白少云，劉 斌，潘佳威，劉加敏，陳 敏，余珮珩，陳奕云,3

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，昆明 650021； 2.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，南京 210008)

1 研究背景

“生態(tài)用地”這一概念始于20世紀90年代，早期學(xué)者將生態(tài)要素的空間定位統(tǒng)稱為生態(tài)用地[1]。榮冰凌等[2]提出生態(tài)用地是指以發(fā)揮自然生態(tài)功能為主，具有重要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能或生態(tài)敏感性較高的土地。近幾年，隨著我國土地生態(tài)學(xué)的快速發(fā)展，生態(tài)用地概念體系及土地生態(tài)評價技術(shù)的相關(guān)研究已成為土地科學(xué)的前沿?zé)狳c[3]。生態(tài)用地是國土空間的重要組成，生態(tài)用地的劃分是可持續(xù)國土資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護的重要保障。當(dāng)前，生態(tài)用地研究主要關(guān)注生態(tài)用地識別分類、生態(tài)用地格局評價、生態(tài)用地優(yōu)化模擬以及生態(tài)用地保護利用共4個方面的問題[4]，研究對象更多為城市區(qū)域，評價方法則多采用構(gòu)建評價指標體系的方式[5]。

生態(tài)敏感性評價在土地承載力、生態(tài)脆弱性分析、生態(tài)用地分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6-9]。目前，關(guān)于生態(tài)敏感性的研究逐年增加，研究視角已由早期對單一生態(tài)問題的關(guān)注發(fā)展到對復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)敏感性的綜合評價[10]。然而，高原湖泊流域的生態(tài)敏感性研究相對較少。在評價指標選取上，更多關(guān)注自然要素，忽視了社會經(jīng)濟要素的作用強度。此外，各評價因子間的相互干擾問題未能引起充分重視[11-12]。

杞麓湖是云南九大高原湖泊之一，近年來生態(tài)水位下降，水質(zhì)長期徘徊在V類與劣V類之間，湖泊周邊山體受開山采石、挖沙取土等人類活動影響出現(xiàn)植被減少、地表裸露，候鳥棲息地質(zhì)量下降，湖泊物種多樣性降低，流域生態(tài)環(huán)境退化風(fēng)險加劇[13]。過去數(shù)十年間，林地和耕地是杞麓湖流域的主要土地利用類型。自2008年以來，杞麓湖流域的建設(shè)用地逐年增加，水域面積逐年減少，出現(xiàn)大量的湖濱濕地[14]。考慮到高原湖泊流域生態(tài)環(huán)境較為脆弱，容易受人類活動的干擾，本研究在對高原湖泊流域生態(tài)用地進行劃分時，主要考慮流域發(fā)生生態(tài)問題的可能性大小，即以生態(tài)敏感性的高低來對生態(tài)用地進行劃分。

本文在2018年底開展杞麓湖流域?qū)嵉卣{(diào)研的基礎(chǔ)上，選取水域、道路、人口密度等自然和人文因素，基于GIS空間分析功能，結(jié)合G1法和變權(quán)柵格疊加法構(gòu)建生態(tài)敏感性評價指標體系，對杞麓湖流域單因子敏感性和綜合敏感性進行評價。并在此基礎(chǔ)上，開展生態(tài)用地策略分析，以期為杞麓湖流域的生態(tài)環(huán)境保護和土地資源合理開發(fā)提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

杞麓湖流域位于云南省中部，隸屬玉溪市通海縣，流域面積354.35 km2，是通?？h政治、經(jīng)濟、文化和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集中的地區(qū)。該流域以杞麓湖為中心，地貌由盆地、山地和河谷組成。湖面面積37.26 km2，湖容積1.676億m3，為流域內(nèi)地表徑流匯集的中心地帶，是該流域近26萬人民賴以生存的源泉和維護該地區(qū)生態(tài)平衡的重要根基，具有農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖和調(diào)節(jié)氣候等多種功能[15]。自20世紀80年代中后期以來，杞麓湖水質(zhì)受污染的程度日趨加重。2010年前后連續(xù)幾年的干旱造成杞麓湖天然補水減少，湖泊及流域地下水位降低，流域水生態(tài)安全面臨嚴重威脅，湖泊治理與保護形勢至今依然十分嚴峻[16]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.2.1 高程以及坡度數(shù)據(jù)

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)。基于DEM數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS的空間分析功能計算得到坡度數(shù)據(jù)。

