北方寒冷干旱地区内陆湖泊生态安全评价指标体系研究——以呼伦湖为例

曹秉帅,徐德琳,窦华山,庞 博,敖 文,顾羊羊,单 楠,王文林,刘 波,邹长新,*

1 生态环境部南京环境科学研究所, 南京 210042 2 呼伦贝尔市北方寒冷干旱地区内陆湖泊研究院, 呼伦贝尔 021000 3 生态环境部南京环境科学研究所呼伦湖研究中心, 南京 210042 4 南通大学地理科学学院, 南通 226007

生态安全作为国家安全的重要组成部分[1- 3],是与政治安全、国土安全、军事安全、经济安全同等重要的安全体系[4],具有战略性地位和重大意义,是实现可持续发展的关键[5]。呼伦湖是亚洲中部草原最大的淡水湖,也是我国第五大淡水湖,其流域贯穿于我国内蒙古自治区呼伦贝尔市和蒙古境内,地处欧亚大陆腹地,是由湖泊、草原、湿地及其流域和其间生存的人组成的一个兼具自然属性和社会属性的复合系统,具有良好的原始性和自然性等典型特征。其生态系统服务功能价值表现为调蓄水资源、生物多样性维护、气候调节以及净化水质等[6],且其生态系统所能提供的生态价值远大于经济价值[7]。该区域生物资源极其丰富,湖泊、河流、沼泽、草甸等构成了该区域复杂多样的自然生态环境,为鱼类、鸟类等野生动物提供独特的栖息繁殖生境,成为东北亚鸟类迁徙的重要通道和集散地、亚洲水禽的重要繁殖地,具有独特的生物多样性和完整性,在调节气候、涵养水源、防止荒漠化、保护生物多样性以及维系呼伦湖区域生态平衡,是我国北方生态屏障的重要组成部分。

然而,近20年来受全球气候变暖和人类活动的共同影响,呼伦湖上游来水显著减少,最多时水位下降近5 m,蓄水量由134亿m3下降到40亿m3,呼伦湖水情剧烈变化,导致大面积湖滨芦苇湿地丧失,草场退化、土地沙化,鸟类大幅减少,鱼类资源大幅下降,矿化度不断升高,部分物种栖息环境受到影响。相比20世纪70年代,呼伦贝尔草原植被盖度降低了15%—25%,草层高度下降10—18 cm,草地初级生产力下降30%—50%,沙化土地面积已超过100 km2[8],导致草地涵养水源、保持水土和抗风沙、抗灾能力下降,致使区域生态环境陷入进一步退化的危险中,给区域生态安全带来严重威胁。因此,准确识别呼伦湖流域主要生态安全问题、完善其生态安全评价指标体系对于科学研判呼伦湖生态环境状况、维持区域可持续发展以及精准实施底线管控政策具有重要意义。

