湄公河上游沙湾拿吉-桔井区域水生态功能分区研究

张道熙　赵娜　韩东枫　邱娟　金瑶　陈小娟　史方

摘要：系统梳理湄公河上游区域的地貌、河网、土壤、土地类型等生境特征，进行水生态功能一二级分区，为跨界水生态系统综合规划、治理与保护及流域可持续发展提供科学依据。以湄公河干流老挝沙湾拿吉-柬埔寨桔井段及重要支流为研究区域，结合生境要素空间异质性，利用空间聚类法对其进行水生态功能分区研究。研究结果表明，基于区域地貌特征提取的水生态2个一级区能较好地体现区域水资源分配状况和供给功能；基于流域水系河网、土壤及土地利用特征提取的5个二级分区能反映人类活动对区域水生生境及水质的影响。水文、水生生物及水质数据分别验证了分区结果的合理性。

关键词：水生态功能分区；分区指标；空间聚类；水资源管理；湄公河

中图分类号：F205；X32        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）05-0033-08

澜沧江-湄公河流域水资源充沛，生物多样性丰富，是东盟最具发展潜力的区域之一。然而，在全球气候变化、人类活动、水资源开发利用等多重因素影响下，近年来湄公河流域水生态系统健康状况正遭受着严重威胁（WWF，2021）。跨界区域所面临的经济发展与生态环境间的矛盾逐渐凸显，如土地用途与河流流量的改变、暴洪和干旱频率与范围的增加、环境污染与水质恶化的加剧、水生生态系统和渔业资源恶化等。因此，有效识别该区域典型生态功能分区，实施合理差异化流域综合生态环境管理，是在“一带一路”倡议与大湄公河次区域及东盟框架下，澜湄成员国对水电开发、农业集约化灌溉、渔业跨界管理等区域一体化综合管理的需求和夙愿（MRC， 2019）。流域水生态功能分区是基于对流域水生态系统的区域差异研究，对流域内不同类型区域生物区系、群落结构和水体理化环境的异同比较，以及流域水生态系统的空间格局和尺度效应分析而提出的一种分区方法（Tang & Cai， 2010）。其目的是研究水生态系统的生态功能，揭示流域水生态系统的时空差异与演变趋势，最终为流域规划与管理提供理论支撑与决策依据。自美国生态学家 Bailey（1976）开展真正意义上的生态分区工作以来，基于生态分区的资源管理与环境保护的重要性得到了全球公认，国内外以水生态系统健康为目标，以水生态功能辨识及分区为科学基础与依据的流域生态综合管理理念和方法逐渐发展（Llijin et al，1994；Moog et al， 2004;Snelder et al， 2005;2008; Pivovarova， 2015），并成功应用于诸多案例中。例如美国的田纳西流域 （Miller & Reidinger， 1998）、阿拉斯加流域（Gallant et al，1995）、澳大利亚的墨累-达令流域 （Blackmore， 1995）、中国的太湖流域 （Gao et al，2011；2012）、海河流域 （Sun et al， 2013；2017）、淮河流域 （Sheng et al， 2015）、滇池流域 （高喆等， 2015）、辽河流域 （刘星才等， 2012）、达里湖流域 （崔宁等， 2021）等。这些研究基于气候（周期变化和降雨量）、地理（海拔和地形地貌）、植被（结构和组成）、人类活动（土地利用类型）、水体生境（物理化学特征）、水生生物（区系与群落结构）等因素的空间异质性特征实现水-陆生态系统划分，为政府实施流域水资源管理和区域生态环境保护提供重要科学依据。

本研究通过系统梳理与总结研究区域的地貌、河网、土壤、土地类型等生境特征，构建适合的指标体系和分区方案，基于生境要素的空间异质性，应用空间聚类法，对湄公河上游沙湾拿吉-桔井段进行水生态功能一二级分区。研究结果将为湄公河跨界水生态系统综合规划、治理与保护及其流可持续发展提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   研究区域概况

湄公河上游沙湾拿吉-桔井段位于中南半岛，北纬11°48′3″～15°45′18″，东经105°10′54″～107°43′43″，流域总面积约70 700 km2。流域内天然河流众多，河道比降较大。其中干流沙湾拿吉（Savannakhet）-桔井（Kratie）段，北起老挝，流经泰国、越南，南止柬埔寨，其间南蒙河（Nam Mun River）、色丹河（Se Done River）、色贡河（Se Kong River）、色桑河（Se San River）、斯雷博河（Sre Pok River）等重要支流汇于该干流河段，如图1。该流域属于典型热带季风气候区，月平均最低气温高于20℃，最大年平均降雨量高于2 500 mm。流域内地表起伏较大，高程为70～1 200 m，植被覆盖度高，土壤受侵蚀情况复杂。

