基于相对风险模型的崇明岛区域生态风险评价

谭 娟，王 敏，苏 敬 华，阮 俊 杰，王 卿

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

0 引 言

生态风险是指区域复合生态系统在受到外界干扰时生态环境负面效应出现的可能性[1-2]。生态风险评价是运用生态学、地理学、环境学等多学科知识对这种可能性进行预测和评估[3]。经过数十年的发展，生态风险评价经历了由化学污染物风险到人体健康风险再到区域生态风险的发展历程，评价内容逐步由单因子向多因子综合风险拓展[4-6]。随着生态风险理论、评价方法和评价模型等研究的不断深入，生态风险评价在环境管理决策中的作用日益凸显[7-9]。

评价模型构建是生态风险评价的核心步骤，国内外学者做了很多理论和实践方面的研究，常见的评价模型包括相对风险模型(RRM)、USEPA模型、PSR模型、R=P×D模型、SI模型等，且针对不同评价对象，模型的适用性也不尽相同[10-13]。如王慧芳等[14]基于单一风险评价模型利用GIS空间叠加分析对西南地区多胁迫的综合生态风险进行了评价，评价结果实际指导了区域生态风险防范和管理；陈晶晶等[15]运用PSR模型对荆州市景观生态风险开展了评价，进一步明确了风险管理和预防调控措施。而相对风险模型被广泛应用于区域生态风险评价，重点强调大尺度、多受体、多风险源等的综合风险[16]，已成功应用于城镇规划[17]、近岸海岸带及海岛[18]、流域生态系统[19]等的风险评估研究。但由于区域生态系统整体性和复杂性，目前针对区域层面的风险识别、评价、建模和模拟预测还处于探索阶段，需要从技术与应用层面拓展相关研究。

崇明生态岛位于长江入海口，是长江流域生态安全的重要节点，也是长江大保护的指示区域，对长三角地区、长江流域乃至全国的生态安全都有重大影响。2010年，上海市政府发布了《崇明生态岛建设纲要(2010～2020年)》(以下简称《纲要》)，围绕十年建设，学者关注的重点多在建设成效评估上[20-21]，而针对生态风险方面主要集中于微塑料[22]、重金属[23]等单项污染物的研究，针对区域层面的综合生态风险评估还鲜有报道。因此，本研究以崇明生态岛为研究对象，从风险源、生境结构、风险受体及暴露-响应途径等方面构建相对风险评价模型，利用GIS空间叠加分析对区域综合生态风险进行评价。研究结果可为崇明生态岛建设过程中的生态风险防范和管理决策提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

崇明岛位于长江入海口，是世界最大的河口冲积岛屿。全岛东西长76 km，南北宽13～18 km，总面积1 267 km2。崇明岛属于亚热带湿润气候，年平均气温16.5 ℃，年平均降雨量1 128.9 mm，空气相对湿度常年保持在80%。生态系统以城镇、农田、森林、淡水湿地和滩涂湿地为主。

1.2 相对风险模型构建

1.2.1评价单元划分

崇明区辖16个镇、2个乡，从便于生态风险管理角度出发，将这18个乡镇划分为评价单元。

1.2.2风险源与生境分析

结合崇明生态岛建设历程，综合考虑人类活动与生态环境的相互关系，从人为干扰角度筛选风险源指标，主要包括城镇化风险、农业生产风险和环境压力风险3类。其中，城镇化风险源指标包括人口密度、GDP、城镇建城区面积占比、工业总产值和产值能耗，农业生产风险源指标包括生猪出栏头数、山羊年末圈存量、家禽出栏数、渔业总产量、化肥施用强度和农药施用强度，环境压力风险源指标包括工业废水排放量、工业COD排放量、工业粉尘排放量和二氧化硫排放总量。研究区域生境类型主要表现为农田、林地、淡水湿地和滩涂湿地4种。

