基于陸地-水生態系統耦合的海河流域水生態功能分區

孫然好, 程 先,2, 陳利頂,*

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 中國科學院大學,北京 100049

對水生態功能進行辨識和分區是進行流域生態管理的科學基礎和重要依據[1-2]。目前國內水生態功能分區/區劃存在以下問題：(1)多定性考慮不同要素間的相互關系,對于生態系統之間的功能聯系考慮的不足;(2)多考慮人類活動和社會經濟發展對水資源的需求,未充分考慮生物、陸地生態系統對水環境的需求及兩者關系;(3)多以水體現狀使用功能進行劃分,缺乏對水生態系統完整性和區域分異性的考慮。造成這種狀況的主要原因是：污染控制未能體現“分區、分類、分級、分期”的水環境管理理念,對流域整體的系統性認識不足?！八鷳B功能分區”正是在上述背景下提出來的,基于流域水生態系統的特點,以流域內不同尺度的水生態系統及其影響因素為研究對象,探討水生態保護目標及其實現途徑,從而為地表水質控制單元劃分、區域土地利用結構調整和產業結構調整提供科學依據。

國際上對流域水生態功能進行分區和管理有許多成功案例,比如美國的田納西流域、切薩皮克流域、澳大利亞的墨累-達令流域等。美國的水環境生態分區,主要按照土地利用、地貌類型、潛在植被和土壤類型進行四級劃分[3-5]。歐盟的水環境生態分區,也主要基于地形、生物、生態要素的異質性特征,“從上到下”按等級框架研究水生態系統[6]。澳大利亞的水環境生態分區,綜合考慮了氣候(周期變化和降雨量)、地理(海拔和地形)和植被(結構和組成)因子對水生態系統的影響。從國外水生態功能分區研究可以看出,流域水生態功能分區需要綜合考慮陸地生態系統特征和水生態系統特征,根據水生態系統的潛在影響來“以水定陸”、以陸地生態系統為管理單元進行“以陸控水”。

國內比如遼河流域進行的多級分區[7-9],其它重要流域也進行了探索性工作[10-15]。自“十一五”以來,國家水體污染控制與治理科技重大專項專門開展了對重點流域的水生態功能分區研究,包括遼河、松花江、淮河、海河、東江、黑河、太湖、巢湖、滇池、洱海等,多數流域側重于一級二級區的研究[16-18]?！笆濉逼陂g部分流域繼續開展了相關研究,完成了三級分區[19-22]。海河流域處于我國社會經濟高度發達的地區,生態環境與經濟發展的矛盾日益突出,而長期以來缺乏對該區域水生態系統結構和功能的系統調查和特征分析。因此,迫切需要對海河流域水生態功能進行分區定位,全面系統認識海河流域水生態系統結構和功能。此外,海河流域作為我國半濕潤地區的典型流域,具有代表性的氣候和地形特點,水生態功能分區研究不僅能夠為區域水資源管理和生態安全構建提供支持,同時也可以為類似流域的水環境管理提供參考。

1 研究區概況與分區基礎

1.1 研究區概況

海河流域包括海河干流、灤河和徒駭馬頰河3大水系、7大河系、10條骨干河流,面積約32萬km2。海河流域山地和平原面積分別占60%和40%,太行山、燕山以西、以北分布面積較廣的黃土高原,平原大致可分為山前洪沖積平原、中部河流泛濫平原和濱海平原。海河流域從東到西地帶性植被依次為森林、灌叢、稀疏灌草叢等。流域西北部多為鈣層土,中北部淋溶土、半淋溶土,中南部半淋溶土、初育土,中東部水成土、半水城土,東部沿海鹽堿土。海河流域年均降水量的80%集中在汛期,降水量由東南向西北逐漸減少。多年平均水資源總量3.7×1010m3,流域水資源開發利用率達到了98%,耗水率達70%。近年來,在各級支流近10000 km河長中,已有4000 km河道長年干涸,主要河道中下游年均斷流達300天左右。海河流域平均人口密度為371人/km,為全國平均人口密度的3.47倍。作為全國主要糧食產區之一,共有耕地1.09×105km2,約占全國的11%。流域屬于典型的資源性缺水地區,目前以不足全國1.3%的水資源量,承擔著10%的人口和13%的GDP。

