李海毅+張贏月+李昭陽+李雪松

摘要：生態(tài)用地對流域安全具有重要意義，以吉林省遼河流域為例，選擇距河湖緩沖區(qū)距離、水源保護區(qū)類型、坡度、水質(zhì)4個阻力因子，在ArcGIS 10環(huán)境下構(gòu)建最小累積阻力模型（MCR），獲得單因子對研究區(qū)水環(huán)境安全的影響程度圖；進一步通過疊加計算，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，實現(xiàn)對研究區(qū)進行生態(tài)用地識別的目的。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)用地級別在一級區(qū)域中較多，并且呈散點狀分布；梨樹、公主嶺、雙遼部分地區(qū)水環(huán)境安全生態(tài)用地等級多數(shù)在二級以上，屬于重點研究區(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逐漸降低的趨勢，在用地識別上形成了條帶狀的高等級區(qū)域。

關(guān)鍵詞：生態(tài)用地識別；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： X171.1；P208文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）07-0216-04

隨著我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，生產(chǎn)建設(shè)對土地的需求日益旺盛，許多具有特殊生態(tài)價值的土地的生態(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)濟而大量損耗土地生態(tài)價值的不利局面，對生態(tài)用地的深入研究必不可少。生態(tài)用地識別是生態(tài)用地研究的重要步驟，1985年歐洲就已經(jīng)開始了生態(tài)用地識別的研究，在土地分類中將具有自然生態(tài)屬性類別單獨列出[1-2]；聯(lián)合國在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)用地識別的觀念。董雅文等在我國最早提出生態(tài)用地的概念，認為生態(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，認為凡是具有生態(tài)服務(wù)功能、對于生態(tài)系統(tǒng)和生物生境保護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)用地的識別中扮演著至關(guān)重要的角色，是生態(tài)用地識別的重要內(nèi)容。水環(huán)境安全是20世紀末提出的重要概念，屬于生態(tài)安全的重要組成部分[7]。早期研究認為，水環(huán)境安全就是水質(zhì)和水量的安全，而實際上這僅僅是水環(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，認為水環(huán)境安全是指在一定歷史階段和一定社會條件下，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)維持正常運轉(zhuǎn)對水環(huán)境系統(tǒng)功能的要求，并在長時間內(nèi)實現(xiàn)功能可持續(xù)發(fā)展和人類社會持續(xù)良性發(fā)展[10-11]。

在具體的生態(tài)用地規(guī)劃和識別方法方面也有許多學(xué)者進行了大量研究，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)，對生態(tài)用地概念進行補充完善[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)當量、lnvest模型生境質(zhì)量評估模塊和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)相結(jié)合的方法識別生態(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)）進行生態(tài)用地識別研究。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，中心思想為通過計算源地到每個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滇池流域進行了景觀生態(tài)安全格局分析[16]；劉孝富等通過建立2個不同過程的最小累積阻力差值，表面評價了福建省廈門市的土地生態(tài)適宜性[17]；俞孔堅等借助最小累積阻力模型，基于生物過程安全對北京市東三鄉(xiāng)的生態(tài)用地進行了分析識別，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、水源保護區(qū)類型、坡度、水質(zhì)4個阻力因子對吉林省遼河流域進行水環(huán)境安全生態(tài)用地識別。

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個地級市，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個縣（市）。巨大的人口數(shù)量和較高的人口密度對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的壓力，與此同時，流域的經(jīng)濟主要依靠農(nóng)業(yè)種植和畜牧業(yè)養(yǎng)殖來支撐，耕地面積的不斷擴大和畜禽養(yǎng)殖量的飛速增長已經(jīng)對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)用地識別方法——最小累計阻力模型

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，也稱最小費用距離，是指從源斑塊到達最近目標斑塊的過程中，穿過不同阻力的景觀時克服阻力所做的功或耗費的費用；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表示被評價的斑塊對于不同的源取阻力最小值；整個公式表示物種從源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)流擴散和支持的源點，是那些對生態(tài)過程起正向推動作用的景觀類型。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，各個湖泊、水庫、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，直接決定了用地識別的準確性和可信性。本研究基于3S技術(shù)選取了4個有代表性的單因子作為阻力因素進行分級計算，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價中，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。在本研究中，由于研究區(qū)整體地勢坡度較緩，因此適當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，在對研究區(qū)進行實地考察的過程中發(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，因此在對距河湖緩沖距離因子進行分級時充分考慮了這一實際情況，將其分為0、10、50、150 m 4個寬度等級進行研究。

