石羊河流域植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)風險評價研究

李 博，石培基，金淑婷

（西北師范大學 地理與環(huán)境科學學院，甘肅 蘭州730070）

近年來，隨著人口的急劇增加和社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類活動對生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生了強烈的干涉作用，嚴重影響了生態(tài)系統(tǒng)結構和生態(tài)服務功能，生態(tài)風險日益嚴重［1－3］。生態(tài)風險（ecological risk，ER）是指生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風險，它主要關注在一定區(qū)域內(nèi)，具有不確定性的事故或災害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的作用，這些作用的結構可能導致生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的損傷，從而危及生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康［4－5］。

生 態(tài) 風 險 評 價 （ecological risk assessment，ERA）關鍵是調(diào)查生態(tài)系統(tǒng)及其組分的風險源，并預測出風險出現(xiàn)的概率及其可能出現(xiàn)的負面效果，從而提出相應的解決措施［6－11］。目前，對于生態(tài)風險評價研究，已經(jīng)從單一地點的某一風險源研究逐步發(fā)展到區(qū)域尺度的綜合多風險源的研究，所涉及的風險源以及評價受體等都在區(qū)域內(nèi)具有異質(zhì)性，且存在相互作用和疊加效應，因而比一般生態(tài)風險評價更為復雜［12－14］。

1 研究區(qū)域概況

石羊河流域位于河西走廊東端，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，地理坐標為 36°29′—29°27′N，101°22′—104°16′E，流域面積4．10×104km2，是甘肅河西走廊3大內(nèi)陸河流域之一。地勢由南向北逐漸降低，自西南向東北傾斜。

石羊河流域由于身居內(nèi)陸，屬于典型的大陸性干旱氣候，流域內(nèi)年降水量600～50mm，蒸發(fā)量700～2 600mm。由于降水的影響，植被分布具有明顯的地帶性。石羊河流域是我國內(nèi)陸河流域人口比較密集的地區(qū)之一，近幾年由于人口的增加及城鎮(zhèn)化速度加快，石羊河水資源利用過度，經(jīng)濟用水不斷排擠生態(tài)用水，全區(qū)地下水位不斷下降，植被退化、土地沙化鹽堿化等生態(tài)問題不斷產(chǎn)生，已嚴重威脅著流域的可持續(xù)發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)是以研究區(qū)2009年Landsat／TM多光譜遙感影像圖為基礎數(shù)據(jù)，利用ESRI的系列軟件ERDAS進行人工解譯，利用ArcGIS 9．3軟件并結合實際調(diào)查數(shù)據(jù)將1級分類系統(tǒng)中的耕地、林地、草地3個用地類型進一步修正為8個類型（見附圖4）。本文中所用圖件均采用 Albers Conical Equal Area投影、GCS＿Krasovsky＿1940地理坐標系，影像分辨率為30m，通過ArcGIS 9．3中的面積計算工具對圖上面積進行計算并結合實際面積進行配準，其他2009年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來自甘肅省統(tǒng)計年鑒以及石羊河水資源公報。

3 生態(tài)風險評價方法與過程

3．1 風險源的影響及權重的確定

對于石羊河流域生態(tài)風險評價，作者從生態(tài)風險評價的內(nèi)涵出發(fā)，分析發(fā)現(xiàn)不同流域的生態(tài)風險源之間存在的較大的差異，因此，此部分將通過對不同流域的生態(tài)風險源進行定性及定量分析，并建立綜合風險源計量模型。

石羊河流域自然災害發(fā)生頻繁，且種類多樣，據(jù)甘肅省水利廳石羊河流域管理局統(tǒng)計，頻率最高的為干旱和水土流失。石羊河大部分地區(qū)地質(zhì)條件比較好，古浪縣大部分地區(qū)有地震帶分布，由于石羊河流域?qū)儆趦?nèi)陸干旱性氣候，降水比較集中，洪水問題也不容忽視。在對各種災害范圍的確定時，其中旱災和水災依據(jù)石羊河流域1951—2009年59a的統(tǒng)計資料確定，而對于水土流失范圍的劃定，本文將土地沙化、坡度大于25°地區(qū)、灘地以及沙質(zhì)土地劃為水土流失區(qū)。

