| 标题 | 漳卫南运河流域生态健康演变分析 |
| 范文 | 谈娟娟等 摘要：流域生态系统健康评价是目前流域生态系统管理研究的热点问题之一。基于PSR模型对漳卫南运河流域三个年代（20世纪80年代、90年代、21世纪初）的流域生态状况进行了健康评价，在分析其生态健康演变趋势的基础上采用典型相关分析法识别了主要的人为驱动因子。结果表明：20世纪80年代以来，漳卫南运河流域的生态健康呈现由好变差又略微转好的趋势；急剧增加的人口压力、水土保持措施的开展以及水资源的开发利用是影响流域健康发展的主要的人类活动驱动因子。 关键词：PSR模型；生态健康；景观格局；子流域；人类活动；驱动因子 中图分类号：TV213 文献标志码：A 文章编号： 16721683（2014）05006705 Ecological health evolution analysis in the Zhangweinan river basin TAN Juanjuan，DONG Zengchuan，FANG Qing，FU Xiaohua，XU Wei （College of Hydrology and Water resource，Hohai University，Nanjing 210098） Abstract：Health assessment of the ecosystem in the drainage basin is one of the hot topics in the field of ecosystem management of drainage basins.Based on the PSR model，the health assessment of ecological conditions of the Zhangweinan River Basin was performed in three eras （1980s，1990s，and 2000s）.On the basis of the ecological health evolution trend analysis，the main driving factors of human activities were identified using the method of canonical correlation analysis.The results showed that the ecological health of the Zhangweinan River Basin becomes worse and then slightly better since the 1980s，and the main driving factors of human activities affecting the health development of the river basin are the sharp increase in population，soil and water conservation，and utilization of water resources. Key words：PSR model；ecological health；landscape pattern；sub basin；human activity；driving factor 近年来随着工业化、城镇化的推进，不合理的人类活动对流域生态系统造成了严重威胁，流域生态系统健康已开始恶化[13]。为了寻求流域生态系统和社会经济发展的平衡点，人们努力寻找一个适合于流域生态系统特征的健康评价方法。 20世纪90年代早期，Costnza[45]提出了生态健康的度量标准，包括组织（多样性）、活力（新陈代谢）、恢复力、平衡能力，主要是自然因素。随后，Rapport[6]进一步完善了生态系统健康的度量标准，将人类视为生态系统的组成部分，并同时考虑了生态系统自身的健康状况和满足人类需求的程度。国外针对流域生态系统健康的评价指标主要有以下几种结构：以流域水质评价最为核心[7]；以流域土地利用为核心[8]；“压力状态响应”[9]模型；“自然条件限制因子流域生态健康指标因子人类活动影响因子”[10]；“生物因素非生物因素”；开发与保护并重的流域健康评价指标体系。在我国流域生态环境健康评价尚处于探索阶段，但随着生态文明建设的提出，生态系统健康评价也逐渐成为一个研究热点[1116]。 漳卫南运河是海河流域五大水系之一，流经山西省、河北省、河南省、山东省和天津市，也是海河流域最南部的防洪骨干水系，水资源缺乏居海河流域之首，且随着社会经济的发展，流域水资源短缺、水土流失严重、生态环境恶化严重影响流域的健康发展。因此评估漳卫南运河流域生态健康演变过程，并定量分析人类活动对流域健康演变的影响，对于保障流域社会经济可持续发展、促进和谐社会建设具有重要价值。 