国外河流生态分类对我国河流水环境生态功能分区的启示

瞿书锐

（重庆市万州区环境监测站重庆404000）

国外河流生态分类对我国河流水环境生态功能分区的启示

瞿书锐

（重庆市万州区环境监测站重庆404000）

河流水环境状况关系到社会经济的可持续发展与和谐社会的建立；当前，在国际上，河流生态分类是一种行之有效的河流水环境管理框架。本文简要回顾了国外河流生态分类在理论方法和实现手段方面的研究进展，阐述了我国一、二、三级河流水环境生态功能分区的方法与实现途径。

河流景观；斑块；结构；过程；进展

近年来，随着我国社会经济的快速发展与环境保护工作的相对滞后，我国河流生态系统日益退化、河流水环境状况逐渐恶化，急需对河流生态系统加强管理。近年来，河流生态分类（区）作为一种河流生态管理的空间框架，在河流水环境管理上的应用取得了良好的成效，如美国在Omernik提出的水生态区[1]框架基础上设置监测站点，开展健康评估，制定标准，对其河流水环境的改善发挥了重要的作用。本文在回顾国内外河流生态分类研究基础上，对我国正在开展的河流水环境生态功能三级分区工作提出初步的设想。

1　河流生态分类

所谓河流生态分类是将河流生态系统作为分类对象，将河流景观划分为相对同质的单元；通过河流生态分类将河流水生态结构与过程的空间差异性进行层次化和等级化[2]。作为一种针对水生态系统的区划体系，它能反映水生生物及其自然环境的特征，使水环境管理从单一的水质管理转变为整体的水生态管理，从水化学指标转变为水生态指标，并为管理者和科学家提供环境管理与规划预测等方面的服务。

2　国外河流生态分类的研究进展

河流生态分类由Frissell[2]首次将陆地生态系统的分区理念引入河流水生态系统而提出，按河流物理结构在组织生态系统中的重要性将河流系统划分为流域、河片、区、河段、形态单元和水动力学群落生境区6个等级体系，其划分的指标为潜在的生产能力（流域尺度上的气候、地质、地形、土壤、生物相，河片尺度上的河槽坡度、形状以及河流级数）与栖息地单元（河段尺度的结构和基质以及栖息地特征）。但基于结构的分类未能完全体现河流空间结构属性。实质上，河流在其空间结构上具有4维属性，即：（1）在纵向上，河流是一个狭长的线状网络，从河源至河口发生着物理的、化学的和生物的连续变化，河流是一个具有生物适应性的有机体；（2）在横向上，河流系统与高地系统、河泛平原存在着物质与能量的交换，河流的物质与能量主要来源于高地系统的生产，而河泛区平原的存在又是由于河流所带来的物质所形成的；（3）在垂直方向上，河流与地下水发生交换，地下水是河道基流的主要来源，对河川径流水文要素和化学成分有所影响，而河流也通过渗漏和侧向补充着岸带周围的地下水；（4）在时间维上，河流系统的时间尺度在多方面有所体现，如河道形态可能需要很长时期的自然改变，即使是由于人类活动的改变也需要几十年才显现出来。因此，基于Frissell结构的分类体系在实用性上受到了限制，如Rohm et al.[3]的研究表明，基于结构的分类能作为河流分类的地理框架，但不足以应用于小尺度上的鱼群分类、预测资源格局以及生物损伤的诊断。然而，在大中尺度上基于河流景观结构的河流生态分类具有明显的优势，一方面，在大中型尺度上，基于结构的河流分类能够较好地解释生物多样性和生产力的变化、预测大型无脊椎动物的物种生活史和行为特性以及预测冲积系统的区域内河床形态、谷底和河流类型的分布；另一方面，基于结构的分类简化了生态系统的复杂性，结构特征之间的内在联系通过去趋势对应分析DCA、蒙特卡罗随机测试等分析技术进行量化，便于在广阔尺度上进行分类；此外，基于结构的分类多采用定性地图叠置的途径进行，该方法具有对数据多寡和精度要求低、便于在大的区域范围内实施等优点。

基于结构的分类将河流看作是连续的，而事实上由于河流横向、垂向关联的强度沿着河网发生变化，从而出现了河流连续统的不连续性，呈现出“斑块”的分布特征。斑块是相对同质的非生物及生物的结构和功能“单元”，它是形成生态系统异质性的重要原因，而异质性的程度在决定生物分布特征以及景观的非生物功能中起着关键的作用[4]。对于任何生态系统而言，不同尺度上的结构以及过程斑块就形成了一种镶嵌的、交互式的分层结构。而河流的这种“斑块镶嵌”结构，很大程度上是由重要的河流过程所产生的，其中河槽对于扰动的响应/回复过程与物质传输过程为其主要的过程。基于此，一些学者采用景观生态学中的斑块镶嵌理论，提出了基于河流过程的分类解释河流生态系统的景观格局。如Whiting和Bradley[5]经过研究发现：源头水河槽的响应/回复过程是由河槽形态、泥石流的撞击速度及频率、河槽基质大小以及沉积物运送速率控制的，因此以其作为指标对河流源头段进行分类。因此，与河流景观结构划分主要应用于大中型尺度的河流生态分类相比，基于河流过程的划分更适用于中小型尺度的河流生态分类。