1.2   研究方法

1.2.1   水生态功能分区指标筛选   水生态功能分区指标选择应该具有时间上的稳定性、空间上的异质性和尺度性、生态要素因果关联性等，要能够反映水生态系统的自然背景和生态特征。根据已有研究和文献（Tang & Cai，2010;Pivovarova，2015），确定地貌特征作为一级分区因子。

一级分区主要反映地形地貌对研究区域水资源形成和分配的影响，研究区域内高原和冲积平原界线分明，因此高程和坡度可作为区分这2种地貌的主要指标。二级分区主要反映水系自然条件和人类活动对区域内水生生境及水质的影响。二级分区指标中，河网密度分析水系实际形态，修正地形指标可能存在的误差。土壤属性中空间规律性最显著的是土壤类型，可将其划分为黏土、壤土、砂壤土、砂黏土4个类型。湄公河流域洪旱季节分明，土壤侵蚀指标能够在一定程度上反映水力侵蚀下的水土流失，本研究按照无侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强侵蚀、极强侵蚀和剧烈侵蚀6个等级划分。土地利用类型包括农业用地、林地、城镇用地、湿地等，由于研究区域内城镇用地分布范围小，在子流域尺度上存在大量零值，而湿地归于河网密度指标。因此，土地利用类型指标划分为农业用地和林地，符合宏观分区的级别要求。

1.2.2   水生态功能区划与分区命名   使用SPSS25二阶聚类工具，选取坡度和高程指标进行一级水生态功能区的划分，得到一级分区边界，然后根据接近原则进行人工调整，将分散的小流域手动分组成具有大面积的相邻群集，调整水生态功能一级区。一级分区由“方位+主要地貌形态”2部分名称命名。在一级区划的基础上，使用二阶聚类法，以河网密度、土壤类型、耕地占比、林地占比，土壤侵蚀程度5个指标进行二级区域的划分，得到二级分区大致边界，同样根据接近原则进行人工调整，将分散的小流域手动分组成具有大面积的相邻群集。二级分区由“各分区的主导子流域或者地域名称+地物”两部分名称命名。详细水生态功能区划过程如图2。

1.2.3   数据来源及预处理   高程数据来源为ASTGTM2（中国科学院计算机网络信息中心，http：//www.gscloud.cn/），其空间分辨率约为30 m，利用ArcGIS软件针对研究区数据进行处理，经过填洼、生成流向、水流累积量等分析，最后生成1 185个子流域。以子流域为单元，获取各子流域内高程、坡度、河网密度、主要土壤类型、土壤侵蚀程度和土地利用中的林地、耕地占比情况。

遥感数据参照2016年2月19日Landsat遥感影像（美国地质调查局，https：//earthexplorer.usgs.gov/）及DEM通过人工目视解译提取的河网分布及研究区域河网。

土地利用类型数据来自于湄公河委员会（Mekong River Commission，MRC）数据门户网（http：//portal.mrcmekong.org），研究区域内流域水生态功能分区具有代表性的土地利用类型为农业用地、林地、城镇用地、湿地等。本研究流域水生态功能分区选区的土地利用类型指标为农业用地和林地。

土壤侵蚀程度采用土壤侵蚀分类分级标准（中华人民共和国水利行业标准SL 190-2007）划分，共分为6个侵蚀等级，包括无侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强侵蚀、极强侵蚀和剧烈侵蚀，根据植被盖度、坡度和土地利用（旱季、雨季）数据计算得到土壤侵蚀程度。

土壤数据来源于联合国粮农组织（FAO）和维也纳国际应用系统研究所（IIASA）构建的世界土壤数据库（HWSD，http：//www.fao.org/），研究区内的主要土壤类型有黏土、壤土、砂壤土、砂黏土。

各指标数据来源、作用以及各个指标的分布如表1、图3。

2   结果与分析

2.1   一级水生态功能分区特征与合理性评价

一级分区将地貌作为主导因子，通过叠加高程和坡度2个矢量图获得（图4），同时对分区界线进行微调，维持子流域的完整性。一级分区结果表示各子流域有较好的聚集性且聚类质量为优秀（图4A）。研究区域共分为2个水生态一级区，分别是北部山地水生态区和南部丘陵平原水生态区（图4B）。一级分区结果体现水资源分配状况和供给功能，其特征差异如表2。湄公河水文监测站网数据显示：北部山地水生态区内尽管有左岸支流色丹河和右岸支流南蒙河汇入，但其年平均径流深仍然只有250 mm；南部丘陵平原水生态区随着老挝南部色贡河，以及越南、柬埔寨色桑河和斯雷博河支流从左岸汇入，干流径流量大增。干流巴色、上丁和桔井水文监测站监测1960-2004年的年平均径流深分别为560、650和640 mm，占湄公河总径流深之比为67%、90%和91%（MRC， 2017），验证了一级分区的合理性。

