流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究——以太湖流域?yàn)槔?br/>

許 妍,馬明輝,高俊峰 (.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連 6023；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 20008)

流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究
——以太湖流域?yàn)槔?/p>

許 妍1,馬明輝1,高俊峰2*(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,遼寧 大連 116023；2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008)

在分析流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)上,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架,從風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估三要素風(fēng)險(xiǎn)源-生境-受體出發(fā),構(gòu)建了危險(xiǎn)度-脆弱度-損失度流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系,主要包括綜合模型的構(gòu)建、指標(biāo)體系選取、等級(jí)體系劃分與評(píng)估單元確定等內(nèi)容,并以太湖流域?yàn)槔M(jìn)行實(shí)證分析, 結(jié)果表明:太湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體以中等風(fēng)險(xiǎn)為主,呈升高趨勢(shì),與2000年相比,2008年高、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所占面積比分別增加了0.39%和5%.實(shí)證分析基本驗(yàn)證了模型及方法的科學(xué)性和可操作性.

生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)；評(píng)估方法；太湖流域

為了抑制生態(tài)環(huán)境的惡化,改善人類的生存環(huán)境,世界各國(guó)已開展了大量有關(guān)生態(tài)環(huán)境的研究,在環(huán)境評(píng)估方面也不斷深化[1-2].特別是隨著環(huán)境管理目標(biāo)和觀念的轉(zhuǎn)變,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估(ERA)作為一種重要的生態(tài)環(huán)境管理手段,逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一[3-4].近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)從理論與方法上對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究,風(fēng)險(xiǎn)源從單一風(fēng)險(xiǎn)源擴(kuò)展到多風(fēng)險(xiǎn)源,風(fēng)險(xiǎn)受體從單一受體發(fā)展到多受體,評(píng)估范圍也從種群、生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)展到流域區(qū)域水平[5-9].與局地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)相比,目前大尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究還處于探討階段,流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較為薄弱,在理論方法與評(píng)估體系上還存在很多不足,由于資料、技術(shù)和工具的局限以及流域生態(tài)系統(tǒng)空間異質(zhì)性特征,流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至今尚未形成統(tǒng)一的評(píng)估體系.同時(shí),針對(duì)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)體系亦不夠完整,各指標(biāo)的基準(zhǔn)值和參考數(shù)據(jù)還有待進(jìn)一步補(bǔ)充[10].本文在分析流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理基礎(chǔ)上,首次從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響因素出發(fā),針對(duì)不同類型生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建能夠定量表征生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體狀況的評(píng)估指標(biāo)體系與評(píng)估準(zhǔn)則,旨在豐富流域尺度生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)理論與方法研究.

1 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理分析

流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng),由風(fēng)險(xiǎn)源(R)、生境(E)、風(fēng)險(xiǎn)受體(S)復(fù)合組成了流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)體系,這一結(jié)構(gòu)體系與以往的研究[11-12]有一定的相似性,但不同的是本研究所提出的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)體系,強(qiáng)調(diào)把生境與風(fēng)險(xiǎn)受體分開,系統(tǒng)內(nèi)的各要素具有同等重要性,R是風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的充分條件,S是放大或縮小風(fēng)險(xiǎn)的必要條件,E是影響R和S的背景條件,任何一個(gè)區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)都是R、E、S綜合作用的結(jié)果.相應(yīng)的由風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度(RH)、生態(tài)環(huán)境脆弱度(EV)及風(fēng)險(xiǎn)受體損失度(SL)共同構(gòu)成了生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的功能體系.系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)各要素之間相互影響、相互聯(lián)系、相互制約,是一個(gè)不斷釋放-傳遞-危害-響應(yīng)-控制的復(fù)合高階演變過程.流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生過程可簡(jiǎn)化為不同風(fēng)險(xiǎn)源向生境釋放各類型的脅迫因子,從而對(duì)存在生境中的多種受體造成諸多負(fù)面效應(yīng)的過程(圖 1).危險(xiǎn)度指數(shù)、脆弱度指數(shù)及損失度指數(shù)是流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的3大影響因素,也是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的3個(gè)基本目標(biāo),與目標(biāo)函數(shù)(生態(tài)風(fēng)險(xiǎn))呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,即風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度越大,生態(tài)環(huán)境越脆弱,風(fēng)險(xiǎn)受體損失度越大,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)就越大.

