湖泊水生态功能分区研究

湖泊水生态功能分区研究1 引言湖泊流域是维系人类文明的重要淡水生境，主要由入湖河流、湖体和集水区内陆地生态系统组成，多重的栖息地环境为人类的生存和发展提供了淡水、矿产等丰富的资源，同时是流域物种多样性、气候调节、水土保持和污染控制的根本保证.我国湖泊总面积约 1200×104 hm2，占国土面积 0.8%，湖泊水质直接影响着我国整体水质状况，随着社会经济的飞速发展，城市化进程加快、工农业以及生活废水随意排放，致使湖泊水体遭受严重污染(孟平和马涛，2015).有效解决流域水环境和水质量的关键是要建立完整稳定的水生态系统，提高河道自身的净化能力(高永年和高俊峰，2010)，对不同的生态环境问题提出不同的相应解决对策，而水生态系统结构是水生态系统完整性的基础，也是区分不同区域生境特征与功能差异的重要指标，因此选用水生态系统结构特征指标作为湖泊流域水生态功能三级分区指标，可以更加准确精细地区分流域不同区域的特征，便于更有效的管理.水生态功能分区就是基于水生态系统的区域差异，以流域内不同尺度的水生态系统及其影响因素为研究对象，是流域水质目标管理的空间单元，是确定流域水环境基准、标准和总量控制及评价的基础(孙然好等，2013;王俭等，2013;马溪平等，2010)，也是实现流域水环境“分区、分类、分级、分期”管理目标的基础(孟伟等，2011).其最早由加拿大森林学家Orie Loucks在1962年提出，即具有相似生态系统或期待发挥相似生态功能的陆地及水域(Marshall et al., 1987).1980年代中期，美国环境保护署(USEPA)确立，水生态区就是具有相对同质的淡水生态系统或生物体，及其与环境相关的土地单元.基于土壤、自然植被、地形和土地利用4个区域性特征指标，对水生态区进行了区划(Omernik，1987)，以指导流域管理.随后世界各国根据本国国情逐渐开展淡水生态分区，例如：2000年欧盟水框架指令(WFD)首次发布了与管理政策相关的欧洲水生态区总体方案;2001年Unmack提出了澳大利亚“淡水鱼类生态地理省区划”(Unmack，2001)等等.我国对水生态功能分区的研究，以孟伟等提出建立我国水生态分区体系为起点，对水生态类型和分区理论和方法，进行了一系列的研究和实践(孟伟等， 2007，2013).2008年启动的有关流域水生态功能分区的研究课题，是“国家水体污染控制与治理科技重大专项”中的重要内容，并取得了初步的成果，为今后进一步研究综合流域管理奠定了基础.目前流域水生态功能分区的研究，主要集中在以区分自然因素与人类活动为目的的大中尺度分区.这些工作主要集中在辽河(孟伟等，2007;李法云等，2012;刘素平，2011)、海河(孙然好等，2013)、太子河(张楠等，2013)以及太湖(高永年和高俊峰，2010)等流域，建立的分区指标主要是反映水生态系统的自然背景空间异质性，如地貌、气候、植被、水文、土地利用等因子，这些工作为国家流域的水生态功能分区研究奠定了基础，同时为流域的管理提供了技术框架与指导.随着国家对水系管理的深化和细化，需要对各流域内不同区域的水生态系统特征和功能进行识别、区分，对不同功能区进行分类，为制定流域生态系统管理目标，提供基础技术支持.对于以区分水生态系统结构和功能特征差异为目的的分区研究，有研究者针对辽河流域进行了研究和实践(刘素平，2011;龚磊等，2012;万峻等，2013)，研究基于水体生态过程特征如水生生物种群结构、水生生境特征等建立了分区指标体系(刘素平，2011).对于该尺度的湖泊流域水生态功能分区，有高永年等(高永年等，2012)在太湖流域进行了研究和实践.