基于土地利用的三峽庫區生態屏障帶生態風險評價

李瀟然, 李陽兵,2, 韓芳芳

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331;

2.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 3.新疆昌吉州第二中學, 新疆 昌吉 831100)

基于土地利用的三峽庫區生態屏障帶生態風險評價

李瀟然1, 李陽兵1,2, 韓芳芳3

(1.重慶師范大學 地理與旅游學院, 重慶 401331;

2.貴州師范大學 地理與環境科學學院, 貴州 貴陽 550001; 3.新疆昌吉州第二中學, 新疆 昌吉 831100)

摘要：[目的] 揭示三峽庫區生態屏障帶生態風險，為庫區生態風險評估及土地利用優化提供理論依據。 [方法] 基于遙感影像數據，運用RS與GIS技術，計算土地利用相對合理性指數，同時構建生態風險評價模型，劃分高程/坡度帶定量評價三峽庫區生態屏障帶的生態風險情況，劃分生態風險等級，并對生態風險進行空間自相關分析。 [結果] 較低生態風險區占比例最大，為36.77%，高生態風險區及較高生態風險區主要分布在沿長江兩岸建設用地及耕地較為集中的區域，土地利用相對合理性指數隨高程增高逐漸變大，隨坡度增大逐漸減小，研究區生態風險空間自相關分析呈現出十分顯著的局部自相關性。 [結論] 研究區內生態風險總體呈現較低值，沿江高值區需對土地利用進行重點優化。

關鍵詞：生態屏障帶; 生態風險評價; 土地利用; 三峽庫區

“生態屏障”一詞最早由蔡明孫[1]在1999年提出，最初構想是為保持流域內水土，封山育林，后來有學者對生態屏障的概念有了新的理解。王玉寬[2]指出，生態屏障是指處于某一特定區域的生態系統，其功能和結構符合人類生存和發展的生態要求。在生態屏障帶發展的基礎上，陳國階[3]、潘開文[4]等人提出建設長江上游生態屏障帶的研究。提出建設長江上游生態屏障帶，提高長江上游地區生態安全系數，為上游生態、經濟和社會的可持續發展提供良好的空間。隨著2006年5月三峽大壩的全線建成，三峽庫區生態安全問題也逐漸成為研究熱點，三峽庫區生態屏障帶的提出，為庫區生態安全評價提出新的思路。對于如何合理有效地界定三峽庫區生態屏障帶的范圍，國內外學者做了不少探討。胡友兵[5]、周啟剛[6]等人提出，為減輕人類活動對環境的壓力、保護三峽水庫水質和生態環境，劃定的175 m土地征用線到第一道山脊線之間的特殊區域為生態屏障帶。三峽庫區屏障帶(重慶段)由于受庫區水位變化的影響，呈現出不穩定的特征，屬于典型的生態環境脆弱帶[7]。在這種生態脆弱帶中，人類活動(特別是人類對土地的利用方式)會對本身就極為脆弱的生態環境帶來巨大的影響。因此，對三峽庫區生態屏障帶的研究不僅關系到庫區生態安全問題，同時也是西部大開發的重要戰略目標和內容之一。2010年10月三峽水庫試驗性蓄水175 m的成功，標志著水庫管理的工作重點由保障三峽工程為主轉向確保水庫運行安全、保護庫區生態環境、實現庫區社會經濟全面協調可持續發展[8]。蓄水成功后，生態屏障的功能和建設問題被作為重點提出。目前，對三峽庫區生態屏障帶的研究多集中在水庫水環境研究、庫區人口對環境壓力的影響[9-11]。但關于三峽庫區生態屏障帶土地利用生態安全、生態風險評價的研究相對較少。為此，本研究結合RS與GIS技術，劃分生態風險評價網格單元，通過計算每個網格的生態風險指數，構建生態風險評價模型，以此對三峽庫區生態屏障帶沿江第一分水嶺內的土地利用空間分異及生態風險進行分析，為庫區生態屏障帶的生態風險評估及土地利用優化提供合理的理論依據。

