李海毅+張贏月+李昭陽+李雪松
摘要:生態(tài)用地對(duì)流域安全具有重要意義,以吉林省遼河流域?yàn)槔x擇距河湖緩沖區(qū)距離、水源保護(hù)區(qū)類型、坡度、水質(zhì)4個(gè)阻力因子,在ArcGIS 10環(huán)境下構(gòu)建最小累積阻力模型(MCR),獲得單因子對(duì)研究區(qū)水環(huán)境安全的影響程度圖;進(jìn)一步通過疊加計(jì)算,獲得最小累積多因子阻力面;通過分析綜合阻力面,劃分研究區(qū)水環(huán)境安全生態(tài)用地等級(jí),實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)用地識(shí)別的目的。結(jié)果表明:遼源、四平和伊通部分地區(qū)整體水環(huán)境安全生態(tài)用地級(jí)別在一級(jí)區(qū)域中較多,并且呈散點(diǎn)狀分布;梨樹、公主嶺、雙遼部分地區(qū)水環(huán)境安全生態(tài)用地等級(jí)多數(shù)在二級(jí)以上,屬于重點(diǎn)研究區(qū)域;雙遼、公主嶺及梨樹地區(qū)呈現(xiàn)由中間向四周重要性等級(jí)逐漸降低的趨勢(shì),在用地識(shí)別上形成了條帶狀的高等級(jí)區(qū)域。
關(guān)鍵詞:生態(tài)用地識(shí)別;最小累積阻力模型;水環(huán)境安全;3S技術(shù);吉林省遼河流域
中圖分類號(hào): X171.1;P208文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)07-0216-04
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快,生產(chǎn)建設(shè)對(duì)土地的需求日益旺盛,許多具有特殊生態(tài)價(jià)值的土地的生態(tài)功能在逐漸喪失,原本就十分脆弱的生態(tài)系統(tǒng)加速惡化,許多環(huán)境問題逐漸顯現(xiàn)出來。為扭轉(zhuǎn)由于盲目發(fā)展經(jīng)濟(jì)而大量損耗土地生態(tài)價(jià)值的不利局面,對(duì)生態(tài)用地的深入研究必不可少。生態(tài)用地識(shí)別是生態(tài)用地研究的重要步驟,1985年歐洲就已經(jīng)開始了生態(tài)用地識(shí)別的研究,在土地分類中將具有自然生態(tài)屬性類別單獨(dú)列出[1-2];聯(lián)合國(guó)在1993年的研究中將內(nèi)地水域、木本沼澤草地納入到土地利用分類體系中[3],也體現(xiàn)出生態(tài)用地識(shí)別的觀念。董雅文等在我國(guó)最早提出生態(tài)用地的概念,認(rèn)為生態(tài)用地是生態(tài)要素空間定位的統(tǒng)稱[4]。本研究支持從土地生態(tài)功能角度來定義生態(tài)用地,認(rèn)為凡是具有生態(tài)服務(wù)功能、對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)和生物生境保護(hù)具有重要作用的土地都可視為生態(tài)用地,包括農(nóng)田、林地、草地、水域和沼澤等在內(nèi)的,地表無人工鋪裝的,具有透水性的地面等都可以納入生態(tài)用地的范圍[5-6]。
水環(huán)境安全在生態(tài)用地的識(shí)別中扮演著至關(guān)重要的角色,是生態(tài)用地識(shí)別的重要內(nèi)容。水環(huán)境安全是20世紀(jì)末提出的重要概念,屬于生態(tài)安全的重要組成部分[7]。早期研究認(rèn)為,水環(huán)境安全就是水質(zhì)和水量的安全,而實(shí)際上這僅僅是水環(huán)境安全的一部分[8-9]。隨著研究的深入,部分學(xué)者給出了更全面的定義,認(rèn)為水環(huán)境安全是指在一定歷史階段和一定社會(huì)條件下,某一空間范圍內(nèi)的水體擁有充足的水量和安全的水質(zhì),水體滿足其內(nèi)部和周圍環(huán)境所組成的生態(tài)系統(tǒng)維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)水環(huán)境系統(tǒng)功能的要求,并在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能可持續(xù)發(fā)展和人類社會(huì)持續(xù)良性發(fā)展[10-11]。
