大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能區(qū)劃研究*

馬冰然，馬安青，陳 爽，李正炎，王志凱

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266100）

水生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地球環(huán)境具有重要的調(diào)節(jié)功能，為生物提供棲息環(huán)境，同時(shí)與人類生存、發(fā)展關(guān)系密切。目前，流域水生態(tài)系統(tǒng)主要以各種分區(qū)為單元進(jìn)行管理，并且將自然資源按照生態(tài)系統(tǒng)功能進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃，制定保護(hù)和發(fā)展措施，已經(jīng)在科學(xué)上被廣泛接受。1967年，生態(tài)區(qū)的概念第一次出現(xiàn)［1］，這意味著研究從傳統(tǒng)的地理學(xué)分區(qū)邁入了生態(tài)學(xué)領(lǐng)域。諸多學(xué)者都曾在此領(lǐng)域開展過深入研究［2－4］，目前水生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)體系大體可以分為三種類型，第一類型是基于景觀要素的分區(qū)體系，如美國水生態(tài)分區(qū)［4］；第二類型是基于水生生物要素的分區(qū)體系，如世界淡水生態(tài)分區(qū)［5］；第三類型是基于價(jià)值判斷和功能的分區(qū)體系，如中國水功能區(qū)劃。美國生態(tài)學(xué)家Bailey于1976年提出了美國生態(tài)區(qū)域的等級(jí)概念，并繪制出一套美國生態(tài)區(qū)域圖［2］。McMahon等提出了美國范圍內(nèi)生態(tài)區(qū)劃的通用方案［6］。澳大利亞的學(xué)者用氣候（直接表現(xiàn)為降水量大小及其季節(jié)性）、地貌以及植被類型3個(gè)景觀要素指標(biāo)來反映水生態(tài)系統(tǒng)的自然差異性，從而將澳洲分成了多種生態(tài)區(qū)［7］。2000年，歐盟委員會(huì)提出了歐洲水框架指令，第一次全方面闡述了歐洲淡水生態(tài)系統(tǒng)的管理理念，并對(duì)不同水域給予了評(píng)價(jià)［8］。

在我國，各省根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)特征、生態(tài)服務(wù)功能的重要性、生態(tài)敏感性以及區(qū)域面臨的生態(tài)環(huán)境問題，將某一個(gè)特定的研究區(qū)域劃分為自然生態(tài)區(qū)、生態(tài)亞區(qū)和生態(tài)功能區(qū)3個(gè)等級(jí)單元，并且該項(xiàng)工作已經(jīng)初步完成。很多城市也對(duì)生態(tài)功能區(qū)劃進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，研究尺度開始拓展到流域?qū)用?，如趙銳峰等對(duì)塔里木河中下游河流廊道的分區(qū)研究，劃分了3大景觀生態(tài)功能類型區(qū)［9］。燕乃玲等對(duì)我國長江源區(qū)以流域生態(tài)系統(tǒng)單元為基礎(chǔ)進(jìn)行了生態(tài)功能區(qū)劃，共劃分了5個(gè)生態(tài)功能分區(qū)，為長江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)管理和保護(hù)提供了基礎(chǔ)框架［10］。但是，目前我國大部分重點(diǎn)流域還沒有進(jìn)行過此方面的研究，因此本文針對(duì)大遼河流域進(jìn)行的水生態(tài)功能區(qū)劃研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況及環(huán)境現(xiàn)狀

研究區(qū)域總體位于：40°40′N～41°10′N，121°50′E～122°40′E。渾河和太子河在海城三岔河匯合，之后稱為大遼河，自營口流入渤海遼東灣。大遼河流經(jīng)海城、盤山、大石橋、大洼、營口等縣市，穿行于遼河中下游區(qū)的近海地帶，沿岸屬于濱海與堆積平原。大遼河沿岸工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，城市的工業(yè)污水、生活污水和農(nóng)業(yè)的面源污染嚴(yán)重污染了河流和流域的土壤。作為河口型河流，2006年大遼河排入遼東灣污水1.35×109t［11］，渤海水域污染令人堪憂。近幾年來，雖然大遼河污染受到國內(nèi)外學(xué)者的重視并有轉(zhuǎn)好趨勢(shì)，但環(huán)境形勢(shì)仍十分嚴(yán)峻，需要政府和有關(guān)部門進(jìn)行長期的規(guī)劃與治理。