2.2.2 人口密度

人口數(shù)據(jù)來源于通海縣2016年統(tǒng)計年鑒，利用哨兵衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取出研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的居住用地和耕地，構(gòu)建各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口數(shù)量和居住地與耕地的關(guān)系模型，得到人口分布系數(shù)?；谌丝诜植枷禂?shù)進行柵格化，結(jié)合土地利用面積柵格數(shù)據(jù)進行計算，得到研究區(qū)人口密度格網(wǎng)數(shù)據(jù)[17]。

2.2.3 土地利用類型

對哨兵二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理后進行監(jiān)督分類，將杞麓湖流域土地利用分成建設(shè)用地、林地、耕地、水域和其他用地5類。衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取時間為2018年11月，總體分類精度為97.85%，Kappa系數(shù)達到0.842。

2.2.4 距離因子數(shù)據(jù)

水域矢量分布數(shù)據(jù)、道路矢量分布數(shù)據(jù)、居民點矢量分布數(shù)據(jù)均來源于第二次全國土地調(diào)查。利用ArcGIS對距離數(shù)據(jù)進行緩沖區(qū)分析、裁剪、拼接，得到各目標因子不同距離的緩沖地帶數(shù)據(jù)。

2.3 研究方法

2.3.1 G1法確定因子權(quán)重

G1法是在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上提出的一種主觀賦權(quán)方法[18]。與AHP相比，G1法最大的優(yōu)點是無需構(gòu)建判別矩陣和一致性檢驗，且計算量少[19-20]。各指標權(quán)重(見表1)的具體計算步驟如下：

(1)對n個評價指標進行重要程度排列，即X1>X2>…>Xn。

(2)根據(jù)以往經(jīng)驗設(shè)定相鄰指標Xm和Xm-1重要程度之比Rm,Rm的設(shè)定參考前人的研究成果[20]，即

2.3.2 評價因子選取與等級劃分

人類活動作為一種強大的地質(zhì)營力，對流域生態(tài)環(huán)境的影響不亞于自然要素。因此，本文在構(gòu)建指標體系時，選取坡度、高程、距水域距離3個自然因子和人口密度、距主要道路距離、距居民點距離3個人文因子。參照相關(guān)研究成果[21]，將單因子生態(tài)敏感性分為高度敏感、中度敏感、低度敏感與不敏感，并分別賦予生態(tài)敏感性狀態(tài)值7、5、3、1，如表1。

表1 流域生態(tài)敏感性等級劃分及權(quán)重Table 1 Rating of ecological sensitivity in Qilu Lake basin and weights of indicators

2.3.3 變權(quán)柵格疊加

變權(quán)的思想最先由汪培莊教授[22]提出，相較于常權(quán)柵格疊加，變權(quán)柵格疊加的方法充分考慮了各評價因子的重要性，而且還能夠凸顯各評價因子生態(tài)敏感性狀態(tài)值的極值，減少評價因子之間的相互干擾[23]。例如，基于生態(tài)敏感性來尋址進行建設(shè)活動，其中坡度因子和距主要道路距離的權(quán)重分別為0.4、0.6。一般而言，坡度越大，生態(tài)敏感性越高；距離道路越遠，生態(tài)敏感性越高。如圖1(a)所示，坡度柵格和距主要道路距離柵格經(jīng)過常權(quán)疊加之后，第一行第一列柵格綜合生態(tài)敏感性狀態(tài)值較低，故將選該地用作目標建設(shè)用地，但該柵格坡度較大，不太適宜用于目標建設(shè)用地。

圖1 常權(quán)柵格疊加與變權(quán)柵格權(quán)重確定Fig.1 Normal weight grid superposition and variableweight grid superposition

為了解決這種評價因子之間相互干擾的問題，參照相關(guān)研究[23-25]，引入變權(quán)柵格理論，利用狀態(tài)變權(quán)函數(shù)來增大生態(tài)敏感性狀態(tài)值較大的柵格權(quán)重。其主要步驟如下：

(1)利用G1法求得各生態(tài)敏感性評價因子的柵格權(quán)重。

(2)設(shè)定狀態(tài)變權(quán)函數(shù)，確定變權(quán)的幅度。常用的變權(quán)函數(shù)有經(jīng)驗公式、非標準指數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)。變權(quán)的類型有懲罰型、激勵型和混合型，其中指數(shù)型狀態(tài)函數(shù)變權(quán)力度的可調(diào)節(jié)性較好[23]。故在本文研究中選用指數(shù)型狀態(tài)變權(quán)函數(shù)S，公式為