1.2.3风险受体与评价终点分析

一般选择对风险源较为敏感的关键物种、种群、群落或生态系统作为风险受体。本研究中崇明岛生态风险属于区域性评价，选择自然生态系统作为受体更能综合反映人类干扰对生态环境的影响程度。因此，选取农田、森林、淡水湿地和滩涂湿地作为崇明岛生态风险的受体，并将这4类生态系统主要服务功能的退化或丧失确定为评价终点。

1.2.4暴露-响应概念模型

生态风险评价体系是由风险源、风险受体和评价终点即风险效应构成的结构体系，通过分析风险源、风险受体及评价终点之间的接触暴露关系，构建暴露-响应概念模型(见图1)。其中，风险暴露途径主要包括：空间占用(space occupation，SO)、污染累积(pollutant accumulation，PA)和资源消耗(resource depletion，RD)。风险响应途径包括植被破坏(vegetation degradation，VD)、农田侵占(farmland losses，FL)、生境破碎化(habitat fragmentation，HF)、面源污染加剧(non-point pollution aggravation，NPPA)、土壤肥力下降(soil fertility decline，SFD)、重金属污染加剧(heavy metal pollution aggravation，HMPA)、湿地萎缩(wetland losses，WL)和湿地退化(wetland degradation，WD)等。生态终点包括：生物多样性维持、洪水调蓄、水土保持、水源涵养、产品提供及气候调节等生态功能的退化或丧失。

图1 相对风险暴露-响应概念模型

1.2.5暴露与危害分析

暴露与危害分析是确定相对风险密度、生境丰度、暴露系数和响应系数的过程，最终实现生态风险的定量计算。其中相对风险密度是指各类风险源指标数值与该评价单元中该指标最大值的比值，生境丰度是各类生境面积占比与该评价单元中该生境的最大面积占比的比值。暴露系数反映了风险源作用于风险受体的暴露量，响应系数反映了风险受体的生态终点对于风险源的响应程度。

1.2.6风险表征

将各评价单元的相对风险密度、生境丰度、暴露系数和响应系数这4个参数进行综合计算，即可得出生态风险的定量评价。具体公式为

R=∑Sij×Hil×Xjl×Elm

式中：R为相对风险值；i为评价单元序号；j为风险源类型标号；m为生态终点类型标号；Sij为评价单元内相对风险密度；Hil为评价单元内生境丰度；Xjl为暴露系数；Elm为响应系数。

1.3 数据来源

选取2010，2012，2015年和2018年4个时间节点年开展崇明岛生态风险评价。其中，2010年作为纲要实施的本底年，2012，2015年和2018年分别为3轮3 a行动计划实施的节点年。各项风险源数据主要来源于崇明统计年鉴及崇明区各委办局统计数据，生境数据通过解译各年份分辨率为1 m的航空遥感影像获得。

2 结果与分析

2.1 相对风险密度和生境丰度

由表1可知，城镇化相对风险密度以城桥镇、长兴镇和陈家镇相对较高，而绿华镇、新村乡和东平镇相对较低；农业生产相对风险密度以庙镇、三星镇和港沿镇相对较高，新海镇、城桥镇和新村乡相对较低；环境压力相对风险密度以长兴镇、建设镇和陈家镇相对较高，横沙乡、绿华镇和新海镇相对较低。由表2可知，林地生境丰度以绿华镇、港西镇和横沙乡相对较高，农田生境丰度以港沿镇、中兴镇和向化镇相对较高，滩涂湿地生境丰度以陈家镇、横沙乡和长兴镇相对较高，淡水湿地生境丰度以长兴镇相对较高。

表1 不同年份各评价单元风险源相对密度

表2 不同年份年各评价单元生境丰度

2.2 暴露系数和响应系数

经实地调研分析风险源与生境及评价终点与生境之间的相互作用关系，并结合专家咨询，设定暴露系数和响应系数(见表3和表4)。以低、较低、中、较高、高5种程度描述暴露和响应的相对强度，并量化为相应的暴露系数和响应系数0,0.3，0.5，0.7和1。对于暴露系数来说，0表示暴露路径不存在；1表示暴露路径

