生態安全視角下的山地區域及河岸帶功能區劃分

許曉玲 董建文,2

1 福建農林大學園林學院 福州 350002

2 南方水土保持與綠色發展研究院 福州 350002

河岸帶是水陸交界處直至河水影響消失為止的地帶,是重要的生態系統[1]。為了防止山地區域山洪災害的威脅,人類沿河修建堤壩、取直河岸線,導致河岸帶的生物棲息地減少、自然特征逐漸消失,對山地區域的生態安全構成巨大威脅,防洪安全與生態環境保護的矛盾日益凸顯。科學劃分河岸帶功能區是開展河岸帶建設、保護與管理工作的依據,也是山地區域可持續發展中急需解決的問題[1－2]。據此,從建設與管理角度,國內外很多學者認識到河岸帶寬度是影響其功能發揮的關鍵因子[3－6]；更有學者從流域尺度或河段尺度開展各要素相互作用機制、河岸帶自然生境評價等研究,提出河岸帶保護、建設與管理建議[7－9]。但當前研究多是以生態修復為目標,較少考量社會需求,缺乏對河岸帶保護、利用和開發的綜合性探討。生態安全主要研究人類社會經濟發展與生態保護之間的協調關系,強調自然生態系統的保護與優化利用,以實現人類社會可持續發展[10],目前已有學者通過生態敏感性分析、景觀格局指數等方法對土地利用、生態基礎設施建設、生態紅線劃定等開展生態安全研究。

福建省長汀縣是典型的山地區域,境內的汀江屬于閩粵地區重要水源地的上游流域,是生態環境保護的重點區域。城鎮化所伴隨的高強度人類活動,造成了該流域生態敏感、水土流失嚴重,比如,1996年和2015年發生的特大洪災,不僅造成重大的社會經濟損失,也威脅著汀江生態系統安全。因此,以汀江長汀縣段為研究對象,從生態安全視角探究山地區域的生態安全格局及其河岸帶功能區劃分,提出河岸帶優化對策,對山地區域的可持續發展具有重要意義。

1 研究區概況

福建省長汀縣屬中亞熱帶季風性濕潤氣候,最大日降雨量可達200~400 mm,多年平均降水量在1 500~2 000 mm,降雨量豐沛。汀江干流長汀縣段長138.21 km,河流平均比降為2.67‰,共流經庵杰鄉、新橋鎮、汀洲鎮、策武鎮、河田鎮、三州鎮、濯田鎮、羊牯鄉等9個鄉鎮。在城鎮化建設背景下,基于防洪、發展農業生產與社會經濟等需求,長汀縣加強了汀江干流兩岸的水利工程建設與土地利用強度,出現了河漫灘被侵占、駁岸垂直化、硬質土地面積增加、植被被破壞等生態問題。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

地形數據來源于1∶50 000的福建省數字高程模型；分辨率為30 m×30 m的2017年Landsat OLI＿TIRS影像來源于國家地理數據云(http://www.gscloud.cn)；人口、GDP、耕地面積等數據來源于長汀縣統計年鑒；氣象數據來源于長汀縣1990—2015年13個水文站點；水土流失數據來源于長汀縣水保局。Landsat OLI＿TIRS影像圖運用遙感處理軟件Erdas Imagine 2015進行預處理,通過監督分類、非監督分類方法與目視解譯相結合,將研究區劃分為林地、耕地、水體、建設用地和裸露地5種類型,精度檢驗顯示土地利用類型圖的分類準確度為94.5%。

2.2 研究方法

根據河流景觀生態學理論,河流景觀是一個連續體結構,具有尺度效應。在空間上,它是由眾多微生境組合成河灘與河心洲、串聯成河段、連接成河流、匯流成流域[11]；從組織上,上級尺度對下級尺度具有支配調節作用。河岸帶是河流景觀的組成部分,具有連續的空間形態與連續的生態系統,因此,河岸帶功能區劃分受河流尺度的影響。基于此,本研究先從縣域尺度對研究區的生態敏感與洪災風險性問題開展生態安全等級分析,然后結合國內外有關不同功能下的河岸帶寬度研究,以及長汀縣?福建省長汀縣縣城總體規劃(2016—2030)?(以下簡稱?長汀總規?),從河段尺度劃分研究地的河岸帶功能區,以降低尺度效應的影響。

