白龜山水庫庫濱帶土地利用的生態(tài)環(huán)境影響評價

楚純潔,宋立生,劉金鑫

(1.平頂山學(xué)院環(huán)境與地理科學(xué)系,河南平頂山467000;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,四川雅安625014)

濕地與岸邊帶在提高生物多樣性,改善水質(zhì),減輕洪澇災(zāi)害以及阻滯碳釋放等方面發(fā)揮著重要的功能[1]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和城市化的推進,一些湖濱城市的空間發(fā)展不斷向沿湖環(huán)境敏感地區(qū)伸展,促使該區(qū)域土地利用發(fā)生了諸多變化,加劇了沿湖生態(tài)交錯帶的環(huán)境壓力與生態(tài)脅迫。水陸生態(tài)交錯帶是陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間進行物質(zhì)、能量和信息交換的重要生物過渡帶[2],對其研究對于探索自然生態(tài)規(guī)律和保護環(huán)境有重要意義[3]。湖濱帶是水陸生態(tài)交錯帶類型之一,是地球上最脆弱的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一,湖濱帶生態(tài)環(huán)境狀況對湖泊水體環(huán)境質(zhì)量非常重要[4]。但由于長期缺乏科學(xué)保護,我國湖濱帶受到了嚴重干擾,交錯帶特殊生境被破壞,生態(tài)系統(tǒng)功能下降,生物多樣性降低。在諸多影響因子中,土地利用及其變化是影響生物多樣性、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素[5-7]。目前有關(guān)湖濱帶生態(tài)研究主要表現(xiàn)在湖濱帶的生態(tài)建設(shè)研究[8],湖濱帶生態(tài)系統(tǒng)退化及其生態(tài)修復(fù)研究[9-14],湖濱帶土地利用研究[15-16]等,而湖濱帶土地利用的生態(tài)環(huán)境影響方面的相關(guān)研究則不多見[17-18]。

白龜山水庫為淮河流域沙河上游的一座集防洪、灌溉、城市工業(yè)及生活用水等多項用途的大型水利工程。近年來,毗鄰水庫北岸的平頂山市新城區(qū)建設(shè)不斷拓展,受多種因素影響,水庫水質(zhì)、濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)出一定的下降趨勢[19-21]。因此,開展白龜山庫區(qū)生態(tài)影響研究十分必要。庫濱帶與湖濱帶相似,為水陸交錯帶即岸邊帶的一種典型類型[2]。本文以白龜山水庫庫濱帶為例,從土地利用角度定量分析庫濱帶土地利用的生態(tài)環(huán)境影響,以期為岸邊帶生態(tài)環(huán)境的保護與管理,為平頂山市生態(tài)城市建設(shè)乃至其它城市生態(tài)脆弱區(qū)的生態(tài)保護與資源利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 白龜山水庫概況及其庫濱帶范圍

白龜山水庫位于河南省平頂山市區(qū)中心西南約6 km 處,地理坐標在北緯 33°42′14″—33°46′16″,東經(jīng) 113°02′31″—113°14′45″之間 ,屬淮河流域沙潁河水系,主要入庫河流有沙河、湛河、應(yīng)河、西楊村河、澎河等。水庫東西長15.5 km,南北寬約 4.2 km,水域面積70 km2,總庫容6.49×108m3,控制流域面積2 740 km2。水庫由北側(cè)的低山、西部的丘陵、南部的順河壩長16.2 km、東部的攔河壩長1.46 km圍成,地勢西北高,東南低。由白龜山水庫所形成的濕地于2007年被批準為河南省省級自然保護區(qū)。庫區(qū)周邊分布有2區(qū)1縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)28個行政村,東北緊鄰平頂山新城區(qū),人口達22.35萬,周邊經(jīng)濟發(fā)展對水庫的依賴性極強。

