流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化及其指標體系

王震洪，蔡慶華，趙 斌，徐耀陽，唐 濤

(1. 長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054; 2. 中國科學(xué)院水生生物研究所，湖北 武漢 430072; 3. 復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，上海 200433; 4. 中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，福建 廈門 361021)

0 引 言

流域生態(tài)學(xué)是以流域生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，運用生態(tài)學(xué)及相關(guān)學(xué)科理論和方法，研究流域內(nèi)各結(jié)構(gòu)成分如高地、濱岸帶、水體結(jié)構(gòu)和功能，以及結(jié)構(gòu)成分之間相互影響和作用的生態(tài)學(xué)分支[1-2]。流域生態(tài)學(xué)與湖泊(包括天然湖泊、水庫和壩塘)水環(huán)境保護及治理、河流生態(tài)健康、小流域生態(tài)修復(fù)和綜合治理等密切相關(guān)，廣泛受到生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水土保持學(xué)、水利工程學(xué)等學(xué)科的關(guān)注[3-5]。隨著生態(tài)文明建設(shè)國家戰(zhàn)略的確立，特別是黨的十九大提出山-水-林-田-湖-草是一個生命共同體，流域作為山-水-林-田-湖-草生命共同體的載體和研究尺度，流域生態(tài)學(xué)在生態(tài)文明建設(shè)中的戰(zhàn)略地位正發(fā)揮著日益重要的作用[6-7]。

回顧過去20年，流域生態(tài)學(xué)發(fā)展具有一個明顯的特點，即流域生態(tài)學(xué)研究和成果分散在生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水土保持學(xué)、水利工程學(xué)等學(xué)科中,也就是說，不同學(xué)科背景的研究都對流域生態(tài)學(xué)建立和發(fā)展做出了貢獻。例如，水生生態(tài)學(xué)對河流和湖泊中的植物、動物、微生物類群的結(jié)構(gòu)和功能，對水體環(huán)境質(zhì)量的效應(yīng)和作用機制開展了系統(tǒng)研究[8-10];環(huán)境科學(xué)對河流和湖泊水質(zhì)變化、水化學(xué)、沉積物地球化學(xué)循環(huán)和調(diào)控機制進行了系統(tǒng)研究[11];植被生態(tài)學(xué)、水土保持學(xué)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境學(xué)對陸地植物群落結(jié)構(gòu)、功能、土壤侵蝕和面源污染調(diào)控效應(yīng)及機制進行了系統(tǒng)研究[2,12];水文學(xué)、水利工程學(xué)則在流域水循環(huán)過程和機制，生態(tài)水利和水利工程的水環(huán)境效應(yīng)、調(diào)控機制和管理領(lǐng)域進行了系統(tǒng)研究[11,13]。

同時，關(guān)于流域結(jié)構(gòu)組成如高地、濱岸帶、水體之間的相互關(guān)系和作用認識很少，目前還缺乏一套流域生態(tài)學(xué)內(nèi)生的空間結(jié)構(gòu)數(shù)量指標體系，來量化流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)成分之間的關(guān)系和作用。只有將不同學(xué)科背景的流域生態(tài)學(xué)研究在流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)數(shù)量指標體系下進行整合，才能形成流域生態(tài)學(xué)的核心理論[14-16]。然而，流域生態(tài)學(xué)的姊妹學(xué)科——景觀生態(tài)學(xué)，很早就建立了刻畫景觀空間結(jié)構(gòu)數(shù)量指標體系(即景觀格局指數(shù))，如斑塊數(shù)、面積、形狀指數(shù)、破碎度、連接度、鄰近指數(shù)、多樣性指數(shù)等[17-18]。這些指數(shù)的構(gòu)建對于學(xué)科發(fā)展非常有益。一方面，生態(tài)學(xué)家可以利用這些指數(shù)研究景觀中基底、綴塊和廊道結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系，揭示景觀格局特征[19];另一方面，以景觀格局指數(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究，可以建立景觀格局指數(shù)與生態(tài)過程和功能的關(guān)系，揭示中尺度生態(tài)功能和機制，并把這些知識應(yīng)用到生態(tài)規(guī)劃中[20-21]。因此，景觀生態(tài)學(xué)獲得了長足發(fā)展。相比而言，種群、群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)量指標體系和理論則建立得更早，只不過它們所關(guān)注的結(jié)構(gòu)是生物結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，在生態(tài)系統(tǒng)的研究中也會考慮非生物成分，這也促進了景觀生態(tài)學(xué)的誕生。而現(xiàn)在對流域結(jié)構(gòu)的探討則關(guān)注的是物理空間結(jié)構(gòu)，這可能是比常規(guī)景觀生態(tài)學(xué)研究尺度更大的物理范圍。

不少學(xué)者借用地貌結(jié)構(gòu)指標、景觀格局指數(shù)、集合生態(tài)系統(tǒng)(Meta-ecosystem)和等級結(jié)構(gòu)理論來量化流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，并和流域生態(tài)過程聯(lián)系起來揭示過程機制[22-25]。然而，流域界限明確，是由河網(wǎng)(River Network)、(河)網(wǎng)間帶(Inter-river Zone)和湖泊(水庫、壩塘)構(gòu)成的匯水區(qū)域;在(河)網(wǎng)間帶內(nèi)是一系列生態(tài)系統(tǒng)的集合(集合生態(tài)系統(tǒng));以流域水循環(huán)為核心和驅(qū)動的流域生態(tài)過程涉及到尺度遠大于景觀的陸地和水體關(guān)系、上游和下游關(guān)系、水生和陸地生物關(guān)系[15,26]。因此，流域生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)與無生物特征屬性的地貌結(jié)構(gòu)以及無明確邊界的景觀結(jié)構(gòu)是不同的，需要不同的指標體系來量化[27-28]。根據(jù)這套指標體系，一方面可以很好地刻畫流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，建立結(jié)構(gòu)成分之間的空間關(guān)系，使流域陸地和水體、水生和陸生、上游和下游聯(lián)系起來，發(fā)展流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)理論；另一方面，在流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)指標體系模型框架下，可以開展流域種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀尺度的水環(huán)境、面源污染和水土流失問題等研究，揭示流域空間結(jié)構(gòu)對流域生態(tài)過程、功能和健康的影響和機制，創(chuàng)新相關(guān)知識，指導(dǎo)山-水-林-田-湖-草統(tǒng)籌規(guī)劃、治理和管理。目前，應(yīng)用到流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化的集合生態(tài)系統(tǒng)和等級結(jié)構(gòu)理論，其自身的發(fā)展也只是處于半定量階段，可能需要結(jié)合流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究實踐，其發(fā)展才更具生命力。因此，本文將對現(xiàn)有流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化研究進行回顧，分析存在的問題，并提出新的指標體系。

