瞿書銳

（重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站重慶404000）

國外河流生態(tài)分類對我國河流水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的啟示

瞿書銳

（重慶市萬州區(qū)環(huán)境監(jiān)測站重慶404000）

河流水環(huán)境狀況關(guān)系到社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展與和諧社會的建立；當(dāng)前，在國際上，河流生態(tài)分類是一種行之有效的河流水環(huán)境管理框架。本文簡要回顧了國外河流生態(tài)分類在理論方法和實現(xiàn)手段方面的研究進展，闡述了我國一、二、三級河流水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的方法與實現(xiàn)途徑。

河流景觀；斑塊；結(jié)構(gòu)；過程；進展

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展與環(huán)境保護工作的相對滯后，我國河流生態(tài)系統(tǒng)日益退化、河流水環(huán)境狀況逐漸惡化，急需對河流生態(tài)系統(tǒng)加強管理。近年來，河流生態(tài)分類（區(qū)）作為一種河流生態(tài)管理的空間框架，在河流水環(huán)境管理上的應(yīng)用取得了良好的成效，如美國在Omernik提出的水生態(tài)區(qū)[1]框架基礎(chǔ)上設(shè)置監(jiān)測站點，開展健康評估，制定標(biāo)準(zhǔn)，對其河流水環(huán)境的改善發(fā)揮了重要的作用。本文在回顧國內(nèi)外河流生態(tài)分類研究基礎(chǔ)上，對我國正在開展的河流水環(huán)境生態(tài)功能三級分區(qū)工作提出初步的設(shè)想。

1　河流生態(tài)分類

所謂河流生態(tài)分類是將河流生態(tài)系統(tǒng)作為分類對象，將河流景觀劃分為相對同質(zhì)的單元；通過河流生態(tài)分類將河流水生態(tài)結(jié)構(gòu)與過程的空間差異性進行層次化和等級化[2]。作為一種針對水生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)劃體系，它能反映水生生物及其自然環(huán)境的特征，使水環(huán)境管理從單一的水質(zhì)管理轉(zhuǎn)變?yōu)檎w的水生態(tài)管理，從水化學(xué)指標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)樗鷳B(tài)指標(biāo)，并為管理者和科學(xué)家提供環(huán)境管理與規(guī)劃預(yù)測等方面的服務(wù)。

2　國外河流生態(tài)分類的研究進展

河流生態(tài)分類由Frissell[2]首次將陸地生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)理念引入河流水生態(tài)系統(tǒng)而提出，按河流物理結(jié)構(gòu)在組織生態(tài)系統(tǒng)中的重要性將河流系統(tǒng)劃分為流域、河片、區(qū)、河段、形態(tài)單元和水動力學(xué)群落生境區(qū)6個等級體系，其劃分的指標(biāo)為潛在的生產(chǎn)能力（流域尺度上的氣候、地質(zhì)、地形、土壤、生物相，河片尺度上的河槽坡度、形狀以及河流級數(shù)）與棲息地單元（河段尺度的結(jié)構(gòu)和基質(zhì)以及棲息地特征）。但基于結(jié)構(gòu)的分類未能完全體現(xiàn)河流空間結(jié)構(gòu)屬性。實質(zhì)上，河流在其空間結(jié)構(gòu)上具有4維屬性，即：（1）在縱向上，河流是一個狹長的線狀網(wǎng)絡(luò)，從河源至河口發(fā)生著物理的、化學(xué)的和生物的連續(xù)變化，河流是一個具有生物適應(yīng)性的有機體；（2）在橫向上，河流系統(tǒng)與高地系統(tǒng)、河泛平原存在著物質(zhì)與能量的交換，河流的物質(zhì)與能量主要來源于高地系統(tǒng)的生產(chǎn)，而河泛區(qū)平原的存在又是由于河流所帶來的物質(zhì)所形成的；（3）在垂直方向上，河流與地下水發(fā)生交換，地下水是河道基流的主要來源，對河川徑流水文要素和化學(xué)成分有所影響，而河流也通過滲漏和側(cè)向補充著岸帶周圍的地下水；（4）在時間維上，河流系統(tǒng)的時間尺度在多方面有所體現(xiàn)，如河道形態(tài)可能需要很長時期的自然改變，即使是由于人類活動的改變也需要幾十年才顯現(xiàn)出來。因此，基于Frissell結(jié)構(gòu)的分類體系在實用性上受到了限制，如Rohm et al.[3]的研究表明，基于結(jié)構(gòu)的分類能作為河流分類的地理框架，但不足以應(yīng)用于小尺度上的魚群分類、預(yù)測資源格局以及生物損傷的診斷。然而，在大中尺度上基于河流景觀結(jié)構(gòu)的河流生態(tài)分類具有明顯的優(yōu)勢，一方面，在大中型尺度上，基于結(jié)構(gòu)的河流分類能夠較好地解釋生物多樣性和生產(chǎn)力的變化、預(yù)測大型無脊椎動物的物種生活史和行為特性以及預(yù)測沖積系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)河床形態(tài)、谷底和河流類型的分布；另一方面，基于結(jié)構(gòu)的分類簡化了生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)特征之間的內(nèi)在聯(lián)系通過去趨勢對應(yīng)分析DCA、蒙特卡羅隨機測試等分析技術(shù)進行量化，便于在廣闊尺度上進行分類；此外，基于結(jié)構(gòu)的分類多采用定性地圖疊置的途徑進行，該方法具有對數(shù)據(jù)多寡和精度要求低、便于在大的區(qū)域范圍內(nèi)實施等優(yōu)點。

