長江中游荊南三口河網地區生態系統健康評價

李靜芝, 閆 雪, 李景保

(1.長沙理工大學 建筑學院, 長沙 410076;2. 洞庭湖水環境治理與生態修復湖南省重點實驗室，長沙 410114; 3.中國科學院 新疆生態與地理研究所,烏魯木齊 830011; 4.中國科學院大學, 北京100049; 5.湖南師范大學 資源與環境科學學院, 長沙 410081)

復雜水系構成的河網地區是調節徑流、涵養水源、凈化水質和維持區域生態平衡的重要地理單元，長期以來也是人類社會發展與自然生態保護之間的矛盾沖突集中體[1]。隨著人口的增多和社會經濟發展，人類對自然界的一系列開發利用活動已導致了嚴重的生態環境問題，因此，對河網地區生態系統健康評價尤其重要，它不僅可以為自然環境綜合治理提供依據，更能進一步促進地區生態與社會經濟的可持續發展[2]。

目前，學術界對于生態系統健康并沒有明確定義，早期的觀點普遍認為健康的生態系統應能夠保持自身穩定，并對外界干擾具有一定恢復力[3]，相關學者指出健康的生態系統應具有可持續性[4]，健康狀況可以通過系統對外界的平衡恢復能力、組織結構多樣性和新陳代謝活力3個方面進行衡量[5]，這些觀點均側重于生態系統自身；加拿大學者Rapport后又指出人類活動與生態系統之間存在相互反饋，因此應綜合考慮生態系統自身的健康狀態及其對人類的服務功能[6-7]。我國學者在總結各種有關生態系統健康的理解后提出：生態系統健康是指系統自身組分完整，系統內物質循環和能量流動穩定且對外界擾動能保持彈性和穩定性，整體功能復雜多樣并具備一定活力，其發展的最終結果是生態整合性[8]，“健康”意味著社會—經濟—自然復合生態系統整體健康，應將社會經濟健康和人類健康兩方面因素同時考慮在內[9]，目前這種定義被更廣泛地接受。因此，總體上可以認為健康的生態系統應該具備自身完整功能，能夠自我維持和更新并且與人類社會經濟發展相協調。

生態系統健康評價方法一般包括指示物種法和指標體系法，指示物種法操作簡單，但具有很大局限性，難以全面反映生態系統健康狀況[10]，而指標體系法因其較強的綜合性和全面性目前被廣泛應用。作為生態系統健康研究先行者的美國，已建立了較為全面的評價指標體系，并在實踐中進行推廣，為水質改善和生態恢復提供了有力支持[11]。我國在相關領域的研究仍處于探索階段，但部分學者結合PSR法、熵權綜合指數法、層次分析法、生物膜方法、模糊數學方法等已構建了涉及流域[12-14]、河口[15]、湖泊[16]、城市[17-18]等生態系統的健康評價指標體系，并對生態系統健康狀況進行分析。

洞庭湖是我國第二大淡水湖泊，也是長江中下游最大的調蓄湖泊，對長江中下游地區調蓄洪水、維持水沙平衡、保護生物多樣性等發揮著重要作用。荊南三口河網地區作為長江與洞庭湖之間的紐帶，近幾十年來，受氣候變化和人類活動影響，江湖關系改變，該地區環境問題也逐漸顯現[19]。自然生態狀況破壞必將影響到洞庭湖區的可持續發展。因此，本文應用系統性較強和評價結果清晰的模糊數學方法，基于可獲得數據從行政區域尺度出發對三口河網地區生態系統進行健康評價，使評價結果更易為公眾感知，并以期為改善該地區生態系統健康狀況，優化和提升荊南三口河網地區生態系統功能提供依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區概況

洞庭湖北面松滋、太平、藕池三口及其分泄長江來流進入洞庭湖的河道所組成的復雜河網地區，其中以常德市的安鄉縣、益陽市的南縣、岳陽市的華容縣為核心區域，本文以此三縣作為主要研究對象(圖1)。該地區總面積3 758 km2，2015年末總人口為199.9萬人，其中城鎮人口84.91萬人，城市化率為42.48%；地區生產總值634.88億元，比上年增長7.06%，二三產業增加值486.2億元，占地區生產總值的76.58%。