1研究區概況

選取巫山縣、奉節縣、云陽縣、萬州區、忠縣、石柱縣、豐都縣、涪陵區等8個區縣中位于三峽水庫145 m土地淹沒線至第一分水嶺以內的區域(不包括此區域內平壩河谷地區)作為研究區。由于三峽庫區蓄水位在冬季和夏季有30 m左右的波動，本文影像獲取時間為夏季，水位線在145 m左右，所以選擇145 m土地淹沒線以上區域。研究區位于三峽庫區中心地帶，北緯29°45′—31°10′，東經107°15′—108°4′，總面積約為5 897.5 km2，研究區內地勢呈現出東北高，西南低的特點，地形較為復雜，生態環境脆弱。其中地勢最高點在奉節縣中部，海拔1 927 m，最低點位于巫山縣境內。坡度最大值達到87.8°，位于巫山縣境內，而最小值位于涪陵區西北部。

2數據處理與研究方法

2.1　數據處理

影像數據來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)，分辨率為30 m，影像獲取時間為2012年6月30日凌晨4點54分，查閱當時水情資料，三峽上游水位為145.70 m。借助ERDAS 8.5圖像處理軟件，對研究區遙感影像數據進行非監督分類，分類標準參照中國科學院資源環境信息數據庫土地利用分類方法，將研究區土地利用分為耕地、有林地、疏(灌)林地、草地、建設用地、水域等6個地類。運用ArcGIS 10.2軟件分析模塊對非監督分類產生的小圖斑進行處理，再對研究區土地利用數據進行人機交互式目視解譯，獲得研究區2012年土地利用數據(圖略)。

2.2　研究方法

2.2.1高程坡度重分類利用1∶5萬數字高程模型數據，得到高程重分類數據，并統計出面積分布(表1)，考慮到研究區人類活動范圍主要集中在150~500 m這一高程段內，故將各分段逐一合并為6個高程帶：低于150 m，150～300 m，300～500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m、高于1 500 m；同樣以DEM為數據源，利用ArcGIS空間分析中Slope功能，得到研究區坡度的柵格圖，考慮國家規定坡改梯、退耕還林的坡度為15°和25°，將其坡度依次劃分為6個坡度段：0°,0°~3°,3°~8°,8°~15°,15°~25°,>25°，高程、坡度重分類如附圖3所示。

2.2.2生態風險評價單元運用ArcGIS 10.2中Create Fishnet工具，構建生態風險評價單元，對研究區進行網格劃分，網格大小選取2 km×2 km，共計1 909個(風險樣區)，同時，生成樣區中心坐標點。通過計算每個風險樣區的生態風險指數，并將其作為該樣區中心點的生態風險水平，以此對全區進行分析研究。

表1　研究區高程重分類各高程帶面積比例

2.2.3生態風險指數的構建生態風險指數的構建涉及景觀破碎度指數C、景觀分離度指數S、景觀優勢度指數DO、景觀干擾度指數E、景觀脆弱度指數F等，具體計算方法詳見表2。根據分析權衡，對景觀干擾度指數影響由大到小分別賦以0.5，0.3，0.2的指標權重[12]。景觀脆弱度指數與自然演替過程所處階段有關[13]，該區6種景觀類型所代表的生態系統，以水體最為脆弱，其次是耕地，建設用地最穩定。因此分別對6種景觀類型賦以脆弱度指數：水域為6，耕地為5，草地為4，灌叢為3，林地為2，建設用地為1，然后進行歸一化處理，得到各自的脆弱度指數Fi。通過選取景觀分離度指數Si、景觀破碎度指數Ci以及景觀優勢度指數DOi來構建景觀干擾度指數Ei，從而衡量不同景觀受干擾的程度。景觀生態風險指數ERI的計算公式[14]為：

(1)

