三峡库区流域生态系统稳定性演变评估

张萍 张进 翁白莎

收稿日期：2023-10-18；接受日期：2024-01-12

基金项目：国家重点研发计划青年科学家项目“面向流域洪旱灾害风险防范的坡面调蓄关键技术及应用”（2022YFC3080300）；三峡库区水生态系统质量稳定和可持续保护行动方案

作者简介：张  萍，女，正高级工程师，博士，研究方向为生态学、植物生理学、水资源规划与管理。E-mail：2323410226@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0060-08

引用本文：张萍，张进，翁白莎.

三峡库区流域生态系统稳定性演变评估

［J］.人民长江，2024，55（6）：60-67.

摘要：在生态文明建设与长江经济带发展战略不断推进的背景下，从流域尺度开展三峡库区生态系统定量评估，是库区生态保护修复策略制定的科学基础，对库区未来“自然-经济社会”可持续发展具有重要意义。基于多元遥感影像，综合采用生态模型、统计分析等手段，对三峡库区流域生态系统格局、质量与服务演变趋势进行了时空分析。结果表明：① 2000～2020年间，三峡库区流域水体面积增加了283.25 km2，主要由农田、城镇及森林转换而来。② 流域上游区区域水源涵养量、水土保持量呈现增加态势，占流域总面积的64.5%；流域中下游山区局部地区水土流失仍然较为严重，靠近城市主城区及周边地区水源涵养能力、生物多样性维持和固碳服务有所下降。③ 库区生态系统稳定性总体逐渐提升，但在西部农田区域及长江岸带，由于受到人类活动胁迫，稳定性变差。为提升三峡库区流域生态系统整体的稳定性，建议按照“大流域统筹、子流域分区、差异化施策”的流域治理思路，做好“精准施治，一河一策”，提升上游自然区域森林、草地生态质量，调整河岸带湿地群落结构，从而提升上游地区水源涵养能力、岸边带与消落区生境功能与水土保持能力，这将是未来三峡库区流域生态系统稳定性提升及流域可持续发展的重要方向。

关  键  词：生态系统格局； 生态系统质量； 生态系统服务； 生态系统稳定性； 保护修复； 三峡库区

中图法分类号： X36;X171.1;P467

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.009

0  引 言

三峡库区是重点生态敏感区和长江中下游的生态屏障，其生态环境质量直接关系到三峡工程的综合效益和长江中下游的生态安全，事关三峡库区移民安稳致富、国家战略性淡水资源库保护［1-2］，对于“维护健康长江，促进人水和谐”具有重要意义［3］。

三峡库区流域承载着长江流域中上游水源涵养、水土保持、固碳增汇的重要功能［4-5］，水体串联生态空间、农业空间、城镇空间三大国土空间要素。夷陵东南丘陵平原生态区为长江经济带提供主要农副产品；鄂西中山峡谷区、渝中平行谷岭区为长江流域提供重要的水源涵养与水土保持功能，生物多样性丰富［6-7］。三峡工程于1994年正式开工，2010年175.00 m蓄水成功开始全面发挥防洪、发电、航运、水资源利用等功能。2011年后开始实施生态修复工程［8］，开展长江流域生态系统治理，并不断增强三峡库区节水供水能力、强化消落区生态环境保护、系统推进生态清洁小流域建设、加快复苏库区河湖生态环境、创新生态环境保护的体制机制以及建设生态优先绿色发展示范区［9-10］。

本研究基于三峡工程建设到发挥功能不同时期，从流域尺度开展三峡库区流域2000、2010、2020年生态系统格局、质量服务演变的定量评估，并构建基于格局-质量-服务的流域生态系统服务稳定性指数评估方法，明确三峡库区流域生态系统稳定性的演变情况，识别流域重要生态保护区、重点保护生态系统对象和关键的生态问题，同时基于文献检索与实地调研，梳理三峡库区流域当前面临的生态压力与胁迫因子，辨析其与生态系统服务演变的耦合与驱动关系，进而为三峡库区生态系统健康与可持续发展提供科学支撑。

