基于土地利用的三峡库区生态屏障带生态风险评价

李潇然, 李阳兵,2, 韩芳芳

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331;

2.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001; 3.新疆昌吉州第二中学, 新疆 昌吉 831100)

基于土地利用的三峡库区生态屏障带生态风险评价

李潇然1, 李阳兵1,2, 韩芳芳3

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院, 重庆 401331;

2.贵州师范大学 地理与环境科学学院, 贵州 贵阳 550001; 3.新疆昌吉州第二中学, 新疆 昌吉 831100)

摘要：[目的] 揭示三峡库区生态屏障带生态风险，为库区生态风险评估及土地利用优化提供理论依据。 [方法] 基于遥感影像数据，运用RS与GIS技术，计算土地利用相对合理性指数，同时构建生态风险评价模型，划分高程/坡度带定量评价三峡库区生态屏障带的生态风险情况，划分生态风险等级，并对生态风险进行空间自相关分析。 [结果] 较低生态风险区占比例最大，为36.77%，高生态风险区及较高生态风险区主要分布在沿长江两岸建设用地及耕地较为集中的区域，土地利用相对合理性指数随高程增高逐渐变大，随坡度增大逐渐减小，研究区生态风险空间自相关分析呈现出十分显著的局部自相关性。 [结论] 研究区内生态风险总体呈现较低值，沿江高值区需对土地利用进行重点优化。

关键词：生态屏障带; 生态风险评价; 土地利用; 三峡库区

“生态屏障”一词最早由蔡明孙[1]在1999年提出，最初构想是为保持流域内水土，封山育林，后来有学者对生态屏障的概念有了新的理解。王玉宽[2]指出，生态屏障是指处于某一特定区域的生态系统，其功能和结构符合人类生存和发展的生态要求。在生态屏障带发展的基础上，陈国阶[3]、潘开文[4]等人提出建设长江上游生态屏障带的研究。提出建设长江上游生态屏障带，提高长江上游地区生态安全系数，为上游生态、经济和社会的可持续发展提供良好的空间。随着2006年5月三峡大坝的全线建成，三峡库区生态安全问题也逐渐成为研究热点，三峡库区生态屏障带的提出，为库区生态安全评价提出新的思路。对于如何合理有效地界定三峡库区生态屏障带的范围，国内外学者做了不少探讨。胡友兵[5]、周启刚[6]等人提出，为减轻人类活动对环境的压力、保护三峡水库水质和生态环境，划定的175 m土地征用线到第一道山脊线之间的特殊区域为生态屏障带。三峡库区屏障带(重庆段)由于受库区水位变化的影响，呈现出不稳定的特征，属于典型的生态环境脆弱带[7]。在这种生态脆弱带中，人类活动(特别是人类对土地的利用方式)会对本身就极为脆弱的生态环境带来巨大的影响。因此，对三峡库区生态屏障带的研究不仅关系到库区生态安全问题，同时也是西部大开发的重要战略目标和内容之一。2010年10月三峡水库试验性蓄水175 m的成功，标志着水库管理的工作重点由保障三峡工程为主转向确保水库运行安全、保护库区生态环境、实现库区社会经济全面协调可持续发展[8]。蓄水成功后，生态屏障的功能和建设问题被作为重点提出。目前，对三峡库区生态屏障带的研究多集中在水库水环境研究、库区人口对环境压力的影响[9-11]。但关于三峡库区生态屏障带土地利用生态安全、生态风险评价的研究相对较少。为此，本研究结合RS与GIS技术，划分生态风险评价网格单元，通过计算每个网格的生态风险指数，构建生态风险评价模型，以此对三峡库区生态屏障带沿江第一分水岭内的土地利用空间分异及生态风险进行分析，为库区生态屏障带的生态风险评估及土地利用优化提供合理的理论依据。

1研究区概况

选取巫山县、奉节县、云阳县、万州区、忠县、石柱县、丰都县、涪陵区等8个区县中位于三峡水库145 m土地淹没线至第一分水岭以内的区域(不包括此区域内平坝河谷地区)作为研究区。由于三峡库区蓄水位在冬季和夏季有30 m左右的波动，本文影像获取时间为夏季，水位线在145 m左右，所以选择145 m土地淹没线以上区域。研究区位于三峡库区中心地带，北纬29°45′—31°10′，东经107°15′—108°4′，总面积约为5 897.5 km2，研究区内地势呈现出东北高，西南低的特点，地形较为复杂，生态环境脆弱。其中地势最高点在奉节县中部，海拔1 927 m，最低点位于巫山县境内。坡度最大值达到87.8°，位于巫山县境内，而最小值位于涪陵区西北部。

