京津冀生態(tài)屏障區(qū)人類活動對生態(tài)安全的影響

李 沖,張 璇*,許 楊,王 曉,郝芳華,魚京善 (.北京師范大學水科學研究院,城市水循環(huán)與海綿城市技術北京市重點實驗室,北京 00875；.中節(jié)能咨詢有限公司,北京 0008)

生態(tài)安全作為國家安全的重要組成部分[1-2],如何科學有效地評價生態(tài)系統(tǒng)安全已成為生態(tài)環(huán)境保護研究的熱點.生態(tài)安全研究涉及到自然與社會的多個方面,具有明顯的空間尺度效應,是一個復雜的系統(tǒng)性問題[3-4].很多學者就生態(tài)安全評價、格局構建等內(nèi)容開展了研究[4-5],多是從某個方面,面向具體問題展開,選擇相對應的指標建立評價體系,比如洪澇干旱災害防治、水土流失控制、生物多樣性、面源污染等[6-9].生態(tài)安全涉及的影響因子眾多且復雜,尚未形成公認和客觀的生態(tài)安全評價體系,也使得生態(tài)安全評價體系構建仍是爭論的焦點.土地作為人與生態(tài)系統(tǒng)交互的重要媒介,土地利用變化經(jīng)常用來表征人類活動的強烈程度[10].隨著人類活動對生態(tài)環(huán)境的擾動加劇,農(nóng)業(yè)開發(fā)等活動導致的面源污染增加、生境質(zhì)量下降等問題影響了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定.因此,人類活動對生態(tài)安全的影響應該綜合考慮土地利用、面源污染和生境質(zhì)量等因素[9].

已有的研究中多以行政區(qū)劃作為研究生態(tài)安全的單元[7,11],在維持生態(tài)安全狀態(tài),制定、落實有關政策,考慮管理便利性,明確責任主體等方面有一定的參考價值.但從行政區(qū)劃角度探究往往弱化了對自然地理條件的考慮,在對生態(tài)安全影響因子的遷移、運動和轉化過程研究中可能存在人為割裂自然聯(lián)系的現(xiàn)象.生態(tài)系統(tǒng)自有其機理和規(guī)律,因此,從流域尺度進行研究,對生態(tài)安全關鍵區(qū)識別、威脅因子溯源分析等具有重要參考價值.在生態(tài)安全有關因子模擬方面,分布式模型具有模擬空間大尺度和時間長序列數(shù)據(jù)的能力,能解決實測數(shù)據(jù)較少或者空間分布不均等問題.生態(tài)安全評價需要綜合考慮多方面的資料,需要集中多個模型的優(yōu)勢,盡可能使評價結果更接近于真實情況.

京津冀北部的灤河和潮河流域作為我國華北的生態(tài)屏障區(qū),戰(zhàn)略地位突出,保障其生態(tài)安全對京津冀生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義[11-12].灤河和潮河流域生態(tài)基礎較好,植被覆蓋率較高,生態(tài)用地基數(shù)大,生態(tài)服務價值高,但是仍面臨著氣候變化、人類活動、水土流失、環(huán)境污染等生態(tài)風險[13],其中人類活動對生態(tài)系統(tǒng)帶來直接或者間接的影響,對生態(tài)安全造成了較大的威脅.比如環(huán)境承載力較低、面源污染負荷加重、生境質(zhì)量下降等[14].灤河和潮河作為京津冀北部的一個有機整體,共同擔負水源地供水、水源涵養(yǎng)和防風固沙等任務,區(qū)域內(nèi)的林地為中國三北防護林的建設貢獻了主要力量[15].因此把潮河和灤河作為整體分析生態(tài)安全.基于此,本文將人類活動作為主要影響方面,建立研究區(qū)生態(tài)安全評價體系,評價生態(tài)安全特征,探究保障生態(tài)安全的措施和建議.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)包含灤河流域與潮河流域,位于39.73°N～42.71°N,115.56°E～119.61°E, 總 面 積48658km2.包括平原、高原和山地 3種地貌類型,高程從西北至東南呈下降趨勢,地形地勢變化較為明顯(圖 1)[11,16].2010和 2015年平均降水量分別為547.35和543.22mm.研究區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用地多分布在河道附近,農(nóng)業(yè)面源污染對河道水質(zhì)的影響較為顯著,受人類活動影響,研究區(qū)生態(tài)安全面臨著更多威脅.研究區(qū)生態(tài)安全風險來自多個方面,包括水資源短缺、水土流失等自然環(huán)境風險[17-18],洪澇和干旱等極端事件發(fā)生概率增加、可利用水資源量減少等氣候變化造成的風險[14,19],面源污染負荷加重、土地利用變化和生境質(zhì)量退化等人類活動造成的風險[13].本文將人類活動影響作為切入點,研究京津冀生態(tài)屏障區(qū)人類活動對生態(tài)安全的影響.

