巖溶地區(qū)水土流失生態(tài)風(fēng)險評價

易興松 蘭安軍 張吟

摘要：以貴州省六盤水市為研究區(qū)，結(jié)合巖溶地區(qū)特殊的生態(tài)環(huán)境和人類活動因素，從風(fēng)險源（基巖裸露率、地形起伏度、溝谷密度、降雨量、植被覆蓋度、人類活動）和風(fēng)險受體（生態(tài)服務(wù)價值、核心生態(tài)保護區(qū)、潛在經(jīng)濟損失）的角度分析了六盤水市的水土流失生態(tài)風(fēng)險情況。運用層次分析法和專家咨詢法確定了各個因子的權(quán)重，對2015年六盤水市的水土流失生態(tài)風(fēng)險進行了分級評價。結(jié)果顯示：盤縣東部、水城西南部、六枝特區(qū)南部生態(tài)風(fēng)險較高。六盤水市中險型及以上風(fēng)險面積達6400.18 kmz（占總面積的64.55%），整體水土流失生態(tài)風(fēng)險偏高。

關(guān)鍵詞：生態(tài)風(fēng)險;巖溶地區(qū);水土流失;六盤水

中圖分類號：S157

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）2-0073-05

1 引言

水土流失及其造成的生態(tài)環(huán)境問題，包括農(nóng)業(yè)減產(chǎn)、土地資源減少、旱澇和地質(zhì)災(zāi)害（滑坡、崩塌、泥石流等）加劇、生態(tài)環(huán)境退化等，制約著人類生活和社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，是當今世界面臨的一個亟待解決的環(huán)境問題[1]。開展區(qū)域水土流失及其生態(tài)風(fēng)險評價研究，不僅可以加深對水土流失影響及危害的認知和理解[2]，而且對水土流失防治效果評價、實施水土保持建設(shè)具有重要的意義[3]。

風(fēng)險評價萌芽于20世紀30年代，該時期的風(fēng)險評價以毒物鑒定方法為基本手段，針對人體健康受到的影響進行分析，多以定性研究為主。到20世紀70年代后，風(fēng)險評價方法發(fā)展到定量研究，評價體系已初具規(guī)模。20世紀90年代末到21世紀初，生態(tài)風(fēng)險評價的適用范圍已經(jīng)擴展到區(qū)域、景觀乃至流域尺度，并且將生態(tài)風(fēng)險評價與新興學(xué)科景觀生態(tài)學(xué)相結(jié)合。Hun-saker等人[4]研究如何將生態(tài)風(fēng)險評價應(yīng)用到區(qū)域景觀尺度，Wallack等[5]用土地利用等數(shù)據(jù)代替化學(xué)污染物濃度進行了關(guān)于殺蟲劑對流域表層水體的風(fēng)險評價研究。該時期生態(tài)風(fēng)險評價是在多風(fēng)險源、多風(fēng)險受體的基礎(chǔ)之上，進行綜合生態(tài)風(fēng)險評價，定量與定性評價并用，評價工具也更加模型化。

我國從20世紀90年代引入了生態(tài)風(fēng)險評價研究，以介紹和應(yīng)用國外的科研成果為主[6]。從環(huán)境風(fēng)險評價起步，逐漸上升到生態(tài)風(fēng)險評價再到區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價，風(fēng)險源由單因素到多因素，風(fēng)險受體由單一受體到多受體，評價尺度由局部擴展到宏觀區(qū)域景觀水平。徐麗芬[7]等和許學(xué)工等[8]分別選取北京和全國主要的自然災(zāi)害為風(fēng)險源，以風(fēng)險源的發(fā)生概率、生態(tài)環(huán)境脆弱性和生態(tài)資產(chǎn)構(gòu)建生態(tài)風(fēng)險評價模型，對北京順義區(qū)和全國的自然災(zāi)害生態(tài)風(fēng)險進行研究。時宇等[9]從風(fēng)險源和受體兩方面因素著手，對北京地區(qū)的水土流失生態(tài)風(fēng)險進行研究。

