土地生態風險評價的理論基礎及模型構建

劉 勇，邢育剛，李晉昌

（山西大學黃土高原研究所，山西太原 030006）

土地生態風險評價的理論基礎及模型構建

劉 勇，邢育剛，李晉昌

（山西大學黃土高原研究所，山西太原 030006）

研究目的：探討土地生態風險評價的理論基礎并構建評價模型。研究方法：文獻資料法,對比法。研究結果：目前中國對于土壤風險評價大多數是針對土壤中重金屬和農藥污染,還沒有形成完善的方法和指標體系來表征或評價包含物理壓力、化學壓力和生物壓力在內的土地生態風險，如何在實踐中辨識土地生態風險的壓力因子,如何進行有效的生態風險評價并用之于土地管理還沒有成熟的方法。研究結論：將土地生態風險壓力因子分為物理因子、化學因子和生物因子,可為土地生態風險評價提供新的思路和理論基礎。

土地評價；土地生態風險；理論基礎；風險源

1 引言

土地是最基本的生態環境要素，同時也是一切自然資源之首，是人類賴以生存和發展的物質基礎[1]。土地生態環境的優劣可直接或間接對社會經濟可持續發展產生影響[2]。近年來，隨著工業化與城市化的快速推進，中國人地矛盾日益突出，對土地的利用程度已經達到甚至超過區域土地的生態承載能力，導致生態環境逐漸惡化[3]，土壤污染、水土流失、土地沙化等現象日趨嚴重。區域生態風險評價是近年來環境科學研究的前沿和熱點[4]，強調在區域水平上描述和評估環境污染、人為活動或自然災害對生態系統及其組分產生不利作用的可能性和大小的過程[5]。區域生態風險評價起源于環境風險評價,從1980年代開始至今,評價方法、內容和范圍都有了很大發展，風險受體從人體發展到種群、群落、生態系統和景觀尺度[6-7]。從土地生態系統角度，基于土地利用變化、土壤污染、土地承載力等綜合因素分析區域土地生態風險并進行動態評價，目前仍處于起步和探索階段，但土地生態風險問題作為國家生態安全的重要組成部分，已成為經濟社會進一步發展的制約因素[8]。土地生態風險分析有助于科學把握土地利用動態變化及正確認識土壤生物化學污染可能帶給當地居民身體健康和生存環境危害的風險度，同時以風險評價為基礎對土地進行整治與管理具有現實意義，本文試圖基于生態風險評價的基本原理構建土地生態風險評價模型，為今后開展相關工作提供理論基礎。

2 土地生態風險分析的理論基礎

2.1 土地生態風險的概念

關于土地生態風險，迄今尚未形成明確的定義?；谏鷳B風險的概念，土地生態風險可認為是由于自然或人為原因致使土地資源破壞或污染而對人類生存環境造成的一種危害狀態，在這種狀態下，土地生態系統沒有穩定、均衡、充裕的自然資源可供人類利用，土地資源不能維持環境與人類的協調發展。其定義包括兩層含義：一是由于土地生態環境的破壞、退化對人類社會構成的生存威脅，主要指土地資源的減少和退化及土地生態系統的破壞削弱了對人類社會可持續發展的支撐能力[9]；二是由于土壤環境質量下降對當地居民身體的危害。

2.2 土地生態風險的特點

參照高小平等[9]提出的區域生態風險的特點，土地生態風險的特點主要有：（1）相對性：土地生態風險是相對于人類而言的，風險標準是以人類所要求的土地生態環境質量來衡量的。土地生態風險由眾多因素構成，其對人類的健康和生存環境的危害程度各不相同，但只要其中一個或幾個因子不能滿足人類正常生存與發展的需求，土地生態環境就是不合格的。（2）整體性：土地資源在整個生態系統中都是相連相通的，任何局部環境的破壞，都有可能引發全局性的災難，危及整個區域甚至全球的生存條件。（3）不可逆性：土地生態環境的支撐能力有其一定限度，破壞一旦超過其自身修復的“閥值”，往往造成不可逆轉的后果。如中國西南地區出現的“石漠化”土地和流失的土壤等是人力很難恢復的。（4）恢復治理具有長期性：許多土地生態環境問題一旦形成，若想解決就要在時間和經濟上付出巨大代價，如沙漠化土地的治理，往往要數十年甚至幾代人的努力，經濟代價也很高。