圖1 研究區(qū)地理概況Fig.1 Geographical situation of the study area

研究中使用的DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為 90m;土地利用數(shù)據(jù)來源于資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(http://www.resdc.cn/),分辨率為 1km;土壤空間信息采用1:100萬土壤類型分布數(shù)據(jù),土壤屬性來源于中國土壤數(shù)據(jù)庫(http://vdb3.soil.csdb.cn/);農(nóng)業(yè)操作管理數(shù)據(jù)查閱文獻和當?shù)亟y(tǒng)計年鑒;流量和水質(zhì)數(shù)據(jù)從當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有關部門獲取.

1.2 分布式模型構建

美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究所(ARS)建立的SWAT模型(Soil and Water Assessment Tool)被廣泛應用于流域水文過程模擬預測、農(nóng)業(yè)管理評價、污染物遷移等研究[20].本文使用 SWAT模型模擬水文和污染物遷移過程,在此基礎上計算得到各子流域的水源涵養(yǎng)量[12,21-22]和污染物負荷量.使用 SWATCUP軟件中的SUFI-2算法對模型參數(shù)進行率定和驗證.考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性,本文使用灤縣站的流量和大杖子(一)站的氨氮和總磷進行校準,其中流量的率定期為2007～2012年,驗證期為2013～2015年;氨氮和總磷的率定期為 2005～2011年,驗證期為2012～2016年.模型模擬效果通過決定性系數(shù) R2與納什效率系數(shù)(NS)來評價.當 R2≥0.6,NS≥0.5 時,模型模擬效果較好[23],由于污染物濃度與徑流泥沙相比,實測和模擬不確定因素更多,可以適當放寬要求[24-25].率定結果(表1)表明模型模擬效果滿足要求,R2均大于等于0.7,NS除污染物驗證期較差外,其他均大于 0.5.污染物驗證期 NS系數(shù)較低,但 R2較高,研究使用的是年總量,對峰值匹配的要求較低,可滿足研究需要[26-27].

表1 SWAT模型率定和驗證結果Table 1 Calibration and validation results of SWAT model

InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)模型是美國斯坦福大學、大自然保護協(xié)會(TNC)和世界自然基金會(WWF)共同開發(fā)的模型工具,常用于評價生態(tài)系統(tǒng)服務價值[28-29].InVEST模型生境質(zhì)量評估模塊的優(yōu)勢在于從生態(tài)系統(tǒng)類型威脅源和響應狀態(tài)來評價生境質(zhì)量好壞.與其他研究不同的是,本文在模擬生境質(zhì)量的過程中,考慮了面源污染對生境質(zhì)量的威脅[9].

1.3 PSR模型和指標體系

壓力-狀態(tài)-響應(PSR)模型是聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署(OECD)提出的較為流行的生態(tài)評價模型之一,廣泛用于環(huán)境、生態(tài)安全評價等領域[30-31].其中壓力層代表人類生產(chǎn)、生活等對環(huán)境所造成的壓力;狀態(tài)層代表生態(tài)環(huán)境所處狀態(tài);響應層代表人類在面對壓力時所采取的手段和措施,包括經(jīng)濟響應、環(huán)境響應等[32].壓力、狀態(tài)和響應3個層面的各個指標作為影響生態(tài)安全的主要因子組成了評價指標體系[33].PSR模型可以表達出生態(tài)系統(tǒng)與人類活動之間的聯(lián)系,使用價值較高.

