王慧芳,饒恩明,肖 燚,*,嚴(yán) 巖,盧慧婷,朱捷緣,

1 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 3 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院,成都 610000 4 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361021

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)是指一定區(qū)域內(nèi)自然災(zāi)害和人類活動(dòng)形成的多種脅迫因子對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響的可能性,包括生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部某種因素或整體的健康、生產(chǎn)力、遺傳結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和美學(xué)價(jià)值的減少[1-2]。生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是運(yùn)用生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、環(huán)境學(xué)等多學(xué)科知識(shí),采用數(shù)學(xué)、GIS等技術(shù)手段來預(yù)測(cè)和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成損害的概率和程度,是根據(jù)有限已有資料預(yù)測(cè)未知后果的過程,對(duì)區(qū)域生態(tài)安全建設(shè)、資源管理具有重要的指示意義[3-5]。

20世紀(jì)末期生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)由化學(xué)污染物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),并與景觀生態(tài)學(xué)與流域生態(tài)學(xué)結(jié)合得到了快速的發(fā)展。評(píng)價(jià)對(duì)象從單一的個(gè)體、種群擴(kuò)展為區(qū)域,評(píng)價(jià)內(nèi)容由最初的單因子單風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、多因子單風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)逐步向多因子多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)演化[6-7]。目前,國內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用相對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型(RRM)、USEPA模型、遙感和GIS空間分析等技術(shù)對(duì)區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究并取得了較大的進(jìn)展。如Angela M和Suzanne M運(yùn)用相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)模型[8-10],通過分析風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體之間的關(guān)系,對(duì)科多羅斯河流域及俄勒岡朗德河流域進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。盧亞靈運(yùn)用USEPA模型,采用風(fēng)險(xiǎn)受體分析—風(fēng)險(xiǎn)源分析—生態(tài)系統(tǒng)易損性分析—風(fēng)險(xiǎn)表征的思路對(duì)渤海五省進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[1]。許妍、張雅洲、許工學(xué)等利用遙感與GIS技術(shù)對(duì)太湖流域、南四湖、遼河三角洲進(jìn)行了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11-13]。但由于區(qū)域尺度大且生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜,評(píng)價(jià)過程中風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性及各指標(biāo)的計(jì)算仍有較大的進(jìn)步空間。

西南地區(qū)位于我國三大災(zāi)害帶中沿江災(zāi)害帶與山前災(zāi)害帶的交匯部位,特殊的地形和多變的氣候以及快速的城鎮(zhèn)化使生態(tài)系統(tǒng)面臨著多種風(fēng)險(xiǎn)源的脅迫。本文以西南地區(qū)為研究對(duì)象,從風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性、生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度、生態(tài)系統(tǒng)易損性3個(gè)方面分別建立單一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,利用GIS空間疊加分析對(duì)區(qū)域綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。研究結(jié)果可為區(qū)域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)防范和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

西南地區(qū)包括四川、云南、貴州、廣西、重慶五省以及青海和西藏的部分縣市,總面積217.8萬km2。該地區(qū)處于我國第一階梯和第三階梯的過渡帶,以高原、山地和丘陵為主,地貌類型多樣,地形高差懸殊,是我國地形最復(fù)雜的地區(qū)[14]。境內(nèi)有雅魯藏布江、金沙江、怒江、瀾滄江及長(zhǎng)江等重要水系,氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候和高原山地氣候,年均降雨量20—2100 mm,降水時(shí)空分異較大,主要集中在5—9月。生物種類和生態(tài)系統(tǒng)類型豐富,約有20000多種高等植物和2000余種脊椎動(dòng)物生活在此,北半球主要生態(tài)系統(tǒng)均可以在這里找到(圖1),是我國重要的生態(tài)屏障和生態(tài)脆弱區(qū)。

圖1 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型 Fig.1 Ecosystem types in the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)(30 m)來自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所；氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局氣象中心；DEM(30 m)來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)；土壤數(shù)據(jù)來源于基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn)；地震頻率數(shù)據(jù)來源于中國地震網(wǎng)；氣象災(zāi)害數(shù)據(jù)來自中國氣象災(zāi)害大典;人口數(shù)據(jù)和GDP數(shù)據(jù)來自2015年各省統(tǒng)計(jì)年鑒。所以空間數(shù)據(jù)分析前統(tǒng)一投影方式為WGS_1984_Albers,數(shù)據(jù)精度均重采樣為250 m×250 m。