各主要風險類型對風險受體的作用程度是不同的，對區(qū)域性生態(tài)風險作用的大小也有差異。為了確定各種風險類型在不同區(qū)域的綜合權重，本文采用層次分析法進行綜合分析，根據(jù)各區(qū)域風險類型的發(fā)生頻率、發(fā)生強度以及危害程度，先確定不同區(qū)域同一災害的災害指數(shù)，再確定石羊河流域各類災害的災害權重，最后通過兩者的乘積確定得到石羊河上中下游的綜合風險指數(shù)（Ri， 見表1）。具體計算公式如下：

式中：Ri——i區(qū)域的綜合災害指數(shù)；rij——第i區(qū)域j類災害的指數(shù)；ωj——流域中j類災害的權重。

表1 石羊河流域自然災害指數(shù)

3．2 生態(tài)終點分析

由于石羊河流域具有復合生態(tài)區(qū)的區(qū)域性特征，其風險受體涉及其生態(tài)系統(tǒng)的各個組成部分。在石羊河流域快速城鎮(zhèn)化特征相對突出的復合生態(tài)區(qū)域內(nèi)，可能的生態(tài)終點包括因自然災害、地質(zhì)災害以及水土流失等因素造成的社會經(jīng)濟發(fā)生嚴重損失，人居環(huán)境惡化，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)，以及對區(qū)域經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)結構產(chǎn)生的間接影響。

3．3 風險受體分析

本研究選擇的風險受體為石羊河流域的植被生態(tài)系統(tǒng)。不同植被由于對生態(tài)風險的承受能力存在較大差異，基于此本文以植被類型的2級分類為基礎，受體的選擇為石羊河流域的8類生態(tài)系統(tǒng)：高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、耕地。低覆蓋度草地和耕地占的比重比較大，有林地和高覆蓋度草地主要分布在上游地區(qū)，這與其自然條件和降水有關。

3．4 暴露和易損性分析

相同強度的同一風險源作用于不同的生態(tài)系統(tǒng)類型，其對區(qū)域的生態(tài)結構和功能產(chǎn)生的危害不同，此外，不同生態(tài)系統(tǒng)類型的抗干擾能力也不同［15］。本文以生態(tài)損失度指數(shù)來反映不同風險源對不同生態(tài)系統(tǒng)的危害程度。

（1）生態(tài)系統(tǒng)抗干擾指數(shù)（ecosystem interference index）。是指生態(tài)系統(tǒng)的自我維持、自我調(diào)節(jié)及其抵抗各種壓力與擾動的能力大小，生態(tài)系統(tǒng)抗干擾指數(shù)的大小反映特定生態(tài)系統(tǒng)的緩沖與調(diào)節(jié)能力。公式如下：

式中：EOIij——石羊河流域生態(tài)系統(tǒng)抗干擾指數(shù)；VIij——i區(qū)域j類生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性指數(shù)；Sij——i區(qū)域j類生態(tài)系統(tǒng)占區(qū)域面積的比例。下同。

本文為了研究簡單，假設生態(tài)系統(tǒng)的多樣性指數(shù)與生態(tài)系統(tǒng)的單位生態(tài)服務價值成正比例關系，并設草地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性指數(shù)為1，其他按其與草地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務價值比例計算。