1  数据来源与研究方法

1.1  研究区概况

三峡库区是长江三峡工程淹没的地区，库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部，跨越鄂中山区峡谷及川东岭谷地带，北屏大巴山、南依川鄂高原。它包含了长江流域因三峡水电站的修建而被淹没的湖北省宜昌市所辖的秭归县、兴山县、夷陵区，恩施州所辖的巴东县；重庆市所辖的巫山县、巫溪县、奉节县、云阳县、开县、万州区、忠县、涪陵区、丰都县、武隆县、石柱县、长寿区、渝北区、巴南区、江津区及重庆市核心城区（包括渝中区、碚区、沙坪坝区、南岸区、九龙坡区、大渡口区和江北区）。库区流域划分为临江河、壁南河、嘉陵江、御临河、龙溪河、桃花溪、五步河、綦江、乌江、碧溪河、渠溪河、黄金河、汝溪河、壤渡河、龙河、磨刀溪、小江、长滩河、汤溪河、大溪河、梅溪河、草堂河、大宁河、官渡河、抱龙河、神龙溪、青干河、童庄河、九畹溪、良斗河、香溪河共32个子流域。

1.2  数据来源

本研究采用的数据及其来源如下：（1） 2000、2010、2020年三峡库区流域土地利用类型数据（空间分辨率30 m）。该数据来源于武汉大学杨杰和黄昕教授团队发布的CLCD 1985～2020年逐年土地覆被数据 ，基于GEE上所有可获得的Landsat数据，构建时空特征，结合随机森林分类器将其划分为农田、森林、草地、湿地、建成区和未利用地6个一类。

（2） DEM数据（空间分辨率30 m）。该数据来自中国科学院地理空间数据云平台（http：∥www.gscloud.cn/）。

（3） 2000、2010年和2020年归一化植被指数。该数据基于Landsat 波段3 和波段4计算得到，取每年中归一化指数的最大值。

（4） 1∶1 000 000土壤类型。该数据来自中国土壤数据集（http：∥westdc.westgis.ac.cn）。

（5） 湖北省气象站点2000～2020年的日降雨量。该数据来自中国气象局的国家气象科学数据中心（http：∥data.cma.cn），通过GIS空间插值得到研究区年均降水量。

1.3  研究方法

流域生态空间格局、生态系统质量、服务对维系流域完整生态系统健康与稳定有重要作用，本研究将构建生态格局指数、生态质量指数及水生态服务指数，耦合形成生态稳定性指数，评估流域生态系统稳定状况。

（1） 生态系统格局指数。

通过统计流域地表生态空间，构建流域生态空间指数，对三峡库区生态空间状况进行量化，分析各子流域的生态空间综合状况，具体公式如下：ILM，i=1mn∑mj=1∑nk=1LM，jk

（1）

式中：ILM，i表示流域生态格局指数，值域0～1，值越大，区域生态空间越丰富；LM，jk表示每个单元内生态空间面积；m，n表示窗口单元的范围。

（2） 生态系统质量指数。

通过对流域关键植被指数进行归一化处理，本研究主要采用归一化植被指数（NDVI），构建流域生态系统质量指数，对三峡库区生态系统质量空间状况进行量化，具体公式如下：IVI，i=1n∑nj=1IV，i-IV，minIV，max-IV，min

（2）

式中：IVI，i表示流域生态系统质量指数，值域0～1，值越大，流域植被群落越趋于高级，植被结构越稳定；IV，i表示流域各项植被指数状况;IV，max，IV，min分别表示各项生态系统服务供给的最大值、最小值。

（3） 生态系统服务指数。

通过对流域关键生态系统服务进行归一化处理，耦合各项服务供给情况，构建流域生态系统服务指数，各项服务的权重均为0.25，对三峡库区生态系统服务供给情况进行量化，具体公式如下：IES，i=1n∑nj=1ES，i-ES，minES，max-ES，min

（3）

式中：IES，i表示流域生态系统服务指数，值域0～1，值越大，流域生态系统服务越丰富，生态系统功能越强；ES，i表示各项流域生态系统服务供给状况；ES，max，ES，min分别表示各项生态系统服务供给的最大值、最小值。

