基于GIS的三峽庫區(qū)消落帶土地利用研究進(jìn)展

王 蕾， 師賀雄，*， 陳本文，， 夏 鷹

(1.重慶市林業(yè)科學(xué)研究院， 重慶 400036； 2.重慶市武隆區(qū)林業(yè)局， 重慶 408599)

消落帶是水庫的一種特殊現(xiàn)象，其形成一方面因為蓄水，另一方面是由于水位的季節(jié)性漲落使得淹沒的部位露出水面[1-2]。三峽庫區(qū)地處四川盆地與長江中下游平原的結(jié)合部，水位的季節(jié)性升降會改變?nèi)龒{庫區(qū)淤積泥沙的沖刷過程，同時，這種蓄水放水的過程使得庫區(qū)的生態(tài)環(huán)境逐漸發(fā)生變化，消落帶逐漸由陸地慢慢地過渡為水陸交替的濕地。受每年汛期影響，三峽庫區(qū)消落帶形成了300 hm2以上的可利用土地[3]。因此，如何充分合理有效利用消落帶土地資源，不僅可在一定程度上緩解消落帶區(qū)域的人地矛盾，同時對改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境具有重要的意義。

GIS是基于計算機軟硬件，依靠地理空間數(shù)據(jù)庫，解決空間數(shù)據(jù)問題的一種工具，也是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的完整系統(tǒng)，具有獲取、輸入、存儲、分析、處理、編輯等功能[4]。利用GIS的各種信息分析技術(shù)，能夠較直觀地表明土地利用變化、結(jié)構(gòu)、類型以及面源污染物分布等情況。為三峽庫區(qū)消落帶土地合理利用提供依據(jù)，通過分析三峽庫區(qū)消落帶土地利用相關(guān)研究文獻(xiàn)，從消落帶土地利用變化、土地利用結(jié)構(gòu)等多個方面綜述GIS在三峽庫區(qū)消落帶土地利用方面的研究概況。

1 三峽庫區(qū)消落帶土地資源現(xiàn)狀

三峽庫區(qū)消落帶土地資源作為陸生和水生生態(tài)系統(tǒng)交替控制區(qū)域[1，5]，其特點是6月初退水，10月底漲水，近5個月的成陸期與三峽庫區(qū)光熱水資源集中期相同[6]。消落帶土壤具有肥力高、結(jié)構(gòu)松散等優(yōu)點，其利用類型可按區(qū)域劃分為常年利用、季節(jié)性利用和暫時性利用。值得注意的是，庫區(qū)消落帶土地資源質(zhì)量、數(shù)量不斷減少，其周邊生態(tài)環(huán)境也急劇惡化，農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)化的不合理利用導(dǎo)致目前消落區(qū)的土地資源具有環(huán)境后效性、隨機風(fēng)險性等特點[7-8]。

1.1 三峽庫區(qū)消落帶治理研究現(xiàn)狀

三峽庫區(qū)消落帶冬水夏陸，涉及地域廣，隨著地域變化，其地形地貌、土壤結(jié)構(gòu)和氣候等會隨之變化，因此沒有單一的消落帶土地利用模式[9]。目前，三峽庫區(qū)消落帶土地利用的研究主要集中于土地利用方式、土地利用變化及綜合效益評價等方面。土地利用方式的研究較多，主要集中在土地利用類型及土地供需模式等；土地利用變化主要研究演變過程及其發(fā)生的一系列生態(tài)環(huán)境問題；綜合效益評價是從經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益方面構(gòu)建指標(biāo)進(jìn)行評價。

1.1.1 土地利用方式 目前，土地利用方式研究側(cè)重于對土地利用方式的轉(zhuǎn)變及土地供需矛盾的研究，但缺乏對土地利用方式和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性研究。涂建軍等[10]根據(jù)消落帶特性，并結(jié)合重慶市開縣實際，提出工程防護(hù)、季節(jié)性農(nóng)耕、生物工程、水產(chǎn)養(yǎng)殖等4種土地整理利用模式，并提醒消落帶的利用應(yīng)科學(xué)規(guī)劃，注重管理和引導(dǎo)，通過合理利用不同模式開展消落帶土地整理，能有效緩解人地矛盾，且有利于三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境的改善。徐泉斌等[11]提出，消落帶要根據(jù)時間、地形地貌采取不同的土地利用方式，在以保護(hù)生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)的前提下劃分為高程150 m以下的自然生態(tài)區(qū)、高程150～160 m的濕地農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、高程160～175 m的農(nóng)林區(qū)、高程175～180 m的邊緣區(qū)、坡度大于25°的陡坡區(qū)。王學(xué)雷等[12]提出濕地利用保護(hù)應(yīng)該強調(diào)生態(tài)環(huán)境的研究，以及濕地保護(hù)規(guī)劃和控制污染等的重要作用。

