國外河流生態(tài)分類對我國河流水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的啟示

瞿書銳

（重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站重慶404000）

國外河流生態(tài)分類對我國河流水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的啟示

瞿書銳

（重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站重慶404000）

河流水環(huán)境狀況關系到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展與和諧社會的建立；當前，在國際上，河流生態(tài)分類是一種行之有效的河流水環(huán)境管理框架。本文簡要回顧了國外河流生態(tài)分類在理論方法和實現(xiàn)手段方面的研究進展，闡述了我國一、二、三級河流水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的方法與實現(xiàn)途徑。

河流景觀；斑塊；結(jié)構(gòu)；過程；進展

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展與環(huán)境保護工作的相對滯后，我國河流生態(tài)系統(tǒng)日益退化、河流水環(huán)境狀況逐漸惡化，急需對河流生態(tài)系統(tǒng)加強管理。近年來，河流生態(tài)分類（區(qū)）作為一種河流生態(tài)管理的空間框架，在河流水環(huán)境管理上的應用取得了良好的成效，如美國在Omernik提出的水生態(tài)區(qū)[1]框架基礎上設置監(jiān)測站點，開展健康評估，制定標準，對其河流水環(huán)境的改善發(fā)揮了重要的作用。本文在回顧國內(nèi)外河流生態(tài)分類研究基礎上，對我國正在開展的河流水環(huán)境生態(tài)功能三級分區(qū)工作提出初步的設想。

1　河流生態(tài)分類

所謂河流生態(tài)分類是將河流生態(tài)系統(tǒng)作為分類對象，將河流景觀劃分為相對同質(zhì)的單元；通過河流生態(tài)分類將河流水生態(tài)結(jié)構(gòu)與過程的空間差異性進行層次化和等級化[2]。作為一種針對水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)劃體系，它能反映水生生物及其自然環(huán)境的特征，使水環(huán)境管理從單一的水質(zhì)管理轉(zhuǎn)變?yōu)檎w的水生態(tài)管理，從水化學指標轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)指標，并為管理者和科學家提供環(huán)境管理與規(guī)劃預測等方面的服務。

2　國外河流生態(tài)分類的研究進展

河流生態(tài)分類由Frissell[2]首次將陸地生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)理念引入河流水生態(tài)系統(tǒng)而提出，按河流物理結(jié)構(gòu)在組織生態(tài)系統(tǒng)中的重要性將河流系統(tǒng)劃分為流域、河片、區(qū)、河段、形態(tài)單元和水動力學群落生境區(qū)6個等級體系，其劃分的指標為潛在的生產(chǎn)能力（流域尺度上的氣候、地質(zhì)、地形、土壤、生物相，河片尺度上的河槽坡度、形狀以及河流級數(shù)）與棲息地單元（河段尺度的結(jié)構(gòu)和基質(zhì)以及棲息地特征）。但基于結(jié)構(gòu)的分類未能完全體現(xiàn)河流空間結(jié)構(gòu)屬性。實質(zhì)上，河流在其空間結(jié)構(gòu)上具有4維屬性，即：（1）在縱向上，河流是一個狹長的線狀網(wǎng)絡，從河源至河口發(fā)生著物理的、化學的和生物的連續(xù)變化，河流是一個具有生物適應性的有機體；（2）在橫向上，河流系統(tǒng)與高地系統(tǒng)、河泛平原存在著物質(zhì)與能量的交換，河流的物質(zhì)與能量主要來源于高地系統(tǒng)的生產(chǎn)，而河泛區(qū)平原的存在又是由于河流所帶來的物質(zhì)所形成的；（3）在垂直方向上，河流與地下水發(fā)生交換，地下水是河道基流的主要來源，對河川徑流水文要素和化學成分有所影響，而河流也通過滲漏和側(cè)向補充著岸帶周圍的地下水；（4）在時間維上，河流系統(tǒng)的時間尺度在多方面有所體現(xiàn)，如河道形態(tài)可能需要很長時期的自然改變，即使是由于人類活動的改變也需要幾十年才顯現(xiàn)出來。因此，基于Frissell結(jié)構(gòu)的分類體系在實用性上受到了限制，如Rohm et al.[3]的研究表明，基于結(jié)構(gòu)的分類能作為河流分類的地理框架，但不足以應用于小尺度上的魚群分類、預測資源格局以及生物損傷的診斷。然而，在大中尺度上基于河流景觀結(jié)構(gòu)的河流生態(tài)分類具有明顯的優(yōu)勢，一方面，在大中型尺度上，基于結(jié)構(gòu)的河流分類能夠較好地解釋生物多樣性和生產(chǎn)力的變化、預測大型無脊椎動物的物種生活史和行為特性以及預測沖積系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)河床形態(tài)、谷底和河流類型的分布；另一方面，基于結(jié)構(gòu)的分類簡化了生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，結(jié)構(gòu)特征之間的內(nèi)在聯(lián)系通過去趨勢對應分析DCA、蒙特卡羅隨機測試等分析技術(shù)進行量化，便于在廣闊尺度上進行分類；此外，基于結(jié)構(gòu)的分類多采用定性地圖疊置的途徑進行，該方法具有對數(shù)據(jù)多寡和精度要求低、便于在大的區(qū)域范圍內(nèi)實施等優(yōu)點。

