切尔诺贝利核事故对区域景观格局及生境质量的影响

2021-04-08张晓瑶李冬花

生态学报 2021年4期

张潇,陆林,张晓瑶,李冬花

安徽师范大学地理与旅游学院,芜湖 241002

景观格局和生境质量是区域生态状况及其服务水平的重要表征[1-2]。不同时空尺度上的内外多因素共同驱动着区域景观格局不断演化,而生境质量揭示的生态系统服务水平和生物多样性亦随之不断变化[3-4]。灾难作为一种突发性外部干扰形式,直接影响着区域景观格局和生境质量的演化过程[5]。灾难发生地不仅会产生惨重人员伤亡和巨大经济损失,造成社会公众心理创伤和公共秩序紊乱,还会对区域自然环境产生重大影响,导致生态系统结构与功能改变[6]。灾难地特殊、复杂的生态系统演化轨迹受到了多领域学者们的广泛关注,不少学者从景观格局视角探讨了地震[7]、火灾[8]、极端气候[9]和海平面上升[9-11]等自然灾害对土地利用/土地覆被的损害程度及恢复过程,亦有学者分析了诸如大坝溃坝等“天灾人祸”共同作用下的土地覆被空间变化特征[12]。在生境质量方面,多数研究也从地震、火灾等自然灾害着手,系统评估灾难地生境质量变化[13-14]。灾难引致的景观格局变化会重构已有的资源禀赋分布格局,进而对生境质量产生深刻影响[2],但绝大多数灾难地研究往往将两者割裂进行单独分析,忽略了景观格局和生境质量间的相互作用关系。此外,相比自然灾害,单纯由人为因素引致的重大灾难往往发生于城市等人口集聚区域,而且持续时间和影响范围有限,受限于灾难地选择问题,较少有文章探讨人为灾难对区域景观格局及生境质量的影响,更鲜见灾难地景观格局和生境质量恢复过程的研究成果。

切尔诺贝利核事故作为人类和平利用核能历史中最严重的技术灾难之一,其爆炸产生的放射性污染烟尘致使核电站附近30km内的居民点与耕地被废弃,数万人背井离乡,区域生态环境发生重大改变[15-16]。在30多年的辐射暴露下,该区域反而出现了丰富的哺乳动物群落,失去人为干扰的隔离区麋鹿、狍子、野马和野猪的数量显著上升,狼的丰度是以前7倍以上[17],生境质量有所改善。基于此认识,本文以切尔诺贝利隔离区为研究区域,借助遥感影像、景观指数以及InVEST模型等技术手段,从景观格局和生境质量两个视角阐释了隔离区1970—2019年的生态系统演化过程及特征,结合CA-Markov模型模拟结果评估核事故对该区域景观格局及生境质量的影响程度,以期为灾难地生态损失评价及构建和谐人地关系提供借鉴启示。

1 研究区域概况

切尔诺贝利核电站(Chernobyl NPP)位于乌克兰境内西北部的普里皮亚季镇,1986年4月26日,机组工作人员在4号反应堆进行涡轮发电机组惰转供电试验时引发反应堆爆炸[18]。事故发生后,当地政府将核电站方圆30km内地区划为切尔诺贝利隔离区(Chernobyl Exclusion Zone,CEZ,下简称隔离区)[19]。隔离区位于29°15′05″—30°33′24″E、51°05′17″—51°31′56″N之间(图1),属于温带大陆性气候,1月平均气温-6℃,7月平均气温17℃,年均降水量700mm,地形以平原为主。隔离区总面积2600km2,包含切尔诺贝利和普里皮亚季2处城镇以及78个村庄,两座城镇一度被视为苏联先进生产力的代表[20]。事故发生前,该区域是乌克兰重要的集约型农业区和林业区[16],主要树种有苏格兰松(Pinussylvestris)、挪威云杉(Piceaabies)、银桦(Betulapendula)、欧洲山杨(Populustremula)等[15,20]。

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源

遥感数据来源于美国地质调查局(https://earthexplorer.usgs.gov/),以事故发生前11a及1a(1975年、1985年)和后1a、5a、15a及33a(1987年、1991年2001年、2019年)的6期Landsat系列遥感影像为基础数据,其中1975年遥感影像轨道号为196/24,1985—2019年为182/24。所有影像时相为6—9月,研究区云量小于1%。此外,由于缺乏轨道号为196/24的1980年遥感影像,故选用两期轨道号为195/24和197/24的1980年遥感影像和一期轨道号为196/24的1981年影像作为景观格局预测的辅助数据。研究区边界数据和辐射剂量率数据来源于乌克兰国家隔离区管理局(http://dazv.gov.ua/),辐射剂量率获取环境为2019年8月2日15点20分,12.3℃,西北风。生境质量分析所需的威胁因子来源于景观解译数据,道路交通数据来源于Google Earth。