1 國內(nèi)外流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化

1.1 基于地貌結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)量化

1.1.1 地貌類型

流域是地球陸地上閉合的匯水單元。在這個客觀明確的范圍內(nèi)，構(gòu)造運動造就了流域原始地貌，水流塑造過程與植被、人類活動相互作用，形成了現(xiàn)今的流域地貌。地理學(xué)家從地貌學(xué)的視角分析流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。按地貌形態(tài)劃分,流域地貌由山地、高原、平原、丘陵和盆地五大基本類型構(gòu)成。山地又分為低、中、高和極高4個等級;高原則按地域和基質(zhì)特征進行劃分，如青藏高原和黃土高原;平原和盆地一般按形成原因劃分，如沖積平原、侵蝕平原和構(gòu)造平原,斷陷盆地、裂谷盆地和前陸盆地等；丘陵常按高度和陡峭度劃分為高丘、低丘、陡丘和緩丘等。小流域可能僅包含一種地貌類型，只有大型流域才有更多的類型。對小流域地貌的刻畫涉及到微地貌，常常用山谷、山脊、鞍部、山頂、洼地、陡崖、陽坡、陰坡、河谷、溝谷、臺地、三角洲、沖積扇、河岸、河床等術(shù)語[29-30]。

1.1.2 地貌結(jié)構(gòu)量化

地貌結(jié)構(gòu)量化常常采用海拔、坡度、坡向、形態(tài)密度、地形能量、面積、溝谷等級等指標[27,31-32]。靳長興根據(jù)河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的數(shù)量特征，分析了不同級別河流頻率、長度、密度、面積和河流比降的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)這些指標有很好的相關(guān)性[33]。Wondzells等研究了北美洲奇瓦瓦沙漠干旱區(qū)流域地形梯度變化導(dǎo)致水分和侵蝕環(huán)境變異，并描述了植物群落的響應(yīng)和土壤侵蝕調(diào)控[34]。劉金濤等選擇淮河流域11個中小流域，利用流域長度、形態(tài)因子、身長比、圓度、流域坡度、水平曲率、坡面曲率、河網(wǎng)分形維數(shù)、面積高程曲線斜率等刻畫流域結(jié)構(gòu)，并研究流域結(jié)構(gòu)對徑流特征的影響，發(fā)現(xiàn)流域徑流系數(shù)與流域坡度、坡面曲率成顯著正、負相關(guān)關(guān)系(表1)[35]。Khanday等基于遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)提取流域地貌參數(shù)(如面積、坡度、坡向、地貌類型、河網(wǎng)指標、地質(zhì)因子等)量化流域結(jié)構(gòu)，并建立其與水文過程的關(guān)系[36]。何福紅等運用正射影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，選擇地形、濕度、坡度、坡長、水流動力指數(shù)、坡向、平面曲率和地表粗糙度等地貌因子，評價小流域土壤侵蝕敏感性，發(fā)現(xiàn)96.4%的沖溝多發(fā)生在坡度和坡長較大、水流動力強、地表濕度較低的陽坡凹面[37]。Price等研究了美國佐治亞州35個小流域排水溝道密度、崩積層面積、地形變異和河網(wǎng)百分比對河流枯水流量變化的影響等[27]。地貌結(jié)構(gòu)量化傳統(tǒng)方法是通過現(xiàn)場調(diào)查，劃分不同地貌單元，用測量學(xué)手段定量地貌結(jié)構(gòu)特征，進一步設(shè)置徑流小區(qū)、小集水區(qū)、小流域等觀測系統(tǒng)，研究地表物質(zhì)過程與地貌結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系[38-39]。但是，地貌結(jié)構(gòu)量化的發(fā)展趨勢是利用遙感、地理信息系統(tǒng)和全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提取流域地貌數(shù)據(jù)，量化地貌結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)流域地貌規(guī)律[32]。在應(yīng)用方面，結(jié)合流域水文過程和土壤侵蝕，利用水文模型和土壤侵蝕模型，預(yù)測流域地貌結(jié)構(gòu)差異對地表物質(zhì)過程的影響[40-41]。

表1 刻畫流域地貌的部分典型指標

1.2 基于景觀格局的空間結(jié)構(gòu)量化

1.2.1 景觀格局

景觀格局是大小、形狀各異，排列不同的斑塊、廊道和基質(zhì)的組合體，是復(fù)雜的物理、生物和社會因子相互作用的結(jié)果[18]。流域包括各種斑塊、廊道和基底，尺度比景觀大，因此，流域結(jié)構(gòu)可用各種景觀指數(shù)來量化，以便認識流域結(jié)構(gòu)的物理空間鑲嵌性、多樣性、復(fù)雜性和優(yōu)勢性[42]。流域景觀格局研究包括景觀組成、異質(zhì)性、斑塊間關(guān)系、格局動態(tài)、格局等級結(jié)構(gòu)、“源-匯”景觀格局、景觀格局與功能等[43-45]。格局與過程是研究的核心，景觀格局指數(shù)是定量分析流域景觀的主要方法[46-47]。流域作為具有明確界限的客觀水文響應(yīng)單元，能夠通過流域出口徑流、土壤侵蝕、面源污染物輸出量觀測，建立景觀格局與過程的關(guān)系，并應(yīng)用于流域管理。因此，景觀生態(tài)學(xué)家常常選擇流域作為景觀生態(tài)學(xué)研究的最佳單元之一[48-50]?？坍嬀坝^格局的指數(shù)包括斑塊水平、斑塊類型水平和景觀鑲嵌水平指數(shù)，不同指數(shù)包含不同的生態(tài)意義[42]。

