长江中游流域水资源禀赋特征及其与自然保护地的空间关系研究

马 坤，唐晓岚，王燕燕，任宇杰

(南京林业大学风景园林学院，南京林业大学中国特色生态文明建设与林业发展研究院，江苏 南京 210037)

水资源是人类生存发展不可或缺的物质基础和关键性的生态环境要素，不仅关系着经济社会的稳定发展，还影响着一个国家和地区的生态安全[1]。自然保护地作为我国建设生态文明与维护生态安全的重要基础，是当前保护水资源最重要的载体和措施[2]。然而，由于自然保护地缺乏总体发展战略与规划，出现个体面积小、景观破碎化、格局孤岛化等问题，导致仍然有许多水资源富集区没有得到有效的保护地覆盖[3-4]。因此，定量分析水资源禀赋空间分布特征，并探讨其与自然保护地空间格局的关系，对有效保护水资源、弥补保护空缺、合理规划自然保护地具有重要意义。

目前，国内外学者对水资源禀赋和自然保护地空间格局的研究主要集中在水资源的经济特性或自然保护地的格局优化方面[5-7]。也有部分学者开始关注二者之间的联系，但在研究过程中多就某单一要素进行分析，例如将二者作为一项评价指标[8]、一种保护对象[9-10]、或一类生态空间红线[11-12]等。此外，由于水资源禀赋和自然保护地空间格局均受到生态本底(功能、价值等)和社会经济(人口、财政收入等)多重因素的影响，导致指标选取与指标信息存在不同程度的重复性和干扰性，最终影响水资源禀赋及其与自然保护地空间分布关系的准确性和科学性[13]。虽然已有众多学者针对水资源综合评价模型进行了研究，提出了例如安全指数[14]、贫乏指数[15]、压力指数[16]、承载力指数[17]等指标，但这些评价模型的指标体系较复杂，数据可获取性较难保障，由于越来越趋向于精深的数学方法，反而弱化了初期对水资源整体规划的思考，导致保护管理策略的措施难以落实。因此，如何从自然保护地类型及其保护对象属性与价值的角度出发，系统地构建以保护为目的的水资源禀赋综合评价体系，并定量剖析二者之间的空间关系，成为当前我国自然保护地体系规划建设亟待解决的重要课题之一。

长江中游流域湖库湿地众多、河网密布，水资源极其丰富，具有强大的涵养水源、繁育生物、净化环境等功能，成为我国重要的生物基因宝库和生态功能[18]。截至2019年12月，长江中游流域内已建立各类各级自然保护地约1 960处，对保护濒危动植物及其生境、自然遗迹和各类重要生态系统与环境具有重要作用。因此，通过构建水资源禀赋综合评价模型，结合最邻近指数、ArcGIS可视化等方法，从空间格局、分布数量与密度等方面以流域为单元定量揭示长江中游流域水资源禀赋空间特征及其与6类国家级自然保护地之间的空间关系，以期为我国流域型自然保护地的合理规划与布局提供一定参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

长江中游流域特指长江宜昌至湖口段干流、洞庭湖群、鄱阳湖群、江汉湖群和相应支流及其洪泛平原(106°5′～118°36′E、24°29′～34°12′N)，总面积约68万km2，共涉及湖南、湖北、江西等9省58市。研究区属亚热带季风气候，年均气温14～18 ℃，年均降雨量700～2 000 mm。其适宜的自然气候，复杂多样的地形地貌，极其丰富的水域、湿地和森林及其生物多样性等自然资源，以及极具特色的湖湘文化、赣文化、红色文化等人文景源，成为各类自然保护地规划发展的重要基础。截至2019年12月，长江中游流域共有6类661处国家级自然保护地，包括自然保护区81处、风景名胜区50处、森林公园159处、湿地公园197处、水利风景区136处、地质公园38处。

