近年来, 随着人口增长和社会经济的快速发展, 人类的社会经济活动导致自然资源的高速耗减和环境质量下降, 由此产生了一系列生态环境问题, 严重威胁着人类的生存和发展。人类该如何维护自身的安全成为人们关注的焦点, 生态风险评价也越来越得到国内外的关注^[1-6]。有些学者以土地利用数据为基础, 构建生态风险指数模型, 对区域生态风险进行了综合评价^[7-10]; 也有学者运用景观生态学原理对区域生态风险进行评价^[11-13]; 张晓媛等^[14]基于PSR模型构建风险源、风险受体和风险响应评价指标体系, 利用综合模糊评价法对三峡库区屏障带重庆段土地利用生态风险进行综合评价; 张思锋等^[15]运用生态梯度风险评价法, 通过定性、半定量、定量3个层次对榆林煤炭开采区的生态风险进行评价。

生态风险的研究最早主要是针对特定小区域化学污染物的生态风险评价^[16-18], 随着经济发展、人地关系矛盾突出, 土地生态风险评价逐渐兴起, 国内学者结合土地利用类型和景观因子, 建立了数学评价模型和基于景观尺度的生态风险框架对土地生态风险进行评价。但目前对于土地生态风险评价指标较为单一, 多局限于土地利用变化, 较少涉及区域自然地理条件及与人类活动相关的多种自然、社会风险, 对于单一生态风险评价较为成熟, 缺乏在土地生态系统结构、组分、功能的相互作用基础上的环境效应表征, 关于区域土地生态风险综合评价的定量化和空间表达仍处于探索阶段。

本文以我国典型生态脆弱区和能源开发区——陕西省榆林市为主要研究对象, 依据其自然地理条件和城镇发展状况, 多方面综合考虑榆林市生态环境特征, 去除单一要素评价的不确定性, 建立多种风险源的评价指标, 选取表征干旱情况的降水距平百分率指数作为干旱风险评价指标, 以土地利用结构风险作为土地生态安全系统自身安全性的评价指标, 在榆林市北部风沙草滩区、南部黄土高原区分别选取风力侵蚀和水力侵蚀作为表征土壤侵蚀的生态风险指标, 在此基础上构建生态风险综合评价模型, 定量评价1990—2012年榆林市土地生态风险, 揭示榆林市各区县土地生态风险的空间差异及其时间变化过程。

1 研究区概况

榆林市位于陕西省北端, 黄河中游西岸, 地处107°14′51″E~111°14′31″E, 36°48′58″N~39°35′07″N, 土地总面积42920.18 km²。地势西北高、东南低, 地貌类型以古长城为界, 北部为风沙草滩区, 南部为黄土丘陵沟壑区。该地区夏季炎热多雨, 冬季寒冷干燥, 年均温7~13℃, 气温日较差较大, 年均降水量约400 mm左右, 季节性差异明显。榆林市是我国主要的能源基地, 全市矿产资源极其丰富, 被誉为“中国的科威特”。2013年全市总人口376.99万人, 生产总值 (GDP)2846.75亿元, 工业总产值1943.56亿元, 占GDP的68.2%。

2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源

本文主要数据包括: 1) 1990年、2001年、2012年土地利用数据, 来源于中国科学院资源环境数据中心、地球系统科学数据共享平台、中国西部环境与生态科学数据中心以及野外土地调查数据; 2) 气象数据主要来源于中国气象科学数据共享服务网; 3) DEM数据来源于中国科学院数据应用环境中心; 4) 道路交通、水系、行政边界等其他数据, 来自于国家基础地理数据库。

2.2 研究方法 2.2.1 评价指标选取

土地生态风险评价是衡量土地资源可持续利用的重要指标, 产生土地生态风险的因素主要有自然因素和人文因素, 榆林市自然灾害主要有旱灾、霜冻、暴雨、大风、冰雹等, 其中尤以旱灾危害最为严重, 因此在自然因素方面, 选取表征干旱情况的降水距平百分率指数作为风险评价指标。人文因素主要有人口城镇化、能源开发、开荒造田、森林砍伐等对生态系统产生的间接影响, 土地作为人类活动的载体, 其类型、结构变化最能反映人类活动的类型及强度, 因此选取土地结构变化这一指标来表征人类社会活动对生态系统产生的风险。此外, 由于榆林市脆弱的自然环境及人类活动的干扰, 使其土壤侵蚀较为严重, 而榆林市北部为风沙草滩区, 主要为风力侵蚀, 南部为黄土高原区, 主要为水力侵蚀, 因此选取表征土壤侵蚀的风力侵蚀和水力侵蚀作为生态风险评价指标。