2 技術(shù)路線

本文根據(jù)流域濕地景觀變化分析、生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)、水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)，確定功能分區(qū)和分區(qū)依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，調(diào)查收集數(shù)據(jù)，識(shí)別主導(dǎo)水體類型、人類干擾特征，并結(jié)合水生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估內(nèi)容，進(jìn)行大遼河流域的水生態(tài)系統(tǒng)功能區(qū)劃。主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 大遼河流域水生態(tài)功能區(qū)劃研究技術(shù)路線圖Fig.1 The technology roadmap on function regionalization of water ecosystem for the liaohe drainage area

3 評(píng)價(jià)分析

3.1 大遼河流域濕地景觀格局變化分析

景觀空間格局是指大小和形狀不同的景觀斑塊在空間上的排列，景觀格局隨時(shí)間變化可以反映景觀生態(tài)過程［12］。大遼河流域濕地景觀類型面積隨時(shí)間的變化特征主要表現(xiàn)在：庫塘面積變化最顯著，擴(kuò)大的比例最大；赤堿蓬面積縮小最為明顯；蘆葦田面積變化最不穩(wěn)定；水稻田、養(yǎng)殖區(qū)、建筑用地和灘涂的面積則呈現(xiàn)出逐年增加的趨勢(shì)。濕地景觀類型的空間變化特征主要表現(xiàn)在自然濕地大量轉(zhuǎn)化為人工景觀或人工濕地，具體表現(xiàn)在轉(zhuǎn)化為建筑用地、水稻田、養(yǎng)殖區(qū)。斑塊的破碎度增大，分布分散，景觀的破碎化程度增強(qiáng)，說明人類活動(dòng)對(duì)濕地的干擾強(qiáng)度增強(qiáng)［13］。

3.2 大遼河流域生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)

生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境變化和人類活動(dòng)干擾的反映程度，在GIS的支持下，運(yùn)用層次分析法（AHP）［14－15］和模糊綜合評(píng)判［16］相結(jié)合的方法開發(fā)出GIS系統(tǒng)，得到大遼河流域生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)整個(gè)地區(qū)敏感等級(jí)為中度敏感和高度敏感。其中，高度敏感是主要的敏感類型，占總面積的69.62%，在全區(qū)除盤山縣外，5個(gè)縣市均有分布，其中盤錦市的東部、西南少數(shù)地區(qū)以及大石橋市的中部和南部少數(shù)地區(qū)的敏感度值最高；中度敏感的地區(qū)占總地區(qū)土地面積的份額相對(duì)較小，占總土地面積的30.38%，主要分布在盤山縣區(qū)，蓋州東南部分地區(qū)＊。

＊陳爽，王其翔，馬安青，等.基于GIS的大遼河口生態(tài)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版（in press）

3.3 大遼河流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評(píng)價(jià)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成和維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用。通過指標(biāo)體系評(píng)價(jià)［17］的方法，其評(píng)價(jià)結(jié)果為：重要性較高的區(qū)域主要分布在大遼河上游的牛莊鎮(zhèn)地區(qū)，中游的大洼縣、溝沿鎮(zhèn)、水源鎮(zhèn)、老邊區(qū)和大石橋市，這些地區(qū)的城鎮(zhèn)建筑用地較多，養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展較好，農(nóng)業(yè)發(fā)展程度比較高；功能等級(jí)最高的區(qū)域分布在大遼河的上游和下游入海口地區(qū)，這些地區(qū)分布有蘆葦、灘涂和沼澤，入海口地區(qū)更是分布有大量的養(yǎng)殖區(qū)并且靠近城市建筑區(qū)，多樣性維持功能、水環(huán)境及水文支持功能等都比較高。重要性較低的區(qū)域主要分布在大遼河上游的西北部沙嶺、壩墻子等地以及盤錦的西部和營口東部的感王鎮(zhèn)、虎莊鎮(zhèn)等地，這些地區(qū)旱地較多，土地利用類型較為簡單；功能等級(jí)為一般的區(qū)域主要分布在大遼河上游盤錦北部的新開鎮(zhèn)等地、中游地段的大洼縣的西部地區(qū)、營口市老邊區(qū)的北部以及營口市東部西柳鎮(zhèn)等。將水生生物多樣性維持功能、野生生物棲息地維持功能、濱岸帶支持功能、水環(huán)境支持功能和水文支持功能各個(gè)單項(xiàng)功能的指標(biāo)應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行了主成分分析，得到前3個(gè)單項(xiàng)功能指標(biāo)的解釋方差累積貢獻(xiàn)率大于85%，對(duì)整個(gè)大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能重要性影響最大，使整個(gè)研究區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)了較為明顯的差異［18］。

