基于景观格局的甘肃白龙江流域生态风险评价与管理

发布时间：2016-08-22 09:10

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应用生态学报2014年7月第25卷第7期

ChineseJournalofAppliedEcology，Jul．2014，25（7）：2041－2048

基于景观格局的甘肃白龙江流域

*

生态风险评价与管理

巩

杰

＊＊

赵彩霞谢余初高彦净

（兰州大学西部环境教育部重点实验室/西部环境与气候变化研究院，兰州730000）

摘要流域生态风险评价是流域生态保护与环境管理的重要研究内容．开展以人类活动为风险源的生态风险评价，揭示流域生态风险的空间变化规律，对于促进流域生态保护和环境管理及社会发展具有重要的指导意义．本文基于景观格局指数和生态环境脆弱度构建了流域生态风险综合指数，以甘肃白龙江流域2010年土地利用数据为基础，以ArcGIS和Fragstats软件为平台，通过空间采样和地统计空间插值得到白龙江流域生态风险的空间分布规律．结果表明：白龙江流域生态风险空间分布差异明显，总体而言，白龙江流域西北部和北部的生态风

武都和宕昌县的生态风险较高，迭部险高于流域的西部和南部山区；在白龙江流域各县区中，

县和文县的生态风险较低．今后应加强流域土地利用综合管理和人类活动调控，开展植被恢

降低不合理人为干扰的生态风险和危害，实现流域经济、社会与生态保护的复和生态重建，

“多赢”，促进区域可持续发展．关键词

人类活动生态过渡带景观格局文章编号1001－9332（2014）07－2041－08

生态风险评价中图分类号

风险管理P951；Q149

文献标识码

A

EcologicalriskassessmentanditsmanagementofBailongjiangwatershed，southernGansubasedonlandscapepattern．GONGJie，ZHAOCai-xia，XIEYu-chu，GAOYan-jing（Ministry

sEnvironmentalSystems，LanzhouUniversity，Ｒe-ofEducationKeyLaboratoryofWesternChina’

searchSchoolofAridEnvironmentandClimateChange，Lanzhou730000，China）．-Chin．J．Appl．

Ecol．，2014，25（7）：2041－2048．Abstract：Watershedecologicalriskassessmentisanimportantresearchsubjectofwatershedeco-logicalprotectionandenvironmentalmanagement．Ｒesearchontheecologicalriskfocusesonad-dressingtheinfluenceofhumanactivitiesanditsspatialvariationatwatershedscaleisvitaltopoli-cy-makingtocontroltheimpactofhumanactivityandprotocolsforsustainableeconomicandsocie-taldevelopment．Acomprehensiveecologicalenvironmentindex，incorporatingalandscapeindexandanassessmentofecologicalvulnerability，wasputforwardtoassessthespatio-temporalcharac-teristicsofecologicalriskoftheBailongjiangwatershed，southernGansuProvince，NorthwestChi-na．UsingArcGISandFragstatssoftwareandalandusemapof2010，anecologicalriskmapwasobtainedthroughspatialsamplinganddisjunctiveKriginginterpolation．Theresultsindicatedthatthereweresomeobviousspatialdifferencesofecologicalrisklevelsinthewatershed．TheecologicalrisklevelofthenorthandnorthwestoftheBailongjiangwashigherthanthatofthewesternandsouthernextremitiesofthewatershed．Ecologicalriskindex（EＲI）ofWuduandTanchangwashigherthanthatofWenxianandDiebu．SomemeasuresforecologicalriskmanagementwereputforwardonthebasisofEＲIofBailongjiangwatershed．Tostrengthentheintegratedmanagementof

tocarryoutthevegetationrestorationandecologicalhumanactivitiesandlanduseinthewatershed，

reconstruction，andtoreducetheecologicalrisksandhazardsofirrationalhumandisturbance，arevitaltotherealization‘multiple-win’oftheeconomic，socialandecologicalprotectionandforthe

sustainabledevelopmentinthehillyareainsouthernGansu．

Keywords：humanactivity；ecologicaltransitionalbelt；landscapepattern；ecologicalriskassess-ment；riskmanagement．

*国家自然科学基金面上项目（41271199）和国家科技支撑计划项目（2011BAK12B06）资助．

mail：jgong@lzu．edu．cn＊＊通讯作者．E-2013-11-27收稿，2014-04-22接受．

生态风险评价是研究一种或者多种干扰对生态系统及其组分可能产生的不利影响的过程，它可对长时间和大区域尺度上的风险可能造成的效应进行辨认，并对其在环境系统的生态风险进行综合评估