1.2.2 景觀格局與過程

景觀格局與過程關(guān)系主要集中在流域景觀格局動態(tài)及驅(qū)動力、景觀格局與水質(zhì)、徑流量、侵蝕產(chǎn)沙、生態(tài)服務(wù)價值、生態(tài)功能分區(qū)等。例如，陳俊華等利用兩期IKONOS多光譜衛(wèi)星影像，對長江上游防護林重點流域林地景觀格局(包括純林、混交林、竹林、經(jīng)濟林、耕地、交通用地、水體、建筑用地等)進行研究，發(fā)現(xiàn)純林太多時景觀破碎度增加[51]。任嘉衍等基于伊河流域1987～2003年4期土地覆被數(shù)據(jù)、氣象資料及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，分析流域景觀格局動態(tài)及其驅(qū)動機制，發(fā)現(xiàn)社會經(jīng)濟發(fā)展與人口增加是耕地、未利用地向建設(shè)用地轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力，氣溫上升與蒸散發(fā)增加是流域水域面積減小的直接原因，以及政策是林地、草地等景觀發(fā)生變化的根本原因[52]。趙鵬等分別利用2000年和2007年土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)、ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究了廣東省淡水河流域和長江流域景觀格局與水質(zhì)關(guān)系，前者直接觀測水質(zhì)，后者用InVEST模型模擬，發(fā)現(xiàn)景觀組成、配置、森林優(yōu)勢景觀面積均會影響流域水質(zhì)[21，53]。林炳青等通過土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)、SPOT5/ALOS/高分2號等衛(wèi)星影像(1995～2015年)量化流域景觀格局，結(jié)合野外多年實測數(shù)據(jù)，建立景觀格局指數(shù)與徑流量、產(chǎn)沙量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)“源”景觀面積持續(xù)下降，“匯”景觀面積持續(xù)增長[54-55]。樊灝等基于地理信息系統(tǒng)子流域劃分，比較子流域物理、化學(xué)與生物特征差異性和相似性，劃分出滇池流域三級水生態(tài)功能區(qū)，為流域管理提供了依據(jù)[56]。

國外學(xué)者的相關(guān)研究也集中在上述方面。例如，Weng研究發(fā)現(xiàn)美國威斯康星州Dane縣城市中心到外圍的土地利用顯著不同，表明城市化對景觀格局的驅(qū)動[42]。Lee等的研究表明，流域內(nèi)不同土地利用類型高度分散會導(dǎo)致流域濕地水質(zhì)下降[47]。在德國—捷克—波蘭三角地區(qū)，土地利用聚類分析能夠指示流域水體物理化學(xué)指標，密集的居住區(qū)降低了流域水質(zhì)[48]。Gonzales-Inca等采用土地利用/土地覆被信息系統(tǒng)，獲得芬蘭16個流域農(nóng)業(yè)用地、林地、建筑用地、水體和其他土地面積，并揭示了流域景觀格局，通過觀測21年水質(zhì)指標，分析了水質(zhì)指標與景觀格局關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濱岸帶林地是水質(zhì)提升的關(guān)鍵[57]。Cuo等在泰國北部Nam Mae Rim流域研究了1989～2002年森林和道路對徑流量的影響，發(fā)現(xiàn)森林砍伐增加了全年的徑流量，但是對旱季徑流量影響很小，而道路對徑流量的峰值影響很大[58]。

1.3 基于集合生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)量化

1.3.1 集合生態(tài)系統(tǒng)概念

集合生態(tài)系統(tǒng)最早由法國Loreau等提出，是指跨生態(tài)系統(tǒng)邊界的物質(zhì)流、能量流和生物流所連接起來的一系列生態(tài)系統(tǒng)的集合[59]，雖然當(dāng)時只是集合種群(Meta-population)和集合群落(Meta-community)概念的外推，但面向的卻是要挖掘生態(tài)系統(tǒng)物理空間異質(zhì)性研究的重要分析路徑。呂拉昌曾提出過類似的概念，認為流域生態(tài)系統(tǒng)是由山脈、冰川、森林、草原、農(nóng)田、荒漠、湖泊等幾個或全部生態(tài)系統(tǒng)類型通過水系聯(lián)系起來的有機整體，各子系統(tǒng)之間存在物質(zhì)、能量和信息的耦合[60]?，F(xiàn)在來看，二者有異曲同工之妙。李長安等則提出，流域生態(tài)系統(tǒng)是山-江-河-海連通的體系，海的生態(tài)過程如潮汐、魚類洄游入江河也會影響河流和陸地岸帶[61]，這樣就更加拓寬了對流域的認識，讓大眾可以從集合生態(tài)系統(tǒng)的角度加深對流域生態(tài)系統(tǒng)的認識。因為集合生態(tài)系統(tǒng)適合用來描述和闡釋具有特定物理空間且細分物理空間區(qū)域之間有密切相互作用的流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程和功能,所以集合生態(tài)系統(tǒng)的概念吸引了生態(tài)學(xué)家的注意[26,62-63]。

