北方寒冷干旱地區內陸湖泊生態安全評價指標體系研究
——以呼倫湖為例

曹秉帥,徐德琳,竇華山,龐 博,敖 文,顧羊羊,單 楠,王文林,劉 波,鄒長新,*

1 生態環境部南京環境科學研究所, 南京 210042 2 呼倫貝爾市北方寒冷干旱地區內陸湖泊研究院, 呼倫貝爾 021000 3 生態環境部南京環境科學研究所呼倫湖研究中心, 南京 210042 4 南通大學地理科學學院, 南通 226007

生態安全作為國家安全的重要組成部分[1- 3],是與政治安全、國土安全、軍事安全、經濟安全同等重要的安全體系[4],具有戰略性地位和重大意義,是實現可持續發展的關鍵[5]。呼倫湖是亞洲中部草原最大的淡水湖,也是我國第五大淡水湖,其流域貫穿于我國內蒙古自治區呼倫貝爾市和蒙古境內,地處歐亞大陸腹地,是由湖泊、草原、濕地及其流域和其間生存的人組成的一個兼具自然屬性和社會屬性的復合系統,具有良好的原始性和自然性等典型特征。其生態系統服務功能價值表現為調蓄水資源、生物多樣性維護、氣候調節以及凈化水質等[6],且其生態系統所能提供的生態價值遠大于經濟價值[7]。該區域生物資源極其豐富,湖泊、河流、沼澤、草甸等構成了該區域復雜多樣的自然生態環境,為魚類、鳥類等野生動物提供獨特的棲息繁殖生境,成為東北亞鳥類遷徙的重要通道和集散地、亞洲水禽的重要繁殖地,具有獨特的生物多樣性和完整性,在調節氣候、涵養水源、防止荒漠化、保護生物多樣性以及維系呼倫湖區域生態平衡,是我國北方生態屏障的重要組成部分。

然而,近20年來受全球氣候變暖和人類活動的共同影響,呼倫湖上游來水顯著減少,最多時水位下降近5 m,蓄水量由134億m3下降到40億m3,呼倫湖水情劇烈變化,導致大面積湖濱蘆葦濕地喪失,草場退化、土地沙化,鳥類大幅減少,魚類資源大幅下降,礦化度不斷升高,部分物種棲息環境受到影響。相比20世紀70年代,呼倫貝爾草原植被蓋度降低了15%—25%,草層高度下降10—18 cm,草地初級生產力下降30%—50%,沙化土地面積已超過100 km2[8],導致草地涵養水源、保持水土和抗風沙、抗災能力下降,致使區域生態環境陷入進一步退化的危險中,給區域生態安全帶來嚴重威脅。因此,準確識別呼倫湖流域主要生態安全問題、完善其生態安全評價指標體系對于科學研判呼倫湖生態環境狀況、維持區域可持續發展以及精準實施底線管控政策具有重要意義。

