林 蔚, 徐建剛, 楊 帆

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510640; 2.南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093; 3.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

汀江上游流域生態(tài)水文分區(qū)研究

林 蔚1,3, 徐建剛2, 楊 帆3

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院, 廣州 510640; 2.南京大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,南京 210093; 3.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

為反映生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律，理解人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)水文系統(tǒng)的干擾規(guī)律，為流域資源開發(fā)、災(zāi)害預(yù)防和生態(tài)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。以汀江上游流域?yàn)槔缘匦?、土壤、植被、水文、水資源與人口統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，從生態(tài)現(xiàn)狀、水文條件、生態(tài)背景和人類活動(dòng)4個(gè)方面共14個(gè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)各個(gè)子流域指標(biāo)的特征值。采用主成分分析和聚類分析的方法將汀江上游流域內(nèi)35個(gè)子流域劃分為五類生態(tài)水文分區(qū)，并對(duì)每個(gè)分區(qū)的特征指標(biāo)進(jìn)行分析并命名，同時(shí)基于分區(qū)結(jié)果提出了相應(yīng)的生態(tài)調(diào)控措施。分區(qū)結(jié)果能夠揭示汀江上游流域生態(tài)水文特征空間上的差異性和相似性以及人類活動(dòng)的影響，能夠指導(dǎo)具有不同生態(tài)水文特征的區(qū)域進(jìn)行因地制宜的發(fā)展。

生態(tài)水文分區(qū); 主成分分析; 聚類分析; 生態(tài)調(diào)控; 汀江上游流域

作為反映自然條件及生態(tài)環(huán)境在空間上分異特征的空間單元，目前的水文區(qū)劃[1]、生態(tài)分區(qū)[2]、水生態(tài)分區(qū)[3-5]和水生態(tài)功能分區(qū)[6-7]等方面的研究已經(jīng)比較成熟，在分區(qū)方法和指標(biāo)體系上業(yè)已比較完善。但是針對(duì)流域尺度上生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)相互依賴和制約的特點(diǎn)，人類活動(dòng)逐漸強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)的聯(lián)系，如何協(xié)調(diào)二者日益成為流域管理的重要議題[8]。而現(xiàn)有的分區(qū)體系對(duì)于生態(tài)水文復(fù)合系統(tǒng)分異規(guī)律的研究還比較欠缺[9]，需要一個(gè)合適的空間單元進(jìn)行流域生態(tài)水文進(jìn)行綜合管理。因此，流域生態(tài)水文分區(qū)應(yīng)運(yùn)而生，生態(tài)水文分區(qū)是指在對(duì)流域生態(tài)水文系統(tǒng)客觀認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，以流域自然生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律以及人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)水文系統(tǒng)干擾的規(guī)律作為劃分生態(tài)水文空間單元的劃分依據(jù)[8-9]。進(jìn)行流(區(qū))域的生態(tài)水文綜合區(qū)劃是區(qū)域資源開發(fā)、災(zāi)害預(yù)防的重要依據(jù)，是對(duì)流域生態(tài)水文系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)調(diào)控的基礎(chǔ)。