1.3.2 集合生態(tài)系統(tǒng)類型

集合生態(tài)系統(tǒng)概念應(yīng)用于流域空間，目前主要體現(xiàn)在3個方面：水平異域集合(Horizontal Alien Meta-ecosystems)、垂直異域集合(Vertical Alien Meta-ecosystems)和同域集合(Sympatric Meta-ecosystems)[64-66]。水平異域集合指不同局域生態(tài)系統(tǒng)在流域空間上呈水平展布，各個生態(tài)系統(tǒng)間在水平方向上都有相對明確的邊界，在垂直方向上不需要區(qū)分結(jié)構(gòu)特征，生態(tài)系統(tǒng)間存在物質(zhì)流、能量流、信息流和生物流，如流域內(nèi)森林、農(nóng)田、村落、河網(wǎng)和湖泊的物理空間配置和聯(lián)系。垂直異域集合指不同局域生態(tài)系統(tǒng)在空間上呈垂直展布，各個生態(tài)系統(tǒng)在垂直方向上都有相對明確的邊界，在水平方向上不需要區(qū)分結(jié)構(gòu)特征，生態(tài)系統(tǒng)之間也存在各種物質(zhì)流、能量流、信息流和生物流，如流域內(nèi)森林土壤中動物、微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)，樹木枝葉分布空間內(nèi)生活的鳥類、昆蟲等構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)。同域集合指不同局域生態(tài)系統(tǒng)在物理空間上重合，但不同生態(tài)系統(tǒng)的過程整體上相對獨立，只通過幾個特定生態(tài)系統(tǒng)過程相互連接，如一個流域內(nèi)的自然-經(jīng)濟-社會復(fù)合系統(tǒng)，自然、經(jīng)濟和社會是不同的生態(tài)系統(tǒng)，但是處于同一個物理空間內(nèi)。

1.3.3 集合生態(tài)系統(tǒng)量化

定量集合生態(tài)系統(tǒng)的方法，目前發(fā)展了六維半定量方法(圖1)[26]。第一維，集合生態(tài)系統(tǒng)開放度(Mopen)，x∈[0,1]，集合生態(tài)系統(tǒng)間有物質(zhì)流動，開放的取值為1，不開放的取值為0;第二維，集合生態(tài)系統(tǒng)個數(shù)(Mnum)，x∈[2,n]，最小值是2，含2個生態(tài)系統(tǒng)，最大值是n,表示n元集合系統(tǒng);第三維，集合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部局域生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性(Mtype)，x∈[1,n]，最小值是1，最大值是n，取值1表示集合生態(tài)系統(tǒng)是同類型的，如多塊草地構(gòu)成的流域;第四維，集合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生態(tài)過程的方向性(Mdir)，x∈[1,2]，x為實數(shù)，如果x=1，即集合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)流動只是從一個局域生態(tài)系統(tǒng)流向另一個，稱之為“單向”,如果x>1，即還存在某種形式的反向流動，則稱之為“雙向”;第五維，集合生態(tài)系統(tǒng)的等級(Mhierar)，x∈[2,n]，通常x=2，即整個集合生態(tài)系統(tǒng)只有局域生態(tài)系統(tǒng)-生態(tài)系統(tǒng)要素和集合生態(tài)系統(tǒng)-局域生態(tài)系統(tǒng)2個結(jié)構(gòu)等級，稱之為“兩級”,如果x>2，即生態(tài)系統(tǒng)要素內(nèi)部還有更為精細、需要研究的結(jié)構(gòu)，稱之為“多級”；第六維，集合生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜度(Lcomplex)，x∈[a,b]，a和b分別預(yù)設(shè)為生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜度的2個邊界。集合生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜度(Fx)是由集合生態(tài)系統(tǒng)開放度、個數(shù)、異質(zhì)性、方向性、等級、復(fù)雜度6個因子構(gòu)成,其中復(fù)雜度是嵌套式的。

圖1 集合生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)六維半定量方法Fig.1 6D Semi-quantitative Method of Meta-ecosystem Structure

1.4 基于等級結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)量化

1.4.1 等級結(jié)構(gòu)理論

等級結(jié)構(gòu)是由若干有秩序的層次所組成的系統(tǒng)。高層次結(jié)構(gòu)包含了低層次結(jié)構(gòu)，并決定了低層次結(jié)構(gòu)的運行，低層次結(jié)構(gòu)對高層次結(jié)構(gòu)具有反作用。高層次結(jié)構(gòu)和低層次結(jié)構(gòu)的運行速率是不同的。等級結(jié)構(gòu)的不同層次和相同層次之間是通過物理、化學(xué)、生物等過程相互作用、相互影響并產(chǎn)生整體屬性，但是每個層次又具有自己獨特的屬性?；谠摾碚?，蔡慶華等從淡水生態(tài)學(xué)家的視角出發(fā)，為克服傳統(tǒng)淡水生態(tài)學(xué)只關(guān)注水體的局限性，提出流域生態(tài)學(xué)是以流域為單元，利用等級結(jié)構(gòu)理論研究流域內(nèi)高地、濱岸帶和水體之間物質(zhì)、能量和信息傳遞規(guī)律的科學(xué)[1]。這個概念突出了3個方面信息。第一，流域由高地、濱岸帶和水體構(gòu)成，三者在等級結(jié)構(gòu)上是同一層次的并列關(guān)系。第二，利用等級結(jié)構(gòu)理論研究表明，流域具有不同尺度和層次等級，可以從宏觀到微觀[67]。等級結(jié)構(gòu)包括結(jié)構(gòu)等級和功能等級，低層次結(jié)構(gòu)是高層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，高層次結(jié)構(gòu)對低層次結(jié)構(gòu)進行制約[3];從學(xué)科結(jié)構(gòu)的發(fā)展來看，也有不同尺度等級研究范圍之間相互融合的趨勢，如從水生生態(tài)學(xué)發(fā)展到流域生態(tài)學(xué)(由小到大)，從景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展到景觀遺傳學(xué)(由大到小)[68]。第三，研究高地、濱岸帶和水體3個結(jié)構(gòu)組成之間物質(zhì)、能量和信息傳遞規(guī)律，屬于生態(tài)系統(tǒng)功能范疇，在研究中必然涉及非生物環(huán)境、生產(chǎn)者、消費者和還原者。因此，流域生態(tài)學(xué)是有明確邊界(分水嶺)的生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)，其生態(tài)系統(tǒng)的研究方法可用于流域生態(tài)學(xué)[2]。