（2）脆弱度指數(shù)（ecological frangibility degree index）。是指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾后的脆弱程度。一個區(qū)域的生態(tài)環(huán)境脆弱性是在外界環(huán)境影響下不斷變化的，系統(tǒng)中某些容易發(fā)生變化的生態(tài)環(huán)境要素是造成其變化的直接因素，敏感性則是生態(tài)環(huán)境脆弱性時空變化的具體表征［16］。由于不同生態(tài)系統(tǒng)的敏感性不同，因此，本文在脆弱度指數(shù)計算過程中，不僅考慮各地區(qū)的生態(tài)環(huán)境脆弱性，還顧及到各生態(tài)系統(tǒng)的差異性。鑒于此，文章在對各生態(tài)系統(tǒng)的脆弱度指數(shù)計算時，首先計算出石羊河流域不同地區(qū)的環(huán)境脆弱度，再通過對環(huán)境脆弱度和各生態(tài)系統(tǒng)的脆弱度進行綜合分析得出各系統(tǒng)的脆弱度指數(shù)。本文在對石羊河流域各地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱度計算時采用綜合指標法，在選取生態(tài)脆弱度的評價指標時，圍繞石羊河流域生態(tài)環(huán)境問題選取指標體系，衡量生態(tài)環(huán)境的脆弱性，研究指標選干燥度指數(shù)、土地沙化指數(shù)、土地鹽堿化指數(shù)、植被壓力指數(shù)、水資源壓力指數(shù)、耕地壓力指數(shù)。指標權重的確定，為了盡量避免人為主觀因素的影響，本文采用熵權法；而在對于各生態(tài)系統(tǒng)的脆弱度計算時，考慮到各生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性與其在自然演替過程中所處的階段有關，得出處于低級演替階段、食物鏈結構簡單的生境較為脆弱。本研究以人為影響為主，在各生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分析中考慮有關因素（比如生物生產(chǎn)力），由此來對石羊河流域各生態(tài)系統(tǒng)類型進行脆弱度賦值。公式如下：

式中：FDIij——石羊河不同流域各生態(tài)系統(tǒng)的脆弱度指數(shù)；Pi——不同流域各指標標準化值；Wi——各指標權重；FDj——不同生態(tài)系統(tǒng)脆弱度指數(shù)［17］（如表2所示）。

表2 石羊河流域不同生態(tài)系統(tǒng)脆弱度指數(shù)

（3）生態(tài)損失度指數(shù)（ecological loss degree index）。是指某一生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾指數(shù)與區(qū)域脆弱度的乘積，在同一地區(qū)，面對同一生態(tài)風險，不同生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)損失度是不同的。具體公式為：

3．5 區(qū)域綜合生態(tài)風險分析

石羊河流域主要受3種類型風險源的共同作用，不同類型風險源在石羊河流域不同地段的風險強度范圍是不同的，本文將3種風險源的影響范圍通過GIS進行疊加，形成各類風險區(qū)，每類風險區(qū)內(nèi)部具有一致的風險類型，或者發(fā)生概率、強度。但是，由于所處區(qū)域的差異性，還不能直接進行計算，因此，再疊加生態(tài)系統(tǒng)分布區(qū)域圖，產(chǎn)生不同的風險小區(qū)，這些風險小區(qū)內(nèi)的各類風險以及生態(tài)系統(tǒng)具有均質(zhì)性，可以作用風險值分析，計算綜合風險值。具體公式如下：

式中：NEIij——i流域j類生態(tài)系統(tǒng)類型的綜合生態(tài)風險值；Ri——流域內(nèi)不同流域綜合災害指數(shù)；EDIij——i流域j類生態(tài)系統(tǒng)類型的綜合生態(tài)損失度指數(shù)。

4 結果與分析

4．1 生態(tài)損失度

表3為考慮權重后通過式（4）計算出來的各生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)損失度指數(shù)，說明在遭受同一生態(tài)風險源危害后，不同地區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)的損失度差別較大，以耕地為例依次是下游、中游、上游。

表3 石羊河流域各植被生態(tài)系統(tǒng)的損失度指數(shù)

4．2 綜合生態(tài)風險值

根據(jù)式（5）分別計算出每個風險區(qū)的風險值（見表4）。將數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，利用統(tǒng)計軟件SPSS 16．0進行聚類分析，將這些風險分為4個等級，并在ArcGIS 9．3下最終生成石羊河流域生態(tài)風險空間分布圖（附圖5）。

表4 石羊河流域各植被生態(tài)系統(tǒng)綜合生態(tài)風險指數(shù)

