2018, Vol. 38
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随着中国城镇化的快速推进, 建设用地需求数量迅速上升, 社会经济发展与土地资源利用管理、生态环境保护之间的矛盾日益尖锐, 已成为制约社会经济发展的重要因素.同时, 中国是一个多山的国家, 丘陵、山地和高原约占国土面积的65%(中国科学院《中国自然地理》编辑委员会, 1985).因此, 丘陵、山地和高原等未利用地的合理开发建设, 受到了决策者和学术界的重点关注(袁磊等, 2015; 刘焱序等, 2014).然而, 相对于平原地区, 低丘缓坡地形复杂、生态敏感性高, 建设开发难度大(魏海等, 2014).低丘缓坡开发利用势必会造成资源耗竭、环境污染和生态破坏等一系列生态环境问题.定量判识区域开发活动造成的不良影响, 有利于从较长时间、空间尺度预见区域开发活动对生态环境造成的不良影响, 有助于理清开发活动与区域性生态退化之间的关系, 进而为产业发展与布局提供决策依据, 达到从源头预防生态破坏的目的(中国科学院《中国自然地理》编辑委员会, 1985).而目前广泛开展的区域生态风险评价则提供了一种行之有效的途径(付在毅等, 2001; 殷贺等, 2009; 张思锋等, 2010).
目前, 随着生态风险评价理论的不断完善, 生态风险评价呈现出如下特征：风险源从单一化学因子扩展到多种化学因子及可能造成生态风险的事件; 风险受体从人体发展到种群、群落、生态系统、流域和景观水平(陈辉等, 2006); 风险源产生的生态影响更具有区域性和累积性(Serveiss et al., 2004; Chen et al., 2014), 即由单一压力源对单一受体的风险评价转为多风险源和多受体的区域生态风险评价(颜磊等, 2013).近年来, 国内外学者围绕区域、流域、沿海、景观生态格局、土地利用、生态系统服务对生态风险评价展开了一些新的研究和探索(Hommen et al., 2010; Galic et al., 2012; Wang et al., 2016; Zang et al., 2017).区域生态风险评价是在区域尺度上评价环境污染、人为活动或自然灾害对生态系统结构和功能等产生不利作用的可能性和危害程度, 其所涉及的风险源及评价受体具有评价范围大、风险因子多、多评价终点、动态性、不确定因素多、空间异质性和复杂性等特点(付在毅等, 2001; Hope, 2006; 陈春丽等, 2010).
目前对区域生态风险评价的研究主要集中在自然灾害生态风险(倪晓娇等, 2014; 薛昌颖等, 2016)及景观生态风险两方面(潘竟虎等, 2016; 彭建等, 2015; Mo et al., 2017).对一定区域内动态风险源引起的环境污染、资源消耗及生态系统破坏等造成的生态风险研究尚不多见(殷贺等, 2009).近年来有学者也探讨了区域开发的生态风险评价方法, 如GIS技术, 在人口、生态系统和景观层面等建立的生态模型已被应用于区域开发生态风险评价中(Chen et al., 2014), 但多集中在单一风险源或单一风险过程评价, 如溢油污染、重金属污染、旅游开发等(Nemr et al., 2016; Afenyo et al., 2017).此外, 虽然目前区域综合生态风险研究在评价方法、风险等级划分与空间分析(康鹏等, 2016; 王旭熙等2016;张月等2016)等方面相对成熟, 但综合判识区域生态风险并对生态保护与区域发展权衡等问题的研究相对薄弱.
兰州市地处黄土高原丘陵沟壑地带, 是典型的河谷型带状城市, 建设空间狭小(杨永春等, 2005).近年来, 城镇的快速发展显著加剧了生态系统的人为扰动, 导致地质灾害频发、水土流失严重、污染加剧等一系列问题不断涌现.然而, 在建设用地异常紧张、全国最严格耕地保护制度形势下, 兰州市却有大量的黄土丘陵沟壑等未利用地没有得到充分利用, 且开发利用潜力巨大, 亟需进行区域开发生态风险空间识别及有效权衡开发与保护.鉴于此, 本文以甘肃省兰州市为例, 基于黄土丘陵沟壑区开发过程生态风险的传递因果链与生态过程, 构建黄土丘陵沟壑区区域开发综合生态风险评价模型及相应指标, 对兰州市综合生态风险进行空间识别, 并以识别结果为基础, 对未利用区域的综合开发利用与保护进行权衡, 以期为黄土丘陵沟壑区区域开发生态风险管理及产业发展与布局提供决策依据, 促进生态破坏的源头预防.
