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(tài)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(tài)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(shù)是針對土壤中重金屬和農(nóng)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(nèi)的土地生態(tài)風險，如何在實踐中辨識土地生態(tài)風險的壓力因子,如何進行有效的生態(tài)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(tài)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(tài)風險評價提供新的思路和理論基礎。

土地評價；土地生態(tài)風險；理論基礎；風險源

1 引言

土地是最基本的生態(tài)環(huán)境要素，同時也是一切自然資源之首，是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎[1]。土地生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣可直接或間接對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生影響[2]。近年來，隨著工業(yè)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(jīng)達到甚至超過區(qū)域土地的生態(tài)承載能力，導致生態(tài)環(huán)境逐漸惡化[3]，土壤污染、水土流失、土地沙化等現(xiàn)象日趨嚴重。區(qū)域生態(tài)風險評價是近年來環(huán)境科學研究的前沿和熱點[4]，強調在區(qū)域水平上描述和評估環(huán)境污染、人為活動或自然災害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分產(chǎn)生不利作用的可能性和大小的過程[5]。區(qū)域生態(tài)風險評價起源于環(huán)境風險評價,從1980年代開始至今,評價方法、內(nèi)容和范圍都有了很大發(fā)展，風險受體從人體發(fā)展到種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀尺度[6-7]。從土地生態(tài)系統(tǒng)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(qū)域土地生態(tài)風險并進行動態(tài)評價，目前仍處于起步和探索階段，但土地生態(tài)風險問題作為國家生態(tài)安全的重要組成部分，已成為經(jīng)濟社會進一步發(fā)展的制約因素[8]。土地生態(tài)風險分析有助于科學把握土地利用動態(tài)變化及正確認識土壤生物化學污染可能帶給當?shù)鼐用裆眢w健康和生存環(huán)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(xiàn)實意義，本文試圖基于生態(tài)風險評價的基本原理構建土地生態(tài)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(tài)風險分析的理論基礎

2.1 土地生態(tài)風險的概念

關于土地生態(tài)風險，迄今尚未形成明確的定義?；谏鷳B(tài)風險的概念，土地生態(tài)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(huán)境造成的一種危害狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，土地生態(tài)系統(tǒng)沒有穩(wěn)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(huán)境與人類的協(xié)調發(fā)展。其定義包括兩層含義：一是由于土地生態(tài)環(huán)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(tài)系統(tǒng)的破壞削弱了對人類社會可持續(xù)發(fā)展的支撐能力[9]；二是由于土壤環(huán)境質量下降對當?shù)鼐用裆眢w的危害。

2.2 土地生態(tài)風險的特點

參照高小平等[9]提出的區(qū)域生態(tài)風險的特點，土地生態(tài)風險的特點主要有：（1）相對性：土地生態(tài)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(tài)環(huán)境質量來衡量的。土地生態(tài)風險由眾多因素構成，其對人類的健康和生存環(huán)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(fā)展的需求，土地生態(tài)環(huán)境就是不合格的。（2）整體性：土地資源在整個生態(tài)系統(tǒng)中都是相連相通的，任何局部環(huán)境的破壞，都有可能引發(fā)全局性的災難，危及整個區(qū)域甚至全球的生存條件。（3）不可逆性：土地生態(tài)環(huán)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(qū)出現(xiàn)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(tài)環(huán)境問題一旦形成，若想解決就要在時間和經(jīng)濟上付出巨大代價，如沙漠化土地的治理，往往要數(shù)十年甚至幾代人的努力，經(jīng)濟代價也很高。

2.3 土地生態(tài)風險研究的內(nèi)容

土地生態(tài)風險研究是以生態(tài)學、地理學、環(huán)境科學及風險理論的觀點，系統(tǒng)、綜合的對土地資源可能存在的生態(tài)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(tài)環(huán)境。土地生態(tài)風險研究主要對土地資源開發(fā)利用與土地持續(xù)、穩(wěn)定、高效發(fā)展的關系進行定量描述、表達和模擬及調控，其內(nèi)容具體包括：（1）土地生態(tài)系統(tǒng)風險源、危害性、風險度診斷和風險“閾值”判定；（2）土地生態(tài)系統(tǒng)風險評價方法、風險預測和預警；（3）土地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性評估、管理和維護的調控對策等。土地生態(tài)風險源主要來自土地生態(tài)系統(tǒng)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(tài)風險評價的理論基礎