2.2   二级水生态功能分区特征与合理性评价

在一级分区基础上，将河网密度、土壤类型、土壤侵蚀和林耕地占比矢量图进行叠加分析，共分成5个水生态二级分区（图5）。二级分区主要反映水系自然条件和人类活动对区域内水生生境及水质的影响，其特征差异见表3。鱼类作为水域生态系统的重要组成部分，由于具备生长周期长、分布范围广、对水环境变化的敏感性和耐受性有差异等特点，被广泛应用于国外的水生态分区的验证。据湄委会渔业状况调查报告，Ⅰ2分区内的支流南蒙河分布有38属270种鱼类，Ⅱ3分区内孔瀑布下游干流段分布有34属168种鱼类，支流色贡河、色丹河和斯雷博河分别分布有33属214种、26属133种和32属204种鱼类，Ⅱ2分区内上丁-桔井干流段分布有37属204种鱼类 （MRC， 2017; Hortle & Bamrungrach， 2015）。这表明湄公河鱼类多样性丰富，分区的物种丰富度更多地与分区内水系大小、河网密度成正比。鱼类在生境的喜好选择上，Ⅱ1的洪泛平原水体多是洄游鱼类的产卵地，Ⅱ2的干流河道多是大型鲶（Macroscopium）、巨暹罗鲤（Catlocarpio macrocephala）等大型鲤科鱼类的产卵地。特别是Ⅱ2和Ⅱ3中桔井到孔瀑布的干流段是湄公河流域尤为重要的鱼类产卵地，也是国际自然保护联盟（IUCN）列为极危物种的伊诺瓦底江豚仅存的淡水生境。同时，湄委会在2004-2008年对湄公河流域60个野外样点开展了水体理化因子（水透明度、水温、溶解氧、pH和电导率）和水生生物（底栖硅藻、浮游动物、沿岸大型无脊椎动物、底栖大型无脊椎动物）的调查，并在此基础上做了水生态健康评价 （Supatra et al， 2006; MRC， 2007; Chanda et al， 2009; Dao et al， 2010）。其中10个样点位于本项目研究范围内，分别在湄公河干支流、老挝南部和柬埔寨的冲积河道与洪泛平原、以及受人类活动干扰程度大的沿河村镇或者航道上，在位置和环境方面具有广泛的代表性。结果显示这10个样点的水生态状况为优（6个）或良（4个），表明了湄公河水质总体较好，并未因水资源开发、人们沿岸而居等受到危害，仍是一条较为清洁的河流。生物监测水质下降的样点多位于大流量位置，受雨季河岸侵蚀影响更大。

综上，湄公河干流沙湾拿吉-桔井流域水功能区划共将该区域分为2个一级水生态功能区：北部山地水生态功能区Ⅰ和南部丘陵平原水生态功能区Ⅱ，5个二级水生态功能区，北部山地水生态功能区2个二级水生态功能区，南部丘陵平原水生态功能区3个二级水生态功能区，如图6。

3   讨论

“自上而下”的演绎分区方法适合于具有显著的空间异质性特征的大尺度流域的高级别水生态功能分区；“自下而上”的归纳验证方法通过空间聚类适用于小尺度流域的水生态功能分区以及大尺度流域的低级别分区。本研究区域70 700 km2。按照欧洲水框架指令中10 000 km2以上面积属于超大尺度流域 （孙小银等， 2010），本研究采用了“自上而下”的演绎分区方法，按区域内相对一致性和区域共轭性划分出一级分区单位。

二级分区采用了“自下而上”的分区方法，主要基于生态系统结构的分类指标，并根据各指标反映的水生态功能信息对其进行筛选，通过合并小区域单元为大区域单元的二阶聚类法获得了二级分区结果。这2种方法的结合是基于不同分区级别和不同分区目标考虑的。一级分区主要揭示地貌对区域水资源的分配和影响，体现水生态特征的宏观规律性；二级分区主要揭示自然条件及人类活动等要素对水环境和水质的影响，体现水生态特征的相对一致性。二级分区不连续主要由于研究区域非独立流域，且湄公河支流众多，部分地区具有相似性。