1.1.2 土地利用變化 目前，土地利用方式變化重點研究了時間方式上的變化，對于消落帶內(nèi)部土地利用類型變化上分析較為淺顯。官冬杰等[13]對2003—2013年的消落帶土地利用類型進(jìn)行研究表明，在1～2年的短周期內(nèi)，消落帶植被覆蓋類型穩(wěn)定性不高，會有較大變化，長期變化則趨于穩(wěn)定；從空間格局上分析，陸生與濕生植物基本屬于類別內(nèi)部變化，植被覆蓋度略有降低，后逐步穩(wěn)定。蘇維詞[14]研究發(fā)現(xiàn)，水位的季節(jié)性漲落會在一定程度上給三峽庫區(qū)帶來系列生態(tài)問題，并對比了土地利用變化產(chǎn)生的原因及時空分布等，同時提出針對性的防治措施。消落帶土地利用是一個復(fù)雜的問題，隨著研究技術(shù)不斷發(fā)展，只有挖掘消落帶用地潛力，才能更好地物盡其用。

1.1.3 綜合效益評價 王萌等[15]采用三峽庫區(qū)鄉(xiāng)土樹種桑樹為例，構(gòu)建了生態(tài)友好型土地利用模式，并綜合分析評價庫區(qū)170～175 m消落帶桑樹種植帶來的經(jīng)濟、生態(tài)效益。袁輝等[16]基于三峽庫區(qū)消落帶的四種利用保護(hù)模式，同時根據(jù)庫區(qū)消落帶生態(tài)特征、功能整合性和外部環(huán)境三大指標(biāo)，共計26個亞指標(biāo)進(jìn)行健康狀況的影響預(yù)測評價。目前，消落帶土地利用綜合效益的評價指標(biāo)單一且評價方法比較傳統(tǒng)，運用現(xiàn)代技術(shù)較少，創(chuàng)新性不足。

2 GIS在三峽庫區(qū)消落帶土地利用研究中的應(yīng)用

消落帶的土地利用方式應(yīng)該根據(jù)生態(tài)發(fā)展要求及土地適宜性進(jìn)行確定，GIS的引入為消落帶土地利用研究做出更加準(zhǔn)確的規(guī)劃和分析。GIS在消落帶土地利用變化、消落帶土地利用結(jié)構(gòu)、土地利用方式、消落帶植被重建及生態(tài)修復(fù)、面源污染物控制等方面的應(yīng)用功能及主要內(nèi)容見表1。

表1 GIS在三峽庫區(qū)消落帶治理研究中的應(yīng)用

2.1 土地利用變化研究

在消落帶土地利用變化研究中，GIS可依靠其強大的空間分析功能，如土地利用變化預(yù)測及驅(qū)動力分析，并根據(jù)不同年份的土地利用情況數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計軟件、模型預(yù)測軟件等現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行動態(tài)分析。同時基于消落帶土地合理利用，進(jìn)一步優(yōu)化空間，并對存在的問題提出指向性的對策建議，可為三峽庫區(qū)消落帶土地科學(xué)合理利用提供參考。

涉及GIS在消落帶土地利用變化方面的功能包括數(shù)據(jù)處理、模型分析、制作數(shù)字高程模型、疊加分析等方面，官東杰等[13]對2003年、2004年、2008年、2010年、2013年的消落帶土地利用類型進(jìn)行分類，得出三峽庫區(qū)消落帶(涪陵段)濕地植被的時空演替過程。劉俊[17]結(jié)合3S技術(shù)，運用景觀生態(tài)學(xué)等相關(guān)理論，對三峽庫區(qū)1986—2000年消落帶范圍內(nèi)的土地利用/覆被變化研究表明，14年間建設(shè)用地及耕地在不斷增加，生態(tài)用地面積減少，但未利用地、水域基本沒有變化，并應(yīng)用景觀格局指數(shù)分析了土地利用空間格局變化，最后探討了區(qū)域內(nèi)土地資源的利用路徑，并提出針對性的措施和建議。徐亮[18]運用GIS技術(shù)研究三峽庫區(qū)消落帶(開縣段)2000—2005年土地利用變化表明，消落帶土地利用在數(shù)量、結(jié)構(gòu)、程度等方面都發(fā)生了不同變化，并對該區(qū)域的土地利用變化進(jìn)行預(yù)測，同時分析了土地利用變化驅(qū)動因素及環(huán)境效應(yīng)。

