流域生态健康评价框架及其评价方法体系研究(一)——框架和指标体系

王文杰，张哲，王维，刘孝富，许超

中国环境科学研究院环境信息科学研究所，北京 100012

“健康”通常是指人体或其他生命体处于正常运作状态，没有疾病。1941年美国生态学家Leopold［1］提出生态系统健康概念之后，对生态系统健康的研究受到广泛关注，从森林、草地、湿地、农田以及河湖等单一生态系统健康评价［2-6］，到区域、流域生态系统健康研究［7-10］;人们对生态系统健康理念及评价方法的关注日益深入;同时也为生态系统综合管理引入了新的保护框架体系，流域生态系统综合管理更是得到许多学者和决策者的关注［11］。

流域是具有独特自然条件和生态特征的一个地理单元［12］，其以丰富的水资源维系着人类的生存、支撑着社会经济的发展，并作为栖息地为维持物种多样性提供保障，在调节径流、涵养水源、净化水质和维持区域生态平衡等方面起着重要作用，是环境物质过程的主要源和汇;同时，流域也是人类社会活动相对活跃的区域［13］，是资源供求、人与自然、发展与水环境保护之间的矛盾冲突集中体。随着我国社会经济的快速发展，水资源利用和水污染排放强度不断增大，几大流域出现了不同程度的生态系统退化和水体污染，水环境问题已经成为威胁我国流域生态质量和人口健康的突出问题［14］。

20世纪80年代开始，国外有关部门和学者开展了流域生态健康评估相关研究，如美国国家环境保护局(US EPA)提出的快速生物评价协议(rapid bioassessment protcols，RBPs)［15］、澳大利亚政府提出的河流状况指数(index of stream condition，ISC)［16］以及南非水务及森林部提出的栖息地完整性指数(index of habitat integrity，I-HI)［17］等;近几年，国外在流域生态健康评价模型和指标体系方面也开展了大量研究［18-20］。我国开展流域生态健康研究相对较晚，20世纪90年代开始，侧重生态系统健康相关概念与评估理论方法研究，逐渐出现了多以湖泊、河流等水生生态系统水环境质量为主的生态系统健康评估。刘国彬等在1999年完成《生态环境健康诊断指南》专著［21］的基础上，提出了“流域生态健康诊断”研究。随后出现了许多以流域为单元的生态系统健康评价案例研究，如付爱红等［22］从自然因子和人为因子两方面对塔里木河流域生态健康进行了评估;罗跃初等［10］对流域生态健康评价方法进行了探讨。目前，我国有关流域生态健康的研究仍处于起步阶段，许多相关研究工作比较缺乏或者不规范，对流域生态健康的评价或侧重于水体环境质量评价，或以水生物、陆地生态系统为主要评价内容，多数研究没有系统地分析影响流域生态健康的水域、岸边带和陆域的状况，也未考虑污染物从陆源产生至水域汇集的生态过程以及该过程中的主导功能差异;流域生态健康评价的基本框架不统一，指标体系还有待归纳和完善。

笔者根据水文过程和生态服务功能空间构成的差异性，以水域(河流)、岸边带和陆域为评价对象，以维持流域生态服务功能为主线，分别从流域生态系统的结构、功能和生态胁迫等方面，对流域生态健康评价基本框架和指标体系构建进行了研究，以期为正确识别人类活动对流域生态系统的影响及程度，确定流域生态修复、环境管理目标和优先次序，实现流域的可持续发展提供技术支持。

1 流域生态健康的内涵与评价对象

1.1 内涵

流域生态健康是在生态系统健康和河流健康的基础上提出的。Constanza［23］从系统可持续性能力的角度出发，提出采用系统活力(vigor)、系统组织指数(organization)以及系统弹性指数(resilience)描述生态系统健康内涵;Rapport［24］在1998年提出度量生态系统健康的八个方面，包括活力、组织结构、恢复力、生态系统服务功能的维持、管理选择、外部补贴、对邻近系统的危害和对人类自身健康的影响;Cairns等［25］指出，流域生态健康的定义应包括流域满足人类需求和愿望的程度;US EPA［26］指出，健康的流域生态系统应具有维持水生、河岸生物的栖息生境和河流连通性，为生物提供栖息地和避难所，自然水文过程，具有必要的自然干扰，良好的水质和具有自维持能力的水生、河岸生物群落。姜付仁等［27］提出，流域可持续发展的内涵即在维持生态、环境和水文整体性的同时，满足社会发展目标;李春晖等［28］认为，流域生态健康是指流域内生态系统没有疾病，具有自我维持和对各种干扰的恢复能力，经济上可行，且不损害邻近的生态系统以及人类自身的健康。

