流域生态系统空间结构量化及其指标体系

2021-04-28王震洪蔡庆华徐耀阳

地球科学与环境学报 2021年1期

王震洪，蔡庆华，赵斌，徐耀阳，唐涛

(1. 长安大学水利与环境学院，陕西西安 710054; 2. 中国科学院水生生物研究所，湖北武汉 430072; 3. 复旦大学生命科学学院，上海 200433; 4. 中国科学院城市环境研究所，福建厦门 361021)

0 引言

流域生态学是以流域生态系统为研究对象，运用生态学及相关学科理论和方法，研究流域内各结构成分如高地、滨岸带、水体结构和功能，以及结构成分之间相互影响和作用的生态学分支[1-2]。流域生态学与湖泊(包括天然湖泊、水库和坝塘)水环境保护及治理、河流生态健康、小流域生态修复和综合治理等密切相关，广泛受到生态学、环境科学、水土保持学、水利工程学等学科的关注[3-5]。随着生态文明建设国家战略的确立，特别是党的十九大提出山-水-林-田-湖-草是一个生命共同体，流域作为山-水-林-田-湖-草生命共同体的载体和研究尺度，流域生态学在生态文明建设中的战略地位正发挥着日益重要的作用[6-7]。

回顾过去20年，流域生态学发展具有一个明显的特点，即流域生态学研究和成果分散在生态学、环境科学、水土保持学、水利工程学等学科中,也就是说，不同学科背景的研究都对流域生态学建立和发展做出了贡献。例如，水生生态学对河流和湖泊中的植物、动物、微生物类群的结构和功能，对水体环境质量的效应和作用机制开展了系统研究[8-10];环境科学对河流和湖泊水质变化、水化学、沉积物地球化学循环和调控机制进行了系统研究[11];植被生态学、水土保持学和农业生态环境学对陆地植物群落结构、功能、土壤侵蚀和面源污染调控效应及机制进行了系统研究[2,12];水文学、水利工程学则在流域水循环过程和机制，生态水利和水利工程的水环境效应、调控机制和管理领域进行了系统研究[11,13]。

同时，关于流域结构组成如高地、滨岸带、水体之间的相互关系和作用认识很少，目前还缺乏一套流域生态学内生的空间结构数量指标体系，来量化流域生态系统结构及结构成分之间的关系和作用。只有将不同学科背景的流域生态学研究在流域生态系统空间结构数量指标体系下进行整合，才能形成流域生态学的核心理论[14-16]。然而，流域生态学的姊妹学科——景观生态学，很早就建立了刻画景观空间结构数量指标体系(即景观格局指数)，如斑块数、面积、形状指数、破碎度、连接度、邻近指数、多样性指数等[17-18]。这些指数的构建对于学科发展非常有益。一方面，生态学家可以利用这些指数研究景观中基底、缀块和廊道结构及相互关系，揭示景观格局特征[19];另一方面，以景观格局指数为基础，结合种群、群落和生态系统生态学研究，可以建立景观格局指数与生态过程和功能的关系，揭示中尺度生态功能和机制，并把这些知识应用到生态规划中[20-21]。因此，景观生态学获得了长足发展。相比而言，种群、群落和生态系统结构数量指标体系和理论则建立得更早，只不过它们所关注的结构是生物结构。当然，在生态系统的研究中也会考虑非生物成分，这也促进了景观生态学的诞生。而现在对流域结构的探讨则关注的是物理空间结构，这可能是比常规景观生态学研究尺度更大的物理范围。

不少学者借用地貌结构指标、景观格局指数、集合生态系统(Meta-ecosystem)和等级结构理论来量化流域生态系统空间结构，并和流域生态过程联系起来揭示过程机制[22-25]。然而，流域界限明确，是由河网(River Network)、(河)网间带(Inter-river Zone)和湖泊(水库、坝塘)构成的汇水区域;在(河)网间带内是一系列生态系统的集合(集合生态系统);以流域水循环为核心和驱动的流域生态过程涉及到尺度远大于景观的陆地和水体关系、上游和下游关系、水生和陆地生物关系[15,26]。因此，流域生态系统的空间结构与无生物特征属性的地貌结构以及无明确边界的景观结构是不同的，需要不同的指标体系来量化[27-28]。根据这套指标体系，一方面可以很好地刻画流域生态系统空间结构，建立结构成分之间的空间关系，使流域陆地和水体、水生和陆生、上游和下游联系起来，发展流域生态系统空间结构理论；另一方面，在流域生态系统空间结构指标体系模型框架下，可以开展流域种群、群落、生态系统和景观尺度的水环境、面源污染和水土流失问题等研究，揭示流域空间结构对流域生态过程、功能和健康的影响和机制，创新相关知识，指导山-水-林-田-湖-草统筹规划、治理和管理。目前，应用到流域生态系统空间结构量化的集合生态系统和等级结构理论，其自身的发展也只是处于半定量阶段，可能需要结合流域生态系统结构的研究实践，其发展才更具生命力。因此，本文将对现有流域生态系统空间结构量化研究进行回顾，分析存在的问题，并提出新的指标体系。

