地质演化角度分析滑坡具有哪些生态效应
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发布时间：2022-06-09 14:20
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时间：2023-10-09 06:00
杜悦悦,, 彭建, 赵士权, 胡智超, 王仰麟
1 引言
生态风险是生态系统暴露在某种危险环境状态下的可能性,其中区域生态风险评价关注一定区域内不确定性事故或灾害对生态系统及其组分可能产生的不利作用[1-3],包括风险源（stressors）、风险受体（receptors）、暴露响应过程（exposure and response process）、生态终点（ecological end points）等评价要素[4]。随着生态与环境信息逐渐为决策者重视,生态风险评价中的风险受体由关键物种、种群、群落等自然生态系统组分逐渐拓展到区域社会—经济—自然复合生态系统范畴。风险源也相应地趋于复杂和多元化[5-7],但从风险因子释放胁迫的作用机理看大致可分为自然因素主导或人为活动主导等不同类型。目前,由于人类活动与自然环境关联程度不断加深,人为因素替代自然因素主导环境变化和区域发展日趋成为客观事实[8-9],人类活动直接或主要诱发的生态风险类型往往备受关注,如矿业城市土地损毁[10]、海洋倾倒区沉积物富集[11]、湿地旅游开发[12]、渔业资源管理[13]等。相比之下,传统的自然灾害研究更侧重聚焦人员生命财产的损失风险[14-16],而对生态环境风险关注相对较少。当前全球环境变化下地震、滑坡、泥石流等地质灾害以及低温、雨雪、冰冻等极端天气事件频繁出现,使承灾区域生态系统的结构、功能、安全与健康受到严重损害,极大影响社会经济、生态文明、人类福祉赖以发展的自然根基[17]。作为生态风险评价的一个重要分支,自然灾害生态风险将风险源明确为自然事件或力量为主因并造成损失的各种灾害,以各类自然生态系统为风险受体,并同时关注灾害对人类社会的影响。开展自然灾害生态风险评价,既丰富了偏重人为风险源研究的生态风险评价体系,又拓展了特定灾害易发区特征梳理、生态风险管理*的新途径。
区域生态风险评价是研究较大范围区域中若干不确定性因素胁迫生态系统从而产生负面生态效应的可能性及其大小的过程[18]。作为生态风险评价的组成部分,区域生态风险评价延续了前者的原理和框架,较为经典的是“概率—损失”二维模型[19],其重点关注生态风险事件发生的概率及其可能造成的后果,分别对应风险源的危险性以及风险受体遭受灾害冲击时的潜在损失;但从风险因果链模型视角分析[20],缺乏风险从源到受体暴露响应过程的显性表征。事实上,风险受体暴露于风险源并引发直接响应的“交界环节”在风险因果链模型中至关重要,其背后隐含了区域生态系统格局与过程的互馈、生态系统功能的变化,以及物质流、能量流、信息流在局部受灾区与其背景环境之间的交换状态[4]。暴露响应过程体现了风险受体遭受风险源影响时是否发生损失的敏感性大小,可由区域生态系统的脆弱性来表征。然而,现有的区域生态风险研究对脆弱性和暴露虽有一定表述但尚未给予高度关注,多把脆弱性作为损失的修正因子[21-22],对于脆弱性及暴露响应环节揭示区域生态系统结构与功能互作、格局与过程互馈的重要性有所忽略。
中国西南山地的地质构造活动强烈、地形地貌复杂、气候条件多变,是滑坡等地质灾害的密集高发区域。同时,为缓解快速城市化中的人地矛盾困境,中国山地城镇建设开发活动日益频繁[23-24],更易导致山地地质环境容量超载,加剧地质灾害的发生。云南省大理白族自治州（简称大理州）作为地质灾害频发的典型西南山区,其本身还是生物多样性热点区、生态环境敏感区[25-26]、低丘缓坡建设开发试点区[27]。因此,对大理州地质灾害生态风险的定量评估,对于区域可持续发展尤为重要。基于此,本文以大理州为例,关注风险源、风险受体、暴露响应过程及生态终点,基于“危险性—脆弱性—潜在损失”的生态风险评价三维框架综合度量流域尺度滑坡灾害生态风险,试图通过强调暴露响应过程将区域生态系统结构与功能、格局与过程的关联信息融入到风险评价流程中,从而增强对区域生态风险机理的认知。
