王文杰，張哲，王維，劉孝富，許超

中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境信息科學(xué)研究所，北京 100012

“健康”通常是指人體或其他生命體處于正常運(yùn)作狀態(tài)，沒有疾病。1941年美國生態(tài)學(xué)家Leopold［1］提出生態(tài)系統(tǒng)健康概念之后，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的研究受到廣泛關(guān)注，從森林、草地、濕地、農(nóng)田以及河湖等單一生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)［2-6］，到區(qū)域、流域生態(tài)系統(tǒng)健康研究［7-10］;人們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康理念及評(píng)價(jià)方法的關(guān)注日益深入;同時(shí)也為生態(tài)系統(tǒng)綜合管理引入了新的保護(hù)框架體系，流域生態(tài)系統(tǒng)綜合管理更是得到許多學(xué)者和決策者的關(guān)注［11］。

流域是具有獨(dú)特自然條件和生態(tài)特征的一個(gè)地理單元［12］，其以豐富的水資源維系著人類的生存、支撐著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，并作為棲息地為維持物種多樣性提供保障，在調(diào)節(jié)徑流、涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)和維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面起著重要作用，是環(huán)境物質(zhì)過程的主要源和匯;同時(shí)，流域也是人類社會(huì)活動(dòng)相對(duì)活躍的區(qū)域［13］，是資源供求、人與自然、發(fā)展與水環(huán)境保護(hù)之間的矛盾沖突集中體。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源利用和水污染排放強(qiáng)度不斷增大，幾大流域出現(xiàn)了不同程度的生態(tài)系統(tǒng)退化和水體污染，水環(huán)境問題已經(jīng)成為威脅我國流域生態(tài)質(zhì)量和人口健康的突出問題［14］。

20世紀(jì)80年代開始，國外有關(guān)部門和學(xué)者開展了流域生態(tài)健康評(píng)估相關(guān)研究，如美國國家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)提出的快速生物評(píng)價(jià)協(xié)議(rapid bioassessment protcols，RBPs)［15］、澳大利亞政府提出的河流狀況指數(shù)(index of stream condition，ISC)［16］以及南非水務(wù)及森林部提出的棲息地完整性指數(shù)(index of habitat integrity，I-HI)［17］等;近幾年，國外在流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)模型和指標(biāo)體系方面也開展了大量研究［18-20］。我國開展流域生態(tài)健康研究相對(duì)較晚，20世紀(jì)90年代開始，側(cè)重生態(tài)系統(tǒng)健康相關(guān)概念與評(píng)估理論方法研究，逐漸出現(xiàn)了多以湖泊、河流等水生生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境質(zhì)量為主的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估。劉國彬等在1999年完成《生態(tài)環(huán)境健康診斷指南》專著［21］的基礎(chǔ)上，提出了“流域生態(tài)健康診斷”研究。隨后出現(xiàn)了許多以流域?yàn)閱卧纳鷳B(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)案例研究，如付愛紅等［22］從自然因子和人為因子兩方面對(duì)塔里木河流域生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)估;羅躍初等［10］對(duì)流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探討。目前，我國有關(guān)流域生態(tài)健康的研究仍處于起步階段，許多相關(guān)研究工作比較缺乏或者不規(guī)范，對(duì)流域生態(tài)健康的評(píng)價(jià)或側(cè)重于水體環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)，或以水生物、陸地生態(tài)系統(tǒng)為主要評(píng)價(jià)內(nèi)容，多數(shù)研究沒有系統(tǒng)地分析影響流域生態(tài)健康的水域、岸邊帶和陸域的狀況，也未考慮污染物從陸源產(chǎn)生至水域匯集的生態(tài)過程以及該過程中的主導(dǎo)功能差異;流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基本框架不統(tǒng)一，指標(biāo)體系還有待歸納和完善。

