黄河源园区水生态功能一二级分区

杨阳 陈晓璐 周一凡 李文明 陈克龙

摘要：生态功能分区是区域水生态系统区划及水环境规划管理的基础，也是生态文明建设背景下更为全面和系统性的分析和规划。出于三江源国家公园区域生态保护与分区管理，为探究地表水资源及生态系统的空间格局分异规律，以黄河源园区为研究对象，在综合分析其自然环境条件和水陆生态控制因子的基础上，结合园区内部各区域生态地理特征，基于GIS和RS平台，构建黄河源园区水生态功能分区评价指标体系。通过空间自相关距离确定降水、河网密度和地貌3个一级分区指标以及植被指数、植被生产力、土壤类型、土地利用类型4个二级分区指标；基于子流域完整性，运用数据叠加技术将黄河源园区分为5个一级水生态功能分区和19个二级水生态功能分区，运用相关性分析检验分区的合理性和准确性，并讨论了不同区域的生态系统特征和主要生态环境问题，阐述了水资源、植被资源的空间特征和分布规律。分区结果可为区域水陆环境的管理和保护利用提供科学依据与目标定位。

关键词：黄河源园区；水生态功能分区；地理空间；水陆耦合

中图分类号：X143        文献标志码：A        文章编号：1674-3075（2023）02-0001-09

生态功能区划是根据自然环境和生态系统服务功能，面向区域生态环境保护和社会发展需要，对区域生态功能进行空间划分（Xie et al，2013），是以自然生态区划为基础，以生态环境因子为要素进行区域生态系统功能分区（高俊刚等，2016）。水生态功能分区是生态功能分区在水生态、水环境管理中的应用和推广（黄艺等，2009），也是应用生态学原理和方法，以满足区域水资源可持续发展和环境保护需要为目标，考虑自然因素和人类活动影响的一种功能区划方法（高俊峰等，2019）。“水陆耦合”是现代水生态功能分区的重要原则，即“以水定陆、以陆控水”的陆地-水生态系统耦合统一（孙然好等，2017）。北美最早在水生态分区研究中运用“水陆耦合”原则尝试将陆地和水生生态系统特征结合起来进行分析（Likens & Bormann，1974; Naiman et al，1990），代表性的做法是将土壤类型、气候特征、水资源可利用性、植被类型和土地利用类型等作为指标，在水生态功能分区的基础上进行应用性更强的土地资源分区（Omernik，1987）；美国环境保护署（USEPA）首次向社会公开提出水生态功能区划方案，具体方法是将各种生态特征指标要素结合起来，诠释环境要素对不同结构等级水生态系统的影响（Bailey，1976）；欧盟最早提出按照水质等级对水体进行划分，并利用各种生物指数或综合指数进行分析验证（European Community，2000）。

水生态功能分区在我国的研究开始较晚，2007年开始，国家科技重大专项环境保护部“重点流域生态分区研究”提出了水生态空间异质性分析、水生态功能重要性评价等技术方法，形成了流域生态分区技术方法体系和环境管理目标。在此背景下，孟伟等（2007）率先在辽河流域开展水生态功能分区试点工作；盖力强等（2012）分析研究了中国水资源压力的时空特征和生产用水足迹，并结合水生态系统服务功能评价理论，按照流域将中国划分为6个一级生态功能分区和100个二级功能区。随后，大批学者先后在重点河流型流域（梁静静等，2011；赵宝苹，2011；孙然好等，2013；Chen et al， 2016；张许诺，2018；和克俭等，2019）和重点湖泊型流域（高永年和高俊峰，2010；杨顺益，2012；王传辉等，2013；高喆等，2015；樊灏等，2016）开展了系统的水生态功能分区研究，并提出了较为完善的分区指标体系，为流域水资源的科学管理提供了理论支持。水生态功能分区对于区域生态系统管理目标制定、区域水环境管理与水资源配置（马溪平等，2010）、水生态系统健康评估以及水生态保护目标确定具有重要意义（孟伟等，2011）。

