人類活動對流域生態健康影響風險評估方法研究：以呼倫湖流域為例

付正輝, 張 揚, 姜 霞, 郭云艷, 王書航*

1.中國環境科學研究院, 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室, 國家環境保護湖泊污染控制重點實驗室, 北京 100012 2.北京大學環境科學與工程學院, 北京 100871

隨著經濟社會及科學技術的不斷發展，人類認知自然及改造自然的能力急速提升. 人類在打破大自然固有生態平衡的同時，正在逐步構建滿足自身需求的新生態系統[1]. 但是，人類活動會對生態系統產生一定毀壞性影響，直接造成生態系統自身調節能力的喪失，從而威脅到生態系統健康和人類活動的可持續發展[2-4]. 隨著發展與環境之間的矛盾日益加深，探尋人類活動與生態環境系統之間的交互作用關系，已經成為了當前的熱點問題[5-8].

流域生態系統是以人類為主要要素的典型復合型生態系統，其在自然、經濟、社會等循環中扮演重要角色[9-12]. 然而，諸如水資源枯竭、植被破壞、水環境污染等負面因素正在嚴重的危及流域生態系統的健康. 保護流域生態系統的健康，既要從自然本底的功能性維護出發，又要降低人類活動的影響. 因此，選擇合適的方法開展人類活動對流域生態健康影響風險評估，將對我國未來流域的可持續發展起到重要的指導作用[13-15].

生態系統健康的概念于20世紀80年代被首次提出，它是在多學科聚焦作用下對生態系統所處狀態的表征與診斷. 目前，國內外學者圍繞生態系統健康評價指標體系構建、生態價值評估、潛力分析及應用等方面已開展了大量的研究[16-17]. 當前應用最為廣泛的評價方法是單因子指標法和綜合指標體系法，單因子指標法操作較為簡單，但定量精度需求相對高，側重某一指標的描述，難以反映生態系統的整體特質[18-20]. 綜合指標體系法則能夠構建涵蓋生態、環境、經濟、資源等多個子系統的評價體系，并且憑借其多維度的適應性得到廣泛關注[21-22].

我國關于流域生態系統健康評價的研究多聚焦于單個子系統[23-24]. 生態環境部也于2013年發布了《流域生態健康評估技術指南(試行)》，但該指南提出的方法在實際應用中存在著部分指標適用性不強，最終評價結果缺乏準確性等問題，同時缺乏對人類活動-生態系統之間交互作用的分析，無法準確評估人類活動對流域生態健康影響的風險. 因此，該研究基于人類活動、生態格局、生態功能和生態壓力等多方面因素，構建了人類活動-生態系統評價指標體系，并結合交互風險評估矩陣，開展人類活動對流域生態健康影響風險評估，以期為改善生態系統健康、促進可持續發展提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

呼倫湖是亞洲中部旱寒草原區最大的湖泊，在調節區域氣候、涵養水源、防止荒漠化、保護生物多樣性以及維系呼倫貝爾草原生態平衡等方面發揮著不可替代的作用，是我國北方生態屏障的重要組成部分. 同時呼倫湖為國際重要濕地，目前已經加入聯合國教科文組織世界生物圈保護區網絡[25]. 近年來，受持續暖干氣候和人類活動等多重因素的影響，呼倫湖流域生態環境發生劇烈變化，并導致生態系統退化、土地沙化等一系列生態環境問題，給區域生態安全帶來嚴重威脅[26-28].

呼倫湖湖水主要來源于克魯倫河和烏爾遜河. 近年來，隨著引河濟湖工程的實施，海拉爾河也成為呼倫湖的重要補給河流. 因此，該研究以克魯倫河、烏爾遜河和海拉爾河3條河流的流域為邊界，基于30 m分辨率的DEM數據對呼倫湖流域進行細化，利用地理信息系統中的空間水文分析模塊提取流域數據. 經過無洼地數字高程數據生成、水流方向計算、匯流累積量計算、河網水系提取等步驟，得到呼倫湖小流域共計32個(見圖1).