2数据处理与研究方法

2.1　数据处理

影像数据来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http:∥www.gscloud.cn)，分辨率为30 m，影像获取时间为2012年6月30日凌晨4点54分，查阅当时水情资料，三峡上游水位为145.70 m。借助ERDAS 8.5图像处理软件，对研究区遥感影像数据进行非监督分类，分类标准参照中国科学院资源环境信息数据库土地利用分类方法，将研究区土地利用分为耕地、有林地、疏(灌)林地、草地、建设用地、水域等6个地类。运用ArcGIS 10.2软件分析模块对非监督分类产生的小图斑进行处理，再对研究区土地利用数据进行人机交互式目视解译，获得研究区2012年土地利用数据(图略)。

2.2　研究方法

2.2.1高程坡度重分类利用1∶5万数字高程模型数据，得到高程重分类数据，并统计出面积分布(表1)，考虑到研究区人类活动范围主要集中在150~500 m这一高程段内，故将各分段逐一合并为6个高程带：低于150 m，150～300 m，300～500 m，500～1 000 m，1 000～1 500 m、高于1 500 m；同样以DEM为数据源，利用ArcGIS空间分析中Slope功能，得到研究区坡度的栅格图，考虑国家规定坡改梯、退耕还林的坡度为15°和25°，将其坡度依次划分为6个坡度段：0°,0°~3°,3°~8°,8°~15°,15°~25°,>25°，高程、坡度重分类如附图3所示。

2.2.2生态风险评价单元运用ArcGIS 10.2中Create Fishnet工具，构建生态风险评价单元，对研究区进行网格划分，网格大小选取2 km×2 km，共计1 909个(风险样区)，同时，生成样区中心坐标点。通过计算每个风险样区的生态风险指数，并将其作为该样区中心点的生态风险水平，以此对全区进行分析研究。

表1　研究区高程重分类各高程带面积比例

2.2.3生态风险指数的构建生态风险指数的构建涉及景观破碎度指数C、景观分离度指数S、景观优势度指数DO、景观干扰度指数E、景观脆弱度指数F等，具体计算方法详见表2。根据分析权衡，对景观干扰度指数影响由大到小分别赋以0.5，0.3，0.2的指标权重[12]。景观脆弱度指数与自然演替过程所处阶段有关[13]，该区6种景观类型所代表的生态系统，以水体最为脆弱，其次是耕地，建设用地最稳定。因此分别对6种景观类型赋以脆弱度指数：水域为6，耕地为5，草地为4，灌丛为3，林地为2，建设用地为1，然后进行归一化处理，得到各自的脆弱度指数Fi。通过选取景观分离度指数Si、景观破碎度指数Ci以及景观优势度指数DOi来构建景观干扰度指数Ei，从而衡量不同景观受干扰的程度。景观生态风险指数ERI的计算公式[14]为：

(1)

式中：ERI——景观生态风险指数；n——景观类型的数量；Ski——第k个风险样区中i类景观的面积;Sk——第k个风险样区总面积。

表2　研究区各类指数计算公式

注：Ai——景观类型i的面积；Ni——景观类型i的斑块数；Di——景观类型i的距离指数； AIi——景观类型i在景观总面积A中占的比例；Qi——斑块i出现的样方数/总样方数；Mi——景观类型i的斑块数Ni/斑块的总数N；Li——景观类型i的面积/斑块总面积。不同的景观类型抵抗外界干扰的能力也各有不同，a，b，c分别表示各景观指数权重值，且a+b+c=1。

2.2.4土地利用相对合理性指数陈利顶等[15]通过研究不同坡度带土地利用状况，提出了土地利用相对合理性指数(Lr)，该指数能够有效地反映某一区域内不同土地利用方式的合理程度。通过参照水利部《土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)》，结合三峡库区生态屏障带高程及坡度特征，从而计算得到研究区土地利用相对合理指数。计算公式为：

(2)

