一種森林流域生態(tài)系統(tǒng)管理與評價的新技術(shù)——NetMap簡介

及 瑩，蔡體久，琚存勇

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040)

生態(tài)評價并不是一個全新的研究課題［1］。我國首次以生態(tài)系統(tǒng)為單位進(jìn)行評估源于20世紀(jì)80年代初開始的森林資源價值核算研究工作［2］。目前我國生態(tài)系統(tǒng)評估的研究重點(diǎn)多是將森林和流域生態(tài)系統(tǒng)分別進(jìn)行評估，對森林生態(tài)系統(tǒng)的評估主要是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值［3－6］和生態(tài)功能評估［7－11］。目前對流域的生態(tài)環(huán)境健康評價主要集中在對河流水質(zhì)的監(jiān)測，對流域水資源的物理特征和生態(tài)特征的研究還不多。水域生態(tài)系統(tǒng)評估研究重點(diǎn)主要是從水質(zhì)理化參數(shù)、生物指標(biāo)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、水文特征和河濱植被帶狀態(tài)與功能5個方面進(jìn)行評估［12］，很少從系統(tǒng)和綜合的角度審視河流狀況［13］。雖然兩種生態(tài)系統(tǒng)的評估都取得了一些成果，然而將兩種生態(tài)系統(tǒng)分開評估不能真正體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中各個過程與功能的耦合性及復(fù)雜性。水文循環(huán)是全球自然過程中的重要組成部分，推動著生物圈物質(zhì)和能量的交換和傳遞，其中陸地水文循環(huán)過程是在一定的自然地理單元——流域中進(jìn)行的，流域內(nèi)高地、河岸帶植被變化 (采伐、自然演替、火燒等)必然對流域水資源從質(zhì)與量兩個方面帶來深刻的影響，因此把水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)合起來，將森林流域生態(tài)系統(tǒng)作為一個有機(jī)單元來進(jìn)行綜合的分析與評價在理論及實(shí)踐上都是十分必要的［14］。目前我國流域管理的指導(dǎo)思想是以行政區(qū)為單位進(jìn)行管理，違背了流域管理以自然流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行統(tǒng)一管理的思想。各主管部門從自身利益出發(fā)，無法做到對流域的統(tǒng)籌規(guī)劃和管理，導(dǎo)致水資源效益次優(yōu)化［15］。

國外以流域?yàn)閱挝坏脑u價體系主要有:以流域水質(zhì)評價為核心內(nèi)容的評價體系、以流域土地利用方式為核心內(nèi)容的評價體系、壓力－狀態(tài)－響應(yīng)評價體系、自然條件限制因子－流域生態(tài)健康指示因子－人類活動影響因子評價體系和生物因素－非生物因素評價體系［16－17］。這些流域生態(tài)系統(tǒng)的評價體系雖然或多或少地注意到陸地生態(tài)系統(tǒng)對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，但評價內(nèi)容主要是生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)，指標(biāo)的選取由于各自研究的側(cè)重點(diǎn)或技術(shù)局限性而有所不同，或偏重于物理化學(xué)方面的指標(biāo)，或偏重于生態(tài)指標(biāo)，或偏重于社會經(jīng)濟(jì)、人類健康指標(biāo)［18］，而沒有實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價。

美國加利福尼亞地理信息研究所研發(fā)的用于流域水文科學(xué)和資源管理的技術(shù)系統(tǒng)NetMap，綜合了多個數(shù)值模型和分析方法，是目前為止發(fā)展最完整的流域生態(tài)系統(tǒng)管理與評價系統(tǒng)，目前已經(jīng)在美國本土、俄羅斯和西班牙等地得到了推廣應(yīng)用。它將森林流域看作一個完整的生態(tài)單元，研究其結(jié)構(gòu)與功能之間的互動關(guān)系。在地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從流域角度出發(fā)，通過地形地貌、植被覆蓋、土地利用方式變化、林火風(fēng)險和侵蝕潛在性等方面綜合評價森林流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，從而增加了生態(tài)系統(tǒng)評估的時空性和動態(tài)過程。