2.2 土地利用結(jié)構(gòu)研究

目前，涉及三峽庫區(qū)消落帶土地利用結(jié)構(gòu)的研究較少，GIS可對消落帶土地利用結(jié)構(gòu)評價、模擬、信息熵變化分析以及系統(tǒng)功能和特征進(jìn)行研究，并通過空間分析，從不同角度分析消落區(qū)土地利用空間結(jié)構(gòu)特征，可為三峽庫區(qū)消落帶土地利用規(guī)劃決策提供依據(jù)。

趙雨果[19]以重慶市開縣為例，運用ArcGIS的空間分析功能并結(jié)合ERDAS影像處理，采取模糊綜合評價法對2003—2009年的TM影像及土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時分析該區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)信息熵變化，結(jié)果表明，開縣消落帶土地利用結(jié)構(gòu)較差，且土地利用系統(tǒng)從相對有序狀態(tài)向相對無序狀態(tài)過渡。土地利用結(jié)構(gòu)是國民經(jīng)濟結(jié)構(gòu)在土地利用上的具體表現(xiàn)，土地利用效益及功能的提高可通過土地利用評價實現(xiàn)。為此，謝賢健[20]采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法及信息熵理論，以GIS技術(shù)為載體，通過對有序性、效率方面分析評價重慶市的土地利用結(jié)構(gòu)狀況，為庫區(qū)消落帶土地土地利用結(jié)構(gòu)評價提供依據(jù)。

2.3 土地利用方式研究

GIS在消落帶土地利用方式方面的應(yīng)用主要有消落帶生態(tài)系統(tǒng)土地利用方式的景觀格局變化、消落帶土地利用方式對土壤侵蝕的影響、消落帶生態(tài)系統(tǒng)土地利用方式效益評價等，主要是借助GIS的圖像、數(shù)據(jù)處理功能，分析并評價不同土地利用方式，包括建立適宜性評價和自動模擬演化的優(yōu)化模型?；贕IS的消落帶土地資源優(yōu)化配置，不僅可以讓土地資源合理利用，而且可以使消落帶土地適宜性評價更加準(zhǔn)確。

程輝[21]結(jié)合地理信息系統(tǒng)空間分析功能，研究庫灣生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能和結(jié)構(gòu)的影響因素，通過對比分析庫灣生態(tài)系統(tǒng) 2014—2015年生態(tài)系統(tǒng)景觀類型空間分布變化特征，并對其景觀格局指數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，不同土地利用方式同消落帶庫灣的植物群落結(jié)構(gòu)變化差異顯著。朱韋等[22]結(jié)合TM影像和地理信息系統(tǒng)，研究1995年、2000年在景觀和類型方面的土壤侵蝕格局演變，得出三峽庫區(qū)林地和耕地利用方式是導(dǎo)致土壤侵蝕最主要的方式，并提出防治土壤侵蝕的土地利用方式建議。蘇維詞等[23-24]基于GIS技術(shù)手段，結(jié)合三峽庫區(qū)消落帶實際，并根據(jù)地域不同將消落帶劃分為不同的類型，并對每種類型針對性提出開發(fā)利用模式。

2.4 植被重建及生態(tài)修復(fù)研究

GIS在消落帶植被重建及生態(tài)修復(fù)研究中的應(yīng)用主要是基于GIS的空間分析功能，結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計相關(guān)軟件分析不同土地利用模式對消落帶生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而得到消落帶生態(tài)系統(tǒng)土地利用模式在生態(tài)系統(tǒng)上的變化、對土壤侵蝕的影響以及生態(tài)效益方面的評價。