本研究主要评估流域水源涵养、土壤保持功能、生物多样性维持服务等功能，参考相关研究确定适合流域尺度的评估方法［11-12］（表1）。

（4） 生态系统稳定性指数。

通过耦合生态格局指数、生态系统质量指数、生态系统服务指数，结合专家经验，构建流域生态稳定性指数，具体公式如下：WHS，i=φ1×ILM，i+φ2×IVI，i+φ3×IES，i

（4）

式中：WHS，i表示流域生态系统稳定指数，值域0～1，值越大，流域生态系统越稳定；ILM，i表示流域生态格局指数；IES，i表示流域生态系统服务指数;φ1、φ2、φ3分别表示流域生态格局指数、生态系统质量指数以及生态系统服务各项生态指数权重参数，基于专家经验分别设置为0.2，0.3，0.5。

2  结果分析

2.1  生态系统格局演变

2000～2020年，三峡库区流域城镇用地面积增加963.69 km2，主要发生在流域上游江北区、渝中区、沙坪坝等重庆市主城区和各区县城区。农田面积减少4 040.14 km2，其中上游主城区农田以及中游万州区、云阳县和开州区农田地区减少趋势严峻。水体增加283.25 km2，干流增加最多，为171.04 km2，29个子流域除綦江、壁南河、龙溪河及御临河，其他子流域水体面积均呈增加趋势。库区主要的生态系统转换为森林与农田间的转变，森林转为农田面积为3 324.91 km2，发生在流域上游涪陵区、南川区、武陵区等长江以南的区县，农田转为森林面积为6 256.02 km2，主要发生在流域中游万州区、云阳县等区县；其次是农田向城镇生态系统转换，面积为1 056.87 km2，发生在流域上游江北区、渝中区、沙坪坝等地区（图1）。

2.2  生态系统质量演变

本研究将生态系统质量变化按照归一化植被指数变化量α的高低程度分为：显著增加（0.5≤α≤1.24）、轻微增加（0.01≤α<0.5）、基本不变（-0.01≤α<0.01）、轻微降低（-0.5≤α<-0.01）和显著降低（-1.24≤α<-0.5）5个等级。从植被覆盖空间格局来看（表2、图2），2000、2010年和2020年，三峡库区流域总体上植被覆盖情况相对较好，在空间格局上呈现自东向西递减趋势，流域东部库首的香溪河、九畹溪、神龙溪等流域植被覆盖情况好于西部库尾的临江河、壁南河、嘉陵江等流域。具体而言，2000、2010、2020年3个年份NDVI平均值分别为0.704，0.719和0.786，处于相对较高水平，整个流域逐渐从以“较高”等级植被覆盖为主，向以“高”等级植被覆盖为主转变，植被覆盖状况明显向好。

从三峡库区流域植被覆盖的时间维度变化来看（图2），2000～2020年，三峡库区流域82.55%的地区NDVI在改善，10.54%的地区在降低。其中，流域中东部山区，自然植被覆盖度呈现增加趋势，占流域面积的51.76%；而西部临江河、壁南河、嘉陵江、綦江、桃花溪以及东部的大宁河、香溪河、梅溪河等流域，特别是在重庆市城区、其他城镇建成区及周边植被覆盖度呈现下降趋势，占流域面积的24.81%。同时，库区淹没区及消落带由于植被减少，NDVI也有所降低。

2.3  生态系统服务演变

2.3.1  水源涵养服务

如图3所示，三峡库区内水源涵养服务在空间上显示为南低北高，存在明显的空间差异。近20 a来，三峡库区流域水源涵养服务呈现出向好增长趋势，整体提升80%以上；流域上游九畹溪、五步河流域水源涵养增加趋势最为显著，年均水源涵养量提升达到200 m3/a以上。库区中游流域水源涵养功能基本保持稳定，下游小江、梅溪河、汤溪河、大宁河等流域水源涵养量有所下降。

2.3.2  土壤保持服务

如图4所示，三峡库区整体土壤保持服务在空间上异质性较强，呈现为山地地区水土保持量大、平原地区小的空间格局，而重庆市所在子流域是三峡库区水土流失最为严重的区域。20 a来，流域56.23%的区域土壤保持服务呈现提升趋势，其中中游地区抱龙河、香溪河、九畹溪、神龙溪等流域平均土壤保持服务增加量达到4 000 t/（hm2·a）以上；29.7%的区域土壤保持服务基本保持稳定不变；仅壁南河、五步河、嘉陵江等14.07%的区域土壤保持服务有轻微退化趋势。