2 研究区域及数据来源(Research areas and data sources) 2.1 研究区概况兰州市位于甘肃省东部, 地处陇西黄土高原丘陵沟壑区, 整体地势东北高、西南低, 地形高差大, 地形复杂; 研究区属典型的温带半干旱大陆性季风气候, 雨量少而集中, 年变化量大, 蒸发量大, 气候干燥, 昼夜温差大; 自然植被总覆盖率仅为15%~20%, 多为干山秃岭.兰州市现辖3县5区, 2016年全市总人口370.55万人, 建成区面积为130 km2, 人均建设用地不足80 m2, 建城区人口密度为10264人·km-2, 城区建设强度已超出其合理负荷.
2.2 数据来源本研究中DEM数据源自地理空间数据云GDEM数据集; 土地利用数据采用2015年春季Landsat ETM+(空间分辨率30 m), 通过人机交互解译并对照Google Earth进行人工修正得到; 植被类型数据、土壤数据源自中国科学院资源环境科学数据中心; 地质灾害数据来源于兰州市地质灾害与防治专项研究; 降水数据源自中国气象数据网.
3 研究方法(Research methods) 3.1 区域开发生态风险传递模型构建本文以黄土丘陵沟壑区域开发过程为纽带, 通过风险源识别、风险胁迫、风险传递过程、生态风险受体与生态终点的风险传递因果链构建区域开发生态风险评价框架(图 1、图 2), 对区域开发生态风险进行量化评价与空间识别.从区域开发过程分析, 生态风险源是区域综合开发利用过程中土地平整、地表植被破坏、城镇基础设施建设、植被人工绿化等对生态系统结构、过程和功能有不同程度影响的人类活动.区域开发生态风险源强调的是人为产生的不同强度与频率的干扰、压力或胁迫因子, 主要有3种形式：污染累积胁迫、资源耗竭胁迫和空间占用胁迫.其中, 污染累积胁迫指对大气、水体、土壤的污染累积; 资源耗竭胁迫指水资源和生物资源的开发消耗; 空间占用胁迫是对重要生境及生态功能区的占用.黄土丘陵沟壑区开发过程中, 首先是人类开发活动对地表的直接破坏, 如地表植被与土层的破坏; 其次, 开发过程中产生的废气、废水、悬浮颗粒物、生活垃圾等污染物, 对区域生态环境产生不同程度的污染; 此外, 区域开发利用会占用重要生态功能区和引起土地利用格局的变化, 造成景观破碎化、景观异质性降低等.不同风险源的胁迫通过物质循环和能量流动作用于生态过程中, 最终导致水体污染、土地利用类型变化、植被覆盖度变化、景观破碎度增大和生态系统服务功能失衡等生态终点出现.
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| 图 1 黄土丘陵沟壑区区域开发生态风险评价框架 Fig. 1 The framework of ecological risk transmission in regional development of loess hilly and gully region |
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| 图 2 黄土丘陵沟壑区区域开发生态风险传递模型 Fig. 2 Ecological risk transfer model for regional development in loess hilly and gully region |
参照前人研究, 运用R=P·D模型, 以风险源发生的概率P与风险损失D的乘积来定量表征综合生态风险R(张思锋等, 2010).黄土丘陵沟壑区域开发综合生态风险(CER)包含两个方面：一是由不同的地域环境所引发的自然生态风险; 二是由人类开发活动造成的开发生态风险.可通过自然生态风险概率(NERP)、建设开发生态风险概率(DERP)和生态风险损失定量表征(张小飞等, 2011).生态风险损失可用生态重要性(EI)来表征, 指生态风险一旦发生可能造成的生态损失; 生态重要性程度参照谢高地等(2008)的中国生态系统生态服务价值当量, 按照不同生态系统类型的当量大小来表征.依次将生态重要性划分为5个等级, 水体、林地、草地(园地)、耕地、建设用地、交通用地、未利用地分别赋值5、4、3、2、1、1、1(张小飞等, 2011).