巖溶地區(qū)與非巖溶地區(qū)的水土流失存在一定的差異性。本文以貴州省六盤水市為研究區(qū)，對巖溶地區(qū)的水土流失進行生態(tài)風(fēng)險評價。據(jù)有關(guān)資料顯示，截止2015年4月20日，六盤水全市有地質(zhì)災(zāi)害隱患點1121處，受威脅農(nóng)戶50530戶，197945人。災(zāi)害類型有：崩塌、地裂縫、地面沉降、地面塌陷、滑坡、泥石流。之所以會發(fā)生這樣的災(zāi)害，說明該處的生態(tài)風(fēng)險較高。這些災(zāi)害隱患點嚴重威脅社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此，分析和評價六盤水市的水土流失風(fēng)險迫在眉睫。本文有望為六盤水市的生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測提供指導(dǎo)作用，同時完善了巖溶地區(qū)水土流失生態(tài)風(fēng)險評價體系。

2 研究區(qū)概況

六盤水市位于中國西南部，貴州省西部（圖1）。地理位置在北緯25°19′～26°55′、東經(jīng)104°18′～105°42′。六盤水市現(xiàn)轄盤縣、鐘山區(qū)、水城縣和六枝特區(qū)4個縣級行政區(qū)（圖1），國土面積9914 km_2，占全省總面積的5.63%。境內(nèi)山地、丘陵和高原是主要地貌類型。六盤水地處生態(tài)環(huán)境脆弱的巖溶地區(qū)[10]，地層巖性多以碳酸鹽巖為主，碳酸鹽巖占六盤水市國土面積比為58.19%。2016年9月發(fā)布的《貴州省水土保持公告》顯示，六盤水水土流失面積為3713.82 km2，占土地總面積的37.46%，由于地處巖溶地區(qū)，水土流失治理難度不容樂觀。

3 數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)來源和準備

采用的數(shù)據(jù)主要有：六盤水市涉及的縣級行政區(qū)矢量數(shù)據(jù)，2005～2015年降雨量數(shù)據(jù)，2015年Landsat 8、資源一號、資源三號遙感影像，30mGDEM V2（數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺），1： 20萬水文地質(zhì)圖等。主要處理軟件為ENVI 5.3和ArcGIS 10.2。

利用Landsat 8影像在ENVI中反演得到植被覆蓋度;同時基于該影像進行人機交互解譯得到2015年的土地利用數(shù)據(jù)，并利用高分辨率的資源一號、資源三號衛(wèi)星影像進行土地利用校正。以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Arc GIS中提取得到地形起伏度，溝谷密度。最后對各評價因子進行柵格化，統(tǒng)一坐標系為albers、數(shù)據(jù)格式（img）以及分辨率（30 m×30 m），得到各評價因子?xùn)鸥駡D[11]。

3.2 評價因子的確定與分級

諸多因素造成了中國南方巖溶地區(qū)水土流失的特殊性，包括人文、水文、氣候、地質(zhì)、地貌、植被、土壤等[12]。以國內(nèi)專家對水土流失生態(tài)風(fēng)險評價為研究基礎(chǔ)，結(jié)合巖溶地區(qū)的特殊環(huán)境情況，進行評價因子篩選，一共篩選出10個因子，并將這些因子分為兩大類：風(fēng)險源和風(fēng)險受體。風(fēng)險源即風(fēng)險的來源，包括可能引起風(fēng)險的自然和人為因素;風(fēng)險受體是自然界中可能受到風(fēng)險源不利影響的組分，即風(fēng)險的承受者。風(fēng)險源包括降雨量、植被覆蓋度、地形起伏度、溝谷密度、地層巖性、基巖裸露率和人類活動。風(fēng)險受體包括核心生態(tài)保護區(qū)、生態(tài)服務(wù)價值和潛在經(jīng)濟損失[13]。

確定評價因子后，需要設(shè)定各因子權(quán)重的大小，因子權(quán)重的大小反映該指標對水土流失生態(tài)風(fēng)險所起的作用大小，權(quán)重大就表明該因子影響作用大。筆者采用層次分析法來確定各風(fēng)險指數(shù)的權(quán)重，通過專家對評價因子的重要程度進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，求算出各因子所占權(quán)重，結(jié)果如表1～3。

（1）年均降雨量。采用2005～2015年六盤水市周邊13個氣象站點的降雨量資料，利用克里金插值法模擬六盤水市的年均降雨量空間分布數(shù)據(jù)，同時，采用Arc GIS提供的Jenks自然分類法得出分級。這種分類方法是利用統(tǒng)計學(xué)的Jenk最優(yōu)化法得出的分界點，能使各級的內(nèi)部方差之和最小，從而實現(xiàn)最相近的數(shù)據(jù)作為一組的自然分類效果[14]。

（2）植被覆蓋度。本文的植被覆蓋度值以2015年Landsat 8影像為數(shù)據(jù)源，由NDVI反演而得。利用李苗苗等在像元二分模型的基礎(chǔ)上研究的模型提取了植被覆蓋度[15]，具體公式如下：