1 国内外流域生态系统空间结构量化

1.1 基于地貌结构的空间结构量化

1.1.1 地貌类型

流域是地球陆地上闭合的汇水单元。在这个客观明确的范围内，构造运动造就了流域原始地貌，水流塑造过程与植被、人类活动相互作用，形成了现今的流域地貌。地理学家从地貌学的视角分析流域生态系统结构。按地貌形态划分,流域地貌由山地、高原、平原、丘陵和盆地五大基本类型构成。山地又分为低、中、高和极高4个等级;高原则按地域和基质特征进行划分，如青藏高原和黄土高原;平原和盆地一般按形成原因划分，如冲积平原、侵蚀平原和构造平原,断陷盆地、裂谷盆地和前陆盆地等；丘陵常按高度和陡峭度划分为高丘、低丘、陡丘和缓丘等。小流域可能仅包含一种地貌类型，只有大型流域才有更多的类型。对小流域地貌的刻画涉及到微地貌，常常用山谷、山脊、鞍部、山顶、洼地、陡崖、阳坡、阴坡、河谷、沟谷、台地、三角洲、冲积扇、河岸、河床等术语[29-30]。

1.1.2 地貌结构量化

地貌结构量化常常采用海拔、坡度、坡向、形态密度、地形能量、面积、沟谷等级等指标[27,31-32]。靳长兴根据河网结构的数量特征，分析了不同级别河流频率、长度、密度、面积和河流比降的关系，发现这些指标有很好的相关性[33]。Wondzells等研究了北美洲奇瓦瓦沙漠干旱区流域地形梯度变化导致水分和侵蚀环境变异，并描述了植物群落的响应和土壤侵蚀调控[34]。刘金涛等选择淮河流域11个中小流域，利用流域长度、形态因子、身长比、圆度、流域坡度、水平曲率、坡面曲率、河网分形维数、面积高程曲线斜率等刻画流域结构，并研究流域结构对径流特征的影响，发现流域径流系数与流域坡度、坡面曲率成显著正、负相关关系(表1)[35]。Khanday等基于遥感和地理信息系统(GIS)提取流域地貌参数(如面积、坡度、坡向、地貌类型、河网指标、地质因子等)量化流域结构，并建立其与水文过程的关系[36]。何福红等运用正射影像(DOM)和数字高程模型(DEM)数据，选择地形、湿度、坡度、坡长、水流动力指数、坡向、平面曲率和地表粗糙度等地貌因子，评价小流域土壤侵蚀敏感性，发现96.4%的冲沟多发生在坡度和坡长较大、水流动力强、地表湿度较低的阳坡凹面[37]。Price等研究了美国佐治亚州35个小流域排水沟道密度、崩积层面积、地形变异和河网百分比对河流枯水流量变化的影响等[27]。地貌结构量化传统方法是通过现场调查，划分不同地貌单元，用测量学手段定量地貌结构特征，进一步设置径流小区、小集水区、小流域等观测系统，研究地表物质过程与地貌结构之间的关系[38-39]。但是，地貌结构量化的发展趋势是利用遥感、地理信息系统和全球卫星导航系统提取流域地貌数据，量化地貌结构，发现流域地貌规律[32]。在应用方面，结合流域水文过程和土壤侵蚀，利用水文模型和土壤侵蚀模型，预测流域地貌结构差异对地表物质过程的影响[40-41]。

