生态安全视角下的山地区域及河岸带功能区划分

许晓玲 董建文,2

1 福建农林大学园林学院 福州 350002

2 南方水土保持与绿色发展研究院 福州 350002

河岸带是水陆交界处直至河水影响消失为止的地带,是重要的生态系统[1]。为了防止山地区域山洪灾害的威胁,人类沿河修建堤坝、取直河岸线,导致河岸带的生物栖息地减少、自然特征逐渐消失,对山地区域的生态安全构成巨大威胁,防洪安全与生态环境保护的矛盾日益凸显。科学划分河岸带功能区是开展河岸带建设、保护与管理工作的依据,也是山地区域可持续发展中急需解决的问题[1－2]。据此,从建设与管理角度,国内外很多学者认识到河岸带宽度是影响其功能发挥的关键因子[3－6]；更有学者从流域尺度或河段尺度开展各要素相互作用机制、河岸带自然生境评价等研究,提出河岸带保护、建设与管理建议[7－9]。但当前研究多是以生态修复为目标,较少考量社会需求,缺乏对河岸带保护、利用和开发的综合性探讨。生态安全主要研究人类社会经济发展与生态保护之间的协调关系,强调自然生态系统的保护与优化利用,以实现人类社会可持续发展[10],目前已有学者通过生态敏感性分析、景观格局指数等方法对土地利用、生态基础设施建设、生态红线划定等开展生态安全研究。

福建省长汀县是典型的山地区域,境内的汀江属于闽粤地区重要水源地的上游流域,是生态环境保护的重点区域。城镇化所伴随的高强度人类活动,造成了该流域生态敏感、水土流失严重,比如,1996年和2015年发生的特大洪灾,不仅造成重大的社会经济损失,也威胁着汀江生态系统安全。因此,以汀江长汀县段为研究对象,从生态安全视角探究山地区域的生态安全格局及其河岸带功能区划分,提出河岸带优化对策,对山地区域的可持续发展具有重要意义。

1 研究区概况

福建省长汀县属中亚热带季风性湿润气候,最大日降雨量可达200~400 mm,多年平均降水量在1 500~2 000 mm,降雨量丰沛。汀江干流长汀县段长138.21 km,河流平均比降为2.67‰,共流经庵杰乡、新桥镇、汀洲镇、策武镇、河田镇、三州镇、濯田镇、羊牯乡等9个乡镇。在城镇化建设背景下,基于防洪、发展农业生产与社会经济等需求,长汀县加强了汀江干流两岸的水利工程建设与土地利用强度,出现了河漫滩被侵占、驳岸垂直化、硬质土地面积增加、植被被破坏等生态问题。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

地形数据来源于1∶50 000的福建省数字高程模型；分辨率为30 m×30 m的2017年Landsat OLI＿TIRS影像来源于国家地理数据云(http://www.gscloud.cn)；人口、GDP、耕地面积等数据来源于长汀县统计年鉴；气象数据来源于长汀县1990—2015年13个水文站点；水土流失数据来源于长汀县水保局。Landsat OLI＿TIRS影像图运用遥感处理软件Erdas Imagine 2015进行预处理,通过监督分类、非监督分类方法与目视解译相结合,将研究区划分为林地、耕地、水体、建设用地和裸露地5种类型,精度检验显示土地利用类型图的分类准确度为94.5%。

2.2 研究方法

根据河流景观生态学理论,河流景观是一个连续体结构,具有尺度效应。在空间上,它是由众多微生境组合成河滩与河心洲、串联成河段、连接成河流、汇流成流域[11]；从组织上,上级尺度对下级尺度具有支配调节作用。河岸带是河流景观的组成部分,具有连续的空间形态与连续的生态系统,因此,河岸带功能区划分受河流尺度的影响。基于此,本研究先从县域尺度对研究区的生态敏感与洪灾风险性问题开展生态安全等级分析,然后结合国内外有关不同功能下的河岸带宽度研究,以及长汀县«福建省长汀县县城总体规划(2016—2030)»(以下简称«长汀总规»),从河段尺度划分研究地的河岸带功能区,以降低尺度效应的影响。

2.2.1 生态敏感性评价

地形、土地利用类型、人类活动等因素会影响生态功能,并且长汀县存在水土流失问题,因此本研究选择高程、人为干扰强度[12]、NDVI指数、水土流失率作为研究区生态敏感指标,评价体系权重通过专家赋权法与层次分析法确定。

参考相关研究的赋分标准,采用“取大原则” 对各指标进行赋分[13－14]；依据生态学的“最小限制原则”,评价指标叠加时由最高敏感等级值确定,按重要性程度划分为高生态敏感、较高生态敏感区、中级生态敏感区、较低生态敏感区、低生态敏感区(表1)。