1.2 数据来源与处理

长江中游流域边界线、二三级流域分区线、年平均降水量、河流、湖水库矢量数据采集自国家地球系统科学共享服务平台“湖泊-流域科学数据中心”(http://lake.geodata.cn)；数字高程模型(DEM)数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)；水资源总量、产水模数、水力侵蚀模数、生态服务价值矢量数据来自中国科学院资源环境数据云平台(http://www.resdc.cn)、《中国统计年鉴》和水资源公报；野生动植物数据来自《中国物种红色名录》、中国动物主题数据库(http://www.zoology.csdb.cn)、中国植物主题数据库(http://www.plant.csdb.cn)；水文地质遗迹数据来自地质云-水工环地质信息服务平台(http://geocloud.cgs.gov.cn)；水文景观矢量数据来自携程旅行网(https://www.ctrip.com)。此外，各类国家级自然保护地信息数据主要来源于自然资源部、国家林业和草原局、生态环境部、湿地中国网等官方网站和相关公告。

根据我国流域分级方法[19]，结合长江中游已划分的二三级流域，运用GIS 中空间分析的水文分析功能，最终提取得到长江中游流域73个四级流域区划作为本研究地理区划单元(表1)。

表1 研究区二、三、四级流域名称及编号

1.3 水资源禀赋综合评价指标体系

1.3.1 指标选取原则

水资源是我国自然保护地最重要的自然资源之一，其在自然、景观、生态、社会经济等方面具有的特性与价值对自然保护地的规划和发展具有至关重要的影响作用[20]。因此，构建流域水资源禀赋综合评价指标体系不仅要全面客观反映流域水资源本底特征及其生态系统功能、社会经济服务价值，而且要明确各个指标概念便于数据的采集，才能为指导和促进自然保护地的规划和可持续发展提供理论和科学依据[21]。

从系统论的角度出发，将各类水资源及其生态环境、系统功能、社会经济价值视为一个复合系统，构成这个系统内部辩证统一的关系[22]。因此，选取水资源禀赋综合评价指标时，应遵循3个基本原则：①目的性，应充分结合自然保护地保护对象属性和价值特征，为自然保护地规划和发展提供定量化指导；②整体性，复合系统不是各个子系统简单的线性叠加，而是相互关系、相互作用、相互协调的整体可持续发展系统；③层次性，体现同一子系统内部各个指标之间的协调性以及不同子系统之间的协调性。

1.3.2 综合评价指标体系确立

基于自然保护地保护对象所具有的代表性、完整性和重要性等自然资源属性，以及在自然、生态、景观和社会经济方面具有的自然资源价值[23]，结合前人对水资源禀赋和承载力等相关研究成果[24-25]，分别从自然、景观、生态和社会经济4个方面构建针对我国自然保护地保护目标的水资源禀赋综合评价指标体系(表2)。

表2 水资源禀赋综合评价指标体系

1)水资源禀赋指标包括自然、生态和景观3种类型，主要设置了与水系、水域、湿地、水生动植物、水文景观(瀑布、潭池、泉井、水文遗迹等)等相关9项指标。在此基础上，综合分析水资源的动态补给能力，又增设了地下水模数、产水模数和年平均降水量3项指标作为自然保护地保护的潜在自然水资源。

2)与水资源禀赋协调的指标包括生态系统和社会经济两个方面，主要设置了各类生态系统服务价值、人均用水、饮水安全、水产经济和用水经济等10项协调指标。这主要体现自然保护地不仅是为了保护内部自然资源的完整性和原真性，还应具备生态系统和社会经济两个方面的功能性和价值性。因此，设置协调指标可以进一步度量水资源禀赋程度以及系统内部要素之间在发展过程中彼此和谐一致的程度。此外，由于降水、地表径流、地下径流会在一定程度上对土壤、土体或其他地面组成物质造成破坏、剥蚀、搬运和沉积等危害，因此，本研究设置水力侵蚀模数作为负向水资源生态系统协调指标。

1.3.3 综合评价模型构建

1)流域水资源禀赋综合指标计算。根据设计综合评价指标体系，流域水资源禀赋综合指标WREI(water resources endowment index,式中记为IWRE)表达式为：

(1)

2)数据无量纲化处理。为消除各指标量纲不同和量级差异的影响，采用离差标准化方法进行无量纲化处理：

(2)

