基于GIS的三峡库区消落带土地利用研究进展

王 蕾， 师贺雄，*， 陈本文，， 夏 鹰

(1.重庆市林业科学研究院， 重庆 400036； 2.重庆市武隆区林业局， 重庆 408599)

消落带是水库的一种特殊现象，其形成一方面因为蓄水，另一方面是由于水位的季节性涨落使得淹没的部位露出水面[1-2]。三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，水位的季节性升降会改变三峡库区淤积泥沙的冲刷过程，同时，这种蓄水放水的过程使得库区的生态环境逐渐发生变化，消落带逐渐由陆地慢慢地过渡为水陆交替的湿地。受每年汛期影响，三峡库区消落带形成了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带土地资源，不仅可在一定程度上缓解消落带区域的人地矛盾，同时对改善当地生态环境具有重要的意义。

GIS是基于计算机软硬件，依靠地理空间数据库，解决空间数据问题的一种工具，也是具有一定结构和功能的完整系统，具有获取、输入、存储、分析、处理、编辑等功能[4]。利用GIS的各种信息分析技术，能够较直观地表明土地利用变化、结构、类型以及面源污染物分布等情况。为三峡库区消落带土地合理利用提供依据，通过分析三峡库区消落带土地利用相关研究文献，从消落带土地利用变化、土地利用结构等多个方面综述GIS在三峡库区消落带土地利用方面的研究概况。

1 三峡库区消落带土地资源现状

三峡库区消落带土地资源作为陆生和水生生态系统交替控制区域[1，5]，其特点是6月初退水，10月底涨水，近5个月的成陆期与三峡库区光热水资源集中期相同[6]。消落带土壤具有肥力高、结构松散等优点，其利用类型可按区域划分为常年利用、季节性利用和暂时性利用。值得注意的是，库区消落带土地资源质量、数量不断减少，其周边生态环境也急剧恶化，农业和城镇化的不合理利用导致目前消落区的土地资源具有环境后效性、随机风险性等特点[7-8]。

1.1 三峡库区消落带治理研究现状

三峡库区消落带冬水夏陆，涉及地域广，随着地域变化，其地形地貌、土壤结构和气候等会随之变化，因此没有单一的消落带土地利用模式[9]。目前，三峡库区消落带土地利用的研究主要集中于土地利用方式、土地利用变化及综合效益评价等方面。土地利用方式的研究较多，主要集中在土地利用类型及土地供需模式等；土地利用变化主要研究演变过程及其发生的一系列生态环境问题；综合效益评价是从经济、社会、生态效益方面构建指标进行评价。

1.1.1 土地利用方式 目前，土地利用方式研究侧重于对土地利用方式的转变及土地供需矛盾的研究，但缺乏对土地利用方式和生态环境的协调性研究。涂建军等[10]根据消落带特性，并结合重庆市开县实际，提出工程防护、季节性农耕、生物工程、水产养殖等4种土地整理利用模式，并提醒消落带的利用应科学规划，注重管理和引导，通过合理利用不同模式开展消落带土地整理，能有效缓解人地矛盾，且有利于三峡库区生态环境的改善。徐泉斌等[11]提出，消落带要根据时间、地形地貌采取不同的土地利用方式，在以保护生态环境为基础的前提下划分为高程150 m以下的自然生态区、高程150～160 m的湿地农业生态区、高程160～175 m的农林区、高程175～180 m的边缘区、坡度大于25°的陡坡区。王学雷等[12]提出湿地利用保护应该强调生态环境的研究，以及湿地保护规划和控制污染等的重要作用。

1.1.2 土地利用变化 目前，土地利用方式变化重点研究了时间方式上的变化，对于消落带内部土地利用类型变化上分析较为浅显。官冬杰等[13]对2003—2013年的消落带土地利用类型进行研究表明，在1～2年的短周期内，消落带植被覆盖类型稳定性不高，会有较大变化，长期变化则趋于稳定；从空间格局上分析，陆生与湿生植物基本属于类别内部变化，植被覆盖度略有降低，后逐步稳定。苏维词[14]研究发现，水位的季节性涨落会在一定程度上给三峡库区带来系列生态问题，并对比了土地利用变化产生的原因及时空分布等，同时提出针对性的防治措施。消落带土地利用是一个复杂的问题，随着研究技术不断发展，只有挖掘消落带用地潜力，才能更好地物尽其用。