（3）地形起伏度和溝谷密度。在大尺度的區(qū)域性研究中，坡度坡長因子難以計算（生態(tài)功能區(qū)劃暫行規(guī)程），且只有數(shù)學(xué)意義而不具備土壤侵蝕和地貌學(xué)意義[16]。而研究證明，溝谷密度越大，地表破碎度越高，平均坡度增加，地表物質(zhì)越不穩(wěn)定，就易形成地表徑流，導(dǎo)致水土流失的環(huán)境問題加劇。六盤水市境內(nèi)山高坡陡，峰巒起伏，地形起伏高差大，為水土流失創(chuàng)造了勢能。因此，筆者選用地形起伏度和溝壑密度來表征坡度坡長因子（地形地貌）對水土流失過程的影響。

以30m分辨率的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Arc GIS的Spatial Analyst模塊下選用3.2 km×3.2 km（59×59）為窗口提取地形起伏度。據(jù)研究表明，當選用分辨率為50 m的DEM數(shù)據(jù)時，選擇匯流累計閾值為100個像素時，溝谷精度最高。本文采用以上方法提取溝谷，并以8 km×8 km為樣區(qū)，計算六盤水市所有樣區(qū)的溝谷密度，其計算公式為：

D_s=∑ L/A^{_i 式中：Ds為樣區(qū)的溝谷密度;∑L為樣區(qū)的溝谷總長度（km），Ai為樣區(qū)的面積（km2）。}

（4）人類活動。不同的土地利用類型，人類活動干擾程度也大不相同。土地利用類型中其它土地級別最低，干擾程度為微弱;水域及水利設(shè)施用地、草地、林地屬于較弱;耕地、園地干擾程度為一般;居民點由于人類活動比較集中，干擾程度為較強;礦區(qū)（包括交通運輸用地）的人類活動最為密集，尤其是六盤水煤礦較多，地表擾動較大，干擾程度為劇烈。

（5）基巖裸露率。修正通用水土流失方程中用土壤質(zhì)地來代表土壤可蝕性，但六盤水屬于巖溶山地區(qū)域，特殊的生態(tài)環(huán)境導(dǎo)致該地區(qū)土層偏薄，而且不連續(xù)[17]。因此，地處巖溶地區(qū)的六盤水市部分區(qū)域土壤已被侵蝕成裸巖，巖石裸露率越高，則土壤對水土流失越敏感，必須基于生態(tài)退化的現(xiàn)狀來評價水土流失生態(tài)風(fēng)險[18]。所以本文選取基巖裸露率作為反映水土流失生態(tài)風(fēng)險的因子之一。本文中以2015年2.5 m精度的資源一號、資源三號遙感影像數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于多光譜遙感影像的裸巖率計算方法進行基巖裸露率反演[19]。具體計算公式如下：

BRp=（1-BSp- VC）×100%

其中：BRp為裸巖率，BSp為土壤裸露率，VC為植被覆蓋度。

（6）地層巖性。地層巖性不同，抗蝕性強弱也有差異?？刮g性越強，水土流失生態(tài)風(fēng)險越低。查閱相關(guān)資料，得到抗蝕性強弱排序為：粘土巖<礫巖<頁巖<砂頁巖<砂巖<白云巖<石灰?guī)r<玄武巖<輝綠巖，據(jù)此進行分級。

（7）生態(tài)服務(wù)價值。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量，對于不同類別的土地利用類型賦予不同值，由大到小排列依次是森林、水體、草地、農(nóng)田、其他。

（8）核心生態(tài)保護區(qū)。按照生態(tài)保護區(qū)的類型和級別，分別賦予等級。核心生態(tài)保護區(qū)類型主要有飲用水源保護區(qū)、森林公園、自然保護區(qū)、濕地公園、風(fēng)景名勝區(qū)、地質(zhì)公園。

（9）潛在經(jīng)濟損失。不同的土地利用情況，遭受水土流失時的經(jīng)濟損失不同，重要性因此而不同，據(jù)此作出分級。

3.3 分析方法

3.3.1 水土流失生態(tài)風(fēng)險計算與分級

確定各因子的權(quán)重后，利用Arc GIS中的地圖代數(shù)工具，根據(jù)以上因子權(quán)重和以下相關(guān)公式進行柵格圖層的疊加計算，得到風(fēng)險源指數(shù)分布圖、風(fēng)險受體指數(shù)分布圖和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)分布圖，公式如下：