4 大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能區(qū)劃方法和技術(shù)

4.1 研究方法概述

生態(tài)功能區(qū)劃的最終結(jié)果是生態(tài)系統(tǒng)單元圖，由于區(qū)劃目的不同，采用的區(qū)劃方法也不盡相同，主要有以下幾種［19］：地理相關(guān)法、空間疊置法、景觀制圖法、定量分析法等。大遼河流域水生態(tài)功能區(qū)劃的研究采取了定性分區(qū)與定量分區(qū)相結(jié)合的方法，利用計(jì)算機(jī)圖形空間疊置法、相關(guān)分析法和專家集成的方法，依照生態(tài)功能分區(qū)的等級(jí)體系，運(yùn)用自下而上的劃分方法進(jìn)行分區(qū)劃界。自下而上的劃分方法是將具有相似性水生態(tài)系統(tǒng)功能的小流域聚合成為大的分區(qū)單元，通過水生生物、生境類型、水化學(xué)等河道內(nèi)指標(biāo)來識(shí)別水生態(tài)功能區(qū)。本文研究根據(jù)區(qū)域環(huán)境要素和水生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性特征，選取基于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類指標(biāo)，并根據(jù)各指標(biāo)反映的水生態(tài)功能信息，剔除一些信息量重復(fù)或相關(guān)度較大的指標(biāo)，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，在GIS支持下分別提取和計(jì)算各指標(biāo)的指數(shù)值，最后通過聚類分析獲得區(qū)劃結(jié)果。

4.2 水體類型識(shí)別

對(duì)小流域內(nèi)的主要水體類型進(jìn)行識(shí)別主要從3方面進(jìn)行判斷：鹽度值、河流彎曲度和河道寬度。鹽度值 根據(jù)鹽度值在樣區(qū)的分布特點(diǎn)以及咸淡水鹽度值的分異規(guī)律，表現(xiàn)為從三岔河向河口，鹽度呈遞增趨勢(shì)，在河口地區(qū)已經(jīng)接近為海水。

河流彎曲度 即河流的分維數(shù)＝河流總長度／河流的流域面積，具體計(jì)算步驟為：在ArcGIS9.3中將河流線狀圖層與整個(gè)研究區(qū)格網(wǎng)面狀矢量圖進(jìn)行疊加，在矢量格網(wǎng)圖層屬性信息中獲得每個(gè)格網(wǎng)分維信息，最后進(jìn)行歸并與綜合。

河道寬度 對(duì)照大遼河流域水系圖，以所有采樣點(diǎn)所在的橫截面長度的平均值作為大遼河干流的河道寬度，一級(jí)支流以起點(diǎn)、終點(diǎn)和中間點(diǎn)3點(diǎn)所在橫截面長度的平均值作為河流寬度，二級(jí)支流取每條河中間點(diǎn)橫截面長度作為河流寬度，三級(jí)以下河流寬度則以隨機(jī)采樣（樣點(diǎn)設(shè)20余條河流）平均值作為代表。以此獲得整個(gè)流域的河道寬度。利用ArcGIS9.3的圖層疊置功能，將河流寬度信息輸入到對(duì)應(yīng)位置格網(wǎng)中。

根據(jù)這3個(gè)方面的分布特點(diǎn)，將小流域單元進(jìn)行水體類型分析（見圖2）。

圖2 小流域水體類型圖Fig.2 The water body types of watershed units

4.3 人類干擾特征識(shí)別

根據(jù)2007年TM影像解譯得到大遼河流域土地利用圖，各土地利用類型對(duì)生態(tài)環(huán)境施加的消極影響程度，計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)單元的土地利用指數(shù)［21］，具體計(jì)算方法為：

式中：Lj為區(qū)域土地利用程度的綜合指數(shù)；Ai為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的分級(jí)指數(shù)，其中，各個(gè)類型土地利用的分級(jí)指數(shù)根據(jù)表1確定；Ci為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型的面積百分比，n為土地利用類型數(shù)量。

