基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)

趙明月，王文杰 ，王維，張哲，張恒慶

1.遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116081

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息研究所，北京100012

生態(tài)安全研究是在出現(xiàn)全球性環(huán)境問(wèn)題的背景下，從“環(huán)境安全”擴(kuò)展而來(lái)，生態(tài)安全概念最早由L. R. Brown 于1977年提出［1-2］。目前被廣泛認(rèn)可的定義有狹義和廣義2 種概念［3］:狹義的生態(tài)安全是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，即生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康整體水平的反映;廣義的生態(tài)安全概念是由國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IASA)于1989年提出的，指在人的生活、健康、安樂(lè)、基本權(quán)利、生活保障來(lái)源、必要資源、社會(huì)秩序和人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力等方面不受威脅的狀態(tài)，包括自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會(huì)生態(tài)安全，組成一個(gè)復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng)。流域生態(tài)安全是目前我國(guó)生態(tài)安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一，近20年我國(guó)幾大流域出現(xiàn)的不同程度的環(huán)境質(zhì)量退化和河流水體的污染問(wèn)題，已逐漸成為威脅我國(guó)流域環(huán)境質(zhì)量的突出問(wèn)題，流域生態(tài)安全逐漸引起國(guó)家和公眾的高度重視［4-6］。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)流域生態(tài)安全指標(biāo)體系的建立以及生態(tài)安全評(píng)估方法進(jìn)行了大量研究，如從PSR 框架、DPSIR 框架、“4 +1”湖泊生態(tài)安全評(píng)估框架、結(jié)構(gòu)和功能、遙感技術(shù)、災(zāi)害視角、多目標(biāo)決策、多層次多尺度等角度對(duì)流域生態(tài)安全評(píng)估進(jìn)行研究［7-13］。同時(shí)對(duì)流域內(nèi)不同的水環(huán)境、農(nóng)業(yè)、景觀生態(tài)安全格局，流域重要功能區(qū)，流域上中下游等［13-19］進(jìn)行了生態(tài)安全評(píng)價(jià)。目前，生態(tài)安全評(píng)估的研究方法主要有數(shù)學(xué)綜合評(píng)估法、生態(tài)模型法、景觀生態(tài)學(xué)分析法、數(shù)字地面模型法和生態(tài)承載力分析法等［20-21］。數(shù)學(xué)綜合評(píng)估法具有比較強(qiáng)的科學(xué)性和可靠性，是常用的比較成熟的方法［22］，包括綜合指數(shù)法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、物元評(píng)判法、主成分投影法、模糊綜合法、BP 網(wǎng)絡(luò)法、熵權(quán)法和模糊模式識(shí)別法。每個(gè)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的對(duì)象和范圍［20-24］。

土地利用是人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)作用的結(jié)果，其改變了流域的水文過(guò)程，從而會(huì)對(duì)流域的水生態(tài)健康造成影響，如水溫升高、非點(diǎn)源污染等［25-26］，且不同的土地利用類型也會(huì)使流域的污染物種類、數(shù)量、濃度不同［27-29］。同時(shí)，土地利用還會(huì)改變生態(tài)系統(tǒng)的類型、空間格局以及生態(tài)過(guò)程，從而影響生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能［30-32］。而目前基于土地利用的流域生態(tài)安全評(píng)估研究較少。王文杰等［33］按水域、岸邊帶和陸域的生態(tài)結(jié)構(gòu)、服務(wù)功能和協(xié)迫特征構(gòu)建了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架和評(píng)價(jià)體系，在此基礎(chǔ)上，筆者采用層次分析法和綜合指數(shù)法，將土地利用與流域生態(tài)安全2 個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題相結(jié)合，從土地利用角度構(gòu)建流域生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)體系，以水府廟水庫(kù)流域?yàn)榈湫桶咐?，?duì)水府廟水庫(kù)流域的生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為流域生態(tài)安全評(píng)估技術(shù)提供參考，為水府廟水庫(kù)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 水府廟水庫(kù)流域示意Fig.1 Location of Shuifumiao Reservoir Basin

