土地生态风险评价的理论基础及模型构建

刘 勇，邢育刚，李晋昌

（山西大学黄土高原研究所，山西太原 030006）

土地生态风险评价的理论基础及模型构建

刘 勇，邢育刚，李晋昌

（山西大学黄土高原研究所，山西太原 030006）

研究目的：探讨土地生态风险评价的理论基础并构建评价模型。研究方法：文献资料法,对比法。研究结果：目前中国对于土壤风险评价大多数是针对土壤中重金属和农药污染,还没有形成完善的方法和指标体系来表征或评价包含物理压力、化学压力和生物压力在内的土地生态风险，如何在实践中辨识土地生态风险的压力因子,如何进行有效的生态风险评价并用之于土地管理还没有成熟的方法。研究结论：将土地生态风险压力因子分为物理因子、化学因子和生物因子,可为土地生态风险评价提供新的思路和理论基础。

土地评价；土地生态风险；理论基础；风险源

1 引言

土地是最基本的生态环境要素，同时也是一切自然资源之首，是人类赖以生存和发展的物质基础[1]。土地生态环境的优劣可直接或间接对社会经济可持续发展产生影响[2]。近年来，随着工业化与城市化的快速推进，中国人地矛盾日益突出，对土地的利用程度已经达到甚至超过区域土地的生态承载能力，导致生态环境逐渐恶化[3]，土壤污染、水土流失、土地沙化等现象日趋严重。区域生态风险评价是近年来环境科学研究的前沿和热点[4]，强调在区域水平上描述和评估环境污染、人为活动或自然灾害对生态系统及其组分产生不利作用的可能性和大小的过程[5]。区域生态风险评价起源于环境风险评价,从1980年代开始至今,评价方法、内容和范围都有了很大发展，风险受体从人体发展到种群、群落、生态系统和景观尺度[6-7]。从土地生态系统角度，基于土地利用变化、土壤污染、土地承载力等综合因素分析区域土地生态风险并进行动态评价，目前仍处于起步和探索阶段，但土地生态风险问题作为国家生态安全的重要组成部分，已成为经济社会进一步发展的制约因素[8]。土地生态风险分析有助于科学把握土地利用动态变化及正确认识土壤生物化学污染可能带给当地居民身体健康和生存环境危害的风险度，同时以风险评价为基础对土地进行整治与管理具有现实意义，本文试图基于生态风险评价的基本原理构建土地生态风险评价模型，为今后开展相关工作提供理论基础。

2 土地生态风险分析的理论基础

2.1 土地生态风险的概念

关于土地生态风险，迄今尚未形成明确的定义。基于生态风险的概念，土地生态风险可认为是由于自然或人为原因致使土地资源破坏或污染而对人类生存环境造成的一种危害状态，在这种状态下，土地生态系统没有稳定、均衡、充裕的自然资源可供人类利用，土地资源不能维持环境与人类的协调发展。其定义包括两层含义：一是由于土地生态环境的破坏、退化对人类社会构成的生存威胁，主要指土地资源的减少和退化及土地生态系统的破坏削弱了对人类社会可持续发展的支撑能力[9]；二是由于土壤环境质量下降对当地居民身体的危害。

2.2 土地生态风险的特点

参照高小平等[9]提出的区域生态风险的特点，土地生态风险的特点主要有：（1）相对性：土地生态风险是相对于人类而言的，风险标准是以人类所要求的土地生态环境质量来衡量的。土地生态风险由众多因素构成，其对人类的健康和生存环境的危害程度各不相同，但只要其中一个或几个因子不能满足人类正常生存与发展的需求，土地生态环境就是不合格的。（2）整体性：土地资源在整个生态系统中都是相连相通的，任何局部环境的破坏，都有可能引发全局性的灾难，危及整个区域甚至全球的生存条件。（3）不可逆性：土地生态环境的支撑能力有其一定限度，破坏一旦超过其自身修复的“阀值”，往往造成不可逆转的后果。如中国西南地区出现的“石漠化”土地和流失的土壤等是人力很难恢复的。（4）恢复治理具有长期性：许多土地生态环境问题一旦形成，若想解决就要在时间和经济上付出巨大代价，如沙漠化土地的治理，往往要数十年甚至几代人的努力，经济代价也很高。

