基于GIS的洞庭湖区生态系统健康评价

张哲，潘英姿* ，陈晨，2，王维，刘军会，刘孝富，赵兴征，3

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.湖南科技大学，湖南湘潭 411201

3.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085

生态系统健康是生态系统结构、功能和恢复力等特征的综合反映，体现了其稳定性和可持续性。1941年，Aldo Leopold首次提出了土地健康(land health)的定义，其所说的“land”指的就是整个生态系统［1］。20世纪80年代，Rapport论述了生态系统健康(ecosystem health)的内涵［2］，并指出生态系统健康与生态服务功能、人类自身健康、人类活动之间的相互关系［3］。随着生态系统健康研究的不断深入，许多学者针对森林、草地、农田、河湖湿地等不同类型的生态系统开展了健康评价研究［4-10］。由于生态系统类型复杂多样，影响因素众多，不同区域或类型的生态系统具有差异性和动态变化特征，因此，生态系统健康评价的方法及指标体系没有统一，评价结果可比性较差［11］。

流域是生态水文过程以及物质循环和能量、信息流动相对完整的地域单元，以流域单元开展生态系统健康评价越来越得到相关领域专家和学者的认可。GIS技术的日趋成熟与实用化，也为海量数据的空间处理提供了有力的工具，成为生态系统健康评价研究的重要技术支撑。Marcia等［12］基于遥感卫星数据利用GIS技术分析了土地覆盖与小流域健康等级的关系;Frimpong等［13］利用回归分析与模型拟合分析了流域尺度的土地利用、岸边带地形地貌、水文特征以及河段底质等生境因子与河流健康的重要影响关系。目前，大多数以流域为单元的生态系统健康评价鲜有考虑不同空间范围生态系统结构与功能的差异，以及人类活动产生的污染物从陆源到岸带传输并最终在河湖汇集的生态过程。

洞庭湖区以湖泊湿地生态系统为主，在调节径流、净化水质、调节小气候、提供动植物栖息地和维持区域的生态平衡等方面发挥着不可替代的作用［14］。近年来，由于自然以及人类活动影响，洞庭湖区水体污染加重，湿地面积逐年萎缩，生态功能退化，威胁洞庭湖区的生态系统健康。笔者利用遥感影像、实地调研和社会统计等多源数据，将洞庭湖区划分为陆域、岸边带和水域三部分，以子流域为评价单元，构建指标体系，采用多指标的综合指数模型法，开展生态系统健康评价，探讨以流域单元开展生态系统健康评价研究的技术方法和指标体系，以期为洞庭湖区生态系统保护和恢复治理提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

选取的洞庭湖区包括湖南省境内被洞庭湖周边200 km以内低山丘陵包围所形成相对完整的流域单元。地理位置为 28°13'N ～29°51'N，111°13'E ～113°45'E，涉及岳阳、益阳、常德、长沙和大庸五市的25个县级区划单元，总面积25597.21 km2(图1)。研究区属亚热带湿润季风气候，气候温和，降水充沛。地形中部低，东、西、南面高，呈浅碟状盆地，地貌类型丰富多样。河网密集，河湖湿地约占总面积的19.2%。

图1 研究区的地理范围示意图Fig.1 Study region

1.2 数据来源

遥感影像，Landsat-5卫星的TM遥感影像五幅(2008年);数字高程，比例尺为1∶25万的 DEM数据;河流水系矢量数据，1∶25万;居民点及县级区划基础信息数据，1∶400万;土壤侵蚀类型及分布矢量数据;水文监测数据和统计资料。

2 研究方法

2.1 评价单元与评价对象划分

2.1.1 陆域－岸边带－水域的划分依据

流域通常是指由分水岭所包围的地表水集水区域，是具有明确边界的水文单元，其在降水与地表径流的生态过程是相对封闭的［15-16］。以流域作为基本单元开展生态系统健康评价，是对流域单元内部的生态系统整体的活力、组织结构以及恢复力等特征进行健康状况的综合分析。与其他评价单元的不同之处在于流域是由河网水系作为廊道，将陆域、岸边带和水域相连接而构成的相对独立和完整的集水区域，其生态系统健康受到陆域、岸边带和水域健康状况的不同程度影响。