1.2 水生態功能一級二級區

海河流域在“十一五”期間完成了水生態功能一級二級分區[23-24],本文主要探討三級分區。在前期研究中,選擇地貌、氣候、水文作為一級分區因子,植被、土壤作為二級分區因子,然后結合流域特點,篩選出針對性的指標體系。根據地貌類型、干燥度和徑流深的空間異質性特征,利用插值方法分別繪制出3個指標因子的分級圖,得到矢量分區圖,疊置形成一級區圖。然后,對土壤類型和植被覆蓋類型進行空間聚類,根據聚類結果分別繪制出這2個指標因子的矢量圖。對這2個矢量圖和一級分區矢量圖進行疊置,確立二級分區圖。最終,共劃分了6個一級區、16個二級區(圖1)。

圖1 海河流域水生態功能一級和二級分區Fig.1 First- and second- level of eco-regions in the Haihe River Basin

1.3 三級區數據收集和處理

三級分區以小流域為基本單元,利用1∶5萬DEM和SWAT模型提取子流域。利用已有河網數據作為基準,在平原地區對1∶5萬DEM進行填洼等前處理,提取更加詳細的河網和小流域,最后得到小流域2957個,平均流域面積105 km2,計算各個小流域的累積匯水柵格、流向圖、水系級別等信息。

社會經濟統計數據來自于流域8個省市2010年的統計年鑒,土地利用來自于2010年的1∶10萬土地利用圖。社會經濟數據多基于縣級行政單元,而三級分區是基于小流域集水單元進行劃分。我們采取了基于土地利用賦權的方法[25],比如農業用水和化肥使用更多集中在農田,工業用水和污水排放則集中于城鎮用地,牲畜飼養則更多在農村用地。通過在不同土地利用斑塊的社會經濟指標賦權后,可以得到各個小流域的社會經濟數據。相比單純基于流域面積權重的社會經濟指標空間化,本研究使用的方法更能體現社會經濟活動的主要成因和途徑,具有更高的精度。

為充分了解流域水生態系統特征,共設置了249個采樣點(圖2),主要監測水質、底棲動物、藻類和魚類特征。采樣點的布設主要在干流和較大支流的上、中、下游各設1個點,在2013—2015年每年的雨季前后兩次采樣。水質數據采用多參數水質儀(YSI 6600V2, YSI公司, 美國)現場測定pH值、水溫、溶解氧、混濁度、電導率等,將水樣用車載冰箱帶回野外實驗室后,用紫外分光光度計(PhotoLab S12, WTW公司,德國)分析TN、NH3-N、NO3-N、TP、COD。底棲生物、藻類的采樣時間、地點與水體采樣保持一致,帶回實驗室進行種類鑒定。魚類調查困難較大,采用掛網、電魚等多種方式,只在52個點位捕獲魚類。

圖2 海河流域河流采樣點Fig.2 Sampling sites in the Haihe River Basin

生物多樣性Shannon-Wiener指數(H′)[26]

(1)

式中,ni為第i種(或屬)藻類的細胞密度(底棲動物、魚類生物量);N為采樣點1 L水樣中藻類總細胞密度(底棲動物、魚類總生物量);S為物種(或屬)數。

Berger-Parker優勢度指數(B-P)[27-28]

(2)

式中,Nmax為最富集類群的藻類細胞密度(底棲動物、魚類生物量);N為1 L水樣中全部類群的藻類總細胞密度(底棲動物、魚類總生物量)。

2 分區方法

2.1 分區原則

三級分區目的是揭示陸地生態系統對水生態系統的承載功能和脅迫效應,明確人類活動脅迫背景下的水生態系統類型及組合特征(圖3)?；驹瓌t包括：

(1)陸水耦合原則。陸地生態系統對水生態系統產生直接影響,而通過水生態系統調整陸地生態系統的基本單元和管理方法,從而實現“以水定陸、以陸控水”,兩者相互影響、相互制約。通過陸地指標對水生態系統形成和維持的區域因子進行分區,但是每個指標需要對水生態系統具有明確的影響。通過陸地生態系統和水生態系統的相互反饋,最終實現較為理想的陸地分區管理和水生態目標。

