基于贝叶斯网络的南京市生态保护红线区人类活动干扰风险评价.pdf
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1、生态与农村环境学报,():收稿日期:基金项目:国家重点研发计划();江苏省自然科学基金();中央级公益性科研院所基本科研业务专项()通信作者:共同通信作者:刘静,邹长新,林乃峰,等基于贝叶斯网络的南京市生态保护红线区人类活动干扰风险评价生态与农村环境学报,():,():基于贝叶斯网络的南京市生态保护红线区人类活动干扰风险评价刘 静,邹长新,林乃峰,许小娟,徐德琳,王 燕,张 琨(生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京)摘要:生态保护红线是保障国家和地方生态安全的底线和生命线。随着城市化的快速发展,建设用地不断扩张、人口不断聚集,高度密集的人类活动对生态保护红线区的生境及动植物造成严重威胁。以
2、南京市生态保护红线为研究区,基于贝叶斯网络,构建了人类活动(危险性)风险因子(联合暴露)生态保护红线(脆弱性)人类活动干扰风险的风险传递网络,概率化表征了 年城镇、农田、交通(铁路、高速公路、国道省道)、采矿及矿产地等风险源对生态保护红线区各生态受体(森林及灌丛、湿地、草地、农田等)的人类活动干扰风险。结果表明,南京市建邺区生态保护红线人类活动干扰风险最值得关注,高风险概率为;人类活动危险性最值得关注的区域均位于南京市建成区(秦淮区、雨花台区和鼓楼区),生态保护红线脆弱性最值得关注的区域则位于南京市郊区(高淳区和六合区)。基于敏感性分析,从监管生态保护红线内人类活动、促进重要湿地管理与保护、改
3、善生态环境监测能力等方面为建邺区生态环境管理成效提升提供建议,研究结果可为生态保护红线区的人类活动监管与风险管理提供参考与借鉴。关键词:生态保护红线;风险评价;贝叶斯网络;人类活动干扰;南京市中图分类号:文献标志码:文章编号:(),(,):,()()(),:(),;()(,),();(),生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷 ,:;人类活动作为生态环境演变的重要驱动力之一,是导致各类环境污染问题和生态失衡的重要人为风险因子。其中土地利用变化、重大工程建设等是对生态系统干扰较大的人类活动。目前针对人类活动强度的研究较为成熟,多采用人类活动线性叠加的方法,如人类足迹指数、人类活动强度指数、人为
4、干扰度、景观发展强度等。但上述方法只能识别人类活动干扰的现状,不能预测人类活动干扰发生的可能性及潜在危害程度。区域风险评价旨在从区域层面预测自然灾害或人类活动等风险因子对不同类型生态系统造成不利影响的可能性和潜在后果,存在一定的不确定性。近年来,部分学者尝试采用 模型法、生态干扰风险指数法、景观生态风险指数法开展区域人类活动干扰风险评价研究。但人类活动形式复杂,不同类型风险源对生态系统中各类生态受体的胁迫效应与暴露程度不同,多因素耦合使得系统风险不确定性显著提高。采用人类活动因子线性叠加的方式开展评价,无法反映人类活动风险源对不同类型生态系统的风险传递机制,在一定程度上削弱了人类活动干扰风险评
5、价的科学性与准确性。贝叶斯网络(,)作为概率论与图形论相结合的概率推理工具,由有向无环图(,)和条件概率表(,)个部分组成。图形化的推理网络可定性表达风险传递结构及风险要素间的相关关系,条件概率表可以定量化表征风险信息的不确定性,实现风险传递的概率化推理与预测。目前,贝叶斯网络在环境管理领域应用广泛,涉及水资源管理、生物多样性评估、环境影响评价、生态系统服务功能评估等各个方面。贝叶斯网络的有向无环图与传统风险评价体系类似,以图形化的方式表征风险要素之间的传递关系,还能以条件概率表的形式实现概率推理的定量化。因此,贝叶斯网络非常适合复杂多变的生态系统建模,在人类活动干扰风险评价研究中具有较高的适