式中a為調(diào)節(jié)常數(shù)。為確定合理的a值，本研究參照李德清等[26]的研究成果，引入變權(quán)倍率Ω的概念，即

(3)確定變權(quán)權(quán)重。將不同生態(tài)敏感性評價因子的同一柵格位置的原始權(quán)重與狀態(tài)變權(quán)函數(shù)值相乘，再進行歸一化處理，得到新的權(quán)重，如圖1(b)所示。

表2 單因子生態(tài)敏感性評價結(jié)果Table 2 Result of ecological sensitivity assessment with single factor

3 結(jié)果分析與討論

3.1 單因子評價

運用ArcGIS10.2中的緩沖區(qū)分析等工具制作生態(tài)敏感性單因子空間分布圖(圖2)，可以看出，研究區(qū)內(nèi)距主要道路距離因子的生態(tài)敏感性整體較高，距省級道路距離>300 m、距鄉(xiāng)級道路距離>150 m的中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)面積共計442.7 km2，占整個流域面積的81.83%。其中，高度敏感區(qū)主要分布在杞麓湖、河西鎮(zhèn)和九龍街道等地區(qū)?；诰嗨蚓嚯x因子的研究區(qū)生態(tài)敏感性整體較低，距湖泊距離<300 m、距河流距離<100 m的中度敏感區(qū)面積和高度敏感區(qū)面積分別為11.41、44.57 km2，分別占研究區(qū)的2.11%、8.22%，主要分布在杞麓湖和紅旗河附近。研究區(qū)人口密度因子的生態(tài)敏感性整體較高，中度敏感區(qū)面積和高度敏感區(qū)面積分別為135.73、362.62 km2，分別占研究區(qū)的25.03%、66.86%，主要分布在九龍街道、四街鎮(zhèn)和楊廣鎮(zhèn)等地區(qū)。高程因子生態(tài)敏感性整體較高，高度敏感區(qū)面積有117.53 km2，占比21.67%，中度敏感區(qū)面積有179.59 km2，占比達到33.11%。坡度因子生態(tài)敏感性整體較低，高度敏感區(qū)面積有86.51 km2，占比15.95%，中度敏感區(qū)面積有104.52 km2，占比19.27%。研究區(qū)距居民點距離因子的生態(tài)敏感性整體較高，中度敏感區(qū)和高度敏感區(qū)面積分別有107.73、288.83 km2，分別占比19.86%、53.25%。各生態(tài)敏感區(qū)面積以及占比見表2。

圖2 生態(tài)敏感性單因子評價Fig.2 Result of ecological sensitivity assessment withsingle factor

研究區(qū)四面環(huán)山，海拔較高，地形較為復(fù)雜，交通情況較為便利，高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)的面積較大。近年來，研究區(qū)種植業(yè)十分發(fā)達，復(fù)種指數(shù)相當(dāng)高，流域水土流失較為嚴重，化肥、農(nóng)藥的過度使用使得土壤受到重金屬的污染，流域生態(tài)環(huán)境正在遭受巨大損壞。

3.2 生態(tài)敏感性綜合評價

根據(jù)變權(quán)柵格的理論，利用MatLab，設(shè)定步長為0.1，計算出最優(yōu)調(diào)節(jié)常數(shù)a為2.6，計算出綜合生態(tài)敏感性空間柵格矩陣，然后在ArcGIS中進行可視化得到綜合生態(tài)敏感性空間分布圖(圖3)。流域生態(tài)敏感性評價值在1～7之間。根據(jù)已有研究的分類原則[15]，將綜合評價值<2的區(qū)域定義為不敏感區(qū)，將評價值在2～3.5之間的區(qū)域定義為低度敏感區(qū)，將評價值在3.5～5.5之間的區(qū)域定義為中度敏感區(qū)，將評價值>5.5的區(qū)域定義為高度敏感區(qū)。然后用ArcGIS的統(tǒng)計工具，統(tǒng)計各生態(tài)敏感性分區(qū)的面積及比例。

圖3 流域綜合生態(tài)敏感性空間分布Fig.3 Spatial distribution of comprehensive ecologicalsensitivity in Qilu Lake basin

如圖3、表3所示，整個流域以中度敏感性為主，面積達到385 km2，占整個流域的71.08%，主要分布在流域周邊以及湖泊區(qū)域，該區(qū)域人類活動范圍較小；高度敏感區(qū)面積有近20 km2，占整個流域面積的3.66%，主要分布在流域西南方的林地地區(qū)，該地區(qū)海拔較高，坡度較陡，很容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；低度敏感區(qū)和不敏感區(qū)的面積分別約124 km2和13 km2，占流域的22.83%和2.44%，主要分布在農(nóng)業(yè)耕作區(qū)和人口密集區(qū)，該區(qū)域人類活動強度高，生態(tài)環(huán)境受到影響劇烈。