3.1 土地生態(tài)風險評價的概念

土地生態(tài)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(tài)系統(tǒng)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(fā)生的可能性，這些事件稱為土地生態(tài)終點，較常見的土地生態(tài)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(tài)風險評價框架[10]，土地生態(tài)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(tài)潛在風險源Tab.1 Potential risks to land ecological ecosystem caused by human activities

3.2 土地生態(tài)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(tài)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(tài)風險表征等內(nèi)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(qū)域環(huán)境；（4）運用恰當?shù)耐恋厣鷳B(tài)風險模型估計暴露的時空分布，定量確定區(qū)域風險源與土地資源環(huán)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(tài)風險評價需環(huán)境學、生態(tài)學、地理學、生物學等多學科交叉，采用數(shù)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(tài)系統(tǒng)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(tài)環(huán)境影響評價中，與一般生態(tài)影響評價的主要區(qū)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(xiàn)風險程度。

3.3 土地生態(tài)風險評價的步驟

按照生態(tài)風險評價的基本方法[5]，并結合土地生態(tài)系統(tǒng)的特點，土地生態(tài)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(tài)風險綜合評價、土地生態(tài)風險管理對策等6個部分。其中，土地生態(tài)風險綜合評價，需要綜合考慮土地生態(tài)系統(tǒng)受風險壓力危害作用的大小以及發(fā)生概率。在土地生態(tài)風險綜合評價過程中，要充分利用遙感、地理信息系統(tǒng)等技術手段，實現(xiàn)評價結果的定性、定量和可視化[5]。根據(jù)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(tài)風險管理對策。

4 土地生態(tài)風險評價模型的構建

4.1 概念界定

土地生態(tài)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(shù)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(xiàn)了土地的綜合污染程度對生態(tài)環(huán)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(xiàn)。結構風險，體現(xiàn)了土地利用變化對土地生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境能否持續(xù)健康發(fā)展。承載力風險體現(xiàn)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(shù)是有限的，一旦超過其承載量，土地生態(tài)系統(tǒng)就會遭到破壞，就會抑制它的發(fā)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(qū)域人口密度增大，土地結構產(chǎn)生風險；土地結構不合理，土地自我調節(jié)能力降低，產(chǎn)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(qū)域承載力下降，增加土地壓力風險。

圖1 土地生態(tài)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(qū)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(qū)域的地理環(huán)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(qū)域土地質量風險為0；當p＞0，區(qū)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(guī)定，土地可分為農(nóng)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(qū)間，并定義此區(qū)間是土地結構風險的基準點。農(nóng)用地、建設用地和未利用地的安全區(qū)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(qū)間的距離。此時，考慮到土地生態(tài)環(huán)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(nóng)用地和未利用地的增加減少了土地結構的風險，據(jù)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(shù)，k0表示單位土地所能承載的最大人數(shù),即土地生態(tài)環(huán)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(tài)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(tài)向量。但由于三維數(shù)組的無序性和不可比性，給定兩點的（p，q，k）風險狀態(tài)向量，可能不能完全確定哪點的土地生態(tài)風險更大，因此，期望從狀態(tài)向量（p，q，k）考慮，尋找一個合理的簡單易得的土地生態(tài)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(tài)風險所占的權重，哪類風險對土地生態(tài)安全影響大，破壞力強，其相應的權重就大，根據(jù)研究區(qū)域及研究內(nèi)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(tài)風險可表示為圖2。圖中8個象限分為8類區(qū)域，其中第7象限為絕對安全區(qū)，各項指標均合格；第1象限為絕對風險區(qū)，各項指標均不合格。給定風險狀態(tài)向量，就可分析區(qū)域土地的生態(tài)風險狀態(tài)及風險度的大小。

圖2 土地生態(tài)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(jù)研究目的以及數(shù)據(jù)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(qū)位條件、土地養(yǎng)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(shù)法、神經(jīng)網(wǎng)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(jù)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(jù)研究區(qū)域的土地利用變化情況和經(jīng)濟發(fā)展狀況確定合理的安全區(qū)間范圍；土地承載力指標k在城市、鄉(xiāng)村不同，東部、西部不同，在具體的實踐中可結合此區(qū)域的社會、經(jīng)濟、發(fā)展水平綜合考慮。