基于結(jié)構(gòu)的分類將河流看作是連續(xù)的，而事實上由于河流橫向、垂向關聯(lián)的強度沿著河網(wǎng)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)了河流連續(xù)統(tǒng)的不連續(xù)性，呈現(xiàn)出“斑塊”的分布特征。斑塊是相對同質(zhì)的非生物及生物的結(jié)構(gòu)和功能“單元”，它是形成生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的重要原因，而異質(zhì)性的程度在決定生物分布特征以及景觀的非生物功能中起著關鍵的作用[4]。對于任何生態(tài)系統(tǒng)而言，不同尺度上的結(jié)構(gòu)以及過程斑塊就形成了一種鑲嵌的、交互式的分層結(jié)構(gòu)。而河流的這種“斑塊鑲嵌”結(jié)構(gòu)，很大程度上是由重要的河流過程所產(chǎn)生的，其中河槽對于擾動的響應/回復過程與物質(zhì)傳輸過程為其主要的過程。基于此，一些學者采用景觀生態(tài)學中的斑塊鑲嵌理論，提出了基于河流過程的分類解釋河流生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局。如Whiting和Bradley[5]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：源頭水河槽的響應/回復過程是由河槽形態(tài)、泥石流的撞擊速度及頻率、河槽基質(zhì)大小以及沉積物運送速率控制的，因此以其作為指標對河流源頭段進行分類。因此，與河流景觀結(jié)構(gòu)劃分主要應用于大中型尺度的河流生態(tài)分類相比，基于河流過程的劃分更適用于中小型尺度的河流生態(tài)分類。

綜上所述，河流生態(tài)分類在理論與方法上經(jīng)歷了由基于結(jié)構(gòu)進行分類向基于過程進行分類的轉(zhuǎn)變，進而演變?yōu)閷⒔Y(jié)構(gòu)分類和過程分類有機融合的發(fā)展歷程。與此同時，實現(xiàn)河流生態(tài)分類的技術(shù)也在不斷發(fā)生變化，由早期主要采用地圖疊置的定性分區(qū)演變?yōu)楫斍耙远糠治鰹橹鞯摹⒍ㄐ苑治鰹檩o的分區(qū)途徑；定量分析所采用的方法主要為主成分分析、聚類分析、相關分析、對應分析、逐步判別分析等數(shù)理統(tǒng)計分析技術(shù)或者空間回歸樹（SPARTA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）等數(shù)學模型方法。相比傳統(tǒng)的定性地圖疊置分區(qū)，當前的分區(qū)途徑需要大量的、具有較高精度的數(shù)據(jù)，使得分區(qū)過程更為嚴謹、客觀。

3　對我國河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)的啟示

由于我國從東到西、由南至北地形的差異導致出現(xiàn)多樣的河流景觀分布格局、氣候的差異導致河流流量的多樣性變化以及社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的不平衡導致的河流水環(huán)境狀況的差異，使得在大中尺度與中小尺度上流域水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的方法、指標因子與實現(xiàn)技術(shù)上存在差異。

