太湖流域景觀生態(tài)風(fēng)險評估

許 妍,高俊峰,張寧紅

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049;3.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

·環(huán)境預(yù)警·

太湖流域景觀生態(tài)風(fēng)險評估

許 妍1,2,高俊峰1,張寧紅3

(1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100049;3.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 210036)

在 GIS和 RS技術(shù)支持下,以遙感數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以行政區(qū)劃為評價單元,構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險評價模型,定量評價了研究區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)風(fēng)險的時空動態(tài)變化特征。結(jié)果表明,較低風(fēng)險區(qū)主要分布于以苕溪為主的山地丘陵區(qū),中等風(fēng)險區(qū)主要分布于農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的平原區(qū),較高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)主要集中于沿湖經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)。

景觀;生態(tài)風(fēng)險評價;太湖流域

0 前言

生態(tài)風(fēng)險是生態(tài)系統(tǒng)及其組分所承受的風(fēng)險,它指具有不確定性的事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的不利作用[1]。生態(tài)風(fēng)險評價是評價發(fā)生不利生態(tài)影響可能性的過程,其著重強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)外部一些具有不確定性的風(fēng)險因子對系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、功能、過程,乃至其穩(wěn)定性和可持續(xù)性所造成的損傷,關(guān)鍵是調(diào)查生態(tài)系統(tǒng)及其組分的風(fēng)險源,預(yù)測風(fēng)險出現(xiàn)的概率及其可能的負(fù)面效果,并據(jù)此提出相應(yīng)的舒緩措施。

以往的生態(tài)風(fēng)險評估主要側(cè)重在生態(tài)毒理學(xué)研究上,研究化學(xué)污染物對生物個體、種群和生態(tài)系統(tǒng)的影響。近年來,研究人員普遍認(rèn)識到,流域或區(qū)域尺度上的生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響不僅僅局限于污染物,人類活動對其的影響更為顯著。美國EPA在 1996年曾指出,未來環(huán)境的改善實際上取決于對非點源污染的控制,而從流域角度出發(fā)解決環(huán)境污染及棲息地的退化問題,要比以某一水體或排污點為研究對象的效果明顯[2]。但由于流域生態(tài)系統(tǒng)本身十分復(fù)雜,使得流域所面臨的風(fēng)險因素較多,加之人類大規(guī)模活動對流域 (區(qū)域)生態(tài)系統(tǒng)的影響以及不同流域具有不同的生態(tài)特征,又使得流域所面臨的風(fēng)險不同,因此在流域尺度上進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險研究十分困難。目前學(xué)術(shù)界關(guān)于流域生態(tài)風(fēng)險評價尚未形成統(tǒng)一的研究體系,但國內(nèi)外已有許多關(guān)于流域生態(tài)風(fēng)險評價的成功案例。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們對太湖流域資源的開發(fā)利用強(qiáng)度日益加強(qiáng),流域水體污染日益加劇,嚴(yán)重影響到太湖周圍乃至整個流域居民的生產(chǎn)和生活。近年來,太湖流域內(nèi)生態(tài)景觀各要素之間的發(fā)展極不平衡,整個生態(tài)系統(tǒng)的功能也發(fā)生了很大的改變。筆者利用 1990和 2008年太湖地區(qū) 2期土地利用遙感數(shù)據(jù),在 GIS技術(shù)支持下,按照生態(tài)風(fēng)險分析的基本理論框架和方法體系,構(gòu)造景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),從景觀格局角度出發(fā),對太湖流域生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行評價,為太湖地區(qū)生態(tài)建設(shè)提供決策支持。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概況

太湖流域面積 3.69 km2,地形以平原為主,屬典型季風(fēng)氣候,年徑流量年際變化較大。太湖流域河網(wǎng)密布,湖泊眾多,水面率達(dá) 17%。太湖是中國第三大淡水湖泊,正常水位下容積為44.3億m3,平均水深 1.89 m,多年平均年吞吐水量52億 m3,具有蓄洪、供水、灌溉、航運、旅游等多種功能,是太湖流域的重要供水水源地。流域內(nèi)分布有特大城市上海市,江蘇省的蘇州、無錫、常州、鎮(zhèn)江 4個地級市,浙江省的杭州、嘉興、湖州 3個地級市,另有30個縣和縣級市。