1 资料来源 本研究采用的资料包括：漳卫南运河流域1∶25万数字高程模型（DEM）；漳卫南运河流域20世纪80年代、90年代、21世纪初三期土地利用调查数据即土地利用/覆盖图，来源于美国Landsat卫星TM影像数据；漳卫南运河流域行政区划图（包括各地市及县）；指标体系数据来源于海河流域水资源综合规划、海河流域生态环境恢复水资源保障规划、漳卫南运河流域三次水土流失调查报告、流域水文年鉴以及河北、山西、河南省和流域各市统计年鉴。 本文研究区流域总面积37 700 km2，山区、丘陵区面积25 466 km2，占流域总面积的68%；平原面积12 234 km2，占流域总面积的32%，包含九个行政区：邯郸、长治、晋城、晋中、新乡、安阳、焦作、鹤壁以及濮阳市，其行政区划及县界见图1。 2 研究方法 2.1 流域生态健康演变分析方法 （1）生态健康评价指标体系的建立。 流域作为一个社会经济自然复合生态系统，其生态系统健康状况受自然环境背景和人类活动程度的双重影响。PSR（压力状态响应）模型用于分析流域生态健康评价具有非常清晰的因果关系：人类活动对环境施加一定的压力，从而环境状态发生一定的变化，而另一方面人类社会应当对环境的变化作出响应，因此被广泛使用于流域生态系统健康评价中。 由于研究区流域面积比较大，直接以整个流域作为评价 单元无法体现流域内不同分区生态健康演变的差异性，因此 需要对流域划分评价单元。小流域是具有相对完整的自然过程的区域单元，以小流域作为生态系统健康评价的分析单元，便于人们有针对性的进行生态环境保护和建设、生态恢复等生态环境管理工作。然而在具体评级过程中，涉及到大量的社会经济数据，而这些数据通常是以行政区为单元统计的。考虑到子流域评价指标获取的难度以及流域资料的详尽程度，确定生态系统健康评价指标体系见图2，其中：压力指标反映生态环境所面临的压力。20世纪80年代以来，流域人口的不断增长，城镇化建设的加快，土地资源及水资源的过度开发，严重影响了流域生态的健康发展，因此将人类活动给漳卫南运河流域生态健康带来的压力分为土地压力和人口压力。 状态指标反映生态系统在各种自然、人类等因素综合作用下所表现出的一种状态，即其生态功能现状。从景观生态学[17]的角度选择活力、组织、恢复力、生态系统服务功能四个指标来反映生态系统自身的结构和功能。 响应指标是对生态环境所受压力的反应。生态系统受到干扰时，会导致自然和社会经济两个方面的变化：在自然方面表现为生态系统的功能弱化，社会经济方面表现为流域的生产能力变差。 （2）指标权重确定。 指标权重反映各个指标因子对区域生态系统健康状况的贡献差异。目前权重的确定方法较多，如因子分析法、层次分析法[18]、熵权法、神经网络等方法。考虑到生态系统健康评价本身是一种主观判断，主观赋权法更为合理，本文选择层次分析法确定指标权重，结果见表1。 成分分析法和典型相关分析法两种。当变量间的相关关系较小时，主成分分析是没有意义的，而典型相关分析有利于综合描述两组变量间的典型相关关系，表示所得的自变量能够充分解释相应的标准变量的分布。因此，本文选用典型相关分析法来识别流域生态环境演变的驱动因子。 3 漳卫南运河流域生态健康评价 3.1 子流域划分及指标数据提取 本文运用ArcGIS的水文分析模块（Hydrology Model），基于数字高程模型提取流域的特征信息，将漳卫南运河流域划分为64个小流域。 社会经济指标（如土地垦殖指数、人口密度、人均生产总值等）一般是以行政区为单位进行统计的。本文按照均匀叠加法运用ArcGIS中的叠加分析功能将漳卫南运河流域内九个行政区以及其各县1985年、1995年以及2005年统计年鉴数据折算到各个小流域上。景观指数的获取是按照子流域的大小对土地利用图进行切割，通过景观指数分析软件Fragstats计算而得，其中生物第一潜在生产力利用迈阿密（Miami）模型计算获得。 3.2 子流域生态系统健康综合评价结果 在指标数据确定的基础上，利用模糊综合评价模型，对20世纪80年代以来的漳卫南子流域生态系统健康状况进行综合评价，并采用ArcGIS制作专题地图来实现评价结果的可视化表达，采用不同的颜色渲染不同健康等级的子流域，20世纪80年代、90年代、21世纪初漳卫南运河子流域的生态系统健康评价结果见图3。 从图3（a）可以看出，漳卫南运河流域20世纪80年代的总体生态系统健康状况较好；而平原区的生态健康状况较差，有部分子流域已处于病态水平，集中在邯郸市、安阳市以及鹤壁市。从图3（b）来看，20世纪90年代流域生态系统健康状况恶化，近一半的子流域处于病态水平；漳卫河山区属于长治市的子流域2、11、26由20世纪80年代很健康状态变为20世纪90年代的病态，子流域13、25、22、32的生态健康状况也有所恶化，漳卫河平原地区属于新乡市的大量子流域变为病态，比如子流域29、52、56、60和62。