大辽河流域水生态系统功能区划研究*

2014-10-16马冰然马安青李正炎王志凯

中国海洋大学学报（自然科学版） 2014年4期

马冰然，马安青，陈爽，李正炎，王志凯

（中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100）

水生态系统对地球环境具有重要的调节功能，为生物提供栖息环境，同时与人类生存、发展关系密切。目前，流域水生态系统主要以各种分区为单元进行管理，并且将自然资源按照生态系统功能进行分区规划，制定保护和发展措施，已经在科学上被广泛接受。1967年，生态区的概念第一次出现［1］，这意味着研究从传统的地理学分区迈入了生态学领域。诸多学者都曾在此领域开展过深入研究［2－4］，目前水生态系统分区体系大体可以分为三种类型，第一类型是基于景观要素的分区体系，如美国水生态分区［4］；第二类型是基于水生生物要素的分区体系，如世界淡水生态分区［5］；第三类型是基于价值判断和功能的分区体系，如中国水功能区划。美国生态学家Bailey于1976年提出了美国生态区域的等级概念，并绘制出一套美国生态区域图［2］。McMahon等提出了美国范围内生态区划的通用方案［6］。澳大利亚的学者用气候（直接表现为降水量大小及其季节性）、地貌以及植被类型3个景观要素指标来反映水生态系统的自然差异性，从而将澳洲分成了多种生态区［7］。2000年，欧盟委员会提出了欧洲水框架指令，第一次全方面阐述了欧洲淡水生态系统的管理理念，并对不同水域给予了评价［8］。

在我国，各省根据生态系统特征、生态服务功能的重要性、生态敏感性以及区域面临的生态环境问题，将某一个特定的研究区域划分为自然生态区、生态亚区和生态功能区3个等级单元，并且该项工作已经初步完成。很多城市也对生态功能区划进行了研究。在此基础上，研究尺度开始拓展到流域层面，如赵锐峰等对塔里木河中下游河流廊道的分区研究，划分了3大景观生态功能类型区［9］。燕乃玲等对我国长江源区以流域生态系统单元为基础进行了生态功能区划，共划分了5个生态功能分区，为长江源区生态系统管理和保护提供了基础框架［10］。但是，目前我国大部分重点流域还没有进行过此方面的研究，因此本文针对大辽河流域进行的水生态功能区划研究具有重要意义。

1 研究区域概况及环境现状

研究区域总体位于：40°40′N～41°10′N，121°50′E～122°40′E。浑河和太子河在海城三岔河汇合，之后称为大辽河，自营口流入渤海辽东湾。大辽河流经海城、盘山、大石桥、大洼、营口等县市，穿行于辽河中下游区的近海地带，沿岸属于滨海与堆积平原。大辽河沿岸工农业发达，城市的工业污水、生活污水和农业的面源污染严重污染了河流和流域的土壤。作为河口型河流，2006年大辽河排入辽东湾污水1.35×109t［11］，渤海水域污染令人堪忧。近几年来，虽然大辽河污染受到国内外学者的重视并有转好趋势，但环境形势仍十分严峻，需要政府和有关部门进行长期的规划与治理。

2 技术路线

本文根据流域湿地景观变化分析、生态环境敏感性评价、水生态系统服务功能评价，确定功能分区和分区依据，在此基础上，调查收集数据，识别主导水体类型、人类干扰特征，并结合水生态系统功能评估内容，进行大辽河流域的水生态系统功能区划。主要技术路线如图1所示。

图1 大辽河流域水生态功能区划研究技术路线图Fig.1 The technology roadmap on function regionalization of water ecosystem for the liaohe drainage area

3 评价分析

3.1 大辽河流域湿地景观格局变化分析

景观空间格局是指大小和形状不同的景观斑块在空间上的排列，景观格局随时间变化可以反映景观生态过程［12］。大辽河流域湿地景观类型面积随时间的变化特征主要表现在：库塘面积变化最显著，扩大的比例最大；赤碱蓬面积缩小最为明显；芦苇田面积变化最不稳定；水稻田、养殖区、建筑用地和滩涂的面积则呈现出逐年增加的趋势。湿地景观类型的空间变化特征主要表现在自然湿地大量转化为人工景观或人工湿地，具体表现在转化为建筑用地、水稻田、养殖区。斑块的破碎度增大，分布分散，景观的破碎化程度增强，说明人类活动对湿地的干扰强度增强［13］。