本文以30 m×30 m的栅格为评价单元, 评价结果取评价区域内所有栅格的平均值.综合生态风险计算公式如下(彭建等, 2015)：
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综合分析兰州市自然生态本底, 兰州市的自然生态风险主要源于地质灾害和水土流失.其中, 地质灾害风险主要源于滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷等4种地质灾害, 地质灾害敏感性主要考虑地层岩性、地形地貌、水文地质等对不同地质灾害的影响.基于地质灾害易发性, 将兰州市划分为地质灾害高、中、低和不易发4个区.采用公式(2)计算地质灾害敏感性.
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(2) |
式中, DE为地质灾害敏感性, M为地质灾害易发性, T为地质灾害影响程度, β为衰减系数.
水土流失敏感性在ArcGIS中采用土壤类型、DEM、降水和植被覆盖等数据通过修正通用土壤流失方程(RUSLE), 以土壤侵蚀模数表征(Renard et al., 1997), 计算公式如下：
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式中, A为年均土壤侵蚀力, R为降雨侵蚀力, K为土壤可蚀性, S为坡度(°), L为坡长(m), C为植被覆盖度, P为水土保持措施因子.
依据水利部《土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)》, 将土壤侵蚀模数划分为4个等级; 土壤侵蚀越大, 等级越高, 水土流失敏感性越高.
自然生态风险概率依据地质灾害敏感性和水土流失敏感性计算结果, 采用短板效应法得出.同一评价单元内取地质灾害和水土流失敏感性等级最高值为自然生态敏感性综合评价结果.等级值越大, 敏感性越高, 地质灾害或土壤侵蚀发生的可能性越大, 自然生态风险概率越大.
3.3 开发生态风险概率区域开发生态风险概率评价重点考虑人类活动引发的污染累积、资源耗竭和空间占用.综合生态风险概率为单一生态风险概率标准化后的和.综合考虑区域环境和污染物在环境中累积的介质, 污染累积胁迫重点考量水体污染风险(WP), 选取水体密度(DOW)、建设用地密度(DOC)、耕地密度(DOA), 定量表征水污染风险概率的空间差异：
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(4) |
式中, RWP为水污染胁迫概率, VDWP为水污染胁迫下不同土地利用类型的脆弱度.
由于不同土地利用类型对同一风险的敏感度不同, 脆弱度也不同, 因此, 本文在参照前人研究基础上, 结合相关专家对本研究区水污染胁迫下不同地类脆弱度打分, 得到水体、林地、草地、耕地、园地、建设用地、未利用地及交通用地的脆弱度分别为10、9、8、7、6、4、2、1(张小飞等, 2011; 彭建等, 2015).得分值越大表示在同一风险胁迫下, 该类用地受到污染的概率越大, 即该地类的脆弱度越高.
资源耗竭主要是对自然资源的开发与消耗, 不同的资源开发与消耗方式对生态系统服务的影响各异.因此, 资源耗竭胁迫可由生态系统服务质量的变化表征.通常距离人类活动密集区越近, 人为干扰下生态系统服务质量降低的可能性越大.同时, 不同土地利用类型对同一生态系统服务稳定性影响也不同.基于此, 本研究选取距离建设用地或交通用地的距离定量表征资源耗竭生态风险的空间差异.计算公式如下：
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式中, RESD为资源耗竭生态风险概率, DR、DTL分别为距离建设用地和交通用地的距离(km), VDESD为不同土地利用类型下生态系统服务的脆弱性.
对于各地类生态系统服务脆弱性的确定, 在参照前人研究基础上, 采用专家打分法得出：水体、林地、草地、耕地、园地、建设用地、未利用地及交通用地生态系统服务的脆弱度分别为10、9、8、6、7、3、5、1(张小飞等, 2011; 彭建等, 2015).得分值越大, 表征该地类的生态系统服务脆弱性越大.
区域开发活动通过空间占用使得原本完整的景观被分割成大大小小许多斑块, 造成景观破碎化.开发活动越强, 破碎化情况越严重, 对空间占用胁迫越大.因此, 采用景观破碎度表征人类活动影响下景观空间占用胁迫(王云才, 2011), 计算公式为：
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式中, FN2为某景观斑块类型的景观破碎度指数, MPS由所有景观斑块的平均面积除以最小景观斑块面积得出, Nc为区域内景观总面积与最小斑块面积比值, Nf为某一景观类型的斑块总数.