基于結(jié)構(gòu)的分類將河流看作是連續(xù)的，而事實上由于河流橫向、垂向關(guān)聯(lián)的強度沿著河網(wǎng)發(fā)生變化，從而出現(xiàn)了河流連續(xù)統(tǒng)的不連續(xù)性，呈現(xiàn)出“斑塊”的分布特征。斑塊是相對同質(zhì)的非生物及生物的結(jié)構(gòu)和功能“單元”，它是形成生態(tài)系統(tǒng)異質(zhì)性的重要原因，而異質(zhì)性的程度在決定生物分布特征以及景觀的非生物功能中起著關(guān)鍵的作用[4]。對于任何生態(tài)系統(tǒng)而言，不同尺度上的結(jié)構(gòu)以及過程斑塊就形成了一種鑲嵌的、交互式的分層結(jié)構(gòu)。而河流的這種“斑塊鑲嵌”結(jié)構(gòu)，很大程度上是由重要的河流過程所產(chǎn)生的，其中河槽對于擾動的響應(yīng)/回復(fù)過程與物質(zhì)傳輸過程為其主要的過程。基于此，一些學(xué)者采用景觀生態(tài)學(xué)中的斑塊鑲嵌理論，提出了基于河流過程的分類解釋河流生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局。如Whiting和Bradley[5]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)：源頭水河槽的響應(yīng)/回復(fù)過程是由河槽形態(tài)、泥石流的撞擊速度及頻率、河槽基質(zhì)大小以及沉積物運送速率控制的，因此以其作為指標(biāo)對河流源頭段進行分類。因此，與河流景觀結(jié)構(gòu)劃分主要應(yīng)用于大中型尺度的河流生態(tài)分類相比，基于河流過程的劃分更適用于中小型尺度的河流生態(tài)分類。

綜上所述，河流生態(tài)分類在理論與方法上經(jīng)歷了由基于結(jié)構(gòu)進行分類向基于過程進行分類的轉(zhuǎn)變，進而演變?yōu)閷⒔Y(jié)構(gòu)分類和過程分類有機融合的發(fā)展歷程。與此同時，實現(xiàn)河流生態(tài)分類的技術(shù)也在不斷發(fā)生變化，由早期主要采用地圖疊置的定性分區(qū)演變?yōu)楫?dāng)前以定量分析為主的、定性分析為輔的分區(qū)途徑；定量分析所采用的方法主要為主成分分析、聚類分析、相關(guān)分析、對應(yīng)分析、逐步判別分析等數(shù)理統(tǒng)計分析技術(shù)或者空間回歸樹（SPARTA）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等數(shù)學(xué)模型方法。相比傳統(tǒng)的定性地圖疊置分區(qū)，當(dāng)前的分區(qū)途徑需要大量的、具有較高精度的數(shù)據(jù)，使得分區(qū)過程更為嚴(yán)謹(jǐn)、客觀。

3　對我國河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)的啟示

由于我國從東到西、由南至北地形的差異導(dǎo)致出現(xiàn)多樣的河流景觀分布格局、氣候的差異導(dǎo)致河流流量的多樣性變化以及社會經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的不平衡導(dǎo)致的河流水環(huán)境狀況的差異，使得在大中尺度與中小尺度上流域水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)的方法、指標(biāo)因子與實現(xiàn)技術(shù)上存在差異。