表1 刻画流域地貌的部分典型指标

1.2 基于景观格局的空间结构量化

1.2.1 景观格局

景观格局是大小、形状各异，排列不同的斑块、廊道和基质的组合体，是复杂的物理、生物和社会因子相互作用的结果[18]。流域包括各种斑块、廊道和基底，尺度比景观大，因此，流域结构可用各种景观指数来量化，以便认识流域结构的物理空间镶嵌性、多样性、复杂性和优势性[42]。流域景观格局研究包括景观组成、异质性、斑块间关系、格局动态、格局等级结构、“源-汇”景观格局、景观格局与功能等[43-45]。格局与过程是研究的核心，景观格局指数是定量分析流域景观的主要方法[46-47]。流域作为具有明确界限的客观水文响应单元，能够通过流域出口径流、土壤侵蚀、面源污染物输出量观测，建立景观格局与过程的关系，并应用于流域管理。因此，景观生态学家常常选择流域作为景观生态学研究的最佳单元之一[48-50]。刻画景观格局的指数包括斑块水平、斑块类型水平和景观镶嵌水平指数，不同指数包含不同的生态意义[42]。

1.2.2 景观格局与过程

景观格局与过程关系主要集中在流域景观格局动态及驱动力、景观格局与水质、径流量、侵蚀产沙、生态服务价值、生态功能分区等。例如，陈俊华等利用两期IKONOS多光谱卫星影像，对长江上游防护林重点流域林地景观格局(包括纯林、混交林、竹林、经济林、耕地、交通用地、水体、建筑用地等)进行研究，发现纯林太多时景观破碎度增加[51]。任嘉衍等基于伊河流域1987～2003年4期土地覆被数据、气象资料及社会经济数据，分析流域景观格局动态及其驱动机制，发现社会经济发展与人口增加是耕地、未利用地向建设用地转化的主要驱动力，气温上升与蒸散发增加是流域水域面积减小的直接原因，以及政策是林地、草地等景观发生变化的根本原因[52]。赵鹏等分别利用2000年和2007年土地利用/土地覆被数据、ALOS卫星数据研究了广东省淡水河流域和长江流域景观格局与水质关系，前者直接观测水质，后者用InVEST模型模拟，发现景观组成、配置、森林优势景观面积均会影响流域水质[21，53]。林炳青等通过土地利用/土地覆被数据、SPOT5/ALOS/高分2号等卫星影像(1995～2015年)量化流域景观格局，结合野外多年实测数据，建立景观格局指数与径流量、产沙量关系，发现“源”景观面积持续下降，“汇”景观面积持续增长[54-55]。樊灏等基于地理信息系统子流域划分，比较子流域物理、化学与生物特征差异性和相似性，划分出滇池流域三级水生态功能区，为流域管理提供了依据[56]。

国外学者的相关研究也集中在上述方面。例如，Weng研究发现美国威斯康星州Dane县城市中心到外围的土地利用显著不同，表明城市化对景观格局的驱动[42]。Lee等的研究表明，流域内不同土地利用类型高度分散会导致流域湿地水质下降[47]。在德国—捷克—波兰三角地区，土地利用聚类分析能够指示流域水体物理化学指标，密集的居住区降低了流域水质[48]。Gonzales-Inca等采用土地利用/土地覆被信息系统，获得芬兰16个流域农业用地、林地、建筑用地、水体和其他土地面积，并揭示了流域景观格局，通过观测21年水质指标，分析了水质指标与景观格局关系，发现滨岸带林地是水质提升的关键[57]。Cuo等在泰国北部Nam Mae Rim流域研究了1989～2002年森林和道路对径流量的影响，发现森林砍伐增加了全年的径流量，但是对旱季径流量影响很小，而道路对径流量的峰值影响很大[58]。

1.3 基于集合生态系统的空间结构量化

1.3.1 集合生态系统概念

集合生态系统最早由法国Loreau等提出，是指跨生态系统边界的物质流、能量流和生物流所连接起来的一系列生态系统的集合[59]，虽然当时只是集合种群(Meta-population)和集合群落(Meta-community)概念的外推，但面向的却是要挖掘生态系统物理空间异质性研究的重要分析路径。吕拉昌曾提出过类似的概念，认为流域生态系统是由山脉、冰川、森林、草原、农田、荒漠、湖泊等几个或全部生态系统类型通过水系联系起来的有机整体，各子系统之间存在物质、能量和信息的耦合[60]。现在来看，二者有异曲同工之妙。李长安等则提出，流域生态系统是山-江-河-海连通的体系，海的生态过程如潮汐、鱼类洄游入江河也会影响河流和陆地岸带[61]，这样就更加拓宽了对流域的认识，让大众可以从集合生态系统的角度加深对流域生态系统的认识。因为集合生态系统适合用来描述和阐释具有特定物理空间且细分物理空间区域之间有密切相互作用的流域生态系统结构、过程和功能,所以集合生态系统的概念吸引了生态学家的注意[26,62-63]。

