淡水生物多樣性保護背景下長江流域河流干擾度分析及展望

劉海龍 張益章 周語夏

1 研究背景

全球正在經歷第六次物種大滅絕[1-3]，淡水生物多樣性的下降尤為嚴峻。淡水生態系統是至少126 000種物種（相當于10%的已知物種）、1/3的已知脊椎動物、1/2已知魚類的棲息地[4]。而全世界魚類約有32 500 種，其中淡水魚類超過15 000 種，反映出淡水環境具有高生產力、豐富多樣性及強烈地理隔離效應等特點。但至少1至2萬種的淡水物種已經滅絕或面臨滅絕的風險[5-6]。據世界自然基金會（World Wildlife Fund, WWF），2020年《地球生命力報告》統計[7]，在1970至2016年間，全球物種數量平均以68%的速度下降，淡水物種數量卻平均以84%的速度下降，遠高于陸地和海洋生態系統，其中淡水魚類是20世紀全球滅絕速度最快的脊椎動物物種[8]。聯合國環境署在2019年《全球環境的新型問題》報告[9]中指出導致全球淡水生物多樣性下降的主要原因是淡水棲息地的急劇喪失，其中人類筑壩導致的“水庫效應”使河流生態系統破碎化，直接導致珍稀魚類物種數量下降乃至滅絕。在此背景下自然流淌河流（Free-Flowing Rivers，簡稱FFRs）已成為愈加稀缺的自然資源。據統計[10]，全球幾乎一半（48%）的河流流量已經被控制，所有正在計劃或建設的水壩的建成意味著全球所有河流93%的自然水文流量將喪失。2019年由世界自然基金會與相關保護組織開展全球自然流淌河流制圖研究[11]發現世界上242條大河（＞1 000 km）中僅1/3還保持著自然流淌狀態，并僅限于北美洲北部、歐亞大陸北部、南美洲亞馬孫及奧里諾科流域、非洲剛果流域和東南亞的伊洛瓦底江和薩爾溫江流域等人跡罕至區域。

長江作為中國第一大河，干流長度6387 km，流域面積180 萬平方公里，占國土面積18.75%、淡水水域面積50%，是世界淡水生物多樣性最豐富的水系之一[12]。但長江也是中國開發程度最高的流域之一，隨著多年受攔河筑壩、水域污染、過度捕撈、航道整治、岸坡硬化、挖砂采石等人類活動影響，長江水生態系統退化已成為其最突出的問題之一。尤其是星羅棋布的水電工程致使干支流河道被分割為“河流—水庫（大壩）—河流”形式，河流連續性與水生態系統完整性遭到破壞，導致生境破碎化，直接影響生物多樣性水平[13-15]。以中華鱘、長江鱘、長江江豚等為代表的長江旗艦魚種數量急劇下降[16-17]，同時長江漁業資源也總體急劇下降，四大家魚繁殖量已下降90%以上，長江生物完整性達到了最差的“無魚”等級[18]。因此，長江流域的淡水生物多樣性下降與人類活動有直接關系，研究長江河流干擾程度對淡水棲息地的保護有重要作用。

世界自然基金會提出的自然流淌河流概念[11]指“河流的生態系統功能與服務基本未受到其水文流動連通性變化的影響，允許水、能量、物質與物種可以在河流系統內及周邊環境進行沒有阻隔的運動與交換”。因此，一系列相關研究對河流受干擾的程度與河流的連通性進行評價[11,19]。2019年國際淡水生態系統專家組提出全球淡水生物多樣性的6項“緊急恢復計劃”[20]，其中允許河流自然流淌和保護并恢復河流連通性兩項關鍵措施都對淡水生物多樣性有重要支撐性作用。通過國家公園與自然保護地體系（National Park and Protected Areas System）有助于保護價值突出的河流。但據世界保護區數據庫（WDPA 2019）統計，全球426個淡水生態區（freshwater ecoregions）[21]被保護地覆蓋的平均面積僅為13%，其中2/3的淡水生態區保護程度更低[22]。因此，世界各國自然保護地在保護內陸淡水生態系統及淡水生物多樣性方面仍然存在較大空缺[23-24]。