1.4.2 等級結(jié)構(gòu)劃分

在實際研究中，王道軍等用等級結(jié)構(gòu)理論研究了黃土高原小流域溝道等級結(jié)構(gòu)順序的拓撲關(guān)系，發(fā)現(xiàn)黃土高原小流域尺度上存在一個最小集水面積與最短溝道長度的適宜取值區(qū)間，使得流域河網(wǎng)和網(wǎng)間帶結(jié)構(gòu)在數(shù)量特征上存在規(guī)律性，并能應(yīng)用到基于數(shù)字高程模型溝道數(shù)據(jù)提取[69]。熊森等利用地理信息系統(tǒng)進行三峽庫區(qū)東河流域河流的等級體系研究，將東河流域河網(wǎng)分為6級,發(fā)現(xiàn)河溪在由低等級向高等級變化時,其流域物理空間分布范圍逐漸由坡度大、海拔高向坡度小、海拔低、平緩地帶過渡，且低等級溪流兩邊植被狀況好于高等級溪流[70]。Cohen等利用等級結(jié)構(gòu)方法建立了一個動態(tài)模型模擬流域濕地洪水和污染物特征，發(fā)現(xiàn)具有等級結(jié)構(gòu)的流域濕地網(wǎng)絡(luò)能增加約30%洪水和氮磷儲蓄，具有等級結(jié)構(gòu)的流域明顯增加了環(huán)境容量，降低了水質(zhì)惡化、藻類暴發(fā)幾率[71]。Yeo利用多級優(yōu)化方法對美國俄亥俄州伊利湖(Erie Lake)流域不同等級流域土地利用進行優(yōu)化，并輸出面源污染物，模擬和應(yīng)用結(jié)果可以減少46%面源污染峰值輸出，保護區(qū)面積可以維持在流域土地面積的30%，城市和農(nóng)業(yè)用地控制在12%和70%以下[72]。

王震洪等在長江流域二級支流貓?zhí)恿饔颍蚜饔蛏鷳B(tài)系統(tǒng)的3個結(jié)構(gòu)組成(高地、濱岸帶和水體)按照等級結(jié)構(gòu)理論和還原論思想進行了發(fā)展，把水體劃分成具有結(jié)構(gòu)和功能差異比較大的河網(wǎng)和湖泊(水庫、壩塘)[15]。高地由各種集合生態(tài)系統(tǒng)(如闊葉林、針葉林、坡耕地、居民區(qū)等土地類型)構(gòu)成。由于這些土地利用類型分布在河網(wǎng)之間，并由溝/河網(wǎng)和它們緊密連接，物質(zhì)通過溝/河網(wǎng)輸出，所以用(河)網(wǎng)間帶去理解流域的高地，并在(河)網(wǎng)間帶開展面源污染觀測，發(fā)現(xiàn)(河)網(wǎng)間帶不同土地利用類型具有一個氮磷最小臨界流失率和流失-吸附平衡值[15,73]。馬振等在天然河流的研究中發(fā)現(xiàn)：連結(jié)成網(wǎng)的天然河流特別是山區(qū)河流由重復(fù)出現(xiàn)的急流、深潭和河灘系統(tǒng)構(gòu)成，它們的周長和面積在上游、下游間具有顯著的相關(guān)性;在急流-深潭-河灘系統(tǒng)中，植物多樣性維持功能以及對河流水體的凈化功能也不同[74-78];在流域整體性刻畫中，可以用流域圓度、狹長度刻畫流域形態(tài)，用平均坡度刻畫流域物理空間變異[15,79]。這些實踐表明，流域作為一個等級結(jié)構(gòu)體系，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程上存在一些規(guī)律性特征，并有望應(yīng)用在流域管理上。因此，王震洪根據(jù)流域生態(tài)學(xué)既涉及宏觀也關(guān)注微觀的理念，以等級結(jié)構(gòu)理論和還原論思想為指導(dǎo)，初步提出流域生態(tài)系統(tǒng)五級結(jié)構(gòu)體系(圖2)[80]。在這個體系中，高地、濱岸帶和水體作為流域生態(tài)系統(tǒng)二級結(jié)構(gòu)得到了發(fā)展。高地和(河)網(wǎng)間帶作為對等概念，包括了各種集合生態(tài)系統(tǒng)。

1.5 空間結(jié)構(gòu)量化研究的不足

1.5.1 缺乏自身體系

生態(tài)學(xué)家善于進行“結(jié)構(gòu)-過程-功能-機制-調(diào)控”這種相互關(guān)聯(lián)和遞進式的研究，如種群結(jié)構(gòu)-過程-功能-機制-調(diào)控研究。這是因為在不同尺度上，結(jié)構(gòu)影響著過程和功能，過程和功能對結(jié)構(gòu)具有反饋作用;在結(jié)構(gòu)-過程-功能相互作用認識的基礎(chǔ)上，一般才能全面把握機制，并實現(xiàn)調(diào)控目的。

目前，流域生態(tài)學(xué)作為山-水-林-田-湖-草綜合治理的支撐學(xué)科[81]，正在聚焦于水體或陸地的過程-功能-機制-調(diào)控研究。例如，淡水生態(tài)學(xué)和水環(huán)境學(xué)長期關(guān)注河流及湖泊植物、動物和微生物，建立了河流連續(xù)統(tǒng)理論、湖泊水生態(tài)健康理論，揭示了連續(xù)統(tǒng)中生物類群結(jié)構(gòu)和功能特征、河流和湖泊健康機制等[8-9,82-83]。陸地上的植被、水土保持和面源污染控制研究認識了植被和景觀對地表物質(zhì)過程的各種效應(yīng)，揭示了一系列結(jié)構(gòu)和功能規(guī)律及工程效應(yīng)機制[12,45,84]。水體和陸地的生態(tài)學(xué)研究隨著學(xué)科自身發(fā)展和統(tǒng)籌山-水-林-田-湖-草的現(xiàn)實需要，有著把各自研究放在流域這個客觀尺度下，整體地、陸地-水體緊密聯(lián)系地研究“流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-機制-調(diào)控”的需求，發(fā)展流域生態(tài)學(xué)。但是，目前流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化研究并沒有自己的數(shù)量指標模型框架體系，無法使流域水體和陸地在理論上真正整合形成自己的研究范式，現(xiàn)有體系更多是借用景觀生態(tài)學(xué)和地貌學(xué)體系[36,48,59]。一個學(xué)科的生命力來源于內(nèi)生或自生的概念體系和理論建立，因此，流域生態(tài)學(xué)要想得到真正發(fā)展，必須在流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化研究上實現(xiàn)創(chuàng)新。

