朱康文,雷波,陳玉成,3,黃昌前,張晟,何君,李劍

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；3.農(nóng)村清潔工程重慶市工程研究中心，重慶 400716；4.重慶市綦江區(qū)生態(tài)環(huán)境局，重慶 400803；5.重慶市生態(tài)環(huán)境局，重慶 401147)

隨著生態(tài)文明建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，圍繞山水林田湖草系統(tǒng)建設(shè)開展了一系列生態(tài)保護(hù)措施，我國水環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善[1-2]。為持續(xù)保障水環(huán)境質(zhì)量，近年我國針對長江經(jīng)濟(jì)帶沿線1 km范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)布局進(jìn)行了一系列調(diào)整，以此應(yīng)對生態(tài)保護(hù)方面的挑戰(zhàn)。同時，為有效控制農(nóng)業(yè)面源污染、提升區(qū)域生物多樣性、有效預(yù)防水土流失等方面的問題，參考國際在生態(tài)帶方面的研究提出了生態(tài)廊道的概念[3]。生態(tài)廊道對于區(qū)域生物多樣性保護(hù)、污染物過濾、防止水土流失等生態(tài)功能保障方面有很好的作用[4]。三峽庫區(qū)消落帶(簡稱“消落帶”)是全球面積較大的水陸交替帶區(qū)域，已有研究表明，其隨季節(jié)變化的周期性水位變化造成水體環(huán)境污染、水土流失嚴(yán)重、生物多樣性減少等方面問題較為嚴(yán)重[5-9]。生態(tài)廊道建設(shè)的本質(zhì)就是區(qū)域景觀格局的優(yōu)化，主要以污染型景觀用地退出，消納污染物型景觀增加為主[10]。因此，為有效判斷消落帶生態(tài)廊道區(qū)急需景觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化的區(qū)域，需要分析不同區(qū)域污染風(fēng)險情況，以及污染型景觀與消納污染物型景觀分布構(gòu)成情況，為生態(tài)廊道構(gòu)建提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

研究基于DEM數(shù)據(jù)和Landsat水體數(shù)據(jù)，識別三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)廊道區(qū)，根據(jù)長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)保護(hù)總體要求，長江沿線1 km范圍內(nèi)屬于污染型企業(yè)嚴(yán)格控制區(qū)域，因此，以消落帶向外1 km范圍作為生態(tài)廊道區(qū)。以此為基礎(chǔ)結(jié)合2017年土地利用數(shù)據(jù)，構(gòu)建污染風(fēng)險指數(shù)，采用“源-匯”理論[11]、核密度、Getis-Ord Gi*方法分析區(qū)域內(nèi)污染風(fēng)險與景觀變化之間的空間關(guān)系。

1.1 研究區(qū)

三峽庫區(qū)消落帶由重慶市江津區(qū)從西向東至湖北省宜昌市，涉及重慶市和湖北省的26個區(qū)縣[12]。整個三峽庫區(qū)區(qū)域內(nèi)地貌以山地、丘陵為主，消落帶區(qū)域坡度相對較高，水土流失、面源污染危害嚴(yán)重[13]。植被以針闊葉林、經(jīng)果林、灌叢、草地覆蓋為主[14-15]，本研究提出的消落帶生態(tài)廊道區(qū)范圍內(nèi)因離水源較近等原因?qū)е赂夭季直戎剌^大。因此，消落帶生態(tài)廊道區(qū)內(nèi)水環(huán)境污染風(fēng)險較高，是當(dāng)前生態(tài)保護(hù)、生態(tài)修復(fù)的重點、熱點區(qū)域之一。

1.2 消落帶生態(tài)廊道識別

三峽庫區(qū)消落帶根據(jù)DEM數(shù)據(jù)(中國科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺，http://www.gscloud.cn數(shù)據(jù)分辨率30 m)[16]、Landsat中國內(nèi)陸水體信息數(shù)據(jù)(此數(shù)據(jù)是結(jié)合水體亮度值在TM/ETM影像的2、3、4、5波段上的差別來進(jìn)行判斷，計算式為(TM2+TM3)/(TM4+TM5)>k1，來源同DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為GIS軟件的.shp矢量格式)等多源數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行提取[17,18]。本研究提取過程中與常規(guī)做法不同的是在流量獲取過程中采用不同土地利用類型的滲透率難易程度作為權(quán)重輸入進(jìn)行校正以提高準(zhǔn)確性。