生態(tài)水文分區(qū)研究最早應(yīng)用于河流層面[10]，尹民等基于河流生態(tài)環(huán)境需水量研究的需要將全國河流劃分為一級(jí)到三級(jí)的分區(qū)，揭示不同分區(qū)單元的生態(tài)、水文特征[11]，但側(cè)重反映河流的形態(tài)結(jié)構(gòu)、水體的水力聯(lián)系和水利工程對(duì)生境的影響[8]；楊愛民等根據(jù)我國不同流域或區(qū)域的生態(tài)水文特征，將全國劃分為3個(gè)生態(tài)水文大區(qū)和36個(gè)生態(tài)水文區(qū)[9]，該研究可以較全面地反映生態(tài)和水文系統(tǒng)的空間特征，但用于指定流域內(nèi)具體的管理目標(biāo)時(shí)尺度偏大[8]。蔡燕等以黃河流域行政縣為基本單元?jiǎng)澐稚鷳B(tài)水文分區(qū)，并依據(jù)分區(qū)的生態(tài)重要性識(shí)別需要優(yōu)先保護(hù)的分區(qū)[8]；尹曄對(duì)長江上游的大渡河流域、云南省分別進(jìn)行了生態(tài)水文區(qū)的劃分[12]；張璐等根據(jù)南水北調(diào)受水區(qū)89個(gè)縣(市、區(qū))生態(tài)水文特征進(jìn)行了相應(yīng)區(qū)劃[13]；王韶偉等以福建省泉州市為例進(jìn)行了生態(tài)水文區(qū)劃研究[14]。綜上所述，已有的生態(tài)水文分區(qū)研究主要側(cè)重于大流域或省市尺度，缺少對(duì)我國大量山區(qū)范圍內(nèi)的中小河流開展類似分析，尤其缺少生態(tài)水文分區(qū)結(jié)果為山區(qū)流域中的城市與區(qū)域發(fā)展提供生態(tài)調(diào)控策略的應(yīng)用。

分區(qū)指標(biāo)是生態(tài)水文區(qū)劃的基礎(chǔ)，指標(biāo)確定的是否合理，對(duì)于后續(xù)的分區(qū)工作有決定性的影響。一方面為準(zhǔn)確揭示流域空間特征，指標(biāo)應(yīng)盡量全面。分區(qū)指標(biāo)有影響因素和現(xiàn)狀特征兩種，前者包括影響背景的指標(biāo)(如氣候、地勢(shì)等)和影響現(xiàn)狀的指標(biāo)(人類活動(dòng)等)，現(xiàn)狀特征包括生態(tài)現(xiàn)狀和水文現(xiàn)狀[8]。已有的大型河流流域尺度生態(tài)水文分區(qū)指標(biāo)主要包含氣候、地形、水文、植被和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)等方面[9]。另一方面應(yīng)立足于研究目的，指標(biāo)需要著重反映研究區(qū)域的主要問題[8]。選擇指標(biāo)后，針對(duì)仍然存在涉及因素過多，資料收取不易的問題，需要降維的方法來對(duì)過多的指標(biāo)進(jìn)行簡化，遺傳算法、多元統(tǒng)計(jì)等方法的大量研究為指標(biāo)篩選提供了良好的基礎(chǔ)；主成分分析、系統(tǒng)聚類分析、模糊聚類分析等方法為生態(tài)水文區(qū)劃提供了有效的方法[12]。

長汀縣是福建省水土流失歷史最久、面積最大、程度最嚴(yán)重的區(qū)域，2000年以后開展的新一輪大規(guī)模水土流失治理初見成效，但治理任務(wù)還相當(dāng)艱巨，應(yīng)繼續(xù)加大自然生態(tài)修復(fù)的力度[15]。作為生態(tài)治理保育的重點(diǎn)，汀江上游流域?qū)儆诘蜕捷p度水土流失區(qū)，但是由于土壤多由風(fēng)化發(fā)育而成，一旦植被遭到破壞，極易造成嚴(yán)重的水土流失。該區(qū)以水源涵養(yǎng)林和商品用材林為主，維護(hù)著區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)和調(diào)節(jié)功能，對(duì)全縣水資源供給和水文狀況的改善有著重要的意義。本研究以長汀古城區(qū)上游的汀江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，通過GIS平臺(tái)以子流域?yàn)閯澐謫卧?，利用主成分分析及聚類分析方法，?duì)汀江上游流域進(jìn)行生態(tài)水文分區(qū)劃分。根據(jù)生態(tài)水文分區(qū)結(jié)果為流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)、恢復(fù)和改善提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