表1 各個(gè)類型土地利用的分級(jí)指數(shù)Table 1 The classification index of various types of land use

根據(jù)所計(jì)算的土地利用指數(shù)，劃分不同區(qū)域的土地利用的影響強(qiáng)度大小，如表2所示。

表2 土地利用指數(shù)的影響強(qiáng)度分級(jí)表Table 2 Impact strength grading of land use index

按照上述方法計(jì)算各個(gè)小流域單元的土地利用指數(shù)，得到人類干擾強(qiáng)度圖3所示。

圖3 人類干擾強(qiáng)度分布圖Fig.3 Distribution of human disturbance

4.4 水生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估

水生態(tài)功能重要性現(xiàn)狀評(píng)估采用指標(biāo)體系評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行，在選取指標(biāo)時(shí)，遵循主導(dǎo)性、差異性、綜合性和實(shí)用性，以及所需指標(biāo)的可獲取性等原則，建立水生態(tài)功能評(píng)估指標(biāo)體系（見表3）。建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系后，在對(duì)各單項(xiàng)生態(tài)功能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，廣泛征詢專家意見并且對(duì)大遼河口區(qū)域進(jìn)行調(diào)查分析。根據(jù)各個(gè)指標(biāo)在評(píng)價(jià)中的影響力差異以及該地區(qū)的實(shí)際情況，主要分三類人員進(jìn)行賦值：第一類為科研專家；第二類為研究區(qū)內(nèi)的管理人員；第三類為調(diào)查人員，最后用加權(quán)平均法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值。

表3 大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 3 Evaluation index system of water ecosystem functions in Liaohe valley

上述評(píng)估方法是建立在流域水生態(tài)系統(tǒng)特征現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，在評(píng)估過程中往往忽略了一些重要功能區(qū)以及人類對(duì)一些重要功能的期望目標(biāo)。因此，需要參照流域歷史狀況及功能重要性特征，對(duì)以現(xiàn)狀指標(biāo)為基礎(chǔ)的功能評(píng)估進(jìn)行適當(dāng)修正，以此得出能夠確定水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)目標(biāo)的水生態(tài)功能評(píng)價(jià)結(jié)果，有利于確定流域內(nèi)重要生態(tài)功能區(qū)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)及恢復(fù)措施，并以此確定流域水生態(tài)功能保護(hù)的目標(biāo)及制定正確的管理措施，修正技術(shù)路線見圖4。表3中5種功能評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)過加權(quán)賦分后，統(tǒng)一為介于0～10之間的值，在它們的基礎(chǔ)之上，采用求和的方法，計(jì)算水生態(tài)系統(tǒng)綜合指數(shù)。根據(jù)大遼河流域整個(gè)區(qū)域的實(shí)際生態(tài)特點(diǎn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，最終制定了表4中的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。利用ArcGIS9.3軟件中的空間疊加分析功能，將各單項(xiàng)功能矢量圖進(jìn)行綜合疊加，如圖5所示，得到大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能重要性評(píng)價(jià)圖。

表4 水生態(tài)系統(tǒng)功能綜合評(píng)估分級(jí)表Table 4 Grade assignment of the comprehensive evaluation of water ecosystem functions

圖4 大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能重要性評(píng)估修正技術(shù)路線Fig.4 The modified technology roadmap of water ecosystem functions regionalization for Liaohe drainage area

圖5 大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)價(jià)圖Fig.5 Evaluation of water ecosystem functions in Liaohe

5 大遼河流域水生態(tài)功能區(qū)劃分

分區(qū)命名要能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)各分區(qū)的主要特征，即能夠體現(xiàn)水體的主要類型；能夠體現(xiàn)研究區(qū)域的生態(tài)功能類型；能夠反映人類干擾對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度；同一級(jí)別生態(tài)功能區(qū)的名稱要相互對(duì)應(yīng)。

功能區(qū)的命名方式主要按照“水體類型＋干擾類型＋功能類型”進(jìn)行。首先根據(jù)水體類型，將其劃分為河流、水庫、濕地以及河口等水體類型；其次，根據(jù)人類干擾程度，分為城鎮(zhèn)地區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等不同類型的生境地區(qū)；最后，根據(jù)水生生物多樣性維持功能、野生生物棲息地維持功能、濱岸帶支持功能、水環(huán)境支持功能、水文支持功能5個(gè)單項(xiàng)功能的評(píng)估，確定主導(dǎo)功能，以此將大遼河流域劃分成了5個(gè)一級(jí)區(qū)和13個(gè)生態(tài)亞區(qū)，結(jié)果如圖6和表5所示。