1 NetMap原理

地形、地質(zhì)條件對河流的走向、流程和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征等起著制約作用。河道彎曲程度、溝谷與漫灘的相間分布頻率、有無支流匯入等不同的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征形成了多種多樣的景觀斑塊和水生生物棲息地類型［19－20］，并且棲息地類型的空間分異無論是在溪流還是流域尺度上都會發(fā)生［21］。河流的水文特征也是多方面因素綜合作用的結(jié)果，例如，河流的含沙量，既受土質(zhì)狀況、植被覆蓋情況的影響，又受氣候因素的影響。正是這些要素之間不斷的相互作用，使得流域結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能總是處于動態(tài)變化之中［22－23］。NetMap利用數(shù)字高程模型 (DEM)中提供的地形信息和其他相關(guān)參數(shù)，建立流域內(nèi)行政單元、景觀單元、小流域和柵格等不同尺度下河流棲息地與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，分析自然或人為干擾對棲息地變化的定量影響，包括地形和侵蝕對河道棲息地形成的調(diào)控，河網(wǎng)、河谷和河道形態(tài)對棲息地空間分布與空間差異的影響，干擾在棲息地形成過程中的作用等［24］。

NetMap系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以劃分為參數(shù)輸入，計算和數(shù)據(jù)輸出3個部分，3個部分之間通過用戶界面進(jìn)行交互。在數(shù)據(jù)輸入部分，主要可以通過用戶界面輸入基礎(chǔ)參數(shù) (見表1)，軟件計算部分自動進(jìn)行流域分析，生成另外30個與自然資源管理相關(guān)的參數(shù)，輸出結(jié)果主要包括河道分類，河道干擾潛在性，泥沙輸移，核心棲息地，生境多樣性，侵蝕潛在性，道路，侵蝕風(fēng)險和敏感棲息地的疊加分析以及子流域聚類屬性 (subbasin－aggregated attributes)等。

表1 NetMap 基礎(chǔ)參數(shù)［23］Tab.1 Basic parameters in NetMap［23］

2 NetMap功能

NetMap可以根據(jù)數(shù)字高程模型 (DEM)和其他參數(shù)預(yù)制25種地形屬性圖層。包括侵蝕潛在性、林火風(fēng)險等級、水生棲息地分布、道路密度、支流注入點(diǎn)和火后泥石流 (侵蝕溝)可能性等，并通過圖層之間的疊加分析產(chǎn)生綜合的評估結(jié)果。概括地講，Netmap可以實(shí)現(xiàn)以下功能 (如圖1所示)。

圖1 NetMap功能圖解Fig.1 Overview of NetMap functions

2.1 評估功能

區(qū)別于之前的流域生態(tài)系統(tǒng)評價多是靜態(tài)評價而且受空間范圍的影響，NetMap充分挖掘DEM提供的地形信息，如坡度、坡向、坡面形態(tài)、流域邊界和水流路徑等［23，25］，通過模擬其中某個參數(shù)變化對流域生態(tài)水文過程的影響，定量評價各種干擾模式引起森林流域生態(tài)系統(tǒng)功能的變化規(guī)律。

2.1.1 評估水生棲息地優(yōu)劣

棲息地通常指某種生物或某個生態(tài)群體生存繁衍的地域或環(huán)境類型［26］。廣義上講，棲息地概念中不但包括了生物的地理生存空間，同時也包括了生存空間中全部環(huán)境因子，如氣候和河流等［27］。由于流域水平 (watershed level)上的空間異質(zhì)性特點(diǎn)，部分棲息地環(huán)境更適宜于某些物種的生存，這主要決定于河床坡度、河谷地形、支流匯流、河流縱比降及其他因素。NetMap的“棲息地創(chuàng)建(Habitat creator)”功能通過大尺度流域地形圖識別水生棲息地的異質(zhì)分布狀態(tài)。得出的棲息地指數(shù)包括:①棲息地質(zhì)量 (通過河岸植被狀態(tài)、水土流失及道橋等人為干擾評價棲息地的環(huán)境質(zhì)量);②生物熱點(diǎn)區(qū)域;③核心區(qū);④生境多樣性。