2 研究区概况与数据来源
2.1 研究区概况
大理州位于云南省中部偏西、云贵高原与横断山脉的结合部位,全州国土总面积29459 km2,山区面积占90%以上（图1）。全州地势西北高、东南低,地形地貌复杂多样,境内金沙江、澜沧江、怒江、红河等江河及其主干支流沿岸地形尤其陡峻。大面积分布的“红层”软硬间层,导致山体易滑;新构造运动差异性强烈抬升,水流侵蚀强烈;立体气候明显,旱、雨季分明,西北部降雨量大于东南部,雨量随着海拔的增高而增加,形成三崇山、雪邦山、点苍山、鸡足山、无量山、老君山和吊草后山等7个多雨区,降雨量在2400~2500 mm之间。降雨集中且局地差异大,年平均降雨量1053 mm,云龙最多,宾川、祥云两县最少。降雨量大的地区是州内地质灾害最密集地区。
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图1 研究区范围及地质灾害点分布Fig. 1 The study area and its geological disasters point distribution
大理州属金沙江准地台与三江褶皱区,从前寒武纪至第四纪各时代地层均有出露,以中生界最为发育。大理州主要控制性断裂有：崇山西侧大断裂、澜沧江大断裂、洱海—红河深大断裂、宾川—程海大断裂。这四大断裂带对周围的地形地貌,地层岩性等起控制作用,次一级的断裂全州分部广泛。大理州地震频繁,州内500年间共发生6级以上强震16次,近年来4~6.5级中强度地震活动频繁,因此引发的次生地质灾害也较为严重。据县市规划资料汇总,2010年该州登记在册的地质灾害隐患点总数为779个,其中滑坡512个、泥石流211条、崩塌6个、不稳定斜坡37个、地面塌陷与地裂缝13处（图1）。地质灾害隐患点分布南涧县最多,其次是巍山县、云龙县、永平县、漾濞县,大理市、祥云县、宾川县、弥渡县、洱源县、剑川县及鹤庆县的隐患点数量相对较少。因滑坡点在全州数量最多且分布最为广泛,本文重点关注滑坡灾害。
3 研究方法
生态风险是一定区域内具有不确定性的事故或灾害对生态系统及其组分可能产生的不利影响[4],本文基于风险因果链模型[20],识别风险受体、暴露—响应过程及生态终点,构建“风险（Risk）=危险性（Hazard）×脆弱性（Vulnerability）×损失（Damage）”的生态风险评价三维框架,继而选用典型指标对模型具体化。其中,“危险性”聚焦滑坡灾害发生的概率,基于地理、地质及人为活动等各种因素及其相互组合关系,通过信息量模型完成评价;脆弱性关注自身结构组成等生态学特性所形成对灾害胁迫表现出的易损性质及其敏感性,是风险受体暴露于风险源作用下的直接响应,本文基于生态系统格局来表征;损失是风险因果链模型中的“生态终点”,即灾害产生的不利生态效应,基于多类型生态系统服务定量核算完成评价。
3.2 滑坡灾害危险性评价指标体系
基于大理州滑坡形成规律及其空间分布特征,从地理环境因素、地质构造因素、人类活动因素三个维度,分别选取高程（a）、坡度（b）、岩性（c）、归一化植被指数（d）、多年平均降水量（e）、距离河流距离（f）、地震密度（g）、断裂带距离（h）、距城镇距离（i）、距道路距离（j）等10个具体的滑坡灾害危险性评价指标（图2）。