1.5.2 現(xiàn)有不足

盡管基于地貌結(jié)構(gòu)和景觀格局的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化指標體系可以借用到流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)量化中，并使陸地和水體的研究在理論上實現(xiàn)整合，完成“流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-機制-調(diào)控”的整體研究。但是，這些指標體系屬于地貌學(xué)、自然地理和景觀生態(tài)學(xué)學(xué)科內(nèi)生的概念體系。

流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的刻畫常常用下列結(jié)構(gòu)組成的概念體系：高地、濱岸帶、水體、河網(wǎng)、網(wǎng)間帶、湖泊(水庫、壩塘)、淺水帶、深水帶、光亮帶、急流、深潭、河灘、河岸帶、生態(tài)需水以及不同類型集合生態(tài)系統(tǒng)等。流域生態(tài)學(xué)家更關(guān)注這些結(jié)構(gòu)成分的等級結(jié)構(gòu)、功能、相互關(guān)系以及結(jié)構(gòu)成分的生物屬性，而基于地貌學(xué)的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)，幾乎不考慮生物；在流域中，水體不僅是流域結(jié)構(gòu)組成，而且是塑造流域形態(tài)及流域功能和健康維持的關(guān)鍵，而基于地貌學(xué)的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化對水體這個流域重要的結(jié)構(gòu)成分是不加考慮的。

基于景觀生態(tài)學(xué)的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化，在刻畫流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中具有廣泛應(yīng)用[85]。但是，流域生態(tài)學(xué)不僅要關(guān)注流域結(jié)構(gòu)成分(如河網(wǎng)、網(wǎng)間帶和湖泊)二維平面上的特征，聚焦流域水體成分的空間異質(zhì)性，還要建立流域生態(tài)系統(tǒng)等級結(jié)構(gòu)垂直空間關(guān)系的模型框架，使流域陸地和水體、水生和陸生、上游和下游的空間關(guān)系有機地聯(lián)系起來。流域是一個有明確界限的生態(tài)系統(tǒng)，流域生態(tài)學(xué)也特別關(guān)注流域生態(tài)系統(tǒng)大尺度整體空間形態(tài)對流域生態(tài)過程的影響。換句話說，景觀生態(tài)學(xué)方法可以作為刻畫流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)數(shù)量特征的模型框架體系，但是不能完全滿足以流域水循環(huán)為核心和驅(qū)動、尺度大于景觀的流域生態(tài)系統(tǒng)研究的要求。

基于集合生態(tài)系統(tǒng)和等級結(jié)構(gòu)的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)研究具有學(xué)科內(nèi)生性，但其結(jié)構(gòu)量化研究處于起步階段。本文在流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化中重點吸收了集合生態(tài)系統(tǒng)和等級結(jié)構(gòu)理論成果。

2 指標體系

流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化指標體系包括流域整體指標、(河)網(wǎng)間帶指標、河網(wǎng)指標、湖泊指標以及(河)網(wǎng)間帶-河網(wǎng)-湖泊相互關(guān)系指標。流域整體指標是對流域整體形狀和地形變異的量化。(河)網(wǎng)間帶指標是對流域(河)網(wǎng)間帶中集合生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的量化。河網(wǎng)指標和湖泊指標是對流域內(nèi)河流和湖泊的水體空間特征的量化。(河)網(wǎng)間帶-河網(wǎng)-湖泊相互關(guān)系指標是對流域(河)網(wǎng)間帶、河網(wǎng)和湖泊3個結(jié)構(gòu)成分空間關(guān)系的量化。

2.1 流域整體指標

(1)流域狹長度(Watershed Narroness,WN,WN),表示具有等流域面積圓的直徑(Dr)與流域主軸線平行的最大軸線長度(Lm)之比。其表達式為

(1)

式中:B為等面積圓的面積。

當(dāng)WN<1時，流域是長形的;當(dāng)WN=1時，流域是圓形的;當(dāng)WN>1時，流域是方形的。圓形流域降雨匯流快，短時間洪水量大，泄洪河道寬(如亞馬遜河流域);長形流域降雨匯流慢，短時間匯集洪水沒有同面積圓形流域大，泄洪河道相對較窄(如長江流域)(圖3)。流域圓度和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)指標中河道寬度、深度、長度具有相關(guān)性，并影響著流域生態(tài)水文過程及流域生態(tài)功能。

圖3 長形的長江流域和圓形的亞馬遜河流域Fig.3 Elongated Yangtze River Basin and Circular Amazon River Basin

(2)流域平均坡度(Mean Slope,MS，SM)，表示流域內(nèi)不同坡度的土地加權(quán)平均值。其表達式為

(2)

式中:Psi為第i坡度級土地面積占流域面積的百分比;Si為第i坡度級土地坡度。

隨著流域平均坡度增大，流域地表徑流量和地表物質(zhì)(營養(yǎng)物質(zhì))輸出量增加，流域生產(chǎn)力下降，耕地和人口數(shù)量減少。這種減少對流域生態(tài)系統(tǒng)又具有反饋作用。流域平均坡度調(diào)控著流域的主要生態(tài)過程和功能，并對經(jīng)濟社會產(chǎn)生深遠影響。