2.3 土地生態風險研究的內容

土地生態風險研究是以生態學、地理學、環境科學及風險理論的觀點，系統、綜合的對土地資源可能存在的生態風險進行科學研究，既有基礎理論研究，也有應用技術研究，其研究對象是土地的生態環境。土地生態風險研究主要對土地資源開發利用與土地持續、穩定、高效發展的關系進行定量描述、表達和模擬及調控，其內容具體包括：（1）土地生態系統風險源、危害性、風險度診斷和風險“閾值”判定；（2）土地生態系統風險評價方法、風險預測和預警；（3）土地生態系統發展的可持續性評估、管理和維護的調控對策等。土地生態風險源主要來自土地生態系統的物理變化、化學變化和生物變化，其中由人類活動造成的潛在風險源如表1所示。

3 土地生態風險評價的理論基礎

3.1 土地生態風險評價的概念

土地生態風險評價是研究土地結構、土壤污染、土地承載力等綜合或其中某項對土地生態系統形成或可能形成不利效應的過程，其目的是估計有害土地利用事件發生的可能性，這些事件稱為土地生態終點，較常見的土地生態終點有土地沙漠化、土壤污染、水土流失等，也可能是土壤質量下降或某些地質災害事件。按照生態風險評價框架[10]，土地生態風險評價階段包括問題形成、風險分析和風險表征。

表1 人類活動造成的土地生態潛在風險源Tab.1 Potential risks to land ecological ecosystem caused by human activities

3.2 土地生態風險評價的方法

基于美國學者Barnthorse提出的風險評價方法[11]，土地生態風險評價方法應包括土地危害評價、暴露評價、受體分析和土地生態風險表征等內容。其主要組成部分包括:（1）選取終點；（2）風險源的定性和定量化描述（例如：污染源的分布和排放量）；（3）確定和描述可能受影響的區域環境；（4）運用恰當的土地生態風險模型估計暴露的時空分布，定量確定區域風險源與土地資源環境之間的相互關系；（5）綜合上述結果得出最終風險評價。

土地生態風險評價需環境學、生態學、地理學、生物學等多學科交叉，采用數學、概率論等風險分析手段以及遙感、GIS等空間分析技術來分析、評價和預測具有不確定性的災害事件對土地生態系統及其組分可能造成的損傷。它將風險的思想和概念引入到生態環境影響評價中，與一般生態影響評價的主要區別在于強調不確定性因素對土地資源的作用，在分析過程中要求對可能的風險因素進行定性和定量研究，并在評價結果中體現風險程度。

3.3 土地生態風險評價的步驟

按照生態風險評價的基本方法[5]，并結合土地生態系統的特點，土地生態風險評價的步驟可概括為：評價時空范圍的確定、受體分析、風險源分析、危害分析、土地生態風險綜合評價、土地生態風險管理對策等6個部分。其中，土地生態風險綜合評價，需要綜合考慮土地生態系統受風險壓力危害作用的大小以及發生概率。在土地生態風險綜合評價過程中，要充分利用遙感、地理信息系統等技術手段，實現評價結果的定性、定量和可視化[5]。根據風險評價的結果，可進一步提出綜合的以及針對某個風險源、某方面影響的土地生態風險管理對策。

4 土地生態風險評價模型的構建

4.1 概念界定

土地生態風險主要來源于質量風險、結構風險和承載力風險三個方面，為了衡量它們的大小，本研究提出三元數組（p，q，k）指標，p，q，k分別表示三類風險的指標值。質量風險，體現了土地的綜合污染程度對生態環境的影響，食品安全問題、健康風險問題皆源于此,可以認為是土地對人類的報復性顯現。結構風險，體現了土地利用變化對土地生態環境所造成的影響，土地利用的結構是否合理直接導致了土地生態環境能否持續健康發展。承載力風險體現了“人地”關系矛盾，土地作為人類生存載體，單位面積土地所承載的人數是有限的，一旦超過其承載量，土地生態系統就會遭到破壞，就會抑制它的發展。

