基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评价

赵明月，王文杰 ，王维，张哲，张恒庆

1.辽宁师范大学生命科学学院，辽宁 大连 116081

2.中国环境科学研究院环境信息研究所，北京100012

生态安全研究是在出现全球性环境问题的背景下，从“环境安全”扩展而来，生态安全概念最早由L. R. Brown 于1977年提出［1-2］。目前被广泛认可的定义有狭义和广义2 种概念［3］:狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康整体水平的反映;广义的生态安全概念是由国际应用系统分析研究所(IASA)于1989年提出的，指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全，组成一个复合人工生态安全系统。流域生态安全是目前我国生态安全领域研究的重点内容之一，近20年我国几大流域出现的不同程度的环境质量退化和河流水体的污染问题，已逐渐成为威胁我国流域环境质量的突出问题，流域生态安全逐渐引起国家和公众的高度重视［4-6］。

目前，国内学者对流域生态安全指标体系的建立以及生态安全评估方法进行了大量研究，如从PSR 框架、DPSIR 框架、“4 +1”湖泊生态安全评估框架、结构和功能、遥感技术、灾害视角、多目标决策、多层次多尺度等角度对流域生态安全评估进行研究［7-13］。同时对流域内不同的水环境、农业、景观生态安全格局，流域重要功能区，流域上中下游等［13-19］进行了生态安全评价。目前，生态安全评估的研究方法主要有数学综合评估法、生态模型法、景观生态学分析法、数字地面模型法和生态承载力分析法等［20-21］。数学综合评估法具有比较强的科学性和可靠性，是常用的比较成熟的方法［22］，包括综合指数法、层次分析法、灰色关联度法、物元评判法、主成分投影法、模糊综合法、BP 网络法、熵权法和模糊模式识别法。每个方法各有其优缺点，适用于不同的对象和范围［20-24］。

土地利用是人类活动对生态系统作用的结果，其改变了流域的水文过程，从而会对流域的水生态健康造成影响，如水温升高、非点源污染等［25-26］，且不同的土地利用类型也会使流域的污染物种类、数量、浓度不同［27-29］。同时，土地利用还会改变生态系统的类型、空间格局以及生态过程，从而影响生态系统的服务功能［30-32］。而目前基于土地利用的流域生态安全评估研究较少。王文杰等［33］按水域、岸边带和陆域的生态结构、服务功能和协迫特征构建了流域生态健康评价基本框架和评价体系，在此基础上，笔者采用层次分析法和综合指数法，将土地利用与流域生态安全2 个热点问题相结合，从土地利用角度构建流域生态安全评估指标体系，以水府庙水库流域为典型案例，对水府庙水库流域的生态安全现状进行评价，以期为流域生态安全评估技术提供参考，为水府庙水库流域生态环境保护与管理提供科学依据。

图1 水府庙水库流域示意Fig.1 Location of Shuifumiao Reservoir Basin

1 研究区域概况

水府庙水库流域地处湖南省腹地，湘江一级支流涟水中游，水库位于娄星区、双峰县和湘乡市三地的交界处，地理坐标为112°05＇04″E ～112°14＇52″E，27°38＇57″N ～27°47＇23″N。水府庙水库流域主要包括水府庙水库大坝以上、涟水的部分流域，控制流域总面积3 040.5 km2;河流水系包括水府庙水库及涟水、孙水、湄水和西阳河等(图1)。流域内地形起伏，河谷平原、丘陵、岗地和低山交错排列，海拔63 ～1 511 m，地势南北高中间低，不同区域坡度差异较大，15°以上的区域面积约占整个流域的40%，坡度较小的地区主要分布在中部河谷平原，涟水主流由西向东穿过流域。流域属中亚热带季风湿润气候区，雨量充沛，四季分明。水府庙水库流域土地利用类型以林地和耕地为主，林地在流域内所占面积最大，所占比例为52.67%，耕地所占比例为29.69%。其他土地利用类型包括建设用地、园地、水体、草地和湿地，占流域面积比例分别为6.84%、6.77%、2.64%、0.93%和0.47%。近年来，水府庙水库流域逐渐扩大城镇规模和农业开发，进行开荒和采伐活动。与2000年相比，2013年林地面积减少为1 601.3 km2，减少的面积占2000年的19.1%。2013年耕地面积增加到902.6 km2，增加面积占2000年的41.71%。自然湖滨面积减少15.1 km2，比2000年减少约1/3，湖滨带范围内耕地面积占全部面积近1/2，比2000年增加约10.2 km2，增长非常迅速。