生態安全評價指標體系是開展生態安全評價的前提和基礎,其實質是生態安全中的抽象問題具體化、實例化的過程,直接影響著生態安全的評價結果[9]。在草原生態安全評價指標體系的研究方面,Li[10]基于生態足跡的概念提出了消費足跡壓力指數、生產足跡壓力指數和生態足跡貢獻指數的生態安全評價指標,以此對內蒙古典型草原地區進行生態安全等級評價,定量描述了草原生態系統中資源開發對生態安全的影響。Li[11]基于多線程最小累積阻力模型及核密度分析方法,通過形態空間格局分析、生態系統服務功能重要性及生態風險指數等指標提出一種集生態安全識別、分析及優化于一體的集成框架,并對陜西省榆林市草地、耕地、林地等生態系統生態安全格局進行評估優化。尹劍慧[12]綜合運用頻度分析法、專家咨詢法和層次分析法篩選出一套由水土保持、涵養水源、固碳吐氧等8項元素組成的草原生態系統評價指標體系。金樑[13]選取了人類活動、草地生態系統功能、植被群落動態、氣候變化及自然災害、土壤條件及有害生物等6個方面指標評價西北地區草原的生態安全。而對于湖泊濕地生態系統指標體系的研究,Yu[14]從景觀壓力、景觀生產力和景觀穩定性3個層面基于流域尺度構建了適用于中小尺度的生態安全評價系統,并以此評價我國漢江流域的生態安全等級。Skiter[15]分析了俄國當前的經濟狀況與生態環境間的關系,構建州級生態安全模型,并將生態標記與生態稅的概念引入模型,力圖通過市場調節機制保護生態安全。Jogo和Hassan[16]以非洲南部的林波波河濕地為研究對象,基于系統動力學方法構建了生態—經濟模型,并對不同政策制度下濕地功能和經濟健康狀況的影響進行模擬評價和預警,研究探討了濕地系統在平衡經濟發展和生態安全中的關鍵作用。He等[17]指出中國是亞洲最大的上流河國家,強調了研究跨界河生態安全的重大意義,并從跨界環境補償、協同管理及區域合作等幾個方面對中國跨界河流的潛在環境威脅和生態安全進行診斷和預警。鄒長新[18]認為內陸河流域自然生態系統的壓力主要來自人口增長和經濟社會的快速發展,從而導致生態系統主導服務功能和結構發生改變,引起自然和社會的自我調節做出反應,并基于此構建了黑河流域重要生態功能區生態安全評價指標體系。金相燦[19]針對目前我國湖泊存在的主要生態安全問題,在湖泊水生態系統健康評估、流域社會經濟活動對湖泊生態影響評估、湖泊生態服務功能評估和湖泊生態災變評估等四項評估基礎上建立了湖泊生態安全評價體系。劉麗娜[20]以DPSIR模型為基礎構建了由水環境質量、陸域生態系統健康狀況和流域生態安全組成的東北湖區生態安全評價指標體系。王宏[21]選擇自然生態環境狀態指數、人文社會壓力指數、環境破壞壓力指數,提取了青海湖流域生態安全指標。

呼倫湖流域作為北方寒冷干旱地區內陸湖泊的典型代表,其生態安全問題的產生是受湖泊、濕地、草原等多種生態系統共同作用的結果,成因復雜。然而,針對呼倫湖流域生態安全開展的相關研究目前僅見單一要素如草原[22]、礦區[23]、沙地[24]、耕地[25]等,綜合呼倫湖水環境、水資源、水生態以及陸域生態的生態安全評價指標體系尚未見報道。針對上述問題,本文以呼倫湖流域為例,以“山水林田湖草生命共同體”理論為指導,以生態環境質量改善、生態系統完整性及服務功能提升為目標,統籌考慮生態系統的整體性與系統性,在全面開展草原、濕地、湖泊生態系統狀況調查的基礎上,識別區域生態安全主要問題,厘清生態安全問題產生原因,緊密圍繞水域和陸域生態系統構建呼倫湖流域生態安全評價指標體系,以期為北方寒冷干旱地區內陸湖泊的生態安全評價研究提供參考和借鑒。

1 生態安全概念及內涵

生態安全的概念可以概括為狹義和廣義兩種理解。狹義的觀點是指自然和半自然生態系統的安全,即生態系統完整性和健康的整體水平反映[26],主要研究生態系統的健康狀況、景觀安全格局以及生態風險程度等。而隨著認識加深,人類意識到生態安全不只是自然生態系統的安全,還應包括經濟生態安全和社會生態安全在內[27]。它強調人類活動對自然生態系統的影響,探究的是國際組織(包括政府和非政府組織機構)在解決生態問題時所采取的一系列措施、政策及法律對生態安全的影響,應該是社會—經濟—自然復合系統的安全。本研究認為呼倫湖保護區生態安全內涵應包含兩個層面：一是生態系統自身的安全性,即是否具備健康、完整和可持續性,是否具有良好的生態狀況與生態結構,是否能夠維持自身活力和能夠自然有序演化,是否能夠抵御干擾(生態災害或人為活動)的彈性；二是生態系統對于人類的安全性,即能否滿足當代和未來人類社會的可持續發展需求,能夠為人類提供放牧草場、清潔水源、養殖、旅游等服務功能,對區域社會、經濟的可持續發展起到良好的支撐作用。

