基于景觀生態風險格局的鹽堿地分區規劃防治研究
——以黑龍江省林甸縣為例

林 佳,宋 戈,張 瑩

東北大學土地管理研究所, 沈陽 110169

土地鹽堿化是阻礙區域生態和經濟可持續發展的世界性環境問題之一,如何預防和治理土地鹽堿化一直是國際學術界研究的熱點[1- 2]。目前,全球鹽堿化面積已達9.6億hm2,其中,松嫩平原鹽堿化土地面積約為343萬hm2,是世界三大鹽漬土集中分布地區之一[1-3]。隨著工業化和城市化進程的加速發展,人地矛盾不斷加劇,不合理的土地利用方式促使土地鹽堿化問題愈發嚴重。同時,松嫩平原地區作為我國重要的糧食生產基地,土地鹽堿化問題直接影響其農牧業發展,進而威脅國家糧食安全。相對于對已經鹽堿化的土地進行恢復治理而言,對鹽堿化進行預防則更具有生態意義,其經濟成本也更低。因此,如何對區域土地鹽堿化進行有針對性的空間規劃,實現以相對較低的經濟成本對產生土地鹽堿化的風險進行防控,是關系到區域生態經濟可持續發展及維護國家糧食安全的重要科學問題。

土地鹽堿化理論研究開展的較早,20世紀60年代起就大量開展鹽堿地理化性質實驗[4-6]、土壤水鹽運動[7- 11]、鹽堿地工程治理[12-14]、鹽堿地植物改良[15-19]、鹽堿化預測[20- 22]和鹽堿化風險[23-26]等研究。其中,對鹽堿化風險的研究相對較少,而以鹽堿化風險分析為基礎進行區域規劃防治的研究則更少。傳統的研究方法以構建指標體系對鹽堿化風險指數進行計算的研究居多,這降低了指導大尺度的土壤鹽堿化綜合治理的實踐價值;隨著遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術的廣泛應用,使人們可以在較短時間內對鹽堿地變化進行大范圍的把握,這促使鹽堿化研究從單純的數量化研究轉向空間化研究[17,20,22,24-26],但利用土地鹽堿化風險格局進行空間化的研究結果中,進行有重點性和階段性的規劃防控研究尚顯不足。鹽堿地作為一種特殊的生態景觀,與區域其他景觀要素均具有不同程度的相互作用和影響;同時,作為土地退化現象的一種,是各種不利因素綜合作用的結果,體現了區域景觀的生態風險性[27-28]。依據景觀生態學和景觀生態規劃原理,應用最小累積阻力模型(Minimal Cumulative Resistance, MCR)構建地區景觀生態風險格局[30- 33],并在此基礎上進行鹽堿地防治規劃,這為大尺度的土地鹽堿化綜合防治提供了新的思路和方法,對實現區域生態恢復、土地資源可持續利和保障糧食安全具有重要意義。

林甸縣是扎龍濕地自然保護區的重要組成部分,是具有全球性珍稀野生動物保護意義的關鍵區域之一,也是松嫩平原中部糧食主產區之一。由于該地區位于松遼盆地中央坳陷區北部,地勢低洼、水資源豐富、土壤含鹽量高,加之土地的不合理利用,極易發生土壤鹽堿化現象,同時,該地區是黑龍江省重要的國營農林牧漁場所在地之一,因此,規劃預防土壤鹽堿化是保護區域生態安全和國家糧食安全的亟待解決的問題之一。本文以大慶市林甸縣為例,基于景觀生態學的理論和方法,從鹽堿地形成的生態過程出發,通過對生態流分析和生態阻力面構建,構建研究區景觀生態風險格局;結合關鍵景觀與鹽堿地的生態廊道分析等方法,對鹽堿地防治的適宜程度進行分區;并進一步確定核心防治區域,對適宜采取措施進行防治的地區進行空間定位,確定能以最小的成本實現較佳的防治效果的區域,為下一步的土地整治規劃和區域生態可持續發展研究提供基礎和參考。

