人類活動對流域生態(tài)健康影響風(fēng)險評估方法研究：以呼倫湖流域為例

付正輝, 張 揚(yáng), 姜 霞, 郭云艷, 王書航*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實驗室, 國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點實驗室, 北京 100012 2.北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100871

隨著經(jīng)濟(jì)社會及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類認(rèn)知自然及改造自然的能力急速提升. 人類在打破大自然固有生態(tài)平衡的同時，正在逐步構(gòu)建滿足自身需求的新生態(tài)系統(tǒng)[1]. 但是，人類活動會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定毀壞性影響，直接造成生態(tài)系統(tǒng)自身調(diào)節(jié)能力的喪失，從而威脅到生態(tài)系統(tǒng)健康和人類活動的可持續(xù)發(fā)展[2-4]. 隨著發(fā)展與環(huán)境之間的矛盾日益加深，探尋人類活動與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)之間的交互作用關(guān)系，已經(jīng)成為了當(dāng)前的熱點問題[5-8].

流域生態(tài)系統(tǒng)是以人類為主要要素的典型復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)，其在自然、經(jīng)濟(jì)、社會等循環(huán)中扮演重要角色[9-12]. 然而，諸如水資源枯竭、植被破壞、水環(huán)境污染等負(fù)面因素正在嚴(yán)重的危及流域生態(tài)系統(tǒng)的健康. 保護(hù)流域生態(tài)系統(tǒng)的健康，既要從自然本底的功能性維護(hù)出發(fā)，又要降低人類活動的影響. 因此，選擇合適的方法開展人類活動對流域生態(tài)健康影響風(fēng)險評估，將對我國未來流域的可持續(xù)發(fā)展起到重要的指導(dǎo)作用[13-15].

生態(tài)系統(tǒng)健康的概念于20世紀(jì)80年代被首次提出，它是在多學(xué)科聚焦作用下對生態(tài)系統(tǒng)所處狀態(tài)的表征與診斷. 目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建、生態(tài)價值評估、潛力分析及應(yīng)用等方面已開展了大量的研究[16-17]. 當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的評價方法是單因子指標(biāo)法和綜合指標(biāo)體系法，單因子指標(biāo)法操作較為簡單，但定量精度需求相對高，側(cè)重某一指標(biāo)的描述，難以反映生態(tài)系統(tǒng)的整體特質(zhì)[18-20]. 綜合指標(biāo)體系法則能夠構(gòu)建涵蓋生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、資源等多個子系統(tǒng)的評價體系，并且憑借其多維度的適應(yīng)性得到廣泛關(guān)注[21-22].

我國關(guān)于流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的研究多聚焦于單個子系統(tǒng)[23-24]. 生態(tài)環(huán)境部也于2013年發(fā)布了《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南(試行)》，但該指南提出的方法在實際應(yīng)用中存在著部分指標(biāo)適用性不強(qiáng)，最終評價結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性等問題，同時缺乏對人類活動-生態(tài)系統(tǒng)之間交互作用的分析，無法準(zhǔn)確評估人類活動對流域生態(tài)健康影響的風(fēng)險. 因此，該研究基于人類活動、生態(tài)格局、生態(tài)功能和生態(tài)壓力等多方面因素，構(gòu)建了人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，并結(jié)合交互風(fēng)險評估矩陣，開展人類活動對流域生態(tài)健康影響風(fēng)險評估，以期為改善生態(tài)系統(tǒng)健康、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼倫湖是亞洲中部旱寒草原區(qū)最大的湖泊，在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、防止荒漠化、保護(hù)生物多樣性以及維系呼倫貝爾草原生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用，是我國北方生態(tài)屏障的重要組成部分. 同時呼倫湖為國際重要濕地，目前已經(jīng)加入聯(lián)合國教科文組織世界生物圈保護(hù)區(qū)網(wǎng)絡(luò)[25]. 近年來，受持續(xù)暖干氣候和人類活動等多重因素的影響，呼倫湖流域生態(tài)環(huán)境發(fā)生劇烈變化，并導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化、土地沙化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，給區(qū)域生態(tài)安全帶來嚴(yán)重威脅[26-28].

