生態(tài)安全視角下的山地區(qū)域及河岸帶功能區(qū)劃分

許曉玲 董建文,2

1 福建農(nóng)林大學(xué)園林學(xué)院 福州 350002

2 南方水土保持與綠色發(fā)展研究院 福州 350002

河岸帶是水陸交界處直至河水影響消失為止的地帶,是重要的生態(tài)系統(tǒng)[1]。為了防止山地區(qū)域山洪災(zāi)害的威脅,人類沿河修建堤壩、取直河岸線,導(dǎo)致河岸帶的生物棲息地減少、自然特征逐漸消失,對山地區(qū)域的生態(tài)安全構(gòu)成巨大威脅,防洪安全與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的矛盾日益凸顯?？茖W(xué)劃分河岸帶功能區(qū)是開展河岸帶建設(shè)、保護(hù)與管理工作的依據(jù),也是山地區(qū)域可持續(xù)發(fā)展中急需解決的問題[1－2]。據(jù)此,從建設(shè)與管理角度,國內(nèi)外很多學(xué)者認(rèn)識(shí)到河岸帶寬度是影響其功能發(fā)揮的關(guān)鍵因子[3－6]；更有學(xué)者從流域尺度或河段尺度開展各要素相互作用機(jī)制、河岸帶自然生境評價(jià)等研究,提出河岸帶保護(hù)、建設(shè)與管理建議[7－9]。但當(dāng)前研究多是以生態(tài)修復(fù)為目標(biāo),較少考量社會(huì)需求,缺乏對河岸帶保護(hù)、利用和開發(fā)的綜合性探討。生態(tài)安全主要研究人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系,強(qiáng)調(diào)自然生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)與優(yōu)化利用,以實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[10],目前已有學(xué)者通過生態(tài)敏感性分析、景觀格局指數(shù)等方法對土地利用、生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、生態(tài)紅線劃定等開展生態(tài)安全研究。

福建省長汀縣是典型的山地區(qū)域,境內(nèi)的汀江屬于閩粵地區(qū)重要水源地的上游流域,是生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。城鎮(zhèn)化所伴隨的高強(qiáng)度人類活動(dòng),造成了該流域生態(tài)敏感、水土流失嚴(yán)重,比如,1996年和2015年發(fā)生的特大洪災(zāi),不僅造成重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失,也威脅著汀江生態(tài)系統(tǒng)安全。因此,以汀江長汀縣段為研究對象,從生態(tài)安全視角探究山地區(qū)域的生態(tài)安全格局及其河岸帶功能區(qū)劃分,提出河岸帶優(yōu)化對策,對山地區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

福建省長汀縣屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,最大日降雨量可達(dá)200~400 mm,多年平均降水量在1 500~2 000 mm,降雨量豐沛。汀江干流長汀縣段長138.21 km,河流平均比降為2.67‰,共流經(jīng)庵杰鄉(xiāng)、新橋鎮(zhèn)、汀洲鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)、三州鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)、羊牯鄉(xiāng)等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。在城鎮(zhèn)化建設(shè)背景下,基于防洪、發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等需求,長汀縣加強(qiáng)了汀江干流兩岸的水利工程建設(shè)與土地利用強(qiáng)度,出現(xiàn)了河漫灘被侵占、駁岸垂直化、硬質(zhì)土地面積增加、植被被破壞等生態(tài)問題。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

地形數(shù)據(jù)來源于1∶50 000的福建省數(shù)字高程模型；分辨率為30 m×30 m的2017年Landsat OLI＿TIRS影像來源于國家地理數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)；人口、GDP、耕地面積等數(shù)據(jù)來源于長汀縣統(tǒng)計(jì)年鑒；氣象數(shù)據(jù)來源于長汀縣1990—2015年13個(gè)水文站點(diǎn)；水土流失數(shù)據(jù)來源于長汀縣水保局。Landsat OLI＿TIRS影像圖運(yùn)用遙感處理軟件Erdas Imagine 2015進(jìn)行預(yù)處理,通過監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類方法與目視解譯相結(jié)合,將研究區(qū)劃分為林地、耕地、水體、建設(shè)用地和裸露地5種類型,精度檢驗(yàn)顯示土地利用類型圖的分類準(zhǔn)確度為94.5%。