2.1.2 評估侵蝕潛在風(fēng)險和泥沙輸移過程

NetMap包含可以搜索泥石流和相應(yīng)深層滑坡區(qū)域地形的模塊。侵蝕預(yù)測功能可以預(yù)測沉積物的走向，包括累積沉積物輸移至下游的數(shù)量。沉積物功能可以根據(jù)河流功率除以泥沙輸移量所得值預(yù)測泥石流發(fā)生的潛在區(qū)域。加上匯流處的影響可以為沉積物環(huán)境提供信息。河流功率 (底部)除以支流沉積物量與干流沉積物量的比值可以推測出支流如何影響干流的形態(tài)。NetMap同時能夠?qū)⒊练e物供給率與河流功率比較，分析沉積物是如何分布于下游河網(wǎng)。

2.1.3 景觀尺度下流域比較分析功能

大尺度景觀研究，通常按照子流域或水域數(shù)量對其環(huán)境屬性進(jìn)行分層?，F(xiàn)階段我國景觀尺度流域研究很少，主要是缺少連續(xù)的地形數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計算機(jī)軟件。就尋找高侵蝕可能性和脆弱棲息地的交叉區(qū)域而言，傳統(tǒng)的方法是首先要運(yùn)行計算機(jī)模型預(yù)測特殊地形屬性，然后用數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行累計分布功能分析，建立排序標(biāo)準(zhǔn)，得出表格樣式的輸出結(jié)果和圖層。NetMap可以簡化這些工作，當(dāng)搜索引擎定位于所選流域，可以創(chuàng)建出動態(tài)的流域?qū)傩詤?shù)的分布格局。輸出結(jié)果會以表格和圖形的方式呈現(xiàn)出來。例如，山坡侵蝕潛在性與敏感的魚類棲息地相比較，可以支持景觀尺度下土地利用的規(guī)劃，減少敏感魚類棲息地河岸帶森林的采伐。Net-Map數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)千平方公里景觀范圍內(nèi)的強(qiáng)大搜索、分類、排序和劃分流域或河道屬性的功能。

2.2 管理功能

人類活動是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要影響因素［25］，即使是遠(yuǎn)離城市的森林流域生態(tài)系統(tǒng)也常因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或林業(yè)采伐等干擾而受到影響。所以林業(yè)管理決策決定著森林流域的可持續(xù)發(fā)展前景。世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)的河流和林業(yè)管理通常都基于費(fèi)時耗力且主觀因素較大的踏查測量活動，很難發(fā)現(xiàn)從而忽略了生態(tài)環(huán)境時空分布異質(zhì)性的特點(diǎn)。事實(shí)上，流域范圍內(nèi)，并不是所有的森林都適合采伐，林火發(fā)生的幾率也不一樣，從而引起不同的土壤侵蝕現(xiàn)象，再者不同的支流匯入處可能是重要程度各異的水生棲息地。管理策略中忽略這些空間異質(zhì)性，就會造成一些不必要的損失。NetMap與現(xiàn)有河流和林業(yè)研究中的“一刀切”方案不同，因地制宜，根據(jù)流域分布的異質(zhì)性特征采取不同的管理策略，使森林流域充分發(fā)揮服務(wù)功能和生態(tài)功能。

NetMap軟件支持多領(lǐng)域的流域管理，可為魚類棲息地管理、林業(yè)的火前和火后規(guī)劃、森林恢復(fù)與保護(hù)以及氣候變化動態(tài)研究等提供非常有價值的信息。

2.2.1 水生棲息地界定

河流中的淺灘和深潭的水深、流速及含氧量等的不同，構(gòu)成了生境的多樣性［26］。NetMap基于地形數(shù)據(jù)的分析，可以界定不同河段的生態(tài)條件，結(jié)合生物習(xí)性找出某些生物的分布區(qū)。例如，在棲息地潛力模型中河道縱比降就常用于識別銀鮭魚(Oncorhynchus kisutch)和虹鱒(Oncorhynchus mykiss)的棲息地［24］，因?yàn)楹琪V和山鱒(Oncorhynchus clarki)更喜歡棲息在地形陡峭，河道縱比降大的河源地區(qū)。