式中：Lr——土地利用相对合理性指数；Sji——第j高程/坡度带对第i种土地利用的适宜程度，值在0～1之间，1表示最适宜，0表示不适宜；Lji——j种高程/坡度i种土地利用类型所占面积百分比；n——高程/坡度的分级；m——土地利用类型总数目。Lr值越大表明土地利用越合理，越有利于土地的保护和水土流失问题的减弱，当Lr值等于1时，表示此状态下土地利用结构处于最佳。利用专家打分法，参考已有研究[16-17]，确定各高程带及坡度带土地利用方式权重，根据研究区具体情况，确定了土地利用适宜程度(表3)。

表3　不同利用方式对高程/坡度的适应性评价

2.2.5空间自相关分析空间自相关分析是一种检验相关性的统计方法，通常用于检验某一地理变量的空间分布相邻位置之间的相关程度，若某一位置变量值高，其附近位置上该变量值也高，则此时称为正空间自相关，反之称为负空间自相关[18]。为了能够全面反映研究区样点空间差异变化趋势，需要采用局部空间自相关分析，包括Moran散点图、G统计和LISA图。

本研究借助LISA聚集图和散点图分析研究区1 909个样区间的生态风险相关性。

3结果分析

3.1　研究区生态风险分布的总体特征

通过求得每个生态风险样区的生态风险值ei，并将其划分成低生态风险区(ei<0.3)、较低生态风险区(0.30.7)。

为了更为直观地反映研究区生态风险的空间分布情况，将每个样地生态风险值作为中心点属性值，在ArcGIS的地统计模块中，采用普通Kriging方法进行插值，得到生态风险空间插值图(图1)。由图1可知，总体来看研究区生态风险值的变化趋势与距离长江的远近程度变化大体一致，距长江越近生态风险越大，生态风险等级越高。位于研究区万州段长江北侧及丰都段长江北侧低生态风险区与较低生态风险区所占面积明显增大，这与万州沿长江北侧、丰都沿江北侧地区林地覆盖面较广有关。

3.1.1不同生态风险区土地利用分布因耕地、有林地、疏(灌)林地在整个研究区中所占面积较大，所以3种地类在各生态风险区中所占面积都较大。由表4可知，在各土地利用类型中，低生态风险区、较低生态风险区主要为耕地、有林地和疏(灌)林地；低生

态风险区在整个研究区中所占面积最大的地类为有林地，中等生态风险区、较高生态风险区和高生态风险区中面积所占比重最大的地类均为耕地；其中，草地在较低生态风险区和较高生态风险区所占比例较高，其原因为是在这两个风险区内300～500 m高程带草地分布较广；面积较小的地类为水域，各风险等级所占比重均小于1.0%。通过对比同一地类在不同生态风险区中所占面积可以得出以下结果：耕地、有林地、疏(灌)林地及草地主要分布在较低生态风险区；高生态风险区中主要有坡耕地和建设用地分布，这与人类活动对生态环境的影响是分不开的；而水域的分布，其规律性不强。

图1　研究区生态风险划分

%

3.1.2不同高程/坡度带生态风险分布将重分类后的高程、坡度图与生态风险指数图分别叠加，计算统计出不同生态风险等级对应的不同高程/坡度面积比例(图2)。由图2可以看出，低生态风险区在研究区中所占面积比重较大的高程带为500～1 000 m高程带，所占面积大于研究区总面积的9%，在低于150 m高程带和高于1 500 m高程带所占面积均小于0.01%；较低生态风险区、中等生态风险区、较高生态风险区分别在500～1 000 m，300～500 m，300～500 m高程带所占面积比重较大；高生态风险区主要集中在150～300 m高程带上；各生态风险等级在低于150 m和高于1 500 m高程带所占面积都较小。由图2可知，随着坡度带的增大，各生态风险等级面积都呈现先增大后减小的变化趋势。其中，低生态风险区、较低生态风险区在3°～8°坡度带面积比重达到最大，中等生态风险区、较高生态风险区和高生态风险区均在0°～3°坡度带面积比达到峰值；在大于25°坡度带占研究区面积最小。各个坡度带不同生态风险等级的分布情况也呈现出随着生态风险等级的提高，生态风险区在对应坡度带所占面积先增加后减小的变化趋势。