呼倫湖湖水主要來源于克魯倫河和烏爾遜河. 近年來，隨著引河濟(jì)湖工程的實施，海拉爾河也成為呼倫湖的重要補(bǔ)給河流. 因此，該研究以克魯倫河、烏爾遜河和海拉爾河3條河流的流域為邊界，基于30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)對呼倫湖流域進(jìn)行細(xì)化，利用地理信息系統(tǒng)中的空間水文分析模塊提取流域數(shù)據(jù). 經(jīng)過無洼地數(shù)字高程數(shù)據(jù)生成、水流方向計算、匯流累積量計算、河網(wǎng)水系提取等步驟，得到呼倫湖小流域共計32個(見圖1).

注：1～32為小流域編號. 下同. 圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 評估方法

人類活動與生態(tài)系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)之間存在著內(nèi)在的交互作用，流域作為人類和生態(tài)系統(tǒng)共存的一個整體，其生態(tài)健康的風(fēng)險既受到人類活動的影響，同時也取決于自然生態(tài)系統(tǒng)的本身狀態(tài)及相關(guān)稟賦. 因此，為了科學(xué)有效地評估人類活動對流域生態(tài)健康的風(fēng)險，該研究充分考慮人類活動與生態(tài)環(huán)境的交互作用，構(gòu)建人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，并結(jié)合交互風(fēng)險評估矩陣，開展人類活動對生態(tài)健康影響的風(fēng)險評估. 其中人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系包括人類活動及生態(tài)系統(tǒng)兩部分指標(biāo)，分別用來表征人類活動和生態(tài)系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)的狀態(tài). 其中人類活動主要考慮經(jīng)濟(jì)活動和人口增加兩方面，分別通過空間尺度的GDP強(qiáng)度和人口強(qiáng)度來表征. 生態(tài)系統(tǒng)部分以《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南(試行)》中的生態(tài)評估指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合呼倫湖流域所在寒區(qū)旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)特點，構(gòu)建包含生態(tài)格局、生態(tài)功能、生態(tài)壓力等方面的生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo). 生態(tài)格局包含林草覆蓋率指標(biāo)，主要指流域總面積中林地和草地面積的占比. 生態(tài)功能包含植被類型指標(biāo)、不透水比例指標(biāo)、土壤保持功能指數(shù)指標(biāo)，分別指植物多樣性復(fù)雜程度、流域總面積中降水不能下滲到地表以下的人工地表面積的占比和流域總面積內(nèi)中度及以上程度土壤侵蝕面積的占比. 生態(tài)壓力包含建設(shè)用地比例指標(biāo)、農(nóng)田比例指標(biāo)，分別指流域總面積內(nèi)建設(shè)用地面積的占比和流域總面積內(nèi)農(nóng)田面積的占比. 各指標(biāo)權(quán)重在《流域生態(tài)健康評估技術(shù)指南(試行)》推薦權(quán)重的基礎(chǔ)上，通過對相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液脱芯繀^(qū)域內(nèi)環(huán)境管理部門征求意見后確定，各項評估指標(biāo)具體權(quán)重、指標(biāo)分級和指標(biāo)值賦分如表1所示.

表1 呼倫湖流域人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)及賦分Table 1 Evaluation index value of human activity ecosystem in Hulun Lake Basin

人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)計算方法如式(1)～(4)所示.