圖1 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生過程示意Fig.1 Occurrence process of watershed ecological risk

2 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程與方法

2.1 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

依據(jù)評(píng)估框架,結(jié)合流域特征,可將流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為3階段7部分(圖2):問題形成是整個(gè)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的依托,主要是確定風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生范圍,明確流域內(nèi)存在的生態(tài)問題,并在此基礎(chǔ)上建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目標(biāo).這一階段風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估者、管理者以及相關(guān)的當(dāng)事人會(huì)為了實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)和評(píng)估目標(biāo)協(xié)調(diào)一致,制定規(guī)劃以及提供有助于評(píng)估工作的可用資源.

第2階段為風(fēng)險(xiǎn)分析與表征階段,是評(píng)估的主體,包括風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)表征與區(qū)劃2部分內(nèi)容,主要是運(yùn)用評(píng)估技術(shù)對(duì)流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估,并依據(jù)評(píng)估結(jié)果表征風(fēng)險(xiǎn)大小、風(fēng)險(xiǎn)空間分布等問題,完成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)表征及風(fēng)險(xiǎn)制圖.

圖2 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程Fig.2 The flow chart of watershed ecological risk assessment

第3階段為風(fēng)險(xiǎn)管理與反饋,基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果,風(fēng)險(xiǎn)管理者會(huì)做出相應(yīng)的環(huán)境決策,并傳遞給相關(guān)人員,同時(shí)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行反饋,進(jìn)一步完善調(diào)整評(píng)估進(jìn)程,使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確.

2.2 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建

目前,風(fēng)險(xiǎn)分析與表征部分尚未形成統(tǒng)一的評(píng)估體系.評(píng)估方法多為運(yùn)用概率型數(shù)學(xué)模型將區(qū)域內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率P及其風(fēng)險(xiǎn)損失度D的風(fēng)險(xiǎn)復(fù)合表征模型具體化.

對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)而言,災(zāi)害性事件的產(chǎn)生多為外界脅迫因素與系統(tǒng)內(nèi)部生態(tài)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性因素共同作用的結(jié)果.外界脅迫作用于生態(tài)系統(tǒng)的外在表現(xiàn)即為外界干擾,而生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定,主要表現(xiàn)在抗外界干擾能力上,外界干擾強(qiáng)度越大,生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力越弱,發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率也就越大.本研究根據(jù)流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估內(nèi)涵及發(fā)生機(jī)理[10],綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)源-生境-影響等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因素之間的相互作用關(guān)系,從危險(xiǎn)度-脆弱度-損失度3個(gè)層次構(gòu)建流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型:

流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)(ER)=f(危險(xiǎn)度(H),脆弱度(V),損失度(L))

該模型從宏觀角度綜合考慮各種因素對(duì)流域復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的影響,具有較強(qiáng)的靈活性和實(shí)用性.具體計(jì)算公式為:

式中:H為風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度;V為生境脆弱度;L為受體潛在損失度;i為評(píng)估單元編號(hào);n為評(píng)估單元數(shù)量.

2.2.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度 生態(tài)系統(tǒng)(風(fēng)險(xiǎn)受體)暴露于多重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源之下,它們所受的風(fēng)險(xiǎn)干擾是多重風(fēng)險(xiǎn)源相互疊加的結(jié)果.不同類型的風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在危險(xiǎn)性存在一定差異,不同風(fēng)險(xiǎn)受體所面臨的風(fēng)險(xiǎn)強(qiáng)度、造成的生態(tài)損害不盡相同.此外, 受復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)源作用的生態(tài)系統(tǒng),其風(fēng)險(xiǎn)源強(qiáng)度可劃分為多個(gè)類型、多個(gè)等級(jí),同一類型不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)同一受體的危險(xiǎn)程度亦不相同.本文針對(duì)復(fù)合風(fēng)險(xiǎn)源特點(diǎn),引入相對(duì)權(quán)重系數(shù)來區(qū)分風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度差異,采用風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度指數(shù)H來表征風(fēng)險(xiǎn)源的發(fā)生概率及強(qiáng)度,公式如下:

式中:RHi為第i類風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度;表示第i類風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重;i為生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源類別;n為風(fēng)險(xiǎn)源類型總數(shù).其中,

式中:Rij為第i類第j級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度指數(shù);i為風(fēng)險(xiǎn)源類別;j為第i類風(fēng)險(xiǎn)源的等級(jí)數(shù);m為總級(jí)別數(shù);ijλ為第i類第j級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重.