生态安全评价指标体系是开展生态安全评价的前提和基础,其实质是生态安全中的抽象问题具体化、实例化的过程,直接影响着生态安全的评价结果[9]。在草原生态安全评价指标体系的研究方面,Li[10]基于生态足迹的概念提出了消费足迹压力指数、生产足迹压力指数和生态足迹贡献指数的生态安全评价指标,以此对内蒙古典型草原地区进行生态安全等级评价,定量描述了草原生态系统中资源开发对生态安全的影响。Li[11]基于多线程最小累积阻力模型及核密度分析方法,通过形态空间格局分析、生态系统服务功能重要性及生态风险指数等指标提出一种集生态安全识别、分析及优化于一体的集成框架,并对陕西省榆林市草地、耕地、林地等生态系统生态安全格局进行评估优化。尹剑慧[12]综合运用频度分析法、专家咨询法和层次分析法筛选出一套由水土保持、涵养水源、固碳吐氧等8项元素组成的草原生态系统评价指标体系。金樑[13]选取了人类活动、草地生态系统功能、植被群落动态、气候变化及自然灾害、土壤条件及有害生物等6个方面指标评价西北地区草原的生态安全。而对于湖泊湿地生态系统指标体系的研究,Yu[14]从景观压力、景观生产力和景观稳定性3个层面基于流域尺度构建了适用于中小尺度的生态安全评价系统,并以此评价我国汉江流域的生态安全等级。Skiter[15]分析了俄国当前的经济状况与生态环境间的关系,构建州级生态安全模型,并将生态标记与生态税的概念引入模型,力图通过市场调节机制保护生态安全。Jogo和Hassan[16]以非洲南部的林波波河湿地为研究对象,基于系统动力学方法构建了生态—经济模型,并对不同政策制度下湿地功能和经济健康状况的影响进行模拟评价和预警,研究探讨了湿地系统在平衡经济发展和生态安全中的关键作用。He等[17]指出中国是亚洲最大的上流河国家,强调了研究跨界河生态安全的重大意义,并从跨界环境补偿、协同管理及区域合作等几个方面对中国跨界河流的潜在环境威胁和生态安全进行诊断和预警。邹长新[18]认为内陆河流域自然生态系统的压力主要来自人口增长和经济社会的快速发展,从而导致生态系统主导服务功能和结构发生改变,引起自然和社会的自我调节做出反应,并基于此构建了黑河流域重要生态功能区生态安全评价指标体系。金相灿[19]针对目前我国湖泊存在的主要生态安全问题,在湖泊水生态系统健康评估、流域社会经济活动对湖泊生态影响评估、湖泊生态服务功能评估和湖泊生态灾变评估等四项评估基础上建立了湖泊生态安全评价体系。刘丽娜[20]以DPSIR模型为基础构建了由水环境质量、陆域生态系统健康状况和流域生态安全组成的东北湖区生态安全评价指标体系。王宏[21]选择自然生态环境状态指数、人文社会压力指数、环境破坏压力指数,提取了青海湖流域生态安全指标。

呼伦湖流域作为北方寒冷干旱地区内陆湖泊的典型代表,其生态安全问题的产生是受湖泊、湿地、草原等多种生态系统共同作用的结果,成因复杂。然而,针对呼伦湖流域生态安全开展的相关研究目前仅见单一要素如草原[22]、矿区[23]、沙地[24]、耕地[25]等,综合呼伦湖水环境、水资源、水生态以及陆域生态的生态安全评价指标体系尚未见报道。针对上述问题,本文以呼伦湖流域为例,以“山水林田湖草生命共同体”理论为指导,以生态环境质量改善、生态系统完整性及服务功能提升为目标,统筹考虑生态系统的整体性与系统性,在全面开展草原、湿地、湖泊生态系统状况调查的基础上,识别区域生态安全主要问题,厘清生态安全问题产生原因,紧密围绕水域和陆域生态系统构建呼伦湖流域生态安全评价指标体系,以期为北方寒冷干旱地区内陆湖泊的生态安全评价研究提供参考和借鉴。

1 生态安全概念及内涵

生态安全的概念可以概括为狭义和广义两种理解。狭义的观点是指自然和半自然生态系统的安全,即生态系统完整性和健康的整体水平反映[26],主要研究生态系统的健康状况、景观安全格局以及生态风险程度等。而随着认识加深,人类意识到生态安全不只是自然生态系统的安全,还应包括经济生态安全和社会生态安全在内[27]。它强调人类活动对自然生态系统的影响,探究的是国际组织(包括政府和非政府组织机构)在解决生态问题时所采取的一系列措施、政策及法律对生态安全的影响,应该是社会—经济—自然复合系统的安全。本研究认为呼伦湖保护区生态安全内涵应包含两个层面：一是生态系统自身的安全性,即是否具备健康、完整和可持续性,是否具有良好的生态状况与生态结构,是否能够维持自身活力和能够自然有序演化,是否能够抵御干扰(生态灾害或人为活动)的弹性；二是生态系统对于人类的安全性,即能否满足当代和未来人类社会的可持续发展需求,能够为人类提供放牧草场、清洁水源、养殖、旅游等服务功能,对区域社会、经济的可持续发展起到良好的支撑作用。