2 研究方法

基于西南地區(qū)的本底特征,將風(fēng)險(xiǎn)源分為自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源和人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源,選擇森林、灌叢、草地、濕地、農(nóng)田、裸地、城鎮(zhèn)7類生態(tài)系統(tǒng)為風(fēng)險(xiǎn)受體,從風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性、生態(tài)系統(tǒng)易損性、生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度三個(gè)層面構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型[1,15]。其中風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性通過相關(guān)影響因子進(jìn)行定量評(píng)估所得,生態(tài)系統(tǒng)易損性由環(huán)境脆弱性和景觀結(jié)構(gòu)脆弱性構(gòu)成,生態(tài)系統(tǒng)潛在損失用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量表征。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：

Ri=Di×Vu×Va

式中,Ri為第i種風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值,Di為第i種風(fēng)險(xiǎn)源的危險(xiǎn)性,Vu為生態(tài)系統(tǒng)易損性,Va生態(tài)系統(tǒng)潛在損失。先對(duì)單一風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià),把各風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果分為少風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí),通過GIS空間分析得到西南地區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.1 風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性(Di)

風(fēng)險(xiǎn)源指可能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成不利影響的一種或多種風(fēng)險(xiǎn)來源,包括自然災(zāi)害和人類活動(dòng)兩大類。本文選取干旱、洪澇、地震、滑坡、泥石流、石漠化、水土流失為自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源,其中干旱、洪水、地震危險(xiǎn)性用近50年來災(zāi)害發(fā)生的頻率表示,滑坡[16-17]、泥石流[18-21]、水土流失[22-27]、石漠化[28-31]危險(xiǎn)性用敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果表征。人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源選擇人口壓力、經(jīng)濟(jì)壓力、水污染、土壤污染四類,人口壓力和經(jīng)濟(jì)壓力危險(xiǎn)性用人口密度和GDP密度表示,水污染、土壤污染危險(xiǎn)性通過相關(guān)影響因子定量評(píng)估所得[32](表1)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)易損性(Vu)

生態(tài)系統(tǒng)易損性表示風(fēng)險(xiǎn)源脅迫下生態(tài)系統(tǒng)表現(xiàn)出的易損程度,易損性值越大,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抵抗外界干擾的能力越弱。本文從環(huán)境脆弱性和景觀結(jié)構(gòu)脆弱性兩面入手,環(huán)境脆弱性考慮地貌、地表、氣候和人口4類指標(biāo)[1],其中地貌因子包括高程、坡度、起伏度,地表因子用植被覆蓋度表示,氣象因子以干燥度指數(shù)表征,人口因子用人口密度表示,首先將高程、坡度、相對(duì)高度進(jìn)行加權(quán)疊加,得到地貌環(huán)境脆弱性。再將地貌、地表、氣候、人類影響因子進(jìn)行加權(quán)疊加得到環(huán)境脆弱性結(jié)果[33]。景觀結(jié)構(gòu)脆弱性選擇斑塊密度、景觀分離度、景觀干擾度3個(gè)指標(biāo),計(jì)算各類生態(tài)系統(tǒng)3個(gè)景觀指數(shù)后,分別對(duì)所獲得景觀指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算其平均值[34-35],然后將結(jié)果賦給各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型得到西南地區(qū)景觀結(jié)構(gòu)脆弱性結(jié)果,環(huán)境脆弱性與景觀結(jié)構(gòu)脆弱性值進(jìn)行疊加得到生態(tài)系統(tǒng)易損性指數(shù)(表1)。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度(Va)

