流域生態健康評價框架及其評價方法體系研究(一)——框架和指標體系

王文杰，張哲，王維，劉孝富，許超

中國環境科學研究院環境信息科學研究所，北京 100012

“健康”通常是指人體或其他生命體處于正常運作狀態，沒有疾病。1941年美國生態學家Leopold［1］提出生態系統健康概念之后，對生態系統健康的研究受到廣泛關注，從森林、草地、濕地、農田以及河湖等單一生態系統健康評價［2-6］，到區域、流域生態系統健康研究［7-10］;人們對生態系統健康理念及評價方法的關注日益深入;同時也為生態系統綜合管理引入了新的保護框架體系，流域生態系統綜合管理更是得到許多學者和決策者的關注［11］。

流域是具有獨特自然條件和生態特征的一個地理單元［12］，其以豐富的水資源維系著人類的生存、支撐著社會經濟的發展，并作為棲息地為維持物種多樣性提供保障，在調節徑流、涵養水源、凈化水質和維持區域生態平衡等方面起著重要作用，是環境物質過程的主要源和匯;同時，流域也是人類社會活動相對活躍的區域［13］，是資源供求、人與自然、發展與水環境保護之間的矛盾沖突集中體。隨著我國社會經濟的快速發展，水資源利用和水污染排放強度不斷增大，幾大流域出現了不同程度的生態系統退化和水體污染，水環境問題已經成為威脅我國流域生態質量和人口健康的突出問題［14］。

20世紀80年代開始，國外有關部門和學者開展了流域生態健康評估相關研究，如美國國家環境保護局(US EPA)提出的快速生物評價協議(rapid bioassessment protcols，RBPs)［15］、澳大利亞政府提出的河流狀況指數(index of stream condition，ISC)［16］以及南非水務及森林部提出的棲息地完整性指數(index of habitat integrity，I-HI)［17］等;近幾年，國外在流域生態健康評價模型和指標體系方面也開展了大量研究［18-20］。我國開展流域生態健康研究相對較晚，20世紀90年代開始，側重生態系統健康相關概念與評估理論方法研究，逐漸出現了多以湖泊、河流等水生生態系統水環境質量為主的生態系統健康評估。劉國彬等在1999年完成《生態環境健康診斷指南》專著［21］的基礎上，提出了“流域生態健康診斷”研究。隨后出現了許多以流域為單元的生態系統健康評價案例研究，如付愛紅等［22］從自然因子和人為因子兩方面對塔里木河流域生態健康進行了評估;羅躍初等［10］對流域生態健康評價方法進行了探討。目前，我國有關流域生態健康的研究仍處于起步階段，許多相關研究工作比較缺乏或者不規范，對流域生態健康的評價或側重于水體環境質量評價，或以水生物、陸地生態系統為主要評價內容，多數研究沒有系統地分析影響流域生態健康的水域、岸邊帶和陸域的狀況，也未考慮污染物從陸源產生至水域匯集的生態過程以及該過程中的主導功能差異;流域生態健康評價的基本框架不統一，指標體系還有待歸納和完善。

筆者根據水文過程和生態服務功能空間構成的差異性，以水域(河流)、岸邊帶和陸域為評價對象，以維持流域生態服務功能為主線，分別從流域生態系統的結構、功能和生態脅迫等方面，對流域生態健康評價基本框架和指標體系構建進行了研究，以期為正確識別人類活動對流域生態系統的影響及程度，確定流域生態修復、環境管理目標和優先次序，實現流域的可持續發展提供技術支持。

1 流域生態健康的內涵與評價對象

1.1 內涵

流域生態健康是在生態系統健康和河流健康的基礎上提出的。Constanza［23］從系統可持續性能力的角度出發，提出采用系統活力(vigor)、系統組織指數(organization)以及系統彈性指數(resilience)描述生態系統健康內涵;Rapport［24］在1998年提出度量生態系統健康的八個方面，包括活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能的維持、管理選擇、外部補貼、對鄰近系統的危害和對人類自身健康的影響;Cairns等［25］指出，流域生態健康的定義應包括流域滿足人類需求和愿望的程度;US EPA［26］指出，健康的流域生態系統應具有維持水生、河岸生物的棲息生境和河流連通性，為生物提供棲息地和避難所，自然水文過程，具有必要的自然干擾，良好的水質和具有自維持能力的水生、河岸生物群落。姜付仁等［27］提出，流域可持續發展的內涵即在維持生態、環境和水文整體性的同時，滿足社會發展目標;李春暉等［28］認為，流域生態健康是指流域內生態系統沒有疾病，具有自我維持和對各種干擾的恢復能力，經濟上可行，且不損害鄰近的生態系統以及人類自身的健康。