2 研究区概况

以改善呼伦湖流域生态环境质量为核心目标,本文生态安全评价研究区包括呼伦湖及其主要河流和以呼伦湖为中心的呼伦贝尔草原地区。呼伦湖位于内蒙古自治区呼伦贝尔草原西部的新巴尔虎右旗、新巴尔虎左旗和扎赉诺尔区之间,东经117°00′10″—117°41′40″,北纬48°30′40″—49°20′40″,属于中温带大陆性草原气候,位于中高纬度温带半干旱区,是我国北方干旱地区数千公里内唯一的大泽,为构造成因的矿化度受环境影响较大的淡水湖。呼伦湖流域湿地生态系统包括呼伦湖、贝尔湖局部、乌尔逊河、克鲁伦河、额尔古纳河、海拉尔河、新开河、辉河、伊敏河等主要河流及周边沼泽地,呈放射状分布,总面积约为7289 km2,约占区域总面积的8%。呼伦湖流域地理位置及生态系统类型如图1所示。以呼伦湖为中心的呼伦贝尔草原,是世界著名的天然牧场,被称为世界上最好的草原之一,是世界稀有绿地,整体地势东高西低,海拔在650—700 m之间,东西宽约350 km,南北长约300 km,总面积60696 km2,约占区域总面积的65%。

3 呼伦湖流域生态安全问题诊断及成因分析

3.1 数据来源与处理

本文气象数据采用中国气象科学数据共享服务网3.1.1气象数据

本文气象数据采用中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)提供的1990至2018年满洲里(117°26′E, 49°34′N)、新巴尔虎右旗(116°49′E, 48°40′N)及新巴尔虎左旗(118°16′E, 48°13′N)等站点年平均气温、年降雨量及最大风速等。呼伦湖流域的各气象指标数据采用3个气象站点的平均值表征。

3.1.2载畜量

草原载畜量数据采用《呼伦贝尔市统计年鉴2018》中的呼伦贝尔市历年(1949—2017)大牲畜和羊统计数据,并基于《天然草地合理载畜量的计算》(NY/T 635—2015)中的成年家畜折算系数将牲畜统计数据统一折算为标准家畜单位,即绵羊单位。

3.1.3生态系统类型分类数据

利用1990年和2018年研究区的高分一号、高分二号等高空间分辨率卫星遥感影像(共获取遥感数据140余景)以及Landsat TM/ETM等中分辨率遥感影像,采用人机交互和面向对象分类方法,提取生态系统类型分布,通过地面核查进行复核、完善,得到生态系统类型分类数据。按照生态系统分类体系,对遥感影像分类解译,分别获得1990年和2018年呼伦湖流域空间分辨率达5 m的19类二级生态系统分类数据。并以此基础计算统计近30年湿地、土地沙化与盐碱化面积的变化。

3.1.4草地植被退化特征

参考《生物多样性观测技术导则陆生维管植物》和《关于发布全国生物物种资源调查相关技术规定(试行)的公告》,根据呼伦湖流域植物群落特征、群落类型及不同草地类型面积,于2019年7月—8月采用样方法开展呼伦湖流域草地植被多样性本底调查,共设置样地90个,每个样地随机设置3—5个1 m×1 m的样方,共计364个样方,调查内容包括草地植被群落特征、群落植被组成结构、指示植物、地上部产草量、土壤养分、毒杂草比重及地表特征等。

3.1.5渔获量及鱼类种群结构数据

历史数据主要来自于《黑龙江水系(包括辽河水系及鸭绿江水系)渔业资源调查报告(附件之四：内蒙古自治区东部)》、《黑龙江水系渔业资源调查报告》、《达赉湖·莫力庙水库渔业资源调查论文集》和《呼伦湖志》等参考资料。