1 研究區(qū)域概況

水府廟水庫(kù)流域地處湖南省腹地，湘江一級(jí)支流漣水中游，水庫(kù)位于婁星區(qū)、雙峰縣和湘鄉(xiāng)市三地的交界處，地理坐標(biāo)為112°05＇04″E ～112°14＇52″E，27°38＇57″N ～27°47＇23″N。水府廟水庫(kù)流域主要包括水府廟水庫(kù)大壩以上、漣水的部分流域，控制流域總面積3 040.5 km2;河流水系包括水府廟水庫(kù)及漣水、孫水、湄水和西陽(yáng)河等(圖1)。流域內(nèi)地形起伏，河谷平原、丘陵、崗地和低山交錯(cuò)排列，海拔63 ～1 511 m，地勢(shì)南北高中間低，不同區(qū)域坡度差異較大，15°以上的區(qū)域面積約占整個(gè)流域的40%，坡度較小的地區(qū)主要分布在中部河谷平原，漣水主流由西向東穿過(guò)流域。流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，雨量充沛，四季分明。水府廟水庫(kù)流域土地利用類型以林地和耕地為主，林地在流域內(nèi)所占面積最大，所占比例為52.67%，耕地所占比例為29.69%。其他土地利用類型包括建設(shè)用地、園地、水體、草地和濕地，占流域面積比例分別為6.84%、6.77%、2.64%、0.93%和0.47%。近年來(lái)，水府廟水庫(kù)流域逐漸擴(kuò)大城鎮(zhèn)規(guī)模和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行開(kāi)荒和采伐活動(dòng)。與2000年相比，2013年林地面積減少為1 601.3 km2，減少的面積占2000年的19.1%。2013年耕地面積增加到902.6 km2，增加面積占2000年的41.71%。自然湖濱面積減少15.1 km2，比2000年減少約1/3，湖濱帶范圍內(nèi)耕地面積占全部面積近1/2，比2000年增加約10.2 km2，增長(zhǎng)非常迅速。

2 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)估總體框架

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)。流域生態(tài)安全研究的空間范圍包括流域內(nèi)陸域、岸帶、水域三大子系統(tǒng)。在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的干擾下能夠維持流域生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生態(tài)健康，并且為人類穩(wěn)定提供生態(tài)服務(wù)功能的狀態(tài)是流域生態(tài)安全的表征。因此基于土地利用的流域生態(tài)安全評(píng)估框架在土地利用對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能造成影響的基礎(chǔ)上，通過(guò)評(píng)估陸域環(huán)境影響、水域生態(tài)健康、流域服務(wù)功能3 個(gè)方面構(gòu)建起來(lái)。陸域環(huán)境影響、水域生態(tài)健康和流域服務(wù)功能三者互相關(guān)聯(lián)、互相影響，共同構(gòu)成評(píng)估框架的基本內(nèi)容。以土地利用相關(guān)數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和可操作性，并遵循系統(tǒng)性、目的性、代表性、科學(xué)性、可表征性和可度量性原則篩選相關(guān)指標(biāo)。

2.2 指標(biāo)體系的建立

從土地利用角度，陸域環(huán)境影響主要選取社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用和污染負(fù)荷3 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

水域生態(tài)健康主要從入庫(kù)河流水環(huán)境、水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化以及水生態(tài)環(huán)境3 個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估［34］。良好的水質(zhì)和水生態(tài)結(jié)構(gòu)能夠反映水域生態(tài)系統(tǒng)的健康性和完整性，是水域生態(tài)健康與否的重要表征［35］。

流域生態(tài)服務(wù)功能主要選取陸域、岸帶和水域3 個(gè)區(qū)域各自的主導(dǎo)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)估，分別為陸域的土壤保持功能、岸帶的棲息地功能和攔截凈化功能以及水體的飲用水服務(wù)功能。

基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估體系由目標(biāo)層、方案層、因素層、指標(biāo)層構(gòu)成，包括3個(gè)方案層指標(biāo)、10 個(gè)因素層和30 個(gè)指標(biāo)層，并利用層次分析法確定了權(quán)重［36］。具體指標(biāo)選取以及指標(biāo)解釋和指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。

2.3 評(píng)估方法

2.3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)確定

目前，生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)主要來(lái)源于國(guó)際公認(rèn)值、世界平均值和全國(guó)平均值，以及國(guó)家制訂的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范值，一些指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值仍然處于探索階段。水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值主要是參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、更大范圍區(qū)域的平均值以及通過(guò)科學(xué)研究已被廣泛引用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［37-42］。對(duì)于目前研究較少、但對(duì)評(píng)估較為重要的指標(biāo)在缺乏標(biāo)準(zhǔn)值的情況下，暫時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定其標(biāo)準(zhǔn)值。水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2 和表3。