表4 杞麓湖流域不同土地利用類型生態(tài)敏感性分區(qū)所占面積及比例Table 4 Areas and proportions of ecologically sensitive zones with different land use types in Qilu Lake basin

表3 杞麓湖流域生態(tài)敏感性面積與比例Table 3 Areas and proportions of ecologically sensitivezones in Qilu Lake basin

對于高度敏感區(qū)，應(yīng)當(dāng)建立生態(tài)保護紅線，嚴禁在林地中亂砍亂伐，禁止建設(shè)活動，對已經(jīng)破壞的生態(tài)環(huán)境要進行修復(fù)，對于裸露地塊進行生態(tài)復(fù)墾。對于中度敏感區(qū)，嚴格控制耕地的復(fù)種次數(shù)，禁止大型工廠、污染企業(yè)等新增建設(shè)用地。對于低度敏感和不敏感區(qū)，合理規(guī)劃建設(shè)用地布局，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.3 生態(tài)用地策略分析

將生態(tài)敏感性空間分布圖與土地利用現(xiàn)狀圖疊加，統(tǒng)計各土地利用類型的生態(tài)敏感性分區(qū)面積以及比例，如表4所示。將高度敏感區(qū)和中度敏感區(qū)視為生態(tài)用地限制區(qū)，對杞麓湖流域進行生態(tài)用地評價，結(jié)果顯示：①絕大部分水域(99.22%)處在生態(tài)用地限制區(qū)，建議劃定杞麓湖流域水生態(tài)紅線，保護杞麓湖水生態(tài)安全，嚴禁填湖造田。②耕地中有45.21%的用地處在生態(tài)用地限制區(qū)，建議控制復(fù)種強度，保持水土、涵養(yǎng)水源，同時控制化肥農(nóng)藥的使用量。③建設(shè)用地的布局較為合理，63.02%的建設(shè)用地處于不敏感區(qū)和低度敏感區(qū)，但仍有36.98%的建設(shè)用地處在生態(tài)用地限制區(qū)，主要分布在流域四周區(qū)域的山谷處，應(yīng)當(dāng)注意維護生態(tài)安全，防止山體滑坡等自然災(zāi)害的發(fā)生。④93.81%的林地處在生態(tài)用地限制區(qū)，此區(qū)域應(yīng)嚴禁亂砍亂伐、毀林開荒等活動，嚴禁新增建設(shè)的審批；此外，還需引入先進的林木植培技術(shù)和保護技術(shù)。⑤流域中大多數(shù)的其他用地(79.52%)處于生態(tài)用地限制區(qū)域，在對該類用地進行開發(fā)時，應(yīng)當(dāng)秉承生態(tài)優(yōu)先的基本理念，嚴格控制開發(fā)利用的規(guī)模與強度。

4 結(jié) 論

本文以杞麓湖流域為研究對象，綜合運用G1法和變權(quán)柵格理論對研究區(qū)進行生態(tài)敏感性評價，并在此基礎(chǔ)上提出了流域內(nèi)生態(tài)用地策略，以期為推動可持續(xù)土地資源利用開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護提供理論依據(jù)。研究結(jié)論如下：

(1)G1法不需要進行構(gòu)建判別矩陣和一致性檢驗。此外，引入的變權(quán)柵格理論可以有效避免生態(tài)敏感性評價因子之間的相互干擾，使生態(tài)用地分析評價更加合理。

(2)杞麓湖流域高度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、低度敏感區(qū)和不敏感區(qū)的面積所占的比例分別為3.66%、71.08%、22.83%、2.44%。其中，高度敏感區(qū)主要分布在河西鎮(zhèn)和九龍街道，中度敏感區(qū)主要分布在流域四周的山區(qū)；低度敏感區(qū)、不敏感區(qū)主要分布在受人類活動影響較大的耕作區(qū)和居住區(qū)。

(3)總體而言，杞麓湖流域內(nèi)建設(shè)用地的布局部分較為合理；絕大部分水域(99.22%)處在生態(tài)用地限制區(qū)，應(yīng)當(dāng)禁止圍湖造田、圍湖養(yǎng)魚等縮小湖面的行為；在耕地用地限制區(qū)(45.21%)需要控制復(fù)種強度，合理施用化肥；在林地限制區(qū)(93.81%)，嚴禁亂砍亂伐和毀林開荒活動。同時，在流域中建立土地資源開發(fā)利用的負面清單和正面清單制度，合理規(guī)劃生態(tài)用地布局，統(tǒng)籌經(jīng)濟、社會與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展。