綜上所述，從遏制長江流域淡水生物多樣性下降的目標出發，應進一步完善長江流域自然保護地體系，尤其應由以陸域生態系統為主的保護目標轉向陸域與水域生態系統兼顧的多元化保護。而自然流淌河流的保護是淡水棲息地保護中的一個重要途徑。本研究基于河流干擾度指數（River Disturbance Index，RDI）對長江流域的自然流淌河流進行空間識別，分析其與現有保護地體系的重疊關系，并進一步對長江流域淡水生物多樣性保護的目標與策略途徑提出展望。

2 長江流域河流干擾度分析與自然流淌河流空間識別

2.1 研究方法

自然流淌河流空間識別方法是基于對河流生態系統結構的認知模型，即“河流連續體概念”（the River Continuum Concept，RCC）發展起來的。該概念由范諾特（Vannote）[25]于1980年提出，將河流網絡看作連續整體系統，包括其地理空間與生物學過程的連續性，是河流生態學描述整條河流生物群落結構和功能特征的較早嘗試。RCC概念提供了一種未被干擾的自然河流參照體系，指出河流順河方向水力連續性和生物組分分布連續性之間的相關性。沃德（Ward）等[26-27]將連續體概念進一步發展為具有縱、橫、豎和時間的河流四維連續體，之后沃德（Ward）和斯坦福德（Starford）又提出序列非連續體概念（Serial Discontinuity Concept，SDC），意在考慮水壩對河流的生態影響，因為水壩引起了河流連續性的中斷，導致河流生命和非生命參數的變化以及生態過程的變化，需要建立一種模型來評估這種脅迫效應。

河流干擾度指數（RDI）的方法源自荒野連續譜的概念，最早在澳大利亞的“國家荒野名錄”（National Wilderness Inventory）項目中被提出。基于此，斯坦（J L Stein）等[19]在澳大利亞“野生河流項目”（Wild River Project）中應用“河流干擾指數”的概念來評估澳大利亞河流的荒野程度。與荒野研究中以遙遠度為核心不同，基于RCC理論，河流的水文、地貌及生物過程被改變的程度被認為是識別河流自然流淌狀態的關鍵。流經荒野或自然地的河流也可能因上游有攔蓄設施而被認為受到較高程度干擾，同時靠近聚居區域的河流也可能因為流域生態系統較完整被認為受較低程度干擾。因此，河流干擾指數更強調從流域綜合管理的角度認知改變河流自然過程的人類影響因素。本文采用干擾度指數的方法開展長江流域干擾度評價，具體方法如下。

第一，找出每一段河流及其對應的流域，并以確定流域傾瀉點（為流域內唯一最終出口）的方式來記錄子流域中的人類干擾度總和。同時每一子流域也將累積其上游流域的干擾度，最終流域的出口將會記錄所有流域干擾度的總和。

第二，累積的河流干擾指數將會由每一子流域的流域干擾以及河流流態干擾所共同組成。根據河流連續體的概念，河流從上游至下游的干擾逐漸累積。通過疊加計算出子流域河流干擾指數，整體反映人類顯著改變河流過程的可能性，通過流量工具累積算法來得到累積的結果。

第三，最終在每一段河流及對應流域形成干擾度累加的總和，并對其進行評分，即從完全無干擾狀態（RDI=0）到嚴重干擾狀態（RDI=1）。通過設定合理的閾值，在空間上識別較接近原始自然狀態的自然流淌河流。根據長江流域已經形成的人類改變與現實干支流的關系，本研究中設定 RDI ≤ 0.3為潛在自然流淌河流。需要補充說明的是該閾值僅為參考，在不同地區具體分析與應用中根據不同的保護目標來設立。

2.2 研究步驟

本研究在長江流域整體尺度上開展河流干擾度評價，識別較低干擾度的河流作為潛在自然流淌河流區域并分析其分布特征，完成基于河流干擾度指數的長江流域自然流淌河流空間制圖。具體步驟包括一下四布。

第一，收集干擾長江流域河流的自然流淌特征的地理空間數據。包括土地利用（1 km）①、人類聚居點與基礎設施（矢量）②、人類活動足跡（1 km）③、水壩（矢量）④、人工堤岸和引水工程（矢量）⑤。