黄河源园区是三江源国家公园的重要组成部分，作为黄河的发源地，在整个黄河上游流域占有十分突出的地位，拥有独特的水文水资源系统，气候及地表生态环境的变化对地表水资源的波动具有显著影响，而目前对于该区域地表水资源分布规律并未有系统研究。为探究黄河源地区地表水资源分异规律并进行初步水生态功能分区，通过建立水生态功能分区评价指标体系，分析水资源的空间分布特征，划定合理科学的水功能分区，以期为国家公园实行分区目标管理提供参考。

1   材料与方法

1.1   区域概况

三江源国家公园黄河源园区（图1）位于青藏高原东南部、青海省南部（96.82°～99.25°E，34.02°～35.47°N），面积1.91万km2，平均海拔4 406 m，属典型高寒草原气候，干湿季与冷暖季分明，雨热同期，年均温度0℃以下，年均降水量不足400 mm，天气复杂多变，气候恶劣。域内黄河干流总长约300 km，平均河宽为90 m，水深不足1 m，平均流量为19.1 m3/s，最大流量为50.6 m3/s，区域内总径流量为6.02×109 m3，自产地表水资源为14.3×109 m3。

1.2   分区原则与指标选取

不同的分区指标直接影响水生态功能分区过程与结果的科学性和准确性（Fu et al，2019）；区域环境对水体影响巨大，通常决定水生态系统特性（高永年等，2012）。与此同时，分区尺度对分区等级的反映也是水生态功能分区中的重要问题（高俊峰等，2017），明确生态系统的空间尺度和范围，有助于不同空间尺度上水生态、水资源以及水环境的保护规划（高俊峰等，2019）。研究区原生系统较为完整，因而评价指标选取以自然环境因素为主，兼顾指标的主导性、系统性和可获取性，对生态系统类型、地貌类型、水资源分布现状、植被类型分布及覆盖度现状等进行综合评价。

一级水生态功能分区属大尺度区域分区，主要反映研究区山地、盆地、河谷地等不同地貌类型下的陆地-水生态系统特征差异。地形地貌反映区域地表形态特征，是影响区域水量分布差异主要因子，河网密度能直观体现区域河网分布状态。依据高俊峰等（2019）《湖泊型流域水生态功能一二级分区方法》中分区指标选取原则，兼顾研究区域特征，选取河网密度、数字高程模型（Digital elevation model， DEM）和降水量3个因子作为黄河源园区流域一级水生态功能分区指标。

运用空间自相关原理生成空间权重矩阵，确定各空间单元的权重，再根据各单元的属性信息进行空间自相关分析。运用地统计学GS+软件中的半方差函数模块，对研究区水生态功能分区指标进行空间自相关距离分析（陈治荣等，2022），根据空间自相关距离计算结果确定主导分区指标（表1）。计算公式如下：

[γh=12Nhi=1NhZxi-Zxi+h2]     ①

式中：γ（h）为变异函数，N（h） 表示间距为h的数值对数，Z（xi）表示区域化变量在点xi处的值，Z（xi+h）表示区域化变量在点（xi +h）处的值。

二级水生态功能分区主导区域环境特征和生态功能，结合一级分区内部小尺度分异特点，依据因子主导性原则和区域小生态系统一致性原则，最终确定黄河源园区二级水生态功能分区的指标为植被类型和土壤类型，归一化植被指数（Normalized difference vegetation index， NDVI）和净初级生产力（Net primary productivity， NPP）指数作为辅助因子对不同植被类型的边界进行调整（表2）。

1.3   数据来源及处理

依据黄河源园区水生态功能分区指标，1：25万数字高程图（DEM）来自于国家基础地理信息中心提供的90 m栅格数据。降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn）及青海省水文水资源局的共16个站点（图2）。30 m分辨率土地覆盖类型数据来自于三江源国家公园管理局；2000－2018年年均NDVI（空间分辨率250 m）和2000－2015年年均NPP（空间分辨率250 m）数据来自于三江源国家公园星空地一体化生态监测数据平台（http：//sjynp.tpdc.ac.cn/）；土壤类型数据采用世界土壤数据库中国1：100万数据集，河网密度基于水系数据，通过对园区范围矢量文件创建格网，然后通过空间连接进行密度分析得到。

