東陽江流域生態系統健康評價

吳 濤， 解雪峰， 蔣國俊， 于海燕， 馬 勇

(1.浙江師范大學 地理與環境科學學院， 浙江 金華 321004； 2.浙江省環境監測中心， 浙江 杭州 310015)

東陽江流域生態系統健康評價

吳 濤1， 解雪峰1， 蔣國俊1， 于海燕2， 馬 勇2

(1.浙江師范大學 地理與環境科學學院， 浙江 金華 321004； 2.浙江省環境監測中心， 浙江 杭州 310015)

摘要：[目的] 通過對東陽江流域生態系統健康進行評價，旨在為該區生態補償體制的制訂提供參考。[方法] 參考環保部《流域生態系統健康評價技術指南》，建立水域生境結構、水生生物、水域生態壓力、陸域生態格局、陸域生態功能和陸域生態壓力共6大類17項評價指標，對東陽江流域29個評價單元進行生態系統健康評估。[結果] (1) 東陽江流域生態健康等級處于一般及以上水平，其中優秀、良好和一般的評價單元分別占6%，60%和34%。 (2) 水域生態系統健康的主要限制因子是水質質量指數；陸域生態系統主要限制因子為森林覆蓋率、建設用地比例、重要生境保持率及水源涵養功能指數等。 (3) 山地丘陵地區流域生態系統健康等級高，平原與盆地地區健康等級低；上游健康等級高，中下游人口密集地區健康評價等級偏低。[結論] 東陽江流域生態系統健康等級差異的根本原因是人類活動類型及強度的地區差異，而干流水質質量較差，建設用地比例高，點、面污染源排放量大是其主要的生態環境問題。

關鍵詞：生態系統； 健康評價； 東陽江流域

生態系統健康是指一個生態系統所具有的穩定性和可持續性，即在時間上具有維持其組織結構、自我調節和對威脅的恢復能力[1]。生態系統健康可以通過生態系統活力、組織結構和恢復力三個特征來定義[2]。流域作為獨特的地理單元，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[3]。流域生態系統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[4]。20世紀80年代以來，國外相關部門和學者針對流域生態系統健康展開了大量研究，主要有生物完整性指數評價(index of biological integrity, IBI)[5-6]，無脊椎動物群落指數評價(invertebrate community index, ICI)[7-8]，溪流狀況指數評價(stream condition index, SCI)[9]，棲息地完整性指數評價(index of habitat integrity, IHI)[10]，快速生物評價(rapid bio-assessment protocols, RBP)[11]，景觀格局指數生態健康評價(landscape pattern index)[12-13]，壓力—狀態—響應模型(press—state—response, PSR)[14-15]和模糊數學模型評價[16]等。國內王備新[17]、馬陶武[18]、李春暉[19]等學者將生物評價指標法應用到流域生態健康評估；吳炳方[20]、蔣衛國[21]等將RS和GIS方法引入流域生態系統健康評價。但是，當前有關流域生態系統健康的研究仍處于起步階段，流域生態健康評價的基本框架不統一，指標體系還有待進一步完善[4]。本研究以中華人民共和國環境保護部印發的《流域生態健康評估技術指南(試行)》[22]為指導，構建評價模型及指標體系，以浙江省東陽江流域為研究對象，開展流域生態系統健康評價，旨在為浙江省生態紅線、生態補償體制的制定及“五水共治”的開展提供信息決策支持。

1研究區概況

東陽江發源于磐安縣大盤山龍蔥塢尖與巖塢尖之間的谷地，流經東陽、義烏兩市，終于金華市金東區，河長165.5 km，流域面積3 378.5 km2，屬錢塘江水系，為錢塘江南源二級支流金華江的干流。流域內以丘陵地形為主，約占60%以上，該區屬亞熱帶季風氣候，四季分明，年均溫17.2 ℃，年均降水量1 419.9 mm，植被以亞熱帶常綠闊葉林為主。該流域地處金華東部城鎮發展與農業生態功能區，主要生態環境問題為化肥農藥施用量大，農業面源污染嚴重；工業企業多，工業污染總量大；生活污染源(城鎮與農村)排放量大。