3.2 生态安全问题诊断及成因分析

3.2.1气候暖干化背景下长期超载过牧导致区域草原植被退化,土地沙化、盐碱化加剧

近30年呼伦贝尔草原年平均气温升高了近2.3℃,而年平均降雨量从1990年的434 mm减少至289 mm,气候暖干趋势明显。同时,草原载畜量从1990年的624万只羊单位增加到2015年的2811万只羊单位,放牧数量的增加导致家畜对固定草场长期啃食及践踏,草地退化日趋严重。其草地退化特征主要表现为：1)植物群落结构和多样性逐渐丧失,植被生产力大幅降低,仅相当于原生群落的35%；2)群落稀疏矮化,群落总盖度和平均高度分别降低近65%和57%；3)群落物种组成发生显著的变化,以贝加尔针茅、大针茅、克氏针茅及羊草等多年生优良牧草为优势种的群落持续衰退,继而退化演替为以糙隐子草、无芒隐子草、冷蒿等耐牧种为优势的群落类型,一年生劣质草种如猪毛菜等在群落中的作用增强。草原水分蒸散变大,在大风作用下引起土地沙化,根据生态系统类型遥感解译结果,区域沙化和盐碱化面积分别增加了2.69%和0.58%。

草原退化增加了干草入湖、大气干湿沉降及水土流失等水环境污染负荷。草地退化、土地沙化导致贝加尔针茅、大针茅等优良牧草逐渐被猪毛菜、冰藜、沙蓬等一年生植物(风滚草)所取代。通过智能视频观测系统实地观测,风滚草9—10月干枯后在强风作用下第一次入湖,冰封期(11月—次年3月)则在草地及冰面大量赋存,并于春季(次年4月)开湖后第二次入湖(图2)。风滚草可腐解物质少,入湖后第15天即可完成腐解过程,但仍有70%以上的难降解木质素类腐殖质物质沉入水底,以内源释放的形式持续污染湖体。此外,呼伦贝尔地区每年有超过40—53 d风力达到8级以上,在大风作用下,土地沙化增加区域风沙起尘,加剧湖区干湿沉降污染输入。呼伦湖水体化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)与总有机碳呈显著正相关,表明水体有机物以含碳有机物为主,而三维荧光溯源结果显示,含碳有机物中以难分解的类腐殖质占绝对优势,其与上游来水具有高度的同源性,呼伦湖COD主要源于本地及河流输入的草(风滚草)、尘(大气降尘)等有机物,并长期通过“泥”(内源释放)影响呼伦湖[28]。

图2 风滚草入湖过程监测Fig.2 Monitoring the process of tumbleweed entering lake

3.2.2受气候暖干化和长期捕捞活动影响,湿地面积萎缩,鱼类小型化特征显著

近30年随着北方气候暖干化,上游来水减少,呼伦湖水位显著降低,2011年水位为539.86 m,较1998年下降4.44 m。从图3中可以看出,呼伦湖湖区湿地面积与水位呈显著正相关关系,自1998年至2011年,随着水位快速降低,湿地面积也由140.72 km2萎缩到5.49 km2,呼伦沟、嘎拉达白辛湿地几乎消失,湖滨沼泽湿地干涸,湖底裸露,表面覆盖的松散沙砾已成为沙源,并快速向外扩展,呼伦湖湖滨沙化面积已超过50 km2。随着海拉尔河引水工程的实施,2013年水位回升到543.31 m,并保持基本稳定,湿地面积恢复至21.58 km2。

图3 近60年呼伦湖水位、湿地面积变化与鱼获量变化Fig.3 Changes of lake level, wetland area and fish catch in Hulun lake in recent 60 years