表3 生态风险暴露系数

表4 生态风险响应系数

存在且暴露量大；0.5表示暴露路径存在但暴露量适中；其余类推。对于响应系数来说，0表示响应路径不存在；1表示响应路径存在且响应程度高；0.5 表示响应路径存在但响应程度适中；其余类推。可以看出，各风险源在不同生境中的暴露系数存在差异，而不同风险源通过作用于不同生境受体给各生态终点带来的影响也存在差异。

2.3 相对风险评价结果

2.3.1城镇化风险

4个年份城镇化风险均值分别为2.26，1.97，1.80和1.92，总体呈降低趋势，但有小幅波动。从风险分布来看(见图2)，以长兴镇、城桥镇和陈家镇相对较高，4个年份风险均值分别为6.42，4.21和3.01，而新海镇和东平镇相对较低，4个年份风险均值分别为0.96和0.91，其他评价单元的城镇化风险均值均在1.00～2.00之间波动，差异不明显。

图2 不同年份各评价单元城镇化风险

2.3.2农业生产风险

4个年份农业生产风险均值分别为3.10，2.65，2.42和1.99，呈逐渐降低趋势。从风险分布来看(见图3)，以长兴镇、陈家镇、庙镇、港沿镇、三星镇和绿华镇生态风险较高，4个年份的风险均值分别为4.49，4.07，3.96，3.84，3.58和3.00；堡镇、横沙乡、港西镇和向化镇次之，4个年份的生态风险均值分别为2.55，2.37，2.32和2.22；新海镇的农业生产风险最低，为0.49；其他乡镇的农业生态风险均值在1.00～2.00之间。

图3 不同年份各评价单元农业生产生态风险

2.3.3环境压力风险

4个年份的环境压力风险均值分别为0.76，0.87，0.61和0.62，呈先升后降波动趋势。从风险分布来看(见图4)，以长兴镇风险最高，风险均值为5.10，明显高于其他乡镇，其次为建设镇和陈家镇，风险均值分别为1.30和1.14，而横沙乡和绿华镇风险相对较低，风险均值分别为0.04和0.10，其他乡镇的环境压力风险均值均在0.10～1.00之间。

图4 不同年份各评价单元环境压力风险

2.3.4综合生态风险

根据综合生态风险计算结果，按风险值由低到高将评价单元划分为低风险区(0～3.04)、较低风险区(3.05～6.08)、中等风险区(6.09～9.13)、较高风险区(9.14～12.18)和高风险区(>12.19)(见表5和图5)。可以看出，长兴镇4个年份综合生态风险值均最高，分别为18.66，16.98，15.79和16.58，均处于高风险等级，总体呈下降但有小幅波动趋势；其次是陈家镇、城桥镇、港沿镇、建设镇、庙镇和三星镇，陈家镇呈先增后降趋势，由较高风险降低至较低风险等级；城桥镇呈先增后降再增趋势，但变化幅度不大，均处于中等风险等级；庙镇、港沿镇和三星镇均呈先增后降趋势，均由中等风险水平降低至较低水平；建设镇风险水平呈逐年降低趋势，风险等级均为较低水平；绿化镇、新村乡、港西镇、新河镇、竖新镇、向化镇、中兴镇、堡镇和横沙乡的风险水平次之，大部分年份均处于较低风险等级；东平镇和新海镇的综合生态风险相对较低，东平镇则由较低水平降为低风险水平，新海镇4个年份均处于低风险水平。此外，从风险构成来看，城桥镇、长兴镇和新海镇4个年份均表现为城镇化风险>农业生产风险>环境压力风险，陈家镇和堡镇在2018年也呈现该趋势，其他乡镇各年份综合风险均表现为农业生产>城镇化风险>环境压力风险。

