基于最小累積阻力模型的耕地面源污染源-匯風險格局評價
——以重慶市北碚區(qū)為例

劉 帆，謝德體，王 三

(西南大學資源環(huán)境學院，重慶 400716)

農(nóng)業(yè)面源污染是指在人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，農(nóng)藥化肥及其他有機物或無機物在降水和地表徑流的沖刷作用下，匯入江河湖泊等受納水體而引起的環(huán)境污染問題。農(nóng)業(yè)面源污染是當前我國長江流域最主要的生態(tài)環(huán)境問題。北碚區(qū)是重慶市九市大主城區(qū)之一，嘉陵江穿城而過，該區(qū)耕地面積廣闊，面臨嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染問題。

國內(nèi)外對于農(nóng)業(yè)面源污染的風險研究主要基于污染源的流失負荷，其中磷指數(shù)法[1]多用于評價污染物流失風險和識別面源污染風險關鍵區(qū)。分布式非點源污染模型評價法[2-3]以面源污染形成機制為基礎，估算輸出負荷，識別關鍵源區(qū)，預測污染變化。多因子綜合評價法[4]為農(nóng)業(yè)面源污染提供了一個更為科學合理的評價框架和評價體系。近年來，研究者開始將源-匯理念應用于農(nóng)業(yè)面源污染研究，并引入到生態(tài)過程和景觀格局關系中，陳利頂?shù)忍岢鰳嫿ň坝^空間負荷對比指數(shù)[5]，孫然好等借助景觀格局指數(shù)來反映面源污染的空間差異[6]。目前，面源污染源-匯分析的主要研究方向集中在面源污染與景觀格局的耦合關系和景觀類型的源-匯歸屬識別上[7-8]，而對于源-匯風險所表現(xiàn)出的內(nèi)部空間差異即景觀類型所處的空間位置和其他景觀要素之間耦合關系的研究相對較少。在研究方法上，陳利頂?shù)炔捎弥饔^賦權法確定不同景觀類型對生態(tài)過程的作用強弱，反映不同景觀類型在源匯強弱風險上的差異[5，7，9]。而很少有學者從影響景觀生態(tài)過程的外部環(huán)境因子的作用機制方面來識別面源污染的源-匯風險格局。最小累積阻力模型可以將外部環(huán)境影響因子與面源污染的遷移過程相結合，通過阻力成本的大小來識別農(nóng)業(yè)面源污染源-匯風險的強弱。

本研究以重慶市北碚區(qū)面源污染外部環(huán)境影響因子和耕地數(shù)據(jù)為基礎，利用最小累積阻力模型識別耕地面源污染源-匯風險格局，并對耕地面源污染源-匯劃分不同等級，以期加強對該區(qū)域耕地面源污染的控制與管理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

北碚區(qū)是重慶市主城區(qū)和都市圈中的重要組成部分，位于重慶主城核心區(qū)的西北面，距主城區(qū)中心24 km。地跨106°18′～106°33′E，29°37′～29°57′N。東接渝北區(qū)，南連沙坪壩區(qū)，西界璧山區(qū)，北鄰合川區(qū)。北碚區(qū)地處川東平行嶺谷地帶，受地質構造的制約，境內(nèi)為“三山兩谷”地貌，東為龍王洞山，中為中梁山，西為縉云山，三山之間為二谷。三山狹長，兩翼陡峻，溝壑深切，地形崎嶇。轄區(qū)屬亞熱帶濕潤氣候，降雨充足。該區(qū)位于長江主干支流嘉陵江的下游，嘉陵江在北碚段長45.1 km。北碚區(qū)土壤類型多，宜種性廣，以水稻土紫色土為主。北碚區(qū)內(nèi)自然植被主要類型為亞熱帶常綠闊葉林。依據(jù)《重慶統(tǒng)計年鑒2014》，北碚區(qū)全年農(nóng)業(yè)化肥用量為 9 102 t，農(nóng)藥用量為249 t。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究中使用的數(shù)據(jù)包括2014年北碚區(qū)耕地數(shù)據(jù)、2014年北碚區(qū)增強型植被指數(shù)(enhanced vegetation index，簡稱EVI)數(shù)據(jù)、2014年北碚區(qū)降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)、北碚區(qū)水文數(shù)據(jù)、北碚區(qū)數(shù)字高程模型(digital elevation model，簡稱DEM)數(shù)據(jù)，以及北碚區(qū)土壤類型分布數(shù)據(jù)。北碚區(qū)耕地和水文數(shù)據(jù)來源于北碚區(qū)國土局；地形和植被數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http：//www.gscloud.cn)；土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院地理科學與資源研究所數(shù)據(jù)中心(http：//www.resdc.cn)；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn)。柵格數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，并統(tǒng)一投影坐標系。