2.2.1 生態敏感性評價

地形、土地利用類型、人類活動等因素會影響生態功能,并且長汀縣存在水土流失問題,因此本研究選擇高程、人為干擾強度[12]、NDVI指數、水土流失率作為研究區生態敏感指標,評價體系權重通過專家賦權法與層次分析法確定。

參考相關研究的賦分標準,采用“取大原則” 對各指標進行賦分[13－14]；依據生態學的“最小限制原則”,評價指標疊加時由最高敏感等級值確定,按重要性程度劃分為高生態敏感、較高生態敏感區、中級生態敏感區、較低生態敏感區、低生態敏感區(表1)。

表1 生態敏感性評價體系

2.2.2 災害風險性評價

自然界中極端的降雨天氣是造成洪災的重要原因,不同的自然環境因素使研究區間存在下墊面差異,從而影響災害風險程度。據此,選擇地形位指數、河網密度、多年平均降雨量、多年平均降雨天數、人口密度、耕地面積比與單位GDP作為評價指標,從孕災環境、致災因子和承災體3方面構建災害風險評價體系(表2)[15－16],通過專家賦權法與層次分析法確定權重,并將原始數據標準化處理。依托ArcGIS平臺插值分析中的反距離插值法將多年監測的氣象數據進行空間鏈接。

表2 災害風險性評價體系

參考相關研究[17],結合研究區分析情況,將研究區的災害風險性等級分為:高風險(>0.8)、較高風險(0.8~0.6)、中級風險(0.6~0.5)、較低風險(0.5~0.3)與低風險(<0.3)。

2.2.3 生態安全等級分析

采用Arc GIS 10.2中的柵格計算將研究區的生態敏感性與災害風險性等級分布圖進行疊加,得到7種類型環境敏感分布區:1)高災害風險—高生態敏感區；2)中級災害風險—中級生態敏感區；3)高災害風險—低生態敏感區；4)低災害風險—高生態敏感區；5)低災害風險—中生態敏感區；6)中災害風險—低生態敏感區；7)低災害風險—低生態敏感區。

2.2.4 河段尺度下劃分河岸帶功能區

生態保護、防洪安全、緩沖、凈化水質等功能的發揮與河岸帶寬度息息相關。根據國內外研究結果[3－6],承擔防洪安全功能的河岸帶寬度在20~150 m,對水質具有凈化功能的河岸帶寬度應在5~50 m,具有棲息地功能的河岸帶寬度應在5~500 m。本研究采用最大寬度原則,選取50 m、150 m與500 m為河岸帶功能的研究寬度,通過Arc GIS 10.2的分析工具—領域分析—多環緩沖區,在汀江干流建立50 m、150 m、500 m的多環緩沖區,從多尺度分析河岸帶功能。

3 結果與分析

3.1 縣域尺度下的生態敏感性

根據生態敏感性評價結果(圖1、表3),高生態敏感區的面積為267.83 km2,占研究區總面積的8.64%；較高等級生態敏感區的面積為438.86 km2,占研究區面積的14.16%。這2種敏感區主要分布在汀江干流、南山河支流,以及汀江干流與濯田河交界處,其中,汀江干流的高敏感區主要集中在河田鎮、三洲鎮、策武鎮等地勢較為低洼、水土流失率較大且人為干擾較強烈的地區。

