淡水生物多样性保护背景下长江流域河流干扰度分析及展望

刘海龙 张益章 周语夏

1 研究背景

全球正在经历第六次物种大灭绝[1-3]，淡水生物多样性的下降尤为严峻。淡水生态系统是至少126 000种物种（相当于10%的已知物种）、1/3的已知脊椎动物、1/2已知鱼类的栖息地[4]。而全世界鱼类约有32 500 种，其中淡水鱼类超过15 000 种，反映出淡水环境具有高生产力、丰富多样性及强烈地理隔离效应等特点。但至少1至2万种的淡水物种已经灭绝或面临灭绝的风险[5-6]。据世界自然基金会（World Wildlife Fund, WWF），2020年《地球生命力报告》统计[7]，在1970至2016年间，全球物种数量平均以68%的速度下降，淡水物种数量却平均以84%的速度下降，远高于陆地和海洋生态系统，其中淡水鱼类是20世纪全球灭绝速度最快的脊椎动物物种[8]。联合国环境署在2019年《全球环境的新型问题》报告[9]中指出导致全球淡水生物多样性下降的主要原因是淡水栖息地的急剧丧失，其中人类筑坝导致的“水库效应”使河流生态系统破碎化，直接导致珍稀鱼类物种数量下降乃至灭绝。在此背景下自然流淌河流（Free-Flowing Rivers，简称FFRs）已成为愈加稀缺的自然资源。据统计[10]，全球几乎一半（48%）的河流流量已经被控制，所有正在计划或建设的水坝的建成意味着全球所有河流93%的自然水文流量将丧失。2019年由世界自然基金会与相关保护组织开展全球自然流淌河流制图研究[11]发现世界上242条大河（＞1 000 km）中仅1/3还保持着自然流淌状态，并仅限于北美洲北部、欧亚大陆北部、南美洲亚马孙及奥里诺科流域、非洲刚果流域和东南亚的伊洛瓦底江和萨尔温江流域等人迹罕至区域。

长江作为中国第一大河，干流长度6387 km，流域面积180 万平方公里，占国土面积18.75%、淡水水域面积50%，是世界淡水生物多样性最丰富的水系之一[12]。但长江也是中国开发程度最高的流域之一，随着多年受拦河筑坝、水域污染、过度捕捞、航道整治、岸坡硬化、挖砂采石等人类活动影响，长江水生态系统退化已成为其最突出的问题之一。尤其是星罗棋布的水电工程致使干支流河道被分割为“河流—水库（大坝）—河流”形式，河流连续性与水生态系统完整性遭到破坏，导致生境破碎化，直接影响生物多样性水平[13-15]。以中华鲟、长江鲟、长江江豚等为代表的长江旗舰鱼种数量急剧下降[16-17]，同时长江渔业资源也总体急剧下降，四大家鱼繁殖量已下降90%以上，长江生物完整性达到了最差的“无鱼”等级[18]。因此，长江流域的淡水生物多样性下降与人类活动有直接关系，研究长江河流干扰程度对淡水栖息地的保护有重要作用。

世界自然基金会提出的自然流淌河流概念[11]指“河流的生态系统功能与服务基本未受到其水文流动连通性变化的影响，允许水、能量、物质与物种可以在河流系统内及周边环境进行没有阻隔的运动与交换”。因此，一系列相关研究对河流受干扰的程度与河流的连通性进行评价[11,19]。2019年国际淡水生态系统专家组提出全球淡水生物多样性的6项“紧急恢复计划”[20]，其中允许河流自然流淌和保护并恢复河流连通性两项关键措施都对淡水生物多样性有重要支撑性作用。通过国家公园与自然保护地体系（National Park and Protected Areas System）有助于保护价值突出的河流。但据世界保护区数据库（WDPA 2019）统计，全球426个淡水生态区（freshwater ecoregions）[21]被保护地覆盖的平均面积仅为13%，其中2/3的淡水生态区保护程度更低[22]。因此，世界各国自然保护地在保护内陆淡水生态系统及淡水生物多样性方面仍然存在较大空缺[23-24]。

