaks)，依據(jù)實(shí)際農(nóng)業(yè)需要?jiǎng)澐?。圖6中A、B、C、D 4處阻力值前后的值突變明顯，表明其兩側(cè)土地利用阻力差異較大，因而可作為劃分基本農(nóng)田生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的臨界點(diǎn)。通過閾值劃分，將東坡區(qū)基本農(nóng)田生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域用地分為4個(gè)類型：基本農(nóng)田生態(tài)安全重點(diǎn)區(qū)域、一般區(qū)域、過渡區(qū)域和非基本農(nóng)田區(qū)域(圖7)。基本農(nóng)田生態(tài)安全重點(diǎn)區(qū)域總面積約486 km2，約占耕地總面積的81%。在該區(qū)域中“源”地占據(jù)絕大部分，其阻力值是4大區(qū)域中最小的，是基本農(nóng)田的核心區(qū)域，必須得到充分的保護(hù)。一般區(qū)域面積16.4 km2，阻力值稍大于基本農(nóng)田區(qū)，該區(qū)域只要經(jīng)過適當(dāng)?shù)母脑毂憧梢栽诮窈笞鳛榛巨r(nóng)田的后備土地。過渡區(qū)域面積18.3 km2，主要是作為緩沖區(qū)域，該區(qū)阻力值大且變化復(fù)雜，不太穩(wěn)定，主要是緊鄰主要交通干道、工業(yè)區(qū)等干擾程度較高的用地類型。非基本農(nóng)田區(qū)域則是阻力值最大的區(qū)域，主要是大型河流、道路所在區(qū)域，在將來的一段時(shí)間內(nèi)基本上沒有改造成為基本農(nóng)田的可能性。

圖3　各阻力因子阻力分級(jí)圖Fig.3 Resistance grading maps of different factors

4 結(jié)論與討論

1)本文基于GIS平臺(tái)，從現(xiàn)有基本農(nóng)田變化趨勢著手，通過最小累計(jì)阻力分析，以東坡區(qū)2008年基本農(nóng)田作為“源”，以該區(qū)坡度、用地類型、道路、水域分布等6個(gè)因子構(gòu)建阻力面并得到相應(yīng)的6個(gè)阻力圖層，通過加權(quán)計(jì)算合并出最終的最小累計(jì)阻力柵格圖層，將其與“源”圖層在最小累計(jì)阻力模型下進(jìn)行計(jì)算分析，通過把阻力值的拐點(diǎn)作為臨界點(diǎn)，劃分出了東坡區(qū)基本農(nóng)田生態(tài)安全重點(diǎn)區(qū)域、一般區(qū)域、過渡區(qū)域和非基本農(nóng)田區(qū)域，可為該區(qū)基本農(nóng)田的空間保護(hù)提供更多參考。

圖4　阻力柵格圖Fig.4 Resistance raster

圖5　最小累計(jì)阻力圖Fig.5 Minimum cumulative resistance

圖6　阻力面格點(diǎn)頻率序列及拐點(diǎn)圖Fig.6 Pixel frequency sequence and inflexion of resistance surface

圖7　東坡區(qū)基本農(nóng)田保護(hù)功能分區(qū)圖Fig.7 Function zoning map of Dongpo district

2)目前國內(nèi)外關(guān)于基本農(nóng)田的劃分研究仍是以對(duì)土地進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)和分等定級(jí)的靜態(tài)方法為主。而通過最小累計(jì)阻力模型進(jìn)行的分析，則是一個(gè)逆向思維的動(dòng)態(tài)方法，它通過分析基本農(nóng)田克服各阻力因子而發(fā)展的趨勢來劃定基本農(nóng)田安全風(fēng)險(xiǎn)范圍，得出受到較大阻力威脅的基本農(nóng)田區(qū)域以及擴(kuò)張趨勢顯著的基本農(nóng)田區(qū)域，由此可為基本農(nóng)田的科學(xué)劃定提供更科學(xué)的動(dòng)態(tài)決策依據(jù)。

3)盡管該方法相對(duì)適宜性評(píng)價(jià)法等而言更加客觀，但在阻力因子的選取、阻力值的賦予及最終閾值的確定上仍存在一定的主觀性，因此在最終劃定區(qū)域后，還可結(jié)合實(shí)地確認(rèn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)卣邔?duì)阻力閾值進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)調(diào)整。

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Division of Prime Farmland Based on MCR——A Case Study of Dongpo District in Meishan City

BAI Genchuan,XIA Jianguo*,WANG Changquan,YANG Juan,WANG Peng
(College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)

Abstract:Determination of basic farmland ecological risk region is important to ensure food security,sustainable economic and social development in China.Based on GIS and by using the minimum cumulative resistance model,basic farmland ecological risk region of Dongpo district in Meishan City,Chengdu plain city were evaluated.By choosing the basic farmland of Dongpo district as the ‘source’,and taking slope,land use types,distance from the main road,distance from the secondary road,distance from the river and distance from ponds as the resistance layer,minimum cumulative resistance grid point mutations as a threshold point,four function areas named as basic farmland key area,general area,transition area and non basic farmland area had been determined.Determination of basic farmland ecological risk region can provide scientific decisionmaking basis for the study area.

Key words:Basic farmland; MCR; Dongpo district in Meishan City; Threshold

作者簡介：白根川(1977—)，男，重慶梁平人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事水土資源及環(huán)境可持續(xù)研究。E-mail:45826046@qq.com

* 通訊作者(xiajianguo@126.com)

基金項(xiàng)目：①國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B00)資助。

DOI:10.13758/j.cnki.tr.2016.01.025

中圖分類號(hào)：F301.23