筆者根據(jù)水文過程和生態(tài)服務(wù)功能空間構(gòu)成的差異性，以水域(河流)、岸邊帶和陸域?yàn)樵u(píng)價(jià)對(duì)象，以維持流域生態(tài)服務(wù)功能為主線，分別從流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)脅迫等方面，對(duì)流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架和指標(biāo)體系構(gòu)建進(jìn)行了研究，以期為正確識(shí)別人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響及程度，確定流域生態(tài)修復(fù)、環(huán)境管理目標(biāo)和優(yōu)先次序，實(shí)現(xiàn)流域的可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 流域生態(tài)健康的內(nèi)涵與評(píng)價(jià)對(duì)象

1.1 內(nèi)涵

流域生態(tài)健康是在生態(tài)系統(tǒng)健康和河流健康的基礎(chǔ)上提出的。Constanza［23］從系統(tǒng)可持續(xù)性能力的角度出發(fā)，提出采用系統(tǒng)活力(vigor)、系統(tǒng)組織指數(shù)(organization)以及系統(tǒng)彈性指數(shù)(resilience)描述生態(tài)系統(tǒng)健康內(nèi)涵;Rapport［24］在1998年提出度量生態(tài)系統(tǒng)健康的八個(gè)方面，包括活力、組織結(jié)構(gòu)、恢復(fù)力、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的維持、管理選擇、外部補(bǔ)貼、對(duì)鄰近系統(tǒng)的危害和對(duì)人類自身健康的影響;Cairns等［25］指出，流域生態(tài)健康的定義應(yīng)包括流域滿足人類需求和愿望的程度;US EPA［26］指出，健康的流域生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)具有維持水生、河岸生物的棲息生境和河流連通性，為生物提供棲息地和避難所，自然水文過程，具有必要的自然干擾，良好的水質(zhì)和具有自維持能力的水生、河岸生物群落。姜付仁等［27］提出，流域可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵即在維持生態(tài)、環(huán)境和水文整體性的同時(shí)，滿足社會(huì)發(fā)展目標(biāo);李春暉等［28］認(rèn)為，流域生態(tài)健康是指流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)沒有疾病，具有自我維持和對(duì)各種干擾的恢復(fù)能力，經(jīng)濟(jì)上可行，且不損害鄰近的生態(tài)系統(tǒng)以及人類自身的健康。

總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)理論研究得出，健康流域的基本特征應(yīng)包括:1)物理、化學(xué)和生物的結(jié)構(gòu)完整性，流域自然景觀組分、格局完整是健康流域的重要表征，流域內(nèi)擁有維護(hù)流域水文響應(yīng)的自然森林、岸邊帶自然濕地、河流自然通道、生物棲息地以及防止污染物進(jìn)入水體的緩沖區(qū)等。2)生態(tài)功能發(fā)揮良好，包括自然生態(tài)功能和社會(huì)服務(wù)功能，河道不斷流，保持一定的生態(tài)需水量，以維持水文化學(xué)循環(huán)過程;良好的水質(zhì)，保證人類生產(chǎn)生活水資源的維持;擁有水生生物棲息地和避難所，使物種群落具有自我維持的能力;岸邊帶自然植被覆蓋和連續(xù)性好，且擁有天然濕地，具有污染阻隔和調(diào)蓄洪水的能力;陸域的自然景觀能夠提供良好的水源涵養(yǎng)、土壤保持和生物多樣性保護(hù)功能。3)人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的脅迫較小，流域生態(tài)系統(tǒng)在人類活動(dòng)干擾下，能夠自我恢復(fù);人類活動(dòng)產(chǎn)生的污染物隨著流域地表的各種生態(tài)循環(huán)過程而得到自凈和降解。

基于以上內(nèi)容，筆者認(rèn)為流域生態(tài)健康是指流域生態(tài)系統(tǒng)處于良好的平衡狀態(tài)，保持物理、化學(xué)及生物完整性，能為人類提供不同生態(tài)產(chǎn)品或服務(wù)功能，并對(duì)自然和人為干擾具有一定的自我調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力。流域生態(tài)健康主要體現(xiàn)在:1)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，流域上下游以及陸域和河流水域保持密切的聯(lián)系;2)功能完善，流域非生物組分不發(fā)生大規(guī)模的流失，能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及生物群落的完整性和多樣性;3)生物生境面對(duì)自然和人為的適度干擾，具備彈性恢復(fù)力，污染因子從陸源到水體匯集的過程中得到自凈和降解，污染因子的匯集不超出流域的降解能力。

