岩溶地区水土流失生态风险评价
2018-01-31易兴松兰安军张吟
易兴松 兰安军 张吟
摘要：以贵州省六盘水市为研究区，结合岩溶地区特殊的生态环境和人类活动因素，从风险源（基岩裸露率、地形起伏度、沟谷密度、降雨量、植被覆盖度、人类活动）和风险受体（生态服务价值、核心生态保护区、潜在经济损失）的角度分析了六盘水市的水土流失生态风险情况。运用层次分析法和专家咨询法确定了各个因子的权重，对2015年六盘水市的水土流失生态风险进行了分级评价。结果显示：盘县东部、水城西南部、六枝特区南部生态风险较高。六盘水市中险型及以上风险面积达6400.18 kmz（占总面积的64.55%），整体水土流失生态风险偏高。
关键词：生态风险;岩溶地区;水土流失;六盘水
中图分类号：S157
文献标识码：A
文章编号：1674-9944（2018）2-0073-05
1 引言
水土流失及其造成的生态环境问题，包括农业减产、土地资源减少、旱涝和地质灾害（滑坡、崩塌、泥石流等）加剧、生态环境退化等，制约着人类生活和社会经济的进一步发展，是当今世界面临的一个亟待解决的环境问题[1]。开展区域水土流失及其生态风险评价研究，不仅可以加深对水土流失影响及危害的认知和理解[2]，而且对水土流失防治效果评价、实施水土保持建设具有重要的意义[3]。
风险评价萌芽于20世纪30年代，该时期的风险评价以毒物鉴定方法为基本手段，针对人体健康受到的影响进行分析，多以定性研究为主。到20世纪70年代后，风险评价方法发展到定量研究，评价体系已初具规模。20世纪90年代末到21世纪初，生态风险评价的适用范围已经扩展到区域、景观乃至流域尺度，并且将生态风险评价与新兴学科景观生态学相结合。Hun-saker等人[4]研究如何将生态风险评价应用到区域景观尺度，Wallack等[5]用土地利用等数据代替化学污染物浓度进行了关于杀虫剂对流域表层水体的风险评价研究。该时期生态风险评价是在多风险源、多风险受体的基础之上，进行综合生态风险评价，定量与定性评价并用，评价工具也更加模型化。
我国从20世纪90年代引入了生态风险评价研究，以介绍和应用国外的科研成果为主[6]。从环境风险评价起步，逐渐上升到生态风险评价再到区域生态风险评价，风险源由单因素到多因素，风险受体由单一受体到多受体，评价尺度由局部扩展到宏观区域景观水平。徐丽芬[7]等和许学工等[8]分别選取北京和全国主要的自然灾害为风险源，以风险源的发生概率、生态环境脆弱性和生态资产构建生态风险评价模型，对北京顺义区和全国的自然灾害生态风险进行研究。时宇等[9]从风险源和受体两方面因素着手，对北京地区的水土流失生态风险进行研究。
岩溶地区与非岩溶地区的水土流失存在一定的差异性。本文以贵州省六盘水市为研究区，对岩溶地区的水土流失进行生态风险评价。据有关资料显示，截止2015年4月20日，六盘水全市有地质灾害隐患点1121处，受威胁农户50530户，197945人。灾害类型有：崩塌、地裂缝、地面沉降、地面塌陷、滑坡、泥石流。之所以会发生这样的灾害，说明该处的生态风险较高。这些灾害隐患点严重威胁社会经济和生态环境的可持续发展。因此，分析和评价六盘水市的水土流失风险迫在眉睫。本文有望为六盘水市的生态风险监测提供指导作用，同时完善了岩溶地区水土流失生态风险评价体系。
2 研究区概况
六盘水市位于中国西南部，贵州省西部（图1）。地理位置在北纬25°19′～26°55′、东经104°18′～105°42′。六盘水市现辖盘县、钟山区、水城县和六枝特区4个县级行政区（图1），国土面积9914 km2，占全省总面积的5.63%。境内山地、丘陵和高原是主要地貌类型。六盘水地处生态环境脆弱的岩溶地区[10]，地层岩性多以碳酸盐岩为主，碳酸盐岩占六盘水市国土面积比为58.19%。2016年9月发布的《贵州省水土保持公告》显示，六盘水水土流失面积为3713.82 km2，占土地总面积的37.46%，由于地处岩溶地区，水土流失治理难度不容乐观。
