及 瑩，蔡體久，琚存勇

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱150040)

生態(tài)評(píng)價(jià)并不是一個(gè)全新的研究課題［1］。我國(guó)首次以生態(tài)系統(tǒng)為單位進(jìn)行評(píng)估源于20世紀(jì)80年代初開始的森林資源價(jià)值核算研究工作［2］。目前我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估的研究重點(diǎn)多是將森林和流域生態(tài)系統(tǒng)分別進(jìn)行評(píng)估，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估主要是森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值［3－6］和生態(tài)功能評(píng)估［7－11］。目前對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)主要集中在對(duì)河流水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，對(duì)流域水資源的物理特征和生態(tài)特征的研究還不多。水域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估研究重點(diǎn)主要是從水質(zhì)理化參數(shù)、生物指標(biāo)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、水文特征和河濱植被帶狀態(tài)與功能5個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估［12］，很少從系統(tǒng)和綜合的角度審視河流狀況［13］。雖然兩種生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)估都取得了一些成果，然而將兩種生態(tài)系統(tǒng)分開評(píng)估不能真正體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)過程與功能的耦合性及復(fù)雜性。水文循環(huán)是全球自然過程中的重要組成部分，推動(dòng)著生物圈物質(zhì)和能量的交換和傳遞，其中陸地水文循環(huán)過程是在一定的自然地理單元——流域中進(jìn)行的，流域內(nèi)高地、河岸帶植被變化 (采伐、自然演替、火燒等)必然對(duì)流域水資源從質(zhì)與量?jī)蓚€(gè)方面帶來深刻的影響，因此把水生生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)合起來，將森林流域生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)單元來進(jìn)行綜合的分析與評(píng)價(jià)在理論及實(shí)踐上都是十分必要的［14］。目前我國(guó)流域管理的指導(dǎo)思想是以行政區(qū)為單位進(jìn)行管理，違背了流域管理以自然流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行統(tǒng)一管理的思想。各主管部門從自身利益出發(fā)，無法做到對(duì)流域的統(tǒng)籌規(guī)劃和管理，導(dǎo)致水資源效益次優(yōu)化［15］。

國(guó)外以流域?yàn)閱挝坏脑u(píng)價(jià)體系主要有:以流域水質(zhì)評(píng)價(jià)為核心內(nèi)容的評(píng)價(jià)體系、以流域土地利用方式為核心內(nèi)容的評(píng)價(jià)體系、壓力－狀態(tài)－響應(yīng)評(píng)價(jià)體系、自然條件限制因子－流域生態(tài)健康指示因子－人類活動(dòng)影響因子評(píng)價(jià)體系和生物因素－非生物因素評(píng)價(jià)體系［16－17］。這些流域生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系雖然或多或少地注意到陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的影響，但評(píng)價(jià)內(nèi)容主要是生態(tài)系統(tǒng)所能提供的服務(wù)，指標(biāo)的選取由于各自研究的側(cè)重點(diǎn)或技術(shù)局限性而有所不同，或偏重于物理化學(xué)方面的指標(biāo)，或偏重于生態(tài)指標(biāo)，或偏重于社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類健康指標(biāo)［18］，而沒有實(shí)現(xiàn)流域生態(tài)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)。

美國(guó)加利福尼亞地理信息研究所研發(fā)的用于流域水文科學(xué)和資源管理的技術(shù)系統(tǒng)NetMap，綜合了多個(gè)數(shù)值模型和分析方法，是目前為止發(fā)展最完整的流域生態(tài)系統(tǒng)管理與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，目前已經(jīng)在美國(guó)本土、俄羅斯和西班牙等地得到了推廣應(yīng)用。它將森林流域看作一個(gè)完整的生態(tài)單元，研究其結(jié)構(gòu)與功能之間的互動(dòng)關(guān)系。在地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從流域角度出發(fā)，通過地形地貌、植被覆蓋、土地利用方式變化、林火風(fēng)險(xiǎn)和侵蝕潛在性等方面綜合評(píng)價(jià)森林流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，從而增加了生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估的時(shí)空性和動(dòng)態(tài)過程。