2.2.2 生態(tài)環(huán)境脆弱度 不同生態(tài)環(huán)境在維護(hù)生物多樣性、保護(hù)物種、完善生態(tài)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和功能、促進(jìn)景觀結(jié)構(gòu)自然演替等方面的作用是有差別的[13].因此,生態(tài)脆弱度評(píng)估是反映相同外界干擾條件下,生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問題的可能性[14-15],是聯(lián)系風(fēng)險(xiǎn)源與風(fēng)險(xiǎn)受體的橋梁,是生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一.生態(tài)環(huán)境是由自然條件背景、人類開發(fā)利用活動(dòng)和環(huán)境管理共同作用形成的結(jié)果,因此,評(píng)估時(shí)應(yīng)充分考慮生態(tài)環(huán)境各個(gè)組成部分.在參考已有研究基礎(chǔ)上[16-19],從自然、生態(tài)、社會(huì)等脆弱影響因素出發(fā),構(gòu)建流域生態(tài)環(huán)境脆弱度評(píng)估指標(biāo)體系及評(píng)估模型,對(duì)生境脆弱程度進(jìn)行定量化的表征分析,進(jìn)而診斷流域生態(tài)環(huán)境脆弱度的時(shí)空分異特征.具體計(jì)算公式為:

其中,

式中,V表示生境脆弱度指數(shù),其值越大說明生態(tài)環(huán)境越脆弱,越不健康,潛在危險(xiǎn)越大;反之,V值越小說明生態(tài)環(huán)境脆弱度越小,越健康.Ni、Ei、Hi分別表示影響生態(tài)脆弱的自然因素、生態(tài)因素及社會(huì)因素中第i種指標(biāo)的歸一化值;W為指標(biāo)權(quán)重值;m為評(píng)估指標(biāo)的數(shù)目.N、E、H分別為生態(tài)環(huán)境的自然因素、生態(tài)因素及社會(huì)因素得分.

2.2.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受體損失度 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估另一重要組成部分即風(fēng)險(xiǎn)受體損失度評(píng)估,即自然災(zāi)害事件及人類破壞活動(dòng)等發(fā)生后的作用效果對(duì)風(fēng)險(xiǎn)承受者具有的負(fù)面影響.這些影響除對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)具有直接的擾動(dòng)和打擊外,還可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損傷,如生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種的病變,植被演替過程的中斷或改變,生物多樣性的減少等.經(jīng)濟(jì)學(xué)上的風(fēng)險(xiǎn)常用經(jīng)濟(jì)損失來表示風(fēng)險(xiǎn)損失大小,而生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不僅應(yīng)體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損失情況,更應(yīng)表征生態(tài)系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)和功能變化.因此,損失度主要包括自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)損失情況的估算.由于風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性,風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的損失也是不確定的,因而生態(tài)系統(tǒng)絕對(duì)損害程度大小難以定量化,一般采用相對(duì)評(píng)估法,用生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)潛在損失度表征生態(tài)系統(tǒng)及其組分遭受外界干擾時(shí)可能受到的損害程度.

3 流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

依據(jù)評(píng)估模型、指標(biāo)體系構(gòu)建原則,基于目標(biāo)層-類別層-要素層-指標(biāo)層多層次框架結(jié)構(gòu),從生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度、生態(tài)環(huán)境脆弱度及風(fēng)險(xiǎn)受體損失度 3方面考慮構(gòu)建流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系.

3.1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)估指標(biāo)體系

危險(xiǎn)度指數(shù)主要包括自然災(zāi)害危險(xiǎn)度和人類破壞性活動(dòng)危險(xiǎn)度兩方面,其中自然災(zāi)害危險(xiǎn)度主要選取了洪澇、干旱、極端氣象(臺(tái)風(fēng)、風(fēng)雹、低溫冷凍)及土壤侵蝕等風(fēng)險(xiǎn)源的發(fā)生強(qiáng)度、頻率、范圍等指標(biāo);人類破壞性活動(dòng)主要選取污染排放指標(biāo),見表1.