研究以太湖流域为对象，针对流域水生态系统的层次结构特征和管理需求，以体现太湖流域水生态功能空间差异的目的进行了三级分区，虽然分区指标考虑到了太湖流域特点以及水生态系统结构特征，如叶绿素含量、底栖动物多样性指数、水生境类别、水体流速等，但只是部分反映了湖泊水生态系统结构特征，缺少基本的河道特征、化学指标等.而且分区指标中，生物指标占比重偏大，对于污染程度较高，水生态系统破坏较高的湖泊，不具有适用性.因此，对于高原浅水且生态系统退化比较严重的湖泊，如滇池，需要针对该类湖泊流域特征，研究其水生态功能三级分区指标体系，并通过具体实践校验其方法的科学性与可行性.因此，本文拟以滇池流域为例，在前期一二级分区基础上(高喆等，2015)，研究滇池湖泊流域的水生态功能三级分区理论和方法，为占我国湖泊面积1.3%(于洋等，2010)的高原湖泊水生态管理，提供技术支持.2 滇池流域概况与一二级分区结果滇池流域位于云贵高原中部，为南北长、东西窄的湖盆地，地处长江、红河、珠江三大水系分水岭地带，西有横断山脉，东临滇东高原，北临乌蒙山、梁王山，介于北纬24°29′～25°28′，东经102°29′～103°01′之间，总面积为2920 km2.滇池属于长江流域金沙江水系，为断陷构造湖泊，湖面面积约为300 km2，是云贵高原湖面最大的淡水湖泊.入滇池水系有12个，主要入湖河流29条，呈向心状流入滇池，只有西园隧道一个出水口，是典型高原湖泊.滇池自1996 年修建了船闸后就被分割为既相互联系，又几乎互不交换的草海、外海两部分.在本研究组的前期工作中(高喆等，2015)，滇池流域已划分为5个一级与10个二级水生态功能区(图 1).一级功能区，主要表示了流域不同区域的自然地理差异，从气象、水文、地形、土壤植被4个方面来考虑区划指标的选择，选取多年年均降水量、多年年均干燥度、高程、坡度、土壤类型、植被覆盖指数(NDVI)、河网密度、湖库率作为一级分区的备选指标.对备选指标进行相关性分析和空间异质性分析，最终确定滇池流域水生态功能一级分区指标，即平均高程、湖库率、植被覆盖指数(NDVI).二级功能区在自然因素差异的基础上，主要表述了人类干扰活动差异，考虑土地利用方式和社会经济条件，反映人类活动的影响，选取农田百分比、农村城市建设用地百分比、人口密度、单位土地GDP作为二级分区的备选指标.对备选指标进行相关性分析和空间异质性分析，最终确定滇池流域水生态功能二级分区指标为农田百分比、农村城市建设用地百分比、人口密度.一、二级水生态功能分区是大、中尺度范围的分区(唐涛和蔡庆华，2010)，主要从驱动因子考虑;三级功能区则是更精细化的较小尺度分区，主要从水生态系统结构的表征因子出发，区分不同区域间的生境差异.滇池流域水生态功能一级到三级的分区定位从生态区到生态亚区再到生态子区，区域范围逐渐缩小，区域功能更加具体明晰，特别是二级分区到三级分区完成了分区因子从单纯的陆域驱动因素到水体表征因素的过渡，实现了分区水陆完整性的综合考量，便于更精细化地管理.图1 滇池流域水生态功能一级与二级分区图3 数据与方法3.1 分区目的与原则水生态功能分区的基本目的是揭示流域水生态系统的层次结构与空间特征差异，为水生态系统差别化管理和水质目标管理提供支撑，进而为实现流域水生态健康服务(高永年等，2012).滇池流域水生态功能三级分区，以反映流域水生态系统功能空间差异性为目的，通过水生态系统的结构差异性反应其功能的差异性.三级分区在二级分区的基础上进行进一步细化，同时考虑到陆地与水体生态系统结构特征的差异性，对滇池流域陆域与湖体分别进行分区，并以水生态系统结构的完整性为基础.因此，滇池流域水生态功能三级分区主要应遵循以下原则：(1)分区基本单元细化到支流;(2)源汇分开：陆域与湖体针对各自特点采用不同的分区指标体系;(3)考虑水文结构和生态系统的完整性;(4)一致性：合并分区基本单元时应遵循具有相同结构和功能的河段向上合并.3.2 分区基本单元划分的理论基础和方法分区单元是水生态功能分区的基础，分区指标空间化是基于分区单元进行的，所以分区单元的确定对于滇池流域水生态功能三级分区至关重要.