湖濱帶范圍通常是指景觀和性質(zhì)受水體及陸地兩方面影響的地帶[22]。從方便管理的角度,湖濱帶可泛指鄰近湖泊、水庫并且有顯著資源價值的地帶,包括陸向湖岸帶(陸向輻射帶)、水位變幅帶和近岸淺水區(qū)(水向輻射帶)[11,23]。根據(jù)相關(guān)研究所提出的湖濱帶結(jié)構(gòu)特征[24],白龜山水庫庫濱帶包括山地陡岸型和平原型兩類結(jié)構(gòu),其組成要素應(yīng)具有山坡、不發(fā)育的灘地、湖濱淺水環(huán)境,以及洼地、河流、溝渠、村落、農(nóng)田、池塘等。白龜山水庫水位由人為控制,正常運行水位為101.0～103.0 m,歷史極限水位為97.65～103.36 m。結(jié)合白龜山水庫多年運行的實際情況,并考慮入庫沙河河口沖積平原,將其庫濱帶范圍界定為陸向104.0 m以下,水向至97.5 m以上水域。

2 研究方法

2.1 資料來源及處理方法

以平頂山市2002年分辨率為30 m的Landsat-7 ETM遙感影像為基本信息源,利用ERDAS IMAGINE遙感軟件對研究區(qū)ETM多光譜影像、分辨率為15 m的全色影像分別進行幾何校正。然后將校正后的ETM多光譜影像與全色波段影像進行分辨率融合處理,利用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類相結(jié)合的方法解譯及分類影像,在ArcGIS中處理分析矢量數(shù)據(jù),將不同土地利用類型的信息分層提取,生成土地利用數(shù)據(jù)庫,從而提取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。

2.2 庫濱帶土地利用現(xiàn)狀及其影響分區(qū)

根據(jù)土地利用屬性,參照國家土地利用現(xiàn)狀分類標準(GB/T21010-2007),對白龜山水庫庫濱帶進行實地調(diào)查,結(jié)果得出,該區(qū)主要存在耕地、林草地、果園菜地、建設(shè)用地、工礦用地(包括火電、建材等工業(yè)用地和非法采沙場)、水域以及其它用地(如撂荒地等)等7種土地利用類型。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),庫濱帶不同區(qū)段生態(tài)環(huán)境區(qū)間分異明顯。為了比較庫濱帶不同區(qū)段土地利用的生態(tài)環(huán)境影響差異,結(jié)合白龜山庫區(qū)自然保護區(qū)功能分區(qū)以及不同土地利用類型的相對集聚情況,將庫濱帶劃分為3個分區(qū)。其中,分區(qū)1為城市影響區(qū)域,位于白龜山庫區(qū)北岸,自水庫東側(cè)攔河大壩向西延伸至濕地自然保護區(qū)實驗區(qū)西界,即應(yīng)河北干渠,面積5.70 km2,近年來受周邊城市建設(shè)(特別是新城區(qū)建設(shè))活動影響較大;分區(qū)2為河口沖積平原水源地保護敏感區(qū)域,主要位于庫區(qū)西岸,濕地自然保護區(qū)緩沖區(qū)與核心區(qū)內(nèi),屬于沖積平原農(nóng)林果土地利用區(qū)[25],面積10.15 km2;分區(qū)3為城郊型農(nóng)業(yè)土地利用區(qū),主要以耕地為主,位于庫區(qū)南岸,西起濕地自然保護區(qū)核心區(qū)西界,東至順河大壩,面積3.17 km2。3個分區(qū)的土地利用構(gòu)成如表1。

2.3 評價指標體系構(gòu)建

2.3.1 評價指標選取 目前,我國的土地利用生態(tài)環(huán)境評價還處在探索階段,沒有形成統(tǒng)一的評價指標和體系,除遵循國家環(huán)?？偩值闹笜诉x取要求外,可根據(jù)各地的實際情況選取適合當(dāng)?shù)氐脑u價指標[26]。白龜山水庫庫濱帶土地利用的生態(tài)環(huán)境影響主要表現(xiàn)在生物多樣性降低,水質(zhì)污染,水土流失,土壤功能受損,生境喪失和片斷化等方面。因此,本文選取動植物資源受損程度,污染源類別的重要性程度,土壤壓實退化程度,水土流失程度,生境破碎化程度5個評價指標,分別以M1,M2,M3,M4,M5表示。