1 研究區概況

林甸縣位于松遼盆地中央坳陷區北部,隸屬于大慶市,是“哈大齊”工業走廊中心地帶,距省會哈爾濱230 km。林甸縣幅員面積3503 km2,下轄4鎮4鄉3個林牧葦場,83個行政村,551個自然屯。2015年底,總人口28萬人。林甸縣屬北溫帶大陸性季風氣候,少雨大風,返鹽季節(4、5、6月)蒸發量是降水量的5倍,四季溫差較大,年平均氣溫4℃,年平均降水量417.2 mm。林甸縣土壤類型以碳酸鹽草甸土、碳酸鹽黑鈣土為主,約占土地總面積的86%。林甸縣有濕地面積820 km2,占總面積的23.4%,扎龍自然保護區(世界八大濕地保護區之一)核心區位于林甸境內;有葦塘233 km2,是黑龍江省第二大蘆葦生產基地。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本文以Landsat 8衛星2016年的TM遙感影像為基礎數據,空間分辨率為30 m。采用ENVI軟件為技術平臺,結合研究區土地利用現狀圖、規劃圖和1∶5萬地形圖等圖件為輔助圖件數據,對研究區沼澤濕地、建設用地(包括居民點和公路)、耕地、鹽堿地進行遙感解譯。由于RVI(比值植被指數)對綠色植物非常敏感,利用該指數的計算結果提取建設用地、鹽堿地、裸地和水域,再進一步建立解譯標志,分別提取鹽堿地和建設用地,將不需要的用地從圖像上掩膜掉。利用TM影像的熱紅外波段對水體敏感的特點,對研究區水域和沼澤濕地進行提取,并把水域提取并掩膜掉,得到沼澤濕地的分布。分類結果經過驗證,分類精度符合要求。高程數據來源于地理空間數據云,空間分辨率為30 m,坡度和坡向數據則利用ArcGIS 10軟件的分析功能由DEM數據生成。以聯合國糧農組織(FAO)的1∶100萬中國土壤數據為基礎,結合研究區實地采樣加密,獲取研究區1∶5萬的土壤類型數據及土壤質地數據,其中包括表層土壤(0—30 cm)質地和深層土壤(30—100 cm)質地數據。研究區植被覆蓋狀態采用歸一化植被覆蓋指數NDVI來表示,利用ENVI軟件從遙感影像上計算所得。

2.2 研究區景觀生態風險格局構建

2.2.1 風險源的確定

多數學者認為景觀生態風險指自然或人為因素影響下景觀格局與生態過程相互作用可能產生的不利后果[29-30]。因此,其內涵注重景觀要素對內部風險源和外部干擾響應的生態過程及作用結果,在現實中表現為土地發生鹽堿化等不利的后果?！帮L險源”是指在一定時空尺度下的景觀生態過程中,對區域景觀生態安全產生威脅的景觀類型[31],因此,鹽堿地作是本區域的風險源。

2.2.2 景觀生態風險阻力面的建立

根據島嶼生物地理學理論、復合種群理論和滲透理論[29-30]可以知道生境斑塊之間需要有一定的連續性才能保證斑塊之間的過程和功能聯系。根據擴散作用和景觀重力原理[28-32],可以假設研究區內任意風險源與任意斑塊都存在相互作用和空間連通的可能;作用力的大小與兩者間距離成反比,如果距離過遠,其相互作用關系可以忽略不計;且空間連通會受到各種阻礙,需要付出一定的代價才能實現,當代價超出閾值時,便可以說兩者不連通。這實質是表現風險源對其周圍一定空間距離的生態環境造成影響的能力。鹽堿地(風險源)地作為生境斑塊的一種,與其他景觀和生境都存在著不同程度的連接,在這些連接中產生物質流,從而使兩個相連的生境相互影響,產生生態風險。