1.3.2 集合生态系统类型

集合生态系统概念应用于流域空间，目前主要体现在3个方面：水平异域集合(Horizontal Alien Meta-ecosystems)、垂直异域集合(Vertical Alien Meta-ecosystems)和同域集合(Sympatric Meta-ecosystems)[64-66]。水平异域集合指不同局域生态系统在流域空间上呈水平展布，各个生态系统间在水平方向上都有相对明确的边界，在垂直方向上不需要区分结构特征，生态系统间存在物质流、能量流、信息流和生物流，如流域内森林、农田、村落、河网和湖泊的物理空间配置和联系。垂直异域集合指不同局域生态系统在空间上呈垂直展布，各个生态系统在垂直方向上都有相对明确的边界，在水平方向上不需要区分结构特征，生态系统之间也存在各种物质流、能量流、信息流和生物流，如流域内森林土壤中动物、微生物构成的生态系统，树木枝叶分布空间内生活的鸟类、昆虫等构成的生态系统。同域集合指不同局域生态系统在物理空间上重合，但不同生态系统的过程整体上相对独立，只通过几个特定生态系统过程相互连接，如一个流域内的自然-经济-社会复合系统，自然、经济和社会是不同的生态系统，但是处于同一个物理空间内。

1.3.3 集合生态系统量化

定量集合生态系统的方法，目前发展了六维半定量方法(图1)[26]。第一维，集合生态系统开放度(Mopen)，x∈[0,1]，集合生态系统间有物质流动，开放的取值为1，不开放的取值为0;第二维，集合生态系统个数(Mnum)，x∈[2,n]，最小值是2，含2个生态系统，最大值是n,表示n元集合系统;第三维，集合生态系统内部局域生态系统的异质性(Mtype)，x∈[1,n]，最小值是1，最大值是n，取值1表示集合生态系统是同类型的，如多块草地构成的流域;第四维，集合生态系统内生态过程的方向性(Mdir)，x∈[1,2]，x为实数，如果x=1，即集合生态系统内的物质流动只是从一个局域生态系统流向另一个，称之为“单向”,如果x>1，即还存在某种形式的反向流动，则称之为“双向”;第五维，集合生态系统的等级(Mhierar)，x∈[2,n]，通常x=2，即整个集合生态系统只有局域生态系统-生态系统要素和集合生态系统-局域生态系统2个结构等级，称之为“两级”,如果x>2，即生态系统要素内部还有更为精细、需要研究的结构，称之为“多级”；第六维，集合生态系统复杂度(Lcomplex)，x∈[a,b]，a和b分别预设为生态系统复杂度的2个边界。集合生态系统复杂度(Fx)是由集合生态系统开放度、个数、异质性、方向性、等级、复杂度6个因子构成,其中复杂度是嵌套式的。

图1 集合生态系统结构六维半定量方法Fig.1 6D Semi-quantitative Method of Meta-ecosystem Structure

1.4 基于等级结构的空间结构量化

1.4.1 等级结构理论

等级结构是由若干有秩序的层次所组成的系统。高层次结构包含了低层次结构，并决定了低层次结构的运行，低层次结构对高层次结构具有反作用。高层次结构和低层次结构的运行速率是不同的。等级结构的不同层次和相同层次之间是通过物理、化学、生物等过程相互作用、相互影响并产生整体属性，但是每个层次又具有自己独特的属性。基于该理论，蔡庆华等从淡水生态学家的视角出发，为克服传统淡水生态学只关注水体的局限性，提出流域生态学是以流域为单元，利用等级结构理论研究流域内高地、滨岸带和水体之间物质、能量和信息传递规律的科学[1]。这个概念突出了3个方面信息。第一，流域由高地、滨岸带和水体构成，三者在等级结构上是同一层次的并列关系。第二，利用等级结构理论研究表明，流域具有不同尺度和层次等级，可以从宏观到微观[67]。等级结构包括结构等级和功能等级，低层次结构是高层次结构的基础，高层次结构对低层次结构进行制约[3];从学科结构的发展来看，也有不同尺度等级研究范围之间相互融合的趋势，如从水生生态学发展到流域生态学(由小到大)，从景观生态学发展到景观遗传学(由大到小)[68]。第三，研究高地、滨岸带和水体3个结构组成之间物质、能量和信息传递规律，属于生态系统功能范畴，在研究中必然涉及非生物环境、生产者、消费者和还原者。因此，流域生态学是有明确边界(分水岭)的生态系统生态学，其生态系统的研究方法可用于流域生态学[2]。