综上所述，河流生态分类在理论与方法上经历了由基于结构进行分类向基于过程进行分类的转变，进而演变为将结构分类和过程分类有机融合的发展历程。与此同时，实现河流生态分类的技术也在不断发生变化，由早期主要采用地图叠置的定性分区演变为当前以定量分析为主的、定性分析为辅的分区途径；定量分析所采用的方法主要为主成分分析、聚类分析、相关分析、对应分析、逐步判别分析等数理统计分析技术或者空间回归树（SPARTA）、人工神经网络（ANN）等数学模型方法。相比传统的定性地图叠置分区，当前的分区途径需要大量的、具有较高精度的数据，使得分区过程更为严谨、客观。

3　对我国河流水环境生态分区的启示

由于我国从东到西、由南至北地形的差异导致出现多样的河流景观分布格局、气候的差异导致河流流量的多样性变化以及社会经济发展与环境保护的不平衡导致的河流水环境状况的差异，使得在大中尺度与中小尺度上流域水环境生态功能分区的方法、指标因子与实现技术上存在差异。

在大中型尺度上，气候、地势地貌、河流级数、土壤、植被类型、土地利用方式等流域背景结构因子，它们通常在整个流域内部发生连续的、显著的变化，并能进一步引起其它重要的结构特征因子也随之发生改变。立足于全流域，它们很可能是流域生态系统空间差异性的主要成因，所以我国流域一二级水环境生态功能分区在立足结构划分基础上，可选择气候、地势地貌、岩性、河流级数、土壤、植被类型、土地利用类型等作为分区指标。从实现技术而言，流域的这些结构特征信息相对易于从现有的地形图、水系分布图、遥感图等资源中提取，分析其空间结构的分形特征，从而在广阔尺度上，以地图叠置法为主、以特征因子的欧式距离为辅进行区域的差异性分析，结合专家意见进行不同区域的边界划分，从而实施一、二级水环境生态功能分区。例如孟伟等[6]选择辽河流域的气候、径流深度、地貌、土壤、植被和土地利用类型作为指标因子，以地图叠置为手段，最终实现了一、二级水环境生态分区。

在中小型尺度上，河岸坡度、河流形态、相邻的土地利用的变迁、河岸植被、水文、基质类型、河槽内的大型木屑等栖息地特征因子决定着河槽响应/回复、物质传输等生态过程，而这些过程形成的是河流景观特殊的斑块结构，并通过控制资源的有效性而最终影响了河流局部区域内的生物群落。因此，我国流域三级水环境生态功能分区在立足过程分区基础上，可选择相邻土地利用的变迁、河岸坡度、河流形态、河岸带植被、基质类型、水文特征、河槽内的大型木屑等作为分区指标。依据所选择的指标，结合分区对精度的要求，选取流域内具有典型性及代表性的地点合理布设监测点，通过监测点的野外调查与实验分析、并结合提取已有信息获取的指标数据，建立指标因子数据库；在二级分区的基础上，运用主成分分析、聚类分析、相关分析、对应分析、逐步判别分析等定量分析技术手段确定不同区域的同质性与异质性，在以水定陆的理念指导下最终实现流域三级水环境生态功能分区。

4　结语

由Frissell首次将陆地生态系统的分区理念引入河流水生态系统而提出的河流生态分类是以河流生态系统作为分类对象，将河流景观划分为相对同质的单元，通过河流生态分类将河流水生态结构与过程的空间差异性进行层次化和等级化。国外的河流生态分类从理论方法上可分为基于结构的大中型尺度及基于过程的中小型尺度河流生态分类两种，从实现技术上多采用地图叠置为主的定性分区以及多种数理统计方法为代表的定量分区。我国的大中型尺度，即一、二级河流水环境生态分区中适用基于结构的、定性地图叠置为主的分区；中小型尺度，即三级河流水环境生态分区适用基于过程的、多变量定量分析为主的分区。

[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]孟伟,张远,郑丙辉.辽河流域水生态分区研究[J].环境科学学报, 2007,27(6):911-918.

瞿书锐，男，汉族，硕士学位，中级职称，从事环境变化、环境监测、环境生态相关研究。