3.2 大辽河流域生态环境敏感性评价

生态环境敏感性是指生态系统对自然环境变化和人类活动干扰的反映程度，在GIS的支持下，运用层次分析法（AHP）［14－15］和模糊综合评判［16］相结合的方法开发出GIS系统，得到大辽河流域生态环境敏感性评价结果，发现整个地区敏感等级为中度敏感和高度敏感。其中，高度敏感是主要的敏感类型，占总面积的69.62%，在全区除盘山县外，5个县市均有分布，其中盘锦市的东部、西南少数地区以及大石桥市的中部和南部少数地区的敏感度值最高；中度敏感的地区占总地区土地面积的份额相对较小，占总土地面积的30.38%，主要分布在盘山县区，盖州东南部分地区＊。

＊陈爽，王其翔，马安青，等.基于GIS的大辽河口生态环境敏感性评价［J］.中国海洋大学学报：自然科学版（in press）

3.3 大辽河流域生态系统服务功能重要性评价

生态系统服务是指生态系统与生态过程所形成和维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用。通过指标体系评价［17］的方法，其评价结果为：重要性较高的区域主要分布在大辽河上游的牛庄镇地区，中游的大洼县、沟沿镇、水源镇、老边区和大石桥市，这些地区的城镇建筑用地较多，养殖业发展较好，农业发展程度比较高；功能等级最高的区域分布在大辽河的上游和下游入海口地区，这些地区分布有芦苇、滩涂和沼泽，入海口地区更是分布有大量的养殖区并且靠近城市建筑区，多样性维持功能、水环境及水文支持功能等都比较高。重要性较低的区域主要分布在大辽河上游的西北部沙岭、坝墙子等地以及盘锦的西部和营口东部的感王镇、虎庄镇等地，这些地区旱地较多，土地利用类型较为简单；功能等级为一般的区域主要分布在大辽河上游盘锦北部的新开镇等地、中游地段的大洼县的西部地区、营口市老边区的北部以及营口市东部西柳镇等。将水生生物多样性维持功能、野生生物栖息地维持功能、滨岸带支持功能、水环境支持功能和水文支持功能各个单项功能的指标应用SPSS软件进行了主成分分析，得到前3个单项功能指标的解释方差累积贡献率大于85%，对整个大辽河流域水生态系统功能重要性影响最大，使整个研究区域的综合评价结果出现了较为明显的差异［18］。

4 大辽河流域水生态系统功能区划方法和技术

4.1 研究方法概述

生态功能区划的最终结果是生态系统单元图，由于区划目的不同，采用的区划方法也不尽相同，主要有以下几种［19］：地理相关法、空间叠置法、景观制图法、定量分析法等。大辽河流域水生态功能区划的研究采取了定性分区与定量分区相结合的方法，利用计算机图形空间叠置法、相关分析法和专家集成的方法，依照生态功能分区的等级体系，运用自下而上的划分方法进行分区划界。自下而上的划分方法是将具有相似性水生态系统功能的小流域聚合成为大的分区单元，通过水生生物、生境类型、水化学等河道内指标来识别水生态功能区。本文研究根据区域环境要素和水生态系统异质性特征，选取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，剔除一些信息量重复或相关度较大的指标，将原始数据标准化处理后，在GIS支持下分别提取和计算各指标的指数值，最后通过聚类分析获得区划结果。

4.2 水体类型识别

对小流域内的主要水体类型进行识别主要从3方面进行判断：盐度值、河流弯曲度和河道宽度。盐度值根据盐度值在样区的分布特点以及咸淡水盐度值的分异规律，表现为从三岔河向河口，盐度呈递增趋势，在河口地区已经接近为海水。

河流弯曲度即河流的分维数＝河流总长度／河流的流域面积，具体计算步骤为：在ArcGIS9.3中将河流线状图层与整个研究区格网面状矢量图进行叠加，在矢量格网图层属性信息中获得每个格网分维信息，最后进行归并与综合。

河道宽度对照大辽河流域水系图，以所有采样点所在的横截面长度的平均值作为大辽河干流的河道宽度，一级支流以起点、终点和中间点3点所在横截面长度的平均值作为河流宽度，二级支流取每条河中间点横截面长度作为河流宽度，三级以下河流宽度则以随机采样（样点设20余条河流）平均值作为代表。以此获得整个流域的河道宽度。利用ArcGIS9.3的图层叠置功能，将河流宽度信息输入到对应位置格网中。

根据这3个方面的分布特点，将小流域单元进行水体类型分析（见图2）。

图2 小流域水体类型图Fig.2 The water body types of watershed units

4.3 人类干扰特征识别

根据2007年TM影像解译得到大辽河流域土地利用图，各土地利用类型对生态环境施加的消极影响程度，计算各个评价单元的土地利用指数［21］，具体计算方法为：

式中：Lj为区域土地利用程度的综合指数；Ai为研究区内第i种土地利用类型的分级指数，其中，各个类型土地利用的分级指数根据表1确定；Ci为研究区内第i种土地利用类型的面积百分比，n为土地利用类型数量。