1.4   分区方法

基于ArcGIS软件平台，采用“自上而下”的方法进行指标专题图叠加，确定研究区大类水生态系统的空间分布差异，对区域环境的地域分异规律和水生态系统的异质性进行分析（刘星才等，2010；高俊峰等，2019），将遴选好的指标DEM、降水量及河网密度栅格图在ArcGIS中进行模糊叠加，以地貌类型为主导因子，适度调整区域降水量和河网密度边界，得到模糊叠加界线，再根据提取到的子流域边界进行微调，得到水生态功能一级分区边界（图3）。

二级水生态功能分区目的是体现区域生态特征以及环境差异（陈治荣等，2022）。将土壤类型矢量图和植被覆盖类型矢量图进行加权叠加，得到二级分区初步界线，然后根据子流域边界，通过Spatial Analyst工具中的Hydrology模块，对子流域和加权叠加后的专题图进行标记叠加，得到二级分区水文响应单元（宋晓猛等，2013）。依据水文响应单元边界对二级分区初始边界进行微调，最终得到水生态功能二级分区边界（图4）。

2   结果与分析

2.1   水生态功能一级分区

黄河源园区共分为5个一级水生态功能分区，命名采用区位+河网密度的方法（图5）。C-Ⅰ布青山南坡产流区，面积为2 504.51 km2，地势北高南低，是黄河干流和扎陵湖-鄂陵湖主要产流区；C-Ⅱ扎陵湖-鄂陵湖盆地河网低密度区，面积为3 259.91 km2，地势平缓；C-Ⅲ黄河-黑河-东曲河谷汇流区，主要为黄河干流及黑河、东曲等各大支流河谷地带，面积为5 119.34 km2，河谷纵横，河网密度高；C-Ⅳ阿尼玛卿山西坡产流区包括阿尼玛卿山西南山坡及山麓部分，面积为2 186.77 km2，河网密度高，是黄河玛多县-黄河乡段主要产流区；C-Ⅴ巴颜喀拉山北坡产流区主要为巴颜喀拉山北部山区，面积为5 948.19 km2，平均海拔4 492.11 m，该区域山间高寒湿地广布，植被覆盖度高，河网密度较高，是扎陵湖-鄂陵湖地区及黄河主要的产流区。

利用ArcMap进行一级分区各区域间的相关性分析，得到各个分区间相关矩阵（表3）。结果显示每个一级分区之间生态系统特征存在明显差异，而区域内部差异较弱（表4）。

2.2   水生态功能二级分区

黄河源园区分为19个二级水生态功能分区，命名方法采用地理区位+主导生态系统类型+生态亚区（图6）。

C-Ⅰ-1布青山南坡高寒稀疏草地生态亚区，主要生态类型为山地稀疏草地，区域平均海拔在4 500 m以上，植被覆盖率低，植被类型单一，生态系统脆弱；C-Ⅰ-2布青山南麓高寒草原生态亚区，主要生态类型为高寒草原，植被长势及覆盖度较C-Ⅰ-1区好，该区域是C-Ⅰ-1区的汇流区，地势相对平缓，河道落差变小，流速变缓。

C-Ⅱ-1扎陵湖-鄂陵湖湖体生态亚区，总面积1 1 83.96 km2；C-Ⅱ-2扎陵湖-鄂陵湖北岸高寒草原生态亚区，主体生态系统为高寒草原，主要土壤类型为寒钙土和暗寒钙土；C-Ⅱ-3扎陵湖-鄂陵湖南岸高寒沼泽-草甸生态亚区，区域内为高寒沼泽-高寒沼泽化草甸-高寒草甸生态系统过渡带，主要土壤类型为低位泥炭土和暗寒钙土，地势平坦，河流众多，分布大片高寒沼泽和沼泽化草甸，水源涵养功能强。