表1 白龜山庫區(qū)庫濱帶土地利用構(gòu)成

(1)動植物資源受損程度。這一指標主要反映庫濱帶土地利用對生物多樣性的影響。不同土地利用類型對生物多樣性具有正向和逆向2個方面的作用。研究區(qū)植物區(qū)系屬暖溫帶落葉闊葉林帶,動物區(qū)劃屬古北界華北區(qū),生物物種具有典型的南北生物兼容的特征。結(jié)合前人研究[27],從庫濱帶土地利用類型構(gòu)成可知,耕地、果園菜地、林地(尤其人工林)、道路等建設(shè)用地、工礦用地等都是影響生物多樣性的主要用地類型。

(2)污染源類別的重要性程度。這一指標主要通過污染源的相對重要性來反映土地利用類型對庫濱帶環(huán)境質(zhì)量的影響程度。研究區(qū)存在多種污染源,如工業(yè)污染、農(nóng)業(yè)面源污染、生活污染、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游觀光活動等,而污染的末端“匯”主要集中于水庫。據(jù)白龜山庫區(qū)管理局《白龜山水庫熱污染及富營養(yǎng)化研究》成果,水庫水體營養(yǎng)化程度已達到中等富營養(yǎng)化水平,氨氮、重金屬等均符合地表水環(huán)境質(zhì)量標準的Ⅱ類。水質(zhì)指標BOD5,CODM n,氨氮,總磷,氟化物和pH值等指數(shù)近年來均呈上升趨勢,DO則呈逐年遞減趨勢[21]。庫濱帶分布著大面積的耕地、果園菜地等。據(jù)調(diào)查,當(dāng)?shù)剞r(nóng)藥噴施量年均介于15～22.5 kg/hm2之間,化肥施用量年均約 675～900 kg/hm2。農(nóng)藥、化肥其不合理使用,不僅對生物群落的結(jié)構(gòu)與功能會產(chǎn)生嚴重影響,而且會降低生物多樣性[28],也會伴隨土壤徑流污染水體。

(3)土壤壓實退化程度。土壤壓實是指施加在土壤上的機械力超過土壤的剪切強度而發(fā)生的土壤結(jié)構(gòu)退化現(xiàn)象[29],是土壤功能退化的一個重要表現(xiàn)。土壤壓實退化不僅導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體破壞,容重增加,孔隙度降低,緊實度增加,還會對溶質(zhì)運移過程和生物活動等產(chǎn)生顯著的影響。據(jù)部分取樣測定,城市公園、路旁草坪20 cm表土容重介于1.46～1.84 g/cm3,低坡林草地表土容重介于1.20～1.52 g/cm3,耕地表土容重介于1.14～1.41 g/cm3。與正常土壤容重1.30 g/cm3相比,可以說明人類活動施加于不同用地類型的土壤壓實退化程度存在一定差異。

(4)水土流失程度。水土流失是影響庫濱帶生態(tài)環(huán)境的一個重要指標。庫濱帶西北側(cè)低山丘陵主要由褐黃、褐紅、淺黃色的砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)或砂質(zhì)礫巖、透鏡狀礫巖及裸露地表的石灰?guī)r組成,地形起伏變化大,植被覆蓋率僅30%～50%,林地少,荒草或裸露基巖坡多,土壤通透性差,極易形成地表徑流;在山麓坡腳有較厚的現(xiàn)代坡洪積物及坡殘積物,但部分地方由于在風(fēng)積土層上開荒種地,以致造成水土大量流失,基巖裸露。該區(qū)域土壤年侵蝕模數(shù)為200～800 t/km2,水土輕度流失[30]。而庫濱帶南側(cè)地勢比較低平,巖性以淺黃、灰黃色粉土質(zhì)沖積亞砂土和亞黏土為主,表層土壤為黃黏土和砂黃土,質(zhì)地多為重壤至輕黏,經(jīng)過耕種熟化形成黃棕壤,土質(zhì)黏重,地表植被較好,水土流失不明顯。