表1 各个类型土地利用的分级指数Table 1 The classification index of various types of land use

根据所计算的土地利用指数，划分不同区域的土地利用的影响强度大小，如表2所示。

表2 土地利用指数的影响强度分级表Table 2 Impact strength grading of land use index

按照上述方法计算各个小流域单元的土地利用指数，得到人类干扰强度图3所示。

图3 人类干扰强度分布图Fig.3 Distribution of human disturbance

4.4 水生态系统功能评估

水生态功能重要性现状评估采用指标体系评价的方法进行，在选取指标时，遵循主导性、差异性、综合性和实用性，以及所需指标的可获取性等原则，建立水生态功能评估指标体系（见表3）。建立评价指标体系后，在对各单项生态功能进行评价时，广泛征询专家意见并且对大辽河口区域进行调查分析。根据各个指标在评价中的影响力差异以及该地区的实际情况，主要分三类人员进行赋值：第一类为科研专家；第二类为研究区内的管理人员；第三类为调查人员，最后用加权平均法计算各评价指标的分值。

表3 大辽河流域水生态系统功能评价指标体系Table 3 Evaluation index system of water ecosystem functions in Liaohe valley

上述评估方法是建立在流域水生态系统特征现状的基础上，在评估过程中往往忽略了一些重要功能区以及人类对一些重要功能的期望目标。因此，需要参照流域历史状况及功能重要性特征，对以现状指标为基础的功能评估进行适当修正，以此得出能够确定水生态系统保护目标的水生态功能评价结果，有利于确定流域内重要生态功能区，并实现相应的保护及恢复措施，并以此确定流域水生态功能保护的目标及制定正确的管理措施，修正技术路线见图4。表3中5种功能评价指标经过加权赋分后，统一为介于0～10之间的值，在它们的基础之上，采用求和的方法，计算水生态系统综合指数。根据大辽河流域整个区域的实际生态特点，经过多次试验，最终制定了表4中的等级划分标准。利用ArcGIS9.3软件中的空间叠加分析功能，将各单项功能矢量图进行综合叠加，如图5所示，得到大辽河流域水生态系统功能重要性评价图。

表4 水生态系统功能综合评估分级表Table 4 Grade assignment of the comprehensive evaluation of water ecosystem functions

图4 大辽河流域水生态系统功能重要性评估修正技术路线Fig.4 The modified technology roadmap of water ecosystem functions regionalization for Liaohe drainage area

图5 大辽河流域水生态系统功能评价图Fig.5 Evaluation of water ecosystem functions in Liaohe

5 大辽河流域水生态功能区划分

分区命名要能够准确体现研究区域内各分区的主要特征，即能够体现水体的主要类型；能够体现研究区域的生态功能类型；能够反映人类干扰对生态环境的影响程度；同一级别生态功能区的名称要相互对应。

功能区的命名方式主要按照“水体类型＋干扰类型＋功能类型”进行。首先根据水体类型，将其划分为河流、水库、湿地以及河口等水体类型；其次，根据人类干扰程度，分为城镇地区、农村地区等不同类型的生境地区；最后，根据水生生物多样性维持功能、野生生物栖息地维持功能、滨岸带支持功能、水环境支持功能、水文支持功能5个单项功能的评估，确定主导功能，以此将大辽河流域划分成了5个一级区和13个生态亚区，结果如图6和表5所示。

图6 大辽河流域水生态系统功能分区图Fig.6 Water ecosystem functions zoning for Liaohe drainage area

表5 大辽河流域水生态功能区划表Table 5 Water ecosystem functions zoning for Liaohe drainage area

6 区划结果分析

本次研究将大辽河流域划分成了4类重要生态功能区和1类低生态功能区。

重要生态功能区生态敏感性较强，稳定性较差，易受外界因素干扰。但是这类功能区对维持生态平衡、促进社会与经济持续发展等生态系统服务方面发挥了重要的作用。在这些生态区域内，人类应该禁止所有可能对生态功能造成破坏的开发活动和人为破坏活动，对那些己经受到破坏的生态环境要加强生态修复工作；限制人口增长；改变传统的生产经营方式，走生态经济型可持续发展的道路；可以有针对性地建立自然保护区等。

