基于GIS的洞庭湖區生態系統健康評價

張哲，潘英姿* ，陳晨，2，王維，劉軍會，劉孝富，趙興征，3

1.中國環境科學研究院，北京 100012

2.湖南科技大學，湖南湘潭 411201

3.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085

生態系統健康是生態系統結構、功能和恢復力等特征的綜合反映，體現了其穩定性和可持續性。1941年，Aldo Leopold首次提出了土地健康(land health)的定義，其所說的“land”指的就是整個生態系統［1］。20世紀80年代，Rapport論述了生態系統健康(ecosystem health)的內涵［2］，并指出生態系統健康與生態服務功能、人類自身健康、人類活動之間的相互關系［3］。隨著生態系統健康研究的不斷深入，許多學者針對森林、草地、農田、河湖濕地等不同類型的生態系統開展了健康評價研究［4-10］。由于生態系統類型復雜多樣，影響因素眾多，不同區域或類型的生態系統具有差異性和動態變化特征，因此，生態系統健康評價的方法及指標體系沒有統一，評價結果可比性較差［11］。

流域是生態水文過程以及物質循環和能量、信息流動相對完整的地域單元，以流域單元開展生態系統健康評價越來越得到相關領域專家和學者的認可。GIS技術的日趨成熟與實用化，也為海量數據的空間處理提供了有力的工具，成為生態系統健康評價研究的重要技術支撐。Marcia等［12］基于遙感衛星數據利用GIS技術分析了土地覆蓋與小流域健康等級的關系;Frimpong等［13］利用回歸分析與模型擬合分析了流域尺度的土地利用、岸邊帶地形地貌、水文特征以及河段底質等生境因子與河流健康的重要影響關系。目前，大多數以流域為單元的生態系統健康評價鮮有考慮不同空間范圍生態系統結構與功能的差異，以及人類活動產生的污染物從陸源到岸帶傳輸并最終在河湖匯集的生態過程。

洞庭湖區以湖泊濕地生態系統為主，在調節徑流、凈化水質、調節小氣候、提供動植物棲息地和維持區域的生態平衡等方面發揮著不可替代的作用［14］。近年來，由于自然以及人類活動影響，洞庭湖區水體污染加重，濕地面積逐年萎縮，生態功能退化，威脅洞庭湖區的生態系統健康。筆者利用遙感影像、實地調研和社會統計等多源數據，將洞庭湖區劃分為陸域、岸邊帶和水域三部分，以子流域為評價單元，構建指標體系，采用多指標的綜合指數模型法，開展生態系統健康評價，探討以流域單元開展生態系統健康評價研究的技術方法和指標體系，以期為洞庭湖區生態系統保護和恢復治理提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

選取的洞庭湖區包括湖南省境內被洞庭湖周邊200 km以內低山丘陵包圍所形成相對完整的流域單元。地理位置為 28°13'N ～29°51'N，111°13'E ～113°45'E，涉及岳陽、益陽、常德、長沙和大庸五市的25個縣級區劃單元，總面積25597.21 km2(圖1)。研究區屬亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，降水充沛。地形中部低，東、西、南面高，呈淺碟狀盆地，地貌類型豐富多樣。河網密集，河湖濕地約占總面積的19.2%。

圖1 研究區的地理范圍示意圖Fig.1 Study region

1.2 數據來源

遙感影像，Landsat-5衛星的TM遙感影像五幅(2008年);數字高程，比例尺為1∶25萬的 DEM數據;河流水系矢量數據，1∶25萬;居民點及縣級區劃基礎信息數據，1∶400萬;土壤侵蝕類型及分布矢量數據;水文監測數據和統計資料。

2 研究方法

2.1 評價單元與評價對象劃分

2.1.1 陸域－岸邊帶－水域的劃分依據

流域通常是指由分水嶺所包圍的地表水集水區域，是具有明確邊界的水文單元，其在降水與地表徑流的生態過程是相對封閉的［15-16］。以流域作為基本單元開展生態系統健康評價，是對流域單元內部的生態系統整體的活力、組織結構以及恢復力等特征進行健康狀況的綜合分析。與其他評價單元的不同之處在于流域是由河網水系作為廊道，將陸域、岸邊帶和水域相連接而構成的相對獨立和完整的集水區域，其生態系統健康受到陸域、岸邊帶和水域健康狀況的不同程度影響。