湖泊流域主要由陆域与湖泊两大生态系统构成，不同的生态系统具有各自的特点.滇池陆域干支流交错，构成河网体系，将陆地生态系统中的物质，通过水文过程，输入到湖体;而湖泊水体在集水区下游，相当于一个大型水库，承接陆源物质.基于陆域集水区与湖泊水体完整性的理论基础，以细化到三级支流的子流域为数据基础，划分分区单元(图 2).图2 滇池流域水生态功能三级陆域与湖体分区单元河流子流域的提取利用水文分析软件进行，其原理是基于地形起伏提取汇水区.本研究基于1 ∶ 50000的DEM数据，结合流域水系矢量数据，利用ArcGIS的Hydrology模块进行水文分析，将滇池流域水系划分为144个汇水区.滇池湖体是一个完整的水生态系统，没有天然的分区单元基础.利用ArcGIS中的Create Fishnet工具，直接对其进行小单元区域划分，根据最优选择，将其划分为500 m×500 m的格里网作为湖体三级分区的基本单元，最后滇池湖体共划分为1339个分区单元.3.3 分区指标体系构建滇池流域水生态功能三级分区目的，是通过识别流域水生态系统功能空间差异性，对全流域分区，并通过水生态系统的结构差异性反应其功能的差异性，为水生态系统健康管理目标的制定，提供技术支持.流域水生态系统由河道、河床、堤岸、水体水文、水化学质量、水生物群落等构成，其结构的稳定与完整性状态，与水生态系统功能的稳定与完整性息息相关.在水生态系统的河道、水文等水文形貌特征，水质等化学结构特征和生物群落特征，决定了水生态系统的生物栖息地特征，其特征要素是水生态系统完整性的基础.因此，在三级分区中，将以维持水生态系统稳定性基础的栖息地生境要素作为指标选择范围.影响生态系统稳定的生境要素主要有地形地貌、土地利用、社会经济、河道物理特征、水体化学特征、水利工程等，三级水生态功能分区以反映水生态系统结构差异性为主要目的，在指标选取上需要体现水生态系统物理完整性、化学完整性和生物完整性的生境要素;根据不同生境要素特点及滇池流域特征，确定各类生境要素备选指标为：①反映河道水文地貌的指标：河道坡降、蜿蜒度、河道基质、渠道化特征、河流等级、河流连接度、流量以及流速;②反映水化学状态的指标：营养盐指标(TP、TN、NH3-N);③反映生物特征的指标：叶绿素a含量、藻毒素含量、藻类SHDI、底栖SHDI.表1 水生态系统生境要素指标描述基于所选生境要素指标，结合各指标的空间差异性与数据可得性选出渠道化特征、藻类SHDI、底栖SHDI、NH3-N、TN、TP、蜿蜒度和坡降作为陆域水生态功能三级分区的备选指标.选出TN、TP、NH3-N、藻毒素、藻类SHDI、Chla(叶绿素a)作为三级湖体水生态功能分区的备选指标.基于因子分析，辨识表征滇池流域入湖河流与湖体水环境状况的主导因子，筛选出能够表征水生态系统结构差异性的主导因子作为最终分区指标(表 2).表2 滇池流域三级水生态功能分区指标体系其中，营养盐指标与叶绿素a为实测采样数据，样品采集和保存依据《水和废水监测分析方法(第4版)》(国家环境保护总局，2002a)进行，样品测定依据《中华人民共和国地表水环境质量标准(GB3838—2002)》(国家环境保护总局，2002b)进行，二者均由云南省昆明市环境监测中心完成;藻毒素与叶绿素a含量为野外采集水样经过简单预处理后，在实验室测定所得.蜿蜒度是通过ArcGIS 10.1软件，利用Analysis Tools中Overlay的Intersect功能统计各子流域内的河段长度，并计算其与该河段的直线距离比值而得到;坡降是基于流域1：50000 DEM 数据，在ArcGIS 10.1中，提取子流域河段上游入流域点与下游出流域点的高程值，两点高差与该河段水平距离的比值即为河道坡降.