式中：ERI——景觀生態風險指數；n——景觀類型的數量；Ski——第k個風險樣區中i類景觀的面積;Sk——第k個風險樣區總面積。

表2　研究區各類指數計算公式

注：Ai——景觀類型i的面積；Ni——景觀類型i的斑塊數；Di——景觀類型i的距離指數； AIi——景觀類型i在景觀總面積A中占的比例；Qi——斑塊i出現的樣方數/總樣方數；Mi——景觀類型i的斑塊數Ni/斑塊的總數N；Li——景觀類型i的面積/斑塊總面積。不同的景觀類型抵抗外界干擾的能力也各有不同，a，b，c分別表示各景觀指數權重值，且a+b+c=1。

2.2.4土地利用相對合理性指數陳利頂等[15]通過研究不同坡度帶土地利用狀況，提出了土地利用相對合理性指數(Lr)，該指數能夠有效地反映某一區域內不同土地利用方式的合理程度。通過參照水利部《土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)》，結合三峽庫區生態屏障帶高程及坡度特征，從而計算得到研究區土地利用相對合理指數。計算公式為：

(2)

式中：Lr——土地利用相對合理性指數；Sji——第j高程/坡度帶對第i種土地利用的適宜程度，值在0～1之間，1表示最適宜，0表示不適宜；Lji——j種高程/坡度i種土地利用類型所占面積百分比；n——高程/坡度的分級；m——土地利用類型總數目。Lr值越大表明土地利用越合理，越有利于土地的保護和水土流失問題的減弱，當Lr值等于1時，表示此狀態下土地利用結構處于最佳。利用專家打分法，參考已有研究[16-17]，確定各高程帶及坡度帶土地利用方式權重，根據研究區具體情況，確定了土地利用適宜程度(表3)。

表3　不同利用方式對高程/坡度的適應性評價

2.2.5空間自相關分析空間自相關分析是一種檢驗相關性的統計方法，通常用于檢驗某一地理變量的空間分布相鄰位置之間的相關程度，若某一位置變量值高，其附近位置上該變量值也高，則此時稱為正空間自相關，反之稱為負空間自相關[18]。為了能夠全面反映研究區樣點空間差異變化趨勢，需要采用局部空間自相關分析，包括Moran散點圖、G統計和LISA圖。

本研究借助LISA聚集圖和散點圖分析研究區1 909個樣區間的生態風險相關性。

3結果分析

3.1　研究區生態風險分布的總體特征

通過求得每個生態風險樣區的生態風險值ei，并將其劃分成低生態風險區(ei<0.3)、較低生態風險區(0.30.7)。

為了更為直觀地反映研究區生態風險的空間分布情況，將每個樣地生態風險值作為中心點屬性值，在ArcGIS的地統計模塊中，采用普通Kriging方法進行插值，得到生態風險空間插值圖(圖1)。由圖1可知，總體來看研究區生態風險值的變化趨勢與距離長江的遠近程度變化大體一致，距長江越近生態風險越大，生態風險等級越高。位于研究區萬州段長江北側及豐都段長江北側低生態風險區與較低生態風險區所占面積明顯增大，這與萬州沿長江北側、豐都沿江北側地區林地覆蓋面較廣有關。

3.1.1不同生態風險區土地利用分布因耕地、有林地、疏(灌)林地在整個研究區中所占面積較大，所以3種地類在各生態風險區中所占面積都較大。由表4可知，在各土地利用類型中，低生態風險區、較低生態風險區主要為耕地、有林地和疏(灌)林地；低生

態風險區在整個研究區中所占面積最大的地類為有林地，中等生態風險區、較高生態風險區和高生態風險區中面積所占比重最大的地類均為耕地；其中，草地在較低生態風險區和較高生態風險區所占比例較高，其原因為是在這兩個風險區內300～500 m高程帶草地分布較廣；面積較小的地類為水域，各風險等級所占比重均小于1.0%。通過對比同一地類在不同生態風險區中所占面積可以得出以下結果：耕地、有林地、疏(灌)林地及草地主要分布在較低生態風險區；高生態風險區中主要有坡耕地和建設用地分布，這與人類活動對生態環境的影響是分不開的；而水域的分布，其規律性不強。