2 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评价

2.1 评估总体框架

流域生态系统是一个自然-社会-经济复合生态系统。流域生态安全研究的空间范围包括流域内陆域、岸带、水域三大子系统。在人类社会经济活动对流域生态系统的干扰下能够维持流域生态系统的完整性和生态健康，并且为人类稳定提供生态服务功能的状态是流域生态安全的表征。因此基于土地利用的流域生态安全评估框架在土地利用对流域生态系统结构与功能造成影响的基础上，通过评估陆域环境影响、水域生态健康、流域服务功能3 个方面构建起来。陆域环境影响、水域生态健康和流域服务功能三者互相关联、互相影响，共同构成评估框架的基本内容。以土地利用相关数据为主要数据来源，同时考虑到数据的可获取性和可操作性，并遵循系统性、目的性、代表性、科学性、可表征性和可度量性原则筛选相关指标。

2.2 指标体系的建立

从土地利用角度，陆域环境影响主要选取社会经济、土地利用和污染负荷3 个方面进行评估。

水域生态健康主要从入库河流水环境、水质和富营养化以及水生态环境3 个方面进行评估［34］。良好的水质和水生态结构能够反映水域生态系统的健康性和完整性，是水域生态健康与否的重要表征［35］。

流域生态服务功能主要选取陆域、岸带和水域3 个区域各自的主导服务功能进行评估，分别为陆域的土壤保持功能、岸带的栖息地功能和拦截净化功能以及水体的饮用水服务功能。

基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估体系由目标层、方案层、因素层、指标层构成，包括3个方案层指标、10 个因素层和30 个指标层，并利用层次分析法确定了权重［36］。具体指标选取以及指标解释和指标数据来源见表1。

2.3 评估方法

2.3.1 评价指标标准确定

目前，生态安全评价指标标准主要来源于国际公认值、世界平均值和全国平均值，以及国家制订的行业标准、规范值，一些指标的标准值仍然处于探索阶段。水府庙水库流域生态安全评价指标的标准值主要是参考国际标准、国家标准、更大范围区域的平均值以及通过科学研究已被广泛引用的分级标准［37-42］。对于目前研究较少、但对评估较为重要的指标在缺乏标准值的情况下，暂时根据经验确定其标准值。水府庙水库流域生态安全评价指标标准值及分级标准见表2 和表3。

2.3.2 数据标准化处理

根据Weber-Fishna 定律进行指标的无量纲化和标准化处理，环境与生态的质量-效应变化符合该定律，即当环境与生态质量指标成等比变化时，环境与生态效应成等差变化。

正向型指标rij=(xij/sij)×100

负向型指标rij=(sij/xij)×100

式中:xij为i 指标在采样点j 的实测值;sij为指标因子的参考标准;rij为评价指标的无量纲化值，此处需要满足0≤rij≤100，＞100 的则按100 取值。

对那些不符合Weber-Fishna 定律的指标，参考该定律从质量-效应变化分析来确定转换方法。对于有阈值的指标，在阈值范围内以阈值为标准值进行转换，阈值范围外的指标则作0 处理。

2.3.3 评估模型

采用综合指数法将标准化后的各数据进行计算，得出生态安全指数［43］。生态安全评估模型如下:

式中:ESI 为生态安全评估综合指数值，0 ～100;Wi为评估指标在综合评估指标体系中的权重，0 ～1;Bi为评估指标的归一化值，0 ～100;n 为评估指标数。

2.3.4 分级标准

为得到更直观的评价结果，从高到低将生态安全指数划分为五级。各等级的划分标准以及生态安全状态如表4 所示，并根据分级标准将水府庙水库流域生态安全指数进行分级评价。

表1 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估指标体系Table 1 The ecological security assessment index system of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表2 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估部分指标的标准值Table 2 Benchmarks of indicators on the ecological security assessment of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表3 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估部分指标分级Table 3 Classification standard of indicators on the ecological security assessment of Shuifumiao reservoir basin based on land use

