西藏高原拉萨河流域生态风险评估

张天华,王 彤,黄琼中,王景升,*,包小婷,刘文婧,丁陆彬,李 超

1 西藏自治区环境科学研究所,拉萨 850000 2 中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室千烟洲试验站,北京 100101 3 中国人民大学环境学院,北京 100872

生态风险评价是指在一定区域内,通过数据处理和分析,评价自然因素和人类活动等对生态系统及其组成部分的负面影响[1],也是生态环境问题研究的热点之一。经过30多年的研究与应用,生态风险评价在方法、内容以及研究尺度方面都有不同程度的进展：风险源的选取由单一的化学污染物扩大到包括人类活动、社会经济在内的多种复合因素,多风险源、多风险评价终点已经成为大尺度风险评价的重要特点[2-3]；研究尺度从单一种群扩展到区域尺度,风险评价所涉及的生态系统主要有森林[4]、湿地[5-6]、海岛[7-8]、城市[9-10]以及农田[11]等；评价内容的重点也转移到人类活动对生态系统的影响方面；评价方法由定性描述转向定量研究,对于不同生态风险类型的风险评价方法可以归纳为:商值法(评价污染类型)、评价指标体系法(评价生态事件)、脆弱性评价法(评价自然灾害)、模型法(评价人类活动)以及相对风险评价模型法(评价区域生态风险)。相对风险评价模型法是基于“风险源-生境-生态影响”的关联框架模型,采用等级打分法对风险源和生境进行量化,最后计算相对风险值,在区域生态风险评价中得到广泛运用[12]。随着研究的不断深入,生态风险评价的影响力日益扩大,逐渐成为发现和解决环境问题的决策基础。

拉萨河流域近年来发展迅速,人口和经济持续增长的同时,流域生态和环境问题也逐渐突显出来。流域内林草植被遭到一定程度破坏,生物多样性下降,水体污染和土地沙化情况加重,已威胁到拉萨河流域生态系统健康。目前对拉萨河流域生态系统风险评估的研究较少,大部分研究涉及的风险因子相对单一,往往只基于矿山开采、农业、水污染或者自然灾害中某个方面进行研究[13-14]。尤其是近年来,随着援藏工作的深入,拉萨河流域主要县城的城镇化建设进程快速推进,生态风险剧增,评估工作相对滞后。为了有效管控城镇化建设给相对脆弱的高寒生态系统带来的风险,本文运用相对风险模型,明确了拉萨河流域各区县的主要风险源,综合评价了流域内7个区县的生态风险,提出了拉萨河流域生态风险管理建议,这对于保护高原生态环境、有效提升生态屏障功能具有重要意义。

1 研究区概况

图1 研究区2015年土地利用图示意图Fig.1 Land use map of the the research area in 2015

拉萨河是雅鲁藏布江的一级支流,发源于念青唐古拉山脉南麓嘉黎县彭措拉孔马沟,位于西藏自治区的中部(29°20′—31°15′N,90°05′—93°20′E),流域面积27169.32 km2,平均海拔高程4812.26 m,地势高且地形起伏较大,见图1。属高原温带-寒温带半干旱季风气候区,气温日变化大,年平均气温-1.5—7.8℃,较同纬度东部平原地区低8℃左右[15]。降水主要来自印度洋西南季风,集中在夏季6—9月,年降水量340—700 mm[16]。土壤可分为10个大类、28个亚类,以亚高山草甸土、草原土、山地灌丛草原土、高山寒漠土为主,占土壤总面积的95.96%[17]；植被类型主要以灌丛草原、亚高山灌丛草甸和亚高山草甸为主,受水热条件影响,由东向西植被类型趋于单调化、覆盖度明显降低[18]。生物资源丰富,植物优势种包括大果圆柏(Sabinatibetica)、藏川杨(Populusszechuanicavar.tibetica)、小叶金露梅(Potentillaparvifolia)、锦鸡儿(Carganasinica)、高山嵩草(Kobresiapygmaea)、青藏薹草(Carexmoorcroftii)、藏北嵩草(Kobresialittledalei)、昆仑针茅(Stiparoborowskyi)等[19]；拉萨河流域的湿地是黑颈鹤(Grusnigricollis)、赤麻鸭(Tadornaferruginea)、斑头雁(Anserindicus)等多种珍稀鸟类的迁徙走廊和繁殖地,流域内大型哺乳动物有雪豹(Pantherauncia)、藏野驴(Equuskiang)、马麝(Moschuschrysogaster)等[20]。流域内总人口70.15万人,占自治区人口的21.65%,整体人口密度较低,小于20人/km2,城区与居民点主要零散的分布在缓坡与河谷平原地带。2002—2015十余年间,城镇化建设进程加快,建设用地增加112 km2,农田增加71 km2,化肥使用量增加1.02×104t。