渠道化特征为河道纯物理特征，同时考虑底质状态，通过专家打分法量化其特征.具体方法为：将流域内的河流渠道化特征进行综合评定打分，分成5级(0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8，0.8～1.0)，上游河道维持自然状态，未经过渠道化处理，可打分0.8～1.0之间;下游城市河流三面光，无底泥，水质差，多数排污河，可打分0～0.2之间，其它等级根据实际情况进行评定.底栖动物与藻类的Shannon-weaver多样性指数(SHDI)均是通过实际野外采样获取底栖动物与藻类样品，后期经实验室鉴定分类，基于香农多样性指数计算公式而得到.3.4 分区结果确定分区指标确定后，对指标数据进行归一化处理，并通过熵权法确定各指标权重因子.熵权法是以一种基于各项指标观测值提供的信息量来确定指标权重的方法，能够客观实际地评价指标因子重要程度.熵是系统无序程度的一个度量，指标的信息熵越小表示该指标提供的信息量越大，在综合评价中所起作用越大，权重越高(陈瑞等，2012).以各分区指标数据为列向量，构造i×j 的矩阵(马文丽等，2011;迟国泰等，2008)，由公式(1)计算第j个指标第i个测值的特征比重(pij);根据公式(2)由特征比重计算得到各指标的熵值;最后根据公式(3)确定得到各指标权重(表 3).表3 分区指标权重因子从权重因子可看出，蜿蜒度占据了滇池流域陆域三级分区指标体系的主导地位，这是因为相对于渠道化形成的顺直河流，自然弯曲河流对河流物理形态、水文、水化以及水生生物群落等方面的影响存在较大的差异性(赵军等，2011).蜿蜒度可影响河水泛滥过程(马宗伟等，2005)，进而影响河道形态，形成多样的河流生境条件，增加生物多样性(徐彩彩等，2014)，对水生态系统结构的形成中具有明显的影响作用.得到各指标权重因子后，在每个分区单元范围内，对各项分区指标进行加权求和，得到各分区单元的指标综合值，之后利用ArcGIS10.1软件对分区单元综合值进行聚类分级，最后经边界调整后得到滇池流域水生态功能三级分区结果.4 结果与分析4.1 分区方案滇池流域水生态功能三级分区共划分为20个陆域三级区和4个湖体三级区(图 3).命名原则为：地名+河流/水库名称+主要土地利用类型+河道特征+主体功能区.分区主体功能是指分区中生态系统所表现出的最明显的水生态服务功能类型，是基于生态系统过程和人类发展需求而定的(Costanza，2008).确定各分区的主体功能便于管理者更好地了解各分区生态系统功能特点，从而为水生态保护目标提供支撑.为揭示流域陆地背景对河段水体各类属性的支持和保障功能，滇池流域三级分区确定主体功能为生境维持、水质调节、水源涵养、社会承载与生物多样性维持5类(万峻等，2013).图3 滇池流域水生态功能三级分区图表4 滇池流域水生态功能三级分区特征从空间分布来看，滇池流域各三级区主体功能存在较大的差异性.对于陆域而言，位于滇池流域上游三级区(如：LGI1-1、LGI1-2、LGI1-3区)多表现为以水质调节与水源涵养为主体功能，;环滇池区域的三级区(如：LGIII1-1、LGIII1-4、LGIII2-1区)主要表现为社会承载功能;位于滇池流域东部(如：LGIII3-1、LGIII3-2区)的三级区，由于林地面积比例与植被覆盖度较高，以生境维持与水源涵养功能为主体功能.对于滇池湖体来说，草海区以生物多样性维持功能为主体功能，外海区多以水质调节与生物多样性维持功能为主体功能.4.2 合理性评价滇池流域水生态功能三级分区的目的是反映流域水生态系统结构的空间差异性，而结构的差异性可通过生物的群落特征来体现.对中国的多数流域来说，比较适宜采用分布广泛、适应性较强的着生藻类和底栖动物进行验证(高喆等，2015).