總結國內外相關理論研究得出，健康流域的基本特征應包括:1)物理、化學和生物的結構完整性，流域自然景觀組分、格局完整是健康流域的重要表征，流域內擁有維護流域水文響應的自然森林、岸邊帶自然濕地、河流自然通道、生物棲息地以及防止污染物進入水體的緩沖區等。2)生態功能發揮良好，包括自然生態功能和社會服務功能，河道不斷流，保持一定的生態需水量，以維持水文化學循環過程;良好的水質，保證人類生產生活水資源的維持;擁有水生生物棲息地和避難所，使物種群落具有自我維持的能力;岸邊帶自然植被覆蓋和連續性好，且擁有天然濕地，具有污染阻隔和調蓄洪水的能力;陸域的自然景觀能夠提供良好的水源涵養、土壤保持和生物多樣性保護功能。3)人類活動對流域生態系統的脅迫較小，流域生態系統在人類活動干擾下，能夠自我恢復;人類活動產生的污染物隨著流域地表的各種生態循環過程而得到自凈和降解。

基于以上內容，筆者認為流域生態健康是指流域生態系統處于良好的平衡狀態，保持物理、化學及生物完整性，能為人類提供不同生態產品或服務功能，并對自然和人為干擾具有一定的自我調節和恢復能力。流域生態健康主要體現在:1)生態系統結構完整，流域上下游以及陸域和河流水域保持密切的聯系;2)功能完善，流域非生物組分不發生大規模的流失，能保持結構穩定以及生物群落的完整性和多樣性;3)生物生境面對自然和人為的適度干擾，具備彈性恢復力，污染因子從陸源到水體匯集的過程中得到自凈和降解，污染因子的匯集不超出流域的降解能力。

1.2 評價對象

流域是由河網水系作為廊道，將陸域、岸邊帶和水域相連接而構成的相對獨立和完整的集水區域，流域生態健康評價不僅需要對流域內的河網、湖泊，岸邊帶自然結構，陸域植被等自然生態系統的健康狀況進行考慮，還要分析流域內各種人為開發活動對生態系統健康的綜合影響。河流水系具有通道和源匯功能，連續、流動和完整的河流水系是流域生態健康評價的首要對象;水陸交錯帶是流域生態健康研究的重要地帶，具有早期預警功能，是流域生態系統的一個重要特征［29］;流域內的土地利用格局、城市化和社會經濟狀況等也是流域生態健康的評價內容。因此，結合流域空間組分格局，根據水文過程和生態功能空間差異性，將流域單元劃分為水域(河流)、岸邊帶和陸域三部分，并以此為評價對象開展流域生態健康評價(圖1)。

水域是指由河槽中的水體、水生生物群落以及河源、河床等河流的邊界所構成的水生態系統;水域為人類提供水資源，為水生生物提供棲息生境，水質的變化直接影響人類和水生物的健康。岸邊帶是指常年平均水位至最高洪水位的水陸生態過渡帶;包括河漫灘、沼澤、濕地、護岸林等組分類型，兼有水域和陸地生態系統的雙重屬性，其特殊的結構和功能使得岸邊帶生態系統具有凈化水體、穩定河岸、保護物種多樣性、調節微氣候和美化環境等重要的生態功能。陸域是指從岸邊帶向外擴展到流域分水嶺之間的陸地區域;陸域生態系統為多種生物提供了棲息環境，為人類提供了水源涵養、土壤保持、生物多樣性保護和產品提供等多種功能。

圖1 流域生態健康評價對象Fig.1 Objects of healthy watershed assessment

1.3 流域最小評價單元

流域是由不同等級尺度的匯水區域和具有水文功能的連續體組成的自然地理單元［30］，流域生態系統格局和過程在不同尺度上會表現出不同的特征［31］，因此，選定合適的流域生態健康評價尺度單元對于認識流域生態系統的格局、生態與水文過程，進行流域生態健康評價框架的設計和指標體系構建至關重要。