1.3.1 指標體系建立 本文將代表人類活動的面源污染、土地利用特征和干旱特征的指標作為壓力因子,考慮土地利用現(xiàn)狀特征,將生境質(zhì)量和水源涵養(yǎng)量有關表征指標作為響應因子.以子流域作為評價單元,共選取14個指標(圖2).根據(jù)PSR模型評價框架,分為目標層、準則層與指標層三個部分,其中目標層是對子流域生態(tài)安全狀態(tài)進行評價,準則層包括壓力、狀態(tài)和響應三個方面(表 2).其中指標層為所選取的評價指標,各指標數(shù)據(jù)獲取方式見圖2.

圖2 PSR模型指標體系結構示意Fig.2 Indices system structure of PSR model

使用極差標準化的方法對數(shù)據(jù)進行無量綱處理,避免原始數(shù)據(jù)單位和量級不一致對計算結果造成影響,計算得到用于主成分分析與生態(tài)安全計算的標準化數(shù)據(jù).根據(jù)指標在流域生態(tài)安全上的正負作用,標準化處理過程分為正、負2種類型[30].

1.3.2 指標權重賦值 使用主成分分析與經(jīng)驗估測結合的方法決定指標權重的大小.考慮到同一指標在不同時期對生態(tài)安全的影響有所不同,本文采取權重動態(tài)賦值的方法.對所選取的標準化生態(tài)安全評價因子進行主成分分析,分別篩選出 2010和 2015年載荷較高的指標,在指標權重預賦值的基礎上調(diào)大載荷較高指標權重值,調(diào)小其他指標權重值,最終得到指標權重(表 2).使用主成分分析(PCA)時選擇主成分的個數(shù)應當滿足2個標準:第一,特征值需要≥1;第二,累積貢獻率達到70%～90%[34-35].本文使用SPSS 22工具進行主成分分析.

表2 生態(tài)安全評價各指標權重值Table 2 Weight values of each index in ecological security evaluation

1.4 生態(tài)安全評價方法

本文選擇綜合評分法作為子流域生態(tài)安全的評價方法,對標準化后的各項指標標準值加權求和,計算得到各子流域的生態(tài)安全綜合指數(shù).流域生態(tài)安全評價計算的數(shù)學公式為:

式中:T表示子流域生態(tài)安全綜合數(shù)值;Wi表示指標的權重;iP表示各指標標準化的數(shù)值.計算得出子流域的生態(tài)安全綜合數(shù)值,用以評價流域生態(tài)安全狀態(tài).

計算得到各子流域的生態(tài)安全綜合得分后,需要根據(jù)一定的標準對其進行安全等級劃分與判斷.參考相關研究,按照等分法把安全等級劃分為 5個(表3).

表3 生態(tài)安全等級劃分Table 3 Table of ecological security classification

2 結果分析

2.1 生態(tài)安全評價結果與分布特征

2010年灤河流域和潮河流域整體處在敏感級的水平上,西部、北部和東南部的部分子流域處于風險級水平(圖 3(a)).2015年,敏感級水平上的子流域個數(shù)較多,西部和東部部分子流域位于風險級,北部較少的子流域處于較安全級別(圖3(b)).相比于2010年,2015年生態(tài)安全狀態(tài)分布上既包含具有提升趨勢的地區(qū),也有具有下降趨勢的區(qū)域.其中,研究區(qū)北部部分子流域生態(tài)安全狀態(tài)有所上升,從敏感級上升到較安全級;而研究區(qū)東部部分子流域生態(tài)安全狀態(tài)有所下降,由敏感級變?yōu)轱L險級.

2010年研究區(qū)內(nèi)90個子流域生態(tài)安全評分綜合指數(shù)為 0.50,其中壓力指數(shù)為 0.23,狀態(tài)指數(shù)為0.16,響應指數(shù)為 0.11;2015年流域生態(tài)安全評分綜合指數(shù)為 0.48,其中壓力指數(shù)為 0.20,狀態(tài)指數(shù)為0.18,響應指數(shù)為0.10 (圖 3 (c)).2010與2015年研究區(qū)整體生態(tài)安全等級均為敏感級.2015年生態(tài)安全綜合指數(shù)數(shù)值略小于2010年,表明2010～2015年間生態(tài)安全狀態(tài)有所下降,可能是各指標特征在子流域尺度上分布不均造成的.