以洞庭湖区的集水盆或支流(即子流域)为基本评价单元，依据生态系统的物理结构、群落组成以及主导生态服务功能和影响因素的不同，将评价对象划分为陆域、岸边带和水域三部分，采用不同指标进行生态系统健康评价。陆域-岸边带-水域是源与汇的生态过程，陆域的人类活动产生大量污染物，污染物经过岸边带的阻纳和净化后进入河湖等水域，在此过程中三部分的生态系统组成结构、主要功能和驱动因素各有不同。陆域部分的健康状况很大程度取决于土地利用方式;岸边带的健康状况主要受植被类型和植被覆盖度及连续性等影响;水域健康状况则需考虑河道物理环境、水质、水量和水生生物等因素。进行评价对象划分的优点:1)能够突出陆域、岸边带和水域不同组分结构、功能和变化过程的差异，反映流域单元生态系统在受到污染胁迫，污染物从陆源到岸边带运移最终在水域汇集的自净和降解生态过程;2)能够展示研究区内部生态系统健康优劣的空间分布差异规律，有针对性地诊断洞庭湖区“健康”或“不健康”的主导因子或限制性因子，从而确定优先治理和预防的区域及对象，比单纯整体评价更具有针对性和实用性。

2.1.2 陆域－岸边带－水域的划分过程

根据洞庭湖自身的演变过程和多主干支流的特点，利用数字高程DEM数据结合河流水系数据，通过ArcGIS 9.3的Hydrology模块进行流域的自动提取及归并，划分子流域基本评价单元。进行TM遥感影像的几何校正和图像拼接、镶嵌等预处理过程，之后采用最大似然法(maximum likelihood classification，MLC)进行研究区生态系统的监督分类［17］。参考生态系统分类结果结合水文监测资料以及实地调研进行陆域、岸边带和水域的划分，技术流程见图2。

图2 陆域－岸边带－水域划分的技术流程Fig.2 Technology process of dividing terrestrial-riparian-aquatic

水域的划分是根据生态系统遥感分类结果进行河流水域的提取获得。其中，研究区的所有水体均被包括在内，部分远离湖体且面积较小的水体归入岸边带或陆域生态系统，因此，对水体提取的结果进行调整，将远离湖体且面积小于2 km2的水体去除，从而得到水域生态系统的研究范围;洞庭湖湖体周边人工堤坝明显，因此，结合堤坝的范围确定岸边带界线。首先运用研究区常年平均水位、最高洪水位等水文监测数据，以及洪枯两期遥感影像数据，叠加分析，初步获取岸边带的范围，然后提取除水体以外的湿地生态系统，结合初步获取的岸边带范围和人工堤坝边界，界定岸边带生态系统的范围;除水域和岸边带之外的研究区域为陆域范围。

2.2 评价指标选取及权重赋值

依据洞庭湖区陆域、岸边带和水域三部分生态结构、功能和驱动因子的差异，从生态系统的物理、化学和生物完整性出发，构建指标体系进行生态系统健康评价。

陆域生态系统健康状况从土地因子、生物因子和污染胁迫因子三方面进行评价。土地因子采用土地利用强度和土壤侵蚀强度评价，土地利用强度表示人类活动对流域生态系统的干扰程度，土壤侵蚀强度说明水土流失的状况，反映了陆域生态系统结构稳定性;生物因子反映陆域生物多样性以及生态系统的生产力状况，利用生物丰度指数和植被平均覆盖度表示;污染胁迫因子利用反映农业面源污染程度的单位面积化肥施用量来表示，以反映人类活动对陆域范围造成的污染胁迫状况。

岸边带是一个具有陆域和水域双重属性的复合生态系统，在空间区域上具有横向和纵向的连接功能［18-20］。来自陆域的污染源随地表径流穿过岸边带汇入河流水域，岸边带对其起到过滤和降解的作用，是河流水域的一道天然保护屏障。对岸边带生态系统的健康状况从其结构稳定性和功能完整性两方面进行诊断，主要利用岸边带类型、景观破碎度、面积比例和植被覆盖度等对岸边带结构和功能具有重要作用的指标来评价。