第二，劃分長江流域的子流域與確定流域傾瀉點。結合中國科學院資源環境科學與數據中心的三級流域空間分布數據，確定長江流域每個河流/河段的子流域，作為評價自然流淌河流干擾度的最小單元。通過對子流域單元流域傾瀉點記錄單個子流域中的人類干擾度總和。每一段的子流域累積其上游子流域的干擾度。最終流域的出口將會記錄所有流域干擾度的總和。

第三，建立長江流域河流干擾度指數體系。建立包含來自河流水工設施的內在干擾及來自流域土地利用等外在干擾的數據集，進行權重計算，共同建立長江流域河流干擾指數體系。累積的河流干擾指數由每一子流域內外干擾度共同組成，影響指標分別是：河流外在干擾——土地利用、人類聚居點、基礎設施、人類活動足跡；河流內在干擾——水壩、人工堤岸和引水工程。通過2種要素的疊加計算出子流域河流干擾度指數。

第四，疊加計算長江流域各子流域河流干擾度指數。通過長江流域各子流域河流內在干擾與外在干擾的疊加，計算出子流域河流干擾度指數，并且各子流域的徑流量會對子流域干擾指數產生影響。對河流的干擾指數進行累積計算，通過流量累積算法（flow accumulation）得到每一支流子流域對河流干流的貢獻的干擾度指數，定量反映河流在連續景觀尺度下的整體變化。河流的干擾狀態會逐漸累積至下游，最終在流域形成干擾度累加的總和，由此形成河流干擾度連續譜，即從完全無干擾狀態（RDI=0）到嚴重干擾狀態（RDI=1）。通過設定合理閾值在空間上識別自然流淌河流。

2.3 研究結果

項目組已完成國土尺度河流干擾度評價，橫向對比全國其他流域的干擾度狀況，長江流域潛在的自然流淌河流與嚴重干擾河流的占比皆較高[28]。本研究考慮到長江經濟帶是國家重大戰略發展地區，人類活動較強，干擾度普遍較高，基于對部分實際自然流淌河流的核對，設定RDI≤0.3為潛在自然流淌河流。根據中科院地理所資源環境科學數據中心的中國河流空間長度數據，得到長江流域的潛在自然流淌河流長度約占流域干支流總長度30 462 km的24%，即7 311 km，自然流淌河流流域占流域總面積的21.6%，約為39萬平方公里。最終依據河流干擾指數繪制出長江流域自然流淌河流空間分布圖（圖1）。

根據分析結果，當前長江流域中下游受人類活動、水域污染、水利工程與河渠建設等影響，人類干擾強度較高，河流連續性與水生態系統完整性受到較大威脅。相對干擾低、處于潛在自然流淌狀態的典型河流及代表性河段主要位于長江流域干支流上游。表1的干擾度等級閾值劃分及相應河流水系及河段，作為宏觀評價結果，限于數據集精度還需結合具體現場調研及更準確的數據進行校核。但總體而言，干擾度低的河流段落意味著人類開發與水利工程干擾較小，河流的連續性也更高，同時也有更大的生物多樣性潛力，水生態系統也可能更加完整，具有更高的優先保護價值。

表1 長江流域潛在的自然流淌河流名錄Tab.1 list of Yangtze river basin’s potential free-flowing rivers

3 討論

3.1 研究結果與長江流域淡水生物多樣性的關系討論

許多研究證實了大壩等河道工程設施建設與淡水物種數量下降的相關性[29-33]，但目前國內外尚未有河流干擾度與淡水生物多樣性的直接相關性研究。因此本研究綜合已發表的關于長江流域淡水生物多樣性的相關文獻數據，與識別出的長江流域潛在自然流淌河流的分布進行初步對照分析。后續將考慮采用環境DNA方法及現場調查來獲取更為準確的數據和相關性分析結果。