2.2 景观分类与景观格局指数

利用ENVI 5.3对所有遥感影像进行几何校正、图像裁剪、图像增强等预处理工作。采用支持向量机法对研究区1985—2019年的遥感图像进行监督分类,将景观类型分为针叶林、阔叶林、草地、耕地、沙地/裸地、建设用地、水体7种,在此基础上进行目视解译修正。1975—1980年的MSS遥感影像质量较差,故直接对照1985年影像和历史资料进行目视解译分类。借助Google Earth、街景和Photo Sphere进行混淆矩阵精度验证,7期影像解译精度均在84%以上,Kappa系数均大于0.81,满足研究需求。

参考相关研究[21-24]并根据研究需要,选取斑块密度(PD)、边缘密度(ED)、香农多样性指数(SHDI)、蔓延度指数(CONTAG)4种景观水平指数来反映隔离区景观破碎化、复杂性以及多样性等特征,各指数主要运用Fragstats 4.2计算。

2.3 生境质量评估

借助InVEST模型定量评估隔离区生境质量演化状况,该模型主要通过土地利用和生物多样性威胁因子数据绘制生境质量地图,所需数据在全球范围内均可获得,不受研究区的不可进入性限制,极其适合切尔诺贝利地区生境质量评估[25]。

参考相关研究[25-27]并结合研究区实际情况,将耕地、城镇用地和交通用地设为威胁源,将林地、草地、耕地和水域等设为提供生境的景观类型,各威胁源的最大影响距离和权重见表1,各生境的适宜度及对威胁因子的敏感度见表2,半饱和参数设置为最高退化栅格值一半。模型计算方法与意义参考相关文献,参考相关研究,利用ArcGIS将计算结果分为高(0.8—1)、中(0.4—0.8)、低(0—0.4)3个等级[25,28]。

2.4 元胞自动机—马尔科夫(CA-Markov)模型

借助CA-Markov模型模拟未发生核事故下的隔离区景观格局演化过程[29-30]。利用1975—1980年的转移面积矩阵和转移概率矩阵预测隔离区1985年景观类型分布,其修正Lee-Sallee形状指数值为0.61,表明CA-Markov模型模拟精度较高。以1985年为起始年,滤波参数设为5×5摩尔邻域,迭代次数分别设为10和30,模拟未发生核事故的隔离区1995年和2015年景观类型分布状况,进而借助InVEST模型模拟同年生境质量状况。

表1 威胁源最大影响距离、权重和衰减类型

表2 各生境适宜度及其对威胁源的敏感度

3 结果分析

3.1 景观类型影响分析

将事故发生前的1975—1985年定义为T1阶段,事故发生时的1985—1987年定义为T2阶段,事故发生后的1987—2019年定义为T3阶段。如图2所示,T1阶段隔离区主要景观类型为针叶林、耕地以及阔叶林,3种景观类型占比接近80%,表明该区域林业与农业较为发达。T2阶段隔离区初步划定,区内景观格局发生重大改变,大部分耕地被撂荒,草地占比急剧提升；当地政府为了控制放射性物质扩散,清除了部分辐射严重地带的表层土壤[31],致使裸地占比上升；隔离区主要景观类型由针叶林、耕地以及阔叶林占主导变为针叶林、阔叶林和草地占主导。T3阶段隔离区稳定保持了以针叶林、阔叶林和草地为主导的景观类型结构；由于居民的撤离,区内建筑物完全荒废,建设用地占比逐步减少；沙地/裸地占比变动幅度较为随机,而水体占比逐渐下降,一定程度上反映出区内气候干旱化的趋势。3个阶段的景观类型结构变化在一定程度上体现了人为干扰对区域景观格局的塑造作用以及自然生态系统的强劲可恢复性：即便暴露在强辐射中,隔离区覆被仍能恢复到以林地为主的景观格局。

图2 隔离区景观类型Fig.2 Map of landscape types in CEZCEZ: 隔离区Chernobyl exclusion zone

利用ENVI的Change Detection模块计算T1、T2、T3阶段的景观类型转移矩阵(表3),以反映隔离区各阶段景观类型的变化方向。隔离区T1阶段的景观类型转化特征受其发达的林业和农业影响,主要景观类型转化围绕林地和耕地产生；景观类型减量最多的为草地(308.55km2),转换集中发生在隔离区东部经济活跃地带,阔叶林(103.54km2)和耕地(103.41km2)是其主要转出类型；针叶林减量仅次于草地,达220.71km2,主要转出类型为阔叶林(135.11km2)。T2阶段耕地成为减量最多的用地类型,转出面积达592.44km2,主要转出类型为草地(406.05km2)和阔叶林(139.96km2),该阶段的耕地向草地转化是研究期内规模最大、最为显著的一组景观类型变化。T3阶段的景观类型转换集中于隔离区三大优势景观类型之间,主要表现为草地转阔叶林(128.43km2)、阔叶林转草地(118.00km2)、草地转针叶林(108.15km2)和阔叶林转针叶林(102.73km2),但上述转换未改变针叶林、阔叶林和草地在隔离区内的优势地位,说明隔离区内形成了稳定、均衡的景观类型结构。

