朱捷緣，徐望朋，熊東禹，王 健，榮月靜，羅 越

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

沮漳河為湖北境內(nèi)長(zhǎng)江中游北岸一級(jí)支流，沮漳河流域內(nèi)的漳河水庫(kù)是江漢平原糧食安全“聚寶盆”的重要水資源保障，惠澤荊門、宜昌、襄陽(yáng)、荊州4地300多萬(wàn)人民。因此，沮漳河流域水生態(tài)環(huán)境安全對(duì)于維持長(zhǎng)江中游生態(tài)安全屏障和江漢平原的生產(chǎn)及生活安全具有重要戰(zhàn)略意義。近年來受礦山開采、農(nóng)業(yè)種植、污水收集處理不足等諸多因素影響，沮漳河流域內(nèi)干支流水質(zhì)難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[1- 2]。對(duì)標(biāo)新時(shí)期生態(tài)文明建設(shè)需求和長(zhǎng)江大保護(hù)系列戰(zhàn)略要求，2022年6月湖北省第十二次黨代會(huì)作出“堅(jiān)決守住流域安全底線”“以全省16個(gè)二級(jí)流域片區(qū)為底圖單元，推進(jìn)流域綜合治理”的決策部署，沮漳河流域是湖北省的重要流域之一。

水的問題，表象在江河湖庫(kù)，根子在流域。2013年11月，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)的宏觀視野提出山水林田湖草是一個(gè)生命共同體的理念，強(qiáng)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)生命軀體，應(yīng)該統(tǒng)籌治水和治山、治水和治林、治水和治田、治山和治林等多要素系統(tǒng)治理[3- 4]，在黨的十九大和二十大報(bào)告中也充分強(qiáng)調(diào)了山水林田湖草系統(tǒng)治理的重要性。流域是以水為紐帶的基本地域單元和“自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)”綜合體，在流域水生態(tài)環(huán)境綜合治理中需要重視自然地理單元和生態(tài)系統(tǒng)的完整性[5- 8]。然而，現(xiàn)階段針對(duì)沮漳河流域山水林田湖草多要素系統(tǒng)性和整體性分析尚不足，在流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)中各部門實(shí)施的國(guó)土空間整治、水環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目也較為分散，尚未形成合力。

流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)任務(wù)量大面廣，解析流域內(nèi)山水林田湖草生態(tài)要素的演變特征和生態(tài)變化過程、精準(zhǔn)識(shí)別流域生態(tài)退化區(qū)域是開展流域生態(tài)保護(hù)修復(fù)工作的基礎(chǔ)和前提[9- 11]。本研究基于GIS空間分析、Fragstats景觀格局分析、生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估模型等技術(shù)方法，定量評(píng)估沮漳河流域近20年來的生態(tài)系統(tǒng)演變、生態(tài)格局變化及水源涵養(yǎng)、土壤保持功能變化情況，在此基礎(chǔ)上研判流域生態(tài)退化問題，以期為現(xiàn)階段制定沮漳河流域生態(tài)保護(hù)與修復(fù)策略提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)

沮漳河由西支沮漳河、東支漳河組成，至當(dāng)陽(yáng)市河溶鎮(zhèn)兩河口匯合后稱沮漳河，于荊州市臨江寺匯入長(zhǎng)江，全長(zhǎng)341.5km，流域面積7284km2。沮漳河流域涉及襄陽(yáng)市、宜昌市、荊門市、荊州市4市，8縣(區(qū))共38個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。流域地勢(shì)西北高、東南低。上游地區(qū)為荊山山地，地勢(shì)高峻，河流穿行于叢山之間。中游為低山丘陵，下游進(jìn)入江漢平原邊緣，地勢(shì)開闊坦蕩。沮漳河流域地處鄂西秦巴山脈和武陵山脈向江漢平原的過渡地帶，地貌復(fù)雜多樣，兼具林區(qū)、山區(qū)、丘陵區(qū)和平原湖區(qū)等多種地形特征，以森林、農(nóng)田、河湖等生態(tài)系統(tǒng)為主，呈現(xiàn)“六分林三分田串兩廊”的地貌格局。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的數(shù)據(jù)及其來源為：①2000、2010、2020年沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)類型(空間分辨率30m)，來源于“全國(guó)生態(tài)環(huán)境十年變化遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目”，劃分為6個(gè)一級(jí)類，分別為農(nóng)田、森林、草地、濕地、城鎮(zhèn)、裸地；②DEM數(shù)據(jù)(空間分辨率30m)，來自中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)；③1∶100萬(wàn)土壤類型數(shù)據(jù)，來自中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(http://westdc.westgis.ac.cn)；④湖北省氣象站點(diǎn)2000—2020年的日值降雨數(shù)據(jù)，來自中國(guó)氣象局的國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.cma.cn)，通過GIS空間插值得到研究區(qū)年均降水量。