圖1　研究區生態風險劃分

%

3.1.2不同高程/坡度帶生態風險分布將重分類后的高程、坡度圖與生態風險指數圖分別疊加，計算統計出不同生態風險等級對應的不同高程/坡度面積比例(圖2)。由圖2可以看出，低生態風險區在研究區中所占面積比重較大的高程帶為500～1 000 m高程帶，所占面積大于研究區總面積的9%，在低于150 m高程帶和高于1 500 m高程帶所占面積均小于0.01%；較低生態風險區、中等生態風險區、較高生態風險區分別在500～1 000 m，300～500 m，300～500 m高程帶所占面積比重較大；高生態風險區主要集中在150～300 m高程帶上；各生態風險等級在低于150 m和高于1 500 m高程帶所占面積都較小。由圖2可知，隨著坡度帶的增大，各生態風險等級面積都呈現先增大后減小的變化趨勢。其中，低生態風險區、較低生態風險區在3°～8°坡度帶面積比重達到最大，中等生態風險區、較高生態風險區和高生態風險區均在0°～3°坡度帶面積比達到峰值；在大于25°坡度帶占研究區面積最小。各個坡度帶不同生態風險等級的分布情況也呈現出隨著生態風險等級的提高，生態風險區在對應坡度帶所占面積先增加后減小的變化趨勢。

3.2　研究區土地利用相對合理性評價

對6個高程及坡度帶的土地利用合理性指數進行了計算(表5)，由表5可知，隨著研究區高程的增加，土地利用的合理性指數呈現逐步增大的變化趨勢，并在高于1 500 m高程帶達到最大值，此高程帶土地利用最為合理。隨著坡度的增加，土地利用相對合理性指數逐漸減小，在0°～3°坡度帶土地利用的合理性指數為1，為整個研究區土地利用合理性指數的最大值，表明0°～3°坡度帶土地利用最為合理。最小值出現在15°～25°坡度帶，此帶中有較多的陡坡耕地，土地利用不合理，應使坡耕地退耕或改為梯田耕種。

圖2　不同高程/坡度帶生態風險等級分布

高程/m<150150~300300~500500~10001000~1500>1500相對合理性指數0.640.710.740.830.971.00坡度/(°)00~33~88~1515~25>25相對合理性指數1.001.000.920.850.840.85

將各個高程/坡度帶土地利用合理性指數與土地利用類型分布進行比較(表6)，可以發現，隨著有林地、疏(灌)林地面積比重的增加，土地利用合理性指數也隨之增加，在高程達1 500 m以上時，土地利用受人類活動影響較小，土地利用相對合理性指數達到最高，表明土地利用最合理。當坡度低于3°時，其地類分布主要為林地、草地，耕地和建設用地分布相對較少，故此時相對合理性指數達到最高；隨著坡度逐漸增加，坡耕地在各坡度帶所占面積比重逐漸加大，土地利用相對合理性指數隨之降低。可見，人類活動對生態環境影響之大。通過2014年7月對研究區巫山、奉節等區縣實地調查發現，8°～15°坡度帶耕地類型多為梯田，實施了水土保持等措施；15°～25°坡度段基本已完成退耕工作，但林地尚未長成，處于撂荒狀態；大于25°地帶也多為林地和灌木林地分布。計算得出這3個坡度段土地利用相對合理性指數比較客觀，符合實際情況。

3.3　基于生態風險的空間自相關分析

3.3.1研究區生態風險的LISA聚集圖和Moran散點圖為了分析研究區域生態風險的分布規律和聚集程度，采用空間統計學中的空間自相關法進行分析，借助ArcGIS 10.2和GeoDa095 i軟件得到研究區生態風險的Moran散點圖(圖略)和LISA聚集圖(圖3)。

表6　研究區各高程/坡度帶土地利用類型分布　%

其中Moran散點圖的4個象限，分別與區域單元及其鄰居之間4種類型局部空間聯系形式相對應。LISA聚集圖中“高—高”，即高值包圍的高值區，指區域本身與其周邊的生態風險等級均較高，二者間的差異較小；“低—低”，即低值包圍的低值區，指區域本身與其周邊的生態風險等級均較低，二者間的差異較小；“高—低”，即低值包圍的高值區，指區域本身的生態風險等級較高，周邊生態風險等級較低；“低—高”，即高值包圍的低值區，指區域自身生態風險等級較低，周邊地區生態風險等級水平較高，二者差異大。