综上所述，从遏制长江流域淡水生物多样性下降的目标出发，应进一步完善长江流域自然保护地体系，尤其应由以陆域生态系统为主的保护目标转向陆域与水域生态系统兼顾的多元化保护。而自然流淌河流的保护是淡水栖息地保护中的一个重要途径。本研究基于河流干扰度指数（River Disturbance Index，RDI）对长江流域的自然流淌河流进行空间识别，分析其与现有保护地体系的重叠关系，并进一步对长江流域淡水生物多样性保护的目标与策略途径提出展望。

2 长江流域河流干扰度分析与自然流淌河流空间识别

2.1 研究方法

自然流淌河流空间识别方法是基于对河流生态系统结构的认知模型，即“河流连续体概念”（the River Continuum Concept，RCC）发展起来的。该概念由范诺特（Vannote）[25]于1980年提出，将河流网络看作连续整体系统，包括其地理空间与生物学过程的连续性，是河流生态学描述整条河流生物群落结构和功能特征的较早尝试。RCC概念提供了一种未被干扰的自然河流参照体系，指出河流顺河方向水力连续性和生物组分分布连续性之间的相关性。沃德（Ward）等[26-27]将连续体概念进一步发展为具有纵、横、竖和时间的河流四维连续体，之后沃德（Ward）和斯坦福德（Starford）又提出序列非连续体概念（Serial Discontinuity Concept，SDC），意在考虑水坝对河流的生态影响，因为水坝引起了河流连续性的中断，导致河流生命和非生命参数的变化以及生态过程的变化，需要建立一种模型来评估这种胁迫效应。

河流干扰度指数（RDI）的方法源自荒野连续谱的概念，最早在澳大利亚的“国家荒野名录”（National Wilderness Inventory）项目中被提出。基于此，斯坦（J L Stein）等[19]在澳大利亚“野生河流项目”（Wild River Project）中应用“河流干扰指数”的概念来评估澳大利亚河流的荒野程度。与荒野研究中以遥远度为核心不同，基于RCC理论，河流的水文、地貌及生物过程被改变的程度被认为是识别河流自然流淌状态的关键。流经荒野或自然地的河流也可能因上游有拦蓄设施而被认为受到较高程度干扰，同时靠近聚居区域的河流也可能因为流域生态系统较完整被认为受较低程度干扰。因此，河流干扰指数更强调从流域综合管理的角度认知改变河流自然过程的人类影响因素。本文采用干扰度指数的方法开展长江流域干扰度评价，具体方法如下。

第一，找出每一段河流及其对应的流域，并以确定流域倾泻点（为流域内唯一最终出口）的方式来记录子流域中的人类干扰度总和。同时每一子流域也将累积其上游流域的干扰度，最终流域的出口将会记录所有流域干扰度的总和。

第二，累积的河流干扰指数将会由每一子流域的流域干扰以及河流流态干扰所共同组成。根据河流连续体的概念，河流从上游至下游的干扰逐渐累积。通过叠加计算出子流域河流干扰指数，整体反映人类显著改变河流过程的可能性，通过流量工具累积算法来得到累积的结果。

第三，最终在每一段河流及对应流域形成干扰度累加的总和，并对其进行评分，即从完全无干扰状态（RDI=0）到严重干扰状态（RDI=1）。通过设定合理的阈值，在空间上识别较接近原始自然状态的自然流淌河流。根据长江流域已经形成的人类改变与现实干支流的关系，本研究中设定 RDI ≤ 0.3为潜在自然流淌河流。需要补充说明的是该阈值仅为参考，在不同地区具体分析与应用中根据不同的保护目标来设立。

2.2 研究步骤

本研究在长江流域整体尺度上开展河流干扰度评价，识别较低干扰度的河流作为潜在自然流淌河流区域并分析其分布特征，完成基于河流干扰度指数的长江流域自然流淌河流空间制图。具体步骤包括一下四布。

第一，收集干扰长江流域河流的自然流淌特征的地理空间数据。包括土地利用（1 km）①、人类聚居点与基础设施（矢量）②、人类活动足迹（1 km）③、水坝（矢量）④、人工堤岸和引水工程（矢量）⑤。