2.3 土地生态风险研究的内容

土地生态风险研究是以生态学、地理学、环境科学及风险理论的观点，系统、综合的对土地资源可能存在的生态风险进行科学研究，既有基础理论研究，也有应用技术研究，其研究对象是土地的生态环境。土地生态风险研究主要对土地资源开发利用与土地持续、稳定、高效发展的关系进行定量描述、表达和模拟及调控，其内容具体包括：（1）土地生态系统风险源、危害性、风险度诊断和风险“阈值”判定；（2）土地生态系统风险评价方法、风险预测和预警；（3）土地生态系统发展的可持续性评估、管理和维护的调控对策等。土地生态风险源主要来自土地生态系统的物理变化、化学变化和生物变化，其中由人类活动造成的潜在风险源如表1所示。

3 土地生态风险评价的理论基础

3.1 土地生态风险评价的概念

土地生态风险评价是研究土地结构、土壤污染、土地承载力等综合或其中某项对土地生态系统形成或可能形成不利效应的过程，其目的是估计有害土地利用事件发生的可能性，这些事件称为土地生态终点，较常见的土地生态终点有土地沙漠化、土壤污染、水土流失等，也可能是土壤质量下降或某些地质灾害事件。按照生态风险评价框架[10]，土地生态风险评价阶段包括问题形成、风险分析和风险表征。

表1 人类活动造成的土地生态潜在风险源Tab.1 Potential risks to land ecological ecosystem caused by human activities

3.2 土地生态风险评价的方法

基于美国学者Barnthorse提出的风险评价方法[11]，土地生态风险评价方法应包括土地危害评价、暴露评价、受体分析和土地生态风险表征等内容。其主要组成部分包括:（1）选取终点；（2）风险源的定性和定量化描述（例如：污染源的分布和排放量）；（3）确定和描述可能受影响的区域环境；（4）运用恰当的土地生态风险模型估计暴露的时空分布，定量确定区域风险源与土地资源环境之间的相互关系；（5）综合上述结果得出最终风险评价。

土地生态风险评价需环境学、生态学、地理学、生物学等多学科交叉，采用数学、概率论等风险分析手段以及遥感、GIS等空间分析技术来分析、评价和预测具有不确定性的灾害事件对土地生态系统及其组分可能造成的损伤。它将风险的思想和概念引入到生态环境影响评价中，与一般生态影响评价的主要区别在于强调不确定性因素对土地资源的作用，在分析过程中要求对可能的风险因素进行定性和定量研究，并在评价结果中体现风险程度。

3.3 土地生态风险评价的步骤

按照生态风险评价的基本方法[5]，并结合土地生态系统的特点，土地生态风险评价的步骤可概括为：评价时空范围的确定、受体分析、风险源分析、危害分析、土地生态风险综合评价、土地生态风险管理对策等6个部分。其中，土地生态风险综合评价，需要综合考虑土地生态系统受风险压力危害作用的大小以及发生概率。在土地生态风险综合评价过程中，要充分利用遥感、地理信息系统等技术手段，实现评价结果的定性、定量和可视化[5]。根据风险评价的结果，可进一步提出综合的以及针对某个风险源、某方面影响的土地生态风险管理对策。

4 土地生态风险评价模型的构建

4.1 概念界定

土地生态风险主要来源于质量风险、结构风险和承载力风险三个方面，为了衡量它们的大小，本研究提出三元数组（p，q，k）指标，p，q，k分别表示三类风险的指标值。质量风险，体现了土地的综合污染程度对生态环境的影响，食品安全问题、健康风险问题皆源于此,可以认为是土地对人类的报复性显现。结构风险，体现了土地利用变化对土地生态环境所造成的影响，土地利用的结构是否合理直接导致了土地生态环境能否持续健康发展。承载力风险体现了“人地”关系矛盾，土地作为人类生存载体，单位面积土地所承载的人数是有限的，一旦超过其承载量，土地生态系统就会遭到破坏，就会抑制它的发展。

4.2 三类风险间的响应关系

质量风险、结构风险、承载力风险三者之间相互依存、相互转化（图1）。当土地承载力风险增加时，区域人口密度增大，土地结构产生风险；土地结构不合理，土地自我调节能力降低，产生土地质量风险，而土地质量变差，需要寻求更好质量的土地，转而破坏原有的土地结构,又造成结构风险加大。土地结构风险和质量风险又造成区域承载力下降，增加土地压力风险。

图1 土地生态风险间的相互关系Fig.1 The relations among three kinds of land ecological risk

4.3 风险指标值的计算

4.3.1 土地质量风险指标（p） 按区域土地质量实测值p′的大小，当p′≤p0时，可认为土地质量为安全，当p′＞p0时，可认为土地质量存在风险，其中p0为给定标准值，与区域的地理环境有关。为了将p0点作为风险基准点，作如下平移：