圖1 荊南三口河網地區示意圖

荊南三口河網地區為北亞熱帶季風濕潤氣候，氣候溫和，雨量充沛，多年年平均降水量1 259.5 mm (1959—2010年)，同時溫差大、日照長，多年平均蒸發量1 208.7 mm(1959—2010年)。長期以來該地區都因較好的土壤條件作為湖南省乃至全國重要的商品糧、棉、油、魚生產基地，工業發展迅速，逐漸形成以紡織、化工、食品、造紙、建材工業等為特色的工業體系，在自然條件變化和人類活動的雙重影響下，該地區河流斷流、水資源過度開發等一系列生態環境問題逐漸顯露。

1.2 研究方法

1.2.1 構建指標體系 依據整體性、目標性、動態與靜態相結合、實用性和可操作性的原則，根據生態系統健康內涵，結合荊南三口河網地區自身特點，構建了以自然生態條件、資源利用與環境保護、社會經濟發展為出發點，包含23項評價指標的生態系統健康評價指標體系(表1)。生態系統整體的健康狀況往往是多因素共同作用的結果，為了避免評價指標權重主觀性過強進而對結果造成偏差，本文引入熵權法[20]與層次分析法相結合[21]確定指標權重。計算結果(表1)顯示：權重值大于或接近0.05的指標有人均水資源占有量、年均降水量、森林覆蓋率、水旱災害成災率、河流斷流幾率、水資源開發利用率，說明以上指標是影響荊南三口河網地區生態系統健康狀況的關鍵因子。

表1 指標體系及權重

1.2.2 模糊評價

(1) 評判標準制定。借鑒國家或國際標準、國家及地方發展目標、該領域相關研究成果[21-23]，根據指標的優良狀況及可持續發展能力，將指標狀態劃分為“病態”、“亞病態”、“一般健康”、“亞健康”、“健康”5個等級，評判標準詳見表2。

(2) 隸屬度矩陣的確定。模糊綜合評判中，需要建立隸屬度矩陣從而確定評價目標的等級隸屬情況。根據不同指標自身性質，本文針對正程和逆程兩種指標分別建立升半梯形和降半梯形隸屬函數，為了使指標隸屬度在各個等級平滑過渡，這里對其進行模糊化處理：對于實際值處于病態或健康狀態的指標，則令其距離臨界值越遠隸屬于該等級的概率越高，當實際值等于臨界值時，則在該等級的隸屬指數為0.5；對于實際值處于中間3個等級的指標，當實際值為等級區間中點值時，令其隸屬指數為1，當實際值為區間兩側邊緣點時，隸屬指數為0.5，中間點向兩側按線形規律遞減。設第i項指標的樣本值為xi，通過上述隸屬函數求得的結果就構成了i個評價指標相對于各健康級別隸屬度的模糊關系判斷矩陣：

(1)

(3) 結果向量計算。由于指標體系為多層級，為了更好地反映荊南三口河網地區生態系統健康狀況，本文采用模糊綜合評判法中的多級模型進行評價，即從指標層開始，采用M(-,+)算法模型逐級向上進行各層權重與隸屬矩陣的復合計算，最終得到評價對象的模糊綜合評判隸屬向量,計算公式為：

X=W·R=[W1，W2，…，Wm]·

(2)

式中：X為評價對象的模糊綜合評判隸屬向量；W為

權重矩陣；R為隸屬度矩陣；m為參與賦權的要素個數。根據最大隸屬度原則，取隸屬指數最大值對應等級作為洞庭湖荊南三口河網地區生態系統健康等級。

(4) 指數值計算。根據指標層和要素層的隸屬情況，對不同的健康等級賦予一定的分值：病態(0.2)、亞病態(0.4)、一般健康(0.8)、亞健康(0.8)、健康(0.9)。采用公式：

(3)