低生态功能区的生态环境稳定性比较好，它即可以承受一定的人类活动影响，又有一定的生态服务功能，这样的功能区需要人们来引导它的开发方向，对开发利用加以一定限制，否则，就可能产生生态灾害。

对于Ⅰ水生生物多样性维持功能区和Ⅱ野生生物栖息地维持功能区，要加强河口湿地的保护力度，尽快建立湿地生态自然保护区，维护湿地生物多样性；对已有的自然保护区要继续加强保护，提高生物多样性；加大退耕还林的力度，保护森林资源，提高保持水土、涵养水源的功能；加强陆域入海污染源的治理工作，使区域排放确保达标，改善湿地水环境质量。发挥区域资源优势，发展好生态农业，并积极主动地发展生态旅游业。

对于Ⅲ河岸带支持功能区可以采取小流域综合治理的办法，减少水土流失，关键是预防人为干扰活动造成新的水土流失；生态公益林建设要加强，建立一定的水源涵养保护区，以此来提高森林覆盖率和水源涵养能力。

对于Ⅳ水环境支持功能区要杜绝污染型企业的建设，禁止对自然资源的掠夺性开发，把生态破坏与环境污染的源头给彻底切断；进一步加强环境的综合整治工作，加强巩固环境基础设施的建设，以此减轻对水体的污染。

7 结语

本次研究为有关部门对大辽河流域的生态管理提供了一定的科学依据，在以后的研究中，还需继续强化分区技术，使流域水生态系统分区体系更加完善。同时，水生态系统的特征是联系的、动态的、复杂的、不确定的，因此应该将生态系统结构和功能相结合，对两者的互相联系与互相制约的机理进行辨析、维护和调整研究并付诸于实践，进一步探索适合大辽河流域的生态系统管理模式。

［1］ Crowly J M.Biogeography［J］.Cannadian Geographer，1967，11（4）：312－326.

［2］ Bailey R G.Ecoregions of the United States（map）.1∶7500000［M］.Ogden，Utah：USDA Forest Service Intermountain Region，1976.

［3］ McNab W H，Avers P E.Ecological subregions of the United States：section descriptions［R］.Washington DC：USDA Forest Service，1994.

［4］ Omernik J M.Ecoregions of the Conterminous United States（Map Supplement）［J］.Annals of the Association of American Geographers，1987，77（1）：118－125.

［5］ Abell R，Thicme M L，Revenga C，et al.Freshwater ecoregions of the world A new map of biogeographic units for freshwater biodiversity conservation［J］.Bioscience，2008，58（5）：403－414.

［6］于海燕.钱塘江流域生态功能区划研究［D］.浙江：浙江大学，2008.

［7］ Wells F，Peter N.An examination of an aquatic ecoregion protocol for Australia［R］.Canberra：Australian and New Zealand Environment and Conservation Council（ANZECC），1997.

［8］谭伟.《欧盟水框架指令》及其启示［J］.法学杂志，2010，6：118－120.

［9］赵锐峰，周华荣，肖笃宁，等.塔里木河中下游地区湿地景观格局变化［J］.生态学报，2006，26（10）：3470－3478.

［10］燕乃玲，赵秀华，虞孝感，等.长江源区生态功能区划与生态系统管理［J］.长江流域资源与环境，2006，15（5）：598－602.

［11］于丽霞.大辽河口生态环境综合评价［D］.青岛：中国海洋大学，2011.

［12］王仰麟.格局与过程—景观生态学的理论前沿［M］.北京：中国科学技术出版社，1995：437－411.

［13］陈爽，马安青，李正炎，等.基于RS／GIS的大辽河口湿地景观格局时空变化研究［J］.中国环境监测，2011，4（2）：34－40.

［14］王以彭，李结松，刘立元.层次分析法在确定评价指标权重系数中的应用［J］.第一军医大学学报，1999，19（4）：377－379.

［15］李福建，马安青，丁原东，等.基于RS与GIS技术的地质灾害危险性评价－以青岛市崂山区为例［J］.中国海洋大学学报：自然科学版，2010，6（40）：47－52.

［16］梅昌艮.基于GDM－AHP的模糊综合评价法在生态敏感性评价中的应用研究［D］.四川：西南交通大学，2008：39－41.

［17］刘尧让，于法展，李淑芬.苏北山丘区生态环境现状评价［J］.海南师范大学学报：自然科学版，2010，23（2）：214－218.

［18］陈爽，王其翔，马安青，等.基于GIS的大辽河口水生态系统服务功能重要性评价［J］.中国海洋大学学报：自然科学版，2012，42（9）：84－89.

［19］张洪军.生态规划一尺度，空间布局与可持续发展［M］.北京：化学工业出版社，2007.