则可认为当p≤0时，区域土地质量风险为0；当p＞0，区域土地质量风险为p，p越大，土地质量风险越大。4.3.2 土地结构风险指标（q） 按照土地管理法的规定，土地可分为农用地（包含草地、林地、耕地、水域等）、建设用地（包括建筑用地、公共设施、居民用地、交通用地等）和未利用地。本研究认为三类土地之间有一相对合适的比例，即土地结构安全区间，并定义此区间是土地结构风险的基准点。农用地、建设用地和未利用地的安全区间分别用［a0，a0］、［a1，a1］和［a2，a2］表示，输入值分别用 x、y 和 z表示。当研究对象的输入值（x，y，z）给定时,考察（x，y，z）分别距安全区间的距离。此时，考虑到土地生态环境的风险主要来源于人为因素的介入，故认为建设用地的增加促进了土地结构风险的增大，农用地和未利用地的增加减少了土地结构的风险，据此得到（x，y，z）的修正值如下：

若q∈［-1，0］，则土地结构合理，风险小；若q∈［0，1］，则土地结构不合理，而且q值越大，结构风险越大。

4.3.3 土地承载力风险指标（k） 土地承载力风险指标可表示如下：

其中k′表示单位土地面积所承载的人数，k0表示单位土地所能承载的最大人数,即土地生态环境的容纳量。显然 k∈［-1，+∞］，若 k∈［-1，0］，说明该处的土地承载压力为零，不存在风险，若 k∈［0，+∞］，说明该处土地承载压力为k，k越大，该处土地压力风险越大，人地矛盾越突出。

4.3.4 土地生态风险综合指标（H） 把研究对象简单记作O，O处土地所承受风险的大小,可用该处的（p，q，k）值描述，称（p，q，k）为风险状态向量。但由于三维数组的无序性和不可比性，给定两点的（p，q，k）风险状态向量，可能不能完全确定哪点的土地生态风险更大，因此，期望从状态向量（p，q，k）考虑，寻找一个合理的简单易得的土地生态风险综合指标H。考虑p，q，k加大时三类风险均加大，令 H=r1max｛q，0｝2+r2max｛q，0｝2+r3max｛k，0｝2，其中r1+r2+r3=1，表示三类风险在土地生态风险所占的权重，哪类风险对土地生态安全影响大，破坏力强，其相应的权重就大，根据研究区域及研究内容的不同而不同，可采取专家打分法、层次分析法等进行判定。土地生态风险可表示为图2。图中8个象限分为8类区域，其中第7象限为绝对安全区，各项指标均合格；第1象限为绝对风险区，各项指标均不合格。给定风险状态向量，就可分析区域土地的生态风险状态及风险度的大小。

图2 土地生态风险的三维图示Fig.2 3-Dimension plot for land ecological risk

此外，模型还可以根据研究目的以及数据的可获取性进行修改。如土地质量风险指标p，可结合土地的区位条件、土地养分含量、土壤污染情况等确定评价基准点，可选用Hankanson综合风险指数法、神经网络模型法、支持向量机模型等确定；土地结构风险指标q，可根据土地利用的类型，进行进一步的划分，如耕地比例、林地草地比例、水域比例等，并根据研究区域的土地利用变化情况和经济发展状况确定合理的安全区间范围；土地承载力指标k在城市、乡村不同，东部、西部不同，在具体的实践中可结合此区域的社会、经济、发展水平综合考虑。

5 研究展望

土地生态风险分析属于现代生态学与数学风险论相互交叉的新兴学科。关于土地生态风险的研究工作刚刚起步。土地生态风险评价是一个重要的政策管理依据，有效地对区域土地生态环境进行风险分析评价，科学地把握土地利用动态变化以及土壤生物化学污染可能带给当地居民身体健康和生存环境危害的风险度，同时以风险评价为基础探讨修复技术的筛选以及污染土地整治与管理，对于城市周边土地污染控制、恢复与管理有着突出的现实意义。因此，土地生态风险评价的理论和应用研究有着广阔的发展前景。

目前，生态风险评价方法主要是运用各种多元分析模型，及相关变量分析方法，但尚未充分利用空间信息技术，GIS强大的空间分析功能可以充分综合不同的数据来源而令结果的解释更为合理。另外，生态风险评价研究在复杂性和不确定性分析方法上还有待于进一步拓展，目前还没有一个较为完善的评价方法体系。