水域生态系统中，水质状况提供了第一手的河流环境信息，是水域健康评价的重要指标之一。河流边缘的自然植被阻滞污染物的能力较强，具有调节水温，影响生物生长和新陈代谢的作用，自然植被河段的比例高，则水域生态系统更健康［16］。除此之外，水域健康也包括水生生物的完整性，但我国仅在少数的河流进行过水生生物调查，通常难以获取该指标的相关资料。叶绿素a是水域绿色植物叶绿体的重要组成，标志着藻类的生长状况，是浮游植物分布的指示剂，表示初级生产力水平［21］。因此，以叶绿素a浓度来反映水域的生物状况。水域生态系统健康状况利用表征物理结构的自然植被河段比率、反映水域化学组分的水环境质量指数和反映水域生物状况的叶绿素a浓度作为评价指标。

指标权重的合理与否直接关系到评估结果的科学性。利用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)结合专家打分完成指标权重的确定。层次分析法是基于系统层次性原理建立起来的。由于层次分析法将指标定量化，客观地反映地理现象，应用比较广泛［22-23］。首先，通过利用各因素间的相互关系分解成若干层，分别将两两因子逐个比较，确定不同层次各元素重要性的优先顺序并给予定量表示。就流域生态健康而言，水域健康状况最为重要，陆域其次。参考相关文献，并邀请十多位生态、水环境与遥感等相关领域专家进行会议咨询，进行权重咨询与修订，最终，三者的权重赋值为水域(0.5)＞陆域(0.35)＞岸边带(0.15)。按相同方法依次确定各级因素的权重，之后进行一致性检验，CR=0.004，通过检验。洞庭湖区生态系统健康评价指标体系及其权重见图3。

图3 洞庭湖区生态系统健康评价的指标体系及权重Fig.3 The index of ecosystem health in Dongting Lake area

2.3 评价方法

采用被广泛应用且层次性比较清晰的多指标综合指数评价模型，将各评价指标进行权重叠加求和分析，得到洞庭湖区生态系统健康综合指数(HI)。计算公式:

式中，Hi为第i项指标健康分值;ωi为第i项指标权重。

2.4 评价标准及分级

由于指标体系中评价指标类型多样，量纲也有差异，评价指标数值的高低往往是一个笼统或模糊的概念，很难对它们的实际数值直接进行加权求和以比较分析。因此，采用极差标准化法，对各指标进行量纲统一，取值设定在0～10。

根据洞庭湖区健康综合指数分值大小，按健康综合指数分值0～2，2～4，4～6，6～8，8～10将评价结果划分为差、较差、一般、良好和优秀五级。

3 结果分析

3.1 洞庭湖区基本评价单元特征

将洞庭湖区共划分为12个子流域，即基本评价单元。中心的主体部分划分为东、南、西洞庭湖以及大通湖四个子流域，周边按照入湖水系的支流名称，依次划分为新墙河、汨罗江、湘江、资水、沅水、澧水子流域。除此以外，还包括北部的三口水系和长江南岸子流域(表1)。其中沅水子流域面积最大，为4558.53 km2，占总面积的17.81%;西洞庭湖子流域面积最小，为755.59 km2，占总面积的2.95%。

沅水和澧水子流域农田生态系统面积较大，分别为2353.9和1983.3 km2，约占农田总面积的19%和16%;林草地生态系统在澧水和新墙河子流域分布较广，面积分别为1398.8和1328.3 km2，占林草地总面积的20%和19%;湿地生态系统主要分布于东洞庭湖和南洞庭湖子流域，面积分别为1410.8和742.6 km2，二者面积之和占湿地总面积的44%;城镇人工生态系统则主要分布在沅水和资水子流域，面积分别为257.3和126.5 km2。