3.2.3水生生态系统紊乱,蓝藻水华频发,爆发强度总体平稳

图4 藻型稳态下呼伦湖水生态系统结构图Fig.4 The structure diagram of hulun Lake water Ecosystem under algal steady-state

4 生态安全评价指标体系构建

4.1 指标体系构建原则

根据呼伦湖区域资源及人类活动现状,本文指标体系的选择主要遵循以下原则：1)针对性原则：聚焦呼伦湖流域主要生态安全问题如蓝藻水华频发、草原生态系统退化等,针对主要生态安全问题筛选对其造成直接或间接影响的指标；2)科学性原则：以先进理论为指导,以现实为依据,采用科学方法,选取具有科学内涵的评价指标；3)系统性原则：以山水林田湖草的系统观为指导思想,综合考虑草原、湿地、湖泊、森林、农田等多要素生态系统以及区域资源、环境、经济和社会等多方面的特殊性,尽可能反映呼伦湖流域生态系统的完整性；4)可操作性原则：选取易于进行数据采集及量化指标,能代表区域生态安全现状的同时,满足生态环境保护和管理需要,对管理起到指导和预警作用。

4.2 基于PSR构建指标体系

目前国内外较为常用的评价指标体系模型框架大多是采用由联合国经济合作开发署提出的“压力-状态-响应(PSR)”概念模型[29],以及在PSR框架基础上衍生发展而来的“驱动力-状态-响应(Driver, State, Response, DSR或DFSR)”[30]、“驱动力-压力-状态-影响-响应(Driver, Presure, State, Impact, Response, DPSIR)”[31-32]、“驱动力-压力-状态-暴露-响应(Driver, Presure, State, Exposure, Response, DPSER)”[33]模型等。在呼伦湖生态系统中,湖泊是主体,其生态健康状况是系统安全的基础,关系到湿地与草原系统结构稳定,是生物多样性维护的源泉之水,其生态安全评价是以生态系统健康稳定作为主体考察生态系统与周围环境的相互联系。影响呼伦湖生态安全的因素及作用过程复杂多样,基于前文对生态安全问题的诊断及成因分析,影响呼伦湖生态安全的因素主要包括气象条件如气候暖干化、人类活动如过度放牧与捕捞、大气沉降、干草、河流输入、内源释放等污染入湖以及水资源量,这些对区域生态安全有直接或间接不良影响的因子对生态系统产生“压力”,其结果是导致生态环境发生数量和质量的变化,即“状态”的改变,例如水质变差、生态系统服务功能降低、水生态与陆域生态系统稳定性下降等生态环境问题；这些状态的改变引起人类采取一系列措施去修复生态问题,即做出“响应”,例如实施引河济湖工程保障呼伦湖生态需水、积极采取水土流失治理以及在环境保护方面投入更多的资金用于生态治理。上述要素间的逻辑关联可用PSR概念模型表示(图5)。

图5 呼伦湖流域生态安全影响因子及其作用机制示意图Fig.5 Schematic diagram of ecological security influencing factors and their mechanism in Hulun lake basin

基于此,本研究采用PSR模型构建生态安全评价指标框架,以山水林田湖草系统方法论为理论指导,在全面诊断分析区域生态安全问题的基础上,按照评价指标的针对性、科学性、可操作性及系统性原则,选取由气象条件、人口、水资源、水环境、人类活动等5个一级指标构成的压力子系统；选取由水环境质量、水生态状况、陆域生态状况、生态系统服务功能和敏感性、景观格局以及生态风险等6个一级指标组成的状态子系统；选取由生态治理措施、生态治理投入等2个一级指标组成的响应子系统,共同构建呼伦湖流域生态安全综合评价指标体系(图6)。

图6 呼伦湖流域生态安全评价指标体系Fig.6 The evaluation index system of ecological security in Hulun lake basin