1.2 評(píng)價(jià)對(duì)象

流域是由河網(wǎng)水系作為廊道，將陸域、岸邊帶和水域相連接而構(gòu)成的相對(duì)獨(dú)立和完整的集水區(qū)域，流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)不僅需要對(duì)流域內(nèi)的河網(wǎng)、湖泊，岸邊帶自然結(jié)構(gòu)，陸域植被等自然生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行考慮，還要分析流域內(nèi)各種人為開發(fā)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合影響。河流水系具有通道和源匯功能，連續(xù)、流動(dòng)和完整的河流水系是流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的首要對(duì)象;水陸交錯(cuò)帶是流域生態(tài)健康研究的重要地帶，具有早期預(yù)警功能，是流域生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征［29］;流域內(nèi)的土地利用格局、城市化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況等也是流域生態(tài)健康的評(píng)價(jià)內(nèi)容。因此，結(jié)合流域空間組分格局，根據(jù)水文過程和生態(tài)功能空間差異性，將流域單元?jiǎng)澐譃樗?河流)、岸邊帶和陸域三部分，并以此為評(píng)價(jià)對(duì)象開展流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)(圖1)。

水域是指由河槽中的水體、水生生物群落以及河源、河床等河流的邊界所構(gòu)成的水生態(tài)系統(tǒng);水域?yàn)槿祟愄峁┧Y源，為水生生物提供棲息生境，水質(zhì)的變化直接影響人類和水生物的健康。岸邊帶是指常年平均水位至最高洪水位的水陸生態(tài)過渡帶;包括河漫灘、沼澤、濕地、護(hù)岸林等組分類型，兼有水域和陸地生態(tài)系統(tǒng)的雙重屬性，其特殊的結(jié)構(gòu)和功能使得岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)具有凈化水體、穩(wěn)定河岸、保護(hù)物種多樣性、調(diào)節(jié)微氣候和美化環(huán)境等重要的生態(tài)功能。陸域是指從岸邊帶向外擴(kuò)展到流域分水嶺之間的陸地區(qū)域;陸域生態(tài)系統(tǒng)為多種生物提供了棲息環(huán)境，為人類提供了水源涵養(yǎng)、土壤保持、生物多樣性保護(hù)和產(chǎn)品提供等多種功能。

圖1 流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)對(duì)象Fig.1 Objects of healthy watershed assessment

1.3 流域最小評(píng)價(jià)單元

流域是由不同等級(jí)尺度的匯水區(qū)域和具有水文功能的連續(xù)體組成的自然地理單元［30］，流域生態(tài)系統(tǒng)格局和過程在不同尺度上會(huì)表現(xiàn)出不同的特征［31］，因此，選定合適的流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)尺度單元對(duì)于認(rèn)識(shí)流域生態(tài)系統(tǒng)的格局、生態(tài)與水文過程，進(jìn)行流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)框架的設(shè)計(jì)和指標(biāo)體系構(gòu)建至關(guān)重要。

流域大小是一個(gè)相對(duì)的概念，通常小流域都嵌套在更大一級(jí)的流域里［32］，各小流域的生態(tài)健康狀況匯成整個(gè)流域的健康特征，整個(gè)流域的健康狀況又影響其內(nèi)部的小流域。以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià)的方法已經(jīng)得到較多應(yīng)用，如吳炳方等［33-34］提出的研究方法，不僅可以從微觀到宏觀進(jìn)行多尺度的健康分析，還能體現(xiàn)流域內(nèi)部的生態(tài)健康狀況空間差異。但小流域?qū)僮匀坏孛矄卧覈纳鷳B(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理通常是以行政區(qū)劃為單元而開展，因此，難以與管理較好銜接。

為便于流域生態(tài)系統(tǒng)健康保護(hù)和綜合管理，采用GIS水文分析和GIS空間疊加方法，綜合考慮流域組成的最小自然單元(集水盆)和最小行政單元(鄉(xiāng)鎮(zhèn))空間疊置關(guān)系及其組合的一致性，確定流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的最小單元。分析流域內(nèi)最小評(píng)價(jià)單元的健康狀況空間特征及差異，進(jìn)而推測(cè)整個(gè)流域的健康狀況(圖2)。