2.3.3  生物多样性维持服务

如图5所示，三峡库区流域从空间上呈现山地地区生物多样性维持服务较高，重庆市城市周边范围内生物多样性维持较低的格局。近20 a，92.58%以上的区域生物多样性维持服务保持稳定上升趋势，壤渡河、汝溪河、黄金河、小江等流域平均生境质量指数提升达到0.08以上；仅7.42%区域呈现轻微退化趋势，集中分布于嘉陵江、璧南河、桃花溪等流域。

2.3.4  碳固定服务

如图6所示，三峡库区流域固碳服务能力处于稳定的提升趋势，固碳量从2000年859.19 t/km2提升到2020年的1 058.86 t/km2，同比增长23.24%，流域34.76%区域明显改善和轻微改善，上游区域璧山区、北碚区、江津区、永川区、邻水县等区县森林固碳能力增长达到250 t/km2以上，碳汇功能显著提升；31.70%区域基本保持稳定，主要位于库区的中部地区（大竹县、邻水县、垫江县）；下游区域巴东县、神农架

林区、恩施市及重庆市渝中区、江北区、大渡口区等区域固碳服务有所下降。

2.4  生态系统稳定性演变

如图7所示，三峡库区流域生态系统稳定性空间异质性强，库区南部及东部区域指数水平显著较高，水生态系统相对完整、稳定，包括乌江、龙河、磨刀溪、大溪河、大宁河、香溪河等河流流域；而西部农田区域及长江岸带，尤其城镇建成区周边自然生态系统受到人类活动胁迫，稳定性较差。

如图7（d）所示，20 a来，库区流域生态系统稳定性变化显著。三峡库区流域中部小江流域、壤渡河、汝溪河、黄金河以及西部临江河、璧南河等流域生态系统稳定性在改善，占流域面积的31.69%；重庆市城区所在的子流域生态系统稳定性呈现下降趋势，占流域面积的6.45%；东部香溪河、神龙溪、良斗河、大宁河、大溪河等流域生态系统稳定性呈现轻微下降趋势，约占流域面积的24.27%；而流域中部龙溪河、磨刀溪、龙河等流域生态系统稳定基本能维持不变，占流域面积的37.59%。

3  讨 论

（1） 从三峡库区流域的生态系统格局、质量、服务和稳定性的演变可以看出，流域上游由于自然保护地和生态保护红线政策实施，森林与草地生态系统保护完整，连通性逐渐提升使得生物多样性保护较好。同时三峡库区坝首由于政府保护力度加大以及人员迁移、长江流域生态修复工程的实施促进上游自然区域森林、草地生态质量提升，使得水源涵养、土壤保持、固碳等服务提升。但是上游七曜山—方斗山山地区域仍然存在水土流失，导致生态系统稳定性较差；库区流域下游由于城市边缘逐渐向周边自然生态系统扩张，占用了郊区森林和耕地面积，城市建成区不透水地表面积大幅提升，造成了城市区域及周边地区水源涵养、生物多样性维持、水土保持、碳固定服务以及生态系统稳定性有所下降，重庆市所在子流域是三峡库区生态系统较为不稳定的区域。

（2） 值得关注的是，20 a间水资源开发利用使得库区流域水体面积增加了283.25 km2，其中，29个子流域水体面积均呈增长趋势，长江干流流域水体面积增加最多，为171.04 km2，其次是库区流域内綦江（綦江区）、壁南河（璧山县、江津区）、龙溪河（长寿区）以及御临河（长寿区）等子流域众多小水电、水库的蓄水水面增多。

由于三峡库区水体面积扩大，部分淹没河道旁边大面积植被和动物栖息地，加之存在临江开垦和侵占沿江湿地的情况，使得库区水生物多样性功能受到威胁，部分河岸植被质量下降，将有可能一定程度上造成河水对岸滩的侵蚀冲刷。