圖1 河網(wǎng)提取流程圖Fig.1 The flowchart of river network extraction

1.3 污染風(fēng)險指數(shù)

污染風(fēng)險指數(shù)參考污染物從“源”地到“匯”地的“源-匯”思路，將區(qū)域內(nèi)耕地、建設(shè)用地、其他用地作為“源”地，將林地、草地作為“匯”地，那么污染物從“源”地進(jìn)入“匯”地過程與區(qū)域范圍內(nèi)“源”地、“匯”地比例具有明顯的相關(guān)性?；诖搜芯繕?gòu)建污染風(fēng)險指數(shù)，見式(1)。

(1)

式中：R為污染風(fēng)險指數(shù);AS和AC為“源”地、“匯”地面積。值R∈(0，1)，按照0～0.2、0.2～0.4、0.4～0.6、0.6～0.8、0.8～1分為無風(fēng)險、低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險、極高風(fēng)險。

1.4 景觀空間布局

為體現(xiàn)城市發(fā)展進(jìn)程上的差異性，土地利用數(shù)據(jù)采用2017年數(shù)據(jù)，來自清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系網(wǎng)站，數(shù)據(jù)分辨率為30 m。根據(jù)研究需要將土地利用類型分為6類：建設(shè)用地、林地、草地、耕地、水域、其他用地，分布賦值為1、2、3、4、5、6。

為探討生態(tài)廊道區(qū)景觀空間差異，及其與污染風(fēng)險指數(shù)之間的耦合情況，研究采用核密度、Getis-Ord Gi*方法進(jìn)行分析。核密度、Getis-Ord Gi*用于識別“源”地、“匯”地具有統(tǒng)計顯著性的高值(熱點)和低值(冷點)的空間聚類[19]，具體方法見文獻(xiàn)[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶生態(tài)廊道劃分結(jié)果

根據(jù)2.1方法提取得到消落帶范圍，并進(jìn)行1 km陸域范圍的距離緩沖，形成消落帶生態(tài)廊道區(qū)。為細(xì)化不同區(qū)域具體景觀情況，同時為分析不同河流的污染風(fēng)險情況，將消落帶所有流域中面積大于10 km2的區(qū)域單獨形成一個小區(qū)，因此，共提取得到29個小區(qū)(表1、圖2)。

圖2 三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)廊道區(qū)分布圖Fig.2 Distribution map of ecological corridor area in the hydro-fluctuation band

表1 三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)廊道小區(qū)統(tǒng)計表

2.2 污染風(fēng)險指數(shù)測算結(jié)果

消落帶生態(tài)廊道29個小區(qū)污染風(fēng)險等級測算結(jié)果如圖3所示，整體來看以中風(fēng)險、低風(fēng)險等級為主；高風(fēng)險區(qū)為嘉陵江、渠溪河、苧溪河和朱衣河，主要位于庫區(qū)中上游；無風(fēng)險區(qū)為九畹溪、百歲溪、童莊河、良斗河，主要位于庫區(qū)下游。高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險、無風(fēng)險比例分別為13.79%、37.93%、34.49%、13.79%。

圖3 生態(tài)廊道小區(qū)污染風(fēng)險等級分布圖Fig.3 Distribution map of pollution risk level of ecological corridor districts

圖4 “源”地、“匯”地的核密度分布圖Fig.4 Distribution map of kernel density of Source and Sink Areas

圖5 “源”地及“匯”地的熱點分布圖Fig.5 Distribution map of hot spots of “source” and “sink” areas