4 结果分析(Results analysis) 4.1 自然生态风险概率通过地质灾害生态风险(图 3a)分析可知, 地质灾害生态风险概率最小的1级区面积最大, 为12787.63 km2, 占总面积的96.88%, 区域内基本不具备突发地质灾害形成的条件且人类工程活动较少, 基本无危害; 地质灾害生态风险概率最大的4级区占全市土地总面积的比例最小, 仅为0.82%, 集中分布在人口密集、经济发展较活跃的南北两山近山地带、七里河区南部的阿干镇矿区及西果园兰临高速公路沿线, 以及西固区窑街镇矿区; 3级区主要分布在兰州市区南北两山黄土丘陵及侵蚀构造中山区、永登县境内河流(大通河、庄浪河)两岸和西部低山及丘陵区、榆中县中部与北部中山区, 占全市土地总面积的1.5%;2级区主要分布于兰州市区、永登县中等易发区外围地带, 以及皋兰县南部和中部区域、榆中县东部, 占全市土地总面积的0.81%.
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| 图 3 兰州市自然生态风险概率等级(a.地质灾害生态风险；b.土壤侵蚀敏感性; c.自然生态风险) Fig. 3 The natural ecological risk probability level of Lanzhou City |
兰州市土壤侵蚀敏感性(图 3b)最小的1级区分布最广, 占全市土地总面积的75.81%, 在永登县、七里河区和榆中县分布面积较大; 土壤侵蚀敏感性最大的4级区面积最小, 占全市土地总面积的2.87%, 受降雨、地形等因素的影响, 主要分布在榆中县西南部、永登县赛拉隆乡; 2级区分布相对分散, 占全市土地总面积的13.84%;3级区占全市土地总面积的7.48%, 主要分布在永登县中西部地区、皋兰县南部、七里河区及榆中县西部.
综合考虑地质灾害、土壤侵蚀并运用GIS空间分析得到兰州市自然生态风险概率评价结果(图 3c).分析得出, 兰州市自然生态风险概率等级最低的1级区面积最大, 占全市土地总面积的73.39%, 说明兰州市自然生态风险概率以低风险为主, 自然生态环境基底相对较好.自然生态风险概率最大的4级区面积最少, 仅占全市总面积的3.17%, 主要分布在榆中县西部、永登县西北部及市区南北两山近山地带; 2、3级区分别占全市土地总面积的14.16%、9.75%, 在各县区均有分布.
4.2 开发生态风险概率开发生态风险分析表明, 兰州市水体污染(图 4a)高风险区面积较大, 风险概率最高的4级区占兰州市总面积的10.95%, 重点分布在建设用地密度大、水体分布较多及水源涵养较好的区域, 如榆中县西部、永登县北部边缘和西北部; 2、3级区也突出分布在建设密度大、河流等水体分布较多的区域.生态系统服务下降风险概率(图 4b)依据生态系统脆弱程度和距离建设用地、交通用地远近从高到底依次分布.高风险区主要分布在榆中县西部兴隆山周边建设用地密集区及东北部, 以及永登县与皋兰县交界处的兰州新区、永登县中部庄浪河流域、西部大通河流域及西北区域.景观破碎化生态风险(图 4c)概率较高的区域集中分布在河流与丘陵沟壑区之间的阶地区, 此区域较适宜开发建设, 人类活动强烈, 景观破碎度较大.景观破碎化生态风险整体呈现兰州市区高、其他县区低的格局.