流域大小是一個相對的概念，通常小流域都嵌套在更大一級的流域里［32］，各小流域的生態健康狀況匯成整個流域的健康特征，整個流域的健康狀況又影響其內部的小流域。以小流域為單元進行生態健康評價的方法已經得到較多應用，如吳炳方等［33-34］提出的研究方法，不僅可以從微觀到宏觀進行多尺度的健康分析，還能體現流域內部的生態健康狀況空間差異。但小流域屬自然地貌單元，我國的生態系統保護和管理通常是以行政區劃為單元而開展，因此，難以與管理較好銜接。

為便于流域生態系統健康保護和綜合管理，采用GIS水文分析和GIS空間疊加方法，綜合考慮流域組成的最小自然單元(集水盆)和最小行政單元(鄉鎮)空間疊置關系及其組合的一致性，確定流域生態健康評價的最小單元。分析流域內最小評價單元的健康狀況空間特征及差異，進而推測整個流域的健康狀況(圖2)。

圖2 評價單元劃分方法及應用Fig.2 The evaluation units division method and its application

2 流域生態健康評價基本框架

2.1 基本框架的構建

流域生態系統健康評價是通過研究流域環境物質過程的主要源匯關系，系統分析水域、岸邊帶和陸域生態系統過程特征和差異性，及其物質循環與信息能量流動關系。發生在水域的生態過程主要包括河流匯流水文過程、泥沙運移輸送、水質變化、水生生物洄游遷徙等［32］;岸邊帶對流域生態系統的物質、能量流和信息流起到廊道、過濾器和屏障作用，主要生態過程包括污染阻隔吸附、水文交匯調蓄、為鳥類和水生生物提供生物遷徙棲息生境等;陸域生態系統具有重要的涵養水源和土壤保持作用，生態過程包括降水截留吸收、水土養分循環、產品生產、生物多樣性以及社會經濟活動等(圖3)。

圖3 流域生態系統過程示意Fig.3 The processes of watershed ecosystem

同時，流域是由河網作為銜接廊道，由森林、濕地、城鎮等不同生態系統構成的綜合景觀，需考慮景觀生態系統的廊道、斑塊等景觀組成與空間格局，針對水域、岸邊帶和陸域的結構特征，將該生態系統的類型組成及空間格局納入流域生態健康評價框架體系。

2.2 基本框架的主要內容

從流域生態健康的內涵出發，以流域生態學和景觀生態學為理論基礎，生態系統結構組分及景觀格局反映了流域的物理、化學及生物完整性;水域、岸邊帶和陸域以不同的生態系統過程和服務功能為主導，各評價對象的主導功能發揮良好是流域生態健康內涵的重要表征。同時，流域生態系統健康的內涵還體現在面對自然及人為的各種生態脅迫壓力下，流域生態系統具有自我調節力和恢復能力，而生境干擾、污染負荷、濕地退化和人為干擾等脅迫狀況則體現了流域所承受的壓力大小，從而反映了流域生態系統健康的脆弱程度。因此，流域生態健康評價基本框架是在結合生態系統結構和過程的基礎上，通過評估水域、岸邊帶和陸域的生態系統結構、功能和脅迫三方面構建起來(圖4)。

基本框架的主要內容:1)評價對象的空間組分構成以及格局狀況，包括自然和人為景觀的組分構成、河流生境以及陸地景觀格局等;2)評價對象所提供的生態系統服務功能發揮狀況，包括水源涵養、土壤保持、生物多樣性和洪水調蓄等，不同的評價對象發揮的主導功能有差異;3)自然及人類活動對水域、岸邊帶和陸域所構成的脅迫或壓力狀況。以上三者相互聯系、相互影響，形成流域生態健康評價基本框架的主要內容，反映了流域生態健康內涵，綜合體現了流域生態系統健康狀況。

圖4 流域生態健康評價基本框架的構建過程Fig.4 Assessment framework of healthy watershed construction

3 流域生態健康評價指標體系

3.1 指標體系構建原則

流域生態健康評價指標體系既不是一組指標的獨立出現，也不是一組指標的簡單堆砌，而是多方面測度指標組成的有機綜合體。為比較全面地反映流域生態結構格局狀況、生態功能和生態脅迫狀況，該指標體系構建需遵循以下原則。