第二，划分长江流域的子流域与确定流域倾泻点。结合中国科学院资源环境科学与数据中心的三级流域空间分布数据，确定长江流域每个河流/河段的子流域，作为评价自然流淌河流干扰度的最小单元。通过对子流域单元流域倾泻点记录单个子流域中的人类干扰度总和。每一段的子流域累积其上游子流域的干扰度。最终流域的出口将会记录所有流域干扰度的总和。

第三，建立长江流域河流干扰度指数体系。建立包含来自河流水工设施的内在干扰及来自流域土地利用等外在干扰的数据集，进行权重计算，共同建立长江流域河流干扰指数体系。累积的河流干扰指数由每一子流域内外干扰度共同组成，影响指标分别是：河流外在干扰——土地利用、人类聚居点、基础设施、人类活动足迹；河流内在干扰——水坝、人工堤岸和引水工程。通过2种要素的叠加计算出子流域河流干扰度指数。

第四，叠加计算长江流域各子流域河流干扰度指数。通过长江流域各子流域河流内在干扰与外在干扰的叠加，计算出子流域河流干扰度指数，并且各子流域的径流量会对子流域干扰指数产生影响。对河流的干扰指数进行累积计算，通过流量累积算法（flow accumulation）得到每一支流子流域对河流干流的贡献的干扰度指数，定量反映河流在连续景观尺度下的整体变化。河流的干扰状态会逐渐累积至下游，最终在流域形成干扰度累加的总和，由此形成河流干扰度连续谱，即从完全无干扰状态（RDI=0）到严重干扰状态（RDI=1）。通过设定合理阈值在空间上识别自然流淌河流。

2.3 研究结果

项目组已完成国土尺度河流干扰度评价，横向对比全国其他流域的干扰度状况，长江流域潜在的自然流淌河流与严重干扰河流的占比皆较高[28]。本研究考虑到长江经济带是国家重大战略发展地区，人类活动较强，干扰度普遍较高，基于对部分实际自然流淌河流的核对，设定RDI≤0.3为潜在自然流淌河流。根据中科院地理所资源环境科学数据中心的中国河流空间长度数据，得到长江流域的潜在自然流淌河流长度约占流域干支流总长度30 462 km的24%，即7 311 km，自然流淌河流流域占流域总面积的21.6%，约为39万平方公里。最终依据河流干扰指数绘制出长江流域自然流淌河流空间分布图（图1）。

根据分析结果，当前长江流域中下游受人类活动、水域污染、水利工程与河渠建设等影响，人类干扰强度较高，河流连续性与水生态系统完整性受到较大威胁。相对干扰低、处于潜在自然流淌状态的典型河流及代表性河段主要位于长江流域干支流上游。表1的干扰度等级阈值划分及相应河流水系及河段，作为宏观评价结果，限于数据集精度还需结合具体现场调研及更准确的数据进行校核。但总体而言，干扰度低的河流段落意味着人类开发与水利工程干扰较小，河流的连续性也更高，同时也有更大的生物多样性潜力，水生态系统也可能更加完整，具有更高的优先保护价值。

表1 长江流域潜在的自然流淌河流名录Tab.1 list of Yangtze river basin’s potential free-flowing rivers

3 讨论

3.1 研究结果与长江流域淡水生物多样性的关系讨论

许多研究证实了大坝等河道工程设施建设与淡水物种数量下降的相关性[29-33]，但目前国内外尚未有河流干扰度与淡水生物多样性的直接相关性研究。因此本研究综合已发表的关于长江流域淡水生物多样性的相关文献数据，与识别出的长江流域潜在自然流淌河流的分布进行初步对照分析。后续将考虑采用环境DNA方法及现场调查来获取更为准确的数据和相关性分析结果。