2.2.2 林業(yè)規(guī)劃

利用NetMap相關(guān)參數(shù)和自動分析工具可以鑒別棲息地形成過程中環(huán)境的變異，搜索流域內(nèi)那些脆弱地帶或生產(chǎn)力較高的地區(qū)，為林業(yè)管理決策的制定提供多視角的信息。例如，那些寬的河岸帶緩沖區(qū)通常會是一些生物聚居的熱點(diǎn)，而相對狹窄的河岸帶則生物棲息地少而生產(chǎn)力小。林業(yè)管理者要是認(rèn)識到河源地區(qū)或沉積物富集地區(qū)容易發(fā)生泥石流，就可以限制該地區(qū)的木材采伐與道路修建，相反，可以將采伐區(qū)選在地質(zhì)土壤條件穩(wěn)定的區(qū)域。

林火會因發(fā)生地的地形和植被的異質(zhì)性而對生態(tài)系統(tǒng)有不同的影響。NetMap通過對火險等級的計算以及與侵蝕概率圖層疊加分析，能夠發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)過后可能會發(fā)生次生災(zāi)害如泥石流和溝蝕的地區(qū)，并根據(jù)它們可能發(fā)生災(zāi)害的嚴(yán)重程度排序，確定最需要修復(fù)和保護(hù)的區(qū)域，從而最先開展修復(fù)工作，節(jié)省有限的開支和時間。根據(jù)火險分布圖，林業(yè)經(jīng)營管理者可以定期清理可燃物以防止林火的發(fā)生等。

2.2.3 監(jiān)測功能

Netmap根據(jù)數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫劃分侵蝕作用和沉積作用的范圍，這可為設(shè)定河流水文監(jiān)測站點(diǎn)的位置提供參考。例如，支流匯入的地方和河岸山坡易發(fā)生侵蝕流失的河段，沉積作用相對突出，此處的水質(zhì)狀況就不能代表整個流域，不宜設(shè)作流域斷面水質(zhì)監(jiān)測點(diǎn)。另外NetMap中的“創(chuàng)建河槽干擾指數(shù)”工具也可以用于確定合適的監(jiān)測點(diǎn)位置。

總之，NetMap系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，方便使用者快速便捷的查找數(shù)以萬計的流域數(shù)據(jù)，并可以展開不同尺度之間的流域特征對比研究，充分尊重流域生態(tài)系統(tǒng)上下游的生態(tài)完整性，對于流域或區(qū)域尺度的生態(tài)綜合評價具有重要意義。同時，NetMap系統(tǒng)適用于多領(lǐng)域管理工作，可以為水利、漁業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等多部門提供非常有價值的實(shí)用信息，限于篇幅在此不一一列舉。

3 前景展望

目前，我國還沒有真正樹立流域管理的思想，而是把一個完整的流域在行政上人為的分開，行動上無法做到統(tǒng)一協(xié)調(diào)，違背了以自然流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行統(tǒng)一管理的思想［15］。

流域生態(tài)系統(tǒng)評估體系所側(cè)重的科學(xué)問題同樣是多方面的。例如，水文特征、自然干擾、生物指標(biāo)、河岸植被帶變化和地質(zhì)地貌等，并且很少能真正支持管理機(jī)構(gòu)決策的信息，多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)研究的階段。迄今為止，國內(nèi)還沒有一個可以實(shí)現(xiàn)大尺度綜合評價流域生態(tài)系統(tǒng)的評價體系。相比較而言NetMap是一種低成本、高價值的森林流域生態(tài)系統(tǒng)評估和管理軟件，它強(qiáng)調(diào)空間關(guān)系、多要素綜合分析和動態(tài)預(yù)測能力，其分析結(jié)果具有共享性、客觀性和區(qū)域分布性，提供了一種生態(tài)系統(tǒng)評估和管理森林流域生態(tài)系統(tǒng)的新視角?？梢詾榕c地理信息相關(guān)的不同行業(yè)、不同管理機(jī)構(gòu)的日常管理和科學(xué)研究提供有價值的信息和建議，幫助政府部門制定因地制宜的管理方法，把流域管理作為水資源利用與保護(hù)的主要途徑，做到水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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