汀江上游流域(長汀古城上游)地處東經(jīng)116°15′—116°33′，北緯25°45′—26°5′，位于福建省長汀縣北部，覆蓋大同鎮(zhèn)、鐵長鄉(xiāng)、庵杰鄉(xiāng)與新橋鎮(zhèn)等行政區(qū)，東北部為寧化縣治平畬族鄉(xiāng)，西北部與江西省接壤。研究區(qū)面積為472 km2，高程范圍為297～1 350 m，坡降為5‰，主要支流包括七里河、鄭坊河和鐵長河。汀江上游流域多年平均降雨量超過1 700 mm，其中4—9月是主要的降雨季節(jié)，約占全年降雨量的70%。由于氣候和地形等因素的影響，研究區(qū)極易受到鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨的影響，最大日降雨量可達(dá)200～400 mm，位于研究區(qū)下游的國家歷史文化名城長汀古城已遭遇若干次流域性特大洪水，給當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)造成了毀滅性打擊，文化遺產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目損失巨大。

流域內(nèi)主要的下墊面類型是林地，占總面積比例近90%，其他的下墊面類型主要是建設(shè)用地(3.33%)和耕地(6.66%)。林地類型包括闊葉林、針葉林、毛竹和灌木，具體比例見表1。研究區(qū)內(nèi)的林地雖多為水源涵養(yǎng)林，但受人類活動(dòng)的影響，現(xiàn)有林分以針葉林和毛竹為主，針葉林主要分布在海拔400～800 m范圍內(nèi)(隨海拔高度上升而減少)，毛竹則分布于500～1 000 m的海拔區(qū)間(隨海拔高度上升而增多)；幼、中林比重大，天然闊葉林、混交林比重小，水源涵養(yǎng)能力較差。汀江上游流域內(nèi)主要的土壤類型包括紅壤、黃壤和水稻土，其他土壤類型包括潮土、紫色土和石灰土，具體組成比例見表2。

表1 汀江上游流域林地類型組成

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源

研究所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型、遙感影像、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型圖、植被統(tǒng)計(jì)資料以及水文水資源資料和人口統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型基于1∶50 000數(shù)字地形圖生成；遙感影像選擇2013年Landsat 8遙感影像，用于研究區(qū)植被覆蓋度的提??；林地類型分布圖利用2012年福建省森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合2015年福建省林地變更調(diào)查結(jié)果得到，根據(jù)《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》將林班資料進(jìn)行歸納整理；研究區(qū)土壤類型分布圖通過長汀縣土壤資源調(diào)查圖數(shù)字化得到。人口數(shù)據(jù)來自于長汀縣第六次人口普查，水文水資源資料均來源于2013年《長汀縣水資源綜合規(guī)劃》。

表2 汀江上游流域土壤類型組成

2.2 生態(tài)水文分區(qū)區(qū)劃方法

為更好地認(rèn)識(shí)流域生態(tài)水文特征及空間分布規(guī)律，為流域可持續(xù)發(fā)展提供必需的決策，根據(jù)汀江上游流域的地形、土壤、植被、水文、水資源與人口資料，采用主成分分析和聚類分析的方法將子流域劃分為不同的生態(tài)水文分區(qū)。具體步驟為：

(1) 將汀江上游流域劃分為35個(gè)子流域，子流域面積7～23 km2，平均面積為13.5 km2。

(2) 以汀江上游流域內(nèi)的35個(gè)子流域作為生態(tài)水文分區(qū)的劃分單元，選取能夠反映流域生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)二者相互影響機(jī)制以及人類活動(dòng)干擾規(guī)律的指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)各個(gè)子流域指標(biāo)的特征值。

(3) 根據(jù)各子流域生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律，利用主成分分析和聚類分析，對(duì)所有子流域進(jìn)行分組，得到生態(tài)水文分區(qū)結(jié)果。