(1)

(2)

(i=1,2,…,7)

(3)

X8=100-(90×M1+70×M2)/MT+

(50×M3+30×M4+10×M5)/MT

(4)

式中：IP為人類活動指數(shù)；IE為生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)；i為人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)，1代表GDP強(qiáng)度指標(biāo)，2代表人口強(qiáng)度指標(biāo)，3代表林草覆蓋率指標(biāo)，4代表不透水比例指標(biāo)，5代表土壤保持功能指數(shù)指標(biāo)，6代表建設(shè)用地比例指標(biāo)，7代表農(nóng)田比例指標(biāo)，8代表植被類型指標(biāo)；Wi為評價指標(biāo)i的權(quán)重；Xi為評價指標(biāo)i的賦分；CLi為當(dāng)i評價指標(biāo)值為某一分級區(qū)間的區(qū)間值時，該區(qū)間的下限界值賦分；Vi為評價指標(biāo)的值；VLi為i評價指標(biāo)值Vi所處區(qū)間的下限界值；VUi為i評價指標(biāo)值Vi所處區(qū)間的上限界值；MT為流域總面積，km2；M1為濕地面積，km2；M2為林地面積，km2；M3為草地面積，km2；M4為農(nóng)田面積，km2；M5為其他用地面積，km2.

根據(jù)人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系中生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)(IE)和人類活動指數(shù)(IP)的計算結(jié)果，結(jié)合表2人類活動-生態(tài)系統(tǒng)交互風(fēng)險評估矩陣，最終得到人類活動對生態(tài)系統(tǒng)影響風(fēng)險評估等級[29]. 低風(fēng)險等級代表該流域目前處于安全的狀態(tài)，人類活動對生態(tài)健康影響較弱；中風(fēng)險等級代表系統(tǒng)已出現(xiàn)一定的風(fēng)險預(yù)警，但仍在可接受范圍內(nèi)，需要針對其中一個或兩個系統(tǒng)采取一些預(yù)防行動；高風(fēng)險等級表示目前系統(tǒng)已經(jīng)處于極高危險狀態(tài)，需要立即對人類活動和生態(tài)環(huán)境兩個系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)力的改善措施.

表2 呼倫湖流域人類活動-生態(tài)系統(tǒng)交互風(fēng)險評估矩陣Table 2 Human activities-ecological environment risk assessment form in Huhun Lake Basin

2 結(jié)果與討論

2.1 研究區(qū)域指標(biāo)現(xiàn)狀

根據(jù)中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心相關(guān)數(shù)據(jù)集，結(jié)合呼倫貝爾市統(tǒng)計年鑒中GDP和人口數(shù)據(jù)[30-31]，最終得到2018年呼倫湖流域1 km空間網(wǎng)格的GDP強(qiáng)度和人口強(qiáng)度空間分布如圖2所示. 呼倫湖流域GDP和人口主要分布在海拉爾區(qū)和滿洲里市周邊，其他區(qū)域GDP強(qiáng)度和人口強(qiáng)度較低.

圖2 呼倫湖流域GDP和人口的空間分布Fig.2 Spatial distribution of GDP and population in Hulun Lake Basin

根據(jù)呼倫湖流域2018年土地利用及土壤侵蝕空間矢量數(shù)據(jù)，分別對32個子流域的林草覆蓋率、植被類型、不透水比例、土壤保持功能指數(shù)、建設(shè)用地比例、農(nóng)田比例等生態(tài)系統(tǒng)評價指標(biāo)進(jìn)行計算，得到不同流域內(nèi)各指標(biāo)取值如表3所示.

2.2 呼倫湖流域各指標(biāo)評價結(jié)果

呼倫湖流域人類活動-生態(tài)系統(tǒng)評價結(jié)果如圖3所示. 由圖3可見，呼倫湖流域內(nèi)GDP強(qiáng)度指標(biāo)評價結(jié)果大部分小于20，僅有2個子流域分別處于40～60和60～80之間. 人口強(qiáng)度指標(biāo)評價結(jié)果主要在20內(nèi)，其中有1個子流域處于60～80之間，2個子流域處于40～60之間. 生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)有8個子流域處于68～80之間，其余子流域均大于80.