式中：E為生態系統健康模糊評價得分值(0≤E≤1)，各等級評分范圍見表3；Fn為不同健康等級對應的分值；xn為評價對象在不同健康等級的隸屬指數；n為等級數。

表2 荊南三口河網地區生態系統健康評價指標評分標準

注：① 參照聯合國公認標準(例如國際公認缺水標準、澇災害等級劃分標準、濕潤區、半濕潤區、干旱區、半干旱區劃分標準；發展中國家人均建設用地標準)；② 參照相關規劃實施細則，如《湖南省用水定額》(DB43T388—2014)、《全國水資源規劃技術細節》；③ 參照國內相關文獻的研究成果；④ 參照國家標準，如《氣象干旱等級》(GB/T20481—2006)、《城市園林綠化評價標準》(GB50563—2010)等；⑤ 參照《國家生態園林城市分級考核標準》；⑥ 參照國家及地方政府規劃文本及發展研究，“十二五”規劃、“十三五”規劃、中國首部《社會管理藍皮書——中國社會管理創新報告》；⑦ 參照《生態縣、生態市、生態省建設指標(修訂稿)》標準、國家衛生縣城標準、《國家環境保護模范城市考核指標及其實施細則(第六階段)》；⑧ 參照湖南省內各區縣最優值及最低值、全國平均水平或世界各國現狀水平。

表3 荊南三口河網地區生態系統健康等級及標準

資料序列長度為2001—2014年，其中水文泥沙數據來自于長江泥沙公報、湖南省水資源公報、常德市水資源公報、岳陽市水資源公報、益陽市水資源公報，社會經濟數據來自湖南省2001—2015年統計年鑒以及各市縣國民經濟和社會發展統計公報。

2 結果與分析

2.1 評價結果

根據上述評價方法，對荊南三口河網地區2001—2014年各年份生態系統健康狀況進行計算，具體結果見表4。

2.2 典型年生態系統健康狀況分析

評價結果顯示，2014年洞庭湖荊南三口河網地區生態系統健康綜合得分為0.684，尚處于一般健康狀態較低水平。標準層中，得分最高社會經濟發展健康水平，為0.812，隸屬于亞健康狀態；其次為資源利用與環境保護健康水平，為0.737，隸屬于一般健康狀態，自然生態條件健康水平最低，僅為0.586，隸屬于亞病態，脆弱的自然生態條件是該地區生態系統健康發展的制約因素。具體指標中，得分最高的是自然生態條件下的人均耕地面積，為0.90，隸屬于健康狀態，其他健康狀態較好的指標以資源利用與環境保護和社會經濟與發展下屬的指標居多；得分最低的是人均建設用地面積和森林覆蓋率，評分值分別為0.20，0.23，隸屬于病態。

表4 2001-2014年荊南三口河網地區生態系統健康狀況得分

荊南三口河網地區以客水為水資源的主要補給，但水資源年內分配不均，降水量的60%～70%以及長江三口入湖水量幾乎全部集中在汛期(4—9月)，豐水期洪澇災害頻繁，枯水期干旱缺水，特別是三峽水庫蓄水運行后，長江來水減少而湖水流出加快，加劇了夏秋連旱或冬春連旱的發生。水文的變化對輸沙量減少也造成了一定影響，而水沙環境是流域的重要組成部分以及污染物的主要載體，三口河網地區自然條件較弱與水沙情況不佳有很大關系。2014年長江三口入境水量553.6億m3，比多年平均偏少40.0%。當年水旱災害成災率為23%，評分為0.37；年輸沙量406.94萬t，評分為0.51；河流斷流幾率為48.55%，評分為0.46，均處于亞病態。

2014年該地區在環保投資、節約資源以及降低環境污染方面基本表現較好(圖2)，但水資源開發利用率得分較低(0.4)。國際上一般認為對一條河流的開發利用不能超過其水資源量的40%，而2014年三口河網地區水資源開發率高達47.5%，遠超這一閾值，說明過高的水資源開發利用率制約了該地區資源利用與環境保護方面的健康發展。

此外，盡管荊南三口河網地區社會經濟發展狀況相對較好，已經形成了食品、紡織、機械等支柱產業，規模工業產值不斷增加，并積極推動工業園區體制機制改革，經濟穩步發展，社會基礎服務體系逐步完善。但是，該地區城鎮居民收入偏低，2014年人均收入20 298元，相較于湖南省26 570元的平均水平低23.6%。