2 研究區概況

以改善呼倫湖流域生態環境質量為核心目標,本文生態安全評價研究區包括呼倫湖及其主要河流和以呼倫湖為中心的呼倫貝爾草原地區。呼倫湖位于內蒙古自治區呼倫貝爾草原西部的新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗和扎賚諾爾區之間,東經117°00′10″—117°41′40″,北緯48°30′40″—49°20′40″,屬于中溫帶大陸性草原氣候,位于中高緯度溫帶半干旱區,是我國北方干旱地區數千公里內唯一的大澤,為構造成因的礦化度受環境影響較大的淡水湖。呼倫湖流域濕地生態系統包括呼倫湖、貝爾湖局部、烏爾遜河、克魯倫河、額爾古納河、海拉爾河、新開河、輝河、伊敏河等主要河流及周邊沼澤地,呈放射狀分布,總面積約為7289 km2,約占區域總面積的8%。呼倫湖流域地理位置及生態系統類型如圖1所示。以呼倫湖為中心的呼倫貝爾草原,是世界著名的天然牧場,被稱為世界上最好的草原之一,是世界稀有綠地,整體地勢東高西低,海拔在650—700 m之間,東西寬約350 km,南北長約300 km,總面積60696 km2,約占區域總面積的65%。

3 呼倫湖流域生態安全問題診斷及成因分析

3.1 數據來源與處理

本文氣象數據采用中國氣象科學數據共享服務網3.1.1氣象數據

本文氣象數據采用中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)提供的1990至2018年滿洲里(117°26′E, 49°34′N)、新巴爾虎右旗(116°49′E, 48°40′N)及新巴爾虎左旗(118°16′E, 48°13′N)等站點年平均氣溫、年降雨量及最大風速等。呼倫湖流域的各氣象指標數據采用3個氣象站點的平均值表征。

3.1.2載畜量

草原載畜量數據采用《呼倫貝爾市統計年鑒2018》中的呼倫貝爾市歷年(1949—2017)大牲畜和羊統計數據,并基于《天然草地合理載畜量的計算》(NY/T 635—2015)中的成年家畜折算系數將牲畜統計數據統一折算為標準家畜單位,即綿羊單位。

3.1.3生態系統類型分類數據

利用1990年和2018年研究區的高分一號、高分二號等高空間分辨率衛星遙感影像(共獲取遙感數據140余景)以及Landsat TM/ETM等中分辨率遙感影像,采用人機交互和面向對象分類方法,提取生態系統類型分布,通過地面核查進行復核、完善,得到生態系統類型分類數據。按照生態系統分類體系,對遙感影像分類解譯,分別獲得1990年和2018年呼倫湖流域空間分辨率達5 m的19類二級生態系統分類數據。并以此基礎計算統計近30年濕地、土地沙化與鹽堿化面積的變化。

3.1.4草地植被退化特征

參考《生物多樣性觀測技術導則陸生維管植物》和《關于發布全國生物物種資源調查相關技術規定(試行)的公告》,根據呼倫湖流域植物群落特征、群落類型及不同草地類型面積,于2019年7月—8月采用樣方法開展呼倫湖流域草地植被多樣性本底調查,共設置樣地90個,每個樣地隨機設置3—5個1 m×1 m的樣方,共計364個樣方,調查內容包括草地植被群落特征、群落植被組成結構、指示植物、地上部產草量、土壤養分、毒雜草比重及地表特征等。

3.1.5漁獲量及魚類種群結構數據

歷史數據主要來自于《黑龍江水系(包括遼河水系及鴨綠江水系)漁業資源調查報告(附件之四：內蒙古自治區東部)》、《黑龍江水系漁業資源調查報告》、《達賚湖·莫力廟水庫漁業資源調查論文集》和《呼倫湖志》等參考資料。