黃世友等[25]利用GIS數(shù)字高程模型及坡度分析，根據(jù)淹沒時間，選擇出池杉、竹柳等15種樹種運用于消落帶植被的重建，并總結(jié)出相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)。從全國庫區(qū)消落帶植被恢復(fù)研究看，可借鑒李茳[26]運用GIS提取功能在青獅潭水庫消落帶植被恢復(fù)中的應(yīng)用，以人工植被恢復(fù)的模式為基礎(chǔ)，同時結(jié)合GIS提取分析功能，將水庫消落帶根據(jù)坡度分為五類，即0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、大于25°。最后，結(jié)合實際采用植被恢復(fù)的重建模式、工程建設(shè)模式、旅游景觀工程、生態(tài)農(nóng)業(yè)工程4種模式恢復(fù)重建并規(guī)劃模擬研究區(qū)域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)。

2.5 面源污染物控制研究

目前，GIS作為一種強大的分析工具，普遍應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染研究中，主要應(yīng)用方向為空間數(shù)據(jù)庫的建立、環(huán)境的模擬及污染物分布圖制作等。其中，空間數(shù)據(jù)庫的建立可準(zhǔn)確、方便、快捷地查看污染物的總體情況以及規(guī)律等，并結(jié)合數(shù)據(jù)的查詢及時做出危險性評價，確定污染容量，提出控制方向及目標(biāo)并迅速提供對應(yīng)措施。

學(xué)者多以建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫來完成GIS空間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)處理，該數(shù)據(jù)庫能夠更好、更快的表達(dá)空間數(shù)據(jù)的關(guān)系，也為有效評價庫區(qū)面源污染物提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時可根據(jù)數(shù)據(jù)對比，分析面源污染物規(guī)律[27-28]。通過利用GIS空間疊加分析，溫兆飛等[29]遴選出影響庫區(qū)農(nóng)田面源污染的關(guān)鍵因子，提出土壤類型是導(dǎo)致不同典型區(qū)分布差異的主導(dǎo)因素?；谌龒{庫區(qū)水體特征，陳梅[30]建立了基于GIS的空間多指標(biāo)農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險評估模型、小流域農(nóng)業(yè)面源污染空間負(fù)荷估算模型，并結(jié)合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，定量研究了污染物的負(fù)荷在空間上的分布，并提出其潛在的污染風(fēng)險。丁恩俊[31]應(yīng)用現(xiàn)代化統(tǒng)計軟件，并結(jié)合GIS空間分析和制圖功能，基于三峽庫區(qū)王家溝小流域土壤養(yǎng)分空間變異性，分析并制作出土壤養(yǎng)分空間分布圖，為科學(xué)合理施肥、面源污染物控制等提供依據(jù)。

3 結(jié)語

三峽庫區(qū)消落帶作為一種特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)，合理利用其特殊的土地資源，在基本農(nóng)田匱乏、人多地少、人地矛盾突出的三峽庫區(qū)顯得尤為重要。消落帶土地合理利用能有效促進(jìn)用地效益的提升，促進(jìn)庫區(qū)人與自然的和諧發(fā)展?；贕IS的三峽庫區(qū)消落帶土地利用研究主要集中于消落帶土地利用的方式、結(jié)構(gòu)、變化、植被重建以及農(nóng)業(yè)面源污染物的控制等方面，為三峽庫區(qū)消落帶土地合理利用提供了科學(xué)決策依據(jù)。未來基于GIS在三峽庫區(qū)消落帶土地利用的研究應(yīng)重點開展以下工作：1) 加強 GIS 推理預(yù)測技術(shù)、可視化技術(shù)的集成，實現(xiàn)基于空間數(shù)據(jù)的實時交互、圖形制作實時可視化，更直觀、簡便、快捷地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，更容易地進(jìn)行空間知識的展現(xiàn)，以期達(dá)到快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行決策部署。2) 目前基于GIS的三峽庫區(qū)消落帶土地利用評價體系不健全，評價方法不夠多樣化，可根據(jù)消落帶土地功能有效配置等方面開展消落帶土地利用和系統(tǒng)功能相關(guān)的研究，形成一套完整的理論體系，使地理信息系統(tǒng)能夠與消落帶土地利用更加緊密結(jié)合。3) 利用GIS提升消落帶土地合理利用大數(shù)據(jù)篩選能力，實現(xiàn)行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)普遍可用性。