长江流域鱼类[34]共计378种（亚种），隶属于14目32科144属，其中淡水鱼338种（亚种），洄游鱼类11种，河口鱼类29种，特有种和受威胁物种分别有162种（亚种）和69种（亚种）。流域上、中、下游的平均鱼类物种数量分别为139种、125种和120种，其中上游干流及金沙江下游流域、岷江和沱江流域、嘉陵江流域、中游主干流以及下流主干流和河口区鱼类物种多样性较高。长江流域两栖动物[35]共计145种，隶属于2目10科30属，特有种和受威胁物种分别有49种和69种。流域上、中、下游平均两栖物种数量分别为21种、10种和8种，其中上游大渡河流域、金沙江下游流域、嘉陵江流域、乌江流域，中游主干流、沅江流域、湘江流域、洞庭湖流域，下游主干流和太湖流域两栖物种多样性较高。长江流域底栖动物[36]共计1033种或属，隶属于3门7纲162科513属，其中包括环节动物121种属、软体动物318种、节肢动物594种属。其物种多样性分布格局特征为：从区域角度，环节动物和软体动物种或属在中游最多，节肢动物则在上游最多；从水体类型角度，环节动物种属数在湖泊最多，节肢动物在支流较多；从流域水系角度，底栖动物的重要分布区主要在长江中游干流水系，其次在上游干流水系、金沙江水系、洞庭湖和鄱阳湖水系。

总体而言，长江流域以鱼类、两栖动物、底栖动物为代表的淡水生物多样性，除海拔最高的江源区和金沙江中上游流域物种较为单一以外，呈现上游高于中下游，特有种比例从上游到下游随海拔降低而逐渐降低的特征。另外，淡水生物多样性较高的地区还多位于长江中上游与下游的河口、湖泊水系等区域。因此，河流干扰度较低的河段基本与主要水生生物物种多样性分布较高区域重叠。反之干扰度较高河段的淡水生物多样性受到威胁较大，如中下游赣江、太湖等区域、中上游的川渝地区，因邻近省会或城镇密集区，是主要的保护冲突点。这些区域部分河流支流上游仍存在潜在自然流淌河流，但也受大规模开发建设影响。

3.2 研究结果与长江流域自然保护地体系的关系讨论

目前长江流域自然保护地体系仍主要针对陆域生物多样性保护，对水域或淡水生物多样性的保护仍需完善。长江流域现有针对淡水生态系统及物种的保护地类型，主要涉及国家公园、自然保护区、湿地公园以及水产种质资源保护区，少量也附属于风景名胜区、森林公园、地质公园等类型。除国家公园、自然保护区管控措施较为严格以外，湿地公园保护强度不足。水产种质资源保护区虽然更注重保护具有较高经济价值和遗传育种价值的水产种质资源[37]，但与自然保护地分属不同管理行政体系，存在跨体系综合管理困难。以上各类型保护地因存在不同管理标准，针对淡水生物多样性的管控政策难以统一，无法在较为完整的流域空间范围实现系统保护。

结合长江流域自然流淌河流识别的结果来看，低干扰河流多位于上游区段，如雅砻江水系上游、金沙江水系上游；干流受人类活动影响干扰明显，支流及上游还有许多保护空间；个别支流位于保护地范围内，但尚未受到系统保护（图2）。自然度最高的通天河水系基本处于三江源国家级自然保护区内，人类干扰较低，属于较好的自然流淌状态；金沙江部分段落位于白马雪山国家级自然保护区、海子山自然保护区的保护范围内，虽然上游部分河段不在保护地范围内，但周边干扰较小、威胁较低；雅砻江水系部分支流虽然在贡嘎山国家级自然保护区之内，但雅砻江整体仍受到梯级水电开发的影响，潜在威胁较大。

许多相关研究均表明长江流域目前的自然保护地体系对珍稀水生生物的保护仍不全面，存在较大空缺：黄心一等[38]曾指出长江中下游54.7%的鱼类物种保护重点规划单元未出现在现有保护地边界内，仅有8.9%的规划单元被现有保护地完全覆盖；如谢晓等[39]发现长江中游宜昌市至湖口县（955 km）被认为是我国淡水生物多样性最丰富的区域之一，虽有7个保护地（3个自然保护区和4个水产种质资源保护区，覆盖50.23%的河道长度），但高成熟度的珍稀鱼类聚集区（城陵矶、邓家口、庄口、汉口、阳逻和黄颡口河段）却未纳入保护地；而长江自四川宜宾至长江口近3 000 km的干流建有国家级自然保护区10 处、国家级水产种质资源保护区11 处，全长约1 700 km，但无法改变白鱀豚和白鲟较早已灭绝、长江鲟和中华鲟也开始出现自然繁殖中断的局面[40]。还有研究提出在长江流域新建或提升保护区，如三江源国家公园长江源区、雅砻江河源区、金沙江干支流流水河段（如水洛河、黑水河）及大渡河河源区和嘉陵江河源区等区域[41]。