2.3 生態(tài)水文分區(qū)指標(biāo)選擇

汀江上游流域生態(tài)水文分區(qū)應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：(1) 生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)的整體性原則。二者不僅在地理位置上重疊，而且在結(jié)構(gòu)和功能上不可分割。兩種系統(tǒng)具有天然的聯(lián)系，相互依存、相互制約，人類活動(dòng)使二者的聯(lián)系更加突出[8]。(2) 生態(tài)水文系統(tǒng)的等級(jí)性原則。與生態(tài)系統(tǒng)分區(qū)的等級(jí)性原則不同[2]，該原則主要體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)重要性大小、水文系統(tǒng)水量豐枯和人類影響的強(qiáng)弱等[8]。

生態(tài)水文分區(qū)涉及到生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)，在指標(biāo)選擇時(shí)還需要考慮到現(xiàn)狀指標(biāo)和影響因素指標(biāo)。根據(jù)汀江上游流域生態(tài)區(qū)位的重要性，主要的下墊面類型為林地，水資源量比較充沛但容易遭受洪澇災(zāi)害影響的特點(diǎn)，在選擇指標(biāo)時(shí)要突出重要的生態(tài)系統(tǒng)，造成洪澇災(zāi)害或水土流失的原因及問題的嚴(yán)重程度等。本研究所選的生態(tài)水文分區(qū)指標(biāo)包含生態(tài)現(xiàn)狀、水文特征、生態(tài)背景和人類活動(dòng)4類指標(biāo)，每類指標(biāo)特征值獲取方法及數(shù)據(jù)來源見表3。

(1) 生態(tài)現(xiàn)狀。選擇林地類型組成、植被覆蓋度和土壤可侵蝕性三個(gè)指標(biāo)。林地類型組成能夠直接說明流域的生態(tài)現(xiàn)狀，原生闊葉林可有效增加土壤入滲、減少徑流量與泥沙量，生態(tài)重要性最高，而次生的針葉林和毛竹生態(tài)價(jià)值和水文效應(yīng)較差。植被覆蓋度表明森林的生長狀態(tài)，一定程度上能夠表征生態(tài)功能和涵養(yǎng)水源能力。土壤可侵蝕性(K值)是一項(xiàng)評(píng)價(jià)土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的指標(biāo)[16]。K值越大，在相同條件下，土壤受侵蝕的潛在危險(xiǎn)就越大，反之越小[17]。

(2) 水文條件。水文條件既是影響汀江上游流域生態(tài)系統(tǒng)的因素，也是造成洪澇災(zāi)害的直接原因。降雨量是直接的徑流來源，蒸發(fā)是徑流形成過程中的主要損失，由于汀江上游流域內(nèi)只有一個(gè)水文站對(duì)蒸發(fā)量進(jìn)行長期觀測，因此選擇年平均降雨量和年平均徑流深度反映研究區(qū)的水文條件。根據(jù)福建省水文圖集多年平均徑流深等值線圖查得長汀縣年平均徑流深為900～1 100 mm，年平均降雨量同樣來源于福建省多年平均降水量等值線圖。

(3) 生態(tài)背景。生態(tài)系統(tǒng)主要由氣候、地形、植被、土壤等因素決定。由于研究區(qū)內(nèi)的氣候變化較小，植被和土壤因素在生態(tài)現(xiàn)狀中已有考慮，因此選擇受人類活動(dòng)影響較少的地形作為影響因素指標(biāo)。

(4) 人類活動(dòng)。人類對(duì)水資源的開發(fā)強(qiáng)度是生態(tài)水文系統(tǒng)空間差異的一個(gè)重要原因，由于人類過度開發(fā)導(dǎo)致生產(chǎn)和生活用水量大幅上升，從而造成生態(tài)系統(tǒng)可用水量減少。選擇人口密度、人均生產(chǎn)用水和生活用水作為衡量開發(fā)強(qiáng)度的指標(biāo)。同時(shí)選擇建設(shè)用地比例和耕地比例作為反映人為作用影響的指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)水文分區(qū)劃分