2.2 研究方法

根據(jù)河流景觀生態(tài)學(xué)理論,河流景觀是一個(gè)連續(xù)體結(jié)構(gòu),具有尺度效應(yīng)。在空間上,它是由眾多微生境組合成河灘與河心洲、串聯(lián)成河段、連接成河流、匯流成流域[11]；從組織上,上級尺度對下級尺度具有支配調(diào)節(jié)作用。河岸帶是河流景觀的組成部分,具有連續(xù)的空間形態(tài)與連續(xù)的生態(tài)系統(tǒng),因此,河岸帶功能區(qū)劃分受河流尺度的影響。基于此,本研究先從縣域尺度對研究區(qū)的生態(tài)敏感與洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性問題開展生態(tài)安全等級分析,然后結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)不同功能下的河岸帶寬度研究,以及長汀縣?福建省長汀縣縣城總體規(guī)劃(2016—2030)?(以下簡稱?長汀總規(guī)?),從河段尺度劃分研究地的河岸帶功能區(qū),以降低尺度效應(yīng)的影響。

2.2.1 生態(tài)敏感性評價(jià)

地形、土地利用類型、人類活動(dòng)等因素會(huì)影響生態(tài)功能,并且長汀縣存在水土流失問題,因此本研究選擇高程、人為干擾強(qiáng)度[12]、NDVI指數(shù)、水土流失率作為研究區(qū)生態(tài)敏感指標(biāo),評價(jià)體系權(quán)重通過專家賦權(quán)法與層次分析法確定。

參考相關(guān)研究的賦分標(biāo)準(zhǔn),采用“取大原則” 對各指標(biāo)進(jìn)行賦分[13－14]；依據(jù)生態(tài)學(xué)的“最小限制原則”,評價(jià)指標(biāo)疊加時(shí)由最高敏感等級值確定,按重要性程度劃分為高生態(tài)敏感、較高生態(tài)敏感區(qū)、中級生態(tài)敏感區(qū)、較低生態(tài)敏感區(qū)、低生態(tài)敏感區(qū)(表1)。

表1 生態(tài)敏感性評價(jià)體系

2.2.2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

自然界中極端的降雨天氣是造成洪災(zāi)的重要原因,不同的自然環(huán)境因素使研究區(qū)間存在下墊面差異,從而影響災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度。據(jù)此,選擇地形位指數(shù)、河網(wǎng)密度、多年平均降雨量、多年平均降雨天數(shù)、人口密度、耕地面積比與單位GDP作為評價(jià)指標(biāo),從孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)體3方面構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系(表2)[15－16],通過專家賦權(quán)法與層次分析法確定權(quán)重,并將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。依托ArcGIS平臺(tái)插值分析中的反距離插值法將多年監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間鏈接。

表2 災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)體系

參考相關(guān)研究[17],結(jié)合研究區(qū)分析情況,將研究區(qū)的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性等級分為:高風(fēng)險(xiǎn)(>0.8)、較高風(fēng)險(xiǎn)(0.8~0.6)、中級風(fēng)險(xiǎn)(0.6~0.5)、較低風(fēng)險(xiǎn)(0.5~0.3)與低風(fēng)險(xiǎn)(<0.3)。

2.2.3 生態(tài)安全等級分析

采用Arc GIS 10.2中的柵格計(jì)算將研究區(qū)的生態(tài)敏感性與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性等級分布圖進(jìn)行疊加,得到7種類型環(huán)境敏感分布區(qū):1)高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)；2)中級災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—中級生態(tài)敏感區(qū)；3)高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)；4)低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)；5)低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—中生態(tài)敏感區(qū)；6)中災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)；7)低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)。

2.2.4 河段尺度下劃分河岸帶功能區(qū)