1 NetMap原理

地形、地質(zhì)條件對(duì)河流的走向、流程和河網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征等起著制約作用。河道彎曲程度、溝谷與漫灘的相間分布頻率、有無支流匯入等不同的河網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征形成了多種多樣的景觀斑塊和水生生物棲息地類型［19－20］，并且棲息地類型的空間分異無論是在溪流還是流域尺度上都會(huì)發(fā)生［21］。河流的水文特征也是多方面因素綜合作用的結(jié)果，例如，河流的含沙量，既受土質(zhì)狀況、植被覆蓋情況的影響，又受氣候因素的影響。正是這些要素之間不斷的相互作用，使得流域結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能總是處于動(dòng)態(tài)變化之中［22－23］。NetMap利用數(shù)字高程模型 (DEM)中提供的地形信息和其他相關(guān)參數(shù)，建立流域內(nèi)行政單元、景觀單元、小流域和柵格等不同尺度下河流棲息地與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，分析自然或人為干擾對(duì)棲息地變化的定量影響，包括地形和侵蝕對(duì)河道棲息地形成的調(diào)控，河網(wǎng)、河谷和河道形態(tài)對(duì)棲息地空間分布與空間差異的影響，干擾在棲息地形成過程中的作用等［24］。

NetMap系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)可以劃分為參數(shù)輸入，計(jì)算和數(shù)據(jù)輸出3個(gè)部分，3個(gè)部分之間通過用戶界面進(jìn)行交互。在數(shù)據(jù)輸入部分，主要可以通過用戶界面輸入基礎(chǔ)參數(shù) (見表1)，軟件計(jì)算部分自動(dòng)進(jìn)行流域分析，生成另外30個(gè)與自然資源管理相關(guān)的參數(shù)，輸出結(jié)果主要包括河道分類，河道干擾潛在性，泥沙輸移，核心棲息地，生境多樣性，侵蝕潛在性，道路，侵蝕風(fēng)險(xiǎn)和敏感棲息地的疊加分析以及子流域聚類屬性 (subbasin－aggregated attributes)等。

表1 NetMap 基礎(chǔ)參數(shù)［23］Tab.1 Basic parameters in NetMap［23］

2 NetMap功能

NetMap可以根據(jù)數(shù)字高程模型 (DEM)和其他參數(shù)預(yù)制25種地形屬性圖層。包括侵蝕潛在性、林火風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、水生棲息地分布、道路密度、支流注入點(diǎn)和火后泥石流 (侵蝕溝)可能性等，并通過圖層之間的疊加分析產(chǎn)生綜合的評(píng)估結(jié)果。概括地講，Netmap可以實(shí)現(xiàn)以下功能 (如圖1所示)。

圖1 NetMap功能圖解Fig.1 Overview of NetMap functions

2.1 評(píng)估功能

區(qū)別于之前的流域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)多是靜態(tài)評(píng)價(jià)而且受空間范圍的影響，NetMap充分挖掘DEM提供的地形信息，如坡度、坡向、坡面形態(tài)、流域邊界和水流路徑等［23，25］，通過模擬其中某個(gè)參數(shù)變化對(duì)流域生態(tài)水文過程的影響，定量評(píng)價(jià)各種干擾模式引起森林流域生態(tài)系統(tǒng)功能的變化規(guī)律。

2.1.1 評(píng)估水生棲息地優(yōu)劣

棲息地通常指某種生物或某個(gè)生態(tài)群體生存繁衍的地域或環(huán)境類型［26］。廣義上講，棲息地概念中不但包括了生物的地理生存空間，同時(shí)也包括了生存空間中全部環(huán)境因子，如氣候和河流等［27］。由于流域水平 (watershed level)上的空間異質(zhì)性特點(diǎn)，部分棲息地環(huán)境更適宜于某些物種的生存，這主要決定于河床坡度、河谷地形、支流匯流、河流縱比降及其他因素。NetMap的“棲息地創(chuàng)建(Habitat creator)”功能通過大尺度流域地形圖識(shí)別水生棲息地的異質(zhì)分布狀態(tài)。得出的棲息地指數(shù)包括:①棲息地質(zhì)量 (通過河岸植被狀態(tài)、水土流失及道橋等人為干擾評(píng)價(jià)棲息地的環(huán)境質(zhì)量);②生物熱點(diǎn)區(qū)域;③核心區(qū);④生境多樣性。