1.4.2 等级结构划分

在实际研究中，王道军等用等级结构理论研究了黄土高原小流域沟道等级结构顺序的拓扑关系，发现黄土高原小流域尺度上存在一个最小集水面积与最短沟道长度的适宜取值区间，使得流域河网和网间带结构在数量特征上存在规律性，并能应用到基于数字高程模型沟道数据提取[69]。熊森等利用地理信息系统进行三峡库区东河流域河流的等级体系研究，将东河流域河网分为6级,发现河溪在由低等级向高等级变化时,其流域物理空间分布范围逐渐由坡度大、海拔高向坡度小、海拔低、平缓地带过渡，且低等级溪流两边植被状况好于高等级溪流[70]。Cohen等利用等级结构方法建立了一个动态模型模拟流域湿地洪水和污染物特征，发现具有等级结构的流域湿地网络能增加约30%洪水和氮磷储蓄，具有等级结构的流域明显增加了环境容量，降低了水质恶化、藻类暴发几率[71]。Yeo利用多级优化方法对美国俄亥俄州伊利湖(Erie Lake)流域不同等级流域土地利用进行优化，并输出面源污染物，模拟和应用结果可以减少46%面源污染峰值输出，保护区面积可以维持在流域土地面积的30%，城市和农业用地控制在12%和70%以下[72]。

王震洪等在长江流域二级支流猫跳河流域，把流域生态系统的3个结构组成(高地、滨岸带和水体)按照等级结构理论和还原论思想进行了发展，把水体划分成具有结构和功能差异比较大的河网和湖泊(水库、坝塘)[15]。高地由各种集合生态系统(如阔叶林、针叶林、坡耕地、居民区等土地类型)构成。由于这些土地利用类型分布在河网之间，并由沟/河网和它们紧密连接，物质通过沟/河网输出，所以用(河)网间带去理解流域的高地，并在(河)网间带开展面源污染观测，发现(河)网间带不同土地利用类型具有一个氮磷最小临界流失率和流失-吸附平衡值[15,73]。马振等在天然河流的研究中发现：连结成网的天然河流特别是山区河流由重复出现的急流、深潭和河滩系统构成，它们的周长和面积在上游、下游间具有显著的相关性;在急流-深潭-河滩系统中，植物多样性维持功能以及对河流水体的净化功能也不同[74-78];在流域整体性刻画中，可以用流域圆度、狭长度刻画流域形态，用平均坡度刻画流域物理空间变异[15,79]。这些实践表明，流域作为一个等级结构体系，在系统结构和过程上存在一些规律性特征，并有望应用在流域管理上。因此，王震洪根据流域生态学既涉及宏观也关注微观的理念，以等级结构理论和还原论思想为指导，初步提出流域生态系统五级结构体系(图2)[80]。在这个体系中，高地、滨岸带和水体作为流域生态系统二级结构得到了发展。高地和(河)网间带作为对等概念，包括了各种集合生态系统。

1.5 空间结构量化研究的不足

1.5.1 缺乏自身体系

生态学家善于进行“结构-过程-功能-机制-调控”这种相互关联和递进式的研究，如种群结构-过程-功能-机制-调控研究。这是因为在不同尺度上，结构影响着过程和功能，过程和功能对结构具有反馈作用;在结构-过程-功能相互作用认识的基础上，一般才能全面把握机制，并实现调控目的。