本研究主要選取了包括以苕溪水系為主的西部山地丘陵地區(qū),以南溪水系、洮滆水系為主的湖西平原區(qū),以及東部環(huán)太湖區(qū)為評價區(qū)域 (圖 1),將評價范圍內(nèi)的 16個區(qū)域作為評價單元,主要包括:鎮(zhèn)江市區(qū)、丹陽市、常州市區(qū)、常州市武進(jìn)區(qū)、溧陽市、金壇市、無錫市區(qū)、宜興市、蘇州市區(qū)、吳江市、湖州市區(qū)、長興縣、安吉縣、德清縣、杭州市區(qū)、杭州市余杭區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用的數(shù)據(jù)資料主要有 2008年 Landsat T M(或 ET M+)多光譜遙感影像,以及太湖流域行政界線圖、太湖流域水系圖、太湖流域地區(qū)的相關(guān)統(tǒng)計資料等輔助數(shù)據(jù)。運用 RS和 GIS相結(jié)合的技術(shù)進(jìn)行遙感影像預(yù)處理、輻射糾正、幾何糾正和圖像配準(zhǔn)。在人機(jī)交互方式下目視解譯,建立土地利用空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫,得到 2008年太湖流域的土地利用 /覆被現(xiàn)狀圖。經(jīng)同期土地利用詳查資料和典型區(qū)野外實地抽樣調(diào)查驗證,解譯精度達(dá)到 85%以上。

圖1 研究區(qū)域

基于全國土地資源分類系統(tǒng)和太湖流域土地利用現(xiàn)狀,以土地利用方式和覆蓋特征為主要分類依據(jù),將研究區(qū)內(nèi)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水體、建設(shè)用地、未利用土地等 6類,并建立土地利用數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)以 Coverage格式存儲。用GIS和景觀分析軟件 Fragstats等方法對評價單元內(nèi)的主要因子指標(biāo)進(jìn)行量化統(tǒng)計和標(biāo)準(zhǔn)化處理;利用這些主要因子在區(qū)域空間分析尺度上構(gòu)建景觀空間生態(tài)風(fēng)險評估模型,對研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)風(fēng)險評估并利用地統(tǒng)計學(xué)中的空間分析方法,得到生態(tài)風(fēng)險指數(shù)空間分布圖,從而對研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險的空間特征進(jìn)行研究。

2 研究方法

根據(jù)生態(tài)風(fēng)險與景觀格局之間的經(jīng)驗關(guān)系,可以構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險綜合指數(shù)[3,4],將每一單元格網(wǎng)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險的程度用格網(wǎng)內(nèi)各個景觀類型面積的比重、干擾度指數(shù)和脆弱度指數(shù)來表示,其計算公式為:

式中:ERI——景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù);n——景觀類型的數(shù)量;Ei——景觀類型 i的干擾度指數(shù);Fi——景觀類型 i的脆弱度指數(shù);Ski——第 k個風(fēng)險小區(qū) i類景觀組分的面積;Sk——第 k個風(fēng)險小區(qū)的總面積。

其中,本研究選擇了景觀破碎度指數(shù) (C)、景觀分離度指數(shù) (S)、景觀優(yōu)勢度指數(shù) (DO)來反映景觀格局對生態(tài)風(fēng)險的影響,通過景域受干擾的程度,對各個指數(shù)進(jìn)行疊加,用其反映不同景觀所代表的生態(tài)系統(tǒng)受干擾的程度,計算公式如表 1所示。其中,ni為景觀類型 i的斑塊數(shù);Ai為景觀類型 i的總面積;Di為景觀類型 i的距離指數(shù);Pi為景觀類型 i的面積指數(shù);Rd、Rf、Lp分別為相對密度、相對頻率和景觀比例;a、b、c為各指數(shù)的權(quán)重值,分別為 0.5,0.3和 0.2。