圖3　研究區LISA聚集圖

3.3.2研究區生態風險空間自相關分析將Moran散點圖與LISA聚集圖結合分析，可見研究區生態風險強度主要呈現出隨距長江兩岸距離的增加，生態風險強度降低的空間分布特征，局部自相關性十分顯著。Moran指數計算得出為0.708 1，則說明其風險程度呈現出較高的正相關性和空間集聚性。其中，被高風險區包圍的高風險區主要集中在長江兩岸，此區域是整個研究區危險性最高的區域，不論是以上區域自身還是外圍地區生態風險強度都較高，這與此區域內人類活動較頻繁、不合理的土地利用有較為緊密的關系；被低風險區包圍的低風險區主要集中在研究區萬州段西部及豐都段東南部，其自身及周邊生態風險均較低，表明該區域土地利用較為合理，有益于生態環境的保護和良好發展，歸功于萬州段和豐都段相應區域良好的森林覆蓋率；被高風險區包圍的低風險區在研究區中分布較少，僅在研究區東北部及西南部零星分布，包括萬州段長江北岸、涪陵段長江北岸等區域，該區域雖然自身生態風險等級較低，但其被生態風險較高的區域包圍，存在潛在的危險性，對其進行土地的整治刻不容緩；被低風險區包圍的高風險區分布更為稀少，除萬州段長江沿岸及豐都、涪陵段長江北岸略有分布外，其余區域均無分布，此區域自身生態風險等級較高，但周圍生態風險等級較低，具備生態風險等級降低的條件，存在生態環境改善的可能，對此區域采取環境保護措施，有費力小、見效快的優勢。

4討 論

4.1　研究區生態風險與空間自相關分析的關系

在構建生態風險指數模型的基礎上，運用網格模型、普通Kriging插值等方法，對研究區生態風險進行綜合評估，并通過空間自相關分析，得出風險程度呈現出較高的正相關性和空間集聚性。本研究較前人研究創新之處在于，不只得出每個風險等級的土地利用合理性，更揭示了不同生態風險區相互影響關系[19-20]。將Moran散點圖與LISA顯著水平相結合，可以進一步分析各區域生態風險等級空間自相關的程度，得出研究區處于“高—高”值的區域生態風險更大，需要對其土地利用進行調整，主要集中在沿長江兩岸，其土地利用類型主要為建設用的和耕地，受人類活動影響大，生態風險等級高；“低—低”值區域多為林地、草地，植被覆蓋率高，生態風險等級低，應維持現狀，并加強保護。

4.2　研究區土地利用相對合理性指數與生態風險關系

結合研究區高程/坡度分類圖和生態風險圖并與土地利用相對合理性指數進行對比可以發現，二者呈現出反比例關系。研究區高生態風險區主要分布在150～300 m高程帶，0°～3°坡度帶，這是由于研究區內土地壓力加劇，人地矛盾突出所致[21]。從研究區不同坡度帶土地利用相對合理指數可以看出，需要加大治理力度的是15°～25°坡度帶中的撂荒土地，此坡度帶面積占研究區總面積的15.77%。坡耕地作為三峽庫區主要的侵蝕源，隨著高程/坡度帶內耕地面積的增加，土地利用相對合理指數下降，生態環境的破壞加劇，生態風險等級也隨之上升；反之，則相反。土地利用合理與否，密切聯系著庫區生態安全，是生態風險的主要影響因素。