圖1 研究區生態敏感性等級分布圖

表3 研究區的生態敏感性各等級面積及其占比

3.2 縣域尺度下的災害風險性

由圖2和表4可知,高災害風險區域面積較小,多分布于汀江干流上游,尤其是汀州鎮,因其人口密度與單位GDP比其他地區大,河流比降大,多年平均降雨量大,承災體脆弱且孕災環境與致災因子敏感,對洪災風險的抵御能力較弱；較高災害風險區域主要集中在庵杰、新橋、大同與館前等鄉鎮,還有部分位于古城鎮與童坊鎮,這些區域多年平均降雨量較大,孕災環境敏感；中級災害風險區域主要分布在河田鎮與三洲鎮,該地河網密度較大,人口密度與耕地面積比較大,孕災環境與承災體都較為敏感；較低災害風險性區域分布面積較廣,主要分布于多年平均降雨量較低、地勢較高、人口密度較小的地區,其致災危險性與承災風險性較低。

圖2 研究區災害風險性等級分布圖

表4 研究區災害風險性各等級面積及其占比

3.3 縣域尺度下的生態安全等級

由圖3與表5可知,研究區的高災害風險—高生態敏感區主要分布于汀洲、大同、新橋等鄉鎮,由于地處汀江干流流經區域,城鎮經濟較為發達,人口密度大,其孕災環境敏感,承災風險性大；低災害風險—低生態敏感區主要位于紅山、羊牯、四都等鄉鎮,這些區域的承災風險性小,孕災環境敏感性低；低災害風險—高生態敏感區主要分布在策武、三洲、河田與濯田等鄉鎮地區,其人為干擾強度逐漸增強,同時水土流失現象比其他鄉鎮嚴重,生態環境敏感。

表5 研究區生態安全等級類型的面積及其占比

圖3 研究區生態安全等級分類圖

3.4 汀江干流長汀縣段的河岸帶功能區劃分

3.4.1 汀江干流長汀縣段的生態安全等級

在研究區生態安全等級分類(圖3)基礎上,沿汀江干流作50 m、150 m、500 m多環緩沖區處理,結果(圖4)表明,汀江干流兩側500 m內河岸劃分為6個生態安全等級(表6)。

圖4 不同緩沖區下的汀江干流長汀段河岸帶環境敏感性類型分布圖

表6 不同緩沖區下生態安全等級類型的面積統計表

在50 m、150 m、500 m緩沖區內,低災害風險—高生態敏感區的面積分別為7.51 km2、18.37 km2、51.33 km2,在所有等級中占比最大；中災害風險—低生態敏感區的面積分別為0.09 km2、0.28 km2、2.21 km2,所占面積最小。低災害風險—高生態敏感區在50 m緩沖區內主要分布在河田鎮河段,這些區域河中沉積物較多,兩岸植被覆蓋率較低,河岸穩定性差；在150~500 m緩沖區內多分布于河田鎮與三洲鎮河段,這些區域地勢較低且平坦,存在水土流失問題。

高災害風險—高生態敏感區、中災害安全—中生態敏感區主要集中在上游流域的大同鎮與新橋鎮河段500 m緩沖區內,這些區域社會經濟較好、人口密度大、降雨量豐富、河流比降較大、洪災抵抗能力弱、河流生態敏感。當前,新橋鎮為保留河灘,在河灘的3~5 m外區域已修建生態駁岸(對保護河流生態環境具有一定意義),而大同鎮多是修建標準為100年一遇的防洪堤壩。

高災害風險—低生態敏感區主要分布在庵杰鄉與汀州鎮河段500 m緩沖區內。庵杰鄉人口密度小、人類干擾強度較小、生態環境良好,地處研究區內高海拔區域,是河流比降最大的區域,受山洪威脅較大；汀州鎮是長汀縣中心所在,該河段的兩岸500 m緩沖區內居民點密集、人口密度最大、社會經濟良好,故承災能力差,洪災風險性大。當前,汀州鎮在汀江干流兩岸已修建標準為100年一遇防洪堤壩。