風(fēng)險(xiǎn)源脅迫下生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能可能受到損害,從而導(dǎo)致物質(zhì)遷移、能量流動(dòng)、信息傳遞等生態(tài)過程發(fā)生改變,進(jìn)而使生態(tài)系統(tǒng)面臨不同程度的損失。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指一定時(shí)間、空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的整體或部分組分的質(zhì)量,是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和服務(wù)功能的重要指標(biāo)[36-38],本文用其表示風(fēng)險(xiǎn)源脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的潛在損失度。主要以生物量數(shù)據(jù)和植被覆蓋度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合植被區(qū)劃數(shù)據(jù),對(duì)西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算[30],通過研究區(qū)實(shí)地調(diào)查,將結(jié)果劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性分析

(1)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源

地震危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要分布在西藏東南部、云南西部以及川西高原,這些地區(qū)分布在龍門山、鮮水河、龍陵-瀾滄等斷裂帶附近,地質(zhì)活動(dòng)頻繁,地震災(zāi)害頻發(fā)。干旱危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要集中在貴州省的東北部,廣西省的南部,重慶和云南省的大部,這與近年來全球氣候變暖導(dǎo)致這些地區(qū)溫度升高、降雨量減少有關(guān)。洪澇危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要分布在四川盆地,廣西的西部,云貴高原和重慶市的大部,主要原因是西南地區(qū)降雨時(shí)空分布差異較大,汛期這些地方降雨量大且易出現(xiàn)暴雨?；履嗍髟谖鞑氐臇|南部、四川中西部、云南省南部、廣西北部危險(xiǎn)性較高,原因是這些地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定,山高坡陡,降雨量大,孕育了極敏感的受災(zāi)環(huán)境。石漠化危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要分布在貴州的西部和南部、云南東部、廣西西北部,這些地區(qū)是我國典型的喀斯特地區(qū),碳酸鹽巖分布廣且極易淋溶,在降雨和人類活動(dòng)的作用下易發(fā)生石漠化。水土流失危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要集中在川滇黔交界、四川盆地北部、云南西部,這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,石灰?guī)r、紅壤、黃壤、紫色土、黃棕壤所占比例比較大,土壤可蝕性高,在降雨的作用下易發(fā)生水土流失(圖2)。

圖2 研究區(qū)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性Fig.2 Risk sources of natural disaster in the study area

(2)人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源

西南地區(qū)人口和GDP空間分布極為不均勻,大多集中在東部地勢(shì)平緩的山間盆地,其中成都、重慶兩個(gè)城市的人口平均密度高達(dá)萬人/平方公里以上,GDP位于全國前列,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力尤為突出。水污染和土壤污染危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要分布在成都平原、貴州西部山地、重慶市西部、南寧、昆明及周邊城市,原因是這些地方農(nóng)業(yè)較為發(fā)達(dá)、工業(yè)規(guī)模較大、人口高度聚集,對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力(圖3)。

圖3 研究區(qū)人類活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性Fig.3 Risk sources of human activity in the study area

3.2 生態(tài)系統(tǒng)易損性分析

西南環(huán)境脆弱性較高的地區(qū)主要分布在青藏高原和川西高原,四川盆地、貴州、廣西、云南大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境良好,脆弱性較低。景觀結(jié)構(gòu)脆弱性較高的地區(qū)主要集中在人為活動(dòng)較為劇烈的東部地區(qū),原因是城市化的作用下,自然景觀被不斷分割分散,斑塊間距不斷增加,導(dǎo)致景觀格局指數(shù)較高。生態(tài)系統(tǒng)易損性較高的地區(qū)主要集中在青藏高原北部、川西北山區(qū)、三江源地區(qū)、西藏山南和林芝地區(qū)東部及南部(圖4)。

圖4 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)易損性Fig.4 Ecosystem vulnerability in the study area

3.3 生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度分析

生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度較高的區(qū)域主要分布在川西高原、三江源、念青唐古拉山及云南的無量山和哀牢山等地,這些地區(qū)植被生長(zhǎng)良好,生物量和植被覆蓋度較高,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較好(圖5)。西藏和青海的北部地區(qū)主要分布著草原和裸地生態(tài)系統(tǒng),生態(tài)環(huán)境惡劣,植被覆蓋度較低,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較差,生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度較低。

圖5 西南地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量Fig.5 Ecosystem quality in Southwest China