1.3 面源污染源-匯風險識別原理

本研究依據(jù)源-匯景觀格局的原理分析北碚區(qū)景觀格局與面源污染耦合關系。源-匯景觀格局理論是在大氣污染“源-匯”理論上發(fā)展而來的，該方法應用領域囊括面源污染、碳循環(huán)、生物多樣性保護等方面[10-11]。本研究中“源”景觀是指對面源污染生態(tài)發(fā)展過程有促進作用的景觀斑塊；“匯”景觀是指能夠阻止、延緩面源污染發(fā)展的景觀類別[12]。面源污染風險的大小取決于源-匯景觀作用的強弱，源作用強則風險大，匯作用強則風險小。面源污染物在外部條件因素(降水和地表徑流)的作用下由“源”景觀向“匯”景觀遷移，在遷移過程中形成源-匯風險的空間差異，該空間差異的強弱不僅體現(xiàn)在污染物從“源”景觀耕地到河流所經(jīng)過的空間距離，而且更受面源污染自然影響因子疊加效應的影響。最小累積阻力模型(MCR)可通過空間距離和自然因子疊加形成的阻力系數(shù)基面測算風險阻力面，最小累積阻力值越小，源景觀的作用就越強，面源污染發(fā)生的風險就越大；阻力值越大，匯景觀的作用就越強，污染發(fā)生的風險就越小?；谠?匯景觀格局理論和最小累積阻力模型，評價北碚區(qū)耕地面源污染風險等級，劃分耕地面源污染的風險分布格局。

1.4 最小累積阻力模型

最小累積阻力模型指從“源”經(jīng)過不同阻力的單元到達目標點所耗費的最小阻力之和。該模型考慮源、空間距離和阻力基面3方面的要素[13-14]，最小累積阻力計算公式如下：

(1)

式中：MCR代表最小累積阻力；f是一個未知負函數(shù)，反映了MCR與(Dij×Ri)呈負比例關系；Dij表示物質、能量從源景觀j到景觀i的空間運動距離；Ri表示i景觀單元對空間運動過程的阻力系數(shù)[15]。

在面源污染形成過程中，農(nóng)業(yè)活動所產(chǎn)生的氮磷等物質在外力的作用下不斷在空間里擴散，在擴散過程中必然會受到來自地形、氣候、土壤、植被等自然環(huán)境因子不同大小的阻力。最小累積阻力模型可以表示面源污染物質從耕地源景觀經(jīng)過不同阻力單元到達目標點所需要克服的最小累積阻力。

1.5 源的分級及依據(jù)

農(nóng)業(yè)面源污染物主要來源于耕地，耕地中殘留的氮、磷等物質會通過地表徑流進入水體，造成水體的污染。依據(jù)源匯景觀的生態(tài)功能特點，源景觀是促進面源污染擴散的景觀類型，匯景觀是對面源污染起減緩和阻止作用的景觀類型。因此，本研究選取北碚區(qū)耕地景觀為“源”景觀，并具體劃分為水田源景觀和旱地源景觀(圖1)。