2數據來源與研究方法

2.1　數據來源

本次評估數據集分為數字影像數據集、監測數據集及統計數據集。數字影像數據集包括：ETM+(空間分辨率30 m×30 m)，SPOT-5(空間分辨率10 m×10 m)，DEM(空間分辨率30 m×30 m)，土地利用數據庫，土壤類型矢量數據庫；監測數據集包括：水質斷面監測數據，降水量數據，河流徑流量數據，點源和面源污染物排放數據。統計數據集包括：2012年東陽市、義烏市統計年鑒，東陽江流域調查問卷，東陽、義烏市農藥、化肥普查數據，東陽、義烏市水利工程普查數據等。

2.2　研究方法

2.2.1評價單元流域評估單元以流域范圍內的最小自然單元(集水區域)為基礎，根據流域自然條件一致性和相似性特征進行最小自然單元的合并。同時，綜合考慮流域自然地理單元、行政區劃管理單元與流域環境管理單元的空間疊置關系及其組合的一致性。以自然地理單元為主，結合行政管理單元，并參考《重點流域水污染防治規劃(2011—2015)》中控制單元的劃分，評估單元大小基本與鄉鎮區劃保持一致。一般來說，最小評估單元大小和行政區劃比較一致,在邊界上可能有所出入,但是在對社會經濟數據統計時，按照評價單元的核心行政單元進行數據統計。

2.2.2評價指標體系參考環保部《流域生態健康評估技術指南(試行)》篩選評估指標共計6類17項(表1)。其中，針對東陽江流域生活及農業污染物排放量過大，導致河流富營養化的現狀，在考慮水生生物評價指標時，將對河流酸化和富營養化敏感的大型底棲動物和底棲硅藻作為評估生物，將大型底棲動物多樣性綜合指數和底棲硅藻綜合指數作為評估指標之一。

水域生態健康評估指標主要包括生境結構、水生生物和生態壓力三類，共8項指標；陸域生態健康評估指標主要包括生態格局、生態功能和生態壓力三類，共9項指標。評價指標的權重決定各評價指標對流域生態系統健康的貢獻狀況，直接影響到評價精度，通過環保部《流域生態健康評估指南》和專家咨詢法(Delphi)，同時參考指標的重要性對各項指標進行權重分配(表1)。

2.2.3指標標準化處理由于各項評價指標類型眾多，單位各異，很難對它們的實測值進行直接對比，因此根據各指標對流域生態健康的影響的大小及相關關系，對評價指標賦予標準化分值，分值在0～1之間。同時參考環保部《流域健康評估指南》[22]將評價指標的實測值進行5級劃分(表2)。

注：C1=Ⅲ類及以上水質斷面數占流域全部斷面數的比例；C2=枯水期徑流量占枯水期同期年均徑流量的比例;C3=每100 km河道的閘壩個數;C4=大型底棲動物分類單元數、大型底棲動物EPT科級分類單元比、大型底棲動物BMWP 指數和大型底棲動物Berger—Parker 優勢度指數的算術平均和;C5=(標準化的TDI指數+標準化的運動型硅藻比例+標準化的PTI指數)/3;C6=水域特有物種遭受人為活動破壞的影響,通過問卷賦值;C7=區域工農、生活、環境等用水量占評估區域的水資源總量比值;C8=水域生境遭到人為挖砂、航運、旅游等活動破壞的影響,通過問卷賦值;C9=單位面積內森林的垂直投影面積所占比例;C10=森林、草地等自然植被的斑塊數除以陸域的面積;C11=(生態系統類型分值×該類型面積)/重要生境評估總面積×100%;C12=(植被覆蓋度分值×0.4+植被類型分值×0.4+不透水面積分值×0.2)×100%;C13=中度及以上程度土壤侵蝕面積占陸域比例;C14=受保護區域面積占研究區內陸域總面積比例;C15=建設用地面積占流域陸域面積比例;C16=點源污染負荷排放指數=(0.5×點源COD排放量)/點源COD目標排放量+(0.5×點源氨氮排放量)/點源氨氮目標排放量;C17=面源污染負荷排放指數=(0.5×面源COD排放量)/面源COD目標排放量+(0.5×面源氨氮排放量)/面源氨氮目標排放量。

2.2.4評價模型流域健康度(watershed health index, WHI)作為衡量一個地區生態系統健康程度的模型能夠根據各評價指標數據，判斷出地區生態系統健康狀況，其值在0～100之間[23]。

(1) 各對象層的WHI計算模型為：

(1)