在大中型尺度上，氣候、地勢地貌、河流級數(shù)、土壤、植被類型、土地利用方式等流域背景結(jié)構(gòu)因子，它們通常在整個流域內(nèi)部發(fā)生連續(xù)的、顯著的變化，并能進一步引起其它重要的結(jié)構(gòu)特征因子也隨之發(fā)生改變。立足于全流域，它們很可能是流域生態(tài)系統(tǒng)空間差異性的主要成因，所以我國流域一二級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)在立足結(jié)構(gòu)劃分基礎上，可選擇氣候、地勢地貌、巖性、河流級數(shù)、土壤、植被類型、土地利用類型等作為分區(qū)指標。從實現(xiàn)技術(shù)而言，流域的這些結(jié)構(gòu)特征信息相對易于從現(xiàn)有的地形圖、水系分布圖、遙感圖等資源中提取，分析其空間結(jié)構(gòu)的分形特征，從而在廣闊尺度上，以地圖疊置法為主、以特征因子的歐式距離為輔進行區(qū)域的差異性分析，結(jié)合專家意見進行不同區(qū)域的邊界劃分，從而實施一、二級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)。例如孟偉等[6]選擇遼河流域的氣候、徑流深度、地貌、土壤、植被和土地利用類型作為指標因子，以地圖疊置為手段，最終實現(xiàn)了一、二級水環(huán)境生態(tài)分區(qū)。

在中小型尺度上，河岸坡度、河流形態(tài)、相鄰的土地利用的變遷、河岸植被、水文、基質(zhì)類型、河槽內(nèi)的大型木屑等棲息地特征因子決定著河槽響應/回復、物質(zhì)傳輸?shù)壬鷳B(tài)過程，而這些過程形成的是河流景觀特殊的斑塊結(jié)構(gòu)，并通過控制資源的有效性而最終影響了河流局部區(qū)域內(nèi)的生物群落。因此，我國流域三級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)在立足過程分區(qū)基礎上，可選擇相鄰土地利用的變遷、河岸坡度、河流形態(tài)、河岸帶植被、基質(zhì)類型、水文特征、河槽內(nèi)的大型木屑等作為分區(qū)指標。依據(jù)所選擇的指標，結(jié)合分區(qū)對精度的要求，選取流域內(nèi)具有典型性及代表性的地點合理布設監(jiān)測點，通過監(jiān)測點的野外調(diào)查與實驗分析、并結(jié)合提取已有信息獲取的指標數(shù)據(jù)，建立指標因子數(shù)據(jù)庫；在二級分區(qū)的基礎上，運用主成分分析、聚類分析、相關分析、對應分析、逐步判別分析等定量分析技術(shù)手段確定不同區(qū)域的同質(zhì)性與異質(zhì)性，在以水定陸的理念指導下最終實現(xiàn)流域三級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)。

4　結(jié)語

由Frissell首次將陸地生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)理念引入河流水生態(tài)系統(tǒng)而提出的河流生態(tài)分類是以河流生態(tài)系統(tǒng)作為分類對象，將河流景觀劃分為相對同質(zhì)的單元，通過河流生態(tài)分類將河流水生態(tài)結(jié)構(gòu)與過程的空間差異性進行層次化和等級化。國外的河流生態(tài)分類從理論方法上可分為基于結(jié)構(gòu)的大中型尺度及基于過程的中小型尺度河流生態(tài)分類兩種，從實現(xiàn)技術(shù)上多采用地圖疊置為主的定性分區(qū)以及多種數(shù)理統(tǒng)計方法為代表的定量分區(qū)。我國的大中型尺度，即一、二級河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)中適用基于結(jié)構(gòu)的、定性地圖疊置為主的分區(qū)；中小型尺度，即三級河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)適用基于過程的、多變量定量分析為主的分區(qū)。

[1]Omernik,J.M.Ecoregions of the conterminous United States(Map Supplement)[J].Annals of the Association of American Geographers, 1987,77(1):118-125.

[2]Frissell,C.A.,W.J.Liss,C.E.Warren,and M.D.Hurley.A hierarchical framework for stream habitat classification:viewing streams in a watershed context[J].Environmental Management,1986,10:199-214.

[3]Rohm,C.M.,J.W.Geise,and C.C.Bennett.Evaluation ofan aquatic ecoregions classification ofstreams in Arkansas[J].Journal of Freshwater Biology,1987,4:127-140.

[4]Forman,R.T.T.and M.Godron.Landscape Ecology[R].John Wiley and Sons,NewYork,1986.

[5]Whiting,P.J.and J.B.Bradley.A process-based classification system for headwater streams[J].Earth Surface Processes and Landforms, 1993,18:603-612.

[6]孟偉,張遠,鄭丙輝.遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究[J].環(huán)境科學學報, 2007,27(6):911-918.

瞿書銳，男，漢族，碩士學位，中級職稱，從事環(huán)境變化、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境生態(tài)相關研究。