2.2.2 评价指标计算方法

1) 降水距平百分率指数

降水距平百分率指数 (P_a) 反映了某一时段的降水量与同期平均降水状态的偏离程度, 其计算模型^[19]为:

${P_{\rm{a}}}\frac{{P - \bar P}}{{\bar P}} \times 100\%$

(1)

式中: P为某一时段的降水量; P为多年平均降水量, 本文中P取1980—2010年30年的平均降水量。降水距平百分率指数是表征干旱状况的指标, 其值越大表示某一时期的降水量高于平均值越高, 负距平表示降水量低于平均值。

基于ArcGIS采用空间插值法^[20]得到连续的降水量空间数据, 为了保证插值的准确性, 选取榆林市周边宁夏、山西、陕西、甘肃、内蒙的58个站点作为插值点, 生成1990年、2001年、2012年的降水数据和1980—2012多年平均降水数据, 将3年的降水图层分别与1980—2012多年平均降水图层进行栅格计算。

2) 土地利用结构生态风险强度指数

土地利用结构及其变化在一定程度上可以间接反映土地生态风险状态, 本文借鉴已有的研究成果, 采用的土地利用结构生态风险模型^[9]如下:

${\rm{ERI = }}\sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{B_i} \times {W_i}}}{B}}$

(2)

式中: ERI为土地利用结构生态风险强度指数; B_i为i种地类的面积; B为总面积; W_i为第i种地类的生态风险权重。

借鉴臧淑英、马彩虹等^{[7, 10]}的研究成果采用层次分析法对各地类进行赋权, 其结果见表 1。以榆林市土地利用数据为基础, 根据土地利用结构风险模型计算各区县土地利用结构生态风险指数。

3) 土壤水力侵蚀量

土壤水力侵蚀估算模型中, 目前应用最广泛的两个模型为土壤流失通用方程 (USLE) 和RUSLE模型, 后者是在前者修正后的基础上得到的, 其对USLE中的一些因子做了进一步的分解, 估算更为科学、精确, 因此本文采用RUSLE模型对土壤水力侵蚀量进行估算。其模型基本公式为^[21]:

${A_{\rm{m}}} = R \times K \times C \times {\rm{LS}} \times P$

(3)

式中: A_m为研究区域土壤实际的侵蚀量, 单位为t∙hm^-2∙a^-1; R为降水-径流因子, 用多年平均年降水侵蚀力指数表示, 单位为MJ∙mm∙hm^-2∙h^-1∙a^-1; K为土壤可侵蚀性因子, 单位为t∙h∙MJ^-1∙mm^-1; C为覆盖与管理因子; LS为坡长坡度因子; P为土壤保持措施因子。C、LS、P均为无量纲因子。

4) 土壤风力侵蚀量

针对不同时空尺度的土壤风力侵蚀情况, 出现了WEQ模型、WEPS模型、日风沙侵蚀量模型等, 但大多数模型都难以估算长时间的累积侵蚀量。董治宝等^[22-23]根据我国的实际情况, 建立了年尺度的区域土壤风力侵蚀估算模型, 其表达式为:

$\begin{align} & Q=\iiint\limits_{t,x,y}{[}3.91{{\left( 1.0413+0.441\theta +0.0021{{\theta }^{2}}-0.0001{{\theta }^{3}} \right)}^{{{V}^{2}}\times }} \\ & ^{{{\left( 8.2\times {{10}^{-5}} \right)}^{\text{VCR}}}\times \text{SD}{{\text{R}}^{2}}}/{{H}^{8}}{{d}^{2}}{{F}^{,x,y,t}}]dxdydt \\ \end{align}$

(4)

式中: Q为土壤风力侵蚀量, t; V为风速, m∙s^-1; H为空气相对湿度, %; VCR为植被覆盖度, %; SDR为人为地表结构破损率, %; d为颗粒平均粒径, mm; F为土体硬度, N∙cm^-2; θ为坡度, °; x, y表示距离参照点的距离, km; t为时间, s。

5) 土地生态风险综合指数

在参考大量文献以及结合榆林市实际情况的基础上^[24-26], 通过构建生态风险综合指数对榆林市生态风险进行评价, 其模型如下:

$E=\sum\limits_{i=1}^{n}{\left( {{W}_{i}}\times {{P}_{i}} \right)}$

(5)

式中: E为土地生态风险综合指数; W_i为单项风险权重; P_i为单项生态风险评价值。其中W_i是各评价指标的权重值, 本文采用定性和定量相结合的层次分析法, 结合Yaahp软件确定各生态风险指标的权重 (表 2)。根据土地生态风险综合指数模型计算得到区域的土地生态风险综合指数, 结合已有研究, 将土地生态风险划分为5个等级, 其划分标准如表 3所示。

3 结果与分析 3.1 干旱风险评价

通过计算得到1990年、2001年和2012年的降水距平百分率指数分布图 (图 1), 为了进一步定量化分析, 以县域为行政单元, 进行分区统计, 得到各区县的降水距平百分率指数 (表 4)。由表 4和图 1可知:榆林市1990年的降水距平百分率指数低值区主要分布在东北部, 高值区主要分布在南部, 其中低值中心达-0.15%, 高值中心为29.52%, 大致呈现由北向南的递增趋势。各区县中, 府谷县、神木县距平值较低, 而清涧县最高。整个年份大部分地区均为正值, 表明其降水量在均值以上, 但高值和低值差异较大, 说明榆林市各区县降水分布不均衡, 表现为南多北少。2001年的降水距平百分率指数低值区主要分布在东部, 高值区主要分布在中部和西部, 大致呈现自东向西递增的趋势, 其中距平指数最低的是府谷县, 最高值为榆阳区。该年份低值中心达-16.96%, 相比1990年明显降低, 说明2001年降水量减少, 干旱程度加剧。但高值中心为48.31%, 高值与低值差距增大, 说明降水分布不均衡加剧, 可能同时发生旱涝; 2012年的降水距平百分率指数低值区主要分布在东南部, 高值区主要分布在东北部, 大致呈现由南向北递增的趋势, 其中距平指数较低的为清涧县, 较高的为府谷县。与1990年、2001年相比, 其降水距平指数值整体增加, 说明2012年的降水量明显增加, 高值与低值差异明显, 降水分布仍然不均衡。

3.2 土地利用结构风险评价

由表 5可知: 1990年土地利用结构风险指数最大的是府谷县, 最小的是绥德县。土地利用生态风险较大的县域主要分布在北部, 其中包括府谷县、神木县、榆阳区, 而位于东南部的佳县、米脂县、吴堡县、绥德县和子洲县土地利用结构生态风险较小。产生这一分布的原因主要与北部各县耕地、未利用地所占比重较大, 而生态性用地林地、草地、水域所占比重较小有关。2001年土地利用结构生态风险整体分布发生明显变化, 土地利用结构风险指数最大的是米脂县, 最小的是神木县, 生态风险较1990年明显加剧, 这主要由于城市迅速扩张, 建设用地比重增加, 其中子洲县、米脂县、绥德县、佳县和吴堡县生态风险显著加剧, 主要与其各地类转移, 且耕地面积所占比重明显增加有关。2012年土地利用结构生态风险较大的县域主要分布在南部, 其中指数最大的是吴堡县, 最小的是榆阳区。从土地利用结构风险指数变化来看, 1990—2001年, 土地利用结构风险指数减少的有府谷县、靖边县、神木县、榆阳区, 其余各县风险指数均有所增加; 2001—2012年, 土地利用结构风险指数增加的有府谷县、米脂县、绥德县、清涧县、吴堡县, 其余各县的风险指数均有所减少; 从总体来看, 1990—2012年, 榆阳区、神木县、靖边县的土地利用结构风险指数一直处于减少趋势, 米脂县、清涧县、绥德县、吴堡县的土地利用结构风险指数一直处于增加趋势。