2.3 景觀空間布局分析

2.3.1“源”地、“匯”地核密度分析

采用GIS軟件中核密度分析工具，對生態(tài)廊道區(qū)的“源”地、“匯”地分別進(jìn)行核密度測算。圖中結(jié)果可以看出“源”地核密度高值主要分布在嘉陵江、御臨河、渠溪河、苧溪河、朱衣河、小江小區(qū)，“匯”地主要分布在烏江、龍河、湯溪河、磨刀溪、石蘆河、沙鎮(zhèn)溪、良斗河、童莊河、香溪河、九畹溪、百歲溪小區(qū)?？傮w上看，“源”地呈現(xiàn)出西高東低的特點，“匯”地呈現(xiàn)出西低東高的特點；整體上“匯”地比“源”地在空間上集聚程度更高。

2.3.2“源”地、“匯”地Getis-Ord Gi*分析

“源”地、“匯”地的Getis-Ord Gi*分析得到2種類型的熱點分布情況，熱點分析結(jié)果可以識別出“源”地在不同置信區(qū)間下的集聚區(qū)域和“匯”地在不同置信區(qū)間下的分散區(qū)域(置信度代表數(shù)據(jù)為隨機(jī)生成的指數(shù))。圖中可以看出“源”地?zé)狳c區(qū)域主要分布集中在4段區(qū)域：嘉陵江—龍河小區(qū)段、東溪河—苧溪河小區(qū)段、小江小區(qū)、朱衣河—大溪河(不含長江干流區(qū)域)小區(qū)段，同時大寧河、沿渡河小區(qū)部分區(qū)域也有少量熱點區(qū)分布?！皡R”地?zé)狳c在上游區(qū)域分布較少，僅有烏江、龍河小區(qū)以及龍河—苧溪河小區(qū)之間的長江干流區(qū)域有分布，苧溪河小區(qū)下游“匯”地?zé)狳c區(qū)分布較廣，存在明顯的連片分布趨勢。

3 結(jié)論

1) 消落帶生態(tài)廊道區(qū)污染風(fēng)險空間差異大。研究結(jié)果表明：小江小區(qū)上游區(qū)域整體污染風(fēng)險較高，其下游區(qū)域整體污染風(fēng)險較低，呈現(xiàn)明顯的“西高東低”的格局，因此，區(qū)域污染風(fēng)險防控重點應(yīng)在其上游區(qū)域。

2) 景觀構(gòu)成與污染風(fēng)險在空間上具有高度一致性。根據(jù)污染風(fēng)險指數(shù)結(jié)果與“源”地、“匯”地核密度、Getis-Ord Gi*分析結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，污染高風(fēng)險區(qū)與“源”地核密度高值區(qū)、“源”地?zé)狳c區(qū)高度相關(guān)，污染風(fēng)險低風(fēng)險、無風(fēng)險區(qū)與“匯”地核密度高值區(qū)高度相關(guān)。

3) 景觀優(yōu)化可以有效降低污染風(fēng)險。根據(jù)研究結(jié)果，“源”地占比面積小于“源-匯”地面積40%時污染風(fēng)險較低，表明增加林地、草地等“匯”地類型布局將有效緩解區(qū)域水環(huán)境污染風(fēng)險?！霸础钡馗叨燃鄣膮^(qū)域應(yīng)是防控水環(huán)境污染風(fēng)險的重點區(qū)域。

研究針對消落帶生態(tài)廊道區(qū)各小區(qū)污染風(fēng)險情況進(jìn)行測算分析，從大尺度得到了區(qū)域污染風(fēng)險防控重點小區(qū)，并通過核密度、Getis-Ord Gi*分析等識別了“源”地、“匯”地集聚區(qū)域，可以為區(qū)域水環(huán)境風(fēng)險防控政策提供參考。同時鑒于離水域不同距離范圍內(nèi)的“源”地、“匯”地分布對于水環(huán)境污染也有較大的影響，本研究從大尺度角度分析并未考慮，后續(xù)研究將考慮細(xì)化分析不同距離范圍內(nèi)的景觀優(yōu)化措施對水環(huán)境污染防控的效果。

致謝

感謝重慶市生態(tài)環(huán)境三峽庫區(qū)消落帶生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)中心(擬建)對本研究的支持，感謝重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院生態(tài)所黃河清、劉建輝、鄭莉、李建輝、張方輝參與研究中數(shù)據(jù)的處理工作。