1.1.3 综合效益评价 王萌等[15]采用三峡库区乡土树种桑树为例，构建了生态友好型土地利用模式，并综合分析评价库区170～175 m消落带桑树种植带来的经济、生态效益。袁辉等[16]基于三峡库区消落带的四种利用保护模式，同时根据库区消落带生态特征、功能整合性和外部环境三大指标，共计26个亚指标进行健康状况的影响预测评价。目前，消落带土地利用综合效益的评价指标单一且评价方法比较传统，运用现代技术较少，创新性不足。

2 GIS在三峡库区消落带土地利用研究中的应用

消落带的土地利用方式应该根据生态发展要求及土地适宜性进行确定，GIS的引入为消落带土地利用研究做出更加准确的规划和分析。GIS在消落带土地利用变化、消落带土地利用结构、土地利用方式、消落带植被重建及生态修复、面源污染物控制等方面的应用功能及主要内容见表1。

表1 GIS在三峡库区消落带治理研究中的应用

2.1 土地利用变化研究

在消落带土地利用变化研究中，GIS可依靠其强大的空间分析功能，如土地利用变化预测及驱动力分析，并根据不同年份的土地利用情况数据，结合数理统计软件、模型预测软件等现代技术进行动态分析。同时基于消落带土地合理利用，进一步优化空间，并对存在的问题提出指向性的对策建议，可为三峡库区消落带土地科学合理利用提供参考。

涉及GIS在消落带土地利用变化方面的功能包括数据处理、模型分析、制作数字高程模型、叠加分析等方面，官东杰等[13]对2003年、2004年、2008年、2010年、2013年的消落带土地利用类型进行分类，得出三峡库区消落带(涪陵段)湿地植被的时空演替过程。刘俊[17]结合3S技术，运用景观生态学等相关理论，对三峡库区1986—2000年消落带范围内的土地利用/覆被变化研究表明，14年间建设用地及耕地在不断增加，生态用地面积减少，但未利用地、水域基本没有变化，并应用景观格局指数分析了土地利用空间格局变化，最后探讨了区域内土地资源的利用路径，并提出针对性的措施和建议。徐亮[18]运用GIS技术研究三峡库区消落带(开县段)2000—2005年土地利用变化表明，消落带土地利用在数量、结构、程度等方面都发生了不同变化，并对该区域的土地利用变化进行预测，同时分析了土地利用变化驱动因素及环境效应。

2.2 土地利用结构研究

目前，涉及三峡库区消落带土地利用结构的研究较少，GIS可对消落带土地利用结构评价、模拟、信息熵变化分析以及系统功能和特征进行研究，并通过空间分析，从不同角度分析消落区土地利用空间结构特征，可为三峡库区消落带土地利用规划决策提供依据。

赵雨果[19]以重庆市开县为例，运用ArcGIS的空间分析功能并结合ERDAS影像处理，采取模糊综合评价法对2003—2009年的TM影像及土地利用现状数据进行分析，同时分析该区域土地利用结构信息熵变化，结果表明，开县消落带土地利用结构较差，且土地利用系统从相对有序状态向相对无序状态过渡。土地利用结构是国民经济结构在土地利用上的具体表现，土地利用效益及功能的提高可通过土地利用评价实现。为此，谢贤健[20]采用数据包络分析方法及信息熵理论，以GIS技术为载体，通过对有序性、效率方面分析评价重庆市的土地利用结构状况，为库区消落带土地土地利用结构评价提供依据。

2.3 土地利用方式研究

GIS在消落带土地利用方式方面的应用主要有消落带生态系统土地利用方式的景观格局变化、消落带土地利用方式对土壤侵蚀的影响、消落带生态系统土地利用方式效益评价等，主要是借助GIS的图像、数据处理功能，分析并评价不同土地利用方式，包括建立适宜性评价和自动模拟演化的优化模型。基于GIS的消落带土地资源优化配置，不仅可以让土地资源合理利用，而且可以使消落带土地适宜性评价更加准确。