生態(tài)保護(hù)、防洪安全、緩沖、凈化水質(zhì)等功能的發(fā)揮與河岸帶寬度息息相關(guān)。根據(jù)國內(nèi)外研究結(jié)果[3－6],承擔(dān)防洪安全功能的河岸帶寬度在20~150 m,對水質(zhì)具有凈化功能的河岸帶寬度應(yīng)在5~50 m,具有棲息地功能的河岸帶寬度應(yīng)在5~500 m。本研究采用最大寬度原則,選取50 m、150 m與500 m為河岸帶功能的研究寬度,通過Arc GIS 10.2的分析工具—領(lǐng)域分析—多環(huán)緩沖區(qū),在汀江干流建立50 m、150 m、500 m的多環(huán)緩沖區(qū),從多尺度分析河岸帶功能。

3 結(jié)果與分析

3.1 縣域尺度下的生態(tài)敏感性

根據(jù)生態(tài)敏感性評價(jià)結(jié)果(圖1、表3),高生態(tài)敏感區(qū)的面積為267.83 km2,占研究區(qū)總面積的8.64%；較高等級生態(tài)敏感區(qū)的面積為438.86 km2,占研究區(qū)面積的14.16%。這2種敏感區(qū)主要分布在汀江干流、南山河支流,以及汀江干流與濯田河交界處,其中,汀江干流的高敏感區(qū)主要集中在河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)等地勢較為低洼、水土流失率較大且人為干擾較強(qiáng)烈的地區(qū)。

圖1 研究區(qū)生態(tài)敏感性等級分布圖

表3 研究區(qū)的生態(tài)敏感性各等級面積及其占比

3.2 縣域尺度下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性

由圖2和表4可知,高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積較小,多分布于汀江干流上游,尤其是汀州鎮(zhèn),因其人口密度與單位GDP比其他地區(qū)大,河流比降大,多年平均降雨量大,承災(zāi)體脆弱且孕災(zāi)環(huán)境與致災(zāi)因子敏感,對洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的抵御能力較弱；較高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在庵杰、新橋、大同與館前等鄉(xiāng)鎮(zhèn),還有部分位于古城鎮(zhèn)與童坊鎮(zhèn),這些區(qū)域多年平均降雨量較大,孕災(zāi)環(huán)境敏感；中級災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要分布在河田鎮(zhèn)與三洲鎮(zhèn),該地河網(wǎng)密度較大,人口密度與耕地面積比較大,孕災(zāi)環(huán)境與承災(zāi)體都較為敏感；較低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)域分布面積較廣,主要分布于多年平均降雨量較低、地勢較高、人口密度較小的地區(qū),其致災(zāi)危險(xiǎn)性與承災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性較低。

圖2 研究區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性等級分布圖

表4 研究區(qū)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性各等級面積及其占比

3.3 縣域尺度下的生態(tài)安全等級

由圖3與表5可知,研究區(qū)的高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)主要分布于汀洲、大同、新橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn),由于地處汀江干流流經(jīng)區(qū)域,城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá),人口密度大,其孕災(zāi)環(huán)境敏感,承災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性大；低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)主要位于紅山、羊牯、四都等鄉(xiāng)鎮(zhèn),這些區(qū)域的承災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性小,孕災(zāi)環(huán)境敏感性低；低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)主要分布在策武、三洲、河田與濯田等鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū),其人為干擾強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),同時(shí)水土流失現(xiàn)象比其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境敏感。

表5 研究區(qū)生態(tài)安全等級類型的面積及其占比

圖3 研究區(qū)生態(tài)安全等級分類圖

3.4 汀江干流長汀縣段的河岸帶功能區(qū)劃分

3.4.1 汀江干流長汀縣段的生態(tài)安全等級

在研究區(qū)生態(tài)安全等級分類(圖3)基礎(chǔ)上,沿汀江干流作50 m、150 m、500 m多環(huán)緩沖區(qū)處理,結(jié)果(圖4)表明,汀江干流兩側(cè)500 m內(nèi)河岸劃分為6個(gè)生態(tài)安全等級(表6)。