(3)流域平均地形起伏度(Topgraphical Undulating Degree，TUD,UTUD)。地形起伏度是某地理單元內(nèi)最高海拔與最低海拔之差。流域平均地形起伏度是流域內(nèi)全部地理單元地形起伏度的加權(quán)平均值。其表達式為

(3)

式中:PUi為第i地理單元面積占流域面積的百分比;Ui為第i地理單元的地形起伏度;Ei-max為第i地理單元的最高海拔;Ei-min為第i地理單元的最低海拔。

對于任意兩個地理單元，地形起伏度大者比小者表面積大，環(huán)境異質(zhì)性更高。根據(jù)環(huán)境異質(zhì)性-多樣性原理，地理單元能容納更多不同環(huán)境適應(yīng)性的生物種類，其生物多樣性高。

2.2 (河)網(wǎng)間帶指標

(1)生態(tài)系統(tǒng)垂直分布優(yōu)勢比(Dominant Ratio of Ecosystem Vertical Distribution，DREVD,RDREVD),指流域內(nèi)某類型的生態(tài)系統(tǒng)在不同海拔范圍內(nèi)分布的優(yōu)勢程度。該指標可以刻畫流域生態(tài)系統(tǒng)的垂直分布規(guī)律。其表達式為

(4)

式中:aij為第j個海拔范圍內(nèi)某類型生態(tài)系統(tǒng)第i個獨立斑塊的面積；A為流域面積。

(2)生態(tài)系統(tǒng)面積變異系數(shù)(Coefficient of Variation for Ecosystem Area,CVEA,CCVEA),指流域內(nèi)分離存在的某生態(tài)系統(tǒng)類型面積大小的變異程度。通常變異系數(shù)越大，生態(tài)系統(tǒng)各類型面積離散程度越大。其表達式為

(5)

式中:sj為第j類分離存在生態(tài)系統(tǒng)面積的標準差;m為第j類生態(tài)系統(tǒng)面積的平均值。

(3)生態(tài)系統(tǒng)連通度(Ecosystem Connectivity，EC,CE),指流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型分離斑塊之間物理連通形成結(jié)合體的程度，可分為生態(tài)系統(tǒng)類型水平和流域水平。該指標反映了流域內(nèi)集合生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流通水平。其表達式分別為

(6)

(7)

式中:CE-uv為第u類與第v類生態(tài)系統(tǒng)的連通度;Lk(v-u)為流域內(nèi)第u類與第v類生態(tài)系統(tǒng)類型之間第k條公共邊長;Piu和Pjv為第u類和第v類生態(tài)系統(tǒng)類型中第i、j斑塊邊界周長;Ltotal為流域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)類型斑塊兩兩之間公共邊長之和;Ptotal為流域內(nèi)所有生態(tài)系統(tǒng)類型斑塊周長之和;k≤i或j。

(4)生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性指數(shù)(Ecosystem Heterogeneity，EH,HE),指異質(zhì)性生態(tài)系統(tǒng)分布在流域中的程度。該值越大，流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)類型越多，異質(zhì)性越高;該值越小，同質(zhì)性越高。其表達式為

(8)

式中:PEi為第i類生態(tài)系統(tǒng)類型面積占流域面積的百分比。

(5)生態(tài)系統(tǒng)分散度(Ecosystem Dispersity，ED,DE)，指生態(tài)系統(tǒng)類型獨立且不和同類生態(tài)系統(tǒng)類型關(guān)聯(lián)分布的程度。其表達式為

(9)

式中:Ni為第i種生態(tài)系統(tǒng)類型獨立或分離開的斑塊數(shù)量。

流域內(nèi)包括農(nóng)田、森林、草地、城市、居民區(qū)等生態(tài)系統(tǒng)類型。流域生態(tài)系統(tǒng)類型分散度反映了該類生態(tài)系統(tǒng)對干擾的抵抗力，如發(fā)生森林火災(zāi)，分離的森林斑塊越多，對火災(zāi)的阻擋作用越強。該指標還包括流域生態(tài)系統(tǒng)類型總分散度(Total Ecosystem Dispersity，TED,DTED)和生態(tài)系統(tǒng)類型平均分散度(Mean Ecosystem Dispersity，MED,DMED)兩個擴展指標。其表達式分別為

(10)

(11)

式中:n為生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)。

2.3 河網(wǎng)指標

(1)河網(wǎng)密度(River Density，RD),指單位流域面積上河流的長度。該指標間接反映了流域地表物質(zhì)輸出能力。

(2)溝谷密度(Gorge Density，GD),指單位流域面積上溝谷的長度。該指標間接反映了河流源區(qū)物質(zhì)輸出能力。

(3)河流平均長度(Mean River Length，MRL)、平均寬度(Mean River Width，MRW)和平均深度(Mean River Depth，MRD)，間接反映了流域遠距離物質(zhì)輸出的能力。

(4)急流、深潭和河灘面積(Rapid-pool-bench Land Area，RPBLA)、周長(Rapid-pool-bench Land Perimeter，RPBLP)，間接反映了河道不同生境和發(fā)揮河流功能的優(yōu)勢性。

(5)河流縱比降(River Longitudinal Gradient，RLG),指河道最高點和最低點的海拔差與這兩點間的水平距離之比。該指標間接反映了河流勢能、流動速率和水流對河道的沖刷力。

(6)溝谷/河道縱比降比(Ratio of River and Gorge Longitudinal Gradient，RRGLG),反映了流域內(nèi)物質(zhì)產(chǎn)生沉積的程度及湖泊維持的能力。該比值大，說明上游河道比較陡，物質(zhì)容易沉積在下游，填平湖泊;該比值小，說明物質(zhì)沉積在上游較多，中下游湖泊不容易被淤積。

(7)河岸帶長度(Riparian Length，RL)，反映了河流發(fā)揮邊緣效應(yīng)的能力。

2.4 湖泊指標

(1)濱岸帶面積(Littoral Zone Area，LZA)、深水帶面積(Deep Water Zone Area，DWA)和淺水帶面積(Shallow Water Zone Area，SWZA)及其比值，反映了湖泊不同功能區(qū)域的大小及相對重要性。如果淺水帶和濱岸帶占優(yōu)勢，表明湖泊趨向于退化。