這些連接是通過生態流克服阻力來實現,其阻力面反映了生態用地空間連通的趨勢[28- 32]。因此,要先分析對風險源(鹽堿地)造成影響的主要物質流,確定對物質流遷移造成主要影響的因素,采用理論地理學中的表面模型——最小累積阻力模型來建立阻力面。阻力面模型計算后的累積阻力面圖(圖1)是以風險源分布為核心,表現風險源到空間任意一點的累積阻力值,離“風險源”越近阻力值越小,反之阻力值越大。計算公式如下[19-20]：

式中,MCR為物種由源擴散到空間某一點的最小累計阻力;Dij為物種從源j到景觀類型i的空間距離;Ri為景觀類型i對物種遷移運動阻力值,由景觀基質的基本特征和物種本身的擴散能力決定;n,m為源與景觀類型的數目。

水無疑是對其鹽堿地(風險源)的形成影響的物質流[4- 15],在考慮研究區阻力因素的時候,主要考慮對水分遷移造成影響的因素,這包括了地上和地下兩個部分的因素：根據研究區的實際情況可知,該地區的水源主要來自于降水和地下水,河流位于研究區的下游,并不是主要的水源。在研究區范圍內,降水可以看成是均勻分布的,此外,土壤中的水分主要來源于淺層地下水補給和承壓水的人工灌溉,因而此部分所考慮的阻力因素是具有全局性的因素,本文選取高程、坡度、植被覆蓋和土壤質地(表層、深層)這5種因素作為全局因素。而沼澤濕地、水域、溝渠等用地類型即可成為水分來源,也可以成為排水的途徑,其作用不具有全局性,因此將其作為關鍵景觀來分析其具體作用。另外,根據實地考察和相關研究[33-34]表明,研究區地下水中潛水深度為3—5 m,且流動緩慢,這是造成研究區土地易發生鹽堿化的因素之一,但其深度變化符合高程變化規律,且能否產生鹽堿化主要取決于土壤質地和植被覆蓋率的影響,以及距排水途徑(如河流、溝渠)的距離遠近的影響,因此,未將其列為單獨的因素進行分析。

高程因素決定了地表徑流和地下徑流的方向,相對高程越高,水的重力勢能越大,對水的阻力值Ri越低。坡度則是影響水分流動的速度,坡度越陡峭,對水的阻力值Ri越低。植被對水的阻力體現在植株對水分的吸收和蒸發作用上,因此植物覆蓋度(NDVI)越高,其阻力值Ri越高,同時,這一因素也表現了不同的地表土地利用類型對水分遷移的阻力大小,例如建設用地和裸地對水分遷移的阻礙程度較低,而耕地和林地對水分遷移的阻礙程度較高。土壤具有固水的作用,水分在土壤中的形態包括了氣態水、液態水和固態水,其中對水分遷移的作用主要體現在液態水的地表入滲水和地下上升水兩種形式;對這兩種形式產生作用的是土壤的質地,土壤的質地越偏向于砂土,固水能力越差,既其阻力值Ri越小,越偏向于粘土,固水能力越強,既其阻力值Ri越大;土壤表層土和深層土質地略有不同,表層土的質地決定了其入滲能力大小,深層土決定了其對上升水作用的大小,本文將其作為兩個因素予以分別計算。研究區土壤類型主要有典型黑土、石灰性黑鈣土、石灰性黑土、淺育黑鈣土、淺育黑土和松軟淺育土。按照《國際制土壤質地分級標準》,根據土壤的粘粒比和砂粒比,將研究區淺層土壤分為粘土、壤質粘土和粉砂質粘壤土,將深層土壤分為壤質粘土、粉砂質粘土和粉砂質粘壤土,分別對應賦予相對阻力值。阻力值實際是對其影響水流動的作用大小的相對差異,只需要表現出各因素內部的相對差異即可,因此只需對每類因子分為5級,并依次賦予1—5分。本文采用ArcGIS 10軟件分類工具中自然斷裂法(Natural Bresaks (Jenks))分別對各阻力值進行分級(C1—C5)(表1),該方法可使各個類之間的差異最大化,最終疊加出阻力面分布圖。