4.3 部分指标含义及获取方法：

(1)水环境压力：基于土地利用类型、高分辨率遥感影像等资料,利用大气干湿沉降监测数据、干草腐解实验、水质监测数据、底泥释放实验等实验调查数据,结合一维河网水环境数学模型(MIKE)构建基于像元的陆-河-湖水环境数学模型获取。其中,大气干湿沉降监测数据是通过在呼伦湖湖岸周边小河口管护站、拴马桩管护站、乌鲁都管护站布置3个大气干湿沉降监测点,使用ZR- 3900型全自动干湿沉降采样器获取,测定分析大气沉降中TN、TP、COD等指标浓度获得。

(2)景观生态安全度：景观指数是景观格局的高度概括,是反映其结构组成和空间配置等方面特征的定量指标,选取景观类型斑块密度、平均斑块形状指数、聚集度指数和斑块所占景观面积比例为指标,建立景观指数与景观生态安全度的定量化描述[34]。

(3)草地退化指数(Grassland Degradation Index, GDI)：GDI是草地退化的综合反映,是各退化评价指标的加权求和,GDI越大表示该草地生长越好。根据呼伦湖流域草原生态系统特性,在典型生境类型地区采用境内外随机布设样方的同步观测调查方法,同时选择草地植被覆盖度、地上生物量、平均高度、物种丰富度、优势种重要值及多年生植物重要值等6个退化指标综合计算草地退化指数[35]。

(4)蓝藻水华发生风险：选取叶绿素a浓度(Chl.a)、总氮浓度(TN)、总磷浓度(TP)、高锰酸盐指数(CODMn)和水温等5个与蓝藻水华暴发密切相关的影响因子(其中Chl.a和CODMn被选作蓝藻水华发生程度的指示因子；TN、TP是蓝藻水华发生的主要营养盐因素；水温是蓝藻水华发生的关键性气象因素),运用模糊风险评价法对每个监测点的蓝藻水华发生风险进行综合评价[36-37]。

5 结论与讨论

本文通过开展呼伦湖流域内草原、湿地、河流、湖泊、林地等多要素的系统调查获取一手数据,并结合历史资料全面分析并识别了区域生态安全主要问题及成因,主要包括：1)2000年以来,呼伦湖流域气候暖干化趋势加剧,在长期超载过牧等人类活动压力下,草地退化显著,土地沙化、盐碱化面积扩大；2)草地退化特征其中之一表现为多年生优良牧草为优势种的群落逐渐被一年生劣质草种如猪毛菜等群落所替代,进而在大风天气下形成风滚草入湖,腐解后对水质产生污染,同时有70%以上的难降解木质素类腐殖质物质沉入水底,以内源释放的形式持续污染湖体；3)退化草地和沙化土地在风力和降雨作用下,以干湿沉降形式入湖,加剧了湖区污染输入；4)气候暖干化同时造成湖面水位下降,导致湿地面积减少、湿地植被消失、鱼类生境破坏、产卵场面积降低,加之长期的过度捕捞等人类活动,导致渔业资源枯竭、鱼类群落结构趋于简单,小型化特征显著；5)水生生态系统稳定性下降、系统紊乱,加之富营养和暖干化的叠加作用,呼伦湖浮游植物的生物量进一步增加,蓝藻水华频发。

基于以上生态安全问题诊断及成因分析,本文以生态环境质量改善、生态系统完整性及服务功能提升为目标,统筹考虑生态系统的整体性与系统性,采用PSR模型框架,选取由气象条件、人口、水资源、水环境压力和人类活动等5个要素构成的压力子系统,和由水环境状况、水生态状况、陆域生态状况、生态系统服务功能和敏感性、景观格局与生态风险等6个要素组成的状态子系统,以及由生态治理措施和生态治理投入等2个要素组成的响应子系统,构建了一套由38个指标构成的适用于呼伦湖流域生态安全评价的指标体系,可为北方寒冷干旱地区内陆湖泊的生态安全评价研究提供借鉴。