目前，流域生态学作为山-水-林-田-湖-草综合治理的支撑学科[81]，正在聚焦于水体或陆地的过程-功能-机制-调控研究。例如，淡水生态学和水环境学长期关注河流及湖泊植物、动物和微生物，建立了河流连续统理论、湖泊水生态健康理论，揭示了连续统中生物类群结构和功能特征、河流和湖泊健康机制等[8-9,82-83]。陆地上的植被、水土保持和面源污染控制研究认识了植被和景观对地表物质过程的各种效应，揭示了一系列结构和功能规律及工程效应机制[12,45,84]。水体和陆地的生态学研究随着学科自身发展和统筹山-水-林-田-湖-草的现实需要，有着把各自研究放在流域这个客观尺度下，整体地、陆地-水体紧密联系地研究“流域生态系统结构-过程-功能-机制-调控”的需求，发展流域生态学。但是，目前流域生态系统空间结构量化研究并没有自己的数量指标模型框架体系，无法使流域水体和陆地在理论上真正整合形成自己的研究范式，现有体系更多是借用景观生态学和地貌学体系[36,48,59]。一个学科的生命力来源于内生或自生的概念体系和理论建立，因此，流域生态学要想得到真正发展，必须在流域生态系统空间结构量化研究上实现创新。

1.5.2 现有不足

尽管基于地貌结构和景观格局的流域生态系统空间结构量化指标体系可以借用到流域生态系统结构量化中，并使陆地和水体的研究在理论上实现整合，完成“流域生态系统结构-过程-功能-机制-调控”的整体研究。但是，这些指标体系属于地貌学、自然地理和景观生态学学科内生的概念体系。

流域生态系统空间结构的刻画常常用下列结构组成的概念体系：高地、滨岸带、水体、河网、网间带、湖泊(水库、坝塘)、浅水带、深水带、光亮带、急流、深潭、河滩、河岸带、生态需水以及不同类型集合生态系统等。流域生态学家更关注这些结构成分的等级结构、功能、相互关系以及结构成分的生物属性，而基于地貌学的流域生态系统空间结构，几乎不考虑生物；在流域中，水体不仅是流域结构组成，而且是塑造流域形态及流域功能和健康维持的关键，而基于地貌学的流域生态系统空间结构量化对水体这个流域重要的结构成分是不加考虑的。

基于景观生态学的流域生态系统空间结构量化，在刻画流域生态系统结构中具有广泛应用[85]。但是，流域生态学不仅要关注流域结构成分(如河网、网间带和湖泊)二维平面上的特征，聚焦流域水体成分的空间异质性，还要建立流域生态系统等级结构垂直空间关系的模型框架，使流域陆地和水体、水生和陆生、上游和下游的空间关系有机地联系起来。流域是一个有明确界限的生态系统，流域生态学也特别关注流域生态系统大尺度整体空间形态对流域生态过程的影响。换句话说，景观生态学方法可以作为刻画流域生态系统空间结构数量特征的模型框架体系，但是不能完全满足以流域水循环为核心和驱动、尺度大于景观的流域生态系统研究的要求。

基于集合生态系统和等级结构的流域生态系统空间结构研究具有学科内生性，但其结构量化研究处于起步阶段。本文在流域生态系统空间结构量化中重点吸收了集合生态系统和等级结构理论成果。

2 指标体系

流域生态系统空间结构量化指标体系包括流域整体指标、(河)网间带指标、河网指标、湖泊指标以及(河)网间带-河网-湖泊相互关系指标。流域整体指标是对流域整体形状和地形变异的量化。(河)网间带指标是对流域(河)网间带中集合生态系统空间结构的量化。河网指标和湖泊指标是对流域内河流和湖泊的水体空间特征的量化。(河)网间带-河网-湖泊相互关系指标是对流域(河)网间带、河网和湖泊3个结构成分空间关系的量化。

2.1 流域整体指标

(1)流域狭长度(Watershed Narroness,WN,WN),表示具有等流域面积圆的直径(Dr)与流域主轴线平行的最大轴线长度(Lm)之比。其表达式为

(1)

式中:B为等面积圆的面积。

当WN<1时，流域是长形的;当WN=1时，流域是圆形的;当WN>1时，流域是方形的。圆形流域降雨汇流快，短时间洪水量大，泄洪河道宽(如亚马逊河流域);长形流域降雨汇流慢，短时间汇集洪水没有同面积圆形流域大，泄洪河道相对较窄(如长江流域)(图3)。流域圆度和河网结构指标中河道宽度、深度、长度具有相关性，并影响着流域生态水文过程及流域生态功能。