由于研究區(qū)域耕地源景觀分布范圍廣，各地源景觀自然環(huán)境條件差異較大，為保證研究的合理性和科學性，借鑒王金亮等的研究方法[16]劃分源景觀等級。河流是面源污染物的最終匯集區(qū)，氮磷等面源污染物會對水體造成污染。嘉陵江是長江的主干支流，且橫穿北碚區(qū)，故本研究以北碚區(qū)境內(nèi)的嘉陵江為中心，構建以8 km為等距離的嘉陵江緩沖區(qū)。借助ArcGIS的buffer工具，將北碚區(qū)耕地源景觀劃分為4個等級，第一、二、三、四級別源分別距離嘉陵江干流0～8 km、>8～16 km、>16～24 km、>24～32 km(圖2)。

1.6 構建評價指標體系和阻力基面

考慮到面源污染的生態(tài)過程受地形、氣象、植被等自然因素的影響，故本研究從地形高程、地形坡度、地形指數(shù)、降雨侵蝕力、植被覆蓋度、地表粗糙度、土壤侵蝕性等7個方面建立影響面源污染風險的自然因子阻力評價指標體系(表1)。并依據(jù)指標體系建立阻力基面，具體步驟如下：(1)根據(jù)表1中相關指標的求取方法，借助ArcGIS獲得7個指標的柵格數(shù)據(jù)；(2)統(tǒng)一柵格數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，并統(tǒng)一投影坐標系；(3)利用自然斷點法將各評價指標的柵格離散值劃分為5個等級，分別用1、3、5、7、9表示阻力值，并利用ArcGIS的重分類工具進行重新賦值，通過專家打分法確定7個指標權重；(4)利用柵格計算器對加權后的指標因子進行空間疊加，從而建立面源污染影響因子阻力基面。

表1 影響重慶市北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的評價指標

1.7 阻力面構建與風險識別

基于面源污染阻力指標評價體系和阻力基面，通過最小累積阻力模型建立4個級別的耕地源景觀阻力面，并通過對阻力面進行空間疊加分析，提取出柵格的最小值，分別形成旱地源景觀與水田源景觀的風險阻力面，最終生成北碚區(qū)全部耕地面源污染的阻力面。步驟如下：首先，運用ArcGIS軟件的cost-distance工具分別生成4個等級的耕地源景觀的阻力面，并分析各個級別源景觀的空間分布特點；然后使用柵格計算器中的Con函數(shù)計算出水田與旱地源景觀的阻力面，分析2個源景觀呈現(xiàn)出的空間差異性以及造成這種差異性的原因；最后對水田與旱地阻力面進行綜合分析，識別出其中的最小阻力面，即全區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染阻力面。為更直觀地分析阻力面，通過自然斷點法劃分面源污染源-匯風險等級，被劃分為高分險區(qū)域說明該區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染的風險高，被劃分為風險等級較低的區(qū)域，說明該區(qū)域內(nèi)的自然環(huán)境因子有利于延緩污染物質的擴散，造成農(nóng)業(yè)面源污染的風險較低。