以洞庭湖區的集水盆或支流(即子流域)為基本評價單元，依據生態系統的物理結構、群落組成以及主導生態服務功能和影響因素的不同，將評價對象劃分為陸域、岸邊帶和水域三部分，采用不同指標進行生態系統健康評價。陸域-岸邊帶-水域是源與匯的生態過程，陸域的人類活動產生大量污染物，污染物經過岸邊帶的阻納和凈化后進入河湖等水域，在此過程中三部分的生態系統組成結構、主要功能和驅動因素各有不同。陸域部分的健康狀況很大程度取決于土地利用方式;岸邊帶的健康狀況主要受植被類型和植被覆蓋度及連續性等影響;水域健康狀況則需考慮河道物理環境、水質、水量和水生生物等因素。進行評價對象劃分的優點:1)能夠突出陸域、岸邊帶和水域不同組分結構、功能和變化過程的差異，反映流域單元生態系統在受到污染脅迫，污染物從陸源到岸邊帶運移最終在水域匯集的自凈和降解生態過程;2)能夠展示研究區內部生態系統健康優劣的空間分布差異規律，有針對性地診斷洞庭湖區“健康”或“不健康”的主導因子或限制性因子，從而確定優先治理和預防的區域及對象，比單純整體評價更具有針對性和實用性。

2.1.2 陸域－岸邊帶－水域的劃分過程

根據洞庭湖自身的演變過程和多主干支流的特點，利用數字高程DEM數據結合河流水系數據，通過ArcGIS 9.3的Hydrology模塊進行流域的自動提取及歸并，劃分子流域基本評價單元。進行TM遙感影像的幾何校正和圖像拼接、鑲嵌等預處理過程，之后采用最大似然法(maximum likelihood classification，MLC)進行研究區生態系統的監督分類［17］。參考生態系統分類結果結合水文監測資料以及實地調研進行陸域、岸邊帶和水域的劃分，技術流程見圖2。

圖2 陸域－岸邊帶－水域劃分的技術流程Fig.2 Technology process of dividing terrestrial-riparian-aquatic

水域的劃分是根據生態系統遙感分類結果進行河流水域的提取獲得。其中，研究區的所有水體均被包括在內，部分遠離湖體且面積較小的水體歸入岸邊帶或陸域生態系統，因此，對水體提取的結果進行調整，將遠離湖體且面積小于2 km2的水體去除，從而得到水域生態系統的研究范圍;洞庭湖湖體周邊人工堤壩明顯，因此，結合堤壩的范圍確定岸邊帶界線。首先運用研究區常年平均水位、最高洪水位等水文監測數據，以及洪枯兩期遙感影像數據，疊加分析，初步獲取岸邊帶的范圍，然后提取除水體以外的濕地生態系統，結合初步獲取的岸邊帶范圍和人工堤壩邊界，界定岸邊帶生態系統的范圍;除水域和岸邊帶之外的研究區域為陸域范圍。

2.2 評價指標選取及權重賦值

依據洞庭湖區陸域、岸邊帶和水域三部分生態結構、功能和驅動因子的差異，從生態系統的物理、化學和生物完整性出發，構建指標體系進行生態系統健康評價。

陸域生態系統健康狀況從土地因子、生物因子和污染脅迫因子三方面進行評價。土地因子采用土地利用強度和土壤侵蝕強度評價，土地利用強度表示人類活動對流域生態系統的干擾程度，土壤侵蝕強度說明水土流失的狀況，反映了陸域生態系統結構穩定性;生物因子反映陸域生物多樣性以及生態系統的生產力狀況，利用生物豐度指數和植被平均覆蓋度表示;污染脅迫因子利用反映農業面源污染程度的單位面積化肥施用量來表示，以反映人類活動對陸域范圍造成的污染脅迫狀況。

岸邊帶是一個具有陸域和水域雙重屬性的復合生態系統，在空間區域上具有橫向和縱向的連接功能［18-20］。來自陸域的污染源隨地表徑流穿過岸邊帶匯入河流水域，岸邊帶對其起到過濾和降解的作用，是河流水域的一道天然保護屏障。對岸邊帶生態系統的健康狀況從其結構穩定性和功能完整性兩方面進行診斷，主要利用岸邊帶類型、景觀破碎度、面積比例和植被覆蓋度等對岸邊帶結構和功能具有重要作用的指標來評價。