2.3 呼倫湖流域人類活動對流域生態(tài)健康影響風(fēng)險評估

基于各指標(biāo)計算結(jié)果(見表4)，結(jié)合交互風(fēng)險評估矩陣，呼倫湖流域人類活動對生態(tài)健康影響風(fēng)險評估結(jié)果如圖4所示. 呼倫湖流域人類活動對生態(tài)健康影響風(fēng)險整體上處于低風(fēng)險狀態(tài)，32個子流域共有30個處于低風(fēng)險狀態(tài)，2個處于中等風(fēng)險狀態(tài)，高風(fēng)險狀態(tài)為0個. 其中，處于中風(fēng)險狀態(tài)的子流域分別為位于海拉爾地區(qū)的26號子流域以及滿洲里地區(qū)的32號子流域，其人類活動指數(shù)分別為55.46和68.15，生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)分別為66.66和63.01. 按照面積進(jìn)行分析，全區(qū)域共有98.62%面積處于低風(fēng)險狀態(tài)，1.38%面積處于中等風(fēng)險狀態(tài)，無高風(fēng)險狀態(tài)區(qū)域.

從地域分布角度展開分析，呼倫湖流域人類活動-生態(tài)系統(tǒng)交互作用與地區(qū)發(fā)展程度、產(chǎn)業(yè)存在形式、人口富集度有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性. 高風(fēng)險子流域主要位于中東部的海拉爾區(qū)和西北部的滿洲里市，該區(qū)域為流域內(nèi)的核心發(fā)展區(qū)域，城鎮(zhèn)化率高，受人類活動影響較大. 流域內(nèi)其他區(qū)域均處于低風(fēng)險狀態(tài)，區(qū)域主要為呼倫貝爾大草原畜牧業(yè)區(qū)，主要產(chǎn)業(yè)為畜牧業(yè)及種植業(yè)，工業(yè)企業(yè)較少. 總之，呼倫湖流域人類活動對生態(tài)健康的影響整體上處于低風(fēng)險狀態(tài)，但局部地區(qū)受到產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響仍然需要引起一定的重視.

表3 呼倫湖流域生態(tài)系統(tǒng)指標(biāo)取值結(jié)果Table 3 Evaluation results of ecosystem index in Hulun Lake Basin

圖3 呼倫湖流域人類活動評價各指標(biāo)評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of human impact assessment indicators in Huhun Lake Basin

表4 呼倫湖流域人類活動-生態(tài)系統(tǒng)交互風(fēng)險計算結(jié)果

3 結(jié)論

a) 該研究在充分研判流域各類自然資源稟賦及人類活動影響的基礎(chǔ)上，從人類活動、生態(tài)格局、生態(tài)功能和生態(tài)壓力等多方面出發(fā)，基于人類活動與生態(tài)環(huán)境的交互作用，構(gòu)建了全面的人類活動對流域生態(tài)健康風(fēng)險評估方法.

b) 通過對指標(biāo)體系的各分子指標(biāo)單獨進(jìn)行評價得出：呼倫湖流域內(nèi)GDP強(qiáng)度指標(biāo)評價結(jié)果大部分小于20，僅有2個子流域分別處于40～60和60～80之間; 人口強(qiáng)度指標(biāo)評價結(jié)果主要在20之內(nèi)，其中有1個子流域處于60～80之間，2個子流域處于40～60之間; 生態(tài)系統(tǒng)指數(shù)有8個子流域處于60～80之間，其余子流域均大于80.

c) 通過對流域人類活動對生態(tài)健康影響風(fēng)險評估得出：呼倫湖流域人類活動對生態(tài)健康影響風(fēng)險整體處于低風(fēng)險狀態(tài)，32個子流域共有30個處于低風(fēng)險狀態(tài)，面積占全區(qū)域的98.62%; 2個子流域處于中等風(fēng)險狀態(tài)，面積占全流域的1.38%，研究區(qū)域內(nèi)無高風(fēng)險狀態(tài)子流域.