3 数据与方法
3.1 数据来源和准备
采用的数据主要有：六盘水市涉及的县级行政区矢量数据，2005～2015年降雨量数据，2015年Landsat 8、资源一号、资源三号遥感影像，30mGDEM V2（数据来源于地理空间数据云平台），1： 20万水文地质图等。主要处理软件为ENVI 5.3和ArcGIS 10.2。
利用Landsat 8影像在ENVI中反演得到植被覆盖度;同时基于该影像进行人机交互解译得到2015年的土地利用数据，并利用高分辨率的资源一号、资源三号卫星影像进行土地利用校正。以DEM数据为基础，在Arc GIS中提取得到地形起伏度，沟谷密度。最后对各评价因子进行栅格化，统一坐标系为albers、数据格式（img）以及分辨率（30 m×30 m），得到各评价因子栅格图[11]。
3.2 评价因子的确定与分级
诸多因素造成了中国南方岩溶地区水土流失的特殊性，包括人文、水文、气候、地质、地貌、植被、土壤等[12]。以国内专家对水土流失生态风险评价为研究基础，结合岩溶地区的特殊环境情况，进行评价因子筛选，一共筛选出10个因子，并将这些因子分为两大类：风险源和风险受体。风险源即风险的来源，包括可能引起风险的自然和人为因素;风险受体是自然界中可能受到风险源不利影响的组分，即风险的承受者。风险源包括降雨量、植被覆盖度、地形起伏度、沟谷密度、地层岩性、基岩裸露率和人类活动。风险受体包括核心生态保护区、生态服务价值和潜在经济损失[13]。
确定评价因子后，需要设定各因子权重的大小，因子权重的大小反映该指标对水土流失生态风险所起的作用大小，权重大就表明该因子影响作用大。笔者采用层次分析法来确定各风险指数的权重，通过专家对评价因子的重要程度进行两两比较，构造判断矩阵，求算出各因子所占权重，结果如表1～3。
（1）年均降雨量。采用2005～2015年六盘水市周边13个气象站点的降雨量资料，利用克里金插值法模拟六盘水市的年均降雨量空间分布数据，同时，采用Arc GIS提供的Jenks自然分类法得出分级。这种分类方法是利用统计学的Jenk最优化法得出的分界点，能使各级的内部方差之和最小，从而实现最相近的数据作为一组的自然分类效果[14]。
（2）植被覆盖度。本文的植被覆盖度值以2015年Landsat 8影像为数据源，由NDVI反演而得。利用李苗苗等在像元二分模型的基础上研究的模型提取了植被覆盖度[15]，具体公式如下：
（3）地形起伏度和沟谷密度。在大尺度的区域性研究中，坡度坡长因子难以计算（生态功能区划暂行规程），且只有数学意义而不具备土壤侵蚀和地貌学意义[16]。而研究证明，沟谷密度越大，地表破碎度越高，平均坡度增加，地表物质越不稳定，就易形成地表径流，导致水土流失的环境问题加剧。六盘水市境内山高坡陡，峰峦起伏，地形起伏高差大，为水土流失创造了势能。因此，笔者选用地形起伏度和沟壑密度来表征坡度坡长因子（地形地貌）对水土流失过程的影响。
以30m分辨率的DEM数据为基础，在Arc GIS的Spatial Analyst模块下选用3.2 km×3.2 km（59×59）为窗口提取地形起伏度。据研究表明，当选用分辨率为50 m的DEM数据时，选择汇流累计阈值为100个像素时，沟谷精度最高。本文采用以上方法提取沟谷，并以8 km×8 km为样区，计算六盘水市所有样区的沟谷密度，其计算公式为：
Ds=∑ L/Ai 式中：Ds为样区的沟谷密度;∑L为样区的沟谷总长度（km），Ai为样区的面积（km2）。
（4）人类活动。不同的土地利用类型，人类活动干扰程度也大不相同。土地利用类型中其它土地级别最低，干扰程度为微弱;水域及水利设施用地、草地、林地属于较弱;耕地、园地干扰程度为一般;居民点由于人类活动比较集中，干扰程度为较强;矿区（包括交通运输用地）的人类活动最为密集，尤其是六盘水煤矿较多，地表扰动较大，干扰程度为剧烈。