图3 长形的长江流域和圆形的亚马逊河流域Fig.3 Elongated Yangtze River Basin and Circular Amazon River Basin

(2)流域平均坡度(Mean Slope,MS，SM)，表示流域内不同坡度的土地加权平均值。其表达式为

(2)

式中:Psi为第i坡度级土地面积占流域面积的百分比;Si为第i坡度级土地坡度。

随着流域平均坡度增大，流域地表径流量和地表物质(营养物质)输出量增加，流域生产力下降，耕地和人口数量减少。这种减少对流域生态系统又具有反馈作用。流域平均坡度调控着流域的主要生态过程和功能，并对经济社会产生深远影响。

(3)流域平均地形起伏度(Topgraphical Undulating Degree，TUD,UTUD)。地形起伏度是某地理单元内最高海拔与最低海拔之差。流域平均地形起伏度是流域内全部地理单元地形起伏度的加权平均值。其表达式为

(3)

式中:PUi为第i地理单元面积占流域面积的百分比;Ui为第i地理单元的地形起伏度;Ei-max为第i地理单元的最高海拔;Ei-min为第i地理单元的最低海拔。

对于任意两个地理单元，地形起伏度大者比小者表面积大，环境异质性更高。根据环境异质性-多样性原理，地理单元能容纳更多不同环境适应性的生物种类，其生物多样性高。

2.2 (河)网间带指标

(1)生态系统垂直分布优势比(Dominant Ratio of Ecosystem Vertical Distribution，DREVD,RDREVD),指流域内某类型的生态系统在不同海拔范围内分布的优势程度。该指标可以刻画流域生态系统的垂直分布规律。其表达式为

(4)

式中:aij为第j个海拔范围内某类型生态系统第i个独立斑块的面积；A为流域面积。

(2)生态系统面积变异系数(Coefficient of Variation for Ecosystem Area,CVEA,CCVEA),指流域内分离存在的某生态系统类型面积大小的变异程度。通常变异系数越大，生态系统各类型面积离散程度越大。其表达式为

(5)

式中:sj为第j类分离存在生态系统面积的标准差;m为第j类生态系统面积的平均值。

(3)生态系统连通度(Ecosystem Connectivity，EC,CE),指流域内生态系统类型分离斑块之间物理连通形成结合体的程度，可分为生态系统类型水平和流域水平。该指标反映了流域内集合生态系统物质流通水平。其表达式分别为

(6)

(7)

式中:CE-uv为第u类与第v类生态系统的连通度;Lk(v-u)为流域内第u类与第v类生态系统类型之间第k条公共边长;Piu和Pjv为第u类和第v类生态系统类型中第i、j斑块边界周长;Ltotal为流域内所有生态系统类型斑块两两之间公共边长之和;Ptotal为流域内所有生态系统类型斑块周长之和;k≤i或j。

(4)生态系统异质性指数(Ecosystem Heterogeneity，EH,HE),指异质性生态系统分布在流域中的程度。该值越大，流域内生态系统类型越多，异质性越高;该值越小，同质性越高。其表达式为

(8)

式中:PEi为第i类生态系统类型面积占流域面积的百分比。

(5)生态系统分散度(Ecosystem Dispersity，ED,DE)，指生态系统类型独立且不和同类生态系统类型关联分布的程度。其表达式为

(9)

式中:Ni为第i种生态系统类型独立或分离开的斑块数量。

流域内包括农田、森林、草地、城市、居民区等生态系统类型。流域生态系统类型分散度反映了该类生态系统对干扰的抵抗力，如发生森林火灾，分离的森林斑块越多，对火灾的阻挡作用越强。该指标还包括流域生态系统类型总分散度(Total Ecosystem Dispersity，TED,DTED)和生态系统类型平均分散度(Mean Ecosystem Dispersity，MED,DMED)两个扩展指标。其表达式分别为

(10)

(11)

式中:n为生态系统类型数。

2.3 河网指标

(1)河网密度(River Density，RD),指单位流域面积上河流的长度。该指标间接反映了流域地表物质输出能力。

(2)沟谷密度(Gorge Density，GD),指单位流域面积上沟谷的长度。该指标间接反映了河流源区物质输出能力。

(3)河流平均长度(Mean River Length，MRL)、平均宽度(Mean River Width，MRW)和平均深度(Mean River Depth，MRD)，间接反映了流域远距离物质输出的能力。