采用主成分分析與k-means聚類分析方法，對(duì)汀江上游流域進(jìn)行生態(tài)水文分區(qū)劃分。為剔除原始因子間的相關(guān)性，得到不包含重合信息的新變量，將提取出的汀江上游流域的地形、土壤、植被、水文水資源與人口指標(biāo)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化處理后，在SPSS平臺(tái)上進(jìn)行主成分分析。抽取出特征值大于1的3個(gè)主成分來解釋所有的原始變量，為使主成分便于解釋各原始變量，采用最大方差法實(shí)現(xiàn)正交旋轉(zhuǎn)。由主成分分析結(jié)果(表4)可見，第一主成分解釋了人口密度、人均生產(chǎn)用水、毛竹比例、針葉林比例和建設(shè)用地比例五個(gè)變量，第二主成分解釋了覆蓋度、平均坡度、土壤可侵蝕性三個(gè)變量，第三主成分解釋了徑流深度、降雨量、兩個(gè)變量。在主成分分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對(duì)35個(gè)子流域分別計(jì)算抽取出的三個(gè)主成分的得分，并根據(jù)各子流域各主成分的得分在SPSS平臺(tái)上進(jìn)行k-means聚類分析。在聚類分析中以類中心點(diǎn)不再發(fā)生變化、或變化小于給定閾值作為收斂條件，由此得到每個(gè)子流域的聚類劃分結(jié)果。經(jīng)過16次迭代，聚類中心不再發(fā)生變化而達(dá)到收斂條件，通過上述聚類分析，根據(jù)各子流域的主成分得分，將35個(gè)子流域劃分為五類生態(tài)水文分區(qū)，將聚類劃分結(jié)果載入ArcGIS中生成生態(tài)水文分區(qū)分布圖(圖1)，并統(tǒng)計(jì)各生態(tài)水文分區(qū)的各項(xiàng)指標(biāo)的均值(表5)。

表3 不同特征值獲取方法及數(shù)據(jù)來源

表4 主成分載荷矩陣

3.2 生態(tài)水文分區(qū)特征分析

分區(qū)一主要分布在七里河下游和鄭坊河下游流域。該分區(qū)行政區(qū)劃主要為大同鎮(zhèn)，人口密度為五類分區(qū)之首。該分區(qū)人均生活用水和生產(chǎn)用水量為最低值。該分區(qū)有著最低的毛竹比例(3.3%)和最高的針葉林比例(73.64%)，植被覆蓋度屬于中值。土壤可侵蝕性和最大高程差均為五類分區(qū)中的最低值。分區(qū)二主要包括鐵長河中上游和鄭坊河上游，在行政區(qū)劃上包括鐵長鄉(xiāng)和庵杰鄉(xiāng)西部區(qū)域及大同鎮(zhèn)部分區(qū)域。由于鐵長鄉(xiāng)和庵杰鄉(xiāng)是汀江上游流域主要的毛竹產(chǎn)區(qū)，林地結(jié)構(gòu)中毛竹超過45%，該區(qū)域以毛竹的加工制造業(yè)為主，人口密度最小，人均生產(chǎn)用水量較大。地形方面，該分區(qū)的平均坡度和最大高程差均為五類分區(qū)中的最大值。分區(qū)二有著次高的平均徑流深度和最高的降雨量，說明該分區(qū)位于汀江上游流域的多雨區(qū)。分區(qū)三包括大部分七里河流域。該分區(qū)的平均徑流深和降雨量為五類分區(qū)中最低。分區(qū)三有著五類分區(qū)中最高的毛竹比例，同時(shí)植被覆蓋度也是最高(約70%)，土壤可蝕性在五類分區(qū)中較小，說明良好的植被結(jié)構(gòu)能夠有效地降低土壤受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)(圖1，表5)。

圖1 汀江上游流域生態(tài)水文分區(qū)