2.2 研究方法

2.2.1生態(tài)系統(tǒng)演變分析

首先在Arcgis10.2中計(jì)算出沮漳河流域2000、2010、2020年各生態(tài)系統(tǒng)類型的面積，然后在Tabulate Area模塊中計(jì)算沮漳河流域2000—2020年的生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣，分析沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)類型演變方向和面積變化。

2.2.2景觀格局分析

運(yùn)用Fragstats景觀分析軟件，計(jì)算了2000、2010、2020年沮漳河流域景觀斑塊的最大斑塊指數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)。相關(guān)研究表明城市化帶來的景觀破碎化可能會(huì)影響生境斑塊之間的物質(zhì)流、能量流循環(huán)過程，最大斑塊指數(shù)越小、香濃多樣性指數(shù)越大，景觀破碎化程度就越高，導(dǎo)致流域生境質(zhì)量降低[12- 13]。

2.2.3生態(tài)功能評(píng)估

綜合考慮沮漳河流域的生態(tài)功能定位，本研究主要評(píng)估沮漳河流域土壤保持與水源涵養(yǎng)功能，參考相關(guān)研究確定適合流域尺度的評(píng)估方法[14- 15]。土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地等)通過其生態(tài)過程減少由于水蝕所導(dǎo)致的土壤侵蝕的作用，能夠有效削弱泥沙淤積災(zāi)害、土壤養(yǎng)分下降、河流水污染等生態(tài)環(huán)境問題[16- 18]。水源涵養(yǎng)是指在一定時(shí)空范圍內(nèi)，生態(tài)系統(tǒng)通過林冠層、枯落物層和土壤層、湖泊、水庫(kù)水體等對(duì)降水進(jìn)行截留、下滲以及貯存，并將水分充分保持在系統(tǒng)中的過程和能力[19]。

(1)選用土壤保持量，即生態(tài)系統(tǒng)減少的土壤侵蝕量(用潛在土壤侵蝕量與實(shí)際土壤侵蝕量的差值測(cè)度)作為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；谛拚耐ㄓ盟亮魇Х匠?RUSLE)核算流域土壤保持量，計(jì)算公式為：

T=R×K×L×S×(1-C)

(1)

式中，T—土壤保持量，t/hm2·a；R—降雨侵蝕力因子，MJ mm/(hm2·h·a)，用多年平均年降雨侵蝕力指數(shù)表示；K—土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2MJ mm)，通常用標(biāo)準(zhǔn)樣方上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量來表示；L—坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱)；S—坡度因子(無(wú)量綱)；C—植被覆蓋和管理因子。

將土壤保持能力計(jì)算結(jié)果按照0～10、10～50、50～100、100～200、>200t/hm2·a的分級(jí)區(qū)間，在ArcGIS軟件將土壤保持能力分級(jí)為低，較低，中等，較高和高5類。

(2)采用水量平衡法對(duì)流域水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行計(jì)算，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量是降水輸入與暴雨徑流和生態(tài)系統(tǒng)自身水分消耗量的差值。計(jì)算公式為：

(2)

式中，Q—水源涵養(yǎng)量，m3/a；Ai—第i類生態(tài)系統(tǒng)的面積，m2；i—第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；n—研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)；Pi—降雨量，mm/a；Ri—暴雨徑流量，mm/a；ETi—蒸散發(fā)量，mm/a。