式中：WHIi——各對象層的生態健康度；Li——各評價指標的標準化值；Wi——各評價指標的權重。

(2) 流域的WHI計算模型為：

(2)

式中：WHI——流域生態安全度； WHIi——各對象層的生態安全度；Li——對象層的權重。

3結果與分析

按照流域生態系統健康評價值的高低，參考環保部《流域健康評估指南》，將流域生態系統健康分為優秀(80～100)、良好(60～80)、一般(40～60)、較差(20～40)和差(0～20)5個等級，并通過GIS空間分析模塊制成空間分布專題地圖。

3.1　水域生態健康評價

通過對水生生境結構、水生生物和水域生態壓力各項指標值計算分析可知，流域水域生態健康狀況處于一般及以上水平，其中優秀的評價單元面積約占總評價單元的22%，良好的評價單元面積約占總評價單元的42%，一般評價單元約占總評價單元的36%(圖1)。由圖1可知，東陽江流域水域健康評價的主要限制因子為水質和水生生物，尤以市區及人類工、農業生產活動劇烈地區體現的最為明顯，該區域的生活污染物和工、農業污染物的排放導致水質變差，影響了水生動物種群結構。調查發現水質為Ⅲ類以下的地區，其水生生物的評價指數一般都為較差和差。在人類活動較少的上游地區，污染物排放較少，水質一般為Ⅲ類及以上，水生生物綜合評價指數較高，水域生態健康綜合評價值為優秀，其中以東陽江鎮評價單元為代表。在人類活動較多的地區，水質質量下降，導致水生生物指標偏低，水域生態健康狀況良好，如橫店鎮等評價單元。流經城區的干流，由于大量的生活污水和工業廢水的排放，導致水質狀況極差，主要是Ⅳ類和Ⅴ類水質，其水生生物種群受到嚴重影響，或者消失。以吳寧街道等評價單元為代表。

3.2　陸域生態健康綜合評價

東陽江流域陸域生態系統健康狀況總體情況稍差，無優秀評價單元，良好面積占67%，一般面積占31%，較差面積占2%。在空間分布特征上，山區優于盆地，鄉鎮優于市區，東陽市優于義烏市(圖2)。由于點、面源污染負荷指標的計算依靠污染物減排資料，而污染物減排資料的最小統計單元為縣市，導致兩個指標在鄉鎮級的評價中無可比性，因此不將其作為限制因子進行探討。健康等級為優秀的單元中，如東陽江鎮，各項因子得分都較高，特別是森林覆蓋率、建設用地、重要生境保持率及水源涵養指數，均高于其他評價單元。健康等級為良好評價單元中，主要限制因子是重要生境保持率和水源涵養指數，如歌山鎮等評價單元。在健康等級一般的評價單元中，建設用地比例過高、森林覆蓋率及水源涵養指數較低成為其主要限制因子。

圖1　東陽江水域生態健康評價結果

圖2　東陽江陸域生態健康評價結果

3.3　東陽江流域生態健康狀況綜合評價

東陽江流域生態系統健康綜合評價顯示(圖3)，優秀的評價單元僅占6%(東陽江鎮)，良好面積占60%，一般面積占34%。流域生態系統健康分布呈現出由上游向中下游逐級變差的趨勢，在東陽市范圍內從優秀逐級過渡到良好與一般，在義烏境內從良好過渡到一般；南江流域上游橫店和南馬地區水域生態系統破壞嚴重，其評價等級為一般，低于周邊各評價單元。從流域整體分析，東陽江流域生態系統健康等級差異的根本原因在與人類活動干擾的影響。形成了山地丘陵地區健康等級高，平原與盆地地區健康等級低；上游健康等級高，中下游人口密集地區健康評價等級偏低的現狀。隨著城鎮化發展的進一步加快，該地區的建設用地比例將可能進一步擴大，而在工、農業產值進一步增加的壓力下，減排負荷指數的壓力巨大，短期內東陽江流域水質指標不可能得到根本改善。而隨著開發強度向上游發展的趨勢，上游較健康的地區的水質和生物種群將面臨更大的環境壓力。