指標(biāo)生態(tài)水文分區(qū)一二三四五覆蓋度(X1)/%63.3868.3869.9760.5553.84平均坡度(X2)/(°)20.6123.2621.3820.3918.28高程差(X3)/m447.67767.10610.00625.63518.2土壤可侵蝕性(X4)/(t·hm2·hm-2·MJ-1·mm-1)0.200.220.210.270.27徑流深度(X5)/mm988.651022.31901.97979.201029.76降雨量(X6)/mm1698.731727.131608.431673.891716.43人口密度(X7)/(popkm-2)272.3552.2158.2976.10181.3人均生活用水(X8)/m341.01110.7941.0164.3163.96人均生產(chǎn)用水(X9)/m3421.25712.27421.25820.85537.95闊葉林比例(X10)/%3.469.602.115.834.49毛竹比例(X11)/%3.3045.7949.1645.957.36針葉林比例(X12)/%73.6431.1738.8638.0566.22耕地比例(X13)/%4.485.413.464.3012.75建設(shè)用地比例(X14)/%6.971.875.381.133.96

此外，該分區(qū)人口密度、人均生產(chǎn)、生活用水均比較低，說明該分區(qū)人類開發(fā)活動(dòng)的強(qiáng)度較低。分區(qū)四行政區(qū)劃上主要包括庵杰鄉(xiāng)以東和新橋鎮(zhèn)的東部、南部。該分區(qū)地處汀江干流上游區(qū)域。該區(qū)域的土壤可侵蝕性為五類分區(qū)之首，植被覆蓋度較低。該分區(qū)的建設(shè)用地比例為五類分區(qū)中的最低值，毛竹與針葉林比例均比較大，人均生產(chǎn)用水量最高。分區(qū)五地處鐵長河下游和汀江干流部分區(qū)域，行政區(qū)劃主要包括大同鎮(zhèn)東部和新橋鎮(zhèn)西部。由于地處汀州鎮(zhèn)(長汀古城)的外圍，因此人口密度較大。分區(qū)五有著最高的平均徑流深度和次高的降雨量，說明該分區(qū)位于汀江上游流域的多雨區(qū)。另一方面，該分區(qū)的林地比例是五類分區(qū)中最小的(78%)，針葉林比重超過66%，植被覆蓋度也是最低值(54%)，表明分區(qū)五的植被結(jié)構(gòu)較差，同時(shí)該分區(qū)土壤可侵蝕性很大(0.27)。

表6 汀江上游流域生態(tài)水文分區(qū)指標(biāo)特征

根據(jù)各個(gè)分區(qū)的生態(tài)水文特征，采用具體地理位置+水文條件+生態(tài)現(xiàn)狀+開發(fā)程度對(duì)生態(tài)水文分區(qū)進(jìn)行命名，并提出相應(yīng)的生態(tài)調(diào)控策略：分區(qū)五為汀江干流下游多水+低植被覆蓋高土壤侵蝕+高開發(fā)強(qiáng)度區(qū)；分區(qū)四為汀江干流上游平水+低植被覆蓋高土壤侵蝕+高開發(fā)強(qiáng)度區(qū)；分區(qū)三為七里河少水+高植被覆蓋低土壤侵蝕+低開發(fā)強(qiáng)度區(qū)；分區(qū)二為鐵長河和鄭坊河上游多水+高植被覆蓋低土壤侵蝕+高開發(fā)強(qiáng)度區(qū)；分區(qū)一為七里河和鄭坊河下游流域平水+中植被覆蓋低土壤侵蝕+低開發(fā)強(qiáng)度區(qū)。

3.3 基于分區(qū)結(jié)果的生態(tài)調(diào)控策略

植被破壞是導(dǎo)致水土流失加劇的主要原因，同樣也可能造成洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提高。針對(duì)汀江上游流域的下墊面特征和分區(qū)結(jié)果，保護(hù)并進(jìn)一步發(fā)揮森林的生態(tài)價(jià)值和水文效應(yīng)是流域?qū)用嬷匾纳鷳B(tài)調(diào)控措施，有助于流域生態(tài)系統(tǒng)的高效與優(yōu)化。通過流域?qū)用嫔诸愋偷闹鸩礁脑?，發(fā)揮森林—土壤結(jié)構(gòu)在一定降雨強(qiáng)度下對(duì)洪水的削減作用，不僅可以保持汀江上游流域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，還可以減小流域內(nèi)城市與區(qū)域遭受洪澇災(zāi)害的沖擊。