(4)急流、深潭和河滩面积(Rapid-pool-bench Land Area，RPBLA)、周长(Rapid-pool-bench Land Perimeter，RPBLP)，间接反映了河道不同生境和发挥河流功能的优势性。

(5)河流纵比降(River Longitudinal Gradient，RLG),指河道最高点和最低点的海拔差与这两点间的水平距离之比。该指标间接反映了河流势能、流动速率和水流对河道的冲刷力。

(6)沟谷/河道纵比降比(Ratio of River and Gorge Longitudinal Gradient，RRGLG),反映了流域内物质产生沉积的程度及湖泊维持的能力。该比值大，说明上游河道比较陡，物质容易沉积在下游，填平湖泊;该比值小，说明物质沉积在上游较多，中下游湖泊不容易被淤积。

(7)河岸带长度(Riparian Length，RL)，反映了河流发挥边缘效应的能力。

2.4 湖泊指标

(1)滨岸带面积(Littoral Zone Area，LZA)、深水带面积(Deep Water Zone Area，DWA)和浅水带面积(Shallow Water Zone Area，SWZA)及其比值，反映了湖泊不同功能区域的大小及相对重要性。如果浅水带和滨岸带占优势，表明湖泊趋向于退化。

(2)湖泊平均水深(Lake Average Water Depth，LAWD)，反映了湖泊水体功能水平的强弱。

(3)湖泊周长(Lake Perimeter，LP)，反映了流域湖泊发挥边缘效应的能力。

(4)湖泊库容(Lake Volume，LV)，反映了流域湖泊水资源提供能力。

2.5 (河)网间带-河网-湖泊相互关系指标

(1)(河)网间带生态系统类型-湖泊平均距离(Average Ecosystem-lake Distance，AELD)，指湖泊汇水区某种陆地生态系统类型斑块中心到湖泊中心的平均距离。对于农田生态系统，该指标越大，污染物输送过程中水体自净作用的机会增多，有利于湖泊健康;反之，则不利。对于森林生态系统，距离近则有利于湖泊健康。

(2)湖泊-陆地生态系统边缘连通度(Terrestrial Ecosystem and Lake Edge Connectivity，TELEC,CTELEC)，指陆地生态系统类型和湖泊有共同边界连通的程度，包括一个湖泊的计算和流域所有湖泊的平均值。其表达式为

(12)

式中:EE,ij为流域内第j种生态系统类型第i段边界和湖泊贴近连通的长度;LE为湖泊周长。

该指标反映了不同陆地生态系统类型和湖泊连接可能导致相互作用的水平。如果某流域森林生态系统的湖泊-陆地生态系统边缘连通度高于农田或城市生态系统，表明森林-湖泊间具有比农田或城市-湖泊间更多的相互作用，有利于湖泊健康。

(3)湖泊-(河)网间带面积比(Lake-interriver Zone Area Ratio，LIRZAR)，反映了湖泊和陆地生态系统的优势性水平。

(4)湖泊汇水区生态系统类型-湖泊面积比(Catchment Ecosystem Type-lake Area Ratio，CETLAR),指湖泊汇水区不同生态系统类型面积分别与湖泊面积之比，包括一个湖泊的计算和流域所有湖泊的平均值。该指标反映了流域的湖泊受哪种生态系统类型的影响更大。

(5)湖泊库容-灌溉的生态系统类型面积比(Lake Storage-irrigated Ecosystem Area Ratio，LSIEAR)，指湖泊的水量与水资源所送达的生态系统类型面积之比。该指标反映了湖泊水资源对陆地生态系统的水源效应大小。

(6)汇水区生态系统类型面积-湖泊库容比(Ecosystem Area-lake Area Ratio，EALAR)，指流域某种类型生态系统面积与湖泊库容之比。该指标反映了某种生态系统对湖泊水资源的贡献度。

(7)湖泊周长-河长比(Lake Perimeter and River Length Ratio，LPRLR,RLPRLR),指湖泊周长与2倍河长之比。该指标反映了河流和湖泊对陆地生态系统影响的相对优势性。其表达式为

(13)

式中:LEi为流域内第i个湖泊周长;LRj为流域内第j条河流长度。

(8)河流面积-湖泊面积比(River-lake Area Ratio，RLAR)，反映了湖泊和河流生态系统的优势性水平。