3.2 生態安全問題診斷及成因分析

3.2.1氣候暖干化背景下長期超載過牧導致區域草原植被退化,土地沙化、鹽堿化加劇

近30年呼倫貝爾草原年平均氣溫升高了近2.3℃,而年平均降雨量從1990年的434 mm減少至289 mm,氣候暖干趨勢明顯。同時,草原載畜量從1990年的624萬只羊單位增加到2015年的2811萬只羊單位,放牧數量的增加導致家畜對固定草場長期啃食及踐踏,草地退化日趨嚴重。其草地退化特征主要表現為：1)植物群落結構和多樣性逐漸喪失,植被生產力大幅降低,僅相當于原生群落的35%；2)群落稀疏矮化,群落總蓋度和平均高度分別降低近65%和57%；3)群落物種組成發生顯著的變化,以貝加爾針茅、大針茅、克氏針茅及羊草等多年生優良牧草為優勢種的群落持續衰退,繼而退化演替為以糙隱子草、無芒隱子草、冷蒿等耐牧種為優勢的群落類型,一年生劣質草種如豬毛菜等在群落中的作用增強。草原水分蒸散變大,在大風作用下引起土地沙化,根據生態系統類型遙感解譯結果,區域沙化和鹽堿化面積分別增加了2.69%和0.58%。

草原退化增加了干草入湖、大氣干濕沉降及水土流失等水環境污染負荷。草地退化、土地沙化導致貝加爾針茅、大針茅等優良牧草逐漸被豬毛菜、冰藜、沙蓬等一年生植物(風滾草)所取代。通過智能視頻觀測系統實地觀測,風滾草9—10月干枯后在強風作用下第一次入湖,冰封期(11月—次年3月)則在草地及冰面大量賦存,并于春季(次年4月)開湖后第二次入湖(圖2)。風滾草可腐解物質少,入湖后第15天即可完成腐解過程,但仍有70%以上的難降解木質素類腐殖質物質沉入水底,以內源釋放的形式持續污染湖體。此外,呼倫貝爾地區每年有超過40—53 d風力達到8級以上,在大風作用下,土地沙化增加區域風沙起塵,加劇湖區干濕沉降污染輸入。呼倫湖水體化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)與總有機碳呈顯著正相關,表明水體有機物以含碳有機物為主,而三維熒光溯源結果顯示,含碳有機物中以難分解的類腐殖質占絕對優勢,其與上游來水具有高度的同源性,呼倫湖COD主要源于本地及河流輸入的草(風滾草)、塵(大氣降塵)等有機物,并長期通過“泥”(內源釋放)影響呼倫湖[28]。

圖2 風滾草入湖過程監測Fig.2 Monitoring the process of tumbleweed entering lake

3.2.2受氣候暖干化和長期捕撈活動影響,濕地面積萎縮,魚類小型化特征顯著

近30年隨著北方氣候暖干化,上游來水減少,呼倫湖水位顯著降低,2011年水位為539.86 m,較1998年下降4.44 m。從圖3中可以看出,呼倫湖湖區濕地面積與水位呈顯著正相關關系,自1998年至2011年,隨著水位快速降低,濕地面積也由140.72 km2萎縮到5.49 km2,呼倫溝、嘎拉達白辛濕地幾乎消失,湖濱沼澤濕地干涸,湖底裸露,表面覆蓋的松散沙礫已成為沙源,并快速向外擴展,呼倫湖湖濱沙化面積已超過50 km2。隨著海拉爾河引水工程的實施,2013年水位回升到543.31 m,并保持基本穩定,濕地面積恢復至21.58 km2。

圖3 近60年呼倫湖水位、濕地面積變化與魚獲量變化Fig.3 Changes of lake level, wetland area and fish catch in Hulun lake in recent 60 years