圖4 不同緩沖區(qū)下的汀江干流長汀段河岸帶環(huán)境敏感性類型分布圖

表6 不同緩沖區(qū)下生態(tài)安全等級類型的面積統(tǒng)計(jì)表

在50 m、150 m、500 m緩沖區(qū)內(nèi),低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)的面積分別為7.51 km2、18.37 km2、51.33 km2,在所有等級中占比最大；中災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)的面積分別為0.09 km2、0.28 km2、2.21 km2,所占面積最小。低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)在50 m緩沖區(qū)內(nèi)主要分布在河田鎮(zhèn)河段,這些區(qū)域河中沉積物較多,兩岸植被覆蓋率較低,河岸穩(wěn)定性差；在150~500 m緩沖區(qū)內(nèi)多分布于河田鎮(zhèn)與三洲鎮(zhèn)河段,這些區(qū)域地勢較低且平坦,存在水土流失問題。

高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)、中災(zāi)害安全—中生態(tài)敏感區(qū)主要集中在上游流域的大同鎮(zhèn)與新橋鎮(zhèn)河段500 m緩沖區(qū)內(nèi),這些區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)較好、人口密度大、降雨量豐富、河流比降較大、洪災(zāi)抵抗能力弱、河流生態(tài)敏感。當(dāng)前,新橋鎮(zhèn)為保留河灘,在河灘的3~5 m外區(qū)域已修建生態(tài)駁岸(對保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境具有一定意義),而大同鎮(zhèn)多是修建標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇的防洪堤壩。

高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)主要分布在庵杰鄉(xiāng)與汀州鎮(zhèn)河段500 m緩沖區(qū)內(nèi)。庵杰鄉(xiāng)人口密度小、人類干擾強(qiáng)度較小、生態(tài)環(huán)境良好,地處研究區(qū)內(nèi)高海拔區(qū)域,是河流比降最大的區(qū)域,受山洪威脅較大；汀州鎮(zhèn)是長汀縣中心所在,該河段的兩岸500 m緩沖區(qū)內(nèi)居民點(diǎn)密集、人口密度最大、社會(huì)經(jīng)濟(jì)良好,故承災(zāi)能力差,洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性大。當(dāng)前,汀州鎮(zhèn)在汀江干流兩岸已修建標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇防洪堤壩。

低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—中生態(tài)敏感區(qū)主要位于羊牯鄉(xiāng)與濯田鎮(zhèn)相交的河段150~500 m緩沖區(qū)內(nèi),主要是羊牯鄉(xiāng)地勢較高、人口密度小,已建有水利發(fā)電站。

策武鎮(zhèn)與濯田鎮(zhèn)是當(dāng)前長汀縣著力開發(fā)的重點(diǎn),生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重,城鎮(zhèn)的建設(shè)用地與人口密度大,河岸帶多處于半自然狀態(tài),存在水土流失問題,因此,生態(tài)安全類型復(fù)雜,包括了高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)、中級災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—中級生態(tài)敏感區(qū)與低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)、高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū)等。

3.4.2 基于生態(tài)安全的河岸帶功能區(qū)劃分

根據(jù)汀江干流長汀縣段的生態(tài)安全等級分析結(jié)果,結(jié)合?長汀總規(guī)?,將汀江干流長汀縣段的河岸帶劃分為5個(gè)功能區(qū)(圖5):

圖5 汀江干流長汀縣段的河岸帶功能區(qū)分析圖

1)生態(tài)保育區(qū)。位于汀江源頭的庵杰鄉(xiāng),其生態(tài)安全等級屬于高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—低生態(tài)敏感區(qū),根據(jù)?長汀總規(guī)?,該區(qū)域地處汀江自然保護(hù)區(qū),其人口將會(huì)納入到新橋鎮(zhèn)。因此,該河段的河岸帶要以保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境為主,加強(qiáng)對河道及其兩岸山體的保護(hù)與修復(fù)、增加生物多樣性、降低水土流失率、注重50 m河岸帶內(nèi)的水質(zhì)安全監(jiān)測,通過監(jiān)測的手段保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境。同時(shí),考慮到該處受山洪威脅大,在河岸帶的150 m內(nèi)不應(yīng)分布建設(shè)用地、耕地等,以降低承災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性。