2 研究方法

2.1 数据源

地面信息(地表覆盖类型、坡度、坡向、坡位等)来源于样地调查记录；遥感数据来源于Landsat TM影像,校正后结合调查数据解译为冰雪、农田、建设用地、沙地、林地、水体、湿地、草地、裸地和裸岩10种土地利用类型(解译精度为77.3%)；社会经济数据主要来自《拉萨市统计年鉴2015》,并根据评价需要收集了其他生态环境、社会经济的统计资料。

2.2 基于相对风险模型的风险值计算

相对风险模型是一种适合研究区域复合压力问题的模型。该研究采用相对风险模型,将城镇化发展可能造成生态风险的风险源和生境类型进行筛选,经过暴露-危害分析,把计算的风险源密度、生境丰度、暴露系数和响应系数,带入相对风险公式得出各风险小区的风险值,并进行不同评价单元、不同生境风险程度的分析比较。相对风险评价模型法的可操作性强,最大的优势是把容易量化的生境作为风险源与生态影响的中间桥梁,降低了将生物要素作为评价受体而进行生态风险估算、生态风险分析的难度和不确定性。

风险值采用相对风险模型计算,见下列公式[21]：

式中,RS为相对风险值；i为风险单元的标号；j为风险源类型的标号；l为生境类型的标号；m为生态受体类型的标号；Sij为风险单元内的压力密度；Hil为风险单元内的生境丰度；Xjl为暴露系数；Elm为响应系数。压力密度Sij与生境丰度Hil的计算依据为各风险小区风险源(生境)面积百分比与该风险源最大面积百分比比值。

3 结果与分析

3.1 风险单元划分

风险评价单元的划分是区域生态风险评价的基础,一般采用某些自然存在或人为划定的边界,如山脉、河流、沟谷以及某些保护区的界线等[22]；为了便于风险管理,该研究以行政区(县)作为风险单元的划分标准,即将研究区划分为：城关区、林周县、当雄县、曲水县、堆龙德庆区、达孜县、墨竹工卡县7个区县。

3.2 风险源、生境、受体的选择

3.2.1 风险源识别

拉萨市生态环境结构简单,各自然系统稳定性较差,对气候波动和人为扰动非常敏感。随着拉萨河流域城镇化进程加快,人口增加引发的污水与垃圾污染问题日益严重,养殖业和旅游业的快速发展等都给研究区生态带来巨大的压力。

根据遥感解译结果,拉萨河流域建设用地面积占全部土地面积的0.8%左右,2002—2015年,研究区建设用地增加112 km2,扩张主要来源于草地(表1),来自城市的废弃物、污水可能会形成污染源,同时也给湿地和其他生态系统带来了巨大风险。

2002—2014年,全区农牧业产值呈现逐年上升趋势(图2),但种养殖业给生态系统带来的负担也不能忽视。拉萨河流域农田的分布呈现出以河道为中线向两侧辐射发展的规律,土壤中携带的农药、化肥等污染物随着地表径流进入拉萨河水体中,污染了水质,使得有害物质在土壤和水中沉积。另外,畜群集中养殖在河谷牧业区,对草地植被损伤严重，草甸土表层结构也遭到了破坏。。

表1 1995—2015建设用地增加主要来源/km2

图2 拉萨市2002—2014年农牧总产值/万元 Fig.2 Gross output value of agriculture and animal husbandry in Lhasa from 2002 to 2014

近年来,拉萨市旅游业发展迅速,拉萨市旅游人数十年间增长了6.93倍,2015年已经突破一千万,并且呈现继续上升的趋势,全年旅游总收入154.93亿元,比上年增长37.7亿元,旅游业已经成为拉萨市经济的增长支柱产业[23]。游客的游览活动会使植被、土壤受到不同程度的破坏, 降低植被群落的覆盖度从而导致植物个体减少、质量下降。部分景区的废弃物处理不完善,对附近水域、草地等也会造成一定的污染。