表1 生态敏感性评价体系

2.2.2 灾害风险性评价

自然界中极端的降雨天气是造成洪灾的重要原因,不同的自然环境因素使研究区间存在下垫面差异,从而影响灾害风险程度。据此,选择地形位指数、河网密度、多年平均降雨量、多年平均降雨天数、人口密度、耕地面积比与单位GDP作为评价指标,从孕灾环境、致灾因子和承灾体3方面构建灾害风险评价体系(表2)[15－16],通过专家赋权法与层次分析法确定权重,并将原始数据标准化处理。依托ArcGIS平台插值分析中的反距离插值法将多年监测的气象数据进行空间链接。

表2 灾害风险性评价体系

参考相关研究[17],结合研究区分析情况,将研究区的灾害风险性等级分为:高风险(>0.8)、较高风险(0.8~0.6)、中级风险(0.6~0.5)、较低风险(0.5~0.3)与低风险(<0.3)。

2.2.3 生态安全等级分析

采用Arc GIS 10.2中的栅格计算将研究区的生态敏感性与灾害风险性等级分布图进行叠加,得到7种类型环境敏感分布区:1)高灾害风险—高生态敏感区；2)中级灾害风险—中级生态敏感区；3)高灾害风险—低生态敏感区；4)低灾害风险—高生态敏感区；5)低灾害风险—中生态敏感区；6)中灾害风险—低生态敏感区；7)低灾害风险—低生态敏感区。

2.2.4 河段尺度下划分河岸带功能区

生态保护、防洪安全、缓冲、净化水质等功能的发挥与河岸带宽度息息相关。根据国内外研究结果[3－6],承担防洪安全功能的河岸带宽度在20~150 m,对水质具有净化功能的河岸带宽度应在5~50 m,具有栖息地功能的河岸带宽度应在5~500 m。本研究采用最大宽度原则,选取50 m、150 m与500 m为河岸带功能的研究宽度,通过Arc GIS 10.2的分析工具—领域分析—多环缓冲区,在汀江干流建立50 m、150 m、500 m的多环缓冲区,从多尺度分析河岸带功能。

3 结果与分析

3.1 县域尺度下的生态敏感性

根据生态敏感性评价结果(图1、表3),高生态敏感区的面积为267.83 km2,占研究区总面积的8.64%；较高等级生态敏感区的面积为438.86 km2,占研究区面积的14.16%。这2种敏感区主要分布在汀江干流、南山河支流,以及汀江干流与濯田河交界处,其中,汀江干流的高敏感区主要集中在河田镇、三洲镇、策武镇等地势较为低洼、水土流失率较大且人为干扰较强烈的地区。

图1 研究区生态敏感性等级分布图

表3 研究区的生态敏感性各等级面积及其占比

3.2 县域尺度下的灾害风险性

由图2和表4可知,高灾害风险区域面积较小,多分布于汀江干流上游,尤其是汀州镇,因其人口密度与单位GDP比其他地区大,河流比降大,多年平均降雨量大,承灾体脆弱且孕灾环境与致灾因子敏感,对洪灾风险的抵御能力较弱；较高灾害风险区域主要集中在庵杰、新桥、大同与馆前等乡镇,还有部分位于古城镇与童坊镇,这些区域多年平均降雨量较大,孕灾环境敏感；中级灾害风险区域主要分布在河田镇与三洲镇,该地河网密度较大,人口密度与耕地面积比较大,孕灾环境与承灾体都较为敏感；较低灾害风险性区域分布面积较广,主要分布于多年平均降雨量较低、地势较高、人口密度较小的地区,其致灾危险性与承灾风险性较低。

图2 研究区灾害风险性等级分布图

表4 研究区灾害风险性各等级面积及其占比

3.3 县域尺度下的生态安全等级

由图3与表5可知,研究区的高灾害风险—高生态敏感区主要分布于汀洲、大同、新桥等乡镇,由于地处汀江干流流经区域,城镇经济较为发达,人口密度大,其孕灾环境敏感,承灾风险性大；低灾害风险—低生态敏感区主要位于红山、羊牯、四都等乡镇,这些区域的承灾风险性小,孕灾环境敏感性低；低灾害风险—高生态敏感区主要分布在策武、三洲、河田与濯田等乡镇地区,其人为干扰强度逐渐增强,同时水土流失现象比其他乡镇严重,生态环境敏感。

表5 研究区生态安全等级类型的面积及其占比

图3 研究区生态安全等级分类图

3.4 汀江干流长汀县段的河岸带功能区划分

3.4.1 汀江干流长汀县段的生态安全等级

在研究区生态安全等级分类(图3)基础上,沿汀江干流作50 m、150 m、500 m多环缓冲区处理,结果(图4)表明,汀江干流两侧500 m内河岸划分为6个生态安全等级(表6)。

图4 不同缓冲区下的汀江干流长汀段河岸带环境敏感性类型分布图

表6 不同缓冲区下生态安全等级类型的面积统计表

在50 m、150 m、500 m缓冲区内,低灾害风险—高生态敏感区的面积分别为7.51 km2、18.37 km2、51.33 km2,在所有等级中占比最大；中灾害风险—低生态敏感区的面积分别为0.09 km2、0.28 km2、2.21 km2,所占面积最小。低灾害风险—高生态敏感区在50 m缓冲区内主要分布在河田镇河段,这些区域河中沉积物较多,两岸植被覆盖率较低,河岸稳定性差；在150~500 m缓冲区内多分布于河田镇与三洲镇河段,这些区域地势较低且平坦,存在水土流失问题。