3.2　研究区土地利用相对合理性评价

对6个高程及坡度带的土地利用合理性指数进行了计算(表5)，由表5可知，随着研究区高程的增加，土地利用的合理性指数呈现逐步增大的变化趋势，并在高于1 500 m高程带达到最大值，此高程带土地利用最为合理。随着坡度的增加，土地利用相对合理性指数逐渐减小，在0°～3°坡度带土地利用的合理性指数为1，为整个研究区土地利用合理性指数的最大值，表明0°～3°坡度带土地利用最为合理。最小值出现在15°～25°坡度带，此带中有较多的陡坡耕地，土地利用不合理，应使坡耕地退耕或改为梯田耕种。

图2　不同高程/坡度带生态风险等级分布

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

将各个高程/坡度带土地利用合理性指数与土地利用类型分布进行比较(表6)，可以发现，随着有林地、疏(灌)林地面积比重的增加，土地利用合理性指数也随之增加，在高程达1 500 m以上时，土地利用受人类活动影响较小，土地利用相对合理性指数达到最高，表明土地利用最合理。当坡度低于3°时，其地类分布主要为林地、草地，耕地和建设用地分布相对较少，故此时相对合理性指数达到最高；随着坡度逐渐增加，坡耕地在各坡度带所占面积比重逐渐加大，土地利用相对合理性指数随之降低。可见，人类活动对生态环境影响之大。通过2014年7月对研究区巫山、奉节等区县实地调查发现，8°～15°坡度带耕地类型多为梯田，实施了水土保持等措施；15°～25°坡度段基本已完成退耕工作，但林地尚未长成，处于撂荒状态；大于25°地带也多为林地和灌木林地分布。计算得出这3个坡度段土地利用相对合理性指数比较客观，符合实际情况。

3.3　基于生态风险的空间自相关分析

3.3.1研究区生态风险的LISA聚集图和Moran散点图为了分析研究区域生态风险的分布规律和聚集程度，采用空间统计学中的空间自相关法进行分析，借助ArcGIS 10.2和GeoDa095 i软件得到研究区生态风险的Moran散点图(图略)和LISA聚集图(图3)。

表6　研究区各高程/坡度带土地利用类型分布　%

其中Moran散点图的4个象限，分别与区域单元及其邻居之间4种类型局部空间联系形式相对应。LISA聚集图中“高—高”，即高值包围的高值区，指区域本身与其周边的生态风险等级均较高，二者间的差异较小；“低—低”，即低值包围的低值区，指区域本身与其周边的生态风险等级均较低，二者间的差异较小；“高—低”，即低值包围的高值区，指区域本身的生态风险等级较高，周边生态风险等级较低；“低—高”，即高值包围的低值区，指区域自身生态风险等级较低，周边地区生态风险等级水平较高，二者差异大。

图3　研究区LISA聚集图

3.3.2研究区生态风险空间自相关分析将Moran散点图与LISA聚集图结合分析，可见研究区生态风险强度主要呈现出随距长江两岸距离的增加，生态风险强度降低的空间分布特征，局部自相关性十分显著。Moran指数计算得出为0.708 1，则说明其风险程度呈现出较高的正相关性和空间集聚性。其中，被高风险区包围的高风险区主要集中在长江两岸，此区域是整个研究区危险性最高的区域，不论是以上区域自身还是外围地区生态风险强度都较高，这与此区域内人类活动较频繁、不合理的土地利用有较为紧密的关系；被低风险区包围的低风险区主要集中在研究区万州段西部及丰都段东南部，其自身及周边生态风险均较低，表明该区域土地利用较为合理，有益于生态环境的保护和良好发展，归功于万州段和丰都段相应区域良好的森林覆盖率；被高风险区包围的低风险区在研究区中分布较少，仅在研究区东北部及西南部零星分布，包括万州段长江北岸、涪陵段长江北岸等区域，该区域虽然自身生态风险等级较低，但其被生态风险较高的区域包围，存在潜在的危险性，对其进行土地的整治刻不容缓；被低风险区包围的高风险区分布更为稀少，除万州段长江沿岸及丰都、涪陵段长江北岸略有分布外，其余区域均无分布，此区域自身生态风险等级较高，但周围生态风险等级较低，具备生态风险等级降低的条件，存在生态环境改善的可能，对此区域采取环境保护措施，有费力小、见效快的优势。