C-Ⅲ-1星星海湖群湖盆高寒草原生态亚区，主要生态系统类型为高寒草原，土壤类型主要为暗寒钙土，该区域人口密集，在维护生态系统稳定和保护生物多样性工作中要注意减少人类活动影响；C-Ⅲ-2同布岗山地高寒草原-稀疏草地生态亚区，是高寒草原到稀疏草地的过渡带，区域河流分布较少，植被覆盖稀疏，水土流失严重；C-Ⅲ-3东曲②流域高寒沼泽-草原生态亚区，高寒沼泽广布，水源涵养功能强；C-Ⅲ-4阿涌尕玛错南岸-同布岗西麓裸土-沙地生态亚区，主要生态系统类型为沙地裸地，区域植被稀少，亟需解决生态问题是防风固沙和防止水土流失；C-Ⅲ-5黑河-黄河-白马曲河谷带高寒沼泽-草甸生态亚区，区域河流密集，高寒湿地广布，主要土壤类型为暗寒钙土和低位泥炭土，是重要的水源涵养和生物栖息地保护功能区。

C-Ⅳ-1阿尼玛卿山山顶裸岩生态亚区，植被稀少；C-Ⅳ-2东曲①-优尔曲河谷高寒沼泽-稀疏草地生态亚区，海拔落差较大，生态系统从稀疏草地到高寒沼泽演变分布；C-Ⅳ-3阿尼玛卿山西坡稀疏草地生态亚区，主要生态系统类型为高寒稀疏草地，该区域植被覆盖度低，生态系统类型单一，海拔较高，河网较密集。

C-Ⅴ-1巴颜喀拉山山顶裸岩生态亚区，该区域海拔高，降水少，植被稀疏，地表主要覆盖裸岩；C-Ⅴ-2邹玛曲-多曲河谷高寒沼泽-稀疏草地生态亚区，生态系统类型随着海拔降低从稀疏草地到高寒沼泽过渡；C-Ⅴ-3勒那曲-尕拉曲河谷高寒沼泽-草甸生态亚区，区域河网密集，高寒湿地集中分布，是鄂陵湖的主要产流区；C-Ⅴ-4巴颜喀拉山北坡中部山地稀疏草地生态亚区，主要生态系统类型为高寒稀疏草地，该地区海拔高，地表植被覆盖度低；C-Ⅴ-5热曲河谷高寒沼泽-草原生态亚区，主导生态系统类型为高寒湿地、草地，主要土壤类型为暗寒钙土和泥炭沼泽土，区域分布有面积较大的高寒湿地，水源涵养功能较强，生物栖息地保护价值高；C-Ⅴ-6巴颜喀拉山北坡东部山地高寒草原生态亚区，主要生态系统为高寒草原，主要土壤类型为暗寒钙土和草毡土，河网较密集。

对黄河源园区水生态功能二级分区进行空间自相关分析，得到各区域相关矩阵（表5）。以植被类型和土壤类型为主导因子的黄河源园区二级水生态功能分区的区域生态系统特征差异表明，二级亚区各个区域主体生态系统之间界限较为清晰，区域空间异质性较强，不同区域之间植被类型、覆盖度及土壤类型都有着较明显的差异（表6）。

3   讨论

区域水生态系统特征和自然环境特征复杂多样，很难对其进行整合管理，开展水生态功能分区，可以为不同区域水生态系统特征差异分析以及不同水体水环境保护目标的确立提供依据（蔡佳亮等，2010；韩文辉等，2020）。水生态功能分区作为生态空间功能区划的重要组成部分，在2010年后成为各大流域的研究热点。当时有学者建议统一选用能够表征流域水生态系统结构和功能空间差异的环境驱动因子作为分区指标体系，并提议尽可能统一定量分析方法，以便比较不同流域间的分区结果（唐涛和蔡庆华，2010）。然而，由于不同研究区域的海拔、面积、水资源、植被以及人类活动等环境要素不同，在对不同类型的流域、区域进行水生态功能分区时，往往都会根据研究区域的特点而制定不同的分区思路。如在针对河流型流域的水生态功能分区中，孙然好等（2013）在海河流域采用地貌类型+区域水资源分异到植被、土壤类型分异的过程“自上而下”进行分区；而李法云等（2012）在辽河流域水生态功能分区一级指标选取中，更多地考虑了区域水文和植被要素；在面向湖泊型流域的水生态功能分区研究中，高喆等（2015）在滇池流域采用地貌类型+水文特征+植被特征作为一级分区指标，二级指标突出了人类活动对流域水生态的影响；陈治荣等（2022）进行青海湖流域的水生态功能分区研究则更注重水系单元的完整性，在以支流流域边界为一级分区的基础上，考虑水文、植被等区域分异规律，探讨了整个青海湖流域的水生态状况。因此，进行流域水生态功能分区时，要根据流域特点制定实施策略，并以此为基础构建流域水环境综合管理技术体系，进而支撑流域生态文明建设（孟伟等，2013）。