总结国内外相关理论研究得出，健康流域的基本特征应包括:1)物理、化学和生物的结构完整性，流域自然景观组分、格局完整是健康流域的重要表征，流域内拥有维护流域水文响应的自然森林、岸边带自然湿地、河流自然通道、生物栖息地以及防止污染物进入水体的缓冲区等。2)生态功能发挥良好，包括自然生态功能和社会服务功能，河道不断流，保持一定的生态需水量，以维持水文化学循环过程;良好的水质，保证人类生产生活水资源的维持;拥有水生生物栖息地和避难所，使物种群落具有自我维持的能力;岸边带自然植被覆盖和连续性好，且拥有天然湿地，具有污染阻隔和调蓄洪水的能力;陆域的自然景观能够提供良好的水源涵养、土壤保持和生物多样性保护功能。3)人类活动对流域生态系统的胁迫较小，流域生态系统在人类活动干扰下，能够自我恢复;人类活动产生的污染物随着流域地表的各种生态循环过程而得到自净和降解。

基于以上内容，笔者认为流域生态健康是指流域生态系统处于良好的平衡状态，保持物理、化学及生物完整性，能为人类提供不同生态产品或服务功能，并对自然和人为干扰具有一定的自我调节和恢复能力。流域生态健康主要体现在:1)生态系统结构完整，流域上下游以及陆域和河流水域保持密切的联系;2)功能完善，流域非生物组分不发生大规模的流失，能保持结构稳定以及生物群落的完整性和多样性;3)生物生境面对自然和人为的适度干扰，具备弹性恢复力，污染因子从陆源到水体汇集的过程中得到自净和降解，污染因子的汇集不超出流域的降解能力。

1.2 评价对象

流域是由河网水系作为廊道，将陆域、岸边带和水域相连接而构成的相对独立和完整的集水区域，流域生态健康评价不仅需要对流域内的河网、湖泊，岸边带自然结构，陆域植被等自然生态系统的健康状况进行考虑，还要分析流域内各种人为开发活动对生态系统健康的综合影响。河流水系具有通道和源汇功能，连续、流动和完整的河流水系是流域生态健康评价的首要对象;水陆交错带是流域生态健康研究的重要地带，具有早期预警功能，是流域生态系统的一个重要特征［29］;流域内的土地利用格局、城市化和社会经济状况等也是流域生态健康的评价内容。因此，结合流域空间组分格局，根据水文过程和生态功能空间差异性，将流域单元划分为水域(河流)、岸边带和陆域三部分，并以此为评价对象开展流域生态健康评价(图1)。

水域是指由河槽中的水体、水生生物群落以及河源、河床等河流的边界所构成的水生态系统;水域为人类提供水资源，为水生生物提供栖息生境，水质的变化直接影响人类和水生物的健康。岸边带是指常年平均水位至最高洪水位的水陆生态过渡带;包括河漫滩、沼泽、湿地、护岸林等组分类型，兼有水域和陆地生态系统的双重属性，其特殊的结构和功能使得岸边带生态系统具有净化水体、稳定河岸、保护物种多样性、调节微气候和美化环境等重要的生态功能。陆域是指从岸边带向外扩展到流域分水岭之间的陆地区域;陆域生态系统为多种生物提供了栖息环境，为人类提供了水源涵养、土壤保持、生物多样性保护和产品提供等多种功能。

图1 流域生态健康评价对象Fig.1 Objects of healthy watershed assessment

1.3 流域最小评价单元

流域是由不同等级尺度的汇水区域和具有水文功能的连续体组成的自然地理单元［30］，流域生态系统格局和过程在不同尺度上会表现出不同的特征［31］，因此，选定合适的流域生态健康评价尺度单元对于认识流域生态系统的格局、生态与水文过程，进行流域生态健康评价框架的设计和指标体系构建至关重要。

流域大小是一个相对的概念，通常小流域都嵌套在更大一级的流域里［32］，各小流域的生态健康状况汇成整个流域的健康特征，整个流域的健康状况又影响其内部的小流域。以小流域为单元进行生态健康评价的方法已经得到较多应用，如吴炳方等［33-34］提出的研究方法，不仅可以从微观到宏观进行多尺度的健康分析，还能体现流域内部的生态健康状况空间差异。但小流域属自然地貌单元，我国的生态系统保护和管理通常是以行政区划为单元而开展，因此，难以与管理较好衔接。

为便于流域生态系统健康保护和综合管理，采用GIS水文分析和GIS空间叠加方法，综合考虑流域组成的最小自然单元(集水盆)和最小行政单元(乡镇)空间叠置关系及其组合的一致性，确定流域生态健康评价的最小单元。分析流域内最小评价单元的健康状况空间特征及差异，进而推测整个流域的健康状况(图2)。

图2 评价单元划分方法及应用Fig.2 The evaluation units division method and its application

2 流域生态健康评价基本框架

2.1 基本框架的构建

流域生态系统健康评价是通过研究流域环境物质过程的主要源汇关系，系统分析水域、岸边带和陆域生态系统过程特征和差异性，及其物质循环与信息能量流动关系。发生在水域的生态过程主要包括河流汇流水文过程、泥沙运移输送、水质变化、水生生物洄游迁徙等［32］;岸边带对流域生态系统的物质、能量流和信息流起到廊道、过滤器和屏障作用，主要生态过程包括污染阻隔吸附、水文交汇调蓄、为鸟类和水生生物提供生物迁徙栖息生境等;陆域生态系统具有重要的涵养水源和土壤保持作用，生态过程包括降水截留吸收、水土养分循环、产品生产、生物多样性以及社会经济活动等(图3)。