（5）基岩裸露率。修正通用水土流失方程中用土壤质地来代表土壤可蚀性，但六盘水属于岩溶山地区域，特殊的生态环境导致该地区土层偏薄，而且不连续[17]。因此，地处岩溶地区的六盘水市部分区域土壤已被侵蚀成裸岩，岩石裸露率越高，则土壤对水土流失越敏感，必须基于生态退化的现状来评价水土流失生态风险[18]。所以本文选取基岩裸露率作为反映水土流失生态风险的因子之一。本文中以2015年2.5 m精度的资源一号、资源三号遥感影像数据为数据源，基于多光谱遥感影像的裸岩率计算方法进行基岩裸露率反演[19]。具体计算公式如下：
BRp=（1-BSp- VC）×100%
其中：BRp为裸岩率，BSp为土壤裸露率，VC为植被覆盖度。
（6）地层岩性。地层岩性不同，抗蚀性强弱也有差异。抗蚀性越强，水土流失生态风险越低。查阅相关资料，得到抗蚀性强弱排序为：粘土岩<砾岩<页岩<砂页岩<砂岩<白云岩<石灰岩<玄武岩<辉绿岩，据此进行分级。
（7）生态服务价值。根据生态系统单位面积生态服务价值当量，对于不同类别的土地利用类型赋予不同值，由大到小排列依次是森林、水体、草地、农田、其他。
（8）核心生态保护区。按照生态保护区的类型和级别，分别赋予等级。核心生态保护区类型主要有饮用水源保护区、森林公园、自然保护区、湿地公园、风景名胜区、地质公园。
（9）潜在经济损失。不同的土地利用情况，遭受水土流失时的经济损失不同，重要性因此而不同，据此作出分级。
3.3 分析方法
3.3.1 水土流失生态风险计算与分级
确定各因子的权重后，利用Arc GIS中的地图代数工具，根据以上因子权重和以下相关公式进行栅格图层的叠加计算，得到风险源指数分布图、风险受体指数分布图和生态风险指数分布图，公式如下：
风险源A=因子1×Wl+因子2×W2+……+因子7×W7;
风险受体B=因子8×W8+因子9×W9+因子10×Wl0;
风险指数C=风险源A×Wa+风险受体B×Wb。
在Arc GIS平臺上，采用自然分类法将水土流失生态风险值分为5级，分别为无险型、轻险型、中险型、强险型、极险型，分级结果如图2。最后，将其他专题图转化为相同比例尺，在Arc GIS软件支持下进行面积量算、图形输出。
3.3.2 水土流失生态风险优势度
六盘水的生态环境是受人类活动强烈干扰的区域环境，其环境质量状况是由区内自然和人为因素的相互作用来共同决定。据研究表明，景观生态学方法既可以用于生境变化预测也可以用于生态现状评价。为此，本文借鉴区内景观生态学法[20]，来判断区内生态风险变化的趋势。
分析中采用了以下指标来衡量区内生态风险趋势情况：
密度Rd=I斑块的数目/斑块的总数×100%;
频率Rf=斑块I的样方数/样方总数×100%;
景观比例Lp=斑块I的面积/样地总面积×100%;
景观优势度Do=[（Rd+Rf）/2+Lp]×100%。
在景观频率的评判中，运用Arc GIS的Fishnet模块在生态风险图上取样的方法，对整个研究区进行取样，共获取9405个样方，每个样方面积为1000 m×1000 m。
4 结果分析与验证
4.1 生态风险相关评价
4.1.1 生态风险等级评价
对六盘水市水土流失生态风险综合评价，可以发现无险级和轻险级面积为3514.31 km2，占总面积的35.45%;强险级和极险级面积达3483. 22 km2，占六盘水市国土面积的35.13%;中险级的面积最大，为2916. 96 km2，占总面积的29.42%。各类型生态风险统计结果如表4。研究表明，评价区内存在一定的水土流失生态风险，需要引起足够重视。从水土流失生态风险县域空间分布情况来看，盘县东部、水城西南部、六枝特区南部生态风险较高，六盘水市北部生态风险较低。