圖6 大遼河流域水生態(tài)系統(tǒng)功能分區(qū)圖Fig.6 Water ecosystem functions zoning for Liaohe drainage area

表5 大遼河流域水生態(tài)功能區(qū)劃表Table 5 Water ecosystem functions zoning for Liaohe drainage area

6 區(qū)劃結(jié)果分析

本次研究將大遼河流域劃分成了4類重要生態(tài)功能區(qū)和1類低生態(tài)功能區(qū)。

重要生態(tài)功能區(qū)生態(tài)敏感性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較差，易受外界因素干擾。但是這類功能區(qū)對(duì)維持生態(tài)平衡、促進(jìn)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)方面發(fā)揮了重要的作用。在這些生態(tài)區(qū)域內(nèi)，人類應(yīng)該禁止所有可能對(duì)生態(tài)功能造成破壞的開發(fā)活動(dòng)和人為破壞活動(dòng)，對(duì)那些己經(jīng)受到破壞的生態(tài)環(huán)境要加強(qiáng)生態(tài)修復(fù)工作；限制人口增長；改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)經(jīng)營方式，走生態(tài)經(jīng)濟(jì)型可持續(xù)發(fā)展的道路；可以有針對(duì)性地建立自然保護(hù)區(qū)等。

低生態(tài)功能區(qū)的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性比較好，它即可以承受一定的人類活動(dòng)影響，又有一定的生態(tài)服務(wù)功能，這樣的功能區(qū)需要人們來引導(dǎo)它的開發(fā)方向，對(duì)開發(fā)利用加以一定限制，否則，就可能產(chǎn)生生態(tài)災(zāi)害。

對(duì)于Ⅰ水生生物多樣性維持功能區(qū)和Ⅱ野生生物棲息地維持功能區(qū)，要加強(qiáng)河口濕地的保護(hù)力度，盡快建立濕地生態(tài)自然保護(hù)區(qū)，維護(hù)濕地生物多樣性；對(duì)已有的自然保護(hù)區(qū)要繼續(xù)加強(qiáng)保護(hù)，提高生物多樣性；加大退耕還林的力度，保護(hù)森林資源，提高保持水土、涵養(yǎng)水源的功能；加強(qiáng)陸域入海污染源的治理工作，使區(qū)域排放確保達(dá)標(biāo)，改善濕地水環(huán)境質(zhì)量。發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)展好生態(tài)農(nóng)業(yè)，并積極主動(dòng)地發(fā)展生態(tài)旅游業(yè)。

對(duì)于Ⅲ河岸帶支持功能區(qū)可以采取小流域綜合治理的辦法，減少水土流失，關(guān)鍵是預(yù)防人為干擾活動(dòng)造成新的水土流失；生態(tài)公益林建設(shè)要加強(qiáng)，建立一定的水源涵養(yǎng)保護(hù)區(qū)，以此來提高森林覆蓋率和水源涵養(yǎng)能力。

對(duì)于Ⅳ水環(huán)境支持功能區(qū)要杜絕污染型企業(yè)的建設(shè)，禁止對(duì)自然資源的掠奪性開發(fā)，把生態(tài)破壞與環(huán)境污染的源頭給徹底切斷；進(jìn)一步加強(qiáng)環(huán)境的綜合整治工作，加強(qiáng)鞏固環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以此減輕對(duì)水體的污染。

7 結(jié)語

本次研究為有關(guān)部門對(duì)大遼河流域的生態(tài)管理提供了一定的科學(xué)依據(jù)，在以后的研究中，還需繼續(xù)強(qiáng)化分區(qū)技術(shù)，使流域水生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)體系更加完善。同時(shí)，水生態(tài)系統(tǒng)的特征是聯(lián)系的、動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、不確定的，因此應(yīng)該將生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能相結(jié)合，對(duì)兩者的互相聯(lián)系與互相制約的機(jī)理進(jìn)行辨析、維護(hù)和調(diào)整研究并付諸于實(shí)踐，進(jìn)一步探索適合大遼河流域的生態(tài)系統(tǒng)管理模式。

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