圖3　東陽江流域生態系統健康評價結果

3.4　東陽江流域生態環境問題分析

3.4.1干流水質質量較差東陽江流域干流直接穿過東陽市和義烏市的主要城區和鄉鎮，而該區均為人口密大和和工業活動密集區域，每天產生的生產和生活污水量巨大。其次，雖然東陽江流域降水量較多，但是，由于各支流上游林立的大小水庫截斷了水系僅有的徑流量，河道生態基流難以保障，致使東陽江、義烏江在枯水期基本無生態來水，在枯水期排入這些河流的污水量就是其全部的徑流量。在此情況下，即使河流沿線的各排污單位全部做到達標排放，所排放的污水中污染物濃度也遠高于地表水環境質量要求。

3.4.2建設用地比例高，水源涵養能力弱建設用地直接關系到流域的生態功能和生態壓力。從2000—2010年土地覆被類型的轉移矩陣分析發現，交通、居住地及工、礦用地面積共增加了8 748 hm2，建設用地的速度擴張給森林、草叢、農田及水域生態系統都構成了巨大的生態壓力，迫使各種生境面積降低，同時對生境的切割，加大了生境破碎化的程度，降低了生態系統的穩定性。土地硬質化，改變了該區域的水、熱條件，降低了洪峰匯流時間，易產生洪澇及生態災害。

3.4.3點、面污染源排放量大東陽江流域水質差的主要原因在于污染物排放量大。東陽江流域2012年點源COD排放總量2.46×104t，氨氮排放總量3 802.17 t，面源COD排放總量4 009.52 t，氨氮排放總量582.06 t，且工業廢水排放量及COD都呈上升趨勢。東陽江流域污染源以點源為主，東陽市范圍內，污染物主要來自于城鎮生活源和農村生活源，醫藥制造業、紡織業、化學原料及化學制品制造業和通信設備制造業是其重點污染行業。義烏市范圍內主要來自于城鎮生活源，紡織業和造紙及紙制品業是其重點污染行業。隨著人口的增長和工業產值的大幅提升，東陽江流域污染負荷排放指標將面臨嚴峻的挑戰。

4結 論

(1) 東陽江流域水域生態健康狀況處于一般及以上水平，其中優秀的評價單元約占總面積的14%，良好的評價單元約占總面積的38%，一般的評價單元約占總面積的48%。一般來說，水域健康狀況山區優于平原，農村優于城市，其主要限制因子為水質狀況指數。

(2) 東陽江流域陸域生態系統健康狀況總體情況表現為山區優于盆地，鄉鎮優于市區，東陽市優于義烏市。陸域生態限制因子主要是森林覆蓋率、建設用地比例、重要生境保持率及水源涵養功能等。

(3) 東陽江流域生態系統健康等級差異的根本原因在于人類活動干擾的影響。形成了山地丘陵地區健康等級高，平原與盆地地區健康等級低；上游健康等級高，中下游人口密集地區健康評價等級偏低。

[參考文獻]

[1]Rapport D J. What constitute ecosystem health?[J]. Perspectives in Biology and Medicine, 1989,33(1)：120-132.

[2]Rapport D J, Costanza R, McMichael A J. Assessing Ecosystem Health[J]. Trends in Ecology & Evolution, 1998,13(10):397.

[3]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,2008：106-132.

[4]王文杰,張哲,王維,等.流域生態健康評價框架及其評價方法體系研究(1)[J].環境工程技術學報,2012,2(4):271-277.

[5]Karr J R. Biological integrity: A long-neglected aspect of water resource management[J]. Ecological Applications, 1991,1(1):66-84.

[6]Karr J R. Assessment of biotic integrity using fish communities[J]. Fisheries, 1981,6(6):21-27.

[7]Deshon J E. Development and Application of the Invertebrate Community Index(ICI)[M]∥Davis W S, Simon T P, eds. Biological Assessment and Criteria:Tools for Water Resource Planning and Decision Making. Boca Raton. F L: Lewis Publishers, 1995:217-243.

[8]Ohio E P A. The Use of Biocriteria in the Ohio EPA Surface Water Monitoring and Assessment Program Columbus[R]. Columbia: Ohio Environmental Protection Agency, Ecological Assessment Section, Division of Water Quality Planning and Assessments, 1990.

[9]Ladson A R, White L J, Doolan J A, et al. Development and testing of an index of steam condition for waterway management in Australia[J]. Fresh Water Biology, 1999,41(2):453-468.

[10]Kleynhans C J. A qualitative procedure for the assessment of the habitat integrity status of the Luvuvhu River(Limpopo system, South Africa)[J]. Journal of Aquatic Ecosystem Health, 1996,5(1):41-54.

