南方紅壤區(qū)楠溪江流域生態(tài)健康評估

游詩雪，李鵬，蔡景波，黃舟，鄧勁松*，周夢夢，胡稅根

（1.浙江大學環(huán)境與資源學院，杭州310058；2.浙江大學公共管理學院，杭州310058；3.浙江省海洋水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所，浙江溫州325005）

流域是由分水嶺包圍的相對獨立的集水區(qū)，也是人類活動的重要載體。流域生態(tài)健康是指流域生態(tài)系統(tǒng)能為各種水生、河岸生物種群提供棲息生境及避難所，維持河流連通性，使其處于穩(wěn)定、可持續(xù)狀態(tài)，并對自然及人為干擾具有一定的自我調(diào)節(jié)和修復能力[1]。開展流域生態(tài)系統(tǒng)的研究對于揭示流域的化學、物理及生物完整性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[2-4]，了解流域?qū)夂蚣巴恋乩米兓捻憫?yīng)[5]等熱點問題具有重要意義。近年在有關(guān)流域生態(tài)健康評估方面的研究中，基于構(gòu)建多指標評估體系多有報道[6-8]，且地理信息系統(tǒng)（geographic information system,GIS）和遙感（remote sensing,RS）技術(shù)逐漸成為獲取指標數(shù)據(jù)的重要方法之一[9-10]。流域生態(tài)健康評估工作在國際上開展較早，而在中國起步較晚且目前仍處于研究階段[11-12]。建立綜合評估指標體系，結(jié)合GIS和RS等技術(shù)快速獲取并分析各項指標特征數(shù)據(jù)，了解流域健康狀態(tài)與壓力并診斷其存在的問題，可為流域可持續(xù)發(fā)展及經(jīng)營管理等提供指導依據(jù)[13-14]。

中國南方紅壤生態(tài)系統(tǒng)面臨著水土流失、生物退化及系統(tǒng)功能衰減等問題，而以小流域為主要生態(tài)景觀的南方紅壤區(qū)更易遭侵蝕，是生態(tài)脆弱地帶[15-16]。浙江省永嘉縣楠溪江流域的土壤以紅壤為主，保有較為完整的宋代村貌及習俗，是唯一以山水田園風光為特色的國家級風景名勝區(qū)，在社會經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著流域內(nèi)人為干擾日益增強，楠溪江作為甌江第二大支流和重要的飲用水源，其健康狀況與甌江中下游生態(tài)健康密切相關(guān)。本研究參考相關(guān)評估方式[17]，考慮數(shù)據(jù)可獲得性及流域?qū)嶋H生態(tài)狀況，構(gòu)建浙江省楠溪江流域生態(tài)健康評估綜合指標體系，并對流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行評估與分析，旨在為我國生態(tài)脆弱地帶流域生態(tài)健康管理和進一步完善提供基礎(chǔ)資料和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省溫州市永嘉縣境內(nèi)的楠溪江流域（120°35′～120°59′E，28°10′～28°34′N）。楠溪江主流長139.92km，面積2489.97km2，屬中亞熱帶季風氣候，是甌江第二大支流，分大楠溪、小楠溪2大水系[18]。該流域年均溫度18.2℃，年降水量1 705.5 mm，土壤以紅壤為主（73.88%），森林植被類型豐富，可作為南方紅壤流域健康評估的典型研究區(qū)。

評估對象分水域和陸域生態(tài)系統(tǒng)，綜合流域最小行政區(qū)劃管理單元及其自然集水區(qū)的空間疊置關(guān)系[19]，將楠溪江分為18個評估單元（子流域），并綜合評估整個流域的生態(tài)健康狀態(tài)及壓力（圖1）。

圖1 楠溪江流域生態(tài)健康評估區(qū)域Fig.1 Assessment area of watershed ecosystem health in Nanxi River

2 數(shù)據(jù)收集與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)主要包括以下內(nèi)容。1）遙感影像和土地利用解譯數(shù)據(jù)：收集2000年和2015年覆蓋流域的Landsat系列遙感影像，采用面向?qū)ο蠓指詈蜋C器視覺方法自動提取生態(tài)系統(tǒng)類型信息[20]，將生態(tài)系統(tǒng)分為森林、灌叢、草地、農(nóng)田、城鎮(zhèn)、裸地等陸域類型及濕地等水域類型；2）實地調(diào)查和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)：包括魚類資源[18,21]、陸域生態(tài)現(xiàn)狀現(xiàn)場調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)等；3）社會經(jīng)濟及環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)。計算各評價指標的數(shù)據(jù)來源詳見表1。

表1 楠溪江流域生態(tài)健康評估指標體系Table 1 Assessment indices of watershed ecosystem health in Nanxi River