圖2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐址椒皯?yīng)用Fig.2 The evaluation units division method and its application

2 流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架

2.1 基本框架的構(gòu)建

流域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是通過研究流域環(huán)境物質(zhì)過程的主要源匯關(guān)系，系統(tǒng)分析水域、岸邊帶和陸域生態(tài)系統(tǒng)過程特征和差異性，及其物質(zhì)循環(huán)與信息能量流動(dòng)關(guān)系。發(fā)生在水域的生態(tài)過程主要包括河流匯流水文過程、泥沙運(yùn)移輸送、水質(zhì)變化、水生生物洄游遷徙等［32］;岸邊帶對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)、能量流和信息流起到廊道、過濾器和屏障作用，主要生態(tài)過程包括污染阻隔吸附、水文交匯調(diào)蓄、為鳥類和水生生物提供生物遷徙棲息生境等;陸域生態(tài)系統(tǒng)具有重要的涵養(yǎng)水源和土壤保持作用，生態(tài)過程包括降水截留吸收、水土養(yǎng)分循環(huán)、產(chǎn)品生產(chǎn)、生物多樣性以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等(圖3)。

圖3 流域生態(tài)系統(tǒng)過程示意Fig.3 The processes of watershed ecosystem

同時(shí)，流域是由河網(wǎng)作為銜接廊道，由森林、濕地、城鎮(zhèn)等不同生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的綜合景觀，需考慮景觀生態(tài)系統(tǒng)的廊道、斑塊等景觀組成與空間格局，針對(duì)水域、岸邊帶和陸域的結(jié)構(gòu)特征，將該生態(tài)系統(tǒng)的類型組成及空間格局納入流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)框架體系。

2.2 基本框架的主要內(nèi)容

從流域生態(tài)健康的內(nèi)涵出發(fā)，以流域生態(tài)學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組分及景觀格局反映了流域的物理、化學(xué)及生物完整性;水域、岸邊帶和陸域以不同的生態(tài)系統(tǒng)過程和服務(wù)功能為主導(dǎo)，各評(píng)價(jià)對(duì)象的主導(dǎo)功能發(fā)揮良好是流域生態(tài)健康內(nèi)涵的重要表征。同時(shí)，流域生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵還體現(xiàn)在面對(duì)自然及人為的各種生態(tài)脅迫壓力下，流域生態(tài)系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)力和恢復(fù)能力，而生境干擾、污染負(fù)荷、濕地退化和人為干擾等脅迫狀況則體現(xiàn)了流域所承受的壓力大小，從而反映了流域生態(tài)系統(tǒng)健康的脆弱程度。因此，流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架是在結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程的基礎(chǔ)上，通過評(píng)估水域、岸邊帶和陸域的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和脅迫三方面構(gòu)建起來(圖4)。

基本框架的主要內(nèi)容:1)評(píng)價(jià)對(duì)象的空間組分構(gòu)成以及格局狀況，包括自然和人為景觀的組分構(gòu)成、河流生境以及陸地景觀格局等;2)評(píng)價(jià)對(duì)象所提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮狀況，包括水源涵養(yǎng)、土壤保持、生物多樣性和洪水調(diào)蓄等，不同的評(píng)價(jià)對(duì)象發(fā)揮的主導(dǎo)功能有差異;3)自然及人類活動(dòng)對(duì)水域、岸邊帶和陸域所構(gòu)成的脅迫或壓力狀況。以上三者相互聯(lián)系、相互影響，形成流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架的主要內(nèi)容，反映了流域生態(tài)健康內(nèi)涵，綜合體現(xiàn)了流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

圖4 流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)基本框架的構(gòu)建過程Fig.4 Assessment framework of healthy watershed construction