4讨 论

4.1　研究区生态风险与空间自相关分析的关系

在构建生态风险指数模型的基础上，运用网格模型、普通Kriging插值等方法，对研究区生态风险进行综合评估，并通过空间自相关分析，得出风险程度呈现出较高的正相关性和空间集聚性。本研究较前人研究创新之处在于，不只得出每个风险等级的土地利用合理性，更揭示了不同生态风险区相互影响关系[19-20]。将Moran散点图与LISA显著水平相结合，可以进一步分析各区域生态风险等级空间自相关的程度，得出研究区处于“高—高”值的区域生态风险更大，需要对其土地利用进行调整，主要集中在沿长江两岸，其土地利用类型主要为建设用的和耕地，受人类活动影响大，生态风险等级高；“低—低”值区域多为林地、草地，植被覆盖率高，生态风险等级低，应维持现状，并加强保护。

4.2　研究区土地利用相对合理性指数与生态风险关系

结合研究区高程/坡度分类图和生态风险图并与土地利用相对合理性指数进行对比可以发现，二者呈现出反比例关系。研究区高生态风险区主要分布在150～300 m高程带，0°～3°坡度带，这是由于研究区内土地压力加剧，人地矛盾突出所致[21]。从研究区不同坡度带土地利用相对合理指数可以看出，需要加大治理力度的是15°～25°坡度带中的撂荒土地，此坡度带面积占研究区总面积的15.77%。坡耕地作为三峡库区主要的侵蚀源，随着高程/坡度带内耕地面积的增加，土地利用相对合理指数下降，生态环境的破坏加剧，生态风险等级也随之上升；反之，则相反。土地利用合理与否，密切联系着库区生态安全，是生态风险的主要影响因素。

4.3　基于生态风险的研究区土地利用优化

研究区土地利用方式是影响库区生态风险的重要因子，为缓解生态恶化，研究区应结合自身高程、坡度、岩性及土壤等情况，调节不合理的土地利用方式，根据土地利用相对合理指数的变化，找到较适合的土地利用搭配方式，改善原有不合理生态环境，降低或规避生态风险。首先，对于145～175 m高程带，这个区域属于三峡库区消落区，一般情况下，此区域内陆地不宜人为干扰，应严禁生产和开发活动。但考虑到植被保持水土的作用，可考虑在该区域种植耐淹、耐瘠薄且树形较好的乔木或灌木，如垂柳、马桑等，采用乔灌混交的方式种植，比纯林更有助于保持水土[22]。其次，对于高于175 m高程区域土地利用优化，着重考虑坡度大于15°地区的坡耕地退耕，或对其进行梯田改造，以减少土壤侵蚀和农药、化肥施用过量造成的面源污染，坡改梯对陡坡地区水土流失的防治也有一定的效果。对于城镇地区，应控制固体废弃物及生产生活污水的排放，以免造成城市点源污染。

5结 论

(1) 研究区生态风险等级的分布，随着距离长江的增大，生态风险等级逐渐减低，其中较低生态风险区所占面积比重最大，达到36.77%，高生态风险区所占面积比重最小，为11.75%；各风险等级随高程/坡度的增加，所占面积比均呈现出先增加后减小的趋势，峰值出现的区域不一。

(2) 土地利用相对合理性指数随着高程/坡度的增加，分别呈现出逐步增加和逐步递减的变化趋势，随着各高程/坡度带内耕地与建设用地分布的增加，土地利用相对合理性指数降低，且此指数变化与林地占地面积呈正比关系，在高于1 500 m高程带/0°～3°坡度带土地利用相对合理性指数达到最大值1，土地利用最合理。

(3) 研究区生态风险呈现出较高的正相关性和空间集聚性。“高—高”及“低—低”两种相关性分布较广，“高—高”主要分布在长江沿岸、“低—低”主要分布在万州段西部及丰都段东南部；“高—低”及“低—高”分布较少，这部分区域最容易改善其生态风险状态，应及时对土地利用不合理地区进行调整。

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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

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)04-0188-07

中图分类号：X321， F301.2

通信作者：李阳兵(1968—),男(汉族),重庆市人,博士,教授,主要从事土地利用与生态过程方面的研究。E-mail:li-yapin@sohu.com。

收稿日期：2014-08-08修回日期：2014-10-19

资助项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项”三峡库区及上游流域农村面源污染控制技术与工程示范”(2012ZX07104-003)

第一作者：李潇然(1991—),女(汉族),新疆自治区塔城市人,硕士研究生,研究方向为水资源与水环境保护。E-mail:494981733@qq.com。