2.3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

根據(jù)Weber-Fishna 定律進(jìn)行指標(biāo)的無(wú)量綱化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，環(huán)境與生態(tài)的質(zhì)量-效應(yīng)變化符合該定律，即當(dāng)環(huán)境與生態(tài)質(zhì)量指標(biāo)成等比變化時(shí)，環(huán)境與生態(tài)效應(yīng)成等差變化。

正向型指標(biāo)rij=(xij/sij)×100

負(fù)向型指標(biāo)rij=(sij/xij)×100

式中:xij為i 指標(biāo)在采樣點(diǎn)j 的實(shí)測(cè)值;sij為指標(biāo)因子的參考標(biāo)準(zhǔn);rij為評(píng)價(jià)指標(biāo)的無(wú)量綱化值，此處需要滿足0≤rij≤100，＞100 的則按100 取值。

對(duì)那些不符合Weber-Fishna 定律的指標(biāo)，參考該定律從質(zhì)量-效應(yīng)變化分析來(lái)確定轉(zhuǎn)換方法。對(duì)于有閾值的指標(biāo)，在閾值范圍內(nèi)以閾值為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，閾值范圍外的指標(biāo)則作0 處理。

2.3.3 評(píng)估模型

采用綜合指數(shù)法將標(biāo)準(zhǔn)化后的各數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出生態(tài)安全指數(shù)［43］。生態(tài)安全評(píng)估模型如下:

式中:ESI 為生態(tài)安全評(píng)估綜合指數(shù)值，0 ～100;Wi為評(píng)估指標(biāo)在綜合評(píng)估指標(biāo)體系中的權(quán)重，0 ～1;Bi為評(píng)估指標(biāo)的歸一化值，0 ～100;n 為評(píng)估指標(biāo)數(shù)。

2.3.4 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為得到更直觀的評(píng)價(jià)結(jié)果，從高到低將生態(tài)安全指數(shù)劃分為五級(jí)。各等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)以及生態(tài)安全狀態(tài)如表4 所示，并根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

表1 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估指標(biāo)體系Table 1 The ecological security assessment index system of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表2 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估部分指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Benchmarks of indicators on the ecological security assessment of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表3 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估部分指標(biāo)分級(jí)Table 3 Classification standard of indicators on the ecological security assessment of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表4 生態(tài)安全指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of ecological security index

3 評(píng)估結(jié)果及討論

3.1 水府廟水庫(kù)流域安全綜合評(píng)估結(jié)果

綜合以陸域環(huán)境影響、水域生態(tài)健康狀況、流域生態(tài)服務(wù)功能3 個(gè)方面的評(píng)估基礎(chǔ)進(jìn)行基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估，流域生態(tài)安全綜合指數(shù)為58.5，安全等級(jí)處于三級(jí)，安全表征狀態(tài)為“一般”(表5)。從陸域環(huán)境影響、水生態(tài)健康、流域生態(tài)服務(wù)功能3 類單項(xiàng)評(píng)估與綜合評(píng)估的對(duì)比分析來(lái)看，陸域環(huán)境影響對(duì)水府廟水庫(kù)流域綜合生態(tài)安全的壓力較大;水生態(tài)健康和流域生態(tài)服務(wù)功能對(duì)流域綜合生態(tài)安全影響較小(圖2)。

表5 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估結(jié)果Table 5 The ecological security assessment results for Shuifumiao reservoir basin based on land use

圖2 基于土地利用的水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全評(píng)估結(jié)果表征Fig.2 The ecological security assessment results characterization for Shuifumiao reservoir basin based on land use

3.2 討論

與以往流域生態(tài)安全評(píng)估相比，嘗試了從土地利用的角度構(gòu)建由陸域環(huán)境影響、水域生態(tài)健康狀況、流域生態(tài)服務(wù)功能組成的流域生態(tài)安全評(píng)價(jià)體系，并基于土地利用選取了水府廟水庫(kù)流域評(píng)估的因素層和指標(biāo)層，利用層次分析法和綜合指數(shù)法進(jìn)行了評(píng)估，為流域生態(tài)安全評(píng)估提供了借鑒。評(píng)估結(jié)果分別反映了水府廟流域中陸域經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、土地資源開(kāi)發(fā)利用和污染負(fù)荷對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)造成的影響程度;土地利用對(duì)水域水質(zhì)、富營(yíng)養(yǎng)化和生物多樣性的影響;土地利用對(duì)流域生態(tài)服務(wù)功能影響，包括林木覆被下水土資源的維護(hù)自然狀態(tài)能力、水域生態(tài)系統(tǒng)為人類提供水資源保障的能力、岸帶棲息地控制土壤沙化和降低水土流失能力、生態(tài)系統(tǒng)自身凈化能力和岸帶阻截陸域面源污染負(fù)荷能力。