(2)集水單元完整性原則。三級區最基本的分區單元定為小流域,體現小流域整體的一致性,以及不同小流域之間的差異性。

(3)人類活動脅迫的主導性原則?；诤：恿饔蛉祟惢顒訌娏?水資源和水環境受到嚴重脅迫,三級區中人類活動和土地利用的影響尤其需要刻畫,人類脅迫背景下的水生態系統類型及組合會產生不同的水生態功能。

(4)河流類型與功能相統一的原則。三級區中要體現河流類型差異,河流上下游和干支流的差異,以及這些差異可能對水量、水質、河流生境的影響。

圖3 三級分區的技術路線圖Fig.3 Framework of third-level eco-region regionalization in the Haihe River Basin

2.2 分區指標

三級分區指標需要具有時間上的穩定性、空間上的異質性、生態要素因果關聯性等。主要從以下幾個方面進行考慮：

(1)水資源脅迫與承載功能：通過文獻調研,首先確定了一系列的備選指標,其中生活用水強度(t/km2)、工業用水強度(t/km2)、農業用水強度(t/km2)3個指標是水資源脅迫強度的最直接因素,其它指標更多是間接的影響這3個用水強度指標。水資源的承載功能的備選指標中,小流域面積(km2)和平均匯水強度(km2)是小流域匯水能力的直接度量指標。水庫總庫容(億m3)能夠反映人類工程措施對水資源的承載能力,以及對于洪水調蓄、水源涵養等的支持力度。

(2)水環境脅迫與承載功能：生活排水強度(t/km2)、工業排水強度(t/km2)、化肥使用強度(kg/km2),能夠從生活、工業、農業3個最主要的方面提供直接的依據。能夠刻畫水環境承載功能,或者能夠維持營養物循環能力的一些指標,包括流域平均坡度、流域形狀指數(LSI)、河流比降、河網密度等。根據文獻研究,流域平均坡度和流域形狀指數能夠影響水文條件,如流速、流量等,是能夠影響營養物循環的重要因子。坡度與大多數的地形參數具有相關性,但坡度和形狀指數是反映垂直和水平兩個尺度上的影響因子,兩者之間沒有關聯性,可以同時作為必選指標。

(3)河流生境脅迫與承載功能：主要體現人類活動的影響,尤其是自然地表與人工地表的比例、濕地比例等。土地利用強度代表人類活動對河流生境的脅迫壓力。濕地比例能反映流域內河流生境的承載能力。

(4)河流類型與生態功能的統一性：河流類型通常與特定的生態功能相結合,比如干支流、上下游、源頭河流、入海河流,以及通過彎曲度、比降、流速等分類。河流級別是以上各種河流類型劃分的代表指標,具有最穩定的特征、最廣泛的代表性。不同級別河流為水生生物提供的生境條件不一樣,適合于不同的物種分布和群落組成。根據河流級別差異,將水生態功能區進行二次劃分,形成河流類型相對一致的水生態功能區。

為了計算簡便,將人類活動對水資源、水環境、生境的影響設為相等權重(表1)。

3 結果

3.1 空間格局特征

三級區指標的空間聚類在各個二級區內進行,在ArcGIS平臺的空間聚類模塊下劃分了三級區。但是這種劃分存在很多的不確定、錯誤斑塊,需要手工的判讀和取舍。取舍的原則首先參考DEM、河網數據,其次要盡量使不同二級區間的三級區保持連續性,最后要在分類詳細程度和分類準確程度之間取得平衡。最終,將2957個子流域疊加二級區后劃分成3620個斑塊,通過聚類分析得到211個三級類型。再根據人工判讀,對508個斑塊的屬性進行了重命名,總體的人工判讀率為14%,得到73個三級區 (圖4)。