，最终为环境监测与生态环境风险管理提供

［1－4］

．近年来，生态风险评价的风险源研究决策支持

［1－2］

关注生态风险的现实状态，也应注重流域内生态风

险未来的发展变化趋势，更加应该注重流域生态风险管理及其人类活动调控对策，即制定避免风险、抑制风险、降低风险和转移风险的对策和措施，这也是生态风险研究的主要发展方向和应用层面．土地

［19－20］

，是利用与覆被变化是区域人类活动的指示器

［9］

从化学污染、环境和生态事件发展到关注人类活动

［5－6］

，对生态环境的影响研究尺度逐渐扩大到流域和景观尺度

．流域是一类复杂的自然地理区域，

它是以地表水和地下水为主要纽带，密切连接特定区域水循环、土地覆被、生态系统等自然支撑系统的

［8－9］

．随着人类活动对流域自然综合生态地域系统

流域景观格局及自然生生态系统干扰的逐渐增强，

这种改变必将影响区域生态态系统正在发生改变，

安全．流域生态风险评价是以自然地貌分异与水文

过程形成的生态空间格局为评价区域，评价自然灾害、人为干扰等风险源对流域内生态系统及其组分造成不利影响的可能性及其危害程度的复杂的动态

［9］

变化过程．当前，国内外学者已在流域水环境生流域灾害生态风险评价及流域综合生态风险评价、

［1，10］

．陈鹏和潘态风险评价等方面开展了一些研究

［12］［13］

、卢远等、李谢辉和李景宜以景观格局基于景观格局指数构建了生态风险评价模为基础，

［7］

研究人类活动对生态环境影响的最佳研究途径之

［21］

一，正成为流域科学研究的突破点．在人为活动占优势的景观内，不同土地利用方式和强度产生的生态影响具有区域性和累积性的特征，可以直观地反映在生态系统的结构和组成上

［19，22－23］

．基于景观

结构进行土地利用生态风险分析，可以综合评估各

能准确地显种潜在生态影响类型及其累积性后果，

［23］

示出各种生态影响的空间分布和梯度变化特征．因此，从景观生态学角度出发研究流域土地生态风

险问题可以更好地认知区域风险现状生态风险管理的有效途径之一．

［24－25］

，是寻求

甘肃白龙江流域地处中国大陆二级阶梯向三级

阶梯的过渡带，是秦巴山区、青藏高原和黄土高原三也是长江上游主要的水源区和生大地形交汇区域，态屏障，其流域生态环境的健康发展对整个长江上游的水源稳定补给和生态安全至关重要．受人类活

社会经济发展和频发自然地质灾害的影响，流域动、

森林面积锐减，水土流失、生态破坏和不合理人类活动等诱发的洪灾、泥石流、滑坡、土地退化等灾害频发

［26］

晓玲

［11］

型，对不同时间和空间尺度上人类活动造成的生态

［14］［15］

风险进行评价；孙洪波等和刘晓等运用相对生态风险模型分别对沿江和库区土地利用生态风险进行分析．迄今，流域生态风险评价研究热点已涵盖了湿润区、半湿润区以及干旱区的湖泊、河流、河口

但从综合视角对整个流域进行生态风险三角洲等，研究的案例较少

［9］

．特别是近年来，甘肃白龙江流域工矿开采、天

然林木砍伐以及公路、铁路建设等人类活动剧烈，致

使原本森林茂密、山清水秀的白龙江流域变成水土对当地生态环流失和自然灾害频发的贫困地区，境系统造成严重干扰，生态系统呈现从结构性破坏

［27］向功能性紊乱演变的发展态势，区域生态压力巨大，存在着很大的潜在生态风险．本文从景观异质性

［26］

．已有研究的尺度较小且多集中

在经济较发达地区，对于大尺度且经济落后的生态

与气候过渡带的生态风险研究较少．

流域生态风险评价是对流域内人与自然环境复合生态系统在某一时期、某一阶段过程风险状态的描述，是随着时空尺度不断发展变化的动态过［9，16］

，程较传统的以行政区为单元的研究思路更有利于流域生态环境的综合保护与管理．但基于资料、技术和工具的局限以及流域生态系统复杂多样等特点，流域生态风险评价至今尚未形成统一的评价体系，生态风险评价在流域尺度上的定量研究还有待