水域生態系統中，水質狀況提供了第一手的河流環境信息，是水域健康評價的重要指標之一。河流邊緣的自然植被阻滯污染物的能力較強，具有調節水溫，影響生物生長和新陳代謝的作用，自然植被河段的比例高，則水域生態系統更健康［16］。除此之外，水域健康也包括水生生物的完整性，但我國僅在少數的河流進行過水生生物調查，通常難以獲取該指標的相關資料。葉綠素a是水域綠色植物葉綠體的重要組成，標志著藻類的生長狀況，是浮游植物分布的指示劑，表示初級生產力水平［21］。因此，以葉綠素a濃度來反映水域的生物狀況。水域生態系統健康狀況利用表征物理結構的自然植被河段比率、反映水域化學組分的水環境質量指數和反映水域生物狀況的葉綠素a濃度作為評價指標。

指標權重的合理與否直接關系到評估結果的科學性。利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)結合專家打分完成指標權重的確定。層次分析法是基于系統層次性原理建立起來的。由于層次分析法將指標定量化，客觀地反映地理現象，應用比較廣泛［22-23］。首先，通過利用各因素間的相互關系分解成若干層，分別將兩兩因子逐個比較，確定不同層次各元素重要性的優先順序并給予定量表示。就流域生態健康而言，水域健康狀況最為重要，陸域其次。參考相關文獻，并邀請十多位生態、水環境與遙感等相關領域專家進行會議咨詢，進行權重咨詢與修訂，最終，三者的權重賦值為水域(0.5)＞陸域(0.35)＞岸邊帶(0.15)。按相同方法依次確定各級因素的權重，之后進行一致性檢驗，CR=0.004，通過檢驗。洞庭湖區生態系統健康評價指標體系及其權重見圖3。

圖3 洞庭湖區生態系統健康評價的指標體系及權重Fig.3 The index of ecosystem health in Dongting Lake area

2.3 評價方法

采用被廣泛應用且層次性比較清晰的多指標綜合指數評價模型，將各評價指標進行權重疊加求和分析，得到洞庭湖區生態系統健康綜合指數(HI)。計算公式:

式中，Hi為第i項指標健康分值;ωi為第i項指標權重。

2.4 評價標準及分級

由于指標體系中評價指標類型多樣，量綱也有差異，評價指標數值的高低往往是一個籠統或模糊的概念，很難對它們的實際數值直接進行加權求和以比較分析。因此，采用極差標準化法，對各指標進行量綱統一，取值設定在0～10。

根據洞庭湖區健康綜合指數分值大小，按健康綜合指數分值0～2，2～4，4～6，6～8，8～10將評價結果劃分為差、較差、一般、良好和優秀五級。

3 結果分析

3.1 洞庭湖區基本評價單元特征

將洞庭湖區共劃分為12個子流域，即基本評價單元。中心的主體部分劃分為東、南、西洞庭湖以及大通湖四個子流域，周邊按照入湖水系的支流名稱，依次劃分為新墻河、汨羅江、湘江、資水、沅水、澧水子流域。除此以外，還包括北部的三口水系和長江南岸子流域(表1)。其中沅水子流域面積最大，為4558.53 km2，占總面積的17.81%;西洞庭湖子流域面積最小，為755.59 km2，占總面積的2.95%。

沅水和澧水子流域農田生態系統面積較大，分別為2353.9和1983.3 km2，約占農田總面積的19%和16%;林草地生態系統在澧水和新墻河子流域分布較廣，面積分別為1398.8和1328.3 km2，占林草地總面積的20%和19%;濕地生態系統主要分布于東洞庭湖和南洞庭湖子流域，面積分別為1410.8和742.6 km2，二者面積之和占濕地總面積的44%;城鎮人工生態系統則主要分布在沅水和資水子流域，面積分別為257.3和126.5 km2。