式中：Mij为标准化的变量数据，Nij为指标的原始统计数据，i为指标数量，j为指标值所处样本区域单元。

基于以上权重计算方法，得到各类水资源禀赋指标权重值ai、bi、ci(表3)。

表3 水资源禀赋综合评价指数权重

在水资源禀赋指数中，湿地面积比例(W6)权重系数最大，这与赵智聪等[23]的研究结果基本一致，在与水相关的自然保护地保护对象类型中，湿地是极其重要且涉及自然保护地类型最多的保护对象。而生态系统与社会经济协调指数中，水文调节价值(E3)和人均水资源量(S1)权重系数分别最大，这与赵同谦等[26]的研究结果相符，从水的功能与价值角度来看，供水与调节功能分别在水资源直接与间接价值中最为重要。

评价指数度量等级划分的科学与否对最终评价结果影响至关重要，本研究根据模型计算值，参考目前比较公认的水资源承载力评价指标分级标。准及相关规范[27-28]，将流域水资源禀赋综合指标WREI度量标准确定如表4所示。

表4 水资源禀赋综合评价指数度量标准

另外，采用ArcGIS 10.2的空间分析工具计算空间关系参数即最邻近指数N，用以表征保护地空间分布特征。N=1说明保护地随机分布，N>1说明保护地均匀分布，N<1说明保护地集聚分布。

2 结果与分析

2.1 长江中游水资源禀赋指数和协调指标空间特征

通过长江中游流域自然、生态和景观3类水资源禀赋指数(图1)可知，水资源在自然、生态和景观3个方面的禀赋特征差异较大，自然和生态资源禀赋主要分布在两湖地区，而景观资源禀赋空间分布却与之相反，多分布于山地区域。

底图审图号：CS(2019)1719。下同。The same below.

从水资源禀赋总体空间特征来看，高值区(0.8

通过对长江中游流域水资源协调指数评价可知(图2)，水资源生态系统功能与价值较高的地区(0.6

图2 研究区水资源协调指数空间特征

2.2 长江中游水资源综合禀赋空间特征

经过生态系统与社会经济功能与价值的综合协调评价后，长江中游流域水资源禀赋空间发生了较为明显的变化(图3)，其中高禀赋区域(0.8

图3 研究区水资源综合禀赋区格局与各类自然保护地分布特征

2.3 长江中游水资源禀赋与各类自然保护地空间分布关系

利用ArcGIS 10.2软件的Spatial Statistics Tools 中Average Nearest Neighbor 进行运算，结果显示，保护地整体最邻近指数N=0.681 55<1，即长江中游流域自然保护地整体呈现空间集聚特征。此外，研究区自然保护区、森林公园、湿地公园、水利风景区的最邻近指数N均小于1，即该4类保护地均呈现空间集聚分布。 其中，自然保护区主要集聚分布在丹江口以上(Ⅰ1)和清江(Ⅱ4)三级流域；森林公园主要集聚分布于鄱阳环湖区(Ⅳ2)、赣江(Ⅳ4、Ⅳ7、Ⅳ8)、澧水(Ⅲ2)、湘江衡阳以下(Ⅲ6)三级流域；湿地公园主要集聚分布在洞庭环湖区(Ⅲ3)、武汉至湖口左岸(Ⅱ1)、宜昌至武汉左岸(Ⅱ2)三级流域；水利风景区主要集聚分布在洞庭环湖区(Ⅲ3)、鄱阳环湖区(Ⅳ2)三级流域。

综合分析长江中游流域水资源禀赋和各类自然保护地空间分布可知，不同类型自然保护地在不同水资源禀赋区的空间分布格局、分布数量和密度存在显著差异，且在不同类型水资源及其生态系统功能、社会经济价值方面表现的相关性具有明显差异(表5、表6)。

表5 研究区自然保护地在不同水资源综合禀赋区空间分布特征

表6 研究区自然保护地高密度分布的水资源偏好特征

自然保护区虽在中禀赋区的数量最多(40个)，但密度随着水资源禀赋等级增加而变大，在较高禀赋区的密度达到最大(1.45个/万km2)，超过了其在研究区的平均密度(1.19个/万km2)。此外，自然保护区高密度分布流域以自然、生态水资源禀赋及其生态系统协调为主，表明该类型保护地的分布与生态水资源相关性最大，同时对水资源在生态系统功能和社会经济价值方面提供了保护。