5 研究展望

土地生態(tài)風險分析屬于現(xiàn)代生態(tài)學與數(shù)學風險論相互交叉的新興學科。關于土地生態(tài)風險的研究工作剛剛起步。土地生態(tài)風險評價是一個重要的政策管理依據(jù)，有效地對區(qū)域土地生態(tài)環(huán)境進行風險分析評價，科學地把握土地利用動態(tài)變化以及土壤生物化學污染可能帶給當?shù)鼐用裆眢w健康和生存環(huán)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(xiàn)實意義。因此，土地生態(tài)風險評價的理論和應用研究有著廣闊的發(fā)展前景。

目前，生態(tài)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(shù)據(jù)來源而令結果的解釋更為合理。另外，生態(tài)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(tài)系統(tǒng)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(tài)風險評價會更復雜。要使評價成為一種管理工具，必須研發(fā)評價方法應用于區(qū)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(tài)風險評價有可能成為大尺度土地資源與生態(tài)環(huán)境的風險管理和決策工具。未來土地生態(tài)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(tài)暴露評價。生態(tài)暴露評價是生態(tài)風險評價過程中最基本的組成部分，由于暴露系統(tǒng)的復雜性，目前還沒有一個暴露的描述能適用所有的生態(tài)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(tài)風險分析評價中的應用，空間分析工具是自然資源可持續(xù)管理重要的輔助決策手段，探討空間信息技術對土地生態(tài)風險評價將有著廣闊的應用前景。（4）綜合模型優(yōu)化。模型在風險評價中的重要性是顯而易見的，土地生態(tài)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(qū)域土地系統(tǒng)的演化和考慮到人為的壓力和恢復過程。建立適當?shù)娘L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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)的管理對快速變遷挑戰(zhàn)的應對。土地利用變化對土地生態(tài)系統(tǒng)下的城市周邊經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的影響，以及農(nóng)業(yè)活動所帶來的生態(tài)及社會問題、土地景觀多功能性及生態(tài)健康與風險評估已經(jīng)成為生態(tài)環(huán)境科學領域研究的熱點。

總之，隨著土地生態(tài)環(huán)境保護進入一個新的時代?？梢灶A見，土地生態(tài)風險評價研究必將對人類生存及自然環(huán)境的保護和改善作出新的貢獻，并將對生態(tài)環(huán)境科學理論研究有新的推進。

（

）:

［1］盛學斌，劉云霞，孫建中.近50年冀北高原土地利用變化的土壤生境效應［J］.應用生態(tài)學報，2004，15（4）：589-592.

［2］楊月圓，王金亮，楊炳豐.云南省土地生態(tài)敏感性評價［J］.生態(tài)學報，2008，28（5）：2253-2260.

［3］李玉平，蔡運龍.河北省土地生態(tài)安全評價［J］.北京大學學報（自然科學版），2007，43（6）：784-789.

［4］陳春麗，呂永龍，王鐵宇，等.區(qū)域生態(tài)風險評價的關鍵問題與展望［J］.生態(tài)學報，2010，30（3）：808-816.

［5］付在毅，許學工.區(qū)域生態(tài)風險評價［J］.地球科學進展，2001，16（2）：267-271.

［6］Wayne G L.Twenty years before and hence:ecological risk assessmentatmultiple scaleswith stressors and multiple endpoints［J］.Human and Ecological Risk Assessment,2003,9:1317-1326.

［7］Hunsaker C T,Graham R L,Suter GW,etal.Assessing ecological risk on a regional scale［J］.EnvironmentalManagement,1990,14（3）:325-332.

［8］曲格平.關注生態(tài)安全之二：影響中國生態(tài)安全的若干問題［J］.環(huán)境保護，2002，（7）：3-6.

［9］高小平.生態(tài)安全與突發(fā)生態(tài)公共事件應急管理［J］.甘肅行政學院學報，2007，（1）：1-4.

［10］USEPA（USEnvironmental Protection Agency）.Framework for ecological risk assessment［M］.Washington,D C:Risk Assessment Forum,1992.

［11］Barnthouse LW,Suter IIGW,Bartell SM.Quantifying risks of toxic chemical on aquatic populations and ecosystems［J］.Chemosphere,1988,17:1487-1492.

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