4.2 三類風險間的響應關系

質量風險、結構風險、承載力風險三者之間相互依存、相互轉化（圖1）。當土地承載力風險增加時，區域人口密度增大，土地結構產生風險；土地結構不合理，土地自我調節能力降低，產生土地質量風險，而土地質量變差，需要尋求更好質量的土地，轉而破壞原有的土地結構,又造成結構風險加大。土地結構風險和質量風險又造成區域承載力下降，增加土地壓力風險。

圖1 土地生態風險間的相互關系Fig.1 The relations among three kinds of land ecological risk

4.3 風險指標值的計算

4.3.1 土地質量風險指標（p） 按區域土地質量實測值p′的大小，當p′≤p0時，可認為土地質量為安全，當p′＞p0時，可認為土地質量存在風險，其中p0為給定標準值，與區域的地理環境有關。為了將p0點作為風險基準點，作如下平移：

則可認為當p≤0時，區域土地質量風險為0；當p＞0，區域土地質量風險為p，p越大，土地質量風險越大。4.3.2 土地結構風險指標（q） 按照土地管理法的規定，土地可分為農用地（包含草地、林地、耕地、水域等）、建設用地（包括建筑用地、公共設施、居民用地、交通用地等）和未利用地。本研究認為三類土地之間有一相對合適的比例，即土地結構安全區間，并定義此區間是土地結構風險的基準點。農用地、建設用地和未利用地的安全區間分別用［a0，a0］、［a1，a1］和［a2，a2］表示，輸入值分別用 x、y 和 z表示。當研究對象的輸入值（x，y，z）給定時,考察（x，y，z）分別距安全區間的距離。此時，考慮到土地生態環境的風險主要來源于人為因素的介入，故認為建設用地的增加促進了土地結構風險的增大，農用地和未利用地的增加減少了土地結構的風險，據此得到（x，y，z）的修正值如下：

若q∈［-1，0］，則土地結構合理，風險小；若q∈［0，1］，則土地結構不合理，而且q值越大，結構風險越大。

4.3.3 土地承載力風險指標（k） 土地承載力風險指標可表示如下：

其中k′表示單位土地面積所承載的人數，k0表示單位土地所能承載的最大人數,即土地生態環境的容納量。顯然 k∈［-1，+∞］，若 k∈［-1，0］，說明該處的土地承載壓力為零，不存在風險，若 k∈［0，+∞］，說明該處土地承載壓力為k，k越大，該處土地壓力風險越大，人地矛盾越突出。

4.3.4 土地生態風險綜合指標（H） 把研究對象簡單記作O，O處土地所承受風險的大小,可用該處的（p，q，k）值描述，稱（p，q，k）為風險狀態向量。但由于三維數組的無序性和不可比性，給定兩點的（p，q，k）風險狀態向量，可能不能完全確定哪點的土地生態風險更大，因此，期望從狀態向量（p，q，k）考慮，尋找一個合理的簡單易得的土地生態風險綜合指標H?？紤]p，q，k加大時三類風險均加大，令 H=r1max｛q，0｝2+r2max｛q，0｝2+r3max｛k，0｝2，其中r1+r2+r3=1，表示三類風險在土地生態風險所占的權重，哪類風險對土地生態安全影響大，破壞力強，其相應的權重就大，根據研究區域及研究內容的不同而不同，可采取專家打分法、層次分析法等進行判定。土地生態風險可表示為圖2。圖中8個象限分為8類區域，其中第7象限為絕對安全區，各項指標均合格；第1象限為絕對風險區，各項指標均不合格。給定風險狀態向量，就可分析區域土地的生態風險狀態及風險度的大小。

圖2 土地生態風險的三維圖示Fig.2 3-Dimension plot for land ecological risk

此外，模型還可以根據研究目的以及數據的可獲取性進行修改。如土地質量風險指標p，可結合土地的區位條件、土地養分含量、土壤污染情況等確定評價基準點，可選用Hankanson綜合風險指數法、神經網絡模型法、支持向量機模型等確定；土地結構風險指標q，可根據土地利用的類型，進行進一步的劃分，如耕地比例、林地草地比例、水域比例等，并根據研究區域的土地利用變化情況和經濟發展狀況確定合理的安全區間范圍；土地承載力指標k在城市、鄉村不同，東部、西部不同，在具體的實踐中可結合此區域的社會、經濟、發展水平綜合考慮。