另外,墨竹工卡县、林周县等地区矿产资源丰富,采矿活动强烈,流域内有大量的受损山体,容易出现山体滑坡、塌方、泥石流等水土流失以及地面沉降等问题。

根据上述情况,将研究区的风险源归结为：城镇扩张、农业污染、畜牧养殖、采矿活动以及旅游娱乐五个方面,其中城镇扩张用建筑用地面积、交通用地面积、人口数量等指标代表；农业污染用农药、化肥使用量的总和来表示；畜牧养殖用年末牲畜存栏表示；采矿活动用矿产资源开发利用面积表示,最后旅游娱乐用各个风险单元的景点数量表示(各风险源信息见表2)。该五类风险源既体现了城镇化的特点，又有数据资料支撑且便于量化。

表2 拉萨河流域各风险单元的风险源信息表

3.2.2 生态受体与生境

生态受体是生态系统中可能遭受风险源负面影响的部分,可以是生物体的组织、个体、也可以是群落、生态系统等较为宏观的层次[24]。本文综合分析研究区内的生态环境,将生态受体确定为水质、土壤、生物物种以及生态系统。根据拉萨河流域内不同生物对生境的要求,结合现有的土地利用方式、人类活动强度与物种多样性,将生境主要划分为：林地、草地、湿地、农田、水体5种类型。各风险单元每种类型生境的面积见表3。

表3 拉萨河流域各风险单元的生境面积/km2

3.3 暴露系数和响应系数

暴露系数主要反映不同风险源对各个生境的暴露程度,响应系数是则反映生态受体对风险源的响应程度[25]。对于不同的风险单元,其风险源-生境-生态受体的暴露-响应情况不同。本文对于这两个系数,结合实际情况,经专家评定后综合打分定级,I级值范围1.0—0.9,表示暴露或响应等级高；II级0.8—0.7表示等级较高；III级0.6—0.4表示等级适中；IV级0.3—0.2表示等级较低；V级值≤0.1表示等级极低。暴露系数如表4所示。

表4 拉萨河流域风险暴露系数

城关区各生境的响应系数整体高于其他区县,作为中心城区,城关区内交通发达、城镇化扩展最快,截止2014年底人口达到了20.7万,是其他区县的3—7倍；建筑面积为63.98 km2,位于全区县之首。区内人为活动扰动明显,各生境较为脆弱,易受到风险源威胁,各生态受体响应程度高。研究区中的居民点与农田主要分布在拉萨河周围的河谷平原地带,水体与农田受人为干扰剧烈且敏感性强,因此其响应系数一般高于其他生境。林地、湿地、草地的响应系数在各区县中互有高低,主要根据当地的各生境面积大小,生境健康情况而定,例如当雄县湿地、草地面积广阔,抵抗人为活动干扰能力较强,进而响应系数值较低(图3)。

图3 拉萨河流域各风险单元响应系数Fig.3 The response coefficient of each risk area in Lhasa River Basin

3.4 风险表征

利用RRM计算得出各个风险单元的综合风险值与每种风险源、生境的相对风险值。

图4 拉萨河流域各区县的相对风险值 Fig.4 Relative risk value in counties and districts of Lhasa River Basin

研究区各区县中,城关区的综合相对风险值(65.67)最高,是当雄县(38.24)的1.72倍,其次是墨竹工卡县(61.91)和堆龙德庆区(55.08),林周县(40.29)和达孜县(40.65)处于中等风险级别。从空间分布上看,拉萨市南部的风险值高于北部,且以城关区为中心各区县风险值逐渐减小(图4)。

图5表明,拉萨河流域的生态风险主要来自于城镇扩张与农业污染两个方面,其中,人口数量的快速增长对环境的压力需要重点关注。

城关区是西藏自治区省会拉萨市的主城区,是拉萨河流域最大的城市,是藏族同胞的重要居住地,人口约占西藏人口的五分之一,所以城关区在建设过程中面临着建筑征地对草地、农田等系统破坏的巨大风险。此外,城关区汇集了布达拉宫、大昭寺、罗布林卡、八廓街等重要知名景点,进城务工和旅游等流动人口众多,旅游旺季时远远超过了环境容量,存在水、土壤、空气污染以及生物物种消失等重大生态风险(图5)。

堆龙、墨竹工卡、林周、达孜和曲水均是农业大县,以生产青稞、小麦为主,农业系统发达且历史悠久。近年来,随着设施农业技术的成熟和推广,拉萨城区的蔬菜也逐渐由堆龙和达孜两县生产供应。作为以农业生产为主的大县,其生态风险主要体现在农业生产使用的化肥农药对河流和土壤的污染以及对生物多样性的威胁(图5)。