（3） 三峡库区流域生态系统整体的稳定性是保障流域安全与可持续发展的重要支撑。为保障与提升流域生态系统稳定性，建议在三峡库区七曜山—方斗山山地区域水土保持服务薄弱区域，实施流域水土流失综合治理，从而有效提升水土保持服务能力；在大娄山、大巴山等重要的生物多样性保护区域，加大生物栖息地保护、森林病虫害控制力度，促进森林健康状况与森林质量提升，以及生物多样性提升。在长江干支流岸边带以及小流域由于水资源开发的淹没区，调整湿地群落结构，提升植被质量，从而提升岸边带与消落区生境功能与水土保持能力；最后通过制定《三峡库区流域生态保护与管理条例》，将三峡库区流域划分小流域单元，按照“大流域统筹、子流域分区、差异化施策”的流域治理思路，做好“精准施治，一河一策”。

4  结 论

本研究对2000～2020年三峡库区流域生态系统的稳定性进行了深入分析，发现上游区域的生态稳定性相对较高，但整个流域的稳定性格局存在明显的分层现象。这种现象主要是由于上游地区的生态保护措施得到了较好的实施，而中下游地区的快速开发与保护之间缺乏有效协调所致。特别是在中下游的河岸缓冲带和农田城镇周边区域，由于人类活动的密集，生态系统稳定性受到了明显影响。

为了提升三峡库区整体的生态系统稳定性，保障流域的生态安全和实现可持续发展，有必要强化流域管理策略的差异化实施。这包括促进下游城市发展与中上游生态系统保护的协调一致，针对不同区域生态系统稳定性下降的具体问题，制定并执行有针对性的治理措施。通过这种分区域、多层次的治理策略，有效地弥补保护与开发之间的不平衡，增强整个三峡库区流域的生态系统稳定性，为长远的流域生态文明建设奠定坚实基础。

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（编辑：黄文晋）

Assessment of ecosystem stability evolution in Three Gorges Reservoir Basin

ZHANG Ping1，ZHANG Jin2，WENG Baisha3

（1.MWR General Institute of Water Resources and HydropowerPlanning and Design （GIWP），Beijing 100120，China;

2.Yichang Agricultural Comprehensive Law Enforcement Detachment，Yichang 443000，China;

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）

Abstract：

In the background of ecological civilization construction and the continuous advancement of the Yangtze River Economic Belt strategy，the quantitative assessment of the ecosystem of the Three Gorges Reservoir at the basin scale is the scientific basis for the formulation of ecological protection and restoration strategies in the reservoir area，and is of great significance to the future "natural-economic and social" sustainable development of the reservoir area.Based on multiple remote sensing images，we comprehensively used ecological models and statistical analysis to analyze the evolution trend of ecosystem pattern，quality，and service of the Three Gorges Reservoir Basin.The results indicated that：① From 2000 to 2020，the water body area in the Three Gorges Reservoir Basin increased by 283.25 km2，primarily converted from farmland，towns，and forests.② 64.5% of the watershed area demonstrates an increasing trend in both water and soil conservation，predominantly in the upper reaches.Conversely，there has been a decline in water conservation，biodiversity preservation，and carbon sequestration in the middle and lower sections of the basin，particularly near the city′s primary urban areas and their surrounding regions.Additionally，soil erosion is notably more severe in the mountainous zones of the basin′s lower reaches.③ The ecosystem stability in the reservoir area has shown signs of improvement.However，in the western farmland and Changjiang River riparian areas，human activities have led to a decline in stability.To enhance the ecosystem′s stability in the Three Gorges Reservoir Basin，it is recommended to adopt a basin management approach that emphasizes "large basin coordination，sub-basin zoning，and differentiated policy".This involves implementing precise interventions tailored to each river，namely enhancing the ecological quality of forests and grasslands in upstream natural areas，adjusting wetlands within the riparian zone，and improving the overall ecological quality of these wetlands.By modifying the structure of wetland communities in the riparian zone，we can boost the water conservation capacity of the upstream area，improve habitat functions in both the riparian and dropdown zones and bolster soil and water conservation capabilities.This will be an important direction for the stability of the ecosystem and the sustainable development of the Three Gorges Reservoir area in the future.

Key words：

ecosystem pattern; ecosystem quality; ecosystem services; ecosystem stability; protection and reservation; Three Gorges Reservoir Area