基于最小累积阻力模型的耕地面源污染源-汇风险格局评价——以重庆市北碚区为例

刘 帆，谢德体，王 三

(西南大学资源环境学院，重庆 400716)

农业面源污染是指在人类农业生产活动中，农药化肥及其他有机物或无机物在降水和地表径流的冲刷作用下，汇入江河湖泊等受纳水体而引起的环境污染问题。农业面源污染是当前我国长江流域最主要的生态环境问题。北碚区是重庆市九市大主城区之一，嘉陵江穿城而过，该区耕地面积广阔，面临严重的农业面源污染问题。

国内外对于农业面源污染的风险研究主要基于污染源的流失负荷，其中磷指数法[1]多用于评价污染物流失风险和识别面源污染风险关键区。分布式非点源污染模型评价法[2-3]以面源污染形成机制为基础，估算输出负荷，识别关键源区，预测污染变化。多因子综合评价法[4]为农业面源污染提供了一个更为科学合理的评价框架和评价体系。近年来，研究者开始将源-汇理念应用于农业面源污染研究，并引入到生态过程和景观格局关系中，陈利顶等提出构建景观空间负荷对比指数[5]，孙然好等借助景观格局指数来反映面源污染的空间差异[6]。目前，面源污染源-汇分析的主要研究方向集中在面源污染与景观格局的耦合关系和景观类型的源-汇归属识别上[7-8]，而对于源-汇风险所表现出的内部空间差异即景观类型所处的空间位置和其他景观要素之间耦合关系的研究相对较少。在研究方法上，陈利顶等采用主观赋权法确定不同景观类型对生态过程的作用强弱，反映不同景观类型在源汇强弱风险上的差异[5，7，9]。而很少有学者从影响景观生态过程的外部环境因子的作用机制方面来识别面源污染的源-汇风险格局。最小累积阻力模型可以将外部环境影响因子与面源污染的迁移过程相结合，通过阻力成本的大小来识别农业面源污染源-汇风险的强弱。

本研究以重庆市北碚区面源污染外部环境影响因子和耕地数据为基础，利用最小累积阻力模型识别耕地面源污染源-汇风险格局，并对耕地面源污染源-汇划分不同等级，以期加强对该区域耕地面源污染的控制与管理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

北碚区是重庆市主城区和都市圈中的重要组成部分，位于重庆主城核心区的西北面，距主城区中心24 km。地跨106°18′～106°33′E，29°37′～29°57′N。东接渝北区，南连沙坪坝区，西界璧山区，北邻合川区。北碚区地处川东平行岭谷地带，受地质构造的制约，境内为“三山两谷”地貌，东为龙王洞山，中为中梁山，西为缙云山，三山之间为二谷。三山狭长，两翼陡峻，沟壑深切，地形崎岖。辖区属亚热带湿润气候，降雨充足。该区位于长江主干支流嘉陵江的下游，嘉陵江在北碚段长45.1 km。北碚区土壤类型多，宜种性广，以水稻土紫色土为主。北碚区内自然植被主要类型为亚热带常绿阔叶林。依据《重庆统计年鉴2014》，北碚区全年农业化肥用量为 9 102 t，农药用量为249 t。

1.2 数据来源

研究中使用的数据包括2014年北碚区耕地数据、2014年北碚区增强型植被指数(enhanced vegetation index，简称EVI)数据、2014年北碚区降雨量监测数据、北碚区水文数据、北碚区数字高程模型(digital elevation model，简称DEM)数据，以及北碚区土壤类型分布数据。北碚区耕地和水文数据来源于北碚区国土局；地形和植被数据来源于中国科学院地理空间数据云网站(http：//www.gscloud.cn)；土壤数据来源于中国科学院地理科学与资源研究所数据中心(http：//www.resdc.cn)；气象数据来源于中国气象数据网(http：//data.cma.cn)。栅格数据的空间分辨率为30 m，并统一投影坐标系。

1.3 面源污染源-汇风险识别原理

本研究依据源-汇景观格局的原理分析北碚区景观格局与面源污染耦合关系。源-汇景观格局理论是在大气污染“源-汇”理论上发展而来的，该方法应用领域囊括面源污染、碳循环、生物多样性保护等方面[10-11]。本研究中“源”景观是指对面源污染生态发展过程有促进作用的景观斑块；“汇”景观是指能够阻止、延缓面源污染发展的景观类别[12]。面源污染风险的大小取决于源-汇景观作用的强弱，源作用强则风险大，汇作用强则风险小。面源污染物在外部条件因素(降水和地表径流)的作用下由“源”景观向“汇”景观迁移，在迁移过程中形成源-汇风险的空间差异，该空间差异的强弱不仅体现在污染物从“源”景观耕地到河流所经过的空间距离，而且更受面源污染自然影响因子叠加效应的影响。最小累积阻力模型(MCR)可通过空间距离和自然因子叠加形成的阻力系数基面测算风险阻力面，最小累积阻力值越小，源景观的作用就越强，面源污染发生的风险就越大；阻力值越大，汇景观的作用就越强，污染发生的风险就越小。基于源-汇景观格局理论和最小累积阻力模型，评价北碚区耕地面源污染风险等级，划分耕地面源污染的风险分布格局。