表1 洞庭湖區的子流域評價單元及其生態系統類型Table 1 Area of the ecosystem types in each sub-watershed

3.2 洞庭湖區陸域－岸邊帶－水域的特征

各子流域陸域面積相差較大，沅水子流域的陸域面積是西洞庭湖子流域的10倍左右。大部分子流域的陸域以農田為主要生態系統，僅有新墻河和資水子流域以林草生態系統為主。陸域生態系統類型總面積從大到小依次排序為水田、森林和旱地生態系統，面積分別為9057.60，6440.05和3627.79 km2。

各子流域岸邊帶面積均較小，面積大于500 km2的僅有東洞庭湖子流域，生態系統以蘆葦濕地為主，面積為1056.28 km2，約占總面積的47%。蘆葦濕地被人為建立的運輸河道所分割，破碎化明顯，對岸邊帶健康造成威脅。此外，岸邊帶還包括草灘、泥灘濕地以及護岸林等，護岸林以人為種植的楊樹為主。

水域面積相差較小，平均面積為196.90 km2，沅水子流域水域面積最大，為418.84 km2，面積最小的是新墻河子流域，為50.75 km2。水域主要由東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖湖體及其支流水系構成，各支流由四周匯入中北部的湖泊，使得水域呈向心狀分布，中北部的南洞庭湖和東洞庭湖子流域水域占總面積的30%左右。

洞庭湖區的陸域面積為20966.96 km2，占總面積的82%，岸邊帶和水域面積相差不大，分別為2362.86和2267.38 km2，均約占研究區的9%。各子流域的陸域、岸邊帶和水域相比較，除南洞庭湖子流域外，其他子流域陸域面積均大于岸邊帶。岸邊帶與水域相比，除東洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖子流域外，其他子流域的岸邊帶面積均小于水域(圖4)。

圖4 洞庭湖區各子流域陸域－岸邊帶－水域對比Fig.4 Area chart of terrestrial-riparian-aquatic in Dongting Lake area

3.3 洞庭湖區生態系統健康評價

3.3.1 洞庭湖區綜合健康狀況

總體來看，各子流域生態系統健康綜合指數為3～8，健康狀況多屬一般或良好。健康等級良好的占總面積17.1%，等級一般的占79.4%，等級較差的占3.5%。健康等級良好的包括南洞庭湖、西洞庭湖和新墻河，健康綜合指數大于6。等級為較差的僅有大通湖子流域(表2和圖5)。

表2 洞庭湖區生態系統健康等級統計Table 2 Level of health conditions statistics in Dongting Lake area

圖5 生態系統健康評價結果Fig.5 Result of ecosystem health assessment

從空間區域分析，中心的洞庭湖主湖區、東北部的新墻河和南部資水子流域健康狀況相對較好，西北和東南區域健康狀況較差。陸域、岸邊帶和水域三部分健康狀況比較而言，洞庭湖區的陸域平均健康狀況好于岸邊帶和水域，岸邊帶的總體健康狀況最差。

3.3.2 陸域健康狀況

陸域健康指數大部分為4～6，健康狀況屬一般。城鎮和工礦交通用地占陸域面積的4.12%，農田約占陸域面積的50%，農業化肥農藥施用造成的面源污染較嚴重，人類農業活動以及城市化發展是威脅陸域健康狀況的主要因素。土壤侵蝕強度為中度及以上程度的面積占6.40%，以周邊的丘陵山地為主要分布區域。

健康狀況較差的是三口水系子流域(圖6)，其植被覆蓋度相對較差，生態系統以農田為主，約占其陸域面積的71%，人為干擾劇烈，土地利用強度大。因此，三口水系子流域需積極開展陸域生態系統的植被恢復，進行植樹造林，增加植被覆蓋面積，減少人為干擾強度。嚴格控制農業化肥施用量以及河湖周邊畜禽養殖的規模，防止面源污染對河湖生態系統帶來威脅。新墻河、資水和南洞庭湖子流域自然植被覆蓋度高，城鎮居民用地面積比例小，人類活動干擾較小，陸域健康狀況相對較好，然而，新墻河子流域坡度大于15°的區域占其陸域面積的32.86%，中度及以上程度土壤侵蝕面積占其陸域總面積的17%，土壤侵蝕強度最大，水土流失主要發生在海拔500 m以下植被稀疏的丘陵和山地，重點要防止水土流失，積極開展生物多樣性的保護工作。