2.1.2 評(píng)估侵蝕潛在風(fēng)險(xiǎn)和泥沙輸移過程

NetMap包含可以搜索泥石流和相應(yīng)深層滑坡區(qū)域地形的模塊。侵蝕預(yù)測(cè)功能可以預(yù)測(cè)沉積物的走向，包括累積沉積物輸移至下游的數(shù)量。沉積物功能可以根據(jù)河流功率除以泥沙輸移量所得值預(yù)測(cè)泥石流發(fā)生的潛在區(qū)域。加上匯流處的影響可以為沉積物環(huán)境提供信息。河流功率 (底部)除以支流沉積物量與干流沉積物量的比值可以推測(cè)出支流如何影響干流的形態(tài)。NetMap同時(shí)能夠?qū)⒊练e物供給率與河流功率比較，分析沉積物是如何分布于下游河網(wǎng)。

2.1.3 景觀尺度下流域比較分析功能

大尺度景觀研究，通常按照子流域或水域數(shù)量對(duì)其環(huán)境屬性進(jìn)行分層。現(xiàn)階段我國(guó)景觀尺度流域研究很少，主要是缺少連續(xù)的地形數(shù)據(jù)和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件。就尋找高侵蝕可能性和脆弱棲息地的交叉區(qū)域而言，傳統(tǒng)的方法是首先要運(yùn)行計(jì)算機(jī)模型預(yù)測(cè)特殊地形屬性，然后用數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行累計(jì)分布功能分析，建立排序標(biāo)準(zhǔn)，得出表格樣式的輸出結(jié)果和圖層。NetMap可以簡(jiǎn)化這些工作，當(dāng)搜索引擎定位于所選流域，可以創(chuàng)建出動(dòng)態(tài)的流域?qū)傩詤?shù)的分布格局。輸出結(jié)果會(huì)以表格和圖形的方式呈現(xiàn)出來。例如，山坡侵蝕潛在性與敏感的魚類棲息地相比較，可以支持景觀尺度下土地利用的規(guī)劃，減少敏感魚類棲息地河岸帶森林的采伐。Net-Map數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫提供了數(shù)千平方公里景觀范圍內(nèi)的強(qiáng)大搜索、分類、排序和劃分流域或河道屬性的功能。

2.2 管理功能

人類活動(dòng)是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要影響因素［25］，即使是遠(yuǎn)離城市的森林流域生態(tài)系統(tǒng)也常因農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或林業(yè)采伐等干擾而受到影響。所以林業(yè)管理決策決定著森林流域的可持續(xù)發(fā)展前景。世界范圍內(nèi)絕大多數(shù)的河流和林業(yè)管理通常都基于費(fèi)時(shí)耗力且主觀因素較大的踏查測(cè)量活動(dòng)，很難發(fā)現(xiàn)從而忽略了生態(tài)環(huán)境時(shí)空分布異質(zhì)性的特點(diǎn)。事實(shí)上，流域范圍內(nèi)，并不是所有的森林都適合采伐，林火發(fā)生的幾率也不一樣，從而引起不同的土壤侵蝕現(xiàn)象，再者不同的支流匯入處可能是重要程度各異的水生棲息地。管理策略中忽略這些空間異質(zhì)性，就會(huì)造成一些不必要的損失。NetMap與現(xiàn)有河流和林業(yè)研究中的“一刀切”方案不同，因地制宜，根據(jù)流域分布的異質(zhì)性特征采取不同的管理策略，使森林流域充分發(fā)揮服務(wù)功能和生態(tài)功能。

NetMap軟件支持多領(lǐng)域的流域管理，可為魚類棲息地管理、林業(yè)的火前和火后規(guī)劃、森林恢復(fù)與保護(hù)以及氣候變化動(dòng)態(tài)研究等提供非常有價(jià)值的信息。

2.2.1 水生棲息地界定

河流中的淺灘和深潭的水深、流速及含氧量等的不同，構(gòu)成了生境的多樣性［26］。NetMap基于地形數(shù)據(jù)的分析，可以界定不同河段的生態(tài)條件，結(jié)合生物習(xí)性找出某些生物的分布區(qū)。例如，在棲息地潛力模型中河道縱比降就常用于識(shí)別銀鮭魚(Oncorhynchus kisutch)和虹鱒(Oncorhynchus mykiss)的棲息地［24］，因?yàn)楹琪V和山鱒(Oncorhynchus clarki)更喜歡棲息在地形陡峭，河道縱比降大的河源地區(qū)。