1.4 最小累积阻力模型

最小累积阻力模型指从“源”经过不同阻力的单元到达目标点所耗费的最小阻力之和。该模型考虑源、空间距离和阻力基面3方面的要素[13-14]，最小累积阻力计算公式如下：

(1)

式中：MCR代表最小累积阻力；f是一个未知负函数，反映了MCR与(Dij×Ri)呈负比例关系；Dij表示物质、能量从源景观j到景观i的空间运动距离；Ri表示i景观单元对空间运动过程的阻力系数[15]。

在面源污染形成过程中，农业活动所产生的氮磷等物质在外力的作用下不断在空间里扩散，在扩散过程中必然会受到来自地形、气候、土壤、植被等自然环境因子不同大小的阻力。最小累积阻力模型可以表示面源污染物质从耕地源景观经过不同阻力单元到达目标点所需要克服的最小累积阻力。

1.5 源的分级及依据

农业面源污染物主要来源于耕地，耕地中残留的氮、磷等物质会通过地表径流进入水体，造成水体的污染。依据源汇景观的生态功能特点，源景观是促进面源污染扩散的景观类型，汇景观是对面源污染起减缓和阻止作用的景观类型。因此，本研究选取北碚区耕地景观为“源”景观，并具体划分为水田源景观和旱地源景观(图1)。

由于研究区域耕地源景观分布范围广，各地源景观自然环境条件差异较大，为保证研究的合理性和科学性，借鉴王金亮等的研究方法[16]划分源景观等级。河流是面源污染物的最终汇集区，氮磷等面源污染物会对水体造成污染。嘉陵江是长江的主干支流，且横穿北碚区，故本研究以北碚区境内的嘉陵江为中心，构建以8 km为等距离的嘉陵江缓冲区。借助ArcGIS的buffer工具，将北碚区耕地源景观划分为4个等级，第一、二、三、四级别源分别距离嘉陵江干流0～8 km、>8～16 km、>16～24 km、>24～32 km(图2)。

1.6 构建评价指标体系和阻力基面

考虑到面源污染的生态过程受地形、气象、植被等自然因素的影响，故本研究从地形高程、地形坡度、地形指数、降雨侵蚀力、植被覆盖度、地表粗糙度、土壤侵蚀性等7个方面建立影响面源污染风险的自然因子阻力评价指标体系(表1)。并依据指标体系建立阻力基面，具体步骤如下：(1)根据表1中相关指标的求取方法，借助ArcGIS获得7个指标的栅格数据；(2)统一栅格数据的空间分辨率为30 m，并统一投影坐标系；(3)利用自然断点法将各评价指标的栅格离散值划分为5个等级，分别用1、3、5、7、9表示阻力值，并利用ArcGIS的重分类工具进行重新赋值，通过专家打分法确定7个指标权重；(4)利用栅格计算器对加权后的指标因子进行空间叠加，从而建立面源污染影响因子阻力基面。

表1 影响重庆市北碚区农业面源污染的评价指标

1.7 阻力面构建与风险识别

基于面源污染阻力指标评价体系和阻力基面，通过最小累积阻力模型建立4个级别的耕地源景观阻力面，并通过对阻力面进行空间叠加分析，提取出栅格的最小值，分别形成旱地源景观与水田源景观的风险阻力面，最终生成北碚区全部耕地面源污染的阻力面。步骤如下：首先，运用ArcGIS软件的cost-distance工具分别生成4个等级的耕地源景观的阻力面，并分析各个级别源景观的空间分布特点；然后使用栅格计算器中的Con函数计算出水田与旱地源景观的阻力面，分析2个源景观呈现出的空间差异性以及造成这种差异性的原因；最后对水田与旱地阻力面进行综合分析，识别出其中的最小阻力面，即全区农业面源污染阻力面。为更直观地分析阻力面，通过自然断点法划分面源污染源-汇风险等级，被划分为高分险区域说明该区域农业面源污染的风险高，被划分为风险等级较低的区域，说明该区域内的自然环境因子有利于延缓污染物质的扩散，造成农业面源污染的风险较低。