程辉[21]结合地理信息系统空间分析功能，研究库湾生态系统的服务功能和结构的影响因素，通过对比分析库湾生态系统 2014—2015年生态系统景观类型空间分布变化特征，并对其景观格局指数进行分析，结果表明，不同土地利用方式同消落带库湾的植物群落结构变化差异显著。朱韦等[22]结合TM影像和地理信息系统，研究1995年、2000年在景观和类型方面的土壤侵蚀格局演变，得出三峡库区林地和耕地利用方式是导致土壤侵蚀最主要的方式，并提出防治土壤侵蚀的土地利用方式建议。苏维词等[23-24]基于GIS技术手段，结合三峡库区消落带实际，并根据地域不同将消落带划分为不同的类型，并对每种类型针对性提出开发利用模式。

2.4 植被重建及生态修复研究

GIS在消落带植被重建及生态修复研究中的应用主要是基于GIS的空间分析功能，结合数据统计相关软件分析不同土地利用模式对消落带生态系统的影响，从而得到消落带生态系统土地利用模式在生态系统上的变化、对土壤侵蚀的影响以及生态效益方面的评价。

黄世友等[25]利用GIS数字高程模型及坡度分析，根据淹没时间，选择出池杉、竹柳等15种树种运用于消落带植被的重建，并总结出相应的生态修复技术。从全国库区消落带植被恢复研究看，可借鉴李茳[26]运用GIS提取功能在青狮潭水库消落带植被恢复中的应用，以人工植被恢复的模式为基础，同时结合GIS提取分析功能，将水库消落带根据坡度分为五类，即0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、大于25°。最后，结合实际采用植被恢复的重建模式、工程建设模式、旅游景观工程、生态农业工程4种模式恢复重建并规划模拟研究区域内的生态系统。

2.5 面源污染物控制研究

目前，GIS作为一种强大的分析工具，普遍应用于农业面源污染研究中，主要应用方向为空间数据库的建立、环境的模拟及污染物分布图制作等。其中，空间数据库的建立可准确、方便、快捷地查看污染物的总体情况以及规律等，并结合数据的查询及时做出危险性评价，确定污染容量，提出控制方向及目标并迅速提供对应措施。

学者多以建立基础地理数据库来完成GIS空间数据库数据处理，该数据库能够更好、更快的表达空间数据的关系，也为有效评价库区面源污染物提供基础数据，同时可根据数据对比，分析面源污染物规律[27-28]。通过利用GIS空间叠加分析，温兆飞等[29]遴选出影响库区农田面源污染的关键因子，提出土壤类型是导致不同典型区分布差异的主导因素。基于三峡库区水体特征，陈梅[30]建立了基于GIS的空间多指标农业面源污染风险评估模型、小流域农业面源污染空间负荷估算模型，并结合基础数据，定量研究了污染物的负荷在空间上的分布，并提出其潜在的污染风险。丁恩俊[31]应用现代化统计软件，并结合GIS空间分析和制图功能，基于三峡库区王家沟小流域土壤养分空间变异性，分析并制作出土壤养分空间分布图，为科学合理施肥、面源污染物控制等提供依据。

3 结语

三峡库区消落带作为一种特殊的湿地生态系统，合理利用其特殊的土地资源，在基本农田匮乏、人多地少、人地矛盾突出的三峡库区显得尤为重要。消落带土地合理利用能有效促进用地效益的提升，促进库区人与自然的和谐发展。基于GIS的三峡库区消落带土地利用研究主要集中于消落带土地利用的方式、结构、变化、植被重建以及农业面源污染物的控制等方面，为三峡库区消落带土地合理利用提供了科学决策依据。未来基于GIS在三峡库区消落带土地利用的研究应重点开展以下工作：1) 加强 GIS 推理预测技术、可视化技术的集成，实现基于空间数据的实时交互、图形制作实时可视化，更直观、简便、快捷地呈现数据，更容易地进行空间知识的展现，以期达到快速、准确地进行决策部署。2) 目前基于GIS的三峡库区消落带土地利用评价体系不健全，评价方法不够多样化，可根据消落带土地功能有效配置等方面开展消落带土地利用和系统功能相关的研究，形成一套完整的理论体系，使地理信息系统能够与消落带土地利用更加紧密结合。3) 利用GIS提升消落带土地合理利用大数据筛选能力，实现行业内数据共享，实现数据普遍可用性。