表5 不同年份崇明岛综合生态风险评价结果

图5 不同年份崇明岛综合生态风险评价结果分布

从综合生态风险变化情况来看：2010～2012年，除了东平镇、新村乡、绿华镇和竖新镇综合生态风险增大，增幅分别为15.50%，8.16%，3.17%和0.61%，其他乡镇均呈降低趋势，以新海镇降幅最大，为30.93%；2012～2015年，仅有庙镇综合生态风险增大，增幅为2.63%，其他乡镇综均呈下降趋势，以陈家镇降幅最大，为38.46%；2015～2018年，城桥镇、长兴镇、新河镇和新海镇生态风险升高，增幅分别为5.63%，5.00%和3.19%，其他乡镇呈降低趋势，以港西镇降幅最大，为30.45%；从2010～2018年变化情况来看，各乡镇综合生态风险均有所下降，以三星镇、陈家镇和港西镇降低最为明显，降幅分别为49.43%，49.12%和48.92%，港沿镇、新海镇和横沙乡次之，降幅分别为39.50%，37.90%和32.39%。

图6 2010～2018年崇明岛综合生态风险变化

可以看出，近10 a来崇明生态岛建设取得了一定成效，该成效在区域生态风险防控方面也得到体现。各乡镇区域生态风险均呈降低趋势，这与《纲要》明确的生态岛建设主要行动领域密不可分。首先，在城镇化方面，《纲要》从严控空间格局出发，明确了建设用地和生态用地比重，这使得近10 a生态岛空间格局在基本维持稳定的基础上不断得到优化，同时依托生态保护红线划定构建了长江河口生态安全屏障，持续强化了生态空间管控。同时，《纲要》也围绕能源利用和节能减排提出了具体的行动措施，有效保证了单位GDP能耗的降低。对应于城镇化风险评价结果，仅长兴镇、城桥镇和陈家镇经济较为发达的乡镇城镇化风险相对较高，其他乡镇城镇化风险均较低，并未呈现增长态势，表明通过限制建设用地比例、优化能源结构等行动措施，可以有效调控城镇化风险。其次，在农业生产方面，《纲要》明确指出发展现代生态农业和绿色农业基地建设，严控化肥和农药使用强度，具体行动包括：建设80个农业标准化示范基地，建设106.67 hm2(1 600亩)标准化和生产、农业废弃物资源化利用的水稻良种繁育基地，开展高效、低毒、环保型农药的试验示范，推广测土配方施肥等。结合农业生产风险评价结果来看，2010～2018年间，除了东平镇呈小幅增长趋势，其他乡镇均呈下降趋势，表明这些行动的实施有效防范了生态岛农业生产活动带来的风险。最后，在环境污染方面，《纲要》围绕水、气、噪声、固废等要素明确了环境保护与治理目标，制定了相应的保障行动措施，如实施污水处理厂及相关配套污水收集管网工程、农村生活污水处理工程、燃煤锅炉烟气脱硫和除尘设施改造工程，持续推进产业结构调整，关停高污染、高能耗企业等，这些具体行动保障了生态岛各评价单元环境压力风险基本呈逐年下降趋势。总体而言，生态岛10 a建设成绩斐然，水、气等生态环境质量保持全市最优，森林、淡水湿地、滩涂湿地等生态资源优势不断巩固，环境治理能力短板基本补齐，绿色、低碳发展道路也逐渐清晰，这些成效的取得进一步使区域生态风险得到了有效防范。

3 结 论

(1) RRM模型评价结果表明，崇明岛区域生态风险分布以长兴镇相对较高，新海镇、东平镇和新村乡相对较低。从变化动态来看，各乡镇生态风险在2010～2018年间总体呈下降趋势，个别乡镇在不同年份之间存在小幅波动，2010～2012年，东平镇、新村乡、绿华镇和竖新镇呈增长趋势，2012～2015年仅庙镇风险增大，2015～2018年，城桥镇、长兴镇、东平镇和新海镇呈增加态势。

(2) 从生态风险构成来看，除长兴镇、城桥镇、陈家镇等城镇化较为发达的地区外，其他乡镇各年份生态风险均呈现出农业生产>城镇化>环境压力。从变化动态来看，2010～2018年，城镇化风险以城桥镇、长兴镇、绿华镇和建设镇呈增加趋势，其他乡镇均有所下降；农业生产风险除东平镇小幅上升外，其他乡镇均降低；环境压力风险除长兴镇、陈家镇和堡镇小幅增长，其他乡镇均呈现出降低趋势。