2 结果与分析

2.1 源景观分级及分布特征

以嘉陵江为中心建立缓冲区，将北碚区耕地划分为4个级别(图3、表2)。一级耕地源景观距离嘉陵江0～8 km，主要分布在北温泉街道、龙凤桥街道、东阳街道、澄江镇、歇马镇、天府镇、水土镇、施家梁镇、复兴镇、蔡家岗镇、童家溪镇，面积为96.19 km2，占北碚区全部耕地面积的42.84%。其中旱地面积多于水田面积，旱地源景观在天府镇和龙凤桥街道分布比较集中，而澄江镇水田源景观集中度较高。一级水田与旱地景观面积比例均在40%以上。二级耕地源景观距离嘉陵江>8～16 km，主要分布在歇马镇、天府镇、静观镇、水土镇、三圣镇、复兴镇，面积为59.68 km2，占全区耕地面积的 26.57%。其中旱地面积为33.40 km2，水田面积为 26.28 km2，旱地面积大于水田面积。三级源景观分布在距嘉陵江>16～24 km范围内，具体分布在三圣镇、静观镇和柳荫镇，面积为 50.66 km2，占全区耕地面积的22.56%。四级源景观距离嘉陵江最远，在>24～32 km缓冲区范围内，面积为18.03 km2，占全区耕地面积的8.03%。四级源景观主要分布在金刀峡镇和柳荫镇境内，水田与旱地面积比例皆低于10%。

表2 耕地源景观的分级与面积

2.2 阻力面分布特征

由图4-A、图4-E可知，一级旱地与水田源景观阻力面空间分布特征一致，一级旱地阻力面最高值为108 092，一级水田阻力面最高值为107 804，综合两者特征分析可看出，一级源空间分布特征如下：距离嘉陵江近，阻力值小，面源污染风险大；而距离嘉陵江越远，阻力值越大，面源污染的风险就越低，故一级耕地源景观的最大阻力值在金刀峡镇。

由图4-B、图4-F可知，二级旱地阻力面最高值为 92 728，二级水田阻力面最高值为94 221，综合两者特征分析可看出，二级源景观阻力的高值区有2个，一是距离嘉陵江较近的澄江镇、蔡家岗镇等区域，二是北碚区最北端也是距离嘉陵江最远的金刀峡地区。以嘉陵江为中心，二级阻力值呈现出高—低—高的分布趋势。

由图4-C、图4-G可知，三级旱地阻力面最高值为186 573，三级水田阻力面最高值为186 842，综合两者特征分析可看出，三级源景观阻力值分布特征如下：阻力值由北向南依次递增，阻力面最高值位于歇马镇和童家溪镇。三级源景观的阻力面值大于一级、二级源景观。

由图4-D、图4-H可知，四级旱地阻力面最高值为 222 977，四级水田阻力面最高值为223 042，四级源的空间分布趋势与三级源相似，是因为三级、四级源距离比较近，且北碚区地形狭长。

借助Con函数从4个级别源中筛选出最小阻力面，形成旱地源景观与水田源景观的阻力面。由图5可见，旱地源景观阻力面高值区集中分布在北温泉街道、龙凤桥街道、澄江镇东部、歇马镇、蔡家岗和童家溪镇，主要原因是这些区域多为北碚区城镇用地，耕地面积少，不易发生农业面源污染，阻力面值高。其余地区的阻力面高值区零散分布在三圣镇东部、金刀峡镇北部、澄江镇西部和歇马镇西南部，多位于缙云山、中梁山、金刀峡、龙王洞山等山地地区，耕地分布稀少，生态环境良好，植被覆盖率较高，有利于延缓面源污染物的扩散。水田源景观阻力面最高值(13 357)大于旱地源景观阻力面最高值(9 334)，水田阻力面高值主要集中在北温泉街道、澄江镇、龙凤桥街道等城市功能区，区内农业面源污染阻力较大。天府镇耕地类型以旱地为主，所以阻力值较周边地区高。

2.3 “源-汇”风险分布特征与影响因素

本研究将影响农业面源污染的阻力面作为体现源-汇风险的指标，能够反映农业面源污染物从源景观到最后受纳水体(湖泊、河流)之间的可达性。通过面源污染阻力面(图5)可以直观地识别出北碚区的高阻力值区和低阻力值区，高阻力值区面源污染的风险小，污染物经过该区域需要克服的阻力大，汇的作用强；低阻力值区面源污染的风险大，污染物能够轻易通过该区域，加速了面源污染的生态过程，源的作用强。依据上述原理，在图5基础上使用自然断点法划分北碚区农业面源污染风险等级。从图6和图7可以看出，北碚区农业面源污染共被划分为5个级别，各个级别面积排序如下，极高风险区(509.10 km2)>高风险区(144.41 km2)>中风险区(62.02 km2)>低风险区(27.68 km2)>极低风险区(9.13 km2)，其中极高风险区和高分险区占比高达86.88%，可见北碚区农业面源污染形势严峻。