2 結果與分析

2.1 源景觀分級及分布特征

以嘉陵江為中心建立緩沖區(qū)，將北碚區(qū)耕地劃分為4個級別(圖3、表2)。一級耕地源景觀距離嘉陵江0～8 km，主要分布在北溫泉街道、龍鳳橋街道、東陽街道、澄江鎮(zhèn)、歇馬鎮(zhèn)、天府鎮(zhèn)、水土鎮(zhèn)、施家梁鎮(zhèn)、復興鎮(zhèn)、蔡家崗鎮(zhèn)、童家溪鎮(zhèn)，面積為96.19 km2，占北碚區(qū)全部耕地面積的42.84%。其中旱地面積多于水田面積，旱地源景觀在天府鎮(zhèn)和龍鳳橋街道分布比較集中，而澄江鎮(zhèn)水田源景觀集中度較高。一級水田與旱地景觀面積比例均在40%以上。二級耕地源景觀距離嘉陵江>8～16 km，主要分布在歇馬鎮(zhèn)、天府鎮(zhèn)、靜觀鎮(zhèn)、水土鎮(zhèn)、三圣鎮(zhèn)、復興鎮(zhèn)，面積為59.68 km2，占全區(qū)耕地面積的 26.57%。其中旱地面積為33.40 km2，水田面積為 26.28 km2，旱地面積大于水田面積。三級源景觀分布在距嘉陵江>16～24 km范圍內(nèi)，具體分布在三圣鎮(zhèn)、靜觀鎮(zhèn)和柳蔭鎮(zhèn)，面積為 50.66 km2，占全區(qū)耕地面積的22.56%。四級源景觀距離嘉陵江最遠，在>24～32 km緩沖區(qū)范圍內(nèi)，面積為18.03 km2，占全區(qū)耕地面積的8.03%。四級源景觀主要分布在金刀峽鎮(zhèn)和柳蔭鎮(zhèn)境內(nèi)，水田與旱地面積比例皆低于10%。

表2 耕地源景觀的分級與面積

2.2 阻力面分布特征

由圖4-A、圖4-E可知，一級旱地與水田源景觀阻力面空間分布特征一致，一級旱地阻力面最高值為108 092，一級水田阻力面最高值為107 804，綜合兩者特征分析可看出，一級源空間分布特征如下：距離嘉陵江近，阻力值小，面源污染風險大；而距離嘉陵江越遠，阻力值越大，面源污染的風險就越低，故一級耕地源景觀的最大阻力值在金刀峽鎮(zhèn)。

由圖4-B、圖4-F可知，二級旱地阻力面最高值為 92 728，二級水田阻力面最高值為94 221，綜合兩者特征分析可看出，二級源景觀阻力的高值區(qū)有2個，一是距離嘉陵江較近的澄江鎮(zhèn)、蔡家崗鎮(zhèn)等區(qū)域，二是北碚區(qū)最北端也是距離嘉陵江最遠的金刀峽地區(qū)。以嘉陵江為中心，二級阻力值呈現(xiàn)出高—低—高的分布趨勢。

由圖4-C、圖4-G可知，三級旱地阻力面最高值為186 573，三級水田阻力面最高值為186 842，綜合兩者特征分析可看出，三級源景觀阻力值分布特征如下：阻力值由北向南依次遞增，阻力面最高值位于歇馬鎮(zhèn)和童家溪鎮(zhèn)。三級源景觀的阻力面值大于一級、二級源景觀。

由圖4-D、圖4-H可知，四級旱地阻力面最高值為 222 977，四級水田阻力面最高值為223 042，四級源的空間分布趨勢與三級源相似，是因為三級、四級源距離比較近，且北碚區(qū)地形狹長。

借助Con函數(shù)從4個級別源中篩選出最小阻力面，形成旱地源景觀與水田源景觀的阻力面。由圖5可見，旱地源景觀阻力面高值區(qū)集中分布在北溫泉街道、龍鳳橋街道、澄江鎮(zhèn)東部、歇馬鎮(zhèn)、蔡家崗和童家溪鎮(zhèn)，主要原因是這些區(qū)域多為北碚區(qū)城鎮(zhèn)用地，耕地面積少，不易發(fā)生農(nóng)業(yè)面源污染，阻力面值高。其余地區(qū)的阻力面高值區(qū)零散分布在三圣鎮(zhèn)東部、金刀峽鎮(zhèn)北部、澄江鎮(zhèn)西部和歇馬鎮(zhèn)西南部，多位于縉云山、中梁山、金刀峽、龍王洞山等山地地區(qū)，耕地分布稀少，生態(tài)環(huán)境良好，植被覆蓋率較高，有利于延緩面源污染物的擴散。水田源景觀阻力面最高值(13 357)大于旱地源景觀阻力面最高值(9 334)，水田阻力面高值主要集中在北溫泉街道、澄江鎮(zhèn)、龍鳳橋街道等城市功能區(qū)，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染阻力較大。天府鎮(zhèn)耕地類型以旱地為主，所以阻力值較周邊地區(qū)高。