注：1～32為小流域編號. 下同. 圖1 研究區域概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 評估方法

人類活動與生態系統兩個子系統之間存在著內在的交互作用，流域作為人類和生態系統共存的一個整體，其生態健康的風險既受到人類活動的影響，同時也取決于自然生態系統的本身狀態及相關稟賦. 因此，為了科學有效地評估人類活動對流域生態健康的風險，該研究充分考慮人類活動與生態環境的交互作用，構建人類活動-生態系統評價指標體系，并結合交互風險評估矩陣，開展人類活動對生態健康影響的風險評估. 其中人類活動-生態系統評價指標體系包括人類活動及生態系統兩部分指標，分別用來表征人類活動和生態系統兩個子系統的狀態. 其中人類活動主要考慮經濟活動和人口增加兩方面，分別通過空間尺度的GDP強度和人口強度來表征. 生態系統部分以《流域生態健康評估技術指南(試行)》中的生態評估指標體系為基礎，結合呼倫湖流域所在寒區旱區生態系統特點，構建包含生態格局、生態功能、生態壓力等方面的生態系統指標. 生態格局包含林草覆蓋率指標，主要指流域總面積中林地和草地面積的占比. 生態功能包含植被類型指標、不透水比例指標、土壤保持功能指數指標，分別指植物多樣性復雜程度、流域總面積中降水不能下滲到地表以下的人工地表面積的占比和流域總面積內中度及以上程度土壤侵蝕面積的占比. 生態壓力包含建設用地比例指標、農田比例指標，分別指流域總面積內建設用地面積的占比和流域總面積內農田面積的占比. 各指標權重在《流域生態健康評估技術指南(試行)》推薦權重的基礎上，通過對相關領域專家和研究區域內環境管理部門征求意見后確定，各項評估指標具體權重、指標分級和指標值賦分如表1所示.

表1 呼倫湖流域人類活動-生態系統評價指標及賦分Table 1 Evaluation index value of human activity ecosystem in Hulun Lake Basin

人類活動-生態系統評價指標計算方法如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

(i=1,2,…,7)

(3)

X8=100-(90×M1+70×M2)/MT+

(50×M3+30×M4+10×M5)/MT

(4)

式中：IP為人類活動指數；IE為生態系統指數；i為人類活動-生態系統評價指標，1代表GDP強度指標，2代表人口強度指標，3代表林草覆蓋率指標，4代表不透水比例指標，5代表土壤保持功能指數指標，6代表建設用地比例指標，7代表農田比例指標，8代表植被類型指標；Wi為評價指標i的權重；Xi為評價指標i的賦分；CLi為當i評價指標值為某一分級區間的區間值時，該區間的下限界值賦分；Vi為評價指標的值；VLi為i評價指標值Vi所處區間的下限界值；VUi為i評價指標值Vi所處區間的上限界值；MT為流域總面積，km2；M1為濕地面積，km2；M2為林地面積，km2；M3為草地面積，km2；M4為農田面積，km2；M5為其他用地面積，km2.

根據人類活動-生態系統評價指標體系中生態系統指數(IE)和人類活動指數(IP)的計算結果，結合表2人類活動-生態系統交互風險評估矩陣，最終得到人類活動對生態系統影響風險評估等級[29]. 低風險等級代表該流域目前處于安全的狀態，人類活動對生態健康影響較弱；中風險等級代表系統已出現一定的風險預警，但仍在可接受范圍內，需要針對其中一個或兩個系統采取一些預防行動；高風險等級表示目前系統已經處于極高危險狀態，需要立即對人類活動和生態環境兩個系統進行強力的改善措施.