北碚区地貌特征为“三山两谷”，由西向东分别为云雾山、缙云山、中梁山、龙王洞山4条山脉，其间为宽缓的丘陵谷地。由图6可见，极高风险区和高风险区集中分布在东阳街道、复兴镇、澄江镇、柳荫镇、静观镇、三圣镇、天府镇等地区，这些地区多数处在丘陵谷地，谷地地势平缓，土壤肥沃，水资源充沛，有利于发展农业，故对比图3可知，该区域距离嘉陵江较近，耕地源景观分布集中，是旱地和水田源景观主要的聚集区，也是北碚区主要的农业发展区，因此在农业生产活动中，投入大量的农药、化肥，再加上施用结构不合理、施用方法不科学等因素，农田里残余的化肥和农药会通过地表径流进入受纳水体，农业面源污染源作用强，源-汇风险极高。其中天府镇面源污染高风险的形成因素较独特，天府镇位于中梁山山脉低山区，地形复杂，以坡耕地居多，耕地坡度大，使面源污染物扩散的阻力变小，再加上降雨的冲刷作用，极易造成面源污染，源-汇风险水平高。

对图6进行分析发现，面源污染的低风险区和极低风险区主要分布在山区和城市功能区。如澄江镇西部和东部、歇马镇西部、三圣镇东部以及金刀峡镇北部等山地地区，这些地区分别处在北碚区“五区四带”的缙云山自然保护带、中梁山生态修复带、龙王洞山生态涵养带和金刀峡生态涵养带。生态区内植被覆盖度高，生态环境优良，而且属于国家限制、禁止开发区域，所以区域内耕地分布稀少，汇作用较强，面源污染的风险水平极低。另外，低风险区还集中分布在北温泉街道、龙凤桥街道、蔡家岗镇和童家溪镇等城市功能区，这些区域以非农产业为主，耕地景观斑块分布较少，农药和化肥使用量较低，且城市的不透水下垫面切断富含氮、磷等农业面源物质的地表径流，故污染物质无法到达受纳水体。上述研究结果表明，划分面源污染源-汇风险等级对于北碚区农业面源污染防控和管理是非常重要的。

3 讨论

北碚区面源污染高风险区面积最大，耕地面源污染的形势严峻，因此高风险区需要加大污染的防控和管理力度。从污染源头控制技术的角度，合理利用土地、施行科学的种植制度、普及科学施肥和农药使用方法、使用能够降低农业面源污染的新型高效化肥、降低坡耕地坡度、优化耕地灌溉技术(喷灌技术、微灌技术)等，均可降低面源污染。从污染过程阻断技术的角度，通过建立生态拦截带(植被过滤带)、生态拦截沟渠技术达到阻隔污染物质的目的。从面源污染末端强化技术的角度来看，降低北碚区面源污染风险主要有前置库技术、建立生态塘池等方法[21]。耕地面源污染源-汇风险格局的划定有利于客观、全面地反映北碚区农业面源污染的分异特征，并为针对性地制定和实施农业面源污染控制方案提供依据。

另外，本研究还有很多方面需要深入研究，比如影响源景观的因素众多，如何合理科学地划分源景观还需进一步探讨；在源-汇风险格局中极低风险区分布在城市区内，城市的不透水下垫面对农业面源污染起到了阻断作用，但是面源污染包括城市面源污染和农业面源污染，在研究城市区面源污染风险格局特征时并未考虑城市面源污染的影响，在今后的工作中将完善这方面的研究。

4 结论

(1)本研究以嘉陵江为中心，将源景观分为4个级别，其中在0～8 km范围内的一级耕地源景观面积最大，占全区耕地面积的42.84%，其中旱地面积多于水田面积，旱地源景观在天府镇和龙凤桥街道分布比较集中，而水田主要集中在澄江镇。

(2)在自然影响因子阻力基面和各级别源景观的基础上，借助最小累积阻力模型形成各级别源景观的阻力面，距离源景观距离越近，阻力值越小，源的作用就越强，随着距离的变远，阻力值也相应变大，汇的作用逐渐增强。全区旱地阻力面值要小于水田阻力面值，是因为旱地面积大于水田面积，旱地在空间分布上更广阔。农业面源污染的阻力面与旱地阻力面分布一致，说明旱地面源污染对于全区农业环境的影响较大。

(3)通过自然断点法将阻力面划分成极高风险区、高风险区、极低风险区、低风险区以及中风险区5个级别。其中，极高风险区和高风险区面积占北碚区面积的86.88%，集中分布于丘陵谷地和山脉低山区；极低风险区和低风险区分布较分散，主要分布在北碚区4个生态保护区和城市区。耕地面源污染源-汇风险格局的分析结果表明，北碚区耕地面源污染态势严峻，且地域分异特征明显。