表1 洞庭湖区的子流域评价单元及其生态系统类型Table 1 Area of the ecosystem types in each sub-watershed

3.2 洞庭湖区陆域－岸边带－水域的特征

各子流域陆域面积相差较大，沅水子流域的陆域面积是西洞庭湖子流域的10倍左右。大部分子流域的陆域以农田为主要生态系统，仅有新墙河和资水子流域以林草生态系统为主。陆域生态系统类型总面积从大到小依次排序为水田、森林和旱地生态系统，面积分别为9057.60，6440.05和3627.79 km2。

各子流域岸边带面积均较小，面积大于500 km2的仅有东洞庭湖子流域，生态系统以芦苇湿地为主，面积为1056.28 km2，约占总面积的47%。芦苇湿地被人为建立的运输河道所分割，破碎化明显，对岸边带健康造成威胁。此外，岸边带还包括草滩、泥滩湿地以及护岸林等，护岸林以人为种植的杨树为主。

水域面积相差较小，平均面积为196.90 km2，沅水子流域水域面积最大，为418.84 km2，面积最小的是新墙河子流域，为50.75 km2。水域主要由东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖湖体及其支流水系构成，各支流由四周汇入中北部的湖泊，使得水域呈向心状分布，中北部的南洞庭湖和东洞庭湖子流域水域占总面积的30%左右。

洞庭湖区的陆域面积为20966.96 km2，占总面积的82%，岸边带和水域面积相差不大，分别为2362.86和2267.38 km2，均约占研究区的9%。各子流域的陆域、岸边带和水域相比较，除南洞庭湖子流域外，其他子流域陆域面积均大于岸边带。岸边带与水域相比，除东洞庭湖、南洞庭湖和西洞庭湖子流域外，其他子流域的岸边带面积均小于水域(图4)。

图4 洞庭湖区各子流域陆域－岸边带－水域对比Fig.4 Area chart of terrestrial-riparian-aquatic in Dongting Lake area

3.3 洞庭湖区生态系统健康评价

3.3.1 洞庭湖区综合健康状况

总体来看，各子流域生态系统健康综合指数为3～8，健康状况多属一般或良好。健康等级良好的占总面积17.1%，等级一般的占79.4%，等级较差的占3.5%。健康等级良好的包括南洞庭湖、西洞庭湖和新墙河，健康综合指数大于6。等级为较差的仅有大通湖子流域(表2和图5)。

表2 洞庭湖区生态系统健康等级统计Table 2 Level of health conditions statistics in Dongting Lake area

图5 生态系统健康评价结果Fig.5 Result of ecosystem health assessment

从空间区域分析，中心的洞庭湖主湖区、东北部的新墙河和南部资水子流域健康状况相对较好，西北和东南区域健康状况较差。陆域、岸边带和水域三部分健康状况比较而言，洞庭湖区的陆域平均健康状况好于岸边带和水域，岸边带的总体健康状况最差。

3.3.2 陆域健康状况

陆域健康指数大部分为4～6，健康状况属一般。城镇和工矿交通用地占陆域面积的4.12%，农田约占陆域面积的50%，农业化肥农药施用造成的面源污染较严重，人类农业活动以及城市化发展是威胁陆域健康状况的主要因素。土壤侵蚀强度为中度及以上程度的面积占6.40%，以周边的丘陵山地为主要分布区域。

健康状况较差的是三口水系子流域(图6)，其植被覆盖度相对较差，生态系统以农田为主，约占其陆域面积的71%，人为干扰剧烈，土地利用强度大。因此，三口水系子流域需积极开展陆域生态系统的植被恢复，进行植树造林，增加植被覆盖面积，减少人为干扰强度。严格控制农业化肥施用量以及河湖周边畜禽养殖的规模，防止面源污染对河湖生态系统带来威胁。新墙河、资水和南洞庭湖子流域自然植被覆盖度高，城镇居民用地面积比例小，人类活动干扰较小，陆域健康状况相对较好，然而，新墙河子流域坡度大于15°的区域占其陆域面积的32.86%，中度及以上程度土壤侵蚀面积占其陆域总面积的17%，土壤侵蚀强度最大，水土流失主要发生在海拔500 m以下植被稀疏的丘陵和山地，重点要防止水土流失，积极开展生物多样性的保护工作。