3.3 土壤水力侵蚀评价

根据土壤水力侵蚀模型将所获取的各因子图层进行栅格叠加计算, 得到榆林市1990年、2001年和2012年的土壤水力侵蚀强度图 (图 2)。从图 2可知, 侵蚀严重的地区主要分布在榆林市东北部及中南部, 东北部处于水蚀-风蚀交错区, 中南部地形复杂, 坡度大, 土壤侵蚀严重。从时间变化看, 1990年榆林市东南部地区土壤水力侵蚀较严重, 其最高侵蚀量达1692.49 t∙hm^-2∙a^-1, 平均侵蚀量约147.06 t∙hm^-2∙a^-1, 其中侵蚀量最大的为清涧县, 侵蚀量最小的为定边县; 2001年榆林市东部及南部土壤水力侵蚀均较严重, 其最高侵蚀量达3711.99 t∙hm^-2∙a^-1, 平均侵蚀量约为296.65 t∙hm^-2∙a^-1, 其中府谷县侵蚀强度最大, 榆阳区侵蚀量最小; 2012年榆林市南部土壤水力侵蚀较严重, 其最高侵蚀量达3076.8 t∙hm^-2∙a^-1, 平均侵蚀量约为181.10 t∙hm^-2∙a^-1, 其中清涧县侵蚀强度最大, 榆阳区侵蚀强度最小。将1990年、2001年和2012年土壤水力侵蚀强度进行比较, 侵蚀强度2001年 > 2012年 > 1990年。1990 —2001年土壤侵蚀强度明显加剧, 其中府谷县、靖边县、定边县最为明显; 到2012年, 各县土壤水力侵蚀强度有所减缓, 变化最为显著的是府谷县、神木县、定边县; 总体来看, 1990—2012年神木县、府谷县、吴堡县、佳县的土壤水力侵蚀强度有所缓和, 其余各县的土壤水力侵蚀强度均呈现不同程度的加剧, 其中清涧县、靖边县和子洲县最为显著。

3.4 土壤风力侵蚀评价

根据土壤风力侵蚀模型将所获取的各因子图层进行栅格叠加计算, 最终得到榆林市1990年、2001年和2012年的土壤风力侵蚀强度图 (图 3)。如图 3所示, 1990年榆林市西部及北部地区风力侵蚀较严重, 其最高侵蚀量达128.83 t∙km^-2, 平均侵蚀量约为22.91 t∙km^-2, 其中榆阳区和定边县侵蚀量最大, 绥德县和清涧县侵蚀量最小; 2001年榆林市北部地区风力侵蚀仍较为严重, 其最高侵蚀量达130.398 t∙km^-2, 平均侵蚀量约为2.82 t∙km^-2, 榆阳区和神木县侵蚀量最大, 绥德县和米脂县侵蚀量最小; 2012年榆林市北部地区风力侵蚀较严重, 其最高侵蚀量达52.12 t∙km^-2, 平均侵蚀量约为0.70 t∙km^-2, 其中榆阳区侵蚀量最大, 其次为神木县, 米脂县和绥德县侵蚀量最小。将1990年、2001年和2012年土壤风力侵蚀强度进行比较, 侵蚀强度1990年 > 2001年 > 2012年。从侵蚀强度分布图来看, 侵蚀严重的地区主要分布在榆林市北部地区, 主要由于北部位于风沙草滩区, 植被覆盖率低。从侵蚀量变化来看, 1990—2012年整体呈减少趋势, 减少量最多为榆阳区, 其次为定边县、横山县, 其中1990—2001年相较于2001—2012年侵蚀强度变化明显, 其年均变化率约为2001—2012年的1.2倍。

3.5 土地生态风险综合评价

由表 6可知: 1990年土地生态风险综合指数最大的是府谷县, 最小的是绥德县, 两者差异明显, 最大值约为最小值的2.8倍; 2001年土地生态风险综合指数最大的是佳县, 最小的是神木县, 最大值约为最小值的2倍, 有所减小; 2012年土地生态风险综合指数最大的是清涧县, 最小的是神木县, 其最大值约为最小值的1.9倍, 较1990年和2001年差异有所减小。从各区县变化来看, 1990—2001年, 靖边县、榆阳区、府谷县、神木县和清涧县的土地生态风险综合指数减少, 说明其生态风险有所改善, 其中减少最多的是府谷县, 其年递减率约为4.48%;其余各县的土地生态风险综合指数均有所增加, 说明其生态风险加剧, 其中增加最多的是米脂县, 其年递增率约为11.99%。2001—2012年, 府谷县、清涧县和吴堡县的土地生态风险综合指数增加, 其中增加最多的是清涧县, 其年递增率约为3.73%, 其余各县的土地生态风险综合指数均有所减少, 其中减少最多的是横山县, 其年递减率约为3.74%。从总体来看, 1990—2012年, 米脂县、绥德县、佳县、子洲县、吴堡县的土地生态风险综合指数增加, 其中增加最多的是绥德县, 其年递增率约为4.78%, 其余各县的土地生态风险综合指数减少, 其中减少最多的是神木县, 其年递减率约为2.50%。