(2)湖泊平均水深(Lake Average Water Depth，LAWD)，反映了湖泊水體功能水平的強弱。

(3)湖泊周長(Lake Perimeter，LP)，反映了流域湖泊發(fā)揮邊緣效應(yīng)的能力。

(4)湖泊庫容(Lake Volume，LV)，反映了流域湖泊水資源提供能力。

2.5 (河)網(wǎng)間帶-河網(wǎng)-湖泊相互關(guān)系指標

(1)(河)網(wǎng)間帶生態(tài)系統(tǒng)類型-湖泊平均距離(Average Ecosystem-lake Distance，AELD)，指湖泊匯水區(qū)某種陸地生態(tài)系統(tǒng)類型斑塊中心到湖泊中心的平均距離。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，該指標越大，污染物輸送過程中水體自凈作用的機會增多，有利于湖泊健康;反之，則不利。對于森林生態(tài)系統(tǒng)，距離近則有利于湖泊健康。

(2)湖泊-陸地生態(tài)系統(tǒng)邊緣連通度(Terrestrial Ecosystem and Lake Edge Connectivity，TELEC,CTELEC)，指陸地生態(tài)系統(tǒng)類型和湖泊有共同邊界連通的程度，包括一個湖泊的計算和流域所有湖泊的平均值。其表達式為

(12)

式中:EE,ij為流域內(nèi)第j種生態(tài)系統(tǒng)類型第i段邊界和湖泊貼近連通的長度;LE為湖泊周長。

該指標反映了不同陸地生態(tài)系統(tǒng)類型和湖泊連接可能導(dǎo)致相互作用的水平。如果某流域森林生態(tài)系統(tǒng)的湖泊-陸地生態(tài)系統(tǒng)邊緣連通度高于農(nóng)田或城市生態(tài)系統(tǒng)，表明森林-湖泊間具有比農(nóng)田或城市-湖泊間更多的相互作用，有利于湖泊健康。

(3)湖泊-(河)網(wǎng)間帶面積比(Lake-interriver Zone Area Ratio，LIRZAR)，反映了湖泊和陸地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢性水平。

(4)湖泊匯水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型-湖泊面積比(Catchment Ecosystem Type-lake Area Ratio，CETLAR),指湖泊匯水區(qū)不同生態(tài)系統(tǒng)類型面積分別與湖泊面積之比，包括一個湖泊的計算和流域所有湖泊的平均值。該指標反映了流域的湖泊受哪種生態(tài)系統(tǒng)類型的影響更大。

(5)湖泊庫容-灌溉的生態(tài)系統(tǒng)類型面積比(Lake Storage-irrigated Ecosystem Area Ratio，LSIEAR)，指湖泊的水量與水資源所送達的生態(tài)系統(tǒng)類型面積之比。該指標反映了湖泊水資源對陸地生態(tài)系統(tǒng)的水源效應(yīng)大小。

(6)匯水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型面積-湖泊庫容比(Ecosystem Area-lake Area Ratio，EALAR)，指流域某種類型生態(tài)系統(tǒng)面積與湖泊庫容之比。該指標反映了某種生態(tài)系統(tǒng)對湖泊水資源的貢獻度。

(7)湖泊周長-河長比(Lake Perimeter and River Length Ratio，LPRLR,RLPRLR),指湖泊周長與2倍河長之比。該指標反映了河流和湖泊對陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的相對優(yōu)勢性。其表達式為

(13)

式中:LEi為流域內(nèi)第i個湖泊周長;LRj為流域內(nèi)第j條河流長度。

(8)河流面積-湖泊面積比(River-lake Area Ratio，RLAR)，反映了湖泊和河流生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢性水平。

(9)河流面積-(河)網(wǎng)間帶面積比(River and Inter-river Zone Area Ratio，RIZAR)。河流作為物質(zhì)輸出的通道，該指標反映了單位面積陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)輸出水平，也反映河流和陸地生態(tài)系統(tǒng)的相對優(yōu)勢性水平。

3 結(jié) 語

(1)“流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-過程-功能-機制-調(diào)控”相聯(lián)系的遞進關(guān)系是流域生態(tài)學(xué)的研究范式。構(gòu)建流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)數(shù)量指標體系并揭示流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)數(shù)量特征是流域生態(tài)學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。

(2)盡管流域生態(tài)學(xué)借助于地貌學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)的理論和方法可以分析和刻畫流域生態(tài)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)，但是滿足不了流域生態(tài)學(xué)以水文循環(huán)為核心和驅(qū)動、塑造和刻畫尺度大于景觀的陸地和水體關(guān)系以及上游和下游關(guān)系的要求。

(3)基于集合生態(tài)系統(tǒng)和等級結(jié)構(gòu)理論的流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)量化指標體系包括流域整體指標、(河)網(wǎng)間帶指標、河網(wǎng)指標、湖泊指標以及(河)網(wǎng)間帶-河網(wǎng)-湖泊相互關(guān)系指標。這些指標能反映陸地和水體關(guān)系、上游和下游關(guān)系。

(4)指標體系構(gòu)建和量化提出了一些流域生態(tài)學(xué)新指標和術(shù)語，建立了計算公式。這些指標和術(shù)語內(nèi)生于流域生態(tài)學(xué)，豐富了流域生態(tài)學(xué)學(xué)科概念體系。

(5)流域生態(tài)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)指標體系中各指標及流域生態(tài)過程和功能關(guān)系研究，進一步揭示流域生態(tài)系統(tǒng)運行機制，并實現(xiàn)流域山-水-林-田-湖-草生命共同體的有效調(diào)控和管理，是流域生態(tài)學(xué)值得進一步開展的工作。

在長安大學(xué)七十周年華誕之際，謹以此文表示祝賀！祝愿長安大學(xué)百尺竿頭更進一步！