［9］

ＲS等地理信息于进一步探索和发展．随着GIS、

技术的快速发展，加之流域生态风险评价所涉及的环境问题的成因及结果都呈现空间异质特征和复杂

［17－18］

，性对于流域生态环境管理人员而言，不仅应

视角，定量分析和评价人类活动导致的甘肃白龙江

流域生态风险等级与空间分异，旨在为实施流域综合管理、维护流域生态系统功能和保障区域生态安全等提供指导．11.1

研究地区与研究方法研究区概况

——嘉陵江上游的最大白龙江是长江一级支流—

支流，发源于碌曲县郎木乡，流经四川省的若尔盖、甘肃省迭部、舟曲、武都至四川的昭化入嘉陵江．白

103°00'—龙江流域甘肃段（32°36'—34°24'N，

105°30'E），属于甘肃省东南部，，行政范围包括迭

流域生态风险受体，评判风险等级，然后根据风险等级调整土地利用方式和管理策略，这种评价更具实用价值

［17］

［28］

．在参考巩杰等［10］、许学工等对自然灾

害和土地利用生态风险评价研究的基础上，本文认为人类活动导致的流域生态风险评价可以表示为流

域生态脆弱性和风险受体对风险源（土地利用活动）响应程度的函数式．1.2.1暴露-响应分析暴露-响应分析是研究不同风险源在评价区域与风险受体之间的接触暴露关系，以及受到压力胁迫后所引起的生态受体的变化

［29］

图1研究区位置

Fig．1Locationofthestudyarea．

Ⅰ：河流Ｒiver；Ⅱ：白龙江流域Bailongjiangwatershed．

．不同土地利用类型对风险源的暴露-响应程

度各不相同，景观作为具有高度空间异质性的区域，它是由相互作用的景观要素或生态系统以一定的规

首先表现在景观结律所组成．区域生态系统的变化，

［30］

构组分的空间结构、相互作用以及功能的变化．因此，本文尝试利用2010年景观格局变化来表征风

部、舟曲、文县的全部，以及宕昌、武都和岷县的部分

2

（图1），流域面积18436．3km，是全国主要滑坡、泥

石流灾害高发区之一．甘肃白龙江流域地处青藏高原东缘、西秦岭与岷山山脉交汇地区，区内沟壑纵“山大沟深”素以著称，总体地势自西北向东南横，

倾伏，主要地貌类型有山地地貌、河谷地貌、黄土地貌等．流域属亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温暖少雨，境内地形高差悬殊，气候垂直分异明显，流域年降水量400～800mm，降水主要集中在5—10月．1.2

研究方法

本文以2010年甘肃白龙江流域30m分辨率的LandsatTM影像为基础数据，通过目视解译和野外验证得到甘肃白龙江流域2010年土地利用图（统计分析的解译精度＞84%），结合流域的特殊地貌与土地利用现状，将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、居民及工矿用地、未利用地6类（图2），

作为

险受体对人类活动的响应程度，即以景观结构指数

作为响应系数．

人类活动通过改变土地利用方式对生态系统产

并且这种影响可以直观地反映在景观的结生影响，

构和组成上．景观生态学注重空间异质性和空间格

局的研究，对此已提出了不同的定量评价指标

［31－32］

．结合研究区特点，考虑到人类活动对流域

景观的影响，选取景观破碎度、景观分离度和景观优势度作为衡量不同土地利用类型对人类活动的响应

［33］

程度．

景观结构指数可用来反映不同景观生态系统受

［11，34－35］

到干扰的程度，借鉴相关文献可通过景观破景观分离度（Ni）和景观优势度（Di）

的权碎度（Ci）、

图2白龙江流域2010年土地利用图

Fig．2LandusemapofBailongjiangwatershedin2010．

a）居民工矿用地Ｒesidentialandindustrialland；b）草地Grassland；c）耕地Cropland；d）林地Forestland；e）水域Waterarea；f）未利用地Unusedland．下同Thesamebelow．

图3白龙江流域生态风险空间分布图

Fig．3DistributionmapofecologicalrisklevelofBailongjiangwatershed．

：低风验区Lowerecologicalrisk；Ⅱ：较低风险区Lowecologicalrisk；Ⅰ

Ⅲ：中等风险区Mediumecologicalrisk；Ⅳ：较高风险区Highecologicalrisk；Ⅴ：高风险区Higherecologicalrisk．下同Thesamebelow．