(1)科學性原則:指標體系構建具有科學性與合理性，能夠突出反映流域生態健康狀況及與其息息相關的關鍵問題和優先區域，便于掌握這些問題的狀態和變化趨勢。

(2)系統性原則:充分反映和體現流域生態健康的內涵，按照評價基本框架，系統地表征流域生態系統中水域、岸邊帶和陸域的結構和功能特征，通過其綜合效應來全面刻畫流域生態健康狀況。

(3)簡明性原則:指標體系既涵蓋流域生態健康的主要方面，指標數量又不宜過多且彼此獨立，避免指標體系過于冗長和繁雜。

(4)可操作性原則:指標體系中包括的指標應容易測度，計算指標所需數據可獲取性強且比較可靠。

3.2 評價指標體系

流域是一個社會—經濟—自然復合生態系統，評價指標體系不僅包括流域內的自然生態要素，社會和經濟要素也是流域生態健康評價的主要因素。分別從流域生態系統的結構、功能、脅迫以及存在的主要問題調查與研究著手，選擇生物、水質、生境、景觀、人類擾動和社會經濟等指標，進行綜合評價。

水域生態健康評價主要從水生生境、生物完整性和水生態脅迫三個要素分析;岸邊帶生態健康評價主要從生態結構、生態功能和生態脅迫三個要素分析。陸域生態健康評價主要從生態格局、生態功能和生態脅迫三個要素分析［35］(表1)。

表1 流域生態健康評估指標體系Table 1 The index of watershed ecosystem health

(續表1)

4 結論

(1)流域生態健康的內涵包括生態系統的物理、化學和生物完整性，生態服務功能的發揮狀況，以及脅迫作用下的自我凈化和恢復力三方面。

(2)結合研究目的和管理需求，以GIS為主要技術手段，依據流域生態系統的物理結構、群落組成以及主導生態服務功能和影響因素的差異，以水域、岸邊帶和陸域為評價對象;并考慮流域自然地理單元與我國現行的行政管理區劃的空間疊置關系，確定流域最小評價單元。

(3)從流域生態系統健康的內涵出發，結合評價對象和評價單元特征，分別從水域、岸邊帶和陸域的生態結構、功能和生態脅迫三方面構建流域生態健康評價的基本框架，并在此基礎上建立評價指標體系。

流域生態系統的復雜性，致使流域生態健康評價涉及的內容多且相互關系復雜。該文僅從宏觀尺度提出了流域生態健康評價的基本框架和指標體系，隨著對流域生態健康評價研究的不斷深入，還需通過特定流域的生態健康評價對其進行驗證和進一步完善。流域生態健康評價可為流域生態功能分區、流域生態功能保護紅線劃定、流域分區控制管理以及流域生態補償等方面的研究提供技術支撐，為流域生態系統保護和綜合管理提供參考依據，以保障流域可持續地、健康地發展。

［1］LEOPOLD A.Wilderness as land laboratory［J］.Living Wilderness，1941(6):3.

［2］YAZVENKO S，RAPPORT D J.Framework for assessing forest ecosystem health［J］.Ecosystem Health，1996(2):40-51.

［3］KROGH S N，ZEISSET M S，JACKSON E，et al.Presence/absence of a keystone species as an indicator of rangeland health［J］.J Arid Environ，2002，50(3):513-519.

［4］蔣衛國，李京，李加洪，等.遼河三角洲濕地生態系統健康評價［J］.生態學報，2005，25(3):408-414.

［5］王小藝，沈佐銳.農業生態系統健康評估方法研究概況［J］.中國農業大學學報，2001(1):84-90.

［6］XU F L，TAO S，DAWSON R W，et al.Lake ecosystem health assessment:indicators and methods［J］.Water Res，2001，35(13):3157-3167.

［7］彭建，王仰麟，吳健生，等.區域生態系統健康評價:研究方法與進展［J］.生態學報，2007，27(11):4877-4885.

［8］劉明華，董貴華.RS和GIS支持下的秦皇島地區生態系統健康評價［J］.地理研究，2006(5):930-938.