风景名胜区在水资源较高禀赋区的数量(22个)和密度(1.01 个/万km2)都最高，且在高禀赋区的密度(0.99 个/万km2)大于平均密度(0.74 个/万km2)。此外，风景名胜区高密度分布流域以景观水资源禀赋及其社会经济协调为主，而风景名胜区是自然与人文景物高度集中的风景地，主要提供人们休闲游憩、科学文化等活动[29]。

森林公园水资源较高禀赋区的数量(65个)和密度(3.12 个/万km2)均最大；湿地公园在中禀赋区数量最多，共77个，但密度随着水资源禀赋等级增加而变大，且在较高禀赋区的密度出现最大值(3.73 个/万km2)，超过了其在研究区的平均密度(2.90 个/万km2)。此外， 森林公园和湿地公园高密度分布流域均以生态、景观水资源禀赋及其生态系统协调为主，表明该类型保护地兼具自然、生态和景观资源保护功能，同时为水资源在生态系统方面的功能价值提供了有力保障。

水利风景区在中禀赋区数量最多，共63个，但密度随着水资源禀赋等级增加而变大，在高禀赋区的密度出现最大值(2.98 个/万km2)，超过了其在研究区的平均密度(2.00 个/万km2)。此外，水利风景区高密度分布流域在自然、生态和水资源禀赋高值区以及生态系统协调、社会经济协调指数高值区均有分布，即表明水利风景区兼具了各类水资源的保护功能和生态、社会经济价值。

地质公园的数量和密度在中和较低水资源禀赋区最大，表明该类保护地空间分布受水资源的影响较小。此外，地质公园高密度分布流域以景观资源禀赋和社会经济协调指数高值区为主，可知该类型自然保护地在流域内的分布仅与景观水资源具有相关性，例如水文地质遗迹。

综上分析可知，除地质公园外，其他类型自然保护地与水资源空间分布均具有较高关系，其中水利风景区空间关系最密切。但从自然保护地分布情况来看，仍有部分水资源较高和高禀赋区自然保护地数量较少，例如较高禀赋区的梁子湖群(23号)和高禀赋区的鄱阳南湖(55号)四级流域，因此，应加强该地区的自然保护地建设及对水资源的保护工作。

3 讨 论

定量评估水资源的功能与价值是制定流域水资源保护与管理策略的重要依据。本研究结果表明，研究区水资源禀赋水平整体较高，其中鄱阳环湖区水资源高禀赋、较高禀赋区自然保护地分布较少，需对梁子湖群区域加强水资源的保护和开发管控力度。基于自然保护地保护对象类型、属性与价值的水资源禀赋综合评价体系与既有水资源评价体系相比，不仅考虑了水资源的类型、数量和质量，还引入了其生态系统功能和社会经济价值协调指数，结合AcrGIS叠加分析技术，能够快速、准确、动态地识别和监测水资源的保护空缺状况，对我国流域型自然保护地的合理规划与布局具有重要意义。

3.1 自然保护地在不同水资源禀赋空间分布的影响因素

长江中游流域各类自然保护地在不同类型水资源及其生态系统功能、社会经济价值方面表现的相关性具有明显差异，究其原因包括3个方面。

1)地形地貌导致的水资源垂直空间差异。长江中游流域地貌类型多样，包括平原、岗地、丘陵和山地，其复杂的地形结构为各类水资源在垂直空间上创造了更多的不同价值[30]。例如， 1、2、5、6号四级流域(属水资源较低和无禀赋区)位于秦岭南麓，海拔高差约2 000 m，是水库形成的重要条件，间接增加了山地型自然保护区的空间分布，加强了自然保护区与湖库资源之间的空间关系，天华山、伏龙山国家级自然保护区等均集中于此；而信江四级流域(属水资源较高禀赋区)位于鄱阳湖东部三清山地区，较大的海拔高差创造了众多瀑布、峡谷漂流等水文景观，成为众多风景名胜区的保护对象，江西大茅山风景名胜区、神农源风景名胜区等较为集聚地分布于该地。因此，地形地貌差异为水资源在垂直空间上创造不同的自然属性与保护价值是导致保护地空间分布差异的重要原因之一。