在大中型尺度上，氣候、地勢地貌、河流級數(shù)、土壤、植被類型、土地利用方式等流域背景結(jié)構(gòu)因子，它們通常在整個流域內(nèi)部發(fā)生連續(xù)的、顯著的變化，并能進一步引起其它重要的結(jié)構(gòu)特征因子也隨之發(fā)生改變。立足于全流域，它們很可能是流域生態(tài)系統(tǒng)空間差異性的主要成因，所以我國流域一二級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)在立足結(jié)構(gòu)劃分基礎(chǔ)上，可選擇氣候、地勢地貌、巖性、河流級數(shù)、土壤、植被類型、土地利用類型等作為分區(qū)指標(biāo)。從實現(xiàn)技術(shù)而言，流域的這些結(jié)構(gòu)特征信息相對易于從現(xiàn)有的地形圖、水系分布圖、遙感圖等資源中提取，分析其空間結(jié)構(gòu)的分形特征，從而在廣闊尺度上，以地圖疊置法為主、以特征因子的歐式距離為輔進行區(qū)域的差異性分析，結(jié)合專家意見進行不同區(qū)域的邊界劃分，從而實施一、二級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)。例如孟偉等[6]選擇遼河流域的氣候、徑流深度、地貌、土壤、植被和土地利用類型作為指標(biāo)因子，以地圖疊置為手段，最終實現(xiàn)了一、二級水環(huán)境生態(tài)分區(qū)。

在中小型尺度上，河岸坡度、河流形態(tài)、相鄰的土地利用的變遷、河岸植被、水文、基質(zhì)類型、河槽內(nèi)的大型木屑等棲息地特征因子決定著河槽響應(yīng)/回復(fù)、物質(zhì)傳輸?shù)壬鷳B(tài)過程，而這些過程形成的是河流景觀特殊的斑塊結(jié)構(gòu)，并通過控制資源的有效性而最終影響了河流局部區(qū)域內(nèi)的生物群落。因此，我國流域三級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)在立足過程分區(qū)基礎(chǔ)上，可選擇相鄰?fù)恋乩玫淖冞w、河岸坡度、河流形態(tài)、河岸帶植被、基質(zhì)類型、水文特征、河槽內(nèi)的大型木屑等作為分區(qū)指標(biāo)。依據(jù)所選擇的指標(biāo)，結(jié)合分區(qū)對精度的要求，選取流域內(nèi)具有典型性及代表性的地點合理布設(shè)監(jiān)測點，通過監(jiān)測點的野外調(diào)查與實驗分析、并結(jié)合提取已有信息獲取的指標(biāo)數(shù)據(jù)，建立指標(biāo)因子數(shù)據(jù)庫；在二級分區(qū)的基礎(chǔ)上，運用主成分分析、聚類分析、相關(guān)分析、對應(yīng)分析、逐步判別分析等定量分析技術(shù)手段確定不同區(qū)域的同質(zhì)性與異質(zhì)性，在以水定陸的理念指導(dǎo)下最終實現(xiàn)流域三級水環(huán)境生態(tài)功能分區(qū)。

4　結(jié)語

由Frissell首次將陸地生態(tài)系統(tǒng)的分區(qū)理念引入河流水生態(tài)系統(tǒng)而提出的河流生態(tài)分類是以河流生態(tài)系統(tǒng)作為分類對象，將河流景觀劃分為相對同質(zhì)的單元，通過河流生態(tài)分類將河流水生態(tài)結(jié)構(gòu)與過程的空間差異性進行層次化和等級化。國外的河流生態(tài)分類從理論方法上可分為基于結(jié)構(gòu)的大中型尺度及基于過程的中小型尺度河流生態(tài)分類兩種，從實現(xiàn)技術(shù)上多采用地圖疊置為主的定性分區(qū)以及多種數(shù)理統(tǒng)計方法為代表的定量分區(qū)。我國的大中型尺度，即一、二級河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)中適用基于結(jié)構(gòu)的、定性地圖疊置為主的分區(qū)；中小型尺度，即三級河流水環(huán)境生態(tài)分區(qū)適用基于過程的、多變量定量分析為主的分區(qū)。

[1]Omernik,J.M.Ecoregions of the conterminous United States(Map Supplement)[J].Annals of the Association of American Geographers, 1987,77(1):118-125.

[2]Frissell,C.A.,W.J.Liss,C.E.Warren,and M.D.Hurley.A hierarchical framework for stream habitat classification:viewing streams in a watershed context[J].Environmental Management,1986,10:199-214.

[3]Rohm,C.M.,J.W.Geise,and C.C.Bennett.Evaluation ofan aquatic ecoregions classification ofstreams in Arkansas[J].Journal of Freshwater Biology,1987,4:127-140.

[4]Forman,R.T.T.and M.Godron.Landscape Ecology[R].John Wiley and Sons,NewYork,1986.

[5]Whiting,P.J.and J.B.Bradley.A process-based classification system for headwater streams[J].Earth Surface Processes and Landforms, 1993,18:603-612.

[6]孟偉,張遠,鄭丙輝.遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2007,27(6):911-918.

瞿書銳，男，漢族，碩士學(xué)位，中級職稱，從事環(huán)境變化、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境生態(tài)相關(guān)研究。