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图2 大理州滑坡灾害危险性指标空间分异Fig. 2 Spatial differentiation of landslide hazard indicators in Dail Prefecture
地理环境因素着眼于孕灾环境的稳定性,围绕地形、地貌、土壤、植被、气象、水文等方面,选取高程、坡度、岩性、归一化植被指数、多年平均降水量、距离河流距离共6个指标：① 从灾害发生机制出发,滑坡属于重力地貌类型,高程和坡度直接影响松散堆积层及碎屑物的聚集程度和分布;② 降水是滑坡的重要诱发因素之一,滑坡的发生数量、规模与持续过程降雨及暴雨量等的关系十分明显。降水入渗会减小土体的抗剪强度及土体与基岩的摩擦阻力,并增加土体重度和内部的动水压力,从而诱发地质灾害;③ 植被覆盖及地表水的搬运、侵蚀会影响岸坡稳定性。其中,NDVI是遥感估算植被覆盖度研究中最常用的植被指数,与植被空间分布密度呈良好的线性相关关系,故被选为本文的指标之一;④ 地表水的影响采用距主要河流距离简化表征,岩石结构构造决定斜坡岩土体强度、应力分布、变形破坏特征并提供滑坡发生、发展的物质基础。本文参考中国西南地区的相关研究[30],基于中国1:250万地质图采用矢量数据字段融合（Dissolve）的方法提取研究区岩石类型信息并分为5类岩组[30]（1.白云岩、厚层状流纹岩等;2.石英质砂岩、硅质砾岩等;3.火山碎屑岩、变质玄武岩等;4.泥板岩、夹煤层等;5.粘土、松散堆积物等）（图2c,0表示水体）,同类岩组具有相近的滑坡地质灾害易发特性。地理环境因素刻画滑坡灾害发生的关键内外因,是地域地质稳定性的直接基础,对滑坡危险性的高低影响最大,故在三个维度中给予较高的权重,设为0.7703。
地质构造因素主要包括地震点核密度、距离断裂带距离2个指标。其中,地震对于滑坡的影响主要体现在两个方面：一是由于地震产生的地震力直接作用于斜坡岩土导致滑坡灾害的发生,且脆弱山坡中积累的损害可能会受该地区先前地震遗留的影响[31];二是中国的*地震主要受活动构造的控制,易发生地震灾害的环境往往是地质构造极为复杂、断裂发育、岩石破碎,从而间接影响滑坡灾害的发生。本文用地震点核密度代指地震带分布的空间集聚状况。而断裂带对滑坡的影响则表现在活动断裂分布的区域通常为差异运动升降强烈的地区,多形成谷深、坡陡、坡降大等地形地貌,易发生基岩或松散堆积物的滑动,从而导致滑坡灾害的发生。滑坡灾害发生受距离活动断裂带距离的控制,采用ArcGIS提供的缓冲区分析功能生成研究区活动断裂带缓冲区分布图。地质构造因素通过地震、断裂带等历史地质活动造成的现状问题直接或间接影响滑坡发生,在三个维度中权重居中,设为0.1618。
人类活动因素也是加剧地质灾害形成的直接或间接因素。人类工程活动及经济发展如村镇建设、农业活动、道路工程、矿产工程、水利工程等可能影响岩土、增强边坡不稳定性,开荒导致的植被破坏和生态环境恶化也会加剧滑坡等地质灾害的活动强度和活动范围。本文参考数据可获得性,具体选取距城镇距离和距离公路距离2个指标,以反映人类工程活动和经济建设对滑坡灾害的可能影响。在生态脆弱、石漠化严重、同时欲开展山地城镇建设的大理州,一定规模的人类干扰活动可能形成动力诱发,但相比于地质构造营力对区域滑坡影响相对较小,故人类活动因素权重最低,设为0.0679。
4 结果与分析
4.1 滑坡地质灾害危险性因子信息量
4.3 生态脆弱性及潜在生态损失