3.2 分區結果評價

據2013—2015年調查數據和評價需要,藻類和魚類鑒定到種,底棲動物鑒定到科。海河流域藻類共計5門、7綱、15目、28科、61屬、159種,底棲動物共計3門、7綱、23目、117科、300屬,魚類采集到10目15科43屬54種。為了獲取較為穩定的水生生物指標,我們將多次采樣數據進行平均,在每個子流域分析水生態系統特征和社會經濟特征的相關性。表2統計了分區指標與水質、水生生物指標的相關性,從顯著性(P<0.05,P<0.01)可以看出多數分區指標能夠從不同方面反映水生態系統的異質性。

(1)對水生態健康的影響：小流域面積、林草地比例、小流域坡度、化肥使用強度等影響較為明顯;(2)對水環境特征的影響：化肥使用強度、林草地比例、生活用水強度、生活污水強度、小流域面積和坡度等影響較為明顯;(3)對藻類的影響：工業污水強度和林草地比例是比較明顯的指標;(4)對底棲動物的影響：工業用水強度、工業污水強度、濕地比例、小流域坡度和林草地比例的影響明顯;(5)對魚類的影響：多數分區指標表現出了較為明顯的相關性,如農業用水強度、化肥使用強度、工業用水和污水強度、小流域的面積、形狀、坡度、林草地比例等。相對地,生活用水和污水強度對魚類群落影響不明顯。

表1 三級分區指標及權重

4 討論

海河流域現有分區方案大致分為以下幾類：自然地理區劃、生態功能區劃、水功能區劃、生態水文區劃、水資源區劃等。通過綜合比較海河流域現有分區方案(表3),水生態功能三級分區在以下幾個方面有所改進：

(1)在陸水耦合方面有所加強

自然地理區劃考慮了地貌、氣候、水文、土壤和植被等環境因素的空間特征;生態功能區劃突出了人類活動對生態環境問題的影響;水功能區劃以流域為單元進行逐級劃分,僅僅是對可見水體的功能劃分;生態水文區劃強調區域的水文、水資源特征;水資源區劃偏重于社會經濟指標?，F有多數方案僅針對陸地生態系統或者水生態系統,忽略了兩者之間的關聯性。水生態功能分區是為實現“分級”“分類”“分區”“分期”的管理目標,將綜合區劃和專題區劃有機結合。這種有機結合體現在多級區劃上,其中一級、二級區劃屬于綜合區劃,綜合考慮多種自然環境因素;三級區劃屬于專題區劃,針對具體水生態環境問題進行分區。水生態功能分區需要在不同級別針對性區分主控要素,我們根據流域的地形、水文、氣候、植被和土壤等生態特征,劃分了水生態功能的一級、二級分區,在此基礎上考慮人類活動對水生態系統的脅迫效應,進行水生態功能三級區劃分。考慮到管理需要以及指標穩定性,在分區指標的選擇中完全以陸地生態系統的指標為主,沒有將水生態系統指標納入分區指標,只是作為分區指標選擇、分區結果驗證使用。

(2)在管理需求方面增加針對性

海河流域現有分區方案既有綜合性區劃,又有專題區劃。大部分自然地理區劃和生態功能區劃屬于綜合區劃,綜合了多個自然因子或社會經濟因子,區劃不是針對某一項社會需要。專題區劃則是圍繞某一環境或社會因素進行分區,例如水功能區劃主要圍繞水對人類的服務功能進行分區。與水生態相關的一些區劃方案都力求打破行政邊界的束縛,多以流域邊界為區劃范圍,根據流域的自然屬性進行分區。但是,由于中國實行以行政區為基礎的管理體系,即使成立一個統籌全流域的職能部門,也必須讓各行政區最終實施。要打破這種尷尬的局面,還需要充分融合自然邊界和行政界線。現有多數方案在基本分區單元、分區目標等方面脫離了管理部門的實際需求。本研究的水生態功能三級分區綜合考慮了流域邊界和行政區劃,在空間單元上容易管理;根據“以水定陸、以陸控水”的原則,容易據此制定針對性的管理方案。