［9］張哲.基于RS和GIS的流域生態健康評估研究［D］.石家莊:河北師范大學，2011.

［10］羅躍初，周忠軒，孫軼，等.流域生態系統健康評價方法［J］.生態學報，2003，23(8):1606-1614.

［11］鐵燕，文傳浩，王殿穎.復合生態系統管理理論與實踐述評:兼論流域生態系統管理［J］.西部論壇，2010，20(1):55-60，78.

［12］龍笛.淺談流域生態環境健康評價［J］.北京水利，2005(5):6-9，60.

［13］劉永，郭懷成.湖泊-流域生態系統管理研究［M］.北京:科學出版社，2008.

［14］孟偉，張遠，鄭丙輝，等.生態系統健康理論在流域水環境管理中應用研究的意義、難點和關鍵技術:代“流域水環境管理戰略研究”專欄序言［J］.環境科學學報，2007，27(6):906-910.

［15］PLAFKIN J L，BARBOUR M T，PORTER K D.Rapid bioassessment protocols for use in streams and rivers:benthic macroinvertebrates and fish(EPA/444/4-89-001) ［R］.Washington DC:US Environmental Protection Agency，1989.

［16］LADSON A R，WHITE L J，DOOLAN J A，et al.Development and testing of an index of stream condition for waterway management in Australia［J］.Fresh Water Biology，1999，41:453-468.

［17］KLEYNHANS C J.A qualitative procedure for the assessment of the habitat integrity status of the Luvuvhu River［J］.J Aquatic Ecosystem Health，1996(5):41-54.

［18］Rogue Basin Coordinating Council.Watershed health factors assessment［R/OL］.［2012-02-24］.http://roguebasinwatersheds.org/Files/Watershed%20Health%20Factors%20Assessment.pdf.

［19］US Environmental Protection Agency.Identifying and protecting healthy watersheds，in concepts，assessments，and management approaches［R］.Washington DC:US EPA，2011.

［20］HONG B，LIMBURG K E，ERICHSON J D，et al.Connecting the ecological-economic dots in human-dominated watersheds:models to link socio-economic activities on the landscape to stream ecosystem health［J］.Landscape and Urban Planning，2009，91(2):78-87.

［21］劉國彬，胡春勝，WALKER J，等.生態環境健康診斷指南［M］.Canberra:CSIRO Land and Water，1999.

［22］付愛紅，陳亞寧，李衛紅.基于層次分析法的塔里木河流域生態系統健康評價［J］.資源科學，2009(9):1535-1544.

［23］CONSTANZA R.Toward an operational definition of health:ecosystem health-new goals for enviromnental management［M］.Washington DC:Island Press，1992.

［24］RAPPORT D J.Ecosystem health［M］.Oxford:Black Well Science Inc，1998.

［25］CAIRNS J J，MUNAWAR M.Ecosystem health through ecological restoration:barriers and opportunities［J］.Aquatic Ecosystem Health Management，1994，3(1):5-14.

［26］US Environmental Protection Agency.Healthy watersheds initiative:national framework and action plan［R］.Washington DC:US EPA，2011.

［27］姜付仁，劉樹坤，陸吉康.流域可持續發展的基本內涵［J］.中國水利，2002(4):20-21.

［28］李春暉，崔嵬，龐愛萍，等.流域生態健康評價理論與方法研究進展［J］.地理科學進展，2008(1):9-17.

［29］張國平.基于生態系統服務功能的龍河流域生態系統健康研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［30］鄧紅兵，王慶禮，蔡慶華.流域生態學:新科學、新思想、新途徑［J］.應用生態學報，1998，9(4):443-449.

［31］張宏鋒，歐陽志云，鄭華.生態系統服務功能的空間尺度特征［J］.生態學雜志，2007，26(9):1432-1437.

［32］魏曉華，孫閣.流域生態系統過程與管理［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［33］吳炳方，羅治敏.基于遙感信息的流域生態系統健康評價:以大寧河流域為例［J］.長江流域資源與環境，2007(1):102-106.

［34］蔣衛國.基于RS和 GIS的濕地生態系統健康評價［D］.南京:南京師范大學，2003.

［35］張哲，潘英姿，陳晨，等.基于GIS的洞庭湖區生態系統健康評價［J］.環境工程技術學報，2012，2(1):36-43. ○