2.3 “源-匯”風險分布特征與影響因素

本研究將影響農(nóng)業(yè)面源污染的阻力面作為體現(xiàn)源-匯風險的指標，能夠反映農(nóng)業(yè)面源污染物從源景觀到最后受納水體(湖泊、河流)之間的可達性。通過面源污染阻力面(圖5)可以直觀地識別出北碚區(qū)的高阻力值區(qū)和低阻力值區(qū)，高阻力值區(qū)面源污染的風險小，污染物經(jīng)過該區(qū)域需要克服的阻力大，匯的作用強；低阻力值區(qū)面源污染的風險大，污染物能夠輕易通過該區(qū)域，加速了面源污染的生態(tài)過程，源的作用強。依據(jù)上述原理，在圖5基礎上使用自然斷點法劃分北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染風險等級。從圖6和圖7可以看出，北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染共被劃分為5個級別，各個級別面積排序如下，極高風險區(qū)(509.10 km2)>高風險區(qū)(144.41 km2)>中風險區(qū)(62.02 km2)>低風險區(qū)(27.68 km2)>極低風險區(qū)(9.13 km2)，其中極高風險區(qū)和高分險區(qū)占比高達86.88%，可見北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染形勢嚴峻。

北碚區(qū)地貌特征為“三山兩谷”，由西向東分別為云霧山、縉云山、中梁山、龍王洞山4條山脈，其間為寬緩的丘陵谷地。由圖6可見，極高風險區(qū)和高風險區(qū)集中分布在東陽街道、復興鎮(zhèn)、澄江鎮(zhèn)、柳蔭鎮(zhèn)、靜觀鎮(zhèn)、三圣鎮(zhèn)、天府鎮(zhèn)等地區(qū)，這些地區(qū)多數(shù)處在丘陵谷地，谷地地勢平緩，土壤肥沃，水資源充沛，有利于發(fā)展農(nóng)業(yè)，故對比圖3可知，該區(qū)域距離嘉陵江較近，耕地源景觀分布集中，是旱地和水田源景觀主要的聚集區(qū)，也是北碚區(qū)主要的農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中，投入大量的農(nóng)藥、化肥，再加上施用結構不合理、施用方法不科學等因素，農(nóng)田里殘余的化肥和農(nóng)藥會通過地表徑流進入受納水體，農(nóng)業(yè)面源污染源作用強，源-匯風險極高。其中天府鎮(zhèn)面源污染高風險的形成因素較獨特，天府鎮(zhèn)位于中梁山山脈低山區(qū)，地形復雜，以坡耕地居多，耕地坡度大，使面源污染物擴散的阻力變小，再加上降雨的沖刷作用，極易造成面源污染，源-匯風險水平高。

對圖6進行分析發(fā)現(xiàn)，面源污染的低風險區(qū)和極低風險區(qū)主要分布在山區(qū)和城市功能區(qū)。如澄江鎮(zhèn)西部和東部、歇馬鎮(zhèn)西部、三圣鎮(zhèn)東部以及金刀峽鎮(zhèn)北部等山地地區(qū)，這些地區(qū)分別處在北碚區(qū)“五區(qū)四帶”的縉云山自然保護帶、中梁山生態(tài)修復帶、龍王洞山生態(tài)涵養(yǎng)帶和金刀峽生態(tài)涵養(yǎng)帶。生態(tài)區(qū)內(nèi)植被覆蓋度高，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，而且屬于國家限制、禁止開發(fā)區(qū)域，所以區(qū)域內(nèi)耕地分布稀少，匯作用較強，面源污染的風險水平極低。另外，低風險區(qū)還集中分布在北溫泉街道、龍鳳橋街道、蔡家崗鎮(zhèn)和童家溪鎮(zhèn)等城市功能區(qū)，這些區(qū)域以非農(nóng)產(chǎn)業(yè)為主，耕地景觀斑塊分布較少，農(nóng)藥和化肥使用量較低，且城市的不透水下墊面切斷富含氮、磷等農(nóng)業(yè)面源物質的地表徑流，故污染物質無法到達受納水體。上述研究結果表明，劃分面源污染源-匯風險等級對于北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染防控和管理是非常重要的。