土地利用动态度刻画了隔离区景观类型的变化幅度及速度,一般可分为单一土地利用动态度和综合土地利用动态度[32-33]。如表4所示,T1阶段草地动态度为-4.79,缩减最为严重；建设用地动态度达到了9.13,是该阶段增长速度最快的景观类型,表明隔离区在该阶段生产力发达,城市建设速度快,经济较为活跃。T2阶段的土地利用动态度发生剧烈变动,综合土地利用动态度由T1阶段的1.64提升至8.85；草地面积急剧扩张,动态度由正转负,暴增至91.04；沙地/裸地动态度提升幅度仅次于草地,由T1阶段的1.32提升至27.81；耕地缩减最为严重,动态度为-40.61,建设用地缩减仅次于耕地,动态度为-20.76,切尔诺贝利事故致使隔离区内的人为景观类型大幅衰减。T3阶段综合土地利用动态度仅为0.54,说明该阶段景观类型变化幅度很小,景观结构较为稳定；该阶段耕地变化相对显著,动态度为-3.10,缩减幅度最大；建设用地动态度为-2.31,缩减幅度仅次于耕地。

土地利用程度指数定量表达了人类活动对隔离区景观类型变化的影响水平[33-34]。林地、草地等自然景观向耕地和建设用地转化是造成土地利用程度指数提高的核心因素[32]。1975年隔离区的初始土地利用程度指数为224.49,伴随着核电站和普里皮亚季的规划建设,隔离区工农业发展迅速,现代化水平极大提高,导致T1阶段土地利用程度指数提升4.95(表4)。由于核事故发生后隔离区大面积耕地和建筑被荒废,T2阶段土地利用程度指数大幅下降24.27,T3阶段进一步下降5.45,致使2019年土地利用程度指数跌至200以下。这表明切尔诺贝利核事故大幅降低了人类活动对土地利用方式的影响,使得区内土地利用程度显著衰退。

表3 隔离区各阶段景观类型转移矩阵

表4 隔离区各阶段土地利用动态度及土地利用程度

图3 隔离区辐射剂量率分布Fig.3 Radiation dose rate distribution in CEZ

为了进一步评估核辐射对区域景观格局的影响,利用ArcGIS将56个监测站的辐射剂量率数据进行克里金插值,得到隔离区辐射剂量率空间分布,使用自然断裂点法将隔离区辐射状况分为6个等级,分别统计各等级2019年景观类型结构分布。从辐射状况的空间分布来看(图3),核电站中心为辐射最严重地区,隔离区辐射剂量率总体形成了北高南低的分布格局,但南北景观格局不存在显著差异。从不同辐射等级区域下的景观类型分布来看(图4),各等级景观类型均以针叶林、阔叶林和草地为主,不同等级的景观类型结构虽有差异,但随着辐射等级增强,各景观类型占比变化不存在显著性规律。使用ArcGIS计算隔离区2019年景观类型与辐射剂量率分布的协方差矩阵和相关矩阵进一步发现,两者协方差为0.0019,相关系数为0.0012,两者不存在相关性。综上表明,切尔诺贝利核事故泄漏辐射未从景观层面对隔离区当前的生态环境造成实质性影响。

图4 隔离区辐射剂量率等级及其景观类型分布Fig.4 Radiation dose rate level and its landscape types distribution in CEZ

3.2 景观格局影响分析

T1阶段景观指数主要表现为PD、ED、CONTAG显著上升,而SHDI呈下降趋势(表5)；PD、ED的上升表明隔离区景观破碎格局加剧,斑块形态趋于复杂化；结合表3可知,CONTAG上升与阔叶林、耕地等景观扩张有关；SHDI在该阶段呈现的下降趋势表明快速扩张的耕地和林地使得隔离区景观异质性降低,景观组分趋于不均衡发展；T1阶段的景观格局变化反映出人类活动对隔离区景观格局产生了一定干扰,快速发展的农林业给隔离区自然环境带来了负面影响。