综合分析前人的研究思路与方法，根据黄河源园区海拔起伏大、产汇流差异分明的区域特点，确定先大区、后小区“自上而下”的分区原则，一级分区指标主要选取大区DEM和产汇流区域特性，二级分区指标更加考虑小流域完整性基础上的植被类型、土壤类型分异特点。通过指标要素叠加、调整边界、分区分析验证等过程，得到黄河源园区5个一级水生态功能分区和19个二级水生态功能分区。区别于多数学者以完整流域或省市等行政区为研究对象进行区划分析，本次研究的区域相对较小，区域完整性相对较弱，研究过程中形成的分区技术方法对于高海拔小区域的水生态功能分区具有一定的借鉴意义。

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（责任编辑   万月华）

Primary and Secondary Aquatic Ecological Function Division

of the Yellow River Source Zone

YANG Yang1， CHEN Xiao‐lu2， ZHOU Yi‐fan3， LI Wen‐ming1， CHEN Ke‐long4，5

（1. Xi'an Center of China Geological Survey/Northwest Geological Science and Technology

Innovation Center， Xian   710054， P.R. China;

2. Center for Agricultural Resources Research， Institute of Genetics and Developmental Biology，

Chinese Academy of Sciences， Shijiazhuang   050022， P.R. China;

3. Xi'an Institute of Surveying and Mapping， Xian 710054， P.R. China;

4. Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation

（Ministry of Education）， Qinghai Normal University， Xining   810008， P.R. China;

5. Academy of Plateau Science and Sustainability， Peoples Government of Qinghai Province and Beijing Normal University， Xining   810008， P.R. China）

Abstract：Ecological zoning that includes mountain， water， forest， field， lake， grass and sand allows for a comprehensive， systematic approach for planning and constructing an ecological civilization. Categorizing aquatic ecological functions is the basis for regional water ecosystem zoning and water environment planning and management. In this paper， the Yellow River Source National Park， an important component of Sanjiangyuan National Park， was selected for study and the aquatic ecological functions of the area were taken from the constructed regional evaluation index system of water ecological function of the Yellow River Source National Park. We explored the spatial differentiation of surface water resources and the regional ecosystem， and comprehensively analyzed existing natural environmental conditions and the water and land ecological control factors of the park. Our aim was to provide a reference for regional ecological protection and management of Sanjiangyuan National Park. First， the regional evaluation index system of water ecological function in Yellow River Source National Park was constructed based on GIS and RS platforms， based on the ecological and geographical characteristics of each region within the park. The evaluation included three first-level water ecological function indices （precipitation， river network density and landscape） and four second-level water ecological function indices （vegetation， vegetation productivity， soil type and land use）. Then， the Yellow River Source National Park was divided into five primary water ecological function zones and 19 secondary water ecological function zones based on the integrity of the sub-basin and using data overlay techniques. Finally， the rationality and accuracy of water ecological function zoning were tested using correlation analysis， the ecosystem characteristics and major ecological problems in different regions were discussed， and the spatial distribution characteristics and distribution laws of water and vegetation resources were analyzed. The zoning results provide a scientific basis and targeting for managing， developing， protecting and utilizing the regional water and land resources.

Key words：Yellow River Source Park; aquatic ecological function divisions; geospatial; water-land coupling