2.3 生態系統健康水平年際變化特征

(1) 生態系統健康水平波動提升。2001—2014年荊南三口河網地區生態系統健康狀態在亞病態與一般健康之間波動變化，但整體狀況趨好，這主要得益于該地區資源利用、環境保護及社會經濟發展水平的不斷提高。其中自然生態健康指數與生態系統健康綜合指數波動態勢基本吻合(圖3)，由此可知引起荊南三口河網地區生態系統健康狀況出現波動的主要原因為自然生態環境的變化。因此，協調好該地區自然生態環境與社會經濟發展之間的關系，在保護好生態環境的同時合理高效利用自然資源，是提升該地區生態系統健康水平的根本途徑。

圖2 2014年生態系統各指標隸屬度及分值

圖3 2001-2014年各標準層及生態系統綜合健康隸屬狀況及指數值變化

(2) 自然生態條件長期處于波動狀態，降水和水文的變化是關鍵影響因素。該地區產水系數歷年來均在0.45～0.5左右，區域降水和分泄長江來水是該地區水資源的重要補給來源，也是影響河流斷流、輸沙量減少的關鍵因素(2001—2014年三口河網地區產水系數、長江來水量及年輸沙量見表5)。三峽工程建成以來，三口分流分沙呈減少趨勢，1959—2000年長江三口入境水量平均值為922.67億m3，工程運行后歷年均值僅為482.8億m3。河流斷流幾率增加、輸沙量減少，這些因素的綜合作用在一定程度上制約了該地區自然生態系統健康發展。數據顯示2007年自然生態指數得分為0.472，處于亞病態，是2001—2010年10年間的最低值。與自然生態條件同樣處于亞病態的2006年相比當年河流斷流幾率、年輸沙量以及建成區綠化覆蓋率略優(2007年這三項數值分別為45.37%，1 329.90萬t，31.1%；2006年分別為55.61%，162.03萬t，30.9%)，但降水量較少(2007年為1 035 mm；2006年為1 250 mm)，水旱災成災率較高(2007年為27%；2006年為16%)，可見降水和水文對于自然生態健康影響作用之大。同樣，2011年三口河網地區年均降水量僅為893.33 mm(病態)，比2010年減少了44%，遠低于2001—2014年的平均值1 353.54 mm，人均水資源占有量為667.65 m3/a(亞病態)，比2010年減少45%，水旱災成災率高達31.1%(病態)，輸沙量也僅為148.402萬t，處于亞病態，遠低于2001—2014年的平均值1 463.53萬t，當年自然生態指數得分為0.405，處于病態和亞病態的臨界點處，是2010年以后分值最低的一年。

(3) 資源利用與環境保護發展勢頭較好，但水資源開發利用率過高。近14 a來荊南三口河網地區在環保投資、節能降耗等方面穩步提升，污水處理率2001年僅為31.88%，到2014年達到87.43%；水田實灌平均用水量由2001年為9 664.1 m3/hm2減少到2014年的6 289.8 m3/hm2；水利、環境和公共設施管理業投資占GDP比也由2001年的0.48%增長到2014年的9.43%；單位GDP能耗由2001年的1.638降低到2014年的0.637(根據《節能減排“十二五”規劃》，到2015年全國萬元國內生產總值能耗應下降到0.869 t標準煤，以此為標準，荊南三口河網地區已經達到要求)。同時，公共生態用水占比情況從病態提升到健康狀態，其他3項指標均從病態提升到一般健康與亞健康臨界處，資源利用與環境保護狀況逐步改善。