表1 景觀格局指數(shù)計算方法

3 結(jié)果分析

3.1 景觀格局指數(shù)計算

基于 2008年土地利用現(xiàn)狀圖 (圖 2)得到太湖流域不同景觀類型的組成結(jié)構(gòu),可以看出該區(qū)域景觀格局差異性顯著,耕地、林地、建設(shè)用地和水體是太湖流域研究區(qū)內(nèi)的主要景觀類型,約占整個太湖流域面積的 99%,其他用地類型僅為 1%左右。其中林地主要位于天目山區(qū)及茅山丘陵區(qū),而北部地區(qū)建設(shè)用地最為集中。

圖2 2008年土地利用現(xiàn)狀

根據(jù)上述公式,分別計算了安吉縣、長興縣等14個縣市區(qū)的 1990—2008年 5種生態(tài)系統(tǒng)的破碎度、分離度及優(yōu)勢度。因未利用土地數(shù)量很少,在計算過程中可忽略不計。結(jié)果如圖 3所示。耕地的破碎度值低于其他幾類,安吉縣的耕地破碎度略高于其他縣市。除常州市區(qū)林地破碎度較高以外,其他縣市的林地破碎度值相對較低,而建設(shè)用地、水體及草地的破碎度要明顯高于耕地和林地,說明這 3類生態(tài)系統(tǒng)的斑塊數(shù)量增加而面積縮小,受外界干擾較為強(qiáng)烈,其中鎮(zhèn)江市區(qū)的水體、草地及建設(shè)用地的破碎度最高。同一區(qū)域內(nèi)的不同景觀類型的破碎度也不相同,常州市區(qū)內(nèi)的破碎度差異明顯,蘇州市區(qū)和宜興市的差異相對較小。

圖3 2008年各縣市破碎度、分離度和優(yōu)勢度指數(shù)

從圖 3可看出,草地的分離度要明顯高于其他幾種景觀類型,這說明草地在地域上距離較分散,分布也相對復(fù)雜,破碎化程度較高。除林地和水體外,其余景觀類型的分離度最高值出現(xiàn)區(qū)域與破碎度相符,而林地及建設(shè)用地分離度的最高值分別出現(xiàn)于蘇州市區(qū)和長興縣。較大的優(yōu)勢度對應(yīng)于一個或少數(shù)幾個斑塊類型占主導(dǎo)地位的景觀,從優(yōu)勢度圖上可見,不同縣市占有優(yōu)勢的景觀類型不盡相同,但大致可分為 3種,林地占優(yōu)勢,耕地占優(yōu)勢及建設(shè)用地占優(yōu)勢,其中,僅有安吉縣內(nèi)林地占優(yōu)勢,長興縣、德清縣、湖州市和余杭區(qū)內(nèi)耕地優(yōu)勢度最大,其余均為建設(shè)用地優(yōu)勢度最大。

3.2 景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)

太湖流域西部區(qū)域地形地貌的空間分異顯著,景觀格局與結(jié)構(gòu)在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。自北向南方向,地形地貌依次為平原、丘陵、山地。土壤、水文、植被等自然要素隨著海拔高度的變化也具有明顯的區(qū)域性特征。人類活動主要集中在平原地區(qū)、湖濱帶及平原與丘陵的過渡地帶,人口分布、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r存在較大差異,進(jìn)而導(dǎo)致土地利用方式和開發(fā)強(qiáng)度不同。運用公式計算得出景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),進(jìn)一步采用克里金插值算法得到綜合景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的時空分布圖(圖 4)[5]。從該圖來看,太湖流域西部區(qū)域景觀生態(tài)風(fēng)險值的分布具有明顯差異,整體呈現(xiàn)南低北高、中間低四周高的趨勢。