图6 陆域生态系统健康评价结果Fig.6 Result of terrestrial ecosystem health assessment

3.3.3 岸边带健康状况

各子流域岸边带的健康指数为1～8，健康状况差异较大。健康状态良好的有东洞庭湖、南洞庭湖和澧水子流域(图7)，约为总面积的30%，健康状态最差的为大通湖子流域，健康指数仅为1.04。

岸边带健康指数的差异主要是由于岸边带的面积比例以及类型不同所引起。大通湖子流域生态系统主体为湖泊，岸边带的面积比例很小且植被覆盖度较差，景观破碎度较大，岸边带健康状况差;东洞庭湖子流域岸边带的分布面积较大，约为总面积的44%，生态系统类型以芦苇和草滩地为主，岸边带的健康指数分值较高，岸边带的健康状况较好。针对大通湖的岸边带健康状况，需进一步加快大通湖子流域退田还湖进度，减少人为干扰强度，积极开展岸边带草滩或护岸林的恢复，加大其岸边带的建设与治理。

图7 岸边带生态系统健康评价结果Fig.7 Result of riparian ecosystem health assessment

3.3.4 水域健康状况

水域健康状况总体良好，健康指数多数高于4。其中，新墙河和资水子流域水域生态系统健康状况相对较好，大通湖子流域健康状况最差，其他子流域的水域健康状况居中(图8)。大通湖自然河段面积比例仅为2%，新墙河子流域自然河段面积比例为58%，约为大通湖的30倍。有关部门需开展大通湖湖岸整治工程，恢复沿湖的水生植被，增加沿湖植被连续性，提高截污自净能力。水质监测结果显示，湘江子流域南部受到重金属污染，水质较差，长沙市的浏阳河段出现劣Ⅴ类水质，研究区的湘江子流域位于浏阳河段下游，因此严重影响其水域健康状况。需加大对湘江水系的水质监测，对湘江水系附近的造纸业、化工厂以及重金属行业的污水处理进行监督，保障湘江子流域沿岸居民的饮用水安全。

图8 水域生态系统健康评价结果Fig.8 Result of aquatic ecosystem health assessment

4 结论与讨论

(1)以流域为单元开展生态系统健康评价已得到了专家和学者的认可，流域单元划分陆域、岸边带和水域三部分，突出了流域单元的生态系统差异性，并体现了陆源到岸边带传输水域汇集的生态过程。按照陆域、岸边带和水域三部分，依据生态特征的差异分别选取不同的评价指标:陆域评价指标依据土地因子、生物因子和污染胁迫因子三方面选取;岸边带从结构和功能两方面构建评价指标;水域生态系统健康指标主要从物理结构、化学组分及生物状况三方面选取。指标体系的选取较客观地体现了洞庭湖区生态系统健康状况，突出反映了洞庭湖区生态系统健康状况的空间分布差异规律。

(2)评估结果表明，洞庭湖区各子流域的综合健康状况多属于良好或一般。位于中心的大通湖和东南部的湘江子流域健康状况较差，需加强大通湖子流域退田还湖的力度，积极开展其岸边带草滩或护岸林的恢复，加大植被稀疏的丘陵、山地的植被恢复;湘江子流域应开展自然植被河段的恢复，加大对湘江水系的水质监测力度，对湘江水系附近的造纸业以及化工厂污水处理进行监督，加大对有色金属采矿、冶炼及压延等涉及重金属排放的行业整治与重金属污染防治工作，保障湘江子流域居民的饮用水安全。生态健康状况属于良好的是南洞庭湖和新墙河子流域，健康指数分别为6.44和7.26，生物多样性监测与保护以及水土流失的预防和治理(尤其是坡度大于15°的区域)是今后需要重点关注的内容。

(3)流域单元的生态系统健康影响因素众多，关系复杂多变，指标选取难度大，还需开展不同类型的典型案例应用研究，进一步完善评价指标体系。由于长期的流域开发，破坏了原始的流域自然本底，仍然保持自然状态的流域已基本不存在，健康水平的衡量标准难以确定。

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