故为验证三级分区结果的科学性与合理性，采用底栖动物与藻类的Shannon-weaver多样性指数对三级分区结果从定量与定性两个角度进行分析与校正.4.2.1 陆域分区结果检验滇池流域陆域各区着生藻与底栖动物的Shannon-weaver多样性指数对比情况如图 4所示.从图 4看出，着生藻Shannon-weaver多样性指数在滇池流域变化趋势大致为中部(LGIII1-1、LGIII1-2、LGIII1-3、LGIII1-4、LGIII2-1、LGIII2-2、LGIII2-3、LGIII3-1、LGIII3-2)较高，南北部较低，LGIII3-1三级水生态功能区着生藻Shannon-weaver多样性指数最高，LGIII1-2、LGIII2-1三级水生态功能区次之，LGI2-2三级水生态功能区最低;而底栖动物Shannon-weaver 多样性指数空间分布为，在滇池流域变化趋势为南北部较高，中部较低，其中LGI1-3三级水生态功能区底栖动物Shannon-weaver多样性指数最高，LGI1-2与LGI2-1三级水生态功能区次之，LGIII3-1三级水生态功能区最低.图4 滇池陆域着生藻与底栖动物Shannon-weaver多样性指数比对分析此外，滇池流域陆域各三级区种类分布也存在着较大差异，底栖清洁种多分布于滇池流域上游区，其中球形无齿蚌主要集中在LGI1-1、LGI1-2、LGI1-3、LGI2-2等三级水生态功能区，米虾集中在LGI21三级水生态功能区，背角无齿蚌集中在LGIII1-4等三级水生态功能区，球蚬集中在LGIII1-2等三级水生态功能区中;下游区分布较少，只有LGIII2-2等少数几个三级水生态功能区有分布，且多为球形无齿蚌.综上，不难看出，各陆域三级水生态功能区之间在种类数与种类分布上具有明显的差异性，而同一二级区中的三级区又存在着一定的相似性，故符合三级分区结果.4.2.2 湖体分区结果检验滇池流域湖体各区浮游藻与底栖动物的Shannon-weaver多样性指数对比情况如图 5所示.从图中看出，滇池湖体草海区(LGIV1)浮游藻Shannon-weaver多样性指数较高，外海区(LGIV2-1、LGIV2-2与LGIV2-3)较低，其中外海区中LGIV2-2三级生态功能区浮游藻Shannon-weaver多样性指数较高.而湖体底栖动物Shannon-weaver多样性指数空间分布为，外海区较高，草海区较低，外海区中LGIV2-1三级水生态功能区底栖动物Shannon-weaver多样性指数较高.图5 滇池湖体浮游藻与底栖动物Shannon-weaver多样性指数比对分析综上，滇池湖体各三级水生态功能区之间浮游藻与底栖动物的Shannon-weaver多样性指数存在明显的差异性，而同一二级区中的三级区又存在着一定的相似性，符合湖体三级分区结果.相较于已有的流域水生态功能三级分区研究，本研究的方法与结果同样具有一定合理性.如龚磊等在对东辽河流域进行水生态功能三级分区时，在对相应流域的水生态水环境特征监测基础上，也是运用地理信息系统空间分析和主成分分析等数学方法，提出了流域的三级水生态功能分区方案，并用底栖无脊椎动物的相关指标进行聚类分析证明其合理性(龚磊等，2012).高永年等则以体现太湖流域水生态功能空间差异的目的，基于“基本分类单元确定-各级分类指标空间离散-二阶空间聚类-人工辅助归类-分区特征描述及合理性分析”的技术路线对太湖流域进行了三级分区(高永年等，2012).本研究结合滇池流域特征，借鉴已有研究方法的基础上，并进行了一定创新，如利用熵权法确定权重，结合藻类与底栖相关指标共同进行分区合理性校验等，加强了分区方法的科学性和分区结果的可靠性.具体参见污水宝商城资料或更多相关技术文档。