長江流域魚類[34]共計378種（亞種），隸屬于14目32科144屬，其中淡水魚338種（亞種），洄游魚類11種，河口魚類29種，特有種和受威脅物種分別有162種（亞種）和69種（亞種）。流域上、中、下游的平均魚類物種數量分別為139種、125種和120種，其中上游干流及金沙江下游流域、岷江和沱江流域、嘉陵江流域、中游主干流以及下流主干流和河口區魚類物種多樣性較高。長江流域兩棲動物[35]共計145種，隸屬于2目10科30屬，特有種和受威脅物種分別有49種和69種。流域上、中、下游平均兩棲物種數量分別為21種、10種和8種，其中上游大渡河流域、金沙江下游流域、嘉陵江流域、烏江流域，中游主干流、沅江流域、湘江流域、洞庭湖流域，下游主干流和太湖流域兩棲物種多樣性較高。長江流域底棲動物[36]共計1033種或屬，隸屬于3門7綱162科513屬，其中包括環節動物121種屬、軟體動物318種、節肢動物594種屬。其物種多樣性分布格局特征為：從區域角度，環節動物和軟體動物種或屬在中游最多，節肢動物則在上游最多；從水體類型角度，環節動物種屬數在湖泊最多，節肢動物在支流較多；從流域水系角度，底棲動物的重要分布區主要在長江中游干流水系，其次在上游干流水系、金沙江水系、洞庭湖和鄱陽湖水系。

總體而言，長江流域以魚類、兩棲動物、底棲動物為代表的淡水生物多樣性，除海拔最高的江源區和金沙江中上游流域物種較為單一以外，呈現上游高于中下游，特有種比例從上游到下游隨海拔降低而逐漸降低的特征。另外，淡水生物多樣性較高的地區還多位于長江中上游與下游的河口、湖泊水系等區域。因此，河流干擾度較低的河段基本與主要水生生物物種多樣性分布較高區域重疊。反之干擾度較高河段的淡水生物多樣性受到威脅較大，如中下游贛江、太湖等區域、中上游的川渝地區，因鄰近省會或城鎮密集區，是主要的保護沖突點。這些區域部分河流支流上游仍存在潛在自然流淌河流，但也受大規模開發建設影響。

3.2 研究結果與長江流域自然保護地體系的關系討論

目前長江流域自然保護地體系仍主要針對陸域生物多樣性保護，對水域或淡水生物多樣性的保護仍需完善。長江流域現有針對淡水生態系統及物種的保護地類型，主要涉及國家公園、自然保護區、濕地公園以及水產種質資源保護區，少量也附屬于風景名勝區、森林公園、地質公園等類型。除國家公園、自然保護區管控措施較為嚴格以外，濕地公園保護強度不足。水產種質資源保護區雖然更注重保護具有較高經濟價值和遺傳育種價值的水產種質資源[37]，但與自然保護地分屬不同管理行政體系，存在跨體系綜合管理困難。以上各類型保護地因存在不同管理標準，針對淡水生物多樣性的管控政策難以統一，無法在較為完整的流域空間范圍實現系統保護。

結合長江流域自然流淌河流識別的結果來看，低干擾河流多位于上游區段，如雅礱江水系上游、金沙江水系上游；干流受人類活動影響干擾明顯，支流及上游還有許多保護空間；個別支流位于保護地范圍內，但尚未受到系統保護（圖2）。自然度最高的通天河水系基本處于三江源國家級自然保護區內，人類干擾較低，屬于較好的自然流淌狀態；金沙江部分段落位于白馬雪山國家級自然保護區、海子山自然保護區的保護范圍內，雖然上游部分河段不在保護地范圍內，但周邊干擾較小、威脅較低；雅礱江水系部分支流雖然在貢嘎山國家級自然保護區之內，但雅礱江整體仍受到梯級水電開發的影響，潛在威脅較大。

許多相關研究均表明長江流域目前的自然保護地體系對珍稀水生生物的保護仍不全面，存在較大空缺：黃心一等[38]曾指出長江中下游54.7%的魚類物種保護重點規劃單元未出現在現有保護地邊界內，僅有8.9%的規劃單元被現有保護地完全覆蓋；如謝曉等[39]發現長江中游宜昌市至湖口縣（955 km）被認為是我國淡水生物多樣性最豐富的區域之一，雖有7個保護地（3個自然保護區和4個水產種質資源保護區，覆蓋50.23%的河道長度），但高成熟度的珍稀魚類聚集區（城陵磯、鄧家口、莊口、漢口、陽邏和黃顙口河段）卻未納入保護地；而長江自四川宜賓至長江口近3 000 km的干流建有國家級自然保護區10 處、國家級水產種質資源保護區11 處，全長約1 700 km，但無法改變白鱀豚和白鱘較早已滅絕、長江鱘和中華鱘也開始出現自然繁殖中斷的局面[40]。還有研究提出在長江流域新建或提升保護區，如三江源國家公園長江源區、雅礱江河源區、金沙江干支流流水河段（如水洛河、黑水河）及大渡河河源區和嘉陵江河源區等區域[41]。