高灾害风险—高生态敏感区、中灾害安全—中生态敏感区主要集中在上游流域的大同镇与新桥镇河段500 m缓冲区内,这些区域社会经济较好、人口密度大、降雨量丰富、河流比降较大、洪灾抵抗能力弱、河流生态敏感。当前,新桥镇为保留河滩,在河滩的3~5 m外区域已修建生态驳岸(对保护河流生态环境具有一定意义),而大同镇多是修建标准为100年一遇的防洪堤坝。

高灾害风险—低生态敏感区主要分布在庵杰乡与汀州镇河段500 m缓冲区内。庵杰乡人口密度小、人类干扰强度较小、生态环境良好,地处研究区内高海拔区域,是河流比降最大的区域,受山洪威胁较大；汀州镇是长汀县中心所在,该河段的两岸500 m缓冲区内居民点密集、人口密度最大、社会经济良好,故承灾能力差,洪灾风险性大。当前,汀州镇在汀江干流两岸已修建标准为100年一遇防洪堤坝。

低灾害风险—中生态敏感区主要位于羊牯乡与濯田镇相交的河段150~500 m缓冲区内,主要是羊牯乡地势较高、人口密度小,已建有水利发电站。

策武镇与濯田镇是当前长汀县着力开发的重点,生态环境破坏严重,城镇的建设用地与人口密度大,河岸带多处于半自然状态,存在水土流失问题,因此,生态安全类型复杂,包括了高灾害风险—高生态敏感区、中级灾害风险—中级生态敏感区与低灾害风险—高生态敏感区、高灾害风险—低生态敏感区等。

3.4.2 基于生态安全的河岸带功能区划分

根据汀江干流长汀县段的生态安全等级分析结果,结合«长汀总规»,将汀江干流长汀县段的河岸带划分为5个功能区(图5):

图5 汀江干流长汀县段的河岸带功能区分析图

1)生态保育区。位于汀江源头的庵杰乡,其生态安全等级属于高灾害风险—低生态敏感区,根据«长汀总规»,该区域地处汀江自然保护区,其人口将会纳入到新桥镇。因此,该河段的河岸带要以保护自然生态环境为主,加强对河道及其两岸山体的保护与修复、增加生物多样性、降低水土流失率、注重50 m河岸带内的水质安全监测,通过监测的手段保护河流生态环境。同时,考虑到该处受山洪威胁大,在河岸带的150 m内不应分布建设用地、耕地等,以降低承灾风险性。

2)防洪安全区。主要位于大同镇河段、汀洲镇河段及策武镇、河田镇、濯田镇的部分河段,是高灾害风险—高生态敏感区,具有人口密度大、承灾体脆弱、受人类活动的强烈干扰、生态环境敏感的特点。因此,在河岸带20 m范围内要以防洪设施建设为主,在不影响行洪的条件下,通过修建生态驳岸、保留河滩、种植水生植物等方式提高生态功能。此外,还应在20~500 m河岸带范围内严格控制建筑、耕地等面积,降低承灾风险。

3)生态监测区。主要位于新桥镇河段,以及策武镇、濯田镇等生态安全等级复杂的区域。这些区域经济基础较为发达,致灾因子多,应以生态与安全并重为原则,50 m河岸带内尽量避免过度开发而破坏河流生态环境,加强河岸带植被保护与流域的水土流失治理；同时,在居民点分布密集的河岸带建设防洪设施,以确保社会安全。

4)生态修复区。主要位于河田镇河段、三洲镇河段及濯田镇部分河段,生态安全等级为低灾害风险—高生态敏感区。该河段的生态问题主要由水土流失与人类活动干扰所致。因此,应注重河岸带的生态修复,加强水土流失治理,提高其社会服务功能,促进人地关系的协调发展。

5)建设控制区。主要位于羊牯乡河段,生态安全等级为低灾害风险—中生态敏感区。该区域承灾体较强,属于汀江干流长汀县河段的下游区域,河流比降大,水利资源丰富,应注意控制该区域的水利设施建设,以保护河流生态环境。

4 结论

县域尺度下,高生态敏感区主要集中在河田镇、三洲镇、策武镇等水土流失率较大且人为干扰较强烈的地区；高灾害风险区域多分布在汀洲镇、大同镇；较高灾害风险性区主要分布在庵杰、新桥与馆前等乡镇,以及古城镇与童坊镇的部分区域。河段尺度下,高灾害风险—高生态敏感区主要集中在大同、新桥等乡镇的河段；低灾害风险—高生态敏感区主要分布在河田镇、三洲镇以及濯田镇部分河段；策武镇与濯田镇是当前长汀县着力开发的重点,经济基础较为发达,致灾因子多,生态安全类型复杂。结合«长汀总规»,将汀江干流长汀县段河岸带划分为生态保育区、防洪安全区、生态监测区、生态修复区、建设控制区5个功能区。