由图 4可知, 1990—2012年榆林市土地生态风险等级发生了较大变化。1990年榆林市各区县中前3等级的县域共有5个, 约42%, 主要位于东南部地区, 土地生态风险较小, 生态环境较为安全。而位于西部毛乌素沙地区生态风险较大, 该区域水土流失严重, 植被覆盖度较低, 生态环境遭受严重破坏; 从2001年生态风险等级分布图看, 各区县中没有属于Ⅰ级生态风险等级的县, Ⅳ级、Ⅴ级的县域共有7个, 约占58%, 主要位于榆林市东南部以及西北的定边县, 生态环境仍然处于不安全状态; 2012年, 全市各区县中没有属于Ⅰ级、Ⅴ级生态风险等级的县, 其中前三等级的县域个数共有8个, 约占67%, 较1990年、2001年相比, 生态风险有所减小, 但是仍然有4个县域生态风险较大, 生态风险依然严峻。

4 结论

本文选取干旱、土地利用结构、土壤水力侵蚀、风力侵蚀4个风险指标, 构建区域生态风险综合评价模型, 对榆林市1990—2012年土地生态风险进行探索性评价, 研究结果如下:

1) 榆林市各生态风险要素时空差异较大。1990—2012年间榆林市的降水距平百分率指数均值先减少后增加, 大致呈现由南向北递增的趋势, 其低值区主要分布在偏东部地区, 高值区与低值区差异明显, 降水分布不均衡; 土地利用结构生态风险区域差异较大且变化明显, 呈先增后减的趋势, 其中米脂县、清涧县、绥德县、吴堡县的土地利用结构风险指数一直处于增加趋势, 需要引起重视, 而榆阳区一直处于减少趋势, 情况有所改善; 土壤水力侵蚀较剧烈的区域主要分布在东部及南部地区, 这主要与该区域地形因素有关, 其均值呈先增后减的趋势, 其中神木县、府谷县、佳县和吴堡县的土壤水力侵蚀强度有所缓和, 而清涧县、靖边县和子洲县呈现显著加剧现象; 风力侵蚀较严重的区域主要分布在北部地区, 侵蚀量最大的是榆阳区, 最小的为绥德县、米脂县, 其均值一直呈递减趋势, 榆阳区减少量最多, 其次为定边县、横山县。

2) 榆林市土地生态风险等级整体变化较大且区域差异明显。1990年生态风险等级属于Ⅳ、Ⅴ级的县域有7个, 生态风险较大, 其中风险最大的是府谷县; 2001年生态风险等级属于Ⅳ、Ⅴ级的县域仍然有7个, 生态风险较大, 生态环境处于安全状态, 其中风险最大的是佳县; 2012年生态风险有所减缓, 但是生态风险等级属于Ⅳ、Ⅴ级的县域仍有4个, 生态安全依然严峻。从区域差异来看, 1990年榆林市生态风险较大的区域主要位于西北部地区, 2001年生态风险较大的区域主要位于榆林市中部地区和西边的定边县, 2012年生态风险较大的地区主要分布在东南部, 生态安全状态整体有所改善, 但形势仍旧严峻, 需要引起注意。

榆林市属于干旱半干旱区、典型的农牧交错带和能源开发基地, 生态环境脆弱, 人地矛盾突出, 受能源经济产业化和生态恢复过程的双重影响, 土地生态安全问题越来越突出。本文从自然灾害、人为活动和生态背景出发, 构建了区域尺度的综合生态风险评价指标体系和估算模型, 定量评价了1990—2012年榆林市土地生态风险的时空变化差异, 有针对性地分析了其动态变化趋势。结果表明随着榆林市能源的大量开采和煤矿产业的蓬勃发展, 榆林市生态环境遭受了严重的破坏, 提高生态环境意识, 加强生态文明建设至关重要。下一步研究将围绕土地生态风险的发生机制建立合理的土地生态风险评价指标体系, 细化区域研究尺度, 提高空间表达的精度, 运用主观和客观赋权相结合合理确定指标权重, 从评价指标体系的构建、区域研究尺度的细化等方面提高土地生态风险综合评价的科学性, 为合理进行土地资源管理规划提供决策。