土地生态系统的破坏不仅仅是由于化学和物理的压力导致，还可能是生物的，因此未来的土地生态风险评价会更复杂。要使评价成为一种管理工具，必须研发评价方法应用于区域土地资源水平，如果这种大尺度的技术要求可以满足，土地生态风险评价有可能成为大尺度土地资源与生态环境的风险管理和决策工具。未来土地生态风险评价应侧重如下几点：（1）不确定性处理。不确定性处理一直是风险评价中的主要问题。不确定性来源于各种外推过程。对不确定性的定量化处理是风险评价必须解决的关键技术问题。（2）生态暴露评价。生态暴露评价是生态风险评价过程中最基本的组成部分，由于暴露系统的复杂性，目前还没有一个暴露的描述能适用所有的生态风险评价。因此，必须加强这方面评价方法和技术的研究。（3）空间分析工具。在方法研究上，应关注空间分析工具在土地生态风险分析评价中的应用，空间分析工具是自然资源可持续管理重要的辅助决策手段，探讨空间信息技术对土地生态风险评价将有着广阔的应用前景。（4）综合模型优化。模型在风险评价中的重要性是显而易见的，土地生态风险评价需要一个简单、实用，且科学合理的方法，来演示某一区域土地系统的演化和考虑到人为的压力和恢复过程。建立适当的风险评价模型，进行模拟有利于人们更好地了解、预防土地生态系统的恶化。同时，风险管理也越来越关注这些模型的实用性。（5）城市生态系统的管理对快速变迁挑战的应对。土地利用变化对土地生态系统下的城市周边经济社会可持续发展的影响，以及农业活动所带来的生态及社会问题、土地景观多功能性及生态健康与风险评估已经成为生态环境科学领域研究的热点。

总之，随着土地生态环境保护进入一个新的时代。可以预见，土地生态风险评价研究必将对人类生存及自然环境的保护和改善作出新的贡献，并将对生态环境科学理论研究有新的推进。

（

）:

［1］盛学斌，刘云霞，孙建中.近50年冀北高原土地利用变化的土壤生境效应［J］.应用生态学报，2004，15（4）：589-592.

［2］杨月圆，王金亮，杨炳丰.云南省土地生态敏感性评价［J］.生态学报，2008，28（5）：2253-2260.

［3］李玉平，蔡运龙.河北省土地生态安全评价［J］.北京大学学报（自然科学版），2007，43（6）：784-789.

［4］陈春丽，吕永龙，王铁宇，等.区域生态风险评价的关键问题与展望［J］.生态学报，2010，30（3）：808-816.

［5］付在毅，许学工.区域生态风险评价［J］.地球科学进展，2001，16（2）：267-271.

［6］Wayne G L.Twenty years before and hence:ecological risk assessmentatmultiple scaleswith stressors and multiple endpoints［J］.Human and Ecological Risk Assessment,2003,9:1317-1326.

［7］Hunsaker C T,Graham R L,Suter GW,etal.Assessing ecological risk on a regional scale［J］.EnvironmentalManagement,1990,14（3）:325-332.

［8］曲格平.关注生态安全之二：影响中国生态安全的若干问题［J］.环境保护，2002，（7）：3-6.

［9］高小平.生态安全与突发生态公共事件应急管理［J］.甘肃行政学院学报，2007，（1）：1-4.

［10］USEPA（USEnvironmental Protection Agency）.Framework for ecological risk assessment［M］.Washington,D C:Risk Assessment Forum,1992.

［11］Barnthouse LW,Suter IIGW,Bartell SM.Quantifying risks of toxic chemical on aquatic populations and ecosystems［J］.Chemosphere,1988,17:1487-1492.

Theoretical Basis and M odel Development for Land Ecological Risk Assessment

LIU Yong,XING Yu-gang,LIJin-chang
（Institute of Loess Plateau,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China）

The purpose of this paper is to explore the theoretical basis and further develop an assessmentmodel for land ecological risk assessment.Methods of documentation and comparative study were used.The results show that the main stream of current studies focuses on soil risk assessment regarding heavy metals and pesticides;however the methodology and an indicator system characterizing practical land risk in terms of physical,chemical and biological factors are not well developed and combined with land administration.It is concluded that identifying the chemical,physical,and biological factors of land ecological risk is a new direction for theoretical development in this field.

land assessment;land ecological risk;theoretical basis;risk sources

F301.2

A

1001-8158（2012）06-0020-06

2011-03-01

2012-06-14

国家自然科学基金项目（41101558、41101013）；山西省自然科学基金项目（2010011044-2）。

刘勇（1970-），男，山西五寨人，副教授。主要研究方向为3S技术的应用。E-mail:lychinesely@yahoo.com.cn