2)防洪安全區(qū)。主要位于大同鎮(zhèn)河段、汀洲鎮(zhèn)河段及策武鎮(zhèn)、河田鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)的部分河段,是高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū),具有人口密度大、承災(zāi)體脆弱、受人類活動(dòng)的強(qiáng)烈干擾、生態(tài)環(huán)境敏感的特點(diǎn)。因此,在河岸帶20 m范圍內(nèi)要以防洪設(shè)施建設(shè)為主,在不影響行洪的條件下,通過修建生態(tài)駁岸、保留河灘、種植水生植物等方式提高生態(tài)功能。此外,還應(yīng)在20~500 m河岸帶范圍內(nèi)嚴(yán)格控制建筑、耕地等面積,降低承災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

3)生態(tài)監(jiān)測區(qū)。主要位于新橋鎮(zhèn)河段,以及策武鎮(zhèn)、濯田鎮(zhèn)等生態(tài)安全等級復(fù)雜的區(qū)域。這些區(qū)域經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較為發(fā)達(dá),致災(zāi)因子多,應(yīng)以生態(tài)與安全并重為原則,50 m河岸帶內(nèi)盡量避免過度開發(fā)而破壞河流生態(tài)環(huán)境,加強(qiáng)河岸帶植被保護(hù)與流域的水土流失治理；同時(shí),在居民點(diǎn)分布密集的河岸帶建設(shè)防洪設(shè)施,以確保社會(huì)安全。

4)生態(tài)修復(fù)區(qū)。主要位于河田鎮(zhèn)河段、三洲鎮(zhèn)河段及濯田鎮(zhèn)部分河段,生態(tài)安全等級為低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)。該河段的生態(tài)問題主要由水土流失與人類活動(dòng)干擾所致。因此,應(yīng)注重河岸帶的生態(tài)修復(fù),加強(qiáng)水土流失治理,提高其社會(huì)服務(wù)功能,促進(jìn)人地關(guān)系的協(xié)調(diào)發(fā)展。

5)建設(shè)控制區(qū)。主要位于羊牯鄉(xiāng)河段,生態(tài)安全等級為低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—中生態(tài)敏感區(qū)。該區(qū)域承災(zāi)體較強(qiáng),屬于汀江干流長汀縣河段的下游區(qū)域,河流比降大,水利資源豐富,應(yīng)注意控制該區(qū)域的水利設(shè)施建設(shè),以保護(hù)河流生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

縣域尺度下,高生態(tài)敏感區(qū)主要集中在河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)、策武鎮(zhèn)等水土流失率較大且人為干擾較強(qiáng)烈的地區(qū)；高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域多分布在汀洲鎮(zhèn)、大同鎮(zhèn)；較高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)主要分布在庵杰、新橋與館前等鄉(xiāng)鎮(zhèn),以及古城鎮(zhèn)與童坊鎮(zhèn)的部分區(qū)域。河段尺度下,高災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)主要集中在大同、新橋等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的河段；低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)—高生態(tài)敏感區(qū)主要分布在河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)以及濯田鎮(zhèn)部分河段；策武鎮(zhèn)與濯田鎮(zhèn)是當(dāng)前長汀縣著力開發(fā)的重點(diǎn),經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較為發(fā)達(dá),致災(zāi)因子多,生態(tài)安全類型復(fù)雜。結(jié)合?長汀總規(guī)?,將汀江干流長汀縣段河岸帶劃分為生態(tài)保育區(qū)、防洪安全區(qū)、生態(tài)監(jiān)測區(qū)、生態(tài)修復(fù)區(qū)、建設(shè)控制區(qū)5個(gè)功能區(qū)。