表3 海河流域的各種分區方案比較

分區性質Eco-regioncategory分區名稱Eco-regionname研究者Researcher分區特色Eco-regionfeature自然地理區劃Regionalizationofphysicalgeography中國自然區劃草案羅開富[29]根據季風劃分一級區，然后劃出過渡區，再依據地形劃出副區。按自然特征而劃分中國綜合自然區劃黃秉維[30]根據熱量劃分熱量帶，根據水分劃分自然地區，根據干燥度劃分干濕地區，再以土壤、植被為依據劃分自然地帶。區劃服務對象是農業中國自然區劃概要席承藩[31]根據地貌和季風劃分3大區域，再根據溫度劃分溫度帶，溫度帶內再劃分區。以地貌和氣候為劃分指標，未重視土壤和植被條件中國自然地理區劃任美鍔[32]主要依據地貌、氣候等自然差異進行3級區劃，同時考慮了人類改造和利用自然的不同方向中國自然區劃方案趙濟[33]依據溫度條件和水分條件組合進行區劃，考慮了人類對自然環境的開發利用方向，區劃單元充分照顧了地貌的完整性生態功能區劃Regionalizationofecologicalfunctions對于中國各自然區的農、林、牧、副、漁業發展方向的意見侯學煜[34]按照熱量劃分氣候帶和區域，根據大氣、水、熱的結合狀況劃分自然區。關注水熱狀況和區內的耕作制度全國生態功能區劃環境保護部，中國科學院[35]突出了主要生態環境問題和人類活動的影響。主要根據生態系統空間特征，生態敏感性和生態系統服務功能等特征進行劃分水功能區劃Regionalizationofwaterfunctions中國水功能區劃水利水電規劃設計院[36]以流域為單元，對水域功能劃分，忽視生態系統整體特征生態水文區劃Regionalizationofecologicalhydrology中國河流生態水文分區方案尹民等[37]結合生態環境特點與水文水資源狀況，應用專家判斷與定性分析等方法，將全國劃分為3個級別的水文區水資源區劃Regionalizationofwaterresources海河流域水資源管理分區研究柳長順等[38]指標體系包括環境、糧食、水資源和社會經濟4大類30個指標。根據最小研究單元的聚類分析結果，自下而上合并分區單元

(3)分區方法方面更加綜合

從分區方法上看,絕大部分區劃都采用了分級、分區的基本方法。在具體分區技術上,大部分區劃方案都采用自上而下,逐級劃分的分區技術。有少數區劃方案采用自下而上,合并小區域單元為大區域單元的分區技術。因此,不同級別分區、不同目標分區盡量采用針對性的分區方法。海河流域水生態功能分區充分吸收了兩種分區方法的優點。一級二級區采用“自上而下”的分區方法,主要根據地域分異規律以及水生態系統的異質性分析,按區域內相對一致性和區域共軛性劃分出最高級分區單位,逐級向下劃分低級的單元,適合于大尺度的宏觀格局分區。該方法可以集成已有研究成果和專家經驗,體現水生態功能的宏觀規律性。三級分區采用“自下而上”的分區方法,主要基于生態系統結構的分類指標,并根據各指標反映的水生態功能信息對其進行篩選,通過空間聚類獲得分區結果[39]。

5 結論

海河流域共劃分了6個一級區、16個二級區、73個三級區,充分考慮了陸地自然要素和人類活動的影響,體現了水生態功能管理的“分區”、“分級”、“分類”、“分期”目標。一級二級區基于宏觀自然要素的識別,為區域規劃與分區管理提供基礎生態背景,可以為土地利用規劃與調控、水資源空間調配與合理利用等提供科學支撐。三級區可以應用于中小尺度的環境管理,包括為區域社會經濟一體化發展提供科學依據,為基于分區單元的環境污染負荷確定、產業結構布局與區域協調等服務。后續可以據此對河段進行精細化管理,根據區域水生態目標、水生生物保護物種等提出具體的管理措施。

本研究存在進一步改進空間,最終的73個分區中,有4個分區沒有較大的地表水系,分區結果僅是反映了陸地生態系統對于水生態系統的潛在影響。這在具體的水生態管理實踐中需要明確潛在影響和現實影響,從而制定更加針對性和科學的管理策略。

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