(5)生境破碎化程度。這一指標是指生境被分割的破碎程度,是反映庫濱帶土地利用對生物多樣性影響的另一個重要方面。可借鑒景觀破碎度指數(shù)(FN)來描述庫濱帶生境破碎化程度,即:FN=(Np-1)/Nc,式中:Np為景觀斑塊的總個數(shù);Nc為景觀的總面積。FN值介于0～1之間,值為0表示生境未受破壞,值為1則表示生境完全被破壞。白龜山庫區(qū)庫濱帶各土地利用類型中,景觀破碎度指數(shù)分別為:耕地0.31,建設(shè)用地0.36,林草地0.34,果園菜地0.89,工礦用地0.19,水域0.03,其它用地0.14?？梢姽麍@菜地由于種植面積大而且分散以致于對生境的破壞程度最高,其次為建設(shè)用地,而水域最能保持生境的完整性;3個分區(qū)的景觀破碎度分別為:分區(qū)1為0.55,分區(qū)2為 0.19,分區(qū) 3為 0.46。由此可見,以受城市建設(shè)活動影響為主的分區(qū)1生境破碎化程度最高,而由于耕地整理和農(nóng)業(yè)活動的增加,分區(qū)3生境破碎化程度也較高。近年來由于入庫河流及水庫水位持續(xù)下降,出露的庫底、河口灘地及原來的部分濕地大部分被開墾為耕地,而且大規(guī)模的土地整理使庫區(qū)濕地的條塊性分割越來越嚴重。據(jù)研究[31],自1994—2002年,白龜山水庫水域面積呈減小態(tài)勢,其中露出的庫底有 306.92 hm2被開墾為耕地,93.1 hm2的灘地成為荒草地。這種農(nóng)業(yè)化利用和條塊性分割使原濕地生境破碎或發(fā)生根本性變化,從而導(dǎo)致生物種類多樣性的變化甚至某些生物種的滅絕[32]。

2.3.2 評價指標體系構(gòu)建 評價指標體系分為4個層次(圖1):第一目標層即土地利用生態(tài)環(huán)境影響綜合評分(BI);第二目標層分別對庫濱帶3個分區(qū)進行生態(tài)環(huán)境影響評分;第三層為項目層,分別按耕地(Ai)、林草地(Bi)、果園菜地(Ci)、建設(shè)用地(Di)、工礦用地(Ei)、水域(Fi)以及其它用地(Gi)等7種土地利用類型對各分區(qū)進行評價;第四層為指標層,各土地利用類型分別以M1—M5作為評價指標。

2.4 評價指標體系計算方法

2.4.1 指標層賦值 為增強數(shù)據(jù)之間的可比性,各評價指標以無量綱進行處理。本研究采用專家打分法對各評價指標(M1—M5)進行賦分?？紤]到不同土地利用類型對于生態(tài)環(huán)境各評價指標的影響方向會有差別(即促進生態(tài)環(huán)境改善和加劇生態(tài)環(huán)境退化2個方面),制定賦分標準為向量V=(-4,-3,-2,-1,1,2,3,4)T,其中1～4分別對應(yīng)于土地利用類型對各評價指標的影響為正向增大,有利于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的逐步改善;相反,-1～-4為負向增大,使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸降低。賦分時,存在一個相應(yīng)的隸屬度向量為

圖1 庫濱帶土地利用對生態(tài)環(huán)境影響評價指標體系層次結(jié)構(gòu)