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| 图 4 兰州市区域开发生态风险概率等级 Fig. 4 The risk level of ecological risk in Lanzhou City |
将表征污染累积胁迫、资源耗竭胁迫、空间占用胁迫的水体污染生态风险、生态系统服务下降风险和景观破碎化生态风险概率标准化后, 将数值空间化, 得到开发生态风险概率.进而按照自然断裂点法划分为4个等级(图 4d).其中, 开发风险概率最低的1级区面积最大, 占全市土地总面积的42.79%, 集中分布在永登县、红古区、西固区及皋兰县与榆中县交界处; 开发生态风险概率2级区在城关区、七里河区、安宁区、西固区境内黄河流域两侧分布, 占土地总面积比例最小, 为12.81%;开发风险概率最高的4级区主要分布在榆中县境内大部分区域、七里河区、永登县西部及其南部的兰州新区, 占全市土地总面积的23.45%; 3级区集中分布在永登县北部边缘地区、榆中县的西部近马衔山地区, 占全市土地总面积的20.91%.总体来看, 除永登县西部的吐鲁沟国家级森林公园和榆中县西部的兴隆山地区以外, 开发生态风概率较高区域主要集中分布在水资源丰富、地势平缓的适宜建设用地周边, 并以建设用地为中心, 风险概率以递减状态向外扩展.同自然生态风险概率相比, 兰州市区域开发生态风险概率较高, 低开发生态风险区面积较少.低开发风险区由于环境本底(如海拔高、地势起伏大、沟壑纵横)条件的限制, 大规模开发建设难度大.而本底条件较好的永登县东部和皋兰县西部则面临高开发高风险, 是以后区域开发生态风险管理的重点区域.
4.3 综合生态风险依据兰州自然生态风险和区域开发生态风险评价结果, 结合兰州市生态重要性等级差异, 按照公式(1)计算得出综合生态风险概率, 并运用ArcGIS采用自然断裂点法将计算结果空间可视化为4个等级(图 5).综合风险概率等级由低到高占土地总面积的比例依次为48.53%、38.12%、7.97%、5.38%.从比例来看, 区域开发综合生态风险以中、低等级为主.从空间分布上看, 4级区主要分布在榆中县西部、永登县西北部; 3级区主要分布在4级区周边区域; 2级区不仅分布范围广, 而且在各县区分布面积较大; 1级区集中分布在皋兰县及永登县境内庄浪河东部区域.
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| 图 5 兰州市综合生态风险概率等级 Fig. 5 Comprehensive ecological risk probability level of Lanzhou City |
从兰州市土地利用现状来看, 未利用地面积最大, 占比57.22%, 其次为耕地(24.72%)、林地(8.07%)、建设用地(5.44%)、草地(2.81%)、园地(0.74%)、水体(0.53%)、交通用地(0.46%).对比不同土地利用类型中综合生态风险所占比例, 结果表明, 水体和林地大多处于高生态风险区, 其在第3、4等级的占比分别为96.78%、91.43%, 一方面人类开发建设往往在距离水域、林地较近的区域, 此区域人类干扰强度大, 开发生态风险概率较高; 另一方面, 水体、林地具有重要的生态服务价值, 生态重要性较高, 最终导致其综合生态风险处于最高等级.此外, 草地、园地和耕地距离人类活动密集区较近, 综合生态风险处于中等水平.相比而言, 建设用地、交通用地、未利用地植被覆盖度低、生态服务价值不高, 基本处于最低等级, 因而综合生态风险较低.
综合分析可知, 兰州市建设用地和未利用地综合生态风险概率最低, 其空间聚集性较明显.由于黄土丘陵沟壑和水体的空间阻隔, 综合生态风险概率整体呈现出随着与人类活动距离增大逐步衰减的趋势.
4.4 区域开发权衡为协调区域经济发展和保护生态环境, 有必要权衡拓展城市空间和生态风险管控.本文以兰州市综合生态风险评价结果为基础, 结合《城市用地竖向规划规范(CJJ83-99)》、《城市规划原理(第三版)》土地适用分类, 权衡分析兰州市低丘缓坡沟壑等未利用地区域开发建设活动.建筑适宜性分为3类：一类用地, 坡度 < 10%, 适宜性最好; 二类用地, 坡度10%~25%, 中度适宜; 三类用地, 坡度>25%, 不适宜.
将兰州市综合生态风险评价结果和未利用地叠加得到兰州市未利用地综合生态风险等级图(图 6a).分析可得, 风险概率最低的1级区占未利用地土地总面积的比例最大, 为70.28%, 集中连片度高, 主要分布在榆中县境内庄浪河东部和皋兰县境内; 3、4级区主要集中分布在永登县境内庄浪河以西、榆中县东部, 占未利用地土地总面积的比例较小, 分别为4.08%、0.39%;2级区在各县区均有分布, 且分布比较广泛, 占比25.25%.从未利用地不同坡度梯度开发适宜性来看(图 6b), 三类建设用地占比最小, 主要分布在海拔较高的榆中县北部山区、皋兰县东南部、永登县西部, 占未利用地土地总面积的10.9%;二类建设用地占比最大, 为51.67%, 主要分布在三类建设用地的周边区域; 建筑适宜性最好的一类用地主要在海拔相对较低的皋兰县北部, 以及在永登县庄浪河以东集中分布, 占总面积的37.45%.
