城鎮化背景下滇池流域生態系統健康評價指標體系研究

(1.云南財經大學 城市與環境學院,云南 昆明 650221;2.云南大學 發展研究院,云南 昆明 650091)

1　引言

在全球生態系統健康狀況日益惡化的嚴峻形勢下,流域生態系統健康評價逐漸成為生態學領域的一個研究熱點[1-4]，其中健康評價指標體系的構建是該領域重要的研究內容之一[4,5]。目前,不同流域生態系統健康評價在國內已經展開[3,6,7],但涉及滇池流域的很少。雖然有學者對滇池流域的生態系統健康進行了初步評述[8],但卻未形成健康評價指標體系。

云南省滇池流域是典型的高原湖濱區,是云南省城市化水平最高的區域,城鎮化進程對流域的影響非常突出,特別是滇池水環境惡化與富營養化問題已威脅到整個流域的生態系統健康狀況,并制約著湖濱地區社會經濟的可持續發展[8,9]。相關研究表明,隨著城鎮化水平的不斷提高,城鎮化將導致流域內人口急劇集中、產業集中、社會經濟活動強度增大,帶來一系列的資源短缺及環境污染等生態環境問題[10]。流域城市化的結果,特別是城鎮化過程中對水土資源的不合理開發利用,將大規模引起流域內生態環境的變化以及資源形態、結構和功能的變化,甚至干擾生態系統的進化過程,嚴重影響到流域生態系統的健康[7,11]。因此,基于城鎮化背景下,研究滇池流域生態系統健康評價的指標體系選擇,對滇池流域的生態保護與合理開發具有重要的理論與現實意義。

本文在明晰流域生態系統健康內涵的基礎上,試圖構建較完整的適用城鎮化背景下的滇池流域生態系統健康評價指標體系,以期為滇池流域的生態系統健康與可持續發展提供科學依據,同時也為其他具有相似基質的流域生態系統健康評價提供參考與借鑒。

2　流域生態系統健康

流域作為由分水線所包圍的河流集水區,是一個獨立的地貌單元,具有生態完整性,同時也是人類社會活動相對活躍的區域,是典型的社會—經濟—自然復合生態系統[12]。與單一生態系統如草地、森林、農田等相比較,流域生態系統的縱向連續性、生物結構特殊性、自我修復性、關系復雜性和動態平衡性等特征更加突出[13,14]。

不同學者對流域生態系統健康的定義與特征的理解不同,目前尚未對流域生態系統健康形成統一的認識。歸根溯源,關于流域生態系統健康的定義可追溯到生態系統健康的定義上。關于生態系統健康,美國生態學家Rapport認為,它是指一個生態系統所具有的穩定性和可持續性。即在時間上具有維持生態系統組織結構、自我調節和對脅迫的恢復能力,可通過活力、組織結構和恢復力三個特征來定義[3,5,15,16]。而與羅躍初、周忠軒、孫軼等學者[2]提出的流域生態系統健康6條特征不同,肖風勁、歐陽華[17]認為如果一個生態系統是穩定、持續和活躍的,能維持生態系統的組織結構,受到干擾后能在一段時間內自動修復,則這個流域生態系統就是健康的。王文杰、張哲、王維等學者[4]在綜合分析已有研究的基礎上,指出流域生態系統健康是指區域處于良好的平衡狀態,主要表現在三個方面:生態系統結構完整、功能完善、面對自然和人為的適度干擾具備彈性恢復力。