表1 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)估指標(biāo)體系Table 1 Index system of hazard assessment of ecological risk source

由于不同風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生概率、強(qiáng)度等與具體風(fēng)險(xiǎn)源的形成機(jī)理和作用過程有關(guān),不同類型風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度的量化方法亦不相同,因此,在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度評(píng)估時(shí)應(yīng)根據(jù)具體風(fēng)險(xiǎn)源的特點(diǎn)進(jìn)行選擇.對(duì)于點(diǎn)狀風(fēng)險(xiǎn)源可以按照點(diǎn)源隨距離衰減原理量化其強(qiáng)度值;對(duì)于線狀風(fēng)險(xiǎn)源可以按照不同距離的緩沖區(qū)量化其值;面狀風(fēng)險(xiǎn)源的量化較復(fù)雜,可以按照評(píng)估單元統(tǒng)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)源影響范圍、發(fā)生頻率進(jìn)行量化.

本研究中自然災(zāi)害危險(xiǎn)度評(píng)估主要從風(fēng)險(xiǎn)源發(fā)生頻率、發(fā)生面積及發(fā)生強(qiáng)度3方面選取指標(biāo),根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)源的危害程度進(jìn)行賦值.其中,洪澇、干旱、極端氣象強(qiáng)度等主要根據(jù)歷史記錄、圖片等資料記載,統(tǒng)計(jì)其發(fā)生頻率和規(guī)模范圍;土壤侵蝕指數(shù)主要依據(jù)土壤侵蝕面積與土壤侵蝕等級(jí),得到評(píng)估單元的土壤侵蝕強(qiáng)度.人類破壞性活動(dòng)危險(xiǎn)度主要選擇了污染排放強(qiáng)度,包括工業(yè)企業(yè)以及生活污水等點(diǎn)源污染排放和農(nóng)田、村鎮(zhèn)、養(yǎng)殖等面源污染排放,根據(jù)COD、TN、TP、NH3-N等污染物排放濃度高低進(jìn)行指標(biāo)量化.由于不同風(fēng)險(xiǎn)源量化單元不同,為進(jìn)行統(tǒng)一表征,需要將這些數(shù)據(jù)“投影”到網(wǎng)格上,最終以網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)各種代數(shù)和邏輯運(yùn)算.

3.2 生態(tài)環(huán)境脆弱度評(píng)估指標(biāo)體系

生態(tài)脆弱度主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的敏感性、易變性,以及抗干擾能力和恢復(fù)能力下降等方面,其產(chǎn)生原因與生態(tài)系統(tǒng)本身的特性有關(guān),也與生態(tài)系統(tǒng)受到的干擾有關(guān).由于生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性難以預(yù)見,加之脆弱系統(tǒng)的復(fù)雜性,不同區(qū)域反映生態(tài)系統(tǒng)脆弱性變化的指標(biāo)紛繁復(fù)雜[20].本研究從生態(tài)環(huán)境脆弱性內(nèi)涵出發(fā),通過查閱大量的文獻(xiàn)資料,并與相關(guān)專家進(jìn)行討論基礎(chǔ)上,對(duì)影響生態(tài)環(huán)境脆弱度的可能因素進(jìn)行仔細(xì)的辨識(shí)和梳理,主要從流域自然因素、生態(tài)因素及社會(huì)因素3方面選取適宜指標(biāo),建立生態(tài)環(huán)境脆弱度評(píng)估指標(biāo)體系(表2).

3.2.1 自然因素 自然因素奠定了地理過程發(fā)生的基本空間格局,是生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定性的自然成因,包括基質(zhì)、動(dòng)能兩大因素,基質(zhì)因素主要由地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征等因子構(gòu)成,是生態(tài)環(huán)境構(gòu)成的物質(zhì)基礎(chǔ);動(dòng)能因素主要由氣候水文因子構(gòu)成,是生態(tài)系統(tǒng)組成要素的能量基礎(chǔ),其能量特征及傳輸轉(zhuǎn)化在空間和時(shí)間上與其他因素不協(xié)調(diào)時(shí),便會(huì)導(dǎo)致生態(tài)退化.地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征、氣象水文等自然因素隨時(shí)間變化較為緩慢,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響是長(zhǎng)期性和基礎(chǔ)性的,是脆弱生態(tài)環(huán)境的內(nèi)在因素.