图3 流域生态系统过程示意Fig.3 The processes of watershed ecosystem

同时，流域是由河网作为衔接廊道，由森林、湿地、城镇等不同生态系统构成的综合景观，需考虑景观生态系统的廊道、斑块等景观组成与空间格局，针对水域、岸边带和陆域的结构特征，将该生态系统的类型组成及空间格局纳入流域生态健康评价框架体系。

2.2 基本框架的主要内容

从流域生态健康的内涵出发，以流域生态学和景观生态学为理论基础，生态系统结构组分及景观格局反映了流域的物理、化学及生物完整性;水域、岸边带和陆域以不同的生态系统过程和服务功能为主导，各评价对象的主导功能发挥良好是流域生态健康内涵的重要表征。同时，流域生态系统健康的内涵还体现在面对自然及人为的各种生态胁迫压力下，流域生态系统具有自我调节力和恢复能力，而生境干扰、污染负荷、湿地退化和人为干扰等胁迫状况则体现了流域所承受的压力大小，从而反映了流域生态系统健康的脆弱程度。因此，流域生态健康评价基本框架是在结合生态系统结构和过程的基础上，通过评估水域、岸边带和陆域的生态系统结构、功能和胁迫三方面构建起来(图4)。

基本框架的主要内容:1)评价对象的空间组分构成以及格局状况，包括自然和人为景观的组分构成、河流生境以及陆地景观格局等;2)评价对象所提供的生态系统服务功能发挥状况，包括水源涵养、土壤保持、生物多样性和洪水调蓄等，不同的评价对象发挥的主导功能有差异;3)自然及人类活动对水域、岸边带和陆域所构成的胁迫或压力状况。以上三者相互联系、相互影响，形成流域生态健康评价基本框架的主要内容，反映了流域生态健康内涵，综合体现了流域生态系统健康状况。

图4 流域生态健康评价基本框架的构建过程Fig.4 Assessment framework of healthy watershed construction

3 流域生态健康评价指标体系

3.1 指标体系构建原则

流域生态健康评价指标体系既不是一组指标的独立出现，也不是一组指标的简单堆砌，而是多方面测度指标组成的有机综合体。为比较全面地反映流域生态结构格局状况、生态功能和生态胁迫状况，该指标体系构建需遵循以下原则。

(1)科学性原则:指标体系构建具有科学性与合理性，能够突出反映流域生态健康状况及与其息息相关的关键问题和优先区域，便于掌握这些问题的状态和变化趋势。

(2)系统性原则:充分反映和体现流域生态健康的内涵，按照评价基本框架，系统地表征流域生态系统中水域、岸边带和陆域的结构和功能特征，通过其综合效应来全面刻画流域生态健康状况。

(3)简明性原则:指标体系既涵盖流域生态健康的主要方面，指标数量又不宜过多且彼此独立，避免指标体系过于冗长和繁杂。

(4)可操作性原则:指标体系中包括的指标应容易测度，计算指标所需数据可获取性强且比较可靠。

3.2 评价指标体系

流域是一个社会—经济—自然复合生态系统，评价指标体系不仅包括流域内的自然生态要素，社会和经济要素也是流域生态健康评价的主要因素。分别从流域生态系统的结构、功能、胁迫以及存在的主要问题调查与研究着手，选择生物、水质、生境、景观、人类扰动和社会经济等指标，进行综合评价。

水域生态健康评价主要从水生生境、生物完整性和水生态胁迫三个要素分析;岸边带生态健康评价主要从生态结构、生态功能和生态胁迫三个要素分析。陆域生态健康评价主要从生态格局、生态功能和生态胁迫三个要素分析［35］(表1)。

表1 流域生态健康评估指标体系Table 1 The index of watershed ecosystem health

(续表1)

4 结论

(1)流域生态健康的内涵包括生态系统的物理、化学和生物完整性，生态服务功能的发挥状况，以及胁迫作用下的自我净化和恢复力三方面。

(2)结合研究目的和管理需求，以GIS为主要技术手段，依据流域生态系统的物理结构、群落组成以及主导生态服务功能和影响因素的差异，以水域、岸边带和陆域为评价对象;并考虑流域自然地理单元与我国现行的行政管理区划的空间叠置关系，确定流域最小评价单元。

(3)从流域生态系统健康的内涵出发，结合评价对象和评价单元特征，分别从水域、岸边带和陆域的生态结构、功能和生态胁迫三方面构建流域生态健康评价的基本框架，并在此基础上建立评价指标体系。

流域生态系统的复杂性，致使流域生态健康评价涉及的内容多且相互关系复杂。该文仅从宏观尺度提出了流域生态健康评价的基本框架和指标体系，随着对流域生态健康评价研究的不断深入，还需通过特定流域的生态健康评价对其进行验证和进一步完善。流域生态健康评价可为流域生态功能分区、流域生态功能保护红线划定、流域分区控制管理以及流域生态补偿等方面的研究提供技术支撑，为流域生态系统保护和综合管理提供参考依据，以保障流域可持续地、健康地发展。

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