本文認為,針對一般生態系統而言,對受人為影響較大的流域生態系統,生態系統的健康不僅意味著為人類提供生態服務的生態系統的健康和完整,也意味著人群健康。若前者受到威脅或破壞,后者就得不到保障。綜合已有的研究,本文將流域生態系統健康的特征理解為五大要素:①具有活力。生態系統的活力是表征流域生態系統的自然、經濟、人口的再生產能力以及物質與能量流動的效率,健康的流域意味著具有一定的活力。②結構完整。流域是一個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,結構完整意味著流域內空間鑲嵌的各類生態系統及其整體能保存關鍵生態組分與結構,且遠離疾病,流域上下游以及陸域和河流水域保持密切的聯系[4]。③功能完善。生態系統服務功能反映流域生態系統滿足人類需求的程度。健康的流域意味著能穩定地提供人類生存和發展需要的水、土地、森林等自然資源,維持涵養水源、保持水土、凈化環境等服務功能[3,5]。④具備彈性恢復力。恢復力表示生態系統系統在自然災害、資源緊張、環境污染等問題發生后如何將危害減少到最低程度,即系統抵抗自然災害和處理生態環境問題的能力。健康的流域意味著面對自然和人為的適度干擾具有一定的恢復力。⑤維持一定的人類健康。流域生態系統的改變能影響人類健康,健康的流域應有能力維持人類的健康,人類的健康本身可作為流域生態系統健康的反映,可從身體健康和文化水平兩方面來反映流域城鎮化地區人群的整體健康狀況[18]。

3　滇池流域生態系統健康評價指標體系構建

3.1　研究區概況

滇池流域位于云貴高原中部,地處102°36′—102°47′E、24°40′—25°02′N之間,位于長江、珠江和紅河三大水系分水嶺地帶[19,20]。流域南北長114km,東西平均寬25.6km,涉及昆明市主城區(包括五華、盤龍、官渡、西山四區)、呈貢區和晉寧縣“五區一縣”等縣市區部分地區,流域面積2840.7km2。整個流域為南北長、東西窄的湖盆地,地形可分為山地丘陵、淤積平原和滇池水域3個層次。滇池是該流域主要的水域組成部分,面積為250km2[20]。全流域均為昆明市所轄,在云南全省的經濟社會發展中占有舉足輕重的地位。

20世紀80年代以來,昆明市的快速城市化對滇池流域的自然水文循環造成了嚴重的干擾和破壞,主要表現在：河流生態系統功能退化、水體污染,特別是滇池水體富營養化問題日益嚴重,生態用地面積減少,水土流失情況嚴重,主要河流密度、曲度銳減等,已經成為制約滇池流域可持續發展的重要因素[19,21-23]。

3.2　評價指標體系構建思路

根據流域生態系統健康的概念與特征,基于滇池流域城鎮化的背景,本文以“自然條件限制因子—城鎮化影響因子—流域生態健康指示因子”為評價指標,建立了流域生態系統健康評價體系。該評價指標綜合考慮了滇池流域生態系統稟賦特征和城鎮化的影響,通過健康指示因子反映流域的健康狀況[16,24]。健康指示因子包括以下5個方面的要素:活力、組織結構、恢復力、生態系統功能的維持和人群健康狀況[4,7,17,25]。

3.3　指標選取原則

主要是:①完整性與可識別性原則。從遵循生態系統的一般規律出發,切實反映流域生態系統的本質特性與區域特征。②簡明性和可操作性原則。選擇關鍵性的具有綜合性的指標,使建立的指標體系簡單明了、有較強的可比性、參數易于獲取、便于計算與分析等。③主導性原則。流域生態系統是一個非常復雜的系統,決定系統特征的因子很多。指標應考慮其在城鎮化背景下對自然生態系統質量和社會經濟系統的表征、刻畫作用以及內在聯系和因果關系,提取信息量大、綜合性強的指標。④敏感性原則。選取的指標應對生態環境變化具有敏感性,同時也具有一定的穩定性。