在具體的生態(tài)用地規(guī)劃和識(shí)別方法方面也有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,岳健等將土地利用類型劃分為農(nóng)用地、建設(shè)用地和生態(tài)用地3大類,將具有維持生物多樣性、保護(hù)和平衡生態(tài)環(huán)境作用的土地劃歸為生態(tài)用地[12]。鄧紅兵等從改善人居環(huán)境、區(qū)域人口關(guān)系提供生態(tài)服務(wù)功能的角度出發(fā),對(duì)生態(tài)用地概念進(jìn)行補(bǔ)充完善[13]。吳健生等以深圳市為研究區(qū),采用基于圖論的景觀連通性指數(shù)、生物多樣性服務(wù)當(dāng)量、lnvest模型生境質(zhì)量評(píng)估模塊和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)相結(jié)合的方法識(shí)別生態(tài)用地重要斑塊[14]。
隨著研究的不斷深入,越來越多的學(xué)者將目光轉(zhuǎn)向了通過3S技術(shù)(含GIS、遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng))進(jìn)行生態(tài)用地識(shí)別研究。依托于3S技術(shù)構(gòu)建的最小累積阻力模型(MCR)是景觀生態(tài)研究的重要方法之一,該模型最早由Knaapen等提出,中心思想為通過計(jì)算源地到每個(gè)景觀單元的阻力值建立最小累積阻力面來表征研究區(qū)的景觀安全程度[15]。這一方法近年來在不同的領(lǐng)域有較多應(yīng)用,和艷等通過該模型對(duì)滇池流域進(jìn)行了景觀生態(tài)安全格局分析[16];劉孝富等通過建立2個(gè)不同過程的最小累積阻力差值,表面評(píng)價(jià)了福建省廈門市的土地生態(tài)適宜性[17];俞孔堅(jiān)等借助最小累積阻力模型,基于生物過程安全對(duì)北京市東三鄉(xiāng)的生態(tài)用地進(jìn)行了分析識(shí)別,劃分出3種不同安全水平下的生態(tài)用地[18-24]。本研究通過構(gòu)建最小累積阻力模型,選擇距河湖緩沖區(qū)距離、水源保護(hù)區(qū)類型、坡度、水質(zhì)4個(gè)阻力因子對(duì)吉林省遼河流域進(jìn)行水環(huán)境安全生態(tài)用地識(shí)別。
1研究區(qū)概況
吉林省遼河流域位于吉林省西南部,地處123°42′~125°31′E、42°34′~44°08′N,全長(zhǎng)1 345 km,流域面積為 11 283 km2,占吉林省總土地面積的6.55%。吉林省遼河流域大部分地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)半干旱的季風(fēng)氣候,年降水量約為350~1 000 mm,年徑流量為89億m3,山地多于平原,高程從東南向西北遞減。研究區(qū)主要包括東遼河、招蘇臺(tái)河及條子河3條主要干流,每條河流又有眾多支流。東遼河是主要河流中流量最大的1條,也是吉林省遼河流域唯一1條全年無斷流的河流,在吉林省境內(nèi)有321 km,平均徑流量5.61億m3,徑流深58 mm。招蘇臺(tái)河是流域的第2大河流,其主要支流為條子河,在吉林省境內(nèi)河長(zhǎng)103 km,流域面積為 1 147 km2,多年平均徑流量0.455億m3。
由圖1可見,吉林省遼河流域主要包括四平市和遼源市2個(gè)地級(jí)市,以及公主嶺市、東遼縣、梨樹縣、雙遼市和伊通滿族自治縣等5個(gè)縣(市)。巨大的人口數(shù)量和較高的人口密度對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力,與此同時(shí),流域的經(jīng)濟(jì)主要依靠農(nóng)業(yè)種植和畜牧業(yè)養(yǎng)殖來支撐,耕地面積的不斷擴(kuò)大和畜禽養(yǎng)殖量的飛速增長(zhǎng)已經(jīng)對(duì)吉林省遼河流域生態(tài)安全尤其是水環(huán)境安全產(chǎn)生了重要的影響。
2研究方法
2.1生態(tài)用地識(shí)別方法——最小累計(jì)阻力模型
本研究借助3S技術(shù)構(gòu)建最小累積阻力模型,公式如下:
式中:MCR為最小累積阻力,也稱最小費(fèi)用距離,是指從源斑塊到達(dá)最近目標(biāo)斑塊的過程中,穿過不同阻力的景觀時(shí)克服阻力所做的功或耗費(fèi)的費(fèi)用;Dij表示從源j到景觀單元i的空間距離;Ri表示景觀單元在物種移動(dòng)過程中的阻力系數(shù);f表示最小累積阻力與生態(tài)過程呈現(xiàn)正相關(guān)系數(shù);min表示被評(píng)價(jià)的斑塊對(duì)于不同的源取阻力最小值;整個(gè)公式表示物種從源j到單元i之間穿越所有單元的距離與阻力的累積。
2.2“源”的確定與提取
在景觀生態(tài)學(xué)中,“生態(tài)核心區(qū)”是景觀生態(tài)流擴(kuò)散和支持的源點(diǎn),是那些對(duì)生態(tài)過程起正向推動(dòng)作用的景觀類型。生態(tài)核心區(qū)的確定必須依據(jù)特定的生態(tài)過程與實(shí)際景觀生態(tài)特征,通常選擇研究區(qū)內(nèi)生態(tài)功能較強(qiáng)的景觀類型作為生態(tài)安全格局的源地。本研究選取研究區(qū)范圍內(nèi)河流源頭、交匯處,各個(gè)湖泊、水庫(kù)、市區(qū)公園等斑塊面積超過10 km2的大型穩(wěn)定水域或濕地作為生態(tài)核心區(qū)并通過ArcGIS 10繪制 30 m×30 m源地文件(圖2)。
2.3阻力因子的選擇與建立
2.3.1阻力因子的選擇阻力因子選擇的完整程度和有效程度,直接決定了用地識(shí)別的準(zhǔn)確性和可信性。本研究基于3S技術(shù)選取了4個(gè)有代表性的單因子作為阻力因素進(jìn)行分級(jí)計(jì)算,以反映水環(huán)境安全的不同特征屬性。
水資源量是水環(huán)境安全的主要限制條件,距離水源地近的地方往往具有較優(yōu)良的生態(tài)條件,因此在宏觀尺度的評(píng)價(jià)中,將地形坡度和距河湖緩沖區(qū)距離作為間接反映水分含量的指標(biāo)。在本研究中,由于研究區(qū)整體地勢(shì)坡度較緩,因此適當(dāng)降低了坡度因子在整體阻力因子體系中的權(quán)重分配;同時(shí),在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察的過程中發(fā)現(xiàn),農(nóng)田耕種區(qū)域與河湖區(qū)域基本相互連接,緩沖區(qū)寬度極窄甚至存在農(nóng)田緊挨河道種植的情況,因此在對(duì)距河湖緩沖距離因子進(jìn)行分級(jí)時(shí)充分考慮了這一實(shí)際情況,將其分為0、10、50、150 m 4個(gè)寬度等級(jí)進(jìn)行研究。
不同等級(jí)的水源保護(hù)區(qū)對(duì)研究區(qū)水環(huán)境安全的影響程度也不同,自然與人文保護(hù)區(qū)內(nèi)的景觀生態(tài)需要得到最好的保護(hù)和恢復(fù),對(duì)生態(tài)安全格局的恢復(fù)起著重要作用,因此對(duì)水環(huán)境安全程度的要求相對(duì)較高;開發(fā)利用區(qū)由于可以滿足一定程度的農(nóng)業(yè)和工業(yè)需求,對(duì)水資源環(huán)境的要求相對(duì)于保護(hù)區(qū)則有一定程度的降低,緩沖區(qū)則更加寬松。
水質(zhì)的優(yōu)劣則直接反映了研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的好壞,水質(zhì)較高的區(qū)域則具有更加安全的水環(huán)境生態(tài)條件,因此將水質(zhì)因子作為反映研究區(qū)水環(huán)境質(zhì)量的客觀指標(biāo),對(duì)研究區(qū)水環(huán)境安全用地識(shí)別具有重要的作用。
本研究在充分考慮研究區(qū)實(shí)際情況并查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)及參考資料后,通過專家討論制定了分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重(表1)。