不同等級的水源保護區(qū)對研究區(qū)水環(huán)境安全的影響程度也不同，自然與人文保護區(qū)內(nèi)的景觀生態(tài)需要得到最好的保護和恢復(fù)，對生態(tài)安全格局的恢復(fù)起著重要作用，因此對水環(huán)境安全程度的要求相對較高；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，對水資源環(huán)境的要求相對于保護區(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，對研究區(qū)水環(huán)境安全用地識別具有重要的作用。

本研究在充分考慮研究區(qū)實際情況并查閱大量相關(guān)文獻及參考資料后，通過專家討論制定了分級標準及權(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》等資料實現(xiàn)了水源保護區(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》《松遼流域水資源公報》以及相關(guān)參考文獻中的水質(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，對其進行逐個分析，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行計算，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)，進行緩沖區(qū)分析，將緩沖區(qū)分為<10、10～50、50～150、>150 m 4個等級，將繪制好的緩沖區(qū)距離圖作為成本柵格在Cost Distance中進行計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個等級，分別為保護區(qū)、開發(fā)利用區(qū)和緩沖區(qū)，繪制出水源保護區(qū)類型單因子阻力圖并以此作為成本柵格在cost distance中進行計算，得到最小累積單因子水源保護區(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中進行計算，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，按照自然斷點分類法分為4級，具體分級結(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)用地等級的高低，阻力值高的區(qū)域則生態(tài)用地重要性等級較高，反之則較低。通過對本研究中最小累積單因子阻力面的分析，4個阻力因子對研究區(qū)水環(huán)境安全的影響趨勢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別等級；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；楊木水庫以下至二龍山水庫河段，由于遼源市、白泉鎮(zhèn)的排污，河水污染嚴重；二龍山水庫以下河段，由于受面源污染及公主嶺市排污的影響，污染嚴重，水質(zhì)類別均為Ⅴ類；招蘇臺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。條子河上游下三臺水庫水質(zhì)較好，水質(zhì)類別為Ⅲ類，下游受四平市排污的影響，河水污染嚴重，水質(zhì)類別為Ⅴ類，阻力值分布也按照相同趨勢體現(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個阻力指標的計算下均表現(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

通過對最小累積多因子阻力面（圖7）進行分析，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（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)用地級別在一級區(qū)域中較多，并且呈散點狀分布；該區(qū)域水環(huán)境安全方面保護相對較好，由于在地理位置上該區(qū)域處于東遼河源頭區(qū)，污染相對較少，保護措施較完善，因此呈現(xiàn)出的阻力等級也較低，研究結(jié)果符合實際情況。

雙遼、公主嶺及梨樹地區(qū)均存在用地識別等級為四級的極重要區(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逐漸降低的趨勢，因此在空間用地識別上形成了1個條帶狀的高等級區(qū)域。該區(qū)域范圍東遼河流勢發(fā)生了變化，由西北流向轉(zhuǎn)向了西南流向，并且該區(qū)域地勢平緩，流速較低，不利于水體的自凈；同時該區(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)出阻力等級較高，研究結(jié)果合理，屬于用地識別極重要區(qū)域。

4創(chuàng)新與展望

在國內(nèi)外現(xiàn)有的研究進展中，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)用地識別領(lǐng)域，拓寬了最小累積阻力模型的應(yīng)用范圍，同時，對吉林省遼河流域用地識別方面的研究具有現(xiàn)實意義。

本研究在空間角度對研究區(qū)水環(huán)境安全用地進行識別，因此在阻力因子的選取上，選擇了能夠?qū)崿F(xiàn)空間化的因子進行計算與分析，一些社會經(jīng)濟指標由于以行政區(qū)為統(tǒng)計單位，無法進行有效的空間化因而只能舍棄。在進一步的研究中，會逐步加入更多類型的指標，涵蓋水環(huán)境安全、土壤以及生物多樣性等方面，更加全面地對研究區(qū)生態(tài)用地進行識別研究。

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