風(fēng)險源A=因子1×Wl+因子2×W2+……+因子7×W7;

風(fēng)險受體B=因子8×W8+因子9×W9+因子10×Wl0;

風(fēng)險指數(shù)C=風(fēng)險源A×Wa+風(fēng)險受體B×Wb。

在Arc GIS平臺上，采用自然分類法將水土流失生態(tài)風(fēng)險值分為5級，分別為無險型、輕險型、中險型、強險型、極險型，分級結(jié)果如圖2。最后，將其他專題圖轉(zhuǎn)化為相同比例尺，在Arc GIS軟件支持下進行面積量算、圖形輸出。

3.3.2 水土流失生態(tài)風(fēng)險優(yōu)勢度

六盤水的生態(tài)環(huán)境是受人類活動強烈干擾的區(qū)域環(huán)境，其環(huán)境質(zhì)量狀況是由區(qū)內(nèi)自然和人為因素的相互作用來共同決定。據(jù)研究表明，景觀生態(tài)學(xué)方法既可以用于生境變化預(yù)測也可以用于生態(tài)現(xiàn)狀評價。為此，本文借鑒區(qū)內(nèi)景觀生態(tài)學(xué)法[20]，來判斷區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險變化的趨勢。

分析中采用了以下指標來衡量區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險趨勢情況：

密度Rd=I斑塊的數(shù)目/斑塊的總數(shù)×100%;

頻率Rf=斑塊I的樣方數(shù)/樣方總數(shù)×100%;

景觀比例Lp=斑塊I的面積/樣地總面積×100%;

景觀優(yōu)勢度Do=[（Rd+Rf）/2+Lp]×100%。

在景觀頻率的評判中，運用Arc GIS的Fishnet模塊在生態(tài)風(fēng)險圖上取樣的方法，對整個研究區(qū)進行取樣，共獲取9405個樣方，每個樣方面積為1000 m×1000 m。

4 結(jié)果分析與驗證

4.1 生態(tài)風(fēng)險相關(guān)評價

4.1.1 生態(tài)風(fēng)險等級評價

對六盤水市水土流失生態(tài)風(fēng)險綜合評價，可以發(fā)現(xiàn)無險級和輕險級面積為3514.31 km^2，占總面積的35.45%;強險級和極險級面積達3483. 22 km2，占六盤水市國土面積的35.13%;中險級的面積最大，為2916. 96 km2，占總面積的29.42%。各類型生態(tài)風(fēng)險統(tǒng)計結(jié)果如表4。研究表明，評價區(qū)內(nèi)存在一定的水土流失生態(tài)風(fēng)險，需要引起足夠重視。從水土流失生態(tài)風(fēng)險縣域空間分布情況來看，盤縣東部、水城西南部、六枝特區(qū)南部生態(tài)風(fēng)險較高，六盤水市北部生態(tài)風(fēng)險較低。

4.1.2 水土流失生態(tài)風(fēng)險優(yōu)勢度評價

從表5可以看出，在本評價區(qū)內(nèi)，各類斑塊的優(yōu)勢度值差異較大。該評價區(qū)的中險級斑塊的Do值為46. 68%，景觀比例值Lp為29. 42%，出現(xiàn)的頻率為94. 81%，優(yōu)勢度在生態(tài)風(fēng)險斑塊類型中居首位，表明中險級生態(tài)風(fēng)險在六盤水的生態(tài)環(huán)境中占主導(dǎo)優(yōu)勢;輕險級斑塊的Do值略低于中險級，為41.60%;強險級的Do值也比較高，為37.02%。因此，從六盤水市整體的生態(tài)風(fēng)險優(yōu)勢度來看，全市范圍內(nèi)生態(tài)風(fēng)險呈現(xiàn)中險級偏下的趨勢，需在一些強險級和極險級的區(qū)域加強監(jiān)測措施，以防為主、防治結(jié)合、突出重點，維護六盤水市的生態(tài)安全。

4.1.3 水土流失生態(tài)風(fēng)險與水土流失現(xiàn)狀分析

參考《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準》的水土流失分級標準，得到2015年六盤水市水土流失現(xiàn)狀，然后將其與水土流失生態(tài)風(fēng)險結(jié)果進行空間疊加，統(tǒng)計結(jié)果如表6。