6、用性。生态保护红线作为生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性保护的区域,是保障国家和地方生态安全的底线和生命线。年 月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发关于划定并严守生态保护红线的若干意见,对生态保护红线的划定与管理做出了全面部署。为严守生态保护红线,我国陆续颁布了生态保护红线监管技术规范 生态状况监测(试行)生态保护红线监管技术规范 保护成效评估(试行)等系列标准,加强对生态保护红线的日常监督和监管。然而,土地开发与生态保护之间的矛盾依旧突出,各类开发活动加剧了自然生态系统的人工化程度,建设用地的持续扩张对生态保护红线造成严重威胁。此外,生态保护红线区内仍保有不同程度的人类活动图斑,
7、包括耕地、城镇村及工矿用地、人工商品林、重大基础设施用地等。因此,开展生态保护红线区内外人类活动干扰风险评价,是目前生态保护红线综合管理的重大需求,可为生态保护红线区开展生态保护与修复提供本底基础支撑和科学依据。南京市作为江苏省省会,是我国东部沿海经济带与长江经济带战略交汇的重要枢纽。年,南京市城镇化率达到 ,城镇化进程高速推进。随着城市化快速发展,南京市城市规模持续扩大,建设用地不断扩张,人口不断聚集,高度密集的人类活动对生态保护红线内的生态环境造成严重威胁,亟需进行科学定量的人类活动干扰风险评价,为生态保护红线区内的生态风险防控与管理工作提供理论支撑。因此,该研究基于贝叶斯网络,以南京市人
8、类活动为风险源,以生态保护红线内的生态环境为风险受体,构建了区域人类活动(危险性)风险因子(联合暴露)生态保护红线(脆弱性)人类活动干扰风险的风险传递网络,定量分析城镇、农田、交通、采矿等风险因子对生态保护红线内的森林、灌丛、湿地、农田等生态受体的胁迫水平及空间异质性,实现区域风险不确定性的概率化表征,为后续生态保护红线区的人类活动监管与风险管理提供参考与借鉴。研究区域与数据来源 区域概况南京市(,第 期 刘 静等:基于贝叶斯网络的南京市生态保护红线区人类活动干扰风险评价)为我国东部区域的中心城市,濒江近海,是我国重要的交通枢纽。南京市地貌以低山缓岗为主,丘陵和岗地占土地总面积的 以上。水域面
9、积占比高达,河流水系隶属长江水系,沿江岸线总长达 。南京属北亚热带湿润气候区,年平均气温 ,年平均降水量 ,生态系统类型多样,动植物资源丰富。南京市下辖 个区,国土面积为 。年全市常住人口 万人,常住人口城市化率达 ,经济总量达 亿元。基于 年发布的江苏省国家级生态保护红线规划,南京市生态保护红线面积为 ,占南京市国土面积的 ,南京市生态保护红线的类型主要包括自然保护区、饮用水水源保护区、重要湖泊湿地、森林公园、地质公园、湿地公园、水产种质资源保护区等,主导生态系统服务功能为水源涵养和水土保持(图)。图 南京市生态保护红线及土地利用类型分布 数据来源及预处理南京市土地覆盖数据来源于 年全国生态
10、状况调查评估数据,该数据为 空间分辨率,地理坐标系为。基于全国生态系统分类系统,土地覆盖类型分为森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇、荒漠、冰川 永久积雪 种类别(图)。南京市矿产资源开发利用数据来自南京市矿产资源总体规划(年),高速公路、铁路、国省道数据来源于测绘部门。空间数据的配准、切割、叠加、分类统计等步骤在 软件中进行,人类活动干扰风险的贝叶斯网络构建与概率推理采用 软件。区域人类活动干扰风险评价模型构建 概念模型基于风险传递机制构建区域人类活动干扰风险概念模型,提出区域人类活动(危险性)风险因子(联合暴露)生态保护红线(脆弱性)人类活动干扰风险的风险传递网络(图)。其中,风险源设定为城
11、镇村内的建设活动、农业开发、交通开发和矿产开发 种类型,其风险因子分别为人类活动最为集中的建设用地以及人类活动较为集中的铁路、公路、国省道、采矿区和农田。风险受体设定为生态保护红线,按照生态功能实体分为森林及灌丛、湿地、草地、农田生态受体。贝叶斯网络结构研究构造的贝叶斯网络如图 所示。首先,从风险要素入手,将人类活动危险性、生态保护红线脆弱性、风险因子联合暴露胁迫性、人类活动干扰风险等变量定义为贝叶斯网络中的节点。其次,将图 所示的风险传递过程概化为风险要素之间的因果关系,构建贝叶斯网络拓扑结构。而后,计算人类活动危险性、风险因子胁迫性、生态保护红线脆弱性、风险因子联合暴露等指标,并以条件概率