表2 呼倫湖流域人類活動-生態系統交互風險評估矩陣Table 2 Human activities-ecological environment risk assessment form in Huhun Lake Basin

2 結果與討論

2.1 研究區域指標現狀

根據中國科學院資源環境科學與數據中心相關數據集，結合呼倫貝爾市統計年鑒中GDP和人口數據[30-31]，最終得到2018年呼倫湖流域1 km空間網格的GDP強度和人口強度空間分布如圖2所示. 呼倫湖流域GDP和人口主要分布在海拉爾區和滿洲里市周邊，其他區域GDP強度和人口強度較低.

圖2 呼倫湖流域GDP和人口的空間分布Fig.2 Spatial distribution of GDP and population in Hulun Lake Basin

根據呼倫湖流域2018年土地利用及土壤侵蝕空間矢量數據，分別對32個子流域的林草覆蓋率、植被類型、不透水比例、土壤保持功能指數、建設用地比例、農田比例等生態系統評價指標進行計算，得到不同流域內各指標取值如表3所示.

2.2 呼倫湖流域各指標評價結果

呼倫湖流域人類活動-生態系統評價結果如圖3所示. 由圖3可見，呼倫湖流域內GDP強度指標評價結果大部分小于20，僅有2個子流域分別處于40～60和60～80之間. 人口強度指標評價結果主要在20內，其中有1個子流域處于60～80之間，2個子流域處于40～60之間. 生態系統指數有8個子流域處于68～80之間，其余子流域均大于80.

2.3 呼倫湖流域人類活動對流域生態健康影響風險評估

基于各指標計算結果(見表4)，結合交互風險評估矩陣，呼倫湖流域人類活動對生態健康影響風險評估結果如圖4所示. 呼倫湖流域人類活動對生態健康影響風險整體上處于低風險狀態，32個子流域共有30個處于低風險狀態，2個處于中等風險狀態，高風險狀態為0個. 其中，處于中風險狀態的子流域分別為位于海拉爾地區的26號子流域以及滿洲里地區的32號子流域，其人類活動指數分別為55.46和68.15，生態系統指數分別為66.66和63.01. 按照面積進行分析，全區域共有98.62%面積處于低風險狀態，1.38%面積處于中等風險狀態，無高風險狀態區域.

從地域分布角度展開分析，呼倫湖流域人類活動-生態系統交互作用與地區發展程度、產業存在形式、人口富集度有較強的關聯性. 高風險子流域主要位于中東部的海拉爾區和西北部的滿洲里市，該區域為流域內的核心發展區域，城鎮化率高，受人類活動影響較大. 流域內其他區域均處于低風險狀態，區域主要為呼倫貝爾大草原畜牧業區，主要產業為畜牧業及種植業，工業企業較少. 總之，呼倫湖流域人類活動對生態健康的影響整體上處于低風險狀態，但局部地區受到產業發展的影響仍然需要引起一定的重視.

表3 呼倫湖流域生態系統指標取值結果Table 3 Evaluation results of ecosystem index in Hulun Lake Basin

圖3 呼倫湖流域人類活動評價各指標評價結果Fig.3 Evaluation results of human impact assessment indicators in Huhun Lake Basin

表4 呼倫湖流域人類活動-生態系統交互風險計算結果

3 結論

a) 該研究在充分研判流域各類自然資源稟賦及人類活動影響的基礎上，從人類活動、生態格局、生態功能和生態壓力等多方面出發，基于人類活動與生態環境的交互作用，構建了全面的人類活動對流域生態健康風險評估方法.

b) 通過對指標體系的各分子指標單獨進行評價得出：呼倫湖流域內GDP強度指標評價結果大部分小于20，僅有2個子流域分別處于40～60和60～80之間; 人口強度指標評價結果主要在20之內，其中有1個子流域處于60～80之間，2個子流域處于40～60之間; 生態系統指數有8個子流域處于60～80之間，其余子流域均大于80.

c) 通過對流域人類活動對生態健康影響風險評估得出：呼倫湖流域人類活動對生態健康影響風險整體處于低風險狀態，32個子流域共有30個處于低風險狀態，面積占全區域的98.62%; 2個子流域處于中等風險狀態，面積占全流域的1.38%，研究區域內無高風險狀態子流域.