[11]Plafkin J L, Barbour M T, Porter K D, et al. Rapid Bioassessment Protocols for Use in Streams and Rivers: Benthic Macroinvertebrates and Fish[M]∥Washington DC:US Environmental Protection Agency, 1989.

[12]陳文波,肖篤寧,李秀珍.景觀指數分類、應用及構建研究[J].應用生態學報,2002,13(1):121-125.

[13]楊帆,趙冬至,馬小峰,等. RS和GIS技術在濕地景觀生態研究中的應用進展[J].遙感技術與應用,2007,22(3):471-478.

[14]張松,郭懷成,盛虎,等.河流流域生態安全綜合評估方法[J].環境科學研究,2012,25(7):826-832.

[15]Campbell K R, Bartell S M. Ecological Models and Ecological Risk Assessment[M]∥Newman M C, eds. Risk Assessment: Logic and Measurement. Michigan: Ann Arbor Press, 1998:69-100.

[16]崔保山,楊志峰.濕地學[M].北京:北京師范大學出版社,2006：3-15.

[17]王備新,楊蓮芳.用河流生物指數評價秦淮河上游水質的研究[J].生態學報,2003,23(10):2082-2091.

[18]馬陶武,黃清輝,王海,等.太湖水質評價中底棲動物綜合生物指數的篩選及生物基準的確立[J].生態學報,2008,8(3):1192-1200.

[19]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,2008,27(1):9-17.

[20]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,2007,16(1):102-106.

[21]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.

[22]中國環境科學研究院.流域生態健康評估技術指南[R].北京:中國環境科學研究院,2013.

[23]解雪峰,吳濤,肖翠,等.基于PSR模型的東陽江流域生態安全評價[J].資源科學,2014,36(8):1702-1711.

Ecosystem Health Assessment of Dongyang River Basin

WU Tao1, XIE Xuefeng1, JIANG Guojun1, YU Haiyan2, MA Yong2

(1.CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua,Zhejiang321004,China; 2.EnvironmentalMonitoringCenterofZhejiangProvince,Hangzhou,Zhejiang310012,China)

Abstract：[Objective] Taking Dongyang River basin as the research area, to carry out watershed ecosystem health assessment, in order to provide conferences for decision-makings of ecological comensation system in this region. [Methods] According to technical guidelines of watershed ecosystem health assessment issued by Ministry of Environmental Protection, we set 6 evaluation categories, 17 indexes to assess the ecosystem health of 29 units in Dongyang River basin. The evaluation categories included water habitat structure, aquatic organisms, water ecological pressure, land ecological pattern, land ecological function and land ecological pressure.[Results] The project had completed the ecosystem health assessment of 29 units in Dongyang River basin. The evaluation results showed that: The ecosystem health of Dongyang River basin can be classified as excellent, good and general, accounting for 6%, 60% and 34% of the total area, respectively. The main limiting factor of aquatic ecosystems was water quality index, while land ecological limiting factors were mainly the forest coverage rate, the proportion of construction land, important habitat retention and water conservation functions. Ecosystem health was at a higher level in hilly area, and found at a lower level in plains and basins; and meanwhile, the upper stream ecosystem health level was higher, while densely-populated middle and lower reaches were at lower level. [Conclusion] It was the types and intensity of human activities that led to the regional difference of ecosystem health in Dongyang River basin. The most serious ecological environment problems in the basin listed: the poor water quality in the main stream, highly occupied proportion of construction land, point and surface sources of pollution.

Keywords:ecosystem; health assessment; Dongyang River basin

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0326-06

中圖分類號：X171, X82

通信作者：蔣國俊(1962—),男(漢族),江蘇省溧陽市人,博士,教授,主要從事環境生態與河口海岸動力方面的研究。E-mail: jgj@zjnu.cn。

收稿日期：2014-08-18修回日期：2014-09-19
資助項目：浙江省科技廳公益性項目“浙江省基巖淤泥質海灣圍墾潛力評價技術研究”(2013C33029); 浙江省新苗人才計劃項目(2013R404053； 2014R404058); 浙江省教育廳資助項目(Y201226102)
第一作者：吳濤(1979—),男(苗族),湖南省吉首市人,博士,講師,主要研究方向為環境生態與健康評價。E-mail:twu@zjnu.cn。