1級生態(tài)風險區(qū)主要集中分布在石羊河流域上游，占全區(qū)面積的3．87%，其中以肅南縣和天祝縣最為集中，古浪縣有零星分布，植被類型主要是有林地。生態(tài)風險特點表現(xiàn)為：由于地處石羊河流域上游，地質(zhì)環(huán)境比較復雜，地勢較險峻，水土流失頻發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)抵御自然災害與人類干擾的能力比較差，應當避免在1級生態(tài)風險區(qū)進行大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以減少生態(tài)損失。2級生態(tài)風險區(qū)分布多與1級風險區(qū)相連，中游、下游有零星分布，占4．38%。植被類型主要是灌木林和高覆蓋度草地以及中下游的有林地、耕地。生態(tài)風險特點上游與1級風險區(qū)類似，中下游主要受土地沙化和干旱影響，再加上降水集中、洪水頻發(fā)，使林地生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力差，且容易退化和破壞。3級生態(tài)風險區(qū)主要分布在上游的古浪縣、天祝縣，中游的金川區(qū)以及下游的絕大部分地區(qū)，多為人口密集區(qū)，植被類型多樣。該地區(qū)主要受旱災、水土流失影響，因此必須注重農(nóng)業(yè)節(jié)水建設。低生態(tài)風險區(qū)生態(tài)風險值較低，上游、中游以耕地和草地為主，下游以低覆蓋度草地為主，其中下游土地沙漠化嚴重，在開發(fā)時應以保護為主。

5 結論與討論

（1）區(qū)域生態(tài)風險評價涉及的風險源多，在評價過程中要同時考慮其空間異質(zhì)性和綜合性。石羊河流域作為一個具有明確邊界的地理單元，通過以水為連接紐帶，將上、中、下游組成一個復雜的復合生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)風險評價所涉及的環(huán)境問題的成因及結果都呈現(xiàn)空間異質(zhì)性的特點。本文作為大尺度的區(qū)域風險研究，通過對區(qū)域生態(tài)風險脅迫因子和生態(tài)風險受體進行綜合分析和定量測算，構建了區(qū)域生態(tài)風險評價計量模型，是對生態(tài)風險區(qū)域尺度上綜合評價和研究的初步嘗試。

（2）石羊河流域生態(tài)風險空間差異性較為明顯，高風險區(qū)主要分布在石羊河流域上游，這與區(qū)域的生態(tài)風險脅迫因子以及植被類型有關。另外中游地區(qū)的金川區(qū)以及涼州區(qū)由于近年來大量的生產(chǎn)用水而使得石羊河水量不斷下降，難以滿足下游生態(tài)用水需求，加之下游民勤縣靠近沙漠，從而致使該縣生態(tài)風險加重。

對于區(qū)域風險受體的討論，區(qū)域生態(tài)風險評價的重點是綜合區(qū)域單項活動的效應在系統(tǒng)或區(qū)域水平上評估生態(tài)風險，對于受體的選取不能局限到某一個體或物種，而應擴展到更高層次水平。Dearfield等［18］認為受體的生態(tài)風險終究會從個體的特性上去考慮，但從區(qū)域的角度去評價時，僅僅考慮個體或者種群，就會使風險結果丟失信息。從區(qū)域的角度看，本文選擇該區(qū)域的8大植被系統(tǒng)作為風險受體，如果選擇個體，由于本區(qū)域物種豐富就會使評價陷入無限雜亂之中。對于區(qū)域風險源的討論，區(qū)域生態(tài)評價中對于風險源的識別和量化是一個難點，對于風險源的量化既要全面考慮危害，又要避免復雜化，給決策者以清晰的結果。針對特定目標的生態(tài)風險評價，例如城市規(guī)劃、旅游規(guī)劃、土地利用等的生態(tài)分析，以及將生態(tài)風險評價與生態(tài)足跡、能值理論和生態(tài)適應性理論結合起來，對區(qū)域進行綜合分析都將是生態(tài)評價發(fā)展的一個方向。對于植被生態(tài)風險與流域生態(tài)風險異同性的討論，植被生態(tài)風險評價是流域生態(tài)風險研究的重要組成部分，理論上講流域生態(tài)風險評價是以自然地貌分異與水文過程形成的生態(tài)空間格局為評價區(qū)域，評價自然與人文風險源對流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)及其組分造成不利影響的可能性及其危害程度的復雜的動態(tài)變化過程。相對于流域生態(tài)風險評價，植被生態(tài)風險評價的風險受體和風險源的不確定因素更加清楚，本文抓住石羊河流域植被生態(tài)系統(tǒng)巨大空間分異性的特點，通過以植被生態(tài)系統(tǒng)為例，簡化石羊河流域生態(tài)風險評價問題，從而便于對整個流域生態(tài)風險進行評價。

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