4.3　基于生態風險的研究區土地利用優化

研究區土地利用方式是影響庫區生態風險的重要因子，為緩解生態惡化，研究區應結合自身高程、坡度、巖性及土壤等情況，調節不合理的土地利用方式，根據土地利用相對合理指數的變化，找到較適合的土地利用搭配方式，改善原有不合理生態環境，降低或規避生態風險。首先，對于145～175 m高程帶，這個區域屬于三峽庫區消落區，一般情況下，此區域內陸地不宜人為干擾，應嚴禁生產和開發活動。但考慮到植被保持水土的作用，可考慮在該區域種植耐淹、耐瘠薄且樹形較好的喬木或灌木，如垂柳、馬桑等，采用喬灌混交的方式種植，比純林更有助于保持水土[22]。其次，對于高于175 m高程區域土地利用優化，著重考慮坡度大于15°地區的坡耕地退耕，或對其進行梯田改造，以減少土壤侵蝕和農藥、化肥施用過量造成的面源污染，坡改梯對陡坡地區水土流失的防治也有一定的效果。對于城鎮地區，應控制固體廢棄物及生產生活污水的排放，以免造成城市點源污染。

5結 論

(1) 研究區生態風險等級的分布，隨著距離長江的增大，生態風險等級逐漸減低，其中較低生態風險區所占面積比重最大，達到36.77%，高生態風險區所占面積比重最小，為11.75%；各風險等級隨高程/坡度的增加，所占面積比均呈現出先增加后減小的趨勢，峰值出現的區域不一。

(2) 土地利用相對合理性指數隨著高程/坡度的增加，分別呈現出逐步增加和逐步遞減的變化趨勢，隨著各高程/坡度帶內耕地與建設用地分布的增加，土地利用相對合理性指數降低，且此指數變化與林地占地面積呈正比關系，在高于1 500 m高程帶/0°～3°坡度帶土地利用相對合理性指數達到最大值1，土地利用最合理。

(3) 研究區生態風險呈現出較高的正相關性和空間集聚性。“高—高”及“低—低”兩種相關性分布較廣，“高—高”主要分布在長江沿岸、“低—低”主要分布在萬州段西部及豐都段東南部；“高—低”及“低—高”分布較少，這部分區域最容易改善其生態風險狀態，應及時對土地利用不合理地區進行調整。

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Ecological Risk Assessment of Ecological Barrier Belt in Three Gorges Reservoir Area Based on Land Use

LI Xiaoran1, LI Yangbing1,2, HAN Fangfang3

(1.CollegeofGeographyandTourism,ChongqingNormalUniversity,Chongqing401331,China; 2.CollegeofGeographyandEnvironmentalSciences,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001,China; 3.TheSecondMiddleSchoolofChangjiCity,Changji,Xinjiang831100,China)

Abstract：[Objective] The purpose of the ecological risk assessment of the ecological barrier belt in Three Gorges Reservoir area was to provide a reasonable theoretical basis for ecological risk management and land use optimization of the reservoir area. [Methods] Based on remote sensing data, using RS and GIS technology, the land use relative rationality index was calculated and the ecological risk assessment model was built so as to evaluate the ecological risk of ecological barrier belt located in different altitude and slope quantificationally according to the ecological risk levels and spatial autocorrelation analysis. [Results] The results showed that the proportion of lower ecological risk area was maximum, covering an area of 36.77% of the total study area. Area assessed with great or more ecological risk distribute in both sides of the Yangtze River, where construction lands and farmlands are concentrated. The relative rationality index of land use increased gradually with the increase of elevation, decreased when slope gradient increases. The spatial autocorrelation analysis of ecological risk indicated that there was a significant partial correlation in the study area. [Conclusion] The ecological risk in the research area is generally at a low level, but optimization of land use in the areas with high risk still needs to be done preferentially.

Keywords:ecological barrier belt; ecological risk assessment; land use; the Three Gorges Reservoir area

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0188-07

中圖分類號：X321， F301.2

通信作者：李陽兵(1968—),男(漢族),重慶市人,博士,教授,主要從事土地利用與生態過程方面的研究。E-mail:li-yapin@sohu.com。

收稿日期：2014-08-08修回日期：2014-10-19

資助項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項”三峽庫區及上游流域農村面源污染控制技術與工程示范”(2012ZX07104-003)

第一作者：李瀟然(1991—),女(漢族),新疆自治區塔城市人,碩士研究生,研究方向為水資源與水環境保護。E-mail:494981733@qq.com。