綜上所述,2010～2015年間,流域生態(tài)安全狀態(tài)整體變化較小,相對穩(wěn)定(圖 3 (c)),空間上各子流域之間生態(tài)安全狀態(tài)存在差異(圖 3 (a)和(b)).

圖3 2010和2015年流域生態(tài)安全等級分布和總體評價結果Fig.3 Distribution of ecological security level and overall evaluation results of the basin in 2010 and 2015

2.2 生態(tài)安全各層面評價結果分析

壓力層占整個評價體系的30%(表2),根據(jù)權重大小得到在這個體系下壓力層指標對生態(tài)安全影響的重要程度.2010和2015年,壓力層總體得分分別為0.23和0.2,權重較高.壓力層各指標中,總磷負荷、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比例和未利用土地比例3個指標占的權重較大,對生態(tài)安全的影響較大;其次是氨氮負荷,耕地比例和干旱特征指數(shù)SPEI值等指標(圖4(a)和(b)).表明流域生態(tài)環(huán)境受人類活動的影響一直較為明顯,面源污染和土地利用變化對生態(tài)系統(tǒng)的威脅較大.研究區(qū)耕地面積較大,僅低于林地和草地,以農(nóng)藥化肥過量使用為代表的農(nóng)業(yè)活動導致氮磷等營養(yǎng)物負荷較高,所產(chǎn)生的面源污染對河流水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了威脅.灤河和潮河流域持續(xù)的城鎮(zhèn)化侵占了大量未利用土地,導致人類對自然資源的需求和對生態(tài)系統(tǒng)的破壞強度有所增加.除此之外,干旱事件的發(fā)生會威脅到植物正常生長,對生態(tài)安全造成一定的威脅[14].

考慮到研究區(qū)林草地占比較大的基本特征,狀態(tài)層占整個評價體系的 50%(表 2).狀態(tài)層 2010和2015年總體得分分別為0.16和0.18.狀態(tài)層中各指標的得分較低(圖4(c)和(d)).林地、草地和水域的比例在一定程度上可以表征研究區(qū)生態(tài)價值,對維護生態(tài)安全,保持生態(tài)系統(tǒng)功能具有重要作用.根據(jù)有關資料可知研究區(qū)林地、草地的面積之和占比超過70%[12],但林地、草地比例評分較低,說明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構總體較穩(wěn)定,但也存在遭受破壞的威脅和風險.林地和草地面積雖大,但是流域內(nèi)各子流域分布具有差異性以及景觀結構的不同可能造成了林地比例和草地比例評分較低的情況.林地和草地面積大是優(yōu)勢,不過種植類型和景觀結構合理優(yōu)化可能會提升生態(tài)服務價值,增強生態(tài)安全保障能力.水域評分較低,一是因為研究區(qū)面積較大,水域所占面積相對較小,分布較為分散;二是因為水域生態(tài)系統(tǒng)受氣候波動等因素的影響相對脆弱.另外,所使用的土地利用空間分布數(shù)據(jù)分辨率為 1km,因此可能存在水域面積被低估的狀況.

響應層占整個評價體系的 20%(表 2).響應層2010和2015年生態(tài)安全評分分別為0.11和0.10.其中,水源涵養(yǎng)量值明顯增加和生境稀缺性值明顯降低(圖 4(e)和(f)).提高水源涵養(yǎng)能力可以促進生態(tài)安全,生境稀缺性值越高表征重點區(qū)域的生態(tài)結構與功能受到擾動越強烈,生態(tài)易遭破壞.因此,研究結果說明生態(tài)安全可能與水源涵養(yǎng)能力和生態(tài)結構關系密切,減少人類活動的強度和范圍能有效促進生態(tài)安全;通過加大水源涵養(yǎng)建設可提高生態(tài)系統(tǒng)服務價值,對重點地區(qū)進行的生態(tài)保護和修復措施使得生境稀缺性降低明顯,說明對脆弱地區(qū)的保護效果顯著.