表4 生态安全指数等级划分标准Table 4 Classification standard of ecological security index

3 评估结果及讨论

3.1 水府庙水库流域安全综合评估结果

综合以陆域环境影响、水域生态健康状况、流域生态服务功能3 个方面的评估基础进行基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估，流域生态安全综合指数为58.5，安全等级处于三级，安全表征状态为“一般”(表5)。从陆域环境影响、水生态健康、流域生态服务功能3 类单项评估与综合评估的对比分析来看，陆域环境影响对水府庙水库流域综合生态安全的压力较大;水生态健康和流域生态服务功能对流域综合生态安全影响较小(图2)。

表5 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估结果Table 5 The ecological security assessment results for Shuifumiao reservoir basin based on land use

图2 基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评估结果表征Fig.2 The ecological security assessment results characterization for Shuifumiao reservoir basin based on land use

3.2 讨论

与以往流域生态安全评估相比，尝试了从土地利用的角度构建由陆域环境影响、水域生态健康状况、流域生态服务功能组成的流域生态安全评价体系，并基于土地利用选取了水府庙水库流域评估的因素层和指标层，利用层次分析法和综合指数法进行了评估，为流域生态安全评估提供了借鉴。评估结果分别反映了水府庙流域中陆域经济活动、土地资源开发利用和污染负荷对流域生态系统造成的影响程度;土地利用对水域水质、富营养化和生物多样性的影响;土地利用对流域生态服务功能影响，包括林木覆被下水土资源的维护自然状态能力、水域生态系统为人类提供水资源保障的能力、岸带栖息地控制土壤沙化和降低水土流失能力、生态系统自身净化能力和岸带阻截陆域面源污染负荷能力。

(1)陆域环境影响指数为51.2，属于“一般”影响级别。水府庙水库流域社会经济存在的压力比较大，已经接近生态阈值，生态系统尚且稳定，但敏感性强。造成水府庙水库流域陆域环境评估结果较低的相关指标主要是土地利用和污染负荷。随着城镇规模和农业开发逐渐扩大，进行的开荒和采伐活动使得城镇用地比例和耕地比例增高，威胁到流域内林地、草地和湿地面积，2013年水府庙水库流域城镇用地比例约为6.84%，流域耕地面积比例约为36.46%，流域中部地区植被覆盖显著下降。水府庙水库流域污染负荷较大，城镇生活污染、畜禽养殖是水府庙水库流域的主要污染源。

(2)水域生态健康状况指数为58.4，属于中等安全状态。对水府庙水库流域水体环境评估结果影响较明显的指标主要是水质和富营养化指标。影响水体环境的污染源主要有城镇生活污染和畜禽养殖，而对水府庙水库流域水体影响最大、容易直接造成富营养化的污染源是网箱养殖。并且水府庙水库流域水生植物资源丰富，水草的区域分布主要集中在各湖湾角落，水葫芦覆盖度较大，也严重威胁水体安全。水府庙水库流域基本上属中营养级，并开始呈现富营养化状态，正处于从中营养级向富营养级过渡状态。

(3)水府庙水库流域生态服务功能指数为69.6，目前属于较好的范畴。水府庙水库流域内土壤保持能力较好，土壤保持能力最强的是林地。耕地也有一定的土壤保持能力。饮用水功能较好，长株潭城市群周边最大的淡水湖作为水府庙水库流域的饮用水源地水质达标率达到100%。水府庙水库流域岸带栖息地功能受损较大，近年来社会经济发展和人类活动增强都对水府庙水库周边的岸带造成了威胁，农田开垦是使岸带自然生态系统破坏的最主要原因，通过土地利用状况调查计算水府庙水库流域水源涵养指数为18.81%，湿地面积占总面积的比例约为0.47%。水府庙水库流域岸带湿地呈破碎化、片段化发展，虽然总面积不断增加，但湿地长时间的不完整将严重影响水府庙水库流域的生态安全。

4 结论

水府庙水库流域生态安全综合指数为58.5，等级为“三级”，生态安全表征状态为“一般”。由于逐渐扩大城镇规模和农业开发，进行开荒和采伐活动导致流域内土地利用不合理，使水府庙水库流域生态服务功能受损，对流域的生态安全造成压力。并且由于人类活动造成的污染负荷也使水环境质量面临着来自内源污染和外源污染的双重胁迫，水体开始呈现富营养化状态，影响到水府庙水库流域的水体环境。这些因素已成为威胁水府庙水库流域生态安全的隐患。

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