由表6所示，六盤水市水土流失生態(tài)風(fēng)險大部分處于中度危險等級。從表6中可以看出，有些水土流失嚴重的地方水土流失生態(tài)風(fēng)險等級卻不高，是因為有些地方地形起伏較小，土層較厚，適宜于耕作，從而導(dǎo)致部分區(qū)域的水土流失較嚴重但生態(tài)風(fēng)險卻不高。而有些水土流失不嚴重的區(qū)域水土流失生態(tài)風(fēng)險等級很高，是由于其山高坡陡，基巖裸露高，土層較薄，所以未出現(xiàn)較嚴重的水土流失。由此可見，巖溶地區(qū)的水土流失現(xiàn)狀與水土流失生態(tài)風(fēng)險不完全呈正相關(guān)性，它們同時受到自然因素和人類活動的影響，自然因素是水土流失發(fā)生發(fā)展的前提，人類活動是水土流失加劇的誘因。

4.1.4 水土流失生態(tài)風(fēng)險與人口數(shù)據(jù)分析

生態(tài)風(fēng)險是區(qū)域性的，需對人口基數(shù)較大，生態(tài)險較高的區(qū)域進行重點預(yù)防。本文同時結(jié)合了六盤水2015年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口數(shù)據(jù)，在各縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口基數(shù)為前提的條件下，統(tǒng)計分析得出六枝特區(qū)的巖腳鎮(zhèn)、中寨苗族彝族布依族鄉(xiāng)、墮卻鄉(xiāng)等;盤縣的紅果鎮(zhèn)、新民鄉(xiāng)、淤泥彝族鄉(xiāng)等;水城縣的猴場鄉(xiāng)、花戛鄉(xiāng)等;鐘山區(qū)的大灣鎮(zhèn)等需要重點監(jiān)測，以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口數(shù)量多，生態(tài)風(fēng)險高，需特別注意水土流失生態(tài)風(fēng)險的預(yù)防。

4.2 生態(tài)風(fēng)險結(jié)果驗證

為驗證本文針對喀斯特區(qū)域生態(tài)風(fēng)險評價的精確度，本文利用六盤水市2015年的典型地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)進行調(diào)查，共288個地質(zhì)災(zāi)害隱患點，其中自然因素隱患點215個，采煤隱患點82個，公路隱患點1個，水電站隱患點2個，用于生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果的驗證，如表7。將選取的288個災(zāi)害點與生態(tài)風(fēng)險數(shù)據(jù)疊加，結(jié)果表明244個處于輕度風(fēng)險以上生態(tài)風(fēng)險等級，占驗證點總數(shù)的84.72%。災(zāi)害點中有44個處于無險級，這其中22個點是由于采煤、修建公路等人為因素導(dǎo)致的。由于人為因素是隨機的，具有不可預(yù)測性。所以本文結(jié)果具有一定的參考性。

5 結(jié)論與討論

本文在前人針對水土流失生態(tài)風(fēng)險評價的基之上，選取中國南方巖溶地區(qū)水土流失特殊性造成的生態(tài)風(fēng)險展開探討。以六盤水市為研究區(qū)，從風(fēng)險源和風(fēng)險受體的角度評價了六盤水市的水土流失生態(tài)風(fēng)險分布情況，與2015年的地質(zhì)災(zāi)害隱患點對比，可以發(fā)現(xiàn)隱患點與對應(yīng)的生態(tài)風(fēng)險等級基本符合實際。分析結(jié)果顯示，盤縣東部、水城西南部、六枝特區(qū)南部生態(tài)風(fēng)險較高，六盤水市中險型及以上風(fēng)險面積達6400. 18 km^2，占總面積的64.55%，水土流失生態(tài)風(fēng)險偏高，整體生態(tài)風(fēng)險趨于中險級及以下水平發(fā)展。建議對六枝特區(qū)的巖腳鎮(zhèn)，盤縣的紅果鎮(zhèn)，水城縣的猴場鄉(xiāng)，鐘山區(qū)的大灣鎮(zhèn)等區(qū)域重點布置相關(guān)預(yù)防治理措施，如監(jiān)測治理、監(jiān)測搬遷、監(jiān)測避讓。不足之處在于針對人口基數(shù)較大和生態(tài)風(fēng)險較高的區(qū)域進行篩選時，沒有相關(guān)的定量指標，有待進一步研究。本文研究結(jié)果可為區(qū)域性的生態(tài)風(fēng)險監(jiān)測提供技術(shù)手段，有望彌補巖溶地區(qū)的水土流失生態(tài)風(fēng)險評價體系，為巖溶地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險預(yù)警提供一定的借鑒意義。

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