汀江上游流域的林地由于長期受到人為影響，原有的基帶性植被已大量破壞，林分質(zhì)量較差，出現(xiàn)了嚴(yán)重的水土流失問題。近20 a來政府高度重視汀江上游流域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)，持續(xù)進(jìn)行有規(guī)模的造林并取得了一定的成果，但是補(bǔ)種的多為針葉林，分區(qū)一、五的針葉林比例分別達(dá)到66%和73%。由于次生的針葉林群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，水源涵養(yǎng)能力與天然闊葉林相差較大，對(duì)應(yīng)的生態(tài)價(jià)值和防洪效應(yīng)均較差[19]。故有必要通過增加闊葉林的比例逐步改善林分結(jié)構(gòu)，改善林地蓄水和保水能力，降低土壤受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。分區(qū)五針葉林比例大，植被覆蓋度也是五類分區(qū)中最低，作為汀州城區(qū)外圍的屏障區(qū)，由于人口密度較高且開發(fā)強(qiáng)度大，在未來應(yīng)該注意開發(fā)建設(shè)與生態(tài)調(diào)控相協(xié)調(diào)，大力推進(jìn)林分改造的工作，將針葉林逐步改造為闊葉林或針葉闊葉混交林。

毛竹是研究區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物，分區(qū)二、三、四的毛竹比例均超過45%，以毛竹加工制造業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)在帶來一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也提高了生產(chǎn)用水量，甚至可能會(huì)給下游地區(qū)帶來水污染的問題。尤其是分區(qū)二和分區(qū)四位于汀江干、支流的上游，應(yīng)該注意避免對(duì)毛竹加工制造業(yè)的依賴，減小對(duì)下游流域的影響。同時(shí)需要注意的是，毛竹為單一林分會(huì)造成林地多樣性急劇下降、生態(tài)退化等負(fù)面效應(yīng)[20]。毛竹與闊葉林混交具備生態(tài)和經(jīng)濟(jì)的雙重優(yōu)勢(shì)，因此可考慮將原有的毛竹純林逐步改造為毛竹闊葉混交林，發(fā)揮混交林涵養(yǎng)水源的優(yōu)勢(shì)，提升汀江上游流域林地的生態(tài)價(jià)值。分區(qū)二雖然同時(shí)擁有五類分區(qū)中最高的闊葉林比例(9.6%)，但由于較高的毛竹比例，仍建議將大量的毛竹進(jìn)行改造。

五類分區(qū)中，分區(qū)五的土壤可蝕性最低，主要受益于相對(duì)較好的植被結(jié)構(gòu)和最小的平均坡度。分區(qū)三的闊葉林比例在五類分區(qū)中最小，但植被覆蓋度和林地比例均是五類分區(qū)的最高值，在土壤可蝕性、水文條件和開發(fā)強(qiáng)度均較低的背景下，建議通過提高闊葉林的比例增強(qiáng)生態(tài)價(jià)值和防洪效應(yīng)。汀江上游流域雖然屬于長汀縣內(nèi)水土流失輕度地區(qū)，但由于其生態(tài)區(qū)位重要性，除了林分改造，還需要其他輔助的水土保持措施來降低土壤遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。分區(qū)一和四的土壤受侵蝕風(fēng)險(xiǎn)最高，主要受到植被結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)該在該分區(qū)實(shí)施生物措施和工程措施綜合的生態(tài)調(diào)控策略[21]，降低土壤受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