2.3.2阻力因子數(shù)據(jù)來源本研究中,阻力因子的提取主要應(yīng)用GIS空間分析技術(shù),并在ArcGIS 10.0環(huán)境下進(jìn)行具體操作。坡度因子是根據(jù)研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)通過ArcGIS空間分析功能提取坡度值計(jì)算獲得;根據(jù)《吉林省地表水功能區(qū)劃》《松遼流域水功能區(qū)劃》等資料實(shí)現(xiàn)了水源保護(hù)區(qū)類型因子的繪制;水質(zhì)因子則是在現(xiàn)有研究區(qū)水系矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過查閱《吉林省水資源公報(bào)》《松遼流域水資源公報(bào)》以及相關(guān)參考文獻(xiàn)中的水質(zhì)數(shù)據(jù)綜合獲??;距河湖緩沖距離因子則是在研究區(qū)水系數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過ArcGIS緩沖區(qū)分析功能計(jì)算獲得。本研究所繪制全部圖件空間分辨率均為30 m×30 m。
2.4最小累積單因子阻力面的構(gòu)建
在確定阻力因子的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)分析,分別生成最小累積單因子阻力面。
根據(jù)坡度單因子阻力面數(shù)據(jù),通過ArcGIS空間分析模塊Cost Distance功能,計(jì)算得到最小累積單因子坡度阻力面(圖3)。根據(jù)研究區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀,研究區(qū)內(nèi)主要存在4種水質(zhì)水體,分別為Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類水體,將此水質(zhì)單因子阻力作為成本柵格輸入進(jìn)行計(jì)算,得到最小累積單因子水質(zhì)阻力面(圖4)。以研究區(qū)河流水系圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進(jìn)行緩沖區(qū)分析,將緩沖區(qū)分為<10、10~50、50~150、>150 m 4個(gè)等級(jí),將繪制好的緩沖區(qū)距離圖作為成本柵格在Cost Distance中進(jìn)行計(jì)算得到最小累積單因子距河湖緩沖距離阻力面(圖5)。通過松遼流域水功能區(qū)劃數(shù)據(jù),裁剪并疊加出研究區(qū)范圍內(nèi)的水功能區(qū)劃圖,將研究區(qū)水功能劃分為3個(gè)等級(jí),分別為保護(hù)區(qū)、開發(fā)利用區(qū)和緩沖區(qū),繪制出水源保護(hù)區(qū)類型單因子阻力圖并以此作為成本柵格在cost distance中進(jìn)行計(jì)算,得到最小累積單因子水源保護(hù)區(qū)類型阻力面(圖6)。
2.5最小累積多因子阻力面的構(gòu)建
在ArcGIS環(huán)境下,通過對(duì)單因子阻力面的加權(quán)疊加,獲得研究區(qū)綜合多因子阻力面,將此多因子阻力面作為成本柵格,在空間分析模塊cost distance中進(jìn)行計(jì)算,獲得最小累積綜合多因子阻力面(圖7)。該阻力面可在空間尺度上表征研究區(qū)水環(huán)境安全生態(tài)用地情況,按照自然斷點(diǎn)分類法分為4級(jí),具體分級(jí)結(jié)果如表2所示。
3結(jié)果與分析
3.1最小累積單因子阻力面分析
在最小累積阻力模型中,阻力值的高低反映了物種從源地移動(dòng)到相應(yīng)景觀單元的難易程度,由此也可以表征相應(yīng)景觀單元生態(tài)安全優(yōu)劣程度。本研究用阻力值的大小來反映水環(huán)境安全生態(tài)用地等級(jí)的高低,阻力值高的區(qū)域則生態(tài)用地重要性等級(jí)較高,反之則較低。通過對(duì)本研究中最小累積單因子阻力面的分析,4個(gè)阻力因子對(duì)研究區(qū)水環(huán)境安全的影響趨勢(shì)相似但也存在不同之處。
在坡度因子方面,雙遼市的南部、東部以及梨樹縣的西部和北部表現(xiàn)出較高的阻力值,處于極重要的用地識(shí)別等級(jí);伊通和遼源地區(qū)整體情況稍好,大部分地區(qū)阻力值偏低,只在偏南地區(qū)和東北部阻力值稍微有所升高。
在水質(zhì)因子方面,阻力值受流域水質(zhì)情況不同呈現(xiàn)明顯的線性分布。東遼河上游楊木水庫(kù)以上河段水質(zhì)優(yōu)良,水質(zhì)類別為Ⅱ類,該地區(qū)阻力值偏低;楊木水庫(kù)以下至二龍山水庫(kù)河段,由于遼源市、白泉鎮(zhèn)的排污,河水污染嚴(yán)重;二龍山水庫(kù)以下河段,由于受面源污染及公主嶺市排污的影響,污染嚴(yán)重,水質(zhì)類別均為Ⅴ類;招蘇臺(tái)河干流由于受郭家店鎮(zhèn)、梨樹鎮(zhèn)排污及面源污染的影響,水體污染嚴(yán)重,水質(zhì)類別也為Ⅴ類,因此該區(qū)域均呈現(xiàn)出了較高的阻力值。條子河上游下三臺(tái)水庫(kù)水質(zhì)較好,水質(zhì)類別為Ⅲ類,下游受四平市排污的影響,河水污染嚴(yán)重,水質(zhì)類別為Ⅴ類,阻力值分布也按照相同趨勢(shì)體現(xiàn)出這一情況。