T2阶段PD、ED继续上升,但这种上升更多是由于核事故致使隔离区耕地荒废所致；隔离区原为苏联规模化的现代农业区,耕地集中连片,斑块较大,边缘相对规则,但核事故致使耕地向草地等自然景观斑块转化,因此导致隔离区景观破碎化和复杂化加剧；SHDI和CONTAG降低一定程度上反映出撂荒等措施引发区内景观异质性和连通性降低。T2阶段的景观格局演化特征说明核事故重构了隔离区的自然与人为景观结构占比,导致隔离区内的人为景观类型受到严重损害而衰减,而自然景观获得更多的生存空间,区内景观异质性降低。

T3阶段PD、ED和CONTAG总体呈上升趋势,而SHDI呈持续下降趋势；PD、ED的上升主要由于撂荒耕地出现了部分阔叶林、针叶林斑块所致；CONTAG、SHDI变化反映出隔离区的设立使得区内人为干扰活动大大降低,植被分布更加连片,建设用地、耕地面积减少致使景观异质性降低,景观格局总体向好发展。

3个阶段的景观格局演化特征说明切尔诺贝利核事故未加剧区内景观格局恶化趋势,反而由于隔离区的设立降低了人类活动对自然景观的干扰,使得区内景观格局向好发展。

表5 隔离区景观格局指数变化

3.3 生境质量影响分析

切尔诺贝利核事故引致的隔离区景观格局变化会改变、建立或中断生境斑块之间已有的能量和物质流动过程,进而导致隔离区整体生境格局和功能产生重构,最终引发地区生境质量产生重大变化。因此,探讨切尔诺贝利核事故对隔离区生境质量影响具有重要意义。

如图5所示,T1阶段的低生境质量区域主要为平原地区的耕地和建设用地,高生境质量区域主要分布在东南部低洼沼泽区和西北部低山丘陵区,生境质量空间分异显著；从变化趋势来看,T1阶段低生境质量区域扩张明显,主要由于东北部和东南部地区林地、草地转为耕地所致。T2阶段生境质量分布格局发生重大转变,由于耕地撂荒转变为草地,致使生境质量迅速由低升高,隔离区生境质量分布格局由T1阶段高低相对平分转为了T2阶段以高占绝对主导。伴随着隔离区边界进一步明晰,管控逐步加强,T3阶段高生境质量区域进一步扩张,整体占比超过90%,部分由村庄和裸地形成的低生境质量斑块消失,低生境质量区域仅存于隔离区东部的切尔诺贝利核电站和切尔诺贝利城镇附近。隔离区内的生境质量演化过程再次表明,切尔诺贝利地区前期的工农业快速发展使区内生境质量退化迅速,但隔离区的设立使得区内生境质量迅速由低水平转为高水平,反映出生态系统极强的恢复力和稳定性。

3.4 景观格局与生境质量模拟分析

若按照正常发展趋势演进(图6),隔离区到1995年将会形成以阔叶林(30.10%)、耕地(26.54%)和针叶林(26.23%)为主导的景观结构,建设用地占比将提升至1.67%,各景观类型达到均衡状态并稳定发展。到2015年,隔离区耕地和建设用地占比将进一步提升,但总体景观结构与1995年差异不大。通过对比隔离区同期景观格局可以发现(图2),2019年隔离区景观类型以针叶林、阔叶林和草地为主导,三者共计占比96.26%,处于绝对优势地位。切尔诺贝利核事故致使隔离区内草地面积扩大超2倍,针叶林和阔叶林面积亦小幅度提升,而耕地几乎消失,建设用地缩小89%,水体与沙地/裸地面积亦有不同程度缩小。这说明切尔诺贝利核事故完全中断了隔离区工农业发展进程,彻底改变了原有景观演化轨迹。

从生境质量模拟结果来看(图7),1995年生境质量空间分布格局与T1阶段基本一致,主要变化在于隔离区中部耕地包围林地形成的“高生境质量孤岛”面积缩减,转变为了中等生境质量区域。2015年模拟结果较1995年而言,其变化主要体现在高等生境质量区域退化为中低等生境质量区域,其中由高等生境质量区域转化为低等生境质量区域的面积最大,达21.02km2,尤其是普里皮亚季和切尔诺贝利城镇附近生境质量由高向低退化较为显著；生境质量由中向低转化规模仅次于由高向低转化规模,转换面积为17.93km2。相比2015年模拟结果,2019年实际低生境质量区域占比下降30%,中等生境质量区域下降4%,而高生境质量区域占比提升34%。生境质量的模拟结果说明：若未发生核事故,切尔诺贝利地区原有的工农业进程会对地区生境质量产生一定损害,致使高等级生境质量向低等级转变,而切尔诺贝利核事故中断了这一恶化趋势,使区内生境质量持续向好发展。