表1 阻力值分級

C1—C5(Class1—Class5)是對各阻力值進行的分級

2.2.3 景觀生態風險等級劃分

因為景觀生態風險阻力是在空間上連續的函數,要得到景觀生態風險格局就需要進行風險等級劃分。擬將研究區景觀生態風險等級分為高危區、重度危險區、中度危險區、輕度危險區和安全區5個等級。通過對比劃分景觀生態風險等級的區間值的方法的表現結果,本文確定采用ArcGIS 10軟件分類工具中的幾何間隔法(Geometrical interval)對計算結果確定分類分級值,該方法可確保每個所擁有的值的數量大致相等。

2.3 研究區鹽堿地防治分區的建立

2.3.1 關鍵景觀的確定與生態廊道的識別

本文根據景觀生態風險格局進一步將處于景觀生態高危區或者重度危險區,對研究區鹽堿地的形成起到了至關重要作用,又或者需要重點保護的景觀類型做為關鍵景觀。分析關鍵景觀與鹽堿地之間的連通關系,進而在空間上進行定位,將更有利于對鹽堿地進行防治。理論上,兩點間的累積路徑成本與距離成正比,且兩點之間線段最短。但在實際中,由地面上一點到另一點的最短成本路徑要考慮實地的可達性和表面的粗糙度,因此,最短成本路徑是一條有方向的曲線。在計算兩個景觀類型之間的最短成本路徑是還要考慮兩個斑塊自身的面積大小。任意一個景觀都有若干個起點,而另一個景觀都有若干個終點,有且只有一對點的成本路徑最短。而其他的路徑雖然不是最短,但是仍然可以有效連通兩個景觀,對研究區鹽堿地的防治依然具有重要意義,這些有效路徑的集合就形成了兩個景觀間的生態廊道。其計算方法為：

假設CRAB是由A景觀中任意一點a出發到B景觀中任意一點b的累積阻力,CRBA是由B景觀中任意一點b′出發到A景觀中任意一點a′的累積阻力,則有：

2.3.2 鹽堿地防治分區

對鹽堿地進行分區防治的主要目的是判斷哪些地區最易產生鹽堿化問題,對預防、治理鹽堿地和保護生態景觀至關重要。到達不同關鍵景觀的生態廊道的交叉重疊部分是從風險源到關鍵景觀阻力最低的區域,也就是最關鍵的部位,本文將這些地區作為重點防治地區。本文采用ArcGIS 10軟件的空間分析功能,將景觀生態廊道進行疊加,并根據數值的高低,采用幾何間隔法(Geometrical interval)的進行分類,分別確定重點治理地區、一般防治區、風險監督區、風險預防區和無措施區。

2.3.3 防治核心的建立

鹽堿地防治分區實際是針對鹽堿化防治的緊迫程度進行的劃分。在實際的鹽堿化防治過程中,除了按緊迫程度以外,更需要分主次安排治理。本文將重點防治地區與景觀生態風險格局進行疊加分析,采用重點防治區中處于高風險的地區作為防治的核心。同理,在每個防治分區,均可以采用同樣的方法確定該區域的“防治核心”,但是每個“防治核心”間仍然按照分區的主次有所偏重,最終實現有主次的鹽堿地分區防治。

3 研究結果

3.1 風險源和生態流阻力面結果分析

2016年林甸縣的風險源(鹽堿地)面積有263 km2,主要分布在研究區東部和南部。對比其他用地類型,發現風險源主要分布在研究區的下游。根據阻力值疊加圖(圖1)可知,阻力疊加值總體上呈現東北高、西南和南部低的趨勢。其中,高阻力值(阻力值為17—20)地區呈兩個條帶狀分布,該區域形成的阻力面在空間上呈現以風險源為核心的“孤島”形態(圖1),說明風險源與周圍環境的連通性很差;中阻力值(阻力值為14—16)地區在中部地區均勻分布,該區域形成的以風險源為核心的阻力面變化減緩,說明風險源與周圍環境的連通性雖然增強,但仍相對較低;低阻力值(阻力值為8—13)地區,該區域形成的以風險源為核心的阻力面集中連片,說明在這些區域風險源與周圍環境的連通性很強。