2)原生自然资源本底营造的水生态环境差异。长江中游流域自然生态系统复杂，生物多样性极其丰富，包括森林、湿地、草原等约百类自然生态系统，以及国家重点保护野生动植物约280种，为水资源环境营造了不同的自然资源本底与保护价值[31]。例如，修水四级流域(属水资源较高禀赋区)是亚热带常绿、落叶阔叶林及其混交林生态系统重要分布区域，大量珍贵野生动植物(云豹、金钱豹、银杏、红豆沙等)成为森林公园的重要保护对象，其高密度的植被覆盖大大降低了地表水的蒸发，加强了水土保持能力，提高了基于水资源的各类生态系统功能，成为森林公园集聚的重要原因；而金水、梁子湖群、洞庭湖和湘江口四级流域(属水资源较高禀赋区)是长江中游流域热带、亚热带沼泽生态系统重要分布区域，为水生态环境提供了丰富的湿地资源，成为湿地公园集聚分布的重要原因。

3)人类活动影响下的水资源利用性质差异。在不同人类社会需求背景下，水资源具有不同的价值属性，包括气候调节、调蓄净化、维护生物多样性等生态服务价值，提供生产、生活等物质基础价值，以及休闲游憩、科研教育等景观价值[32]。长江中游流域人类活动强度空间差异显著，不同强度人类活动地区水资源的保护具有不同保护属性和价值[33]。其中，以“中三角”武汉城市圈(11、13号四级流域)、长株潭城市群(43号四级流域)、环鄱阳湖城市群(52、59号四级流域)为核心的高强度人类活动区域，均为水资源中禀赋区，各类保护地分布均相对较少；而在人类活动较弱的山区，例如南岭山脉北部(41、45、49、73号四级流域)，均为水资源较高禀赋区，森林公园、湿地公园和水利风景区分布较多。

3.2 流域型自然保护地发展对策

自然资源禀赋研究是自然保护地优化整合的基础[34]。通过定量化评价研究自然资源禀赋可以确定区域内保护地的空间格局，并绘制出“重点保护、空缺保护区域分布图”，为自然保护地的规划建设、优化整合提供依据。因此，基于水资源禀赋空间格局，针对长江中游流域保护地提出3个方面的保护建议。

1)科学构建保护地水资源保护价值评价体系。水资源作为自然保护地保护对象，同时具有生态系统价值、生物多样性价值、审美价值、文化价值、科学价值和社会经济价值等多种价值属性，根据本研究结果可知，湖泊兼具有生态系统价值、审美价值、社会服务价值等；不同水资源具有同一价值属性，例如湿地、水体同时具有生态价值等。因此，如何科学构建水资源禀赋评价体系，并合理有效地进行定量化评估，可以为自然保护地的结构优化、归并整合提供依据。

2)针对不同水资源禀赋空间制定不同保护与优化对策。以水资源禀赋较高的鄱阳环湖和湘江长沙段四级流域为例，前者集中了自然与生态水资源禀赋，其在生态系统方面功能价值加大，因此，该地区应加强以生态保护为目的的自然保护地建设。而湘江长沙段集中了景观水资源禀赋，在社会经济价值与服务方面较为突出，因此该地区可以在兼顾保护水资源的基础上，加强水文景观游憩、科普文化等活动设置。

3)构建水资源综合保护地网络，实现“长江大保护”。依托流域内水资源及其生态系统环境，通过科学地定量化评价水资源禀赋与承载力，绘制流域“水资源禀赋矢量图”“水资源承载力矢量图”和“自然保护地一张图”，叠加分析后进行整体性、系统性的优化整合，划分重点保护区，填补保护空缺，最终构建水资源综合保护地网络，为实现“长江大保护”目标奠定基础。