4 研究展望

鑒于長江流域淡水生態系統退化的嚴峻形勢，未來亟待開展如下工作。

4.1 長江流域面向淡水生物多樣性保護的自然保護地空缺識別

長江流域是中國河流保護與利用沖突最明顯的區域，其干支流的人類干擾程度很高，尤其是水利工程的大量存在使得河流連續性受阻，導致生境破碎化問題十分嚴重。因此未來極有必要分析長江流域現存自然流淌河流資源與淡水生物物種種群分布與其生命史特征的耦合關系，識別面向淡水生物多樣性的自然保護地空缺，這對長江流域自然保護地體系空間布局及管理決策優化具有重要現實意義。目前長江干流開發已成事實，應該探討替代性生境的選擇。盡管在許多支流河段也存在小水電、防洪與水資源開發需求，但支流仍有許多潛在保護空間。甚至高干擾河流的支流上游仍有保持、恢復河流自然流淌的機會。這些都是未來有潛力增設為保護地的區域。

4.2 長江流域面向淡水生物多樣性保護的自然保護地管理創新

進一步應聚焦重點空缺區域建立平衡生態保護成效與社會經濟成本之間的合理空間規劃方案。相比于陸生動物建立足夠面積的斑塊狀保護區一定程度上就可使其得到有效保護，魚類等水生生物常分布或遷徙于范圍廣大的流域水網，同時一般情況下難以將淡水生態系統與周圍的生產生活完全隔離開來，所以難以建立類似陸地的有效封閉保護區，并且少數孤立的淡水保護區的效果一般較差。因此，一方面可借鑒國際成熟的以河流為保護對象的相關政策與管理體系，包括美國野生與風景河流、加拿大遺產河流、淡水保護區等技術與管理方法；另一方面可以融合中國正在推進的國土空間規劃、自然保護地體系規劃、流域綜合規劃等，構建針對淡水生物多樣性的流域整體保護區（integrated protected areas），包括核心保護區（淡水生物多樣性熱點區）、關鍵管理區（維持核心區所必需的區域，如洄游通道）和流域管理區[42]，探索長江流域淡水生物多樣性保護的可行政策。

4.3 長江流域河流干擾度評價與自然流淌河流保護的應用前景

河流干擾度評價側重問題導向，自然流淌河流保護側重目標導向，是針對同一問題的兩面。干擾度具體分析各鐘人類干擾對淡水生物多樣性的制約、阻滯機制，自然流淌河流研究分析可以指導保護區系統的擴展。具體的生物多樣性數據及與干擾度評價和自然流淌河流識別的耦合是技術與管理應用的核心，進一步基于耦合度分級分區可以指導設立需要重點保護、恢復與協調的的淡水生物多樣性保護潛力區域，最終將技術性與管理性內容納入綜合流域管理戰略之中。綜合河流干擾度評價與自然流淌河流保護的另一優勢是：由于河流干擾度是綜合河流內在（河道）與外在（流域）干擾而得到的，因此有機會協同陸域（流域）與水域（河道）生態系統及過程的保護，也為實施更加有效的綜合流域管理提供途徑。由于河流管理非常復雜，脫離各方利益來考慮純粹的自然流淌河流保護既不現實，也不可能。因此需要在多利益方博弈與合作中判斷保護的分歧與共識、訴求與責任、底限與上限等，從而找到實現維護自然與人類共同利益的途徑，這是下一步在自然流淌河流研究與淡水生物多樣性保護上要努力的工作方向。

注釋：

① 來源于Data Center for Resources and Environmental Sciences,Chinese Academy of Sciences

② 來源于National Catalogue Service for Geographic Information

③ 來源于Wildlife Conservation Society - WCS, and Center for International Earth Science Information Network

④ 來源于Global Reservoir and Dam Database Version 1.3

⑤ 來源于OSM全國水系數據圖層等方面數據，形成長江流域的河流干擾度數據集