圖1 累積阻力面和土地退化風險格局Fig.1 The cumulative resistance surface and the land degradation risk pattern

3.2 研究區景觀生態風險格局特征分析

采用幾何間隔法分級結果顯示：高危區、重度危險區、中度危險區面積分別占總面積的30.95%、10.29%和22.42%,面積最少的是安全區,僅占7.46%?？傮w呈現西部和南部的景觀生態風險等級較高,東北部、中部和西南部較為安全的格局特征(圖1)。其中,高危區和重度危險區主要分布在地區下游的紅旗鎮、三合鄉、四合鄉和國營農林牧場;輕度危險區和安全區主要分布在四合鄉、花園鄉、東興鄉和國營農林牧場(表2)。

3.3 研究區鹽堿地防治分區及結果分析

對溝渠和水域的廊道進行分析表明阻力值為1的地區是溝渠或水域到風險源阻力最低的地區(圖2),因此應該在這些地區加大力度進行排水工程。并根據阻力值的高低,盡量通過低阻力的地區將溝渠間廊道、溝渠和水域間廊道進行人工連通,以最大限度的保證多余水分的快速排出、上游灌溉用水的及時補充和利于進行土壤去鹽處理,進而以最低的成本達到最有效的預防土壤鹽堿化和降低土壤鹽堿度的目的。

對于降低區域景觀生態風險的重要目的之一是保護生態用地,提高區域生態安全。因此,對于沼澤濕地與鹽堿地之間阻力值較低的地區,既沼澤濕地生態廊道(圖2),應采取措施對水分遷移加以阻隔,以減少鹽分流入沼澤濕地,同時保證降雨和地下水等淡水的流入。從而在實現在防治鹽堿地的同時,在一定程度上調節區域氣候、預防洪澇災害。

表2 風險等級分布/km2

圖2 林甸縣各關鍵景觀的生態廊道空間分布Fig.2 The landscape ecological corridors spatial distribution

根據對這些生態廊道的疊加分析可分為重點防治區、一般防治區、風險監督區、風險預防區和無措施區(圖3)。且按照不同區域的特點,應采取不同的防治措施,進而確定治理目標的優先順序,以實現分階段、分主次進行治理。

重點防治地區是多重廊道組合的最關鍵地區,通過分析每個防治分區中的景觀生態風險程度,應優先對重點防治區進行規劃治理(圖3),因此,對該區域進行進一步的分析規劃發現：該地區景觀生態風險等級處于高危級別的土地面積占62.24%,重度危險區占12.95%,中度危險區占19.88%,輕度危險區僅占4.93%,并沒有安全區;一般防治地區作為重點防治地區與風險監督地區的緩沖地帶,是降低區域景觀生態風險和保護生態景觀的重要地區,與重點防治區一起,組成“東北-西南”和“東北-西南”兩個防治景觀生態廊道,呈現“人”字形分布,分別為“東北-西南”沿四合鄉政府-合勝村-南崗村-勝利村-建國村-林甸縣農副業基地-東升水庫-國營葦場一線為第一生態廊道,“東北-西南”沿豐產村-福興村-長青林場-發展村-向前村-花園鎮-國有草原一線為第二生態廊道。風險監督區和風險預防區是既存在潛在鹽堿化風險又對鹽堿化具有一定抗性的區域,這個區域的景觀相對穩定,占地面積較大,且易于改良。