重叠加而获得．

Si=aCi+bDi+cNi

（1）

本文风险小区划分是根据围景观的格局信息．因此，

白龙江流域景观斑块的平均面积大小，在白龙江流域内进行系统采样，采样单元为8km×8km，共289个样方，分别计算每个样方的综合生态风险指数．将每个样方的综合生态风险值作为该样方的中心点属

在ArcGIS地统计模块GeostasticalAnalyst下，性值，

采用Kriging插值法得到甘肃白龙江流域生态风险空间分布图．22.1

结果与分析

式中：Si是景观结构指数；Ci是景观破碎度指数；Di

b、c为是景观优势度指数；Ni是景观分离度指数；a、相应各景观指数的权重，且a+b+c=1，根据相关

［36］

结合专家打分法，分别赋以景观破碎度指研究，

数、景观优势度指数和景观分离度指数的权重为0．

5、0．2和0．3．1.2.2生态环境脆弱性生态环境因其自身脆弱性

［37］

不同，受到风险源的干扰后其受损程度不一．本文用景观脆弱度指数（Fi）表示受人类活动干扰后

［38］

不同生态系统的易损性．结合研究区实地情况和风险源的特点，脆弱度排序由低到高依次为：居民及

甘肃白龙江流域景观格局特征

利用景观指数计算软件Fragstats3．3计算得到2010年白龙江流域各景观类型的景观格局指数．从2010年，表1可以看出，甘肃白龙江流域共有8722

个斑块，其中，耕地和草地的斑块数最多，但以林地

2

的斑块面积最大（8880．67km）．居民及工矿用地的景观破碎度（0．13）和分离度（14．03）均高于研究区内其他景观类型，耕地的景观破碎度次之，说明耕

工矿用地1、林地2、草地3、耕地4、水域5、未利用地

6，对其进行归一化处理后得到各土地利用类型的景观脆弱度指数．

每种土地利用类型的生态风险损失指数（Ｒi）可以表示如下：

Ｒi=Si×Fi

（2）

式中：Si是景观结构指数；Fi是景观脆弱度指数．

1.2.3生态风险综合指数景观结构的变化是区域生态风险特征变化的表面显现，为建立景观结构与

利用景观组分的面积比区域生态风险之间的联系，

重，建立生态风险综合指数的计算模型，以此定量描

述研究区每个样方内的生态风险特征．

n

地和居民及工矿用地是人类活动干扰最强的景观类型．林地的景观优势度（4．31）最大，景观破碎度（0.001）和分离度（0．16）最低，说明研究区景观类

受人类活动影响较小，在生态型中林地占主导地位，环境维护中具有重要作用．

本研究计算获得的未利用地的景观脆弱度指数

高于其他景观类型，主要是因为未利用地类多分布在山顶、陡坡和裸露土石山区，尽管受人类活动的影

但受复杂地形和陡坡地貌的影响较大，响相对较小，

且植被覆盖稀疏，因而脆弱度指数较高．

2.2甘肃白龙江流域生态风险特征

对插值得到的白龙江流域生态风险分布图的EＲI进行属性分类符号设置，按照ArcGIS的Naturalbreaks将研究区的生态风险划分为低风险区（0.29≤EＲI＜0.56）、较低风险区（0.56≤EＲI＜0.71）、中

EＲIi=

∑i=1

Aij

×ＲiAi

（3）

式中：EＲIi是风险小区i的生态风险指数；Aij是风险小区i内j类土地利用类型的面积；Aj是风险小区i的面积；Ｒi是第i类土地利用类型的景观损失指数．本文利用覆盖全部工作区的网格进行系统采样．景观生态学研究认为，景观样本的面积应为斑块

［39］

平均面积的2～5倍才能够综合反映采样地点周

表1白龙江流域各土地利用类型的景观格局指数

Table1LandscapeindexofdifferentlandusetypesinBailongjiangwatershed

景观类型

Landscapetype

景观面积Area（km2）

斑块数Patchnumber

景观破碎度指数Landscapefragmentation

index0．1300．0060．0120．0010．0010．004

景观分离度指数Landscapeisolationindex14．032．860．590．165．260．32

景观优势度

指数Landscapedominanceindex0．421．842．794．311．832．34

景观结构指数Landscapestructureindex4．361．230．740．911．940．57

景观脆弱度指数Landscapevulnerabilityindex0．050．290．190．100．240．14

景观损失度指数Landscapelossindex0．210．350．140．090．460．08

居民及工矿用地

Ｒesidentialandindustrialland未利用地Unusedland耕地Cropland林地Forestland水域Waterarea草地Grassland