科学选取指标是分区的前提。考虑到地貌要素在景观尺度上有明显的空间变异性以及其作为水资源分配的首要驱动因子，因此选择高程和坡度为一级分区指标，实现了以自然系统的“地带性分异”为基础的空间划分。二级分区结合区域内河网复杂、支流众多的水系特征以及洪旱季明显的气候特点，综合考虑了水-陆生态系统中的多种自然要素（河网密度，土壤类型和土壤侵蚀等）和人类活动（土地利用）对水资源、水环境和水资的影响。这些指标可以较好地实现二级分区的目的。

“生态分区理论”作为一种多尺度生态区域分级嵌套区划和评价系统，逐渐成为生态系统管理的核心。例如美国完成了全国的3级水生态分区体系，目前正在开展 4级和 5级分区工作；欧洲 （Zogaris et al， 2009）、大洋洲 （Mackey et al， 2008）、非洲 （Thieme et al， 2005）、亚洲 （Wang et al， 2016）等也都开展了针对目标流域的区划工作。随着湄公河流域经济的迅猛发展和人口的不断增长，流域水资源开发利用也会面临长期的水生态风险压力。在湄委会主导下，湄公河流域已经完成了流域鱼类主要迁移区的生物多样性调查、流域生态河段划分以及流域水质监测和生物监测。这些研究对全面了解湄公河水资源、水环境和水生物提供了基础，但是这些仅针对陆地生态系统或者水生态系统，忽略了两者之间的关联性。本研究是对基于陆-水生态系统进行分区的一次尝试，希望可以为湄公河全流域的水生态功能分区提供方法和技术参考。但是现行的分区仍然以专家综合判断为主，尚未实现定量化分区。未来澜沧江-湄公河实现全流域的生态系统划分和管理，还需要对分区体系和指标选择进一步研究深化，以更加真实地反映出水生态系统的层次结构，并实现三级区划等更小时空尺度上的分区。

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（责任编辑   郑金秀）

Regionalizing Hydroecological Function in the Savannakhet-Kratie

Area of Mekong River

ZHANG Dao‐xi1， ZHAO Na1， HAN Dong‐feng2，3， QIU Juan3， JIN Yao1， CHEN Xiao‐juan1， SHI Fang1

（1. Key laboratory of Ecological Impacts of Hydraulic-projects and Restoration of Aquatic Ecosystem

of Ministry of Water Resources， Institute of Hydroecology， Ministry of Water Resources

and Chinese Academy of Sciences， Wuhan   430079， P.R. China;

2. Shandong Provincial Climate Center， Jinan   250031， P.R. China;

3. Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology，

Chinese Academy of Sciences， Wuhan   430071， P.R.Chinaa）

Abstract：Global warming， water resource development and utilization， and intensified human activities， pose a serious threat to aquatic ecosystem health in the Mekong River basin， and make regional socio-economic development difficult.  In this study， the mainstream of Mekong River between Savannakhet in Laos and  Kratie in Cambodia， together with several key tributaries were selected for research. Regions of aquatic ecological function were delineated based on a water ecological function evaluation index developed as part of the study. The  evaluation index consisted of two primary indices （elevation and slope） and five secondary indices （river density， soil type，  proportion of farmland area， proportion of forest area and degree of soil erosion）. Spatial heterogeneity of habitat elements and spatial clustering were used to delineate regions according to aquatic ecological function. The  investigated area included two Level 1 water ecological function zones and five Level 2 water ecological function zones. The Level 1 ecological zones were based on the regional geomorphic features and well-represent the distribution and supply functions of regional water resources. The Level 2 zones derived from the river network， soil and land use characteristics of the watershed reflecting the impact of human activities on regional aquatic habitat and water quality. The water ecological function zones were verified using data on hydrology， aquatic organisms， and water quality. The results of this study provide scientific support for water resource management and hydroecological protection of transboundary rivers.

Key words：aquatic ecological function regionalization; regionalization index; spatial cluster; water resource management; Mekong River

收稿日期：2021-09-08      修回日期： 2023-08-30

基金项目：中国-东盟国家防洪抗旱应急管理合作项目资助。

作者简介：张道熙，1983年生，男，副研究员，主要从事环境遥感研究。E-mail：dxzhang@mail.ihe.ac.cn

通信作者：赵娜 ，1978年生，女，研究员，主要从事水生生物学研究。E-mail：chinesezhaona@163.com