2.2 流域健康評估體系

參考國內(nèi)外生態(tài)環(huán)境評估研究的成果和中國環(huán)保部相關(guān)評估指南[17]，綜合考慮楠溪江流域評估數(shù)據(jù)的可獲得性及實際生態(tài)狀況，選取包括水域的生境結(jié)構(gòu)、水生生物、生態(tài)壓力以及陸域的生態(tài)格局、生態(tài)功能、生態(tài)壓力共6類16項評估指標，構(gòu)建浙江省楠溪江流域生態(tài)健康評估綜合指標體系（表1）。為了提高研究方法的實用性和可推廣性，結(jié)合成熟且應(yīng)用廣泛的層次分析法[22]來確定各指標權(quán)重，將指標體系劃分為3個層次，分別為評估對象、指標類型及評估指標。各分指標的分級標準及其賦分[17]詳見表2。

表2 楠溪江流域生態(tài)健康評估指標分級標準及其賦分Table 2 Classification criteria and scoring for assessment indices of watershed ecosystem health in Nanxi River

綜合評估流域的生態(tài)健康分為2部分，首先分別評估其狀態(tài)及壓力，再進行綜合評估。水域生態(tài)健康狀態(tài)包括生境結(jié)構(gòu)和水生生物各項指標；陸域生態(tài)健康狀態(tài)包括生態(tài)格局和生態(tài)功能各項指標；流域生態(tài)健康壓力表示流域的水、陸域所承受的生態(tài)壓力狀況，包括水、陸域生態(tài)壓力各項指標。流域生態(tài)健康綜合評估采用綜合指數(shù)法，加權(quán)流域健康指數(shù)值，構(gòu)建綜合評估指數(shù)（WHI）來評估各單元及流域整體的健康狀況。計算公式為：WHI=IWWW+ILWL[17]。式中：IW、IL分別為研究區(qū)水、陸域健康指數(shù)值，由各2級指標加權(quán)，且各2級指標均基于整體流域為單位進行計算；WW、WL分別為相應(yīng)指數(shù)權(quán)重。根據(jù)WHI計算可得流域各評估單元及整體的生態(tài)健康綜合指數(shù)。其中：WHI≥80，優(yōu)秀；60≤WHI＜80，良好；40≤WHI＜60，一般；20≤WHI＜40，較差；WHI＜20，差。

3 結(jié)果與分析

綜合楠溪江流域各評估單元的生態(tài)健康評估結(jié)果，應(yīng)用雷達圖來直觀地表明整體流域的生態(tài)健康狀態(tài)和壓力。從圖2可以看出，在陸域生態(tài)健康狀態(tài)中受保護區(qū)面積占國土面積的比例得分相對較低。本研究根據(jù)永嘉縣現(xiàn)有生態(tài)功能區(qū)劃所計算的禁止準入?yún)^(qū)面積較低，除大箬巖鎮(zhèn)、鶴盛鎮(zhèn)、楓林鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)以外，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)受保護區(qū)域面積為0，導致該指標成為各評估單元及整體流域中陸域生態(tài)健康評估的限制因子，表明流域內(nèi)保護區(qū)域范圍有待調(diào)整。由圖3可以看出，在水域生態(tài)健康狀態(tài)中水生生物類2項指標得分均相對較低。楠溪江自古盛產(chǎn)香魚，但近年來由于水域生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞以及無序捕撈等原因，野生楠溪香魚幾乎絕跡，盡管永嘉縣漁業(yè)部門每年向楠溪江投放大量人工香魚幼苗，但仍需加強對香魚產(chǎn)卵及洄游場所、流域水生生態(tài)環(huán)境等的保護，以保護流域生物多樣性、恢復香魚等魚類資源。結(jié)合流域生態(tài)健康壓力（圖4）可以看出，點、面源污染負荷排放及水生生境干擾指標得分均較低，表明水生生態(tài)系統(tǒng)遭受一定程度的破壞，其健康狀況下降主要源于污染排放及人為干擾。

圖2 楠溪江流域陸域生態(tài)健康狀態(tài)評估結(jié)果Fig.2 Results of ecosystem health assessment of terrestrial area in Nanxi River

圖3 楠溪江流域水域生態(tài)健康狀態(tài)評估結(jié)果Fig.3 Results of ecosystem health assessment of water area in Nanxi River

圖4 楠溪江流域生態(tài)健康壓力評估結(jié)果Fig.4 Results of watershed ecological pressure assessment in Nanxi River