圖4 2010和2015年各層指標評分結果Fig.4 Values of indices of each level in 2010 and 2015

3 討論

灤河和潮河流域生態(tài)系統(tǒng)整體較為穩(wěn)定,然而不同子流域之間存在差異,仍然需要加強維護和提升生態(tài)安全.研究區(qū)2010和2015年壓力層總磷負荷、城鄉(xiāng)、工礦、居民用地比例、未利用土地比例、氨氮負荷、耕地比例和干旱特征指數(shù)SPEI值等指標得分均較高,說明研究區(qū)仍需將減少人類活動強度作為主要目標.從研究結果來看,重點減少面源污染負荷,合理規(guī)劃使用土地是降低生態(tài)系統(tǒng)壓力的有效措施.在減少面源污染負荷方面,可控制農(nóng)藥化肥施用量,合理施肥,減少農(nóng)村生活垃圾排放等[24];在合理規(guī)劃使用土地方面,保持土地合理有序開發(fā),落實生態(tài)保護紅線、城市開發(fā)邊界,科學使用未利用土地等措施[36-37];雖然評價干旱特征的指標得分不是最高,但仍要提高水資源配置管理能力應對干旱等極端事件,以保障各方面用水供給.從狀態(tài)層來看,各指標評分較低,且變化較小,可能是林草水用地在空間上分布不均造成的.研究區(qū)林地和草地面積較大,生態(tài)基礎較好,在保持其穩(wěn)定狀態(tài)的同時,可以考慮優(yōu)化景觀格局,調(diào)整生態(tài)結構等措施保障和提升生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)有狀態(tài)[12].從響應層結果來看,提高水源涵養(yǎng)能力和降低生境稀缺性可以提升生態(tài)安全[38].通過植樹造林、退耕還林還草、水田改旱地、水庫合理調(diào)蓄等方式提高研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力;通過劃定自然保護區(qū),實行山水林田湖草系統(tǒng)修復降低生境稀缺性[39].

生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng),也是有機統(tǒng)一的整體,評價指標除了對生態(tài)系統(tǒng)造成影響,各指標之間也會相互影響,而且指標間的互饋關系尚不清晰.本文將人類活動對生態(tài)安全的影響作為切入點,考慮了干旱特征,通過建立指標體系,評價分析了研究區(qū)生態(tài)安全.由于各指標之間的關系并不是獨立的,可能是相互影響或相互制約的,因此本文對指標間互饋機制的分析有待進一步探討.后續(xù)的研究中,會重點考慮如何量化各指標對生態(tài)安全的影響以及指標間的相互影響關系.

4 結論

4.1 2010年研究區(qū)內(nèi)90個子流域生態(tài)安全評分綜合指數(shù)為 0.50,其中壓力指數(shù)為 0.23,狀態(tài)指數(shù)為0.16,響應指數(shù)為0.11;2015年綜合指數(shù)為0.48,其中壓力指數(shù)為0.20,狀態(tài)指數(shù)為0.18,響應指數(shù)為0.10.相較于2010年,2015年生態(tài)安全指數(shù)略有降低.生態(tài)系統(tǒng)整體較為穩(wěn)定,空間上各子流域之間生態(tài)安全狀態(tài)存在差異.

4.2 人類活動對生態(tài)安全的影響較大,面源污染和城鎮(zhèn)化是影響生態(tài)安全的主要因素,除此之外,干旱事件的發(fā)生會威脅到植物正常生長,進而降低生態(tài)安全.林地和草地雖然面積較大,但評分較低,說明種植類型結構以及景觀格局需要進一步優(yōu)化.水源涵養(yǎng)量和生境稀缺性對生態(tài)安全的影響較為明顯,加大水源涵養(yǎng)能力建設和降低生境稀缺性可以提高生態(tài)服務價值,保障流域生態(tài)安全.

4.3 研究結果表明研究區(qū)仍需重點控制人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響,提高水資源配置管理能力應對干旱等極端事件,以保障各方面用水供給;保持林地、草地和水域現(xiàn)有穩(wěn)定狀態(tài),優(yōu)化景觀格局;采取措施提高水源涵養(yǎng)能力和降低生境稀缺性.