以367个3级流域为基本评价单元,计算综合脆弱性指数并依据自然断点法分为5级,级别越高脆弱性越严重（图4a）,进而借助局部空间自相关Moran's I指数（显著性水平为0.05）分析风险受体生态脆弱性高值与低值的空间聚集程度（图4b）。研究结果表明,承灾体脆弱性第4~5级高值区在全州4个一级流域内均有分布,主要集中在红河流域南部、金沙江流域东南部等人为活动剧烈的流域。脆弱性最低等级（1级）主要分布在大理州受人为干扰较少的北部、东部及全州环外围区域,且脆弱性低值区也更倾向于表现出低—低聚集的状态,如沘江流域、倒流河流域,以及清水河流域东部。同时,脆弱性高—低聚集和低—高聚集的流域在全州分布极少,在生态脆弱性空间自相关显著的61个3级流域中仅有5.58%的面积占比。这一定程度上也印证了流域单元生态系统相互作用的整体性特征。由于地质地貌、土壤水文等自然地理要素在较大尺度背景下属性分布相对连续、空间异质特点相对较低,以及生态过程在非封闭空间的流动,相邻流域往往表现出生态系统结构及抵御干扰脆弱性的相似性。
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图4 大理州分流域生态脆弱性等级及空间集聚特征Fig. 4 Ecological vulnerability and its spatial agglomeration in Dali Prefecture at watershed level
生态系统服务栅格图层经极差标准化后进行空间叠置和统计计算,得到栅格尺度和流域尺度的潜在生态损失,并采用自然断点法划分为5个等级,等级越高,损失越严重（图5）。研究结果表明,全州潜在生态损失以高中等级为主（图5a）。第5等级主要集中在宾川县和鹤庆县,第1等级主要集中在洱海、剑湖、西湖、茈碧湖,这主要是因为净初级生产、水源涵养、土壤保持服务主要由森林提供,粮食供给主要由耕地提供,水体生态系统服务未重点关注;除此之外,潜在损失的较低等级在祥云县东北部和云龙县西南部相对分布较多。
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图5 大理州潜在生态损失Fig. 5 Potential ecological damage in Dali Prefecture
就流域尺度而言,潜在生态损失较低等级（1~2级）的流域主要分布在大理州西南部,如永平县境内的银江流域、巍山境内的西河流域等（图5b）。这些流域受地形*,耕地分布零散,阔叶林相对较多,水源涵养服务和粮食供给服务相对较差。潜在生态损失为第3等级的流域面集中在大理州西北部,如云龙境内的澜沧江流域、漾濞境内的顺濞河流域等。这些流域地形较为起伏,流域所涉及的澜沧江与怒江的高、中山河谷区土壤保持量明显高于东部苍山洱海高原湖盆区;同时,15°~25°坡度带面积比重较大,坡度与水热条件适宜多种植被生长,有利于净初级生产和土壤保持服务优势的发挥。潜在生态损失较高等级（4~5级）的流域集中分布于大理州东北部,如宾川县桑园河流域、鹤庆县中河及落漏河流域等。这些流域地势相对平坦,耕地面积广阔、分布密集,水热条件良好,是大理州主要的粮食供给区,且混交林较多,森林水源涵养效率高、涵养水源量大,故具有较强的粮食供给服务和水源涵养服务（图5c）。
4.4 滑坡灾害生态风险
基于滑坡灾害危险性、生态脆弱性及潜在生态损失,等权重相乘得到流域尺度大理州滑坡灾害生态风险,并按自然断点法分为高、中、低3个等级。同时,对于危险性、脆弱性及潜在损失图层,分别将1~3级合并为低值区,4~5级合并为高值区,从而得到8种生态风险组成类型（图6）,如“高危险—低脆弱—高损失”即表示某流域属于危险性高值区、脆弱性低值区、潜在生态损失高值区。
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图6 大理州分流域滑坡灾害生态风险等级及结构Fig. 6 Ecological risk levels and structures of landslide disasters in Dali Prefecture at watershed level