2.4.2 權(quán)重確定 考慮到各評價指標,不同土地利用類型,不同分區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響有差異,因此,應(yīng)確定相應(yīng)的權(quán)重。根據(jù)專家打分和層次分析法(AHP),先按圖1構(gòu)建各層次判斷矩陣,采用模糊打分準則,用數(shù)值1,3,5,7,9標度前者較后者同等重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要;用 2,4,6,8則表示它們之間的過渡情形。后者與前者比較的重要性標度值用前者與后者比較的重要性標度值的倒數(shù)表示。

將評判結(jié)果整理后輸入微機處理,運用方根法依次得出各層次指標權(quán)重值(表2—3),并且通過一致性檢驗,結(jié)果可靠。

表2 不同土地利用類型各評價指標權(quán)重

表3 分區(qū)及土地利用類型權(quán)重

2.4.3 項目層計算

2.4.4 二級目標層計算

式中:BIi——第i分區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)(評分);Ai,Bi,…,Gi——第i分區(qū)各土地利用類型對生態(tài)環(huán)境影響的評分——第i分區(qū)各土地利用類型對生態(tài)環(huán)境影響的權(quán)重。

2.4.5 一級目標層計算

式中:BI——整個區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)(評分);Pi——第 i分區(qū)的生態(tài)環(huán)境影響權(quán)重。

結(jié)合專家咨詢意見,定義了生態(tài)環(huán)境影響指數(shù)分級標準(見表4)。

表4 土地利用生態(tài)環(huán)境影響分級標準

3 評價結(jié)果與分析

3.1 評價結(jié)果

由表5可知,白龜山水庫庫濱帶土地利用的生態(tài)環(huán)境影響評價綜合得分-0.55,屬于中度退化影響,反映了白龜山水庫庫濱帶土地利用對生態(tài)環(huán)境影響的平均程度。為了分析生態(tài)環(huán)境影響的空間差異,3個分區(qū)土地利用的影響大小次序為:分區(qū)1＞分區(qū)2＞分區(qū)3,影響程度具有顯著差異,而且?guī)鞛I帶土地利用對生態(tài)環(huán)境的綜合影響均為負向作用。

表5 白龜山水庫庫濱帶土地利用生態(tài)環(huán)境影響評價結(jié)果

3.2 影響分析

分區(qū)1土地利用對生態(tài)環(huán)境具有較大退化影響,水土流失、水體污染、生境破碎化是該區(qū)域生態(tài)環(huán)境退化的主要表現(xiàn)。該區(qū)域處于城市建設(shè)影響范圍內(nèi),除水域外,土地利用以建設(shè)用地為主(表1),加上近郊果園菜地、耕地以及人工林種植等,對庫濱帶生態(tài)環(huán)境影響較大。而且近幾年由于新城區(qū)建設(shè),城市建設(shè)用地甚至擴展到庫岸,大量丘陵坡地、濕地、耕地及荒草地等轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘杏玫?生境的破碎化程度及水土流失均呈增大趨勢。如新城區(qū)湖濱大道距離水體過近,最近距離不超過10 m,道路兩側(cè)大面積自然植被被鏟除,重新覆土種植人工植被,而且隨著城市人為活動持續(xù)增強,土壤不斷地壓實退化,以致造成生境破碎化和生態(tài)系統(tǒng)功能下降。另外,城市建設(shè)促進了大量人口的集聚,居民生活、休閑所產(chǎn)生的污染問題日益凸顯出來。

分區(qū)1東側(cè)庫岸分布著眾多的餐飲、娛樂等場所,部分未經(jīng)處理的生活污水流入水庫形成多點污染。作為國家重點火力發(fā)電基地的姚電公司所排放的廢熱水,未經(jīng)任何降溫處理和廢熱利用便通過明渠直接排入水庫,引起水溫增高,DO下降,造成生物量改變,破壞水生生態(tài)環(huán)境[19]。通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn),白龜山水庫淺水區(qū)水藻滋生,沿庫岸蔓延,長達數(shù)百米。果園菜地和耕地也是造成分區(qū)1生態(tài)退化的主要土地利用類型,且天然林草地早已蕩然無存,現(xiàn)全部為人工林和綠化草坪,主要樹種為楊樹、刺槐和旱柳等,樹種結(jié)構(gòu)單一,植被抵抗病蟲害能力較差,也不利于生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。繼而,大面積,高強度的施用化肥、農(nóng)藥所引起的農(nóng)業(yè)面源污染就成為該分區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的另一重要因素。