根據(jù)各生態(tài)指標得分及其權(quán)重，計算得到楠溪江水域、陸域和整體流域的各項生態(tài)健康分值，并根據(jù)分級標準確定等級。從表3可以看出：楠溪江流域綜合得分68.9，其生態(tài)健康等級為良好；18個子流域綜合得分在55～75之間，大部分（83.3%）生態(tài)健康等級為良好。其中，健康等級為一般的3個子流域均處于流域下游，該區(qū)域建設(shè)用地比例較高，受人為因素影響較大，健康狀況相對較差。根據(jù)2000—2015年楠溪江流域生態(tài)系統(tǒng)類型遙感數(shù)據(jù)解譯，流域內(nèi)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積快速增長，主要占用了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，且草地及灌叢等生態(tài)系統(tǒng)的面積均有不同程度地向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化，導致流域內(nèi)的自然生態(tài)系統(tǒng)面積比例嚴重下降。結(jié)合實地調(diào)研，部分河段存在河道挖掘、非法采砂等活動，流域內(nèi)還存在各類養(yǎng)殖情況，均對流域水生生境造成了嚴重威脅，影響流域的生態(tài)健康。

表3 楠溪江流域生態(tài)健康綜合評估結(jié)果Table 3 Results of comprehensive assessment indices of watershed ecosystem health in Nanxi River

4 討論

流域生態(tài)系統(tǒng)作為一種自然-社會-經(jīng)濟復合生態(tài)系統(tǒng)，其生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響著整個區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，也是近年來流域開發(fā)與管理的研究熱點。本研究構(gòu)建的評估指標體系基本能夠滿足評估目的及要求。

采用遙感圖像進行數(shù)據(jù)解譯，快速提取生態(tài)系統(tǒng)類型信息，可為部分較難獲取數(shù)據(jù)的指標計算提供數(shù)據(jù)來源，且能在相對宏觀的尺度上更好地對流域整體情況進行評估；同時，分析各項生態(tài)系統(tǒng)類型在一定時間內(nèi)的轉(zhuǎn)移情況，可為評估結(jié)果及后期流域的早期預防、健康管理等提供理論依據(jù)。具時間序列的遙感圖像解譯結(jié)果表明，流域內(nèi)城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積比例升高，導致流域內(nèi)其余生態(tài)系統(tǒng)面積比例下降，同時缺乏一定規(guī)劃的城鎮(zhèn)用地擴張，加大了生境破碎化的程度，降低了整個生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)的面積及格局變化對其他生態(tài)系統(tǒng)有重大影響，在整個流域生態(tài)健康評估中也起著關(guān)鍵作用。建議進行必要的村鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃，適當控制城鎮(zhèn)擴張，合理利用已存在的人為活動劇烈區(qū)域，從而增加流域內(nèi)的受保護區(qū)域，維持生態(tài)系統(tǒng)自我凈化及修復的能力。

以大型底棲動物為指示性物種可有效反映水域的質(zhì)量狀況[23]，而缺乏物種多樣性的綜合指標評估，對揭示該流域生態(tài)健康狀況具有一定影響。同時，由于流域生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化比較劇烈，本研究數(shù)據(jù)多采用一次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評估，僅能反映該時期流域生態(tài)健康狀態(tài)和壓力，因此，在流域生態(tài)健康發(fā)展與管理中，觀測水生生物并積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時結(jié)合RS技術(shù)準確、快速地提取信息，進行長期監(jiān)測和研究，對于指導流域的可持續(xù)發(fā)展及管理十分有益。

結(jié)合GIS技術(shù)，在考慮流域自然集水區(qū)的地理情況下，選取最小行政區(qū)劃管理單元作為評估單元。從研究目的及管理需求的角度來看，方便了指標體系中社會經(jīng)濟相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取及分析，也對政府依靠評估結(jié)果制定管控措施等提供了便捷。故針對楠溪江這類縣域尺度范圍的流域，其生態(tài)健康評估的終極目標是生態(tài)、資源管理，至于是否可直接選取行政區(qū)劃作為簡單且有效的評估單元，仍有待進一步研究與探討。

5 結(jié)論

本研究構(gòu)建了南方紅壤區(qū)楠溪江流域的生態(tài)健康評估指標體系，結(jié)合遙感和GIS技術(shù)，對流域生態(tài)健康狀態(tài)和壓力進行評估與分析，結(jié)論如下。

1）該流域整體健康狀況良好，但水生生物和生態(tài)功能方面的健康狀況較差；在18個評估單元中，83.3%的健康狀況良好，其余健康狀況一般且均處于流域下游。

2）流域生態(tài)系統(tǒng)退化主要源于流域內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積快速增長、畜禽養(yǎng)殖及無序捕撈等人為干擾，建議調(diào)整流域保護區(qū)域范圍，加強點、面源污染的管控，保護水生、河岸生物多樣性。

3）包含水域、陸域6類共16項指標的評估體系基本滿足楠溪江流域的生態(tài)健康評估，該評估體系可用于指導生態(tài)脆弱地帶流域可持續(xù)發(fā)展和經(jīng)營管理，保障流域及下游區(qū)域水體生態(tài)健康。

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