3.2.2 生態(tài)因素 生態(tài)因素主要表征生態(tài)系統(tǒng)所處環(huán)境的質(zhì)量與狀態(tài),綜合反映了流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性和穩(wěn)定性,用于描述在外界壓力或干擾下,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遭受破壞或惡化后,穩(wěn)定性變差,敏感性加強(qiáng)而顯示出來的脆弱性.主要從生態(tài)系統(tǒng)的活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力3方面選取能夠反映生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài),資源數(shù)量和質(zhì)量的指標(biāo)因子[21].本文主要選取凈初級(jí)生產(chǎn)力、斑塊密度、生物多樣性指數(shù)、綜合彈性值等指標(biāo).

3.2.3 社會(huì)因素 自然條件的不利只決定了環(huán)境脆弱存在的潛在性,只有當(dāng)人為活動(dòng)破壞生態(tài)鏈中某一環(huán)境因素后,生態(tài)系統(tǒng)逐步失去平衡,自然因素的影響才明顯呈現(xiàn),并加速生態(tài)環(huán)境惡化.人為因素往往疊加于自然因素、生態(tài)因素之上,對(duì)生態(tài)脆弱惡化起著加速和主導(dǎo)作用,且其影響是多方面的、深遠(yuǎn)的和不確定的[22-23].土地利用空間模式及社會(huì)保障措施、教育水平等社會(huì)因素的不斷改變直接或間接地改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[24-26],最終導(dǎo)致生物群落演替等生態(tài)過程發(fā)生變化.

表2 生態(tài)環(huán)境脆弱度評(píng)估指標(biāo)體系Table 2 Index system of ecological vulnerability assessment

3.3 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)受體損失度評(píng)估指標(biāo)體系

流域尺度下的風(fēng)險(xiǎn)受體為生態(tài)系統(tǒng).其中,自然生態(tài)系統(tǒng)損失度主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值損失上.當(dāng)面臨相同的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率,其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值越大,風(fēng)險(xiǎn)受體損失度就越大;反之,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值越小,風(fēng)險(xiǎn)受體損失度就越小.因此,主要選取生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值及生態(tài)系統(tǒng)面積比例,運(yùn)用公式進(jìn)行定量估算.

表3 風(fēng)險(xiǎn)受體潛在損失度評(píng)估Table 3 Index system of ecological receptor potential loss

由于自然災(zāi)害及人類破壞性活動(dòng)發(fā)生具有隨機(jī)性特點(diǎn),造成損失統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值的年際波動(dòng)較大,因此,社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的損失不易利用某一時(shí)間點(diǎn)的災(zāi)損數(shù)據(jù).一般認(rèn)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件可以定量反映區(qū)域內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的災(zāi)損敏度,即潛在損失度的高低[27].社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū),人口、城鎮(zhèn)密集,產(chǎn)業(yè)活動(dòng)頻繁,社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高.當(dāng)遭遇同樣等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí),該類地區(qū)的絕對(duì)損失度往往比經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)大很多.此外,考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),社會(huì)保障措施較為完善,其承受風(fēng)險(xiǎn)的能力相對(duì)較強(qiáng).因此,本文主要從社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)損失度和應(yīng)急保障措施2方面考慮,選取人均GDP、人口密度等相關(guān)指標(biāo),運(yùn)用綜合評(píng)估法對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)潛在損失進(jìn)行評(píng)估(表3).

4 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與等級(jí)劃分

4.1 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與閾值研究

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)是否合理直接影響評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性.目前,關(guān)于流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn).綜合來看,評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)可以通過以下方法確定:(1)歷史資料法;(2)實(shí)地考察;(3)參照對(duì)比法;(4)借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)研究成果;(5)公眾參與;(6)專家評(píng)判.本文中評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的確定原則為有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的,實(shí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),主要包括如國(guó)家或國(guó)際組織頒布執(zhí)行的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、公共衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、各行業(yè)發(fā)布的環(huán)境安全評(píng)估規(guī)范和規(guī)定等;沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、有地方標(biāo)準(zhǔn)的,實(shí)行地方標(biāo)準(zhǔn),包括各地方政府頒布的規(guī)劃區(qū)目標(biāo)、生態(tài)容量等;沒有國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)的情況下,采用參考文獻(xiàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn);國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)以及參考文獻(xiàn)均沒有的情況下,采用往年平均值或相似區(qū)域的平均值作為基準(zhǔn)值.如河流湖泊水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);生態(tài)指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指參考類似發(fā)達(dá)地區(qū)的水平標(biāo)準(zhǔn)或采用科學(xué)研究已判定的標(biāo)準(zhǔn);土壤侵蝕等指標(biāo)參考生態(tài)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn).