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| 图 6 兰州市未利用地综合生态风险概率等级(a)和不同梯度开发适宜性(b) Fig. 6 The use of different gradient development suitability(a) and comprehensive ecological risk probability level(b) in Lanzhou City |
综合上述分析, 对比综合生态风险在未利用地不同坡度梯度的分布结构(表 1), 风险较高的3、4等级在一类用地中占比最小, 分别为3.22%、0.26%;在二类用地中占比次之, 分别为4.57%、0.43%;三类用地不适宜开发建设, 不需权衡.整体来看, 一、二类用地的综合生态风险主要以最低等级1级为主, 分别占一、二类用地面积的78.45%、66.41%, 其中, 一类用地集中连片度高, 坡度、海拔等自然本底相对较好, 是未来未利用地综合开发建设优先选择区域, 但需要加强重点地域的生态保护.二类用地因自然地理条件的限制, 开发难度大, 开发成本高, 可以作为后备土地开发资源选择性开发.《兰州市低丘缓坡沟壑等未利用地综合开发利用专项规划(2011-2020)》确定了4个开发板块(城北、兰州新区、皋兰西、树屏), 截止2015年已实施的片区空间上主要集中分布在综合生态风险概率低、建筑适宜性较好的一类用地区域.开发过程中较好地协调了区域社会经济发展和生态环境保护.
| 表 1 兰州市未利用地不同坡度梯度综合生态风险分布情况 Table 1 Comprehensive ecological risk distribution of different slope gradients in Lanzhou City |
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1) 整体而言, 兰州市自然生态环境基底较好, 自然生态风险以低风险为主, 风险等级最低的1级区和最高的4级区分别占全市土地总面积的73.39%、3.17%.与自然生态风险相比, 兰州市区域开发生态风险概率较高, 其中，开发生态风险概率最低的1级区和最高的4级区分别占全市土地总面积的42.79%、23.45%.
2) 兰州市区域开发综合生态风险以中、低等级为主.从空间分布上看, 4级区主要分布在榆中县西部、永登县西北部; 1级区集中分布在皋兰县及永登县境内庄浪河东部区域; 2、3级区在各县区均有分布且面积较大; 水体和林地大多处于高生态风险区, 其在第3、4等级的占比分别为96.78%、91.43%;草地、园地和耕地距离人类活动密集区较近, 综合生态风险处于中等水平; 其他地类多处于低风险区.
3) 研究区开发建设适宜性较好的一、二类用地的综合生态风险主要以最低等级1级为主.其中, 一类用地集中连片度高, 坡度、海拔等自然本底相对较好, 是未来未利用地综合开发建设优先选择区域, 但需要加强重点地域的生态保护.二类用地因自然地理条件的限制, 开发难度大, 开发成本高, 可以作为后备土地开发资源选择性开发.
6 建议(Suggestion)本文以黄土丘陵沟壑区域开发过程为纽带, 结合建设开发生态风险传递的因果链, 从自然生态风险、开发生态风险两方面构建了黄土丘陵沟壑区域开发生态风险评价框架, 对研究区综合开发生态风险进行了量化评价与空间识别.在综合开发生态风险评价的基础上结合低丘缓坡沟壑等未利用地区域开发建设适宜性对兰州市城市空间拓展和生态风险管控进行了权衡.但区域生态风险评价过程中, 受体的选择、主要风险源的确定、评价终点的选择、评价方法的选择及区域和风险源等级划分等均存在不确定因素.本文选取了丘陵地区建设开发中最突出的风险源与胁迫因素, 主要考虑内在影响因素, 而政府政策机制、发展规划及由特殊人为因素带来的生态风险等外在因素, 由于目前量化难度大, 在评价范围中未涉及.同时, 由于自然环境的异质性和生态系统演替过程中风险传递的复杂性, 生态风险评价标准尚未统一, 评价方法仍需改进.以上不足之处需在后续研究中进一步完善.
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