105．63322．413289．958880．6786．165106．87

137520440741040122017

等风险区（0．71≤EＲI＜0．89）、较高风险区（0．89≤EＲI＜1．08）和高风险区（1．08≤EＲI＜1．59）．

白龙江流域生态风险空间特征表现为：高风险区主要分布在武都区市区周围及其以北的广大区

宕昌县西北部以及迭部县西北部等区域；较高风域、

险区主要分布在文县境内白水江和白龙江及其支流武都区高风险区的外围、宕昌县岷江两岸区、两岸、

舟曲、武都和宕昌三县交界处，以及迭部县西北部部分区域；中等风险区的分布面积较大，主要分布在武文县较高风险区的外围、舟曲县北部、迭都区南部、

宕昌县较高风险区的外围；较低风部县北部和南部、

险区主要零星分布在中等风险区的外围，分布范围

舟曲县南部以较小；低风险区主要分布在文县南部、及迭部县西南部有零星分布（图3）．

白龙江流域生态风险特征分布与景观类型关系

密切．由图4可以得出，高风险区和较高风险区主要居民及工矿用地等景观类型集中分布在未利用地、中，未利用地、居民及工矿用地中高风险区和较高风险区面积占各自地类面积的比例均在58%以上．居民及工矿用地是人类活动对生态环境进行改造的最

人口密集且生产活动多集中于此，故其生主要方式，

受到人类活动影态风险高．未利用地景观脆弱度高，

抗干扰能力较弱，因此其生态响之后容易发生变化，

风险较高．较低和低风险区主要集中分布在林地、草地等景观类型，两者所占的面积比例之和分别是63%和32%，由于林地和草地自身稳定性较好，抗人类活动的干扰能力强，因此其生态风险较低．区域生态风险等级特征分布与海拔密切相关，如迭部县北部和西南部以及舟曲县东部海拔在3000m以上，坡度大，地形较复杂，其生态风险高．同时，生态风险等级与区位和土地利用类型的自身脆弱性有关，

主

要表现为河流近岸区的潜在生态风险较高，这主要是由于河流近岸区是人类活动的主要场所，致使自然-社会-经济复合系统变得更复杂和脆弱，加之环各种次生灾害以及水环境的破坏对河流近境污染、

岸的生态环境造成严重的负面影响．此外，生态风险如文县、迭部县等级与区域植被覆盖度也密切相关，

南部的气候温湿，天然林木分布面积广阔，植被覆被度高，其生态风险等级较低．2.3

白龙江流域各县区生态风险特征

通过对白龙江流域各县区不同风险等级区的面积进行统计分析可见（图5），宕昌县和武都区境内较高和高风险区所占面积比例最大，生态风险等级高；迭部县和文县境内较低和低风险区所占面积比例最大，生态风险低．宕昌县高风险区和较高风险区

2

的面积分别为591．73和814．36km（分别占该县

研究区面积的23%和31%），较低和低风险区的面

2

积分别为286．07和130．88km（分别占该县研究

区面积的11%和5%）．武都区高风险区和较高风险

2

区的面积分别为944．61和677．92km（分别占该

区研究区面积的30%和21%）．迭部县较低和低风

2

险区的面积分别为1718．31和910．88km（分别占

该县研究区面积的38%和20%）．文县较低和低风

2

险区的面积分别为1299．68和1397．39km（分别占

该县研究区面积的27%和29%）．武都区是陇南市社会经济较为发达，加之市政府和行政机构所在地，

人口较多，工农业和生产建设多集中于此；因此，武都区的生态风险等级相对较高．相对于其他县区，文县、迭部两县人口较少，对土地资源和生态环境的开发和影响较小，林地、草地两种景观类型所占面积比例大，植被覆盖度高，其生态风险等级较低

．

图4白龙江流域不同景观类型的生态风险等级分布

Fig．4Distributionofecologicalrisklevelofdifferentland-scapetypesinBailongjiangwatershed．

图5白龙江流域各县区不同风险等级区面积

Fig．5AreaofdifferentrisklevelsofthecountiesinBai-longjiangwatershed．

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