(1)陸域環(huán)境影響指數(shù)為51.2，屬于“一般”影響級(jí)別。水府廟水庫(kù)流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)存在的壓力比較大，已經(jīng)接近生態(tài)閾值，生態(tài)系統(tǒng)尚且穩(wěn)定，但敏感性強(qiáng)。造成水府廟水庫(kù)流域陸域環(huán)境評(píng)估結(jié)果較低的相關(guān)指標(biāo)主要是土地利用和污染負(fù)荷。隨著城鎮(zhèn)規(guī)模和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)逐漸擴(kuò)大，進(jìn)行的開(kāi)荒和采伐活動(dòng)使得城鎮(zhèn)用地比例和耕地比例增高，威脅到流域內(nèi)林地、草地和濕地面積，2013年水府廟水庫(kù)流域城鎮(zhèn)用地比例約為6.84%，流域耕地面積比例約為36.46%，流域中部地區(qū)植被覆蓋顯著下降。水府廟水庫(kù)流域污染負(fù)荷較大，城鎮(zhèn)生活污染、畜禽養(yǎng)殖是水府廟水庫(kù)流域的主要污染源。

(2)水域生態(tài)健康狀況指數(shù)為58.4，屬于中等安全狀態(tài)。對(duì)水府廟水庫(kù)流域水體環(huán)境評(píng)估結(jié)果影響較明顯的指標(biāo)主要是水質(zhì)和富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)。影響水體環(huán)境的污染源主要有城鎮(zhèn)生活污染和畜禽養(yǎng)殖，而對(duì)水府廟水庫(kù)流域水體影響最大、容易直接造成富營(yíng)養(yǎng)化的污染源是網(wǎng)箱養(yǎng)殖。并且水府廟水庫(kù)流域水生植物資源豐富，水草的區(qū)域分布主要集中在各湖灣角落，水葫蘆覆蓋度較大，也嚴(yán)重威脅水體安全。水府廟水庫(kù)流域基本上屬中營(yíng)養(yǎng)級(jí)，并開(kāi)始呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，正處于從中營(yíng)養(yǎng)級(jí)向富營(yíng)養(yǎng)級(jí)過(guò)渡狀態(tài)。

(3)水府廟水庫(kù)流域生態(tài)服務(wù)功能指數(shù)為69.6，目前屬于較好的范疇。水府廟水庫(kù)流域內(nèi)土壤保持能力較好，土壤保持能力最強(qiáng)的是林地。耕地也有一定的土壤保持能力。飲用水功能較好，長(zhǎng)株潭城市群周邊最大的淡水湖作為水府廟水庫(kù)流域的飲用水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)率達(dá)到100%。水府廟水庫(kù)流域岸帶棲息地功能受損較大，近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類活動(dòng)增強(qiáng)都對(duì)水府廟水庫(kù)周邊的岸帶造成了威脅，農(nóng)田開(kāi)墾是使岸帶自然生態(tài)系統(tǒng)破壞的最主要原因，通過(guò)土地利用狀況調(diào)查計(jì)算水府廟水庫(kù)流域水源涵養(yǎng)指數(shù)為18.81%，濕地面積占總面積的比例約為0.47%。水府廟水庫(kù)流域岸帶濕地呈破碎化、片段化發(fā)展，雖然總面積不斷增加，但濕地長(zhǎng)時(shí)間的不完整將嚴(yán)重影響水府廟水庫(kù)流域的生態(tài)安全。

4 結(jié)論

水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全綜合指數(shù)為58.5，等級(jí)為“三級(jí)”，生態(tài)安全表征狀態(tài)為“一般”。由于逐漸擴(kuò)大城鎮(zhèn)規(guī)模和農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行開(kāi)荒和采伐活動(dòng)導(dǎo)致流域內(nèi)土地利用不合理，使水府廟水庫(kù)流域生態(tài)服務(wù)功能受損，對(duì)流域的生態(tài)安全造成壓力。并且由于人類活動(dòng)造成的污染負(fù)荷也使水環(huán)境質(zhì)量面臨著來(lái)自內(nèi)源污染和外源污染的雙重脅迫，水體開(kāi)始呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，影響到水府廟水庫(kù)流域的水體環(huán)境。這些因素已成為威脅水府廟水庫(kù)流域生態(tài)安全的隱患。

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