圖4 2008年景觀生態(tài)風(fēng)險時空分布

較低風(fēng)險區(qū)主要集中于西南山地丘陵區(qū),尤其是浙北山區(qū)苕溪流域,該區(qū)主要是山地丘陵區(qū),地勢陡峭,人口密度低,經(jīng)濟(jì)水平低,交通相對不發(fā)達(dá),各景觀類型受人為干擾程度較輕。中等風(fēng)險區(qū)主要集中于中西部地區(qū)及太湖東部地區(qū),主要生產(chǎn)活動為旱地農(nóng)業(yè),但經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展導(dǎo)致城市快速無序的蔓延擴(kuò)張以及交通水利設(shè)施建設(shè)對耕地景觀的割裂增大了景觀破碎程度,降低了景觀連通性,進(jìn)而增大了該區(qū)域的潛在風(fēng)險。較高風(fēng)險區(qū)與高風(fēng)險區(qū)主要集中在北部發(fā)達(dá)地區(qū),這一帶是整個太湖流域經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、人口最稠密的地區(qū)之一,該地區(qū)人類活動頻繁,經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高,但尚未達(dá)到經(jīng)濟(jì)集約型增長階段,工礦用地擴(kuò)大、耕地及水體面積流失等問題嚴(yán)重,人工景觀占主導(dǎo)優(yōu)勢,自然景觀急劇減少,生態(tài)格局遭到破壞,生態(tài)風(fēng)險增大。

綜上所述,生態(tài)風(fēng)險的時空分布符合人類社會的發(fā)展規(guī)律,一般而言,人類最初是聚集在易于生活的生態(tài)環(huán)境中,隨著人類開發(fā)活動的增強(qiáng),當(dāng)污染負(fù)荷超出區(qū)域環(huán)境容量時,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降,生態(tài)風(fēng)險增加。

4 結(jié)語

基于景觀結(jié)構(gòu)的景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù)構(gòu)建景觀生態(tài)風(fēng)險指數(shù),在 GIS和 RS技術(shù)支持下,以遙感數(shù)據(jù)和土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對太湖流域西部地區(qū) 1990—2008年景觀生態(tài)風(fēng)險進(jìn)行時空動態(tài)評價。研究結(jié)果表明:景觀生態(tài)風(fēng)險的空間分異顯著,較低風(fēng)險區(qū)主要分布于以苕溪為主的山地丘陵區(qū),中等風(fēng)險區(qū)范圍較大,主要分布于平原區(qū),較高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)主要集中于沿湖經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)。

[1]付在毅,許學(xué)工,林輝平,等.遼河三角洲濕地區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價[J].生態(tài)學(xué)報,2001,21(3):365-373.

[2]CCME.A Framework for ecological risk assess ment:General Guidance[R].1996.

[3]曾輝,劉國軍.基于景觀結(jié)構(gòu)的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險分析[J].中國環(huán)境科學(xué),1999,19(5):454-457.

[4]李曉燕,李樹文.基于景觀結(jié)構(gòu)的吉林西部生態(tài)安全動態(tài)分析[J].干旱區(qū)研究,2005,22(1):57-62.

[5]謝花林.基于景觀結(jié)構(gòu)和空間統(tǒng)計學(xué)的區(qū)域生態(tài)風(fēng)險分析[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(10):5020-5026.

The Ecological Risk Assessment in Ta ihu LakeWatershed at the Landscape Scale

XU Yan1,2,GAO Jun-feng1,ZHANGNing-hong3
(1.Nanjing Institute of Geography&Limnology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing,Jiangsu 210008,China;2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Jiangsu Provincial Environmental Central Station,Nanjing,Jiangsu 210036,Chian)

The research took the quantitative analysis of spatio-temporal dynam ics character of ecological landscape risk variation in Taihu Lake by using G IS and RS technologies,based on the rem ote sensing and land use data.The risk assessm entm odel took the adm inistrative division as the assessm ent unit.The m odel comprising a landscape disturbance index and a land use sensitivity index w as established on the base of landscape perspective.The results show ed that the low risk areas were m ainly in the hilly and m ountainousregions,w hile the m edium risk areas were m ainly in the developed agricultural plainregions.The higher and highest risk areas distributed at the econom ically developed regions around the lake.

landscape;ecological risk assessm ent;Taihu Lake basin

X 826

A

1674-6732(2010)-06-0001-04

10.3969/j.issn.1674-6732.2010.06.001

2010-08-25

國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2008 ZX 07101-014-01和 2008 ZX 07526-007),科技部科技基礎(chǔ)性工作專項項目 (2008 CB 418106)。

許妍 (1981—),女,博士,從事流域生態(tài)安全、生態(tài)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境評價工作。