4 研究展望

鉴于长江流域淡水生态系统退化的严峻形势，未来亟待开展如下工作。

4.1 长江流域面向淡水生物多样性保护的自然保护地空缺识别

长江流域是中国河流保护与利用冲突最明显的区域，其干支流的人类干扰程度很高，尤其是水利工程的大量存在使得河流连续性受阻，导致生境破碎化问题十分严重。因此未来极有必要分析长江流域现存自然流淌河流资源与淡水生物物种种群分布与其生命史特征的耦合关系，识别面向淡水生物多样性的自然保护地空缺，这对长江流域自然保护地体系空间布局及管理决策优化具有重要现实意义。目前长江干流开发已成事实，应该探讨替代性生境的选择。尽管在许多支流河段也存在小水电、防洪与水资源开发需求，但支流仍有许多潜在保护空间。甚至高干扰河流的支流上游仍有保持、恢复河流自然流淌的机会。这些都是未来有潜力增设为保护地的区域。

4.2 长江流域面向淡水生物多样性保护的自然保护地管理创新

进一步应聚焦重点空缺区域建立平衡生态保护成效与社会经济成本之间的合理空间规划方案。相比于陆生动物建立足够面积的斑块状保护区一定程度上就可使其得到有效保护，鱼类等水生生物常分布或迁徙于范围广大的流域水网，同时一般情况下难以将淡水生态系统与周围的生产生活完全隔离开来，所以难以建立类似陆地的有效封闭保护区，并且少数孤立的淡水保护区的效果一般较差。因此，一方面可借鉴国际成熟的以河流为保护对象的相关政策与管理体系，包括美国野生与风景河流、加拿大遗产河流、淡水保护区等技术与管理方法；另一方面可以融合中国正在推进的国土空间规划、自然保护地体系规划、流域综合规划等，构建针对淡水生物多样性的流域整体保护区（integrated protected areas），包括核心保护区（淡水生物多样性热点区）、关键管理区（维持核心区所必需的区域，如洄游通道）和流域管理区[42]，探索长江流域淡水生物多样性保护的可行政策。

4.3 长江流域河流干扰度评价与自然流淌河流保护的应用前景

河流干扰度评价侧重问题导向，自然流淌河流保护侧重目标导向，是针对同一问题的两面。干扰度具体分析各钟人类干扰对淡水生物多样性的制约、阻滞机制，自然流淌河流研究分析可以指导保护区系统的扩展。具体的生物多样性数据及与干扰度评价和自然流淌河流识别的耦合是技术与管理应用的核心，进一步基于耦合度分级分区可以指导设立需要重点保护、恢复与协调的的淡水生物多样性保护潜力区域，最终将技术性与管理性内容纳入综合流域管理战略之中。综合河流干扰度评价与自然流淌河流保护的另一优势是：由于河流干扰度是综合河流内在（河道）与外在（流域）干扰而得到的，因此有机会协同陆域（流域）与水域（河道）生态系统及过程的保护，也为实施更加有效的综合流域管理提供途径。由于河流管理非常复杂，脱离各方利益来考虑纯粹的自然流淌河流保护既不现实，也不可能。因此需要在多利益方博弈与合作中判断保护的分歧与共识、诉求与责任、底限与上限等，从而找到实现维护自然与人类共同利益的途径，这是下一步在自然流淌河流研究与淡水生物多样性保护上要努力的工作方向。

注释：

① 来源于Data Center for Resources and Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences

② 来源于National Catalogue Service for Geographic Information

③ 来源于Wildlife Conservation Society - WCS, and Center for International Earth Science Information Network

④ 来源于Global Reservoir and Dam Database Version 1.3

⑤ 来源于OSM全国水系数据图层等方面数据，形成长江流域的河流干扰度数据集