4.2 等級(jí)體系劃分

本文在定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)借鑒有關(guān)歷史資料、相關(guān)研究成果與國(guó)家適用標(biāo)準(zhǔn)及通過多區(qū)域?qū)Ρ确治龃_定,各具體指標(biāo)評(píng)在公眾參與基礎(chǔ)上由專家評(píng)判完成.根據(jù)評(píng)估結(jié)果,運(yùn)用 ArcGIS聚類分析功能,從高到低依次劃分為“Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)”5個(gè)級(jí)別,用于分析各評(píng)估要素的空間分布差異,度量研究范圍內(nèi)危險(xiǎn)度、脆弱度及損失度相對(duì)大小及程度.不同要素表達(dá)含義不盡相同,詳見表4.

4.3 評(píng)估單元選取

本文根據(jù)行政單元與網(wǎng)格單元各自的優(yōu)缺點(diǎn),采用二者相結(jié)合的劃分方法,使指標(biāo)因子數(shù)據(jù)載體與分析評(píng)估單元分開,即用網(wǎng)格單元作為指標(biāo)因子的數(shù)據(jù)載體和基本評(píng)估分析單元,用行政單元作為綜合評(píng)估分析單元或數(shù)據(jù)載體(社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)),二者之間用模型予以關(guān)聯(lián),這樣既能更好的表達(dá)流域內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布的規(guī)律性及差異性,又便于各行政單元內(nèi)的生態(tài)保護(hù)與風(fēng)險(xiǎn)管理.

通過ArcGIS軟件中多邊形空間疊置分析法將行政區(qū)、自然分區(qū)的指標(biāo)要素轉(zhuǎn)化到網(wǎng)格單元,并以面積比重作為分值,跨越不同等級(jí)但同種要素的網(wǎng)格,該要素分值等于該網(wǎng)格內(nèi)不同等級(jí)要素占網(wǎng)格面積比重與等級(jí)加權(quán)之和,轉(zhuǎn)換公式如下[28-29]:

式中,Si為第i個(gè)行政單元在網(wǎng)格中的面積,Di為第i個(gè)行政單元單位面積上指標(biāo)值,n為網(wǎng)格中包含行政單元的個(gè)數(shù).運(yùn)用 ArcGIS等地理信息軟件,建立拓?fù)潢P(guān)系,通過Union等操作,完成疊加、賦值等工作,最終實(shí)現(xiàn)將行政單元數(shù)據(jù)向網(wǎng)格單元轉(zhuǎn)化.

表4 生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)及組成要素等級(jí)劃分Table 4 Grade division of ecological risk and component elements

5 實(shí)例分析

5.1 研究區(qū)域

太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲核心區(qū)域,人口密集、工業(yè)集中、城市化水平高,是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)地區(qū)之一,也是災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域.近年來,隨著城鎮(zhèn)的急劇擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境遭到極大沖擊和破壞,致使生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)資源退化、環(huán)境惡化與災(zāi)害加劇的趨勢(shì),高水平的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)與日俱增,從而危及生態(tài)系統(tǒng)及其內(nèi)部組分健康,影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全,進(jìn)而制約整個(gè)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[30].

5.2 數(shù)據(jù)來源

本文所需數(shù)據(jù)眾多,來源較為廣泛.風(fēng)險(xiǎn)源數(shù)據(jù)主要通過查閱歷史災(zāi)害記錄,統(tǒng)計(jì)各站位歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得;土壤侵蝕數(shù)據(jù)來自全國(guó)土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫(kù);污染排放數(shù)據(jù)來自流域污染普查數(shù)據(jù)及查閱各縣市環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)、環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書等資料.水面率、森林覆蓋率等來自于Landsat遙感影像解譯數(shù)據(jù);坡度＞20°面積比、景觀格局指數(shù)則通過DEM、FRAGSTATS軟件間接獲得.人口密度、每千人醫(yī)療床位數(shù)等指標(biāo)主要通過城市統(tǒng)計(jì)年鑒、縣(市)社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒及中國(guó)民政統(tǒng)計(jì)年鑒查閱獲得.