3 討論

北碚區(qū)面源污染高風險區(qū)面積最大，耕地面源污染的形勢嚴峻，因此高風險區(qū)需要加大污染的防控和管理力度。從污染源頭控制技術的角度，合理利用土地、施行科學的種植制度、普及科學施肥和農(nóng)藥使用方法、使用能夠降低農(nóng)業(yè)面源污染的新型高效化肥、降低坡耕地坡度、優(yōu)化耕地灌溉技術(噴灌技術、微灌技術)等，均可降低面源污染。從污染過程阻斷技術的角度，通過建立生態(tài)攔截帶(植被過濾帶)、生態(tài)攔截溝渠技術達到阻隔污染物質的目的。從面源污染末端強化技術的角度來看，降低北碚區(qū)面源污染風險主要有前置庫技術、建立生態(tài)塘池等方法[21]。耕地面源污染源-匯風險格局的劃定有利于客觀、全面地反映北碚區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的分異特征，并為針對性地制定和實施農(nóng)業(yè)面源污染控制方案提供依據(jù)。

另外，本研究還有很多方面需要深入研究，比如影響源景觀的因素眾多，如何合理科學地劃分源景觀還需進一步探討；在源-匯風險格局中極低風險區(qū)分布在城市區(qū)內(nèi)，城市的不透水下墊面對農(nóng)業(yè)面源污染起到了阻斷作用，但是面源污染包括城市面源污染和農(nóng)業(yè)面源污染，在研究城市區(qū)面源污染風險格局特征時并未考慮城市面源污染的影響，在今后的工作中將完善這方面的研究。

4 結論

(1)本研究以嘉陵江為中心，將源景觀分為4個級別，其中在0～8 km范圍內(nèi)的一級耕地源景觀面積最大，占全區(qū)耕地面積的42.84%，其中旱地面積多于水田面積，旱地源景觀在天府鎮(zhèn)和龍鳳橋街道分布比較集中，而水田主要集中在澄江鎮(zhèn)。

(2)在自然影響因子阻力基面和各級別源景觀的基礎上，借助最小累積阻力模型形成各級別源景觀的阻力面，距離源景觀距離越近，阻力值越小，源的作用就越強，隨著距離的變遠，阻力值也相應變大，匯的作用逐漸增強。全區(qū)旱地阻力面值要小于水田阻力面值，是因為旱地面積大于水田面積，旱地在空間分布上更廣闊。農(nóng)業(yè)面源污染的阻力面與旱地阻力面分布一致，說明旱地面源污染對于全區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響較大。

(3)通過自然斷點法將阻力面劃分成極高風險區(qū)、高風險區(qū)、極低風險區(qū)、低風險區(qū)以及中風險區(qū)5個級別。其中，極高風險區(qū)和高風險區(qū)面積占北碚區(qū)面積的86.88%，集中分布于丘陵谷地和山脈低山區(qū)；極低風險區(qū)和低風險區(qū)分布較分散，主要分布在北碚區(qū)4個生態(tài)保護區(qū)和城市區(qū)。耕地面源污染源-匯風險格局的分析結果表明，北碚區(qū)耕地面源污染態(tài)勢嚴峻，且地域分異特征明顯。