分析人口压力指标数据可知：20世纪80年代到90年代，流域人口增加，城市化进程加快，水资源开发利用较大，生态环境受人类活动压 迫急剧增大，生态健康受到严重的影响。从图3（c）来看，漳卫南运河流域生态系统健康状况较90年代有所改善，上游山区生态健康有所改善的子流域主要为2、5、6、13、15、16和25，平原地区有所改善的子流域主要为29、52、55、56、62、63和64。这主要是由于2000年以来针对漳卫南运河流域采取了积极有效的生态环境修复措施，分析自然及社会系统响应指标数据可知：20世纪90年代到21世纪初，林草地面积增大，水土流失状况改善，同时该区的经济状况的到较大改善，也是生态环境改善的有利因素，子流域的活力因此增 加，系统的恢复力得到加强，相应的组织结构的不合理状况得到改善，使得漳卫南运河流域的生态健康有了一定的提高。 4 人类活动驱动因子识别结果 采用典型相关分析法对漳卫南运河流域20世纪80年代至21世纪初间的生态系统健康指标体系进行分析。其中，标准变量组Y代表各种生态健康状态指标变化，用20世纪80年代至21世纪初两个时段的状态指标差值表示；自变量组X代表自然因子和人类活动因子，同样用两时段差值计算，各变量的数据长度为64个，具体变量见表3。 运用SPSS软件进行统计分析，根据计算结果可知前3个典型变量对结果分析有效。从典型相关分析中分离出的漳卫南运河流域生态系统健康状态变化与驱动力因子的典型相关分析结果图（图4）可以看出以下结果。 第一组典型变量将混布与并列指数（-0.610）、综合弹性度（1.706）和生态系统服务功能（-1.687）的变化从其他类型中分离出来，自变量组中相应的解释变量主要有土地垦殖指数（0.818）、人口密度（-0.713）、林地覆盖率（-1.107）和水资源开发利用率（0.684）。人口密度变小，林地覆盖率增大，生态系统的弹性度会增大，而生态服务功能及混布与并列指数反而会降低，但土地垦殖指数以及水资源开发利用率的降低能增强生态服务功能及混布与并列指数。 第二组典型变量把蔓延度（-0.710）和弹性度（0.827）的变化从其他类型中分离出来，相应的解释变量主要是化肥施用强度（0.521）、林地覆盖率（0.558）和人均区域生产总值（0.532）。说明生态系统的弹性度与林地覆盖率与人均区域生产总值呈正相关关系，化肥施用过多会降低生态系统弹性度，但对蔓延度反而其积极作用。 第三组典型变量将多样性（1.856）和均匀度（-1.909）的变化从其他类型中分离出来，其驱动力因子主要是降雨气温值（0.697）和土壤侵蚀度（0.689）。表明漳卫南运河流域降雨量气温值增大、土壤侵蚀程度减轻，会提高景观的多样性，但会降低景观均匀度。 通过上述分析可以确定：影响漳卫南运河流域景观生态系统健康状况的主要人类活动因子是人口增长、水土保持（即耕地和林地变化）以及水资源开发利用。因此，在今后的发展中必须严格控制人口的增长，在城市化的进程中，减少不合理的人类活动；加强对生态环境的保护与整治，注重林地保护，综合治理水土流失，合理开发水资源，促进流域生态系统向健康的方向发展。 5 结论 （1）漳卫南运河流域自20世纪80年代以来，生态健康状况呈现出由好变差、再由差到改善的过程。20世纪90年代处于病态的区域集中在漳卫南运河流域的平原地区。 （2）影响漳卫南运河流域生态系统健康状况的主要原因是近30年来漳卫南运河流域城市化发展迅速，人口压力持续增加。20世纪初针对漳卫南运河流域采取的生态环境修复措施，使得生态系统的恢复力加强，生态系统服务功能增强，因此漳卫南运河流域的生态健康有了改善，但持续增加的人口压力以及不合理的人类活动使得流域的生态健康仍处于临危状态。 （3）影响漳卫南运河流域生态系统健康状况的主要人类活动因子是增长的人口、水土保持的开展以及水资源的开发利用。人口压力是造成流域生态健康变差的主要原因，人类对自然资源不合理的开发利用也会对流域的生态系统健康造成严重的影响，水土保持的开展对流域的景观生态格局起到积极作用，流域内林地与草地面积有了明显的增加，流域生态健康有了一定程度的改善。 受资料及研究方法的限制，本文提出的流域健康评价指标体系仍不完善，而且通过典型相关分析法得到的相关性结果的有效性还有待验证，今后需要进一步深入研究。 参考文献（References）： [1] 蔡燕，王会肖.生态系统健康及其评价研究进展[J].中国生态农业学报，2007，15（2）：184187.（CAI yan，WANG Huixiao.Ecosystem health and its evaluation research progress[J].Chinese Journal of EcoAgriculture，2007，15（2）：184187.（in Chinese）） 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