5.3 結(jié)果分析

圖3 2008年流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)空分布Fig.3 The spatial distribution of ecological risk in 2008year

根據(jù)危險(xiǎn)度、脆弱度及損失度的分析結(jié)果計(jì)算得到太湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空分布情況.從空間分布可見(圖3),研究區(qū)內(nèi)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間差異顯著,具有明顯的空間集聚特征.高、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要位于北部常州市區(qū)、江陰市大部分地區(qū)以及無錫市區(qū)、蘇州市區(qū)北部區(qū)域,約占流域的24.47%.中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)約占 32.11%,包括湖西平原的丹陽(yáng)市、金壇市等農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)及東南部的杭嘉湖平原;流域南部的苕溪流域?qū)儆诘秃洼^低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū),約占流域的43.42%.

對(duì)2000年、2008年各評(píng)估單元生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及其所占面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)得到,較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的范圍縮小,中等風(fēng)險(xiǎn)和較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布范圍擴(kuò)大.2000年太湖流域內(nèi)以較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)為主,面積為 9825.46km2,約占總面積的31.25%.至 2008年,較低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積縮減至9101.81km2,所占比例降低至28.95%;中等生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)面積不斷擴(kuò)大,其所占比例也由之前的26.97%上升至 32.11%,成為流域內(nèi)主要生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).高、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所占面積逐漸擴(kuò)大,已由2000年的5.66%、13.42%增加至2008年的 6.05%、18.42%,增加面積共計(jì) 1696.13km2.從結(jié)果分析可知,實(shí)證分析基本驗(yàn)證了模型及方法的科學(xué)性和可操作性,由于流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的影響因子眾多,生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的建立涉及眾多學(xué)科且需要對(duì)評(píng)估系統(tǒng)有足夠的認(rèn)識(shí),不同生態(tài)系統(tǒng)、不同尺度的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)具有不同的指標(biāo)要素,評(píng)估指標(biāo)的建立十分復(fù)雜,因此,所建指標(biāo)體系尚需在更多區(qū)域、多方面進(jìn)行驗(yàn)證和探索.

表5 流域內(nèi)不同等級(jí)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分布情況Table 5 The distribution of ecological risk at different level

6 結(jié)語

本文從流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生機(jī)理入手,分析流域內(nèi)各生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)影響要素之間的相互影響與作用機(jī)制,并從風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)度、生境脆弱度及風(fēng)險(xiǎn)受體損失度 3方面構(gòu)建了流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)體系,綜合考慮了多風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)因子、風(fēng)險(xiǎn)受體共存情況下的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)空間分布,并以太湖流域?yàn)槔?分析判斷了流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與趨勢(shì),結(jié)果表明太湖流域生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)整體呈升高趨勢(shì),與2000年相比,2008年高、較高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)所占面積比分別增加了0.39%、5%.

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The evaluation method of ecological risk assessment based on watershed scale——Take the Taihu watershed as example.

XU Yan1, MA Ming-hui1, GAO Jun-feng2*(1.National Marine Environment Monitoring Center, Dalian 116023, China；2.Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1693～1701

Reference to the previous research results about ecological risk assessment, the paper firstly considered the interaction mechanism and the relationship among each ecosystem from the watershed ecosystem perspective, and then studied the content and features of ecological risk assessment about typical watershed. Secondly, according to the basic elements (risk sources, habitat and effect) affected on the ecological risk assessment, base on an overall consideration of many risk sources, risk factors, multi-endpoint and ecological receptors coexistence, we had constructed an technology system which includes the hazard indicators of risk sources, the vulnerability indicators of habitats as well as the potential loss of risk receptors. The main parts of system included comprehensive model building, index system selection, level division and assessment unit determination. Finally, using the ArcGIS technology and assessment model, we evaluated the time-spatial evolution character of Taihu Lake watershed and determined the status and trends of ecological risk development based on the assessment results. The results indicated that most ecological risk of Taihu watershed were medium level and increased gradually. As compared with 2000year, the percentage of high and higher risk region had increased by 0.39% and 5% separately in 2008 years. The empirical analysis verified the scientific and feasibility of the models and methods.

ecological risk；assessment method；Taihu watershed

2012-02-08

我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系優(yōu)化與綜合服務(wù)平臺(tái)開發(fā)(201005014);國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2008ZX07101-014)

* 責(zé)任作者, 研究員, gaojunf@niglas.ac.cn

X171

A

1000-6923(2012)09-1693-09

許 妍(1981-),女,遼寧營(yíng)口人,助理研究員,博士,主要研究方向?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與生態(tài)區(qū)劃.發(fā)表論文10余篇.