当雄是拉萨河流域内最大的牧业县,牲畜数量超载200%—300%[26]。牲畜养殖是其主要生态风险源,重点表现在超载过牧造成的草地退化和牛粪代替薪柴引发的养分流失(图5)。

图5 拉萨河流域各区县风险源的相对风险值Fig.5 Relative risk value of risk sources in counties and districts of Lhasa River Basin

拉萨河流域各种生境受体的风险值大小排序为：水体(122.98)>湿地(113.62)>农田(78.90)>草地(19.97)>林地(8.63)。在林周县、曲水县、达孜县以及堆龙德庆区四个区县中,水体与湿地的相对生态风险值最高并且是其他生境的2—53倍不等。当雄县的农田风险值为33.53,明显高于其他生境,可能是因为当雄县主要以牧业为主,农田面积少,对抗各类压力因子的能力极弱,因此相对风险值高(图6)。

图6 拉萨河流域各区县生境的相对风险值Fig.6 Relative risk values of habitat in different counties and districts of Lhasa River Basin

4 结论与建议

4.1 结论

(1)拉萨河流域的生态风险主要表现为城镇扩张对森林、草原等生态系统的破坏和土地利用类型的改变；其次为农业生产过程中化肥、农药的使用对水体、土壤等生态受体的污染风险；畜牧养殖中的过牧会带来草地和土壤退化。

(2)城关区是流域的高风险区,城镇化建设对水体和农田造成很大的压力；当雄县的超载过牧是其主要生态风险源；墨竹工卡县、堆龙德庆区、林周县、达孜县的生态风险源主要是农业生产活动对水体和湿地的负面影响。

(3)拉萨河流域生态风险的空间分布呈南高北低的格局特征,主要风险源从南至北依次为城镇扩张—农业污染—畜牧养殖。

4.2 讨论

流域生态风险评价是一个复杂的过程,自1990年以来,很多学者探讨了大尺度的区域生态风险评价的可能性和实施办法,除了应用较多的相对模型分析法,还有以构建生态损失度指数、污染指数等进行生态风险评估的方法,此外,景观生态风险评价模型、蒙特卡罗模拟、贝叶斯模型以及专家评判法在生态风险评价中也有应用。比较而言,相对风险模型对于解决风险源种类多样、风险暴露途径复杂、胁迫因子难于量化等问题更具优势。

目前对研究区的生态风险分析大多局限在单一风险源或单一风险因子分析之上。本文研究结果表明,农业污染风险是拉萨河流域的主要风险压力来源之一,非点源(施肥)污染高风险概率多分布在人类活动影响大的耕地和土地利用变化剧烈的区域,而以草地为主的生境风险概率相对较低,该结论与其他学者[27]的研究结果相符。另外,2005—2015年拉萨市水域面积减少9.99 km2[28],水中的重金属As和Fe严重超标,污染物引起的总健康风险显著高于标准值[29]。总体而言,城关区、堆龙德庆区内的水体生态风险值较高,是当地环境监测的重点关注生境。

在区域尺度的环境风险评价过程中,受基础资料和技术水平等限制,不是所有风险源都能被量化或者估算,因此常采用易于获取的指标来替代难以测量的指标,风险评价结果的精度有待进一步精确。

4.3 风险管控的建议

(1)因地制宜实施流域统筹管理

拉萨河流域生态风险相对集中,如城市化进程带来的风险主要集中在发展较快的城关区,农业生产带来的生态风险主要集中在5个农业县,其主要原因是各区县产业结构单一且发展不平衡。因此,建议各区县发挥资源优势,调整产业结构,实现产业多元化的区县间联合发展。

(2)加强农区污染源管控

拉萨河流域农业土地面积占比3%,农业生产的生态风险源主要是化肥、农药以及农膜的使用所造成的土壤板结、有机质含量减少、有毒有害物质浸入土壤与“白色污染”等问题。因此建议拉萨河流域的农业管理部门围绕“一控二减三基本”原则,控制农业用水量,减少农药和化肥的使用量,设置农膜回收站点和推广应用可降解农膜，发展良种良法配套的绿色增产模式。

(3)人工种草和半舍饲养殖

研究表明,拉萨河流域农区666.67m2人工草地年产草量是天然草地的100—200倍[30],理论上说明种植666.67m2人工草地,可保护6.67—13.33 hm2天然草场。为减缓拉萨河流域牧业县的超载过牧压力,可在农区种植牧草,运往牧区进行舍饲或半舍饲养殖牛羊,实现区域间的优势互补,实现降低生态风险的目标。