低災害風險—中生態敏感區主要位于羊牯鄉與濯田鎮相交的河段150~500 m緩沖區內,主要是羊牯鄉地勢較高、人口密度小,已建有水利發電站。

策武鎮與濯田鎮是當前長汀縣著力開發的重點,生態環境破壞嚴重,城鎮的建設用地與人口密度大,河岸帶多處于半自然狀態,存在水土流失問題,因此,生態安全類型復雜,包括了高災害風險—高生態敏感區、中級災害風險—中級生態敏感區與低災害風險—高生態敏感區、高災害風險—低生態敏感區等。

3.4.2 基于生態安全的河岸帶功能區劃分

根據汀江干流長汀縣段的生態安全等級分析結果,結合?長汀總規?,將汀江干流長汀縣段的河岸帶劃分為5個功能區(圖5):

圖5 汀江干流長汀縣段的河岸帶功能區分析圖

1)生態保育區。位于汀江源頭的庵杰鄉,其生態安全等級屬于高災害風險—低生態敏感區,根據?長汀總規?,該區域地處汀江自然保護區,其人口將會納入到新橋鎮。因此,該河段的河岸帶要以保護自然生態環境為主,加強對河道及其兩岸山體的保護與修復、增加生物多樣性、降低水土流失率、注重50 m河岸帶內的水質安全監測,通過監測的手段保護河流生態環境。同時,考慮到該處受山洪威脅大,在河岸帶的150 m內不應分布建設用地、耕地等,以降低承災風險性。

2)防洪安全區。主要位于大同鎮河段、汀洲鎮河段及策武鎮、河田鎮、濯田鎮的部分河段,是高災害風險—高生態敏感區,具有人口密度大、承災體脆弱、受人類活動的強烈干擾、生態環境敏感的特點。因此,在河岸帶20 m范圍內要以防洪設施建設為主,在不影響行洪的條件下,通過修建生態駁岸、保留河灘、種植水生植物等方式提高生態功能。此外,還應在20~500 m河岸帶范圍內嚴格控制建筑、耕地等面積,降低承災風險。

3)生態監測區。主要位于新橋鎮河段,以及策武鎮、濯田鎮等生態安全等級復雜的區域。這些區域經濟基礎較為發達,致災因子多,應以生態與安全并重為原則,50 m河岸帶內盡量避免過度開發而破壞河流生態環境,加強河岸帶植被保護與流域的水土流失治理；同時,在居民點分布密集的河岸帶建設防洪設施,以確保社會安全。

4)生態修復區。主要位于河田鎮河段、三洲鎮河段及濯田鎮部分河段,生態安全等級為低災害風險—高生態敏感區。該河段的生態問題主要由水土流失與人類活動干擾所致。因此,應注重河岸帶的生態修復,加強水土流失治理,提高其社會服務功能,促進人地關系的協調發展。

5)建設控制區。主要位于羊牯鄉河段,生態安全等級為低災害風險—中生態敏感區。該區域承災體較強,屬于汀江干流長汀縣河段的下游區域,河流比降大,水利資源豐富,應注意控制該區域的水利設施建設,以保護河流生態環境。

4 結論

縣域尺度下,高生態敏感區主要集中在河田鎮、三洲鎮、策武鎮等水土流失率較大且人為干擾較強烈的地區；高災害風險區域多分布在汀洲鎮、大同鎮；較高災害風險性區主要分布在庵杰、新橋與館前等鄉鎮,以及古城鎮與童坊鎮的部分區域。河段尺度下,高災害風險—高生態敏感區主要集中在大同、新橋等鄉鎮的河段；低災害風險—高生態敏感區主要分布在河田鎮、三洲鎮以及濯田鎮部分河段；策武鎮與濯田鎮是當前長汀縣著力開發的重點,經濟基礎較為發達,致災因子多,生態安全類型復雜。結合?長汀總規?,將汀江干流長汀縣段河岸帶劃分為生態保育區、防洪安全區、生態監測區、生態修復區、建設控制區5個功能區。