在距河湖緩沖區(qū)距離因子方面,雙遼市西南部、梨樹縣西北地區(qū)阻力值最高,并且呈現(xiàn)條帶狀分布;伊通縣東部以及四平市西南方向次之,遼源地區(qū)整體阻力值偏低,只在偏南地區(qū)存在散射狀高阻力值區(qū)域。
在水源保護(hù)區(qū)類型因子方面,梨樹縣和公主嶺市交界處阻力值最高。雙遼市西南方向以及梨樹縣西部阻力值逐漸升高;公主嶺地區(qū)整體阻力值呈現(xiàn)較高的狀態(tài),阻力值由南至北逐漸升高;伊通縣南部以及遼源地區(qū)整體阻力值偏低。
總體來講,研究區(qū)處于中心位置的公主嶺和梨樹區(qū)域在4個(gè)阻力指標(biāo)的計(jì)算下均表現(xiàn)出較高的阻力值;四平、伊通以及遼源的大部分地區(qū)單因子阻力值較小。
3.2最小累積多因子阻力面的分析
通過對(duì)最小累積多因子阻力面(圖7)進(jìn)行分析,研究區(qū)的水環(huán)境安全生態(tài)用地重要程度被分為4級(jí)(表2)。由結(jié)果可知,在水環(huán)境安全角度,研究區(qū)的東南方向包含遼源、四平和伊通部分地區(qū)整體水環(huán)境安全生態(tài)用地級(jí)別在一級(jí)區(qū)域中較多,并且呈散點(diǎn)狀分布;該區(qū)域水環(huán)境安全方面保護(hù)相對(duì)較好,由于在地理位置上該區(qū)域處于東遼河源頭區(qū),污染相對(duì)較少,保護(hù)措施較完善,因此呈現(xiàn)出的阻力等級(jí)也較低,研究結(jié)果符合實(shí)際情況。
雙遼、公主嶺及梨樹地區(qū)均存在用地識(shí)別等級(jí)為四級(jí)的極重要區(qū)域,雙遼地區(qū)由西北向東南方向重要性等級(jí)逐漸增高,梨樹和公主嶺地區(qū)則不同,呈現(xiàn)由中間向四周重要性等級(jí)逐漸降低的趨勢(shì),因此在空間用地識(shí)別上形成了1個(gè)條帶狀的高等級(jí)區(qū)域。該區(qū)域范圍東遼河流勢(shì)發(fā)生了變化,由西北流向轉(zhuǎn)向了西南流向,并且該區(qū)域地勢(shì)平緩,流速較低,不利于水體的自凈;同時(shí)該區(qū)域處于遼河中下游地帶,附近居民聚集,農(nóng)牧業(yè)排放情況較嚴(yán)重,污染物易發(fā)生沉積,整體水質(zhì)有所降低,區(qū)域整體呈現(xiàn)出阻力等級(jí)較高,研究結(jié)果合理,屬于用地識(shí)別極重要區(qū)域。
4創(chuàng)新與展望
在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究進(jìn)展中,最小累積阻力模型的應(yīng)用主要存在于景觀生態(tài)格局研究以及城市規(guī)劃研究中,在區(qū)域水環(huán)境安全生態(tài)用地識(shí)別方面相關(guān)應(yīng)用較少,本研究將這一模型應(yīng)用在區(qū)域水環(huán)境安全生態(tài)用地識(shí)別領(lǐng)域,拓寬了最小累積阻力模型的應(yīng)用范圍,同時(shí),對(duì)吉林省遼河流域用地識(shí)別方面的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。
本研究在空間角度對(duì)研究區(qū)水環(huán)境安全用地進(jìn)行識(shí)別,因此在阻力因子的選取上,選擇了能夠?qū)崿F(xiàn)空間化的因子進(jìn)行計(jì)算與分析,一些社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)由于以行政區(qū)為統(tǒng)計(jì)單位,無法進(jìn)行有效的空間化因而只能舍棄。在進(jìn)一步的研究中,會(huì)逐步加入更多類型的指標(biāo),涵蓋水環(huán)境安全、土壤以及生物多樣性等方面,更加全面地對(duì)研究區(qū)生態(tài)用地進(jìn)行識(shí)別研究。
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