通過分析汀江上游流域生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律，生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)二者之間相互影響機(jī)制以及人類活動(dòng)干擾規(guī)律的指標(biāo)，從生態(tài)現(xiàn)狀、水文條件、生態(tài)背景和人類活動(dòng)4個(gè)方面統(tǒng)計(jì)各個(gè)子流域指標(biāo)的特征值；將以上具有一定相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)進(jìn)行主成分分析得到3個(gè)相互獨(dú)立且不含重疊信息的主成分，利用k-means聚類分析方法將汀江上游流域內(nèi)35個(gè)子流域劃分為五類生態(tài)水文分區(qū)，并對(duì)其空間分布規(guī)律及其生態(tài)水文特征進(jìn)行描述和分析。

分區(qū)結(jié)果能夠揭示流域生態(tài)水文特征空間上的差異性和相似性以及人類活動(dòng)干擾程度，能夠指導(dǎo)具有不同生態(tài)水文特征的區(qū)域進(jìn)行因地制宜的發(fā)展，為汀江上游流域提升生態(tài)功能，保證城市與區(qū)域的防洪安全提供必需的決策依據(jù)。我國東南部大多數(shù)山地城市自然生態(tài)環(huán)境條件優(yōu)越，林業(yè)資源和生物多樣性豐富，但自然生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，容易發(fā)生水土流失和山洪災(zāi)害，本研究所用的生態(tài)水文分區(qū)方法及相應(yīng)的生態(tài)調(diào)控措施可為類似區(qū)位的山地城市的生態(tài)建設(shè)與防洪減災(zāi)所借鑒。

雖然研究區(qū)范圍屬于較小的流域尺度，但由于分區(qū)特征指標(biāo)和子流域單元的尺度較為匹配，因此生態(tài)水文分區(qū)結(jié)果較為連續(xù)。未來可考慮結(jié)合流域范圍內(nèi)長時(shí)間土地利用變化的情況對(duì)生態(tài)水文分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行比較，將能夠更為深入探討人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)水文特征的影響；同時(shí)可借鑒“景觀安全格局”理論，尋找對(duì)于流域水文過程具有重要意義的生態(tài)要素，通過城市與區(qū)域規(guī)劃落實(shí)為水生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施，可持續(xù)地解決流域的生態(tài)與水文問題。

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ResearchonEco-hydrologicalRegionsofUpperReachesoftheTingjiangRiver

LIN Wei1,3, XU Jiangang2, YANG Fan3

(1.CollegeofForestryandLandscapeArchitecture,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510640,China; 2.SchoolofArchitectureandUrbanPlanning,NanjingUniversity,Nanjing210093,China;3.SchoolofGeographicandOceanographicSciences,NanjingUniversity,Nanjing210023,China)

The similarities and differences of eco-hydrological system and the influences of anthropogenic activities on eco-hydrological system were investigated in order to provide scientific basis for resources development, disaster prevention and ecological regulation of basin. Taking the upper reach of the Tingjiang River (URTR) as the study area, based on the dataset of terrain, soils, vegetation, hydrology, water resources and population statistics, according to ecological status, hydrology condition, ecological background and anthropogenic activities of the URTR, we constructed the indicator system including 10 indexes of regionalization. Using principal component analysis and cluster analysis, 35 sub-catchments of the URTR were assigned to 5 eco-hydrological regions (EHR), the characteristics of each EHR were analyzed and corresponding ecological regulation measures were proposed. The similarities and differences as well as the influences of anthropogenic activities on the URTR were revealed by regionalization results, which could provide fundamental basis for sustainable development for different EHR.

eco-hydrological regions; principal component analysis; cluster analysis; ecological regulation; upper reach of the Tingjiang River

2016-08-09

：2016-10-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于CAS-CA建模的山地城市適應(yīng)性規(guī)劃分析方法研究”(51278239)

林蔚(1986—),男,福建仙游縣人,博士,主要從事區(qū)域與城市規(guī)劃研究。E-mail:gis_xifan@163.com

徐建剛(1960—),男,江蘇漣水縣人,碩士,教授,主要從事數(shù)字城市與規(guī)劃研究。E-mail:xjg129@sina.com

P344

：A

：1005-3409(2017)05-0227-06