圖6 陸域生態系統健康評價結果Fig.6 Result of terrestrial ecosystem health assessment

3.3.3 岸邊帶健康狀況

各子流域岸邊帶的健康指數為1～8，健康狀況差異較大。健康狀態良好的有東洞庭湖、南洞庭湖和澧水子流域(圖7)，約為總面積的30%，健康狀態最差的為大通湖子流域，健康指數僅為1.04。

岸邊帶健康指數的差異主要是由于岸邊帶的面積比例以及類型不同所引起。大通湖子流域生態系統主體為湖泊，岸邊帶的面積比例很小且植被覆蓋度較差，景觀破碎度較大，岸邊帶健康狀況差;東洞庭湖子流域岸邊帶的分布面積較大，約為總面積的44%，生態系統類型以蘆葦和草灘地為主，岸邊帶的健康指數分值較高，岸邊帶的健康狀況較好。針對大通湖的岸邊帶健康狀況，需進一步加快大通湖子流域退田還湖進度，減少人為干擾強度，積極開展岸邊帶草灘或護岸林的恢復，加大其岸邊帶的建設與治理。

圖7 岸邊帶生態系統健康評價結果Fig.7 Result of riparian ecosystem health assessment

3.3.4 水域健康狀況

水域健康狀況總體良好，健康指數多數高于4。其中，新墻河和資水子流域水域生態系統健康狀況相對較好，大通湖子流域健康狀況最差，其他子流域的水域健康狀況居中(圖8)。大通湖自然河段面積比例僅為2%，新墻河子流域自然河段面積比例為58%，約為大通湖的30倍。有關部門需開展大通湖湖岸整治工程，恢復沿湖的水生植被，增加沿湖植被連續性，提高截污自凈能力。水質監測結果顯示，湘江子流域南部受到重金屬污染，水質較差，長沙市的瀏陽河段出現劣Ⅴ類水質，研究區的湘江子流域位于瀏陽河段下游，因此嚴重影響其水域健康狀況。需加大對湘江水系的水質監測，對湘江水系附近的造紙業、化工廠以及重金屬行業的污水處理進行監督，保障湘江子流域沿岸居民的飲用水安全。

圖8 水域生態系統健康評價結果Fig.8 Result of aquatic ecosystem health assessment

4 結論與討論

(1)以流域為單元開展生態系統健康評價已得到了專家和學者的認可，流域單元劃分陸域、岸邊帶和水域三部分，突出了流域單元的生態系統差異性，并體現了陸源到岸邊帶傳輸水域匯集的生態過程。按照陸域、岸邊帶和水域三部分，依據生態特征的差異分別選取不同的評價指標:陸域評價指標依據土地因子、生物因子和污染脅迫因子三方面選取;岸邊帶從結構和功能兩方面構建評價指標;水域生態系統健康指標主要從物理結構、化學組分及生物狀況三方面選取。指標體系的選取較客觀地體現了洞庭湖區生態系統健康狀況，突出反映了洞庭湖區生態系統健康狀況的空間分布差異規律。

(2)評估結果表明，洞庭湖區各子流域的綜合健康狀況多屬于良好或一般。位于中心的大通湖和東南部的湘江子流域健康狀況較差，需加強大通湖子流域退田還湖的力度，積極開展其岸邊帶草灘或護岸林的恢復，加大植被稀疏的丘陵、山地的植被恢復;湘江子流域應開展自然植被河段的恢復，加大對湘江水系的水質監測力度，對湘江水系附近的造紙業以及化工廠污水處理進行監督，加大對有色金屬采礦、冶煉及壓延等涉及重金屬排放的行業整治與重金屬污染防治工作，保障湘江子流域居民的飲用水安全。生態健康狀況屬于良好的是南洞庭湖和新墻河子流域，健康指數分別為6.44和7.26，生物多樣性監測與保護以及水土流失的預防和治理(尤其是坡度大于15°的區域)是今后需要重點關注的內容。

(3)流域單元的生態系統健康影響因素眾多，關系復雜多變，指標選取難度大，還需開展不同類型的典型案例應用研究，進一步完善評價指標體系。由于長期的流域開發，破壞了原始的流域自然本底，仍然保持自然狀態的流域已基本不存在，健康水平的衡量標準難以確定。

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