4.1.2 水土流失生态风险优势度评价
从表5可以看出，在本评价区内，各类斑块的优势度值差异较大。该评价区的中险级斑块的Do值为46. 68%，景观比例值Lp为29. 42%，出现的频率为94. 81%，优势度在生态风险斑块类型中居首位，表明中险级生态风险在六盘水的生态环境中占主导优势;轻险级斑块的Do值略低于中险级，为41.60%;强险级的Do值也比较高，为37.02%。因此，从六盘水市整体的生态风险优势度来看，全市范围内生态风险呈现中险级偏下的趋势，需在一些强险级和极险级的区域加强监测措施，以防为主、防治结合、突出重点，维护六盘水市的生态安全。
4.1.3 水土流失生态风险与水土流失现状分析
参考《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》的水土流失分级标准，得到2015年六盘水市水土流失现状，然后将其与水土流失生态风险结果进行空间叠加，统计结果如表6。
由表6所示，六盘水市水土流失生态风险大部分处于中度危险等级。从表6中可以看出，有些水土流失严重的地方水土流失生态风险等级却不高，是因为有些地方地形起伏较小，土层较厚，适宜于耕作，从而导致部分区域的水土流失较严重但生态风险却不高。而有些水土流失不严重的区域水土流失生态风险等级很高，是由于其山高坡陡，基岩裸露高，土层较薄，所以未出现较严重的水土流失。由此可见，岩溶地区的水土流失现状与水土流失生态风险不完全呈正相关性，它们同时受到自然因素和人类活动的影响，自然因素是水土流失发生发展的前提，人类活动是水土流失加剧的诱因。
4.1.4 水土流失生态风险与人口数据分析
生态风险是区域性的，需对人口基数较大，生态险较高的区域进行重点预防。本文同时结合了六盘水2015年各乡镇的人口数据，在各县乡镇人口基数为前提的条件下，统计分析得出六枝特区的岩脚镇、中寨苗族彝族布依族乡、堕却乡等;盘县的红果镇、新民乡、淤泥彝族乡等;水城县的猴场乡、花戛乡等;钟山区的大湾镇等需要重点监测，以上乡镇人口数量多，生态风险高，需特别注意水土流失生态风险的预防。
4.2 生态风险结果验证
为验证本文针对喀斯特区域生态风险评价的精确度，本文利用六盘水市2015年的典型地质灾害数据进行调查，共288个地质灾害隐患点，其中自然因素隐患点215个，采煤隐患点82个，公路隐患点1个，水电站隐患点2个，用于生态风险评价结果的验证，如表7。将选取的288个灾害点与生态风险数据叠加，结果表明244个处于轻度风险以上生态风险等级，占验证点总数的84.72%。灾害点中有44个处于无险级，这其中22个点是由于采煤、修建公路等人为因素导致的。由于人为因素是随机的，具有不可预测性。所以本文结果具有一定的参考性。
5 结论与讨论
本文在前人针对水土流失生态风险评价的基之上，选取中国南方岩溶地区水土流失特殊性造成的生态风险展开探讨。以六盘水市为研究区，从风险源和风险受体的角度评价了六盘水市的水土流失生态风险分布情况，与2015年的地质灾害隐患点对比，可以发现隐患点与对应的生态风险等级基本符合实际。分析结果显示，盘县东部、水城西南部、六枝特区南部生态风险较高，六盘水市中险型及以上风险面积达6400. 18 km2，占总面积的64.55%，水土流失生态风险偏高，整体生态风险趋于中险级及以下水平发展。建议对六枝特区的岩脚镇，盘县的红果镇，水城县的猴场乡，钟山区的大湾镇等区域重点布置相关预防治理措施，如监测治理、监测搬迁、监测避让。不足之处在于针对人口基数较大和生态风险较高的区域进行筛选时，没有相关的定量指标，有待进一步研究。本文研究结果可为区域性的生态风险监测提供技术手段，有望弥补岩溶地区的水土流失生态风险评价体系，为岩溶地区的生态风险预警提供一定的借鉴意义。
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