3.4　評價指標的選擇

根據評價體系構建思路與指標選取原則,本文將云南省滇池流域的生態系統健康評價體系分解為自然條件限制因子、城鎮化影響因子、流域生態健康指示因子等三個結構層次：①自然條件限制因子主要是反映滇池流域的生態系統稟賦特征和先天條件,是流域生態系統健康狀況的決定性因素之一,從水、土和生物資源稟賦對流域健康的制約來選擇指標。②城鎮化影響因子主要是反映城鎮化對流域土地利用的影響、對流域水資源的質和量的影響、對流域景觀結構的影響來選擇指標。③流域生態健康指示因子主要是綜合反映流域的健康狀況,應選擇較為敏感的反映流域生態系統健康狀況和變化趨勢的指標,從流域生態系統健康的五大要素來考慮指標的選配,即活力、組織結構、恢復力、生態系統服務功能和人類健康。根據三個結構層次選擇相應的指標,最終形成滇池流域生態系統健康評價指標體系(表1)。

表1　滇池流域生態系統健康評價指標體系

3.5　部分指標的機理解釋

多年平均降雨量:多年平均降雨量是滇池流域重要的水資源稟賦特征指標,主要反映流域地表水資源量多寡的制約情況。滇池是典型的寬淺型高原湖泊,入湖水量主要來源于流域的自然降水[26]。整個滇池流域的水資源嚴重匱乏,水資源總量約為5.55億m3,人均水資源量僅155m3,屬水資源嚴重缺乏地區。

湖濱帶干擾指數:湖濱帶干擾指數主要是指湖濱帶內建設用地與農田面積之和占湖濱帶面積的比例。湖濱帶是流域生態系統中湖泊的重要緩沖區,對湖泊生態環境防護具有重要意義。隨著城鎮化進程的加快,滇池流域湖濱帶地區城鎮用地面積大幅增加,在增加非點源污染負荷的同時,使殘留在地面的非點源污染物更易于被匯集到河道,進入湖泊,直接導致自然生態系統不堪重負而失去了自我調節的能力[20,27]。

水質狀況指數:水質狀況指數主要是指Ⅲ類及以上水質斷面數占流域全部斷面數的比例。滇池位于昆明市主城區下游,湖體成為城市污染物唯一的最終受納體。20世紀70年代以來,隨著城鎮化進程的加快,滇池水體富營養化日益突出[26],已成為制約滇池流域可持續發展的重要影響因素[22]。滇池流域的主要污染物有CODCr、NH3-N、TN、TP(化學需氧量、氨氮、總氮、總磷)。

河道連通性指數:河道連通性指數是反映城鎮化過程對自然河道的干擾狀況,用每公里河道的閘壩個數表示[9]。注入滇池的河流有20余條,主要有盤龍江、東白沙河、寶象河、馬料河、撈魚河、梁王河、大河、柴河、東大河、西北沙河、新河、運糧河等,新河和運糧河主要為昆明的排污河道,各河流呈向心狀注入滇池,而滇池唯一的出湖河道為海口河。這種極度封閉性決定了河道連通性是滇池流域生態系統健康評價的一個重要指標。

植被凈第一性生產力NPP:NPP是指綠色植物在單位時間、單位面積上由光合作用所產生的有機質總量中扣除自養呼吸后的剩余部分。流域的潛在植物凈第一性生產力較多,當植被遭受破壞時,該流域的植被恢復可能較快。因此,與NPP較小的流域相比,滇池流域的生態系統健康程度較高,具體計算公式見相關參考文獻[7]。

生態彈性度:生態彈性度是反映滇池流域景觀水平生態恢復力的一項綜合指標。根據滇池流域不同的土地利用類型(建成區,農用地、林地、荒草地、裸地、水體)對生態恢復的貢獻和作用[28],分別賦予不同級別的生態恢復力值,然后得出反映生態恢復力的綜合指數,指數值越大表示恢復力越強[3,5],具體計算公式見相關參考文獻[3]。