3.2.3水生生態系統紊亂,藍藻水華頻發,爆發強度總體平穩

圖4 藻型穩態下呼倫湖水生態系統結構圖Fig.4 The structure diagram of hulun Lake water Ecosystem under algal steady-state

4 生態安全評價指標體系構建

4.1 指標體系構建原則

根據呼倫湖區域資源及人類活動現狀,本文指標體系的選擇主要遵循以下原則：1)針對性原則：聚焦呼倫湖流域主要生態安全問題如藍藻水華頻發、草原生態系統退化等,針對主要生態安全問題篩選對其造成直接或間接影響的指標；2)科學性原則：以先進理論為指導,以現實為依據,采用科學方法,選取具有科學內涵的評價指標；3)系統性原則：以山水林田湖草的系統觀為指導思想,綜合考慮草原、濕地、湖泊、森林、農田等多要素生態系統以及區域資源、環境、經濟和社會等多方面的特殊性,盡可能反映呼倫湖流域生態系統的完整性；4)可操作性原則：選取易于進行數據采集及量化指標,能代表區域生態安全現狀的同時,滿足生態環境保護和管理需要,對管理起到指導和預警作用。

4.2 基于PSR構建指標體系

目前國內外較為常用的評價指標體系模型框架大多是采用由聯合國經濟合作開發署提出的“壓力-狀態-響應(PSR)”概念模型[29],以及在PSR框架基礎上衍生發展而來的“驅動力-狀態-響應(Driver, State, Response, DSR或DFSR)”[30]、“驅動力-壓力-狀態-影響-響應(Driver, Presure, State, Impact, Response, DPSIR)”[31-32]、“驅動力-壓力-狀態-暴露-響應(Driver, Presure, State, Exposure, Response, DPSER)”[33]模型等。在呼倫湖生態系統中,湖泊是主體,其生態健康狀況是系統安全的基礎,關系到濕地與草原系統結構穩定,是生物多樣性維護的源泉之水,其生態安全評價是以生態系統健康穩定作為主體考察生態系統與周圍環境的相互聯系。影響呼倫湖生態安全的因素及作用過程復雜多樣,基于前文對生態安全問題的診斷及成因分析,影響呼倫湖生態安全的因素主要包括氣象條件如氣候暖干化、人類活動如過度放牧與捕撈、大氣沉降、干草、河流輸入、內源釋放等污染入湖以及水資源量,這些對區域生態安全有直接或間接不良影響的因子對生態系統產生“壓力”,其結果是導致生態環境發生數量和質量的變化,即“狀態”的改變,例如水質變差、生態系統服務功能降低、水生態與陸域生態系統穩定性下降等生態環境問題；這些狀態的改變引起人類采取一系列措施去修復生態問題,即做出“響應”,例如實施引河濟湖工程保障呼倫湖生態需水、積極采取水土流失治理以及在環境保護方面投入更多的資金用于生態治理。上述要素間的邏輯關聯可用PSR概念模型表示(圖5)。

圖5 呼倫湖流域生態安全影響因子及其作用機制示意圖Fig.5 Schematic diagram of ecological security influencing factors and their mechanism in Hulun lake basin

基于此,本研究采用PSR模型構建生態安全評價指標框架,以山水林田湖草系統方法論為理論指導,在全面診斷分析區域生態安全問題的基礎上,按照評價指標的針對性、科學性、可操作性及系統性原則,選取由氣象條件、人口、水資源、水環境、人類活動等5個一級指標構成的壓力子系統；選取由水環境質量、水生態狀況、陸域生態狀況、生態系統服務功能和敏感性、景觀格局以及生態風險等6個一級指標組成的狀態子系統；選取由生態治理措施、生態治理投入等2個一級指標組成的響應子系統,共同構建呼倫湖流域生態安全綜合評價指標體系(圖6)。

圖6 呼倫湖流域生態安全評價指標體系Fig.6 The evaluation index system of ecological security in Hulun lake basin