5 研究展望

土地生態風險分析屬于現代生態學與數學風險論相互交叉的新興學科。關于土地生態風險的研究工作剛剛起步。土地生態風險評價是一個重要的政策管理依據，有效地對區域土地生態環境進行風險分析評價，科學地把握土地利用動態變化以及土壤生物化學污染可能帶給當地居民身體健康和生存環境危害的風險度，同時以風險評價為基礎探討修復技術的篩選以及污染土地整治與管理，對于城市周邊土地污染控制、恢復與管理有著突出的現實意義。因此，土地生態風險評價的理論和應用研究有著廣闊的發展前景。

目前，生態風險評價方法主要是運用各種多元分析模型，及相關變量分析方法，但尚未充分利用空間信息技術，GIS強大的空間分析功能可以充分綜合不同的數據來源而令結果的解釋更為合理。另外，生態風險評價研究在復雜性和不確定性分析方法上還有待于進一步拓展，目前還沒有一個較為完善的評價方法體系。

土地生態系統的破壞不僅僅是由于化學和物理的壓力導致，還可能是生物的，因此未來的土地生態風險評價會更復雜。要使評價成為一種管理工具，必須研發評價方法應用于區域土地資源水平，如果這種大尺度的技術要求可以滿足，土地生態風險評價有可能成為大尺度土地資源與生態環境的風險管理和決策工具。未來土地生態風險評價應側重如下幾點：（1）不確定性處理。不確定性處理一直是風險評價中的主要問題。不確定性來源于各種外推過程。對不確定性的定量化處理是風險評價必須解決的關鍵技術問題。（2）生態暴露評價。生態暴露評價是生態風險評價過程中最基本的組成部分，由于暴露系統的復雜性，目前還沒有一個暴露的描述能適用所有的生態風險評價。因此，必須加強這方面評價方法和技術的研究。（3）空間分析工具。在方法研究上，應關注空間分析工具在土地生態風險分析評價中的應用，空間分析工具是自然資源可持續管理重要的輔助決策手段，探討空間信息技術對土地生態風險評價將有著廣闊的應用前景。（4）綜合模型優化。模型在風險評價中的重要性是顯而易見的，土地生態風險評價需要一個簡單、實用，且科學合理的方法，來演示某一區域土地系統的演化和考慮到人為的壓力和恢復過程。建立適當的風險評價模型，進行模擬有利于人們更好地了解、預防土地生態系統的惡化。同時，風險管理也越來越關注這些模型的實用性。（5）城市生態系統的管理對快速變遷挑戰的應對。土地利用變化對土地生態系統下的城市周邊經濟社會可持續發展的影響，以及農業活動所帶來的生態及社會問題、土地景觀多功能性及生態健康與風險評估已經成為生態環境科學領域研究的熱點。

總之，隨著土地生態環境保護進入一個新的時代。可以預見，土地生態風險評價研究必將對人類生存及自然環境的保護和改善作出新的貢獻，并將對生態環境科學理論研究有新的推進。

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Theoretical Basis and M odel Development for Land Ecological Risk Assessment

LIU Yong,XING Yu-gang,LIJin-chang
（Institute of Loess Plateau,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China）

The purpose of this paper is to explore the theoretical basis and further develop an assessmentmodel for land ecological risk assessment.Methods of documentation and comparative study were used.The results show that the main stream of current studies focuses on soil risk assessment regarding heavy metals and pesticides;however the methodology and an indicator system characterizing practical land risk in terms of physical,chemical and biological factors are not well developed and combined with land administration.It is concluded that identifying the chemical,physical,and biological factors of land ecological risk is a new direction for theoretical development in this field.

land assessment;land ecological risk;theoretical basis;risk sources

F301.2

A

1001-8158（2012）06-0020-06

2011-03-01

2012-06-14

國家自然科學基金項目（41101558、41101013）；山西省自然科學基金項目（2010011044-2）。

劉勇（1970-），男，山西五寨人，副教授。主要研究方向為3S技術的應用。E-mail:lychinesely@yahoo.com.cn