表5 2001-2014年三口河網地區產水系數、長江來水量及年輸沙量

雖然近年來相關部門對該地區生態環境建設非常重視，但仍存在一些問題。一直以來該地區總用水量穩定在10億m3左右，其中2001—2014年用水量均值為9.87億m3，人均用水量481.39 m3，高于湖南省均值471.21 m3，可見水資源開發利用率較高且開發利用率與該地區水資源量大小密切相關。該地區雖河網密布，但近年來三口河道淤積與三峽水利樞紐的運行使得三口分流銳減，然而該地區長期以來水資源開發利用率偏高，資源性缺水日益突出，加之區內血吸蟲有死灰復燃的趨勢，這些因素共同作用下造成資源性、水質性、工程性等復合型缺水。荊南三口河網地區長期以來都是湖南省重要的農產品基地，人均耕地資源相對充裕雖然對區域生態系統整體而言具有突出的正面效應，但耕地面積范圍廣必然提出較高的用水要求，而該區域極低的森林覆蓋率，對水源涵養及水土保持帶來的負面影響，疊加三峽工程運行后水資源補給銳減、河流淤積斷流等問題，必然使得區域水資源供給面臨巨大壓力。因此，應進一步做好水資源開發利用和優化配置工作，優先保護飲用水源，加強植樹造林，減少水土流失；充分挖掘現有工程潛力，針對區域內部實際情況對原提灌泵站機電設備進行改造，提高水泵揚程；建設平原水庫，提高區域蓄水能力；增建引水工程，通過疏挖進口河段，降低通流水位，從而增加枯水季節長江來水；推動各行業、部門結合技術改造和產品更新換代提高節水水平，工程措施、生態措施及管理措施并舉，不斷提高區域水資源保障能力和用水效益。

(4) 社會經濟發展水平穩步提升，城鄉收入差距依然偏大。2001年該地區社會經濟發展指數得分為0.357，處于病態；2005年得分為0.411，提升到亞病態；2009年進一步提高到0.651，步入一般健康水平；2014年得分為0.812，隸屬于亞健康狀態。14年來，該地區不斷推進產業優化和轉型，二三產業產值占比從2001年的54.2%增長到2014年的76.2%；華容、南縣、安鄉3縣平均生產總值和人均GDP分別從2001年的29.44億元和4 476.9元增長到2014年的197.67億元和29 617元。近年來荊南三口河網地區社會經濟發展成果顯著，社會基礎服務體系不斷完善，城鄉居民收入逐年增長，但城鎮居民人均可支配收入明顯低于湖南省平均水平，城鄉居民收入比總體處于輕微的波動遞減狀態，但其比值仍然高達1.89，城鄉二元化結構依然存在，城鎮建設用地粗放，人均建設用地面積遠高于湖南省平均水平。因此荊南三口河網地區城市化質量還有待提升，政府相關部門應該妥善處理好城鄉生產要素的流動關系，提高人民生活質量，縮小城鄉差距，使生態系統整體健康可持續運轉。

3 結論與討論

基于生態系統健康的內涵，運用模糊綜合評判法對2001—2014年長江中游荊南三口河網地區生態系統健康狀況進行評價分析，研究發現：2001年以來荊南三口河網地區生態系統健康水平呈波動上升趨勢，指數值由2001年的0.423提高到2014年的0.684，健康狀態由亞病態發展到一般健康狀態。但各要素發展不均衡，資源利用與環境保護和社會經濟發展水平顯著提升，健康指數分別由2001年的0.284，0.357提高到2014年的0.737，0.812，由病態分別發展到一般健康和亞健康狀態；受區域降水和長江來水雙重影響，荊南三口河網地區水文水資源情勢復雜，其年均降水量、人均水資源占有量、河流斷流幾率均有較大起伏波動，三峽水庫運行后(2003—2014年)水旱災害成災率有所下降，但年輸沙量大幅銳減，這些因素綜合作用下自然生態健康指數長期在0.6上下波動，健康狀態在亞病態和一般健康之間交替變化，較弱的自然生態條件，尤其是水資源條件是關鍵性制約因素，應從科學合理開發及優化配置水資源、增強水資源保障能力著手，提高地區生態系統健康水平。

生態系統整體的健康狀況受諸多因素影響，且各因素之間關系錯綜復雜，本文從自然生態、資源利用與環境保護、社會經濟與發展三方面對構建生態系統健康評價指標體系，實證研究結構能夠較好地切合荊南三口河網地區生態系統發展的實際狀況，從而為地區社會經濟與自然生態環境協調發展提供有效依據。需要指出的是，由于部分統計資料難以獲得，本文建立的指標體系還有待完善，特別是水域面積、水系結構、水質以及生物多樣性方面的數據有待補充。此外，模糊綜合評判的結論的正確與否很大程度上取決于標準值確定的科學性，在合理界定標準值這個問題上還有待進一步探討。