3 流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則

流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系既不是一組指標(biāo)的獨(dú)立出現(xiàn)，也不是一組指標(biāo)的簡單堆砌，而是多方面測(cè)度指標(biāo)組成的有機(jī)綜合體。為比較全面地反映流域生態(tài)結(jié)構(gòu)格局狀況、生態(tài)功能和生態(tài)脅迫狀況，該指標(biāo)體系構(gòu)建需遵循以下原則。

(1)科學(xué)性原則:指標(biāo)體系構(gòu)建具有科學(xué)性與合理性，能夠突出反映流域生態(tài)健康狀況及與其息息相關(guān)的關(guān)鍵問題和優(yōu)先區(qū)域，便于掌握這些問題的狀態(tài)和變化趨勢(shì)。

(2)系統(tǒng)性原則:充分反映和體現(xiàn)流域生態(tài)健康的內(nèi)涵，按照評(píng)價(jià)基本框架，系統(tǒng)地表征流域生態(tài)系統(tǒng)中水域、岸邊帶和陸域的結(jié)構(gòu)和功能特征，通過其綜合效應(yīng)來全面刻畫流域生態(tài)健康狀況。

(3)簡明性原則:指標(biāo)體系既涵蓋流域生態(tài)健康的主要方面，指標(biāo)數(shù)量又不宜過多且彼此獨(dú)立，避免指標(biāo)體系過于冗長和繁雜。

(4)可操作性原則:指標(biāo)體系中包括的指標(biāo)應(yīng)容易測(cè)度，計(jì)算指標(biāo)所需數(shù)據(jù)可獲取性強(qiáng)且比較可靠。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

流域是一個(gè)社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不僅包括流域內(nèi)的自然生態(tài)要素，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)要素也是流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的主要因素。分別從流域生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、脅迫以及存在的主要問題調(diào)查與研究著手，選擇生物、水質(zhì)、生境、景觀、人類擾動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

水域生態(tài)健康評(píng)價(jià)主要從水生生境、生物完整性和水生態(tài)脅迫三個(gè)要素分析;岸邊帶生態(tài)健康評(píng)價(jià)主要從生態(tài)結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能和生態(tài)脅迫三個(gè)要素分析。陸域生態(tài)健康評(píng)價(jià)主要從生態(tài)格局、生態(tài)功能和生態(tài)脅迫三個(gè)要素分析［35］(表1)。

表1 流域生態(tài)健康評(píng)估指標(biāo)體系Table 1 The index of watershed ecosystem health

(續(xù)表1)

4 結(jié)論

(1)流域生態(tài)健康的內(nèi)涵包括生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物完整性，生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮狀況，以及脅迫作用下的自我凈化和恢復(fù)力三方面。

(2)結(jié)合研究目的和管理需求，以GIS為主要技術(shù)手段，依據(jù)流域生態(tài)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、群落組成以及主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能和影響因素的差異，以水域、岸邊帶和陸域?yàn)樵u(píng)價(jià)對(duì)象;并考慮流域自然地理單元與我國現(xiàn)行的行政管理區(qū)劃的空間疊置關(guān)系，確定流域最小評(píng)價(jià)單元。

(3)從流域生態(tài)系統(tǒng)健康的內(nèi)涵出發(fā)，結(jié)合評(píng)價(jià)對(duì)象和評(píng)價(jià)單元特征，分別從水域、岸邊帶和陸域的生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能和生態(tài)脅迫三方面構(gòu)建流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基本框架，并在此基礎(chǔ)上建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

流域生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，致使流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)涉及的內(nèi)容多且相互關(guān)系復(fù)雜。該文僅從宏觀尺度提出了流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)的基本框架和指標(biāo)體系，隨著對(duì)流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)研究的不斷深入，還需通過特定流域的生態(tài)健康評(píng)價(jià)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步完善。流域生態(tài)健康評(píng)價(jià)可為流域生態(tài)功能分區(qū)、流域生態(tài)功能保護(hù)紅線劃定、流域分區(qū)控制管理以及流域生態(tài)補(bǔ)償?shù)确矫娴难芯刻峁┘夹g(shù)支撐，為流域生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和綜合管理提供參考依據(jù)，以保障流域可持續(xù)地、健康地發(fā)展。

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