4 討論

從阻力值疊加和景觀生態風險格局特征上看,林甸縣鹽堿地總體上是受到高程和坡度阻力值的影響,從而呈現沿等高線逐漸向高程低的地區集聚的總體特征,但局部地區鹽堿化程度主要受地表植被覆蓋、人工地物類型和地下土壤理化性質的影響,呈現不規則分布。本研究將這些因素對土壤鹽堿化的綜合作用結果進行了空間化分析,其中,高阻力值地區呈現兩個條帶狀分布,這主要是由高程快速變化導致的,該地區地勢相對較高,且植被生長茂盛;中阻力值主要因為其植被覆蓋度高,中高阻力值地區均以耕地、林地和牧草地為主要用地類型;低阻力值地區地勢相對低洼,或植被覆蓋水平低,具體表現為沿建設用地、溝渠、沼澤濕地和水域等景觀類型的外圍分布,說明除自然條件使該地區土壤易于鹽堿化以外,人為因素也對其土壤鹽堿化具有關鍵性作用。建設用地、耕地和牧草地等人工和半人工景觀,與自然景觀相比透水能力較弱,且本文獲取數據的時間正值7月末,是植物茂盛的時期,符合高阻力面分布規律。

與累積阻力面相對應的景觀生態風險格局特征表明,易于鹽堿化的地區(風險高危區和風險重度危險區)已占林甸縣面積的41.24%,且林甸縣自然生境脆弱,對該區域進行土壤鹽堿化防治迫在眉睫。人為作用主要表現為改變土地利用/覆被和土壤結構,進而對地表水和地下水進行大面積影響,而不能在大范圍內對鹽堿地進行直接的影響。林甸縣自2002年起在三合鄉由省農委投資的重點鹽堿地改良水田種植實驗區,到2012年已經能實現水稻平均畝產4625.37 kg/hm2。但這些方法仍只關注某一局部地區的的鹽堿地治理,尚缺乏全區域的長遠規劃,這往往導致對上游進行鹽堿化治理可能會加重下游鹽堿化,治理不分主次,不利于降低治理成本。根據生態廊道分析表明,四合鄉處于三合鄉的上游,處于同一生態廊道的兩端,二者的鹽堿地治理具有緊密的聯系,對四合鄉鹽堿地的治理可以提高三合鄉鹽堿地治理效率,但對四合鄉鹽堿地的開發利用也可能加重三合鄉的鹽堿化,而目前的鹽堿地治理或者開發均較少考慮這些相關作用。

2017年的“十九大”報告中闡述了加快生態文明體制改革的重要內容,鹽堿地開發與治理將產生巨大的經濟和社會效益,促進林甸縣走綠色發展的道路,而科學的鹽堿地規劃防治是保障其合理開發的重要前提。因此,建議重點對治理核心區和治理次核心區分階段進行防治,在該區域應該加強水利設施建設,沿生態廊道采用灌排洗鹽法相結合的方法洗鹽排堿,并禁止進行大規模建設用地建設,對適合開發的鹽堿地進行優先開發。同時,第一生態廊道的下游是扎龍珍稀野生動物保護區,因此,該區域不僅要保證排水通道暢通,還要將區域鹽分的排入口與沼澤濕地的水源相分離,防止過多的鹽分流入沼澤濕地而加重鹽堿化。一般防治地區應該重點維護景觀穩定,種植耐鹽作物或者發展改良水稻種植,在實現鹽堿化防治的同時提高經濟效益。風險監督區和風險預防區應重點降低土壤鹽堿度對人類的開發和干擾的敏感程度,適度的進行開發,優化土地資源配置。

5 結論

本文以景觀生態學理論和方法為基礎,基于最小阻力模型分析了區域景觀生態風險,實現充分利用已有自然和人工條件,以保護沼澤濕地(關鍵景觀)為目標的土地鹽堿化分區規劃防治,主要的結論如下：

(1)林甸縣景觀風險等級分布總體特征主要受高程影響,但人為因素對其景觀生態風險格局的形成起到決定性的作用;

(2)溝渠、沼澤濕地、水域與鹽堿地構成了生態廊道,處于廊道內的地區具有最高的連通性,連通性的高低變化決定了鹽堿地防治分區的劃分;

(3)重點防治區中的核心區所在地是可以實現以最低成本實現最大防治效益的地區,應在此地采取措施進行鹽堿化的防治,需從區域整體角度,充分考慮上游對下游的影響,堅持預防與治理相結合的原則。