从全州范围看,滑坡灾害生态风险低—中—高空间分布从外到内具有一定的圈层结构,且各风险等级的流域面积与流域数量依次减少（图6）。其中,低风险区分布以环大理州外围居多,主要集中在云龙县西南部怒江流域、洱源县黑惠江流域、祥云县东北部清水河流域等。中风险区在空间分布上逐渐向大理州中心聚拢,主要位于云龙县西南部澜沧江流域、永平县中部银江流域、鹤庆县落漏河流域、巍山县西河流域等。高风险区主要集中于宾川县桑园河流域、祥云县渔泡江流域等。
对比各等级风险的结构组成及相应流域数量（图6）可知,高风险区域包括5种风险组成,以三高型“高危险—高脆弱—高损失”和两高型“低危险—高脆弱—高损失”、“高危险—高脆弱—低损失”为主。低风险区域包括7种风险组成,以三低型“低危险—低脆弱—低损失”和两低型“低危险—低脆弱—高损失”、“高危险—低脆弱—低损失”、“低危险—高脆弱—低损失”为主。中风险区域则包括除“高危险—高脆弱—高损失”之外的全部7种类型,且各类型的数量分布相对较均衡。
5 讨论
5.1 滑坡灾害危险性评价结果验证
6 结论
本文以大理白族自治州为例,基于“风险=危险性×脆弱性×损失”的风险评价三维框架,采用信息量模型评估滑坡灾害危险性,基于景观格局指数表征生态脆弱性,将生态系统服务纳入风险损失的定量表征,综合度量研究区分流域地质灾害生态风险,并基于风险主导因子完成生态风险防范分区及风险防范策略探讨。结果表明：① 容易诱发大理州滑坡灾害的“优势”条件如下：高程低于1800 m,坡度15°~25°,NDVI小于0.31,岩性为泥板岩、页岩、疏松砂岩、夹煤层、火山碎屑、千枚岩,地震点核密度大于0.008,多年平均降雨1100~1150 mm,距断裂带1000 m内,距离河流、公路500 m内,距城镇距离100 m内。大理州普遍处于滑坡灾害危险性中高水平,且西北低东南高;36.31%的4~5级较高危险性面积分布在巍山、南涧、祥云等县,54.61%的1~2级较低危险性区域集中于云龙、洱源和剑川。② 生态脆弱性4~5级高值区主要集中在红河流域南部、金沙江流域东南部、澜沧江流域中部。生态损失低级流域面积占全流域的43.23%,主要分布于大理州西南部,其水源涵养和粮食供给服务相对较差。生态损失中级流域面积占比28.91%,集中于该州西北部,其净初级生产和土壤保持服务优势明显。生态损失高级流域集中在东北部,具有较强的粮食供给和水源涵养服务。③ 滑坡灾害生态风险呈现低—中—高圈层结构分布,各风险等级的流域面积与数量均依次减少;367个小流域具有“低危险—低脆弱—低损失”“高危险—低脆弱—高损失”等8种风险构成;基于3种风险等级和8种风险结构,最终在大理州划分出4种风险防范类型,即避让监测预警区、生态保护恢复区、避让保护兼顾区、自然适应*区。
本文基于经典的概率—损失模型二维框架,进一步强调风险受体对风险源的暴露响应,构建了生态风险评价的“危险—脆弱—损失”三维框架,为生态风险定量化研究过程中信息的丰富化提供了一定的理论支撑。在研究方法上,由景观格局表征脆弱性,由实地核算的空间化的生态系统服务表征潜在损失,诠释了生态系统格局与过程的互馈关系,有利于在机理层面理解风险受体遭受灾害胁迫时与恢复力相关的状态变化。在评价单元上,使用小流域分水岭这一地表自然界线作为评价单元的边界,保证了单元内自然要素结构与过程的完整性、单元间自然环境的空间异质性,避免了地表自然地理联系的割裂,有利于对风险格局的整体把握和综合分析。
然而,本研究仍然存在一定不足,尤其是风险评价的不确定性分析。进一步研究有必要统筹滑坡地质灾害生态风险评价中不可避免存在的如信息和数据不完整、损失类型多样性、风险源和损失涉及广泛和一些随机出现的干扰等不确定因素,针对不确定性来源,采用贝叶斯网络模拟[46]、蒙特卡洛模拟[47]等方法进行不确定性分析及敏感性分析,以利于决策者根据评价结果的不确定程度提出更科学有效的风险管理对策。