4.3 部分指標含義及獲取方法：

(1)水環境壓力：基于土地利用類型、高分辨率遙感影像等資料,利用大氣干濕沉降監測數據、干草腐解實驗、水質監測數據、底泥釋放實驗等實驗調查數據,結合一維河網水環境數學模型(MIKE)構建基于像元的陸-河-湖水環境數學模型獲取。其中,大氣干濕沉降監測數據是通過在呼倫湖湖岸周邊小河口管護站、拴馬樁管護站、烏魯都管護站布置3個大氣干濕沉降監測點,使用ZR- 3900型全自動干濕沉降采樣器獲取,測定分析大氣沉降中TN、TP、COD等指標濃度獲得。

(2)景觀生態安全度：景觀指數是景觀格局的高度概括,是反映其結構組成和空間配置等方面特征的定量指標,選取景觀類型斑塊密度、平均斑塊形狀指數、聚集度指數和斑塊所占景觀面積比例為指標,建立景觀指數與景觀生態安全度的定量化描述[34]。

(3)草地退化指數(Grassland Degradation Index, GDI)：GDI是草地退化的綜合反映,是各退化評價指標的加權求和,GDI越大表示該草地生長越好。根據呼倫湖流域草原生態系統特性,在典型生境類型地區采用境內外隨機布設樣方的同步觀測調查方法,同時選擇草地植被覆蓋度、地上生物量、平均高度、物種豐富度、優勢種重要值及多年生植物重要值等6個退化指標綜合計算草地退化指數[35]。

(4)藍藻水華發生風險：選取葉綠素a濃度(Chl.a)、總氮濃度(TN)、總磷濃度(TP)、高錳酸鹽指數(CODMn)和水溫等5個與藍藻水華暴發密切相關的影響因子(其中Chl.a和CODMn被選作藍藻水華發生程度的指示因子；TN、TP是藍藻水華發生的主要營養鹽因素；水溫是藍藻水華發生的關鍵性氣象因素),運用模糊風險評價法對每個監測點的藍藻水華發生風險進行綜合評價[36-37]。

5 結論與討論

本文通過開展呼倫湖流域內草原、濕地、河流、湖泊、林地等多要素的系統調查獲取一手數據,并結合歷史資料全面分析并識別了區域生態安全主要問題及成因,主要包括：1)2000年以來,呼倫湖流域氣候暖干化趨勢加劇,在長期超載過牧等人類活動壓力下,草地退化顯著,土地沙化、鹽堿化面積擴大；2)草地退化特征其中之一表現為多年生優良牧草為優勢種的群落逐漸被一年生劣質草種如豬毛菜等群落所替代,進而在大風天氣下形成風滾草入湖,腐解后對水質產生污染,同時有70%以上的難降解木質素類腐殖質物質沉入水底,以內源釋放的形式持續污染湖體；3)退化草地和沙化土地在風力和降雨作用下,以干濕沉降形式入湖,加劇了湖區污染輸入；4)氣候暖干化同時造成湖面水位下降,導致濕地面積減少、濕地植被消失、魚類生境破壞、產卵場面積降低,加之長期的過度捕撈等人類活動,導致漁業資源枯竭、魚類群落結構趨于簡單,小型化特征顯著；5)水生生態系統穩定性下降、系統紊亂,加之富營養和暖干化的疊加作用,呼倫湖浮游植物的生物量進一步增加,藍藻水華頻發。

基于以上生態安全問題診斷及成因分析,本文以生態環境質量改善、生態系統完整性及服務功能提升為目標,統籌考慮生態系統的整體性與系統性,采用PSR模型框架,選取由氣象條件、人口、水資源、水環境壓力和人類活動等5個要素構成的壓力子系統,和由水環境狀況、水生態狀況、陸域生態狀況、生態系統服務功能和敏感性、景觀格局與生態風險等6個要素組成的狀態子系統,以及由生態治理措施和生態治理投入等2個要素組成的響應子系統,構建了一套由38個指標構成的適用于呼倫湖流域生態安全評價的指標體系,可為北方寒冷干旱地區內陸湖泊的生態安全評價研究提供借鑒。