景觀格局指數:景觀格局指數是符合流域尺度特征的生態結構指標。流域是由河網作為銜接廊道,由不同生態系統,如森林、濕地、城鎮等構成的綜合景觀。在構建評價指標體系時,需要考慮景觀生態系統的廊道、斑塊等景觀組成與空間格局,針對水域、岸邊帶和陸域的結構特征,將該生態系統的類型組成及空間格局納入進來[4]。近年來隨著滇池流域內的城鎮化進程加速,建設用地不斷擴張,農田、草地等面積日益減少,已造成流域景觀破碎化程度加劇、景觀結構不合理及其功能退化等問題[29]。根據滇池流域的特點,在類型水平和景觀水平上分別選取以下指標:最大斑塊指數,表示流域內各個類型中最大斑塊占流域總面積的百分比;斑塊結合度指數,反映流域斑塊的物理連接度。如果流域具有高連接度(即物理連接度未受到損害,生物有機體能在縱向、橫向和垂直方向自由移動),則流域生態系統越健康。具體的計算方法見相關參考文獻[30];景觀破碎度,反映滇池流域中陸域生態系統的完整性狀況。由森林、草地等自然植被的斑塊數除以滇池流域陸域的面積來獲得;Simpson多樣性指數主要是反映滇池流域土地覆蓋/利用類型的復雜性和多樣性的指標,具體的計算方法見相關參考文獻[30];在高功能景觀斑塊分維數和優勢度方面，高功能景觀斑塊是景觀中對發揮生態系統功能貢獻較大的土地覆蓋/利用類型,因此常被用于對景觀結構指標的計算[31]。高功能景觀斑塊分維數和優勢度分別從形狀上、面積與斑塊數量比例上反映了滇池流域高功能景觀斑塊的復雜性和異質性[3,5],具體的計算方法見相關參考文獻[32]。

水源涵養功能指數:水源涵養功能指數與植被覆蓋度、植被類型和不透水面積有關,具體計算公式見相關參考文獻[9]。流域生態系統水源涵養功能主要表現在攔蓄降水、調節徑流、影響降水量、凈化水質等方面,同時對改善水文狀況和調節區域水分循環也起著非常重要的作用。對滇池流域來說,滇池的水源涵養功能與植被類型密切相關。由于該區域地處北回歸線附近,處于全球生態系統脆弱地區,加上人為因素的影響,滇池流域的地帶性植被由常綠闊葉林向云南松林發生次生演替,反映了生境條件由濕性向旱性的逆向演替[19],水源涵養功能發生了顯著變化。

水土保持功能指數:水土保持功能指數是反映滇池流域土壤水土保持的能力。與流域內不同程度的土壤侵蝕面積有關,具體計算公式見相關參考文獻[9]。水土流失是滇池流域重要的生態問題之一,也是導致滇池流域水環境惡化的重要因素。研究表明,滇池流域的水體污染分為點源污染、面源污染和內源污染,其中面源污染是主要的污染源,而水土流失則是滇池面源污染的主要來源,占面源污染總量的80%[23]。

4　小結

滇池流域是一個典型的自然—社會—經濟復合生態系統,是云南省城鎮化水平最高的區域,滇池流域生態系統健康評價的目的是為了生態恢復與管理,并實現流域的可持續發展,而基于城鎮化背景下建立科學的指標體系是生態系統健康評價的關鍵與基礎。

本文在明晰健康流域生態系統健康特征的基礎上,基于滇池流域的城鎮化背景,建立了以“自然條件限制因子—城鎮化影響因子—流域生態系統健康指示因子”為結構的較為完整的評價指標體系,為滇池流域生態系統健康評價提供了有價值的參考。該評價體系體現了滇池流域的稟賦特征,突出了城鎮化是評價流域生態系統健康的原始壓力,也體現了流域生態系統健康的五大要素特征。

綜上所述，需要注意的是:①滇池流域生態系統健康的影響因素較多,本文提出的指標體系主要是針對城鎮化進程的影響;健康狀況是一種動態過程,滇池流域不同時期的主要影響因子不同,在實際應用中應根據影響因子的不同進行調整。②作為宏觀尺度的生態系統健康研究,本評價指標體系雖然有效地反映了復雜生態系統的特征,但是需要對各組成要素的特征、相互作用而形成的網絡關系等各種信息進行進一步整合與研究,更加突出與景觀生態學相結合,更加突出遙感和地理信息系統等新技術和新方法的應用。