3.4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果分析

結(jié)果表明,西南地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)面積為17.02萬km2,占研究區(qū)總面積7.4%,主要分布在四川的邛崍山、岷山、大渡河流域,云南的無量山和哀牢山及西藏念青唐古拉峰以南地區(qū),這些地區(qū)地勢(shì)起伏懸殊、降水充沛、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,自然災(zāi)害易發(fā),再加上生態(tài)系統(tǒng)易損性較大,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量較高,所以生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)較高；成都、重慶、昆明、貴陽、南寧等城市及其周邊由于人類活動(dòng)頻繁、人地作用強(qiáng)烈,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較高。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布較廣,面積為48.24 km2,占研究區(qū)總面積的20.6%,除西部高寒荒漠、中部和東部的山間盆地外,大部分區(qū)域均有中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布。低風(fēng)險(xiǎn)和少風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積為162.3 km2,占研究區(qū)總面積的69%,主要分布在西藏和青海的北部地區(qū)(圖6)。

圖6 西南地區(qū)綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)Fig.6 Comprehensive ecological risk in Southwest China

4 結(jié)論與討論

本文針對(duì)西南地區(qū)面臨的多種風(fēng)險(xiǎn), 從風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性、生態(tài)系統(tǒng)易損性、生態(tài)系潛在損失度三個(gè)方面構(gòu)建了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型。結(jié)果表明：

(1)西南地區(qū)高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要沿著念青唐古拉山、橫斷山脈、邛崍山、哀牢山、無量山、金沙江、怒江、瀾滄江、大渡河等山脈和水系分布,這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,自然災(zāi)害易發(fā),應(yīng)加強(qiáng)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的防控與監(jiān)測(cè),盡量降低災(zāi)害造成的損失,繼續(xù)推進(jìn)天保工程、退耕還林工程,降低生態(tài)系統(tǒng)脆弱性,提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

(2)成都、重慶、昆明、南寧等城市及周邊地區(qū)是西南地區(qū)人口高聚集地,人類活動(dòng)頻繁,人地作用強(qiáng)烈,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)也較高,應(yīng)提高土地利用效率,控制人類過度開發(fā),優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和空間布局,推廣有機(jī)農(nóng)業(yè),降低人口和經(jīng)濟(jì)壓力對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響。

(3)藏北和青海北部的草原、荒漠地區(qū)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低,但是由于環(huán)境脆弱性較高,一旦受到風(fēng)險(xiǎn)源脅迫,難以得到恢復(fù)和重建。因此應(yīng)該加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè),預(yù)防本來脆弱的,生態(tài)環(huán)境遭到破壞,防患于未然。

本文在研究方法上,用環(huán)境脆弱性和景觀結(jié)構(gòu)脆弱性表征易損性,用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量表征潛在損失,詮釋了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程的互饋關(guān)系,有利于在基理層面上理解風(fēng)險(xiǎn)受體受到風(fēng)險(xiǎn)源脅迫時(shí)的狀態(tài)變化。然而,由于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,本研究仍存在不足:風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)過程中指標(biāo)分級(jí)和取值仍存在較大的不確定性,需結(jié)合專家、當(dāng)?shù)鼐用窈驼块T意見進(jìn)行修正；從理論上講,不同風(fēng)險(xiǎn)源脅迫下生態(tài)系統(tǒng)的受損程度是不同的,但是目前區(qū)域多風(fēng)險(xiǎn)源和多生態(tài)系統(tǒng)相互作用背景下,生態(tài)系統(tǒng)受損程度的差異仍然較難甄別,今后研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)險(xiǎn)源脅迫下生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能互作關(guān)系,進(jìn)一步探討生態(tài)系統(tǒng)受損程度的差異；生態(tài)系統(tǒng)潛在損失度方面,單用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量表征生態(tài)系統(tǒng)潛在損失顯得不夠全面,如經(jīng)濟(jì)、文化等方面的損失考慮較少,需進(jìn)一步完善；由于風(fēng)險(xiǎn)間相互作用的復(fù)雜性,綜合風(fēng)險(xiǎn)分析過程中各風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重設(shè)定仍存在較大的不確定性,所以應(yīng)結(jié)合野外調(diào)查進(jìn)一步優(yōu)化。