分區(qū)2土地利用對生態(tài)環(huán)境具有中度退化影響區(qū)。該區(qū)域?qū)儆谏澈尤霂旌涌跊_積平原農(nóng)林果土地利用區(qū),土地利用類型以林草地(人工林)、建設(shè)用地(農(nóng)村居民點)、耕地和果園菜地為主,農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村生活污染是影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的主要因素。除此之外,以非法采沙場為主的工礦用地也是近年來不可忽視的重要影響因素。該區(qū)域存在著大量非法采沙場,而且所占面積在3個分區(qū)中最大(表1)。采沙不僅會改變水體的運移平衡,影響水庫行洪安全,對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響,而且長期非法采沙致使庫岸受侵蝕嚴重,部分庫岸發(fā)生崩塌,濕地被破壞,生物多樣性下降。采沙在加劇水土流失的同時,沙場占用了大量濕地、耕地、林地及草地等,使土地利用性質(zhì)發(fā)生改變。據(jù)調(diào)查,整個庫濱帶有非法采沙點數(shù)十個,每個采沙點面積從600～6 000 m2不等,沙堆周圍植物枯死,土壤沙化,以致威脅庫濱帶生態(tài)安全。

分區(qū)3屬于輕微退化影響區(qū)。該分區(qū)地勢平坦開闊,土層深厚,土地利用類型以耕地為主,無明顯水土流失,農(nóng)業(yè)面源污染是該分區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要影響因素。

4 結(jié)論

本文以白龜山水庫庫濱帶為例,選取野生動植物資源受損程度、污染源類別的重要性程度、土壤壓實退化程度、水土流失程度、生境破碎化程度5個評價指標,從土地利用的角度構(gòu)建了土地利用對生態(tài)環(huán)境影響的多層次綜合評價體系。研究表明,土地利用對庫濱帶生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了明顯的負面影響,不同分區(qū)土地利用生態(tài)環(huán)境影響程度具有顯著差別,影響大小次序為:分區(qū)1＞分區(qū)2＞分區(qū)3,分別屬于較大退化影響、中度退化影響和輕微退化影響;影響較大的土地利用類型主要有建設(shè)用地、果園菜地、耕地、林草地、工礦用地等。本文研究結(jié)果對庫濱帶土地利用規(guī)劃及生態(tài)環(huán)境保護將具有積極的參考意義。根據(jù)以上分析,從生態(tài)環(huán)境保護角度對庫濱帶土地利用規(guī)劃提出如下建議。

(1)制訂庫濱帶土地利用規(guī)劃,明確庫濱帶生態(tài)保護范圍,并與城市建設(shè)規(guī)劃相結(jié)合,如發(fā)生沖突應(yīng)以庫濱帶生態(tài)保護為主,嚴禁在庫濱帶規(guī)劃范圍內(nèi)進行一切建設(shè)活動,并通過政策引導(dǎo)及建立相應(yīng)的補償機制以協(xié)調(diào)周邊居民與生態(tài)保護的關(guān)系,促進居民生產(chǎn)、生活方式的轉(zhuǎn)變;(2)對非法采沙活動進行徹底清理整治,建立庫區(qū)管理的長效監(jiān)督機制,避免采沙行為屢禁不止;(3)調(diào)整庫濱帶農(nóng)用地種植結(jié)構(gòu)及耕作方式,建立現(xiàn)代化生態(tài)農(nóng)業(yè)示范園區(qū);(4)加強水庫北側(cè)低山丘陵區(qū)的水土保持。

致謝:本文資料收集過程中得到河南省科學(xué)院地理研究所安春華同志的協(xié)助,在此特別感謝！

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