2.2.2 林業(yè)規(guī)劃

利用NetMap相關(guān)參數(shù)和自動(dòng)分析工具可以鑒別棲息地形成過程中環(huán)境的變異，搜索流域內(nèi)那些脆弱地帶或生產(chǎn)力較高的地區(qū)，為林業(yè)管理決策的制定提供多視角的信息。例如，那些寬的河岸帶緩沖區(qū)通常會(huì)是一些生物聚居的熱點(diǎn)，而相對(duì)狹窄的河岸帶則生物棲息地少而生產(chǎn)力小。林業(yè)管理者要是認(rèn)識(shí)到河源地區(qū)或沉積物富集地區(qū)容易發(fā)生泥石流，就可以限制該地區(qū)的木材采伐與道路修建，相反，可以將采伐區(qū)選在地質(zhì)土壤條件穩(wěn)定的區(qū)域。

林火會(huì)因發(fā)生地的地形和植被的異質(zhì)性而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有不同的影響。NetMap通過對(duì)火險(xiǎn)等級(jí)的計(jì)算以及與侵蝕概率圖層疊加分析，能夠發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)過后可能會(huì)發(fā)生次生災(zāi)害如泥石流和溝蝕的地區(qū)，并根據(jù)它們可能發(fā)生災(zāi)害的嚴(yán)重程度排序，確定最需要修復(fù)和保護(hù)的區(qū)域，從而最先開展修復(fù)工作，節(jié)省有限的開支和時(shí)間。根據(jù)火險(xiǎn)分布圖，林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理者可以定期清理可燃物以防止林火的發(fā)生等。

2.2.3 監(jiān)測(cè)功能

Netmap根據(jù)數(shù)字地形數(shù)據(jù)庫劃分侵蝕作用和沉積作用的范圍，這可為設(shè)定河流水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的位置提供參考。例如，支流匯入的地方和河岸山坡易發(fā)生侵蝕流失的河段，沉積作用相對(duì)突出，此處的水質(zhì)狀況就不能代表整個(gè)流域，不宜設(shè)作流域斷面水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。另外NetMap中的“創(chuàng)建河槽干擾指數(shù)”工具也可以用于確定合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。

總之，NetMap系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，方便使用者快速便捷的查找數(shù)以萬計(jì)的流域數(shù)據(jù)，并可以展開不同尺度之間的流域特征對(duì)比研究，充分尊重流域生態(tài)系統(tǒng)上下游的生態(tài)完整性，對(duì)于流域或區(qū)域尺度的生態(tài)綜合評(píng)價(jià)具有重要意義。同時(shí)，NetMap系統(tǒng)適用于多領(lǐng)域管理工作，可以為水利、漁業(yè)、林業(yè)和環(huán)境等多部門提供非常有價(jià)值的實(shí)用信息，限于篇幅在此不一一列舉。

3 前景展望

目前，我國(guó)還沒有真正樹立流域管理的思想，而是把一個(gè)完整的流域在行政上人為的分開，行動(dòng)上無法做到統(tǒng)一協(xié)調(diào)，違背了以自然流域?yàn)閱挝贿M(jìn)行統(tǒng)一管理的思想［15］。

流域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估體系所側(cè)重的科學(xué)問題同樣是多方面的。例如，水文特征、自然干擾、生物指標(biāo)、河岸植被帶變化和地質(zhì)地貌等，并且很少能真正支持管理機(jī)構(gòu)決策的信息，多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)研究的階段。迄今為止，國(guó)內(nèi)還沒有一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)大尺度綜合評(píng)價(jià)流域生態(tài)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系。相比較而言NetMap是一種低成本、高價(jià)值的森林流域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估和管理軟件，它強(qiáng)調(diào)空間關(guān)系、多要素綜合分析和動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力，其分析結(jié)果具有共享性、客觀性和區(qū)域分布性，提供了一種生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估和管理森林流域生態(tài)系統(tǒng)的新視角?？梢詾榕c地理信息相關(guān)的不同行業(yè)、不同管理機(jī)構(gòu)的日常管理和科學(xué)研究提供有價(jià)值的信息和建議，幫助政府部門制定因地制宜的管理方法，把流域管理作為水資源利用與保護(hù)的主要途徑，做到水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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