12、表的形式在贝叶斯网络中进行表征。最后,基于贝叶斯网络的概率推理功能,自动计算人类活动干扰风险的概率分布,实现区域人类活动干扰风险的定量化计算与表征。生 态 与 农 村 环 境 学 报第 卷图 区域人类活动干扰风险评价概念模型 图中数据表征模型的初始状态。图 区域人类活动干扰风险的贝叶斯网络结构 节点参数化在区域人类活动干扰风险评价的过程中,通过节点离散化可以实现不同区域间人类活动风险源、风险因子联合暴露、生态保护红线内风险受体的量化与比较,为后续决策分析提供数据支持。如图 所示,不同风险节点的离散状态不同。()人类活动危险性,指人类活动集中的风险源对生态保护红线区发生胁迫的可能性。选取人类活动
13、干扰最集中的 种生境,将其危险性离散为胁迫和不胁迫 种状态。其中,输入节点(父节点)建设用地胁迫性和农田胁迫性的先验概率用面积占比计算得出,交通开发胁迫性的父节点公路胁迫性、铁路胁迫性、国省道胁迫性的先验概率用线密度占比(道路密度占比)计算得出,矿产开发胁迫性 第 期 刘 静等:基于贝叶斯网络的南京市生态保护红线区人类活动干扰风险评价的先验概率则基于点密度占比计算得出。人类活动危险性由上述 类风险节点概率推理得出,离散为零危险性、低危险性、中危险性、高危险性 种状态。()风险因子联合暴露。风险源与风险受体间暴露关系的量化是生态风险评价的关键步骤。只有风险受体存在的情形下,风险源与风险受体之间才
14、会存在联合暴露。因而,风险因子联合暴露由人类活动危险性和生态保护红线占比推理得出,离散为零暴露、低暴露、中暴露、高暴露 种状态。()生态保护红线脆弱性。生态受体通常指暴露于风险胁迫因子的生态实体。将生态保护红线内的生态实体细分为森林及灌丛、湿地、草地、农田,其脆弱性以生态受体暴露范围的大小来衡量。输出节点(子节点)生态保护受体脆弱性则由上述生态实体脆弱性及其抗干扰能力权重决定,离散为零脆弱性、低脆弱性、中脆弱性、高脆弱性。()人类活动干扰风险。作为风险评价的目标节点,人类活动干扰风险由人类活动危险性、风险因子联合暴露、生态保护红线脆弱性的所有风险节点共同推理得出。该风险节点被离散为零风险、低风
15、险、中风险、高风险 种状态。条件概率表在贝叶斯网络中,条件概率表是指在父节点每一种可能发生的组合情景下,子节点不同状态下的条件概率分布情况。在人类活动干扰风险评价的贝叶斯网络中,人类活动危险性、风险因子联合暴露、生态保护红线脆弱性与人类活动干扰风险之间的定量关系均用条件概率表表征。基于数据可获取性,条件概率表的计算方式主要包括隶属度计算和专家判断 种方式。隶属度计算在人类活动干扰风险评价中,部分风险要素的量化存在模糊性,因而考虑采用模糊处理的方式来计算部分节点的条件概率表。基于模糊集理论,隶属度函数表征某一元素属于某一模糊集的可能性。基于已有研究分析,交通开发胁迫性的父节点铁路胁迫性、国省道胁
16、迫性和公路胁迫性的权重分别设置为 、和 ;人类活动危险性的父节点建设用地胁迫性、农田胁迫性、交通开发胁迫性和矿产开发胁迫性的权重分别设置为、和 ;此外,不同生态受体的抗干扰能力不同,结合区域生态保护红线的景观特征,生态保护红线脆弱性的父节点湿地脆弱性、森林及灌丛脆弱性、草地脆弱性、农田脆弱性的权重分别设置为、。而后,设定隶属度函数,通过隶属度计算获取不同风险节点的概率分布。采用降半梯形分布隶属度函数进行隶属度计算,基于 软件编程实现。降梯形分布函数如下:(),。()式()中,、分别为评价指标对应的最小值、最大值。专家判断专家判断是贝叶斯网络中先验概率分布的重要依据,在信息缺乏的复杂生态系统中,
17、经验知识的引入可以弥补数据的欠缺,并可以与定量化的数值模拟结果在贝叶斯网络中进行汇总、推理与概率计算。风险节点生态保护红线脆弱性、人类活动干扰风险的条件概率表采用专家判断与线性插值相结合的方式构建。首先,将最不可能发生状态的条件概率设置为,最可能发生状态的条件概率设置为。而后,选择需要进行专家判断的情景,基于国内外已有研究成果和相关领域专家打分完成该情景下的条件概率表。最后,计算插值系数,完成条件概率表的内插与构建。风险计算与表征为实现不同区域间人类活动干扰风险的比较、评价与管理,基于等间隔离散法,将风险节点人类活动危险性、生态保护红线脆弱性及人类活动干扰风险的 种状态()等间隔离散:为零危险
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