將水源涵養(yǎng)能力計(jì)算結(jié)果在ArcGIS軟件中按0～50、50～100、100～300、300～1000、>1000m3/a分為低，較低，中等，較高和高5個(gè)等級(jí)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)系統(tǒng)類型演變結(jié)果分析

在生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上(見表1)，2020年沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)類型以森林、農(nóng)田為主，森林和農(nóng)田分別占流域面積的65%和26%以上，濕地面積占比3.82%，草地面積占比1.87%，城鎮(zhèn)工礦用地占比不足流域面積的3%。在空間分布上(如圖1所示)，森林主要分布在流域中部和北部，農(nóng)田主要分布在流域南部，水域主要分布在當(dāng)陽(yáng)市、枝江市和荊門市的東寶區(qū)，草地主要分布在沮漳河流域遠(yuǎn)安縣以北的區(qū)域。在時(shí)空變化方面，2000—2020年流域內(nèi)農(nóng)田、森林、草地面積分別減少了37.17、18.34、5.00km2，減幅分別為1.90%、0.38%、3.54%；城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積增加了49.42km2，增幅為35.53%；濕地面積增加了10.93km2，相較2000年增加4.09%。

表1 2000、2010、2020年沮漳河流域不同生態(tài)系統(tǒng)類型面積 單位：km2

圖1 沮漳河流域2000、2010、2020年生態(tài)系統(tǒng)類型分布圖

從沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)演變方向如圖2所示，濕地面積增加主要來源為農(nóng)田、草地、森林的轉(zhuǎn)化，2000—2020年有11.12km2的農(nóng)田、4.83km2的草地、4.50km2的森林轉(zhuǎn)變?yōu)闈竦亍?000—2020年新增城鎮(zhèn)建設(shè)用地主要來源于對(duì)農(nóng)田(34.59km2)、森林(18.19km2)、濕地(2.34km2)的侵占，城鎮(zhèn)建設(shè)用地新增區(qū)域主要發(fā)生在?？悼h、遠(yuǎn)安縣、當(dāng)陽(yáng)市的沮漳河沿岸空間和農(nóng)田耕地范圍。

圖2 沮漳河流域2000—2020年森林生態(tài)系統(tǒng)演變方向圖(左)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)演變方向圖(中)、城鎮(zhèn)用地?cái)U(kuò)張分析圖(右)

3.2 景觀格局變化分析

根據(jù)2000—2020年沮漳河流域景觀斑塊的最大斑塊指數(shù)如圖3所示、香農(nóng)多樣性指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示，從空間分布來看，流域最大斑塊指數(shù)北部高、南部低，而香濃多樣性指數(shù)在東北部較低，西北和南部較高，表明南部生態(tài)空間格局破碎度較高?？傮w上，流域北部生態(tài)空間格局完整度優(yōu)于南部，當(dāng)陽(yáng)市、枝江市、荊州區(qū)以及東寶區(qū)南部的生態(tài)系統(tǒng)格局較為破碎；另一方面，沮漳河沿岸、漳河水庫(kù)沿岸的香濃多樣性指數(shù)較高，同時(shí)最大斑塊指數(shù)較低，說明沮漳河沿岸生態(tài)系統(tǒng)較為破碎、濕地生態(tài)廊道缺乏連通性。從時(shí)空變化來看，2000—2020年流域香濃多樣性指數(shù)均值從0.521上升到0.538，而最大斑塊指數(shù)均值從73.885下降到73.123，表明沮漳河流域呈現(xiàn)輕微生態(tài)系統(tǒng)斑塊破碎化趨勢(shì)。

圖3 2000、2010、2020年沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)最大斑塊指數(shù)

圖4 2000、2010、2020年沮漳河流域生態(tài)系統(tǒng)香濃多樣性指數(shù)

3.3 生態(tài)功能變化分析

根據(jù)沮漳河流域2000、2010、2020年的土壤保持功能評(píng)估結(jié)果如圖5所示，在空間分布上，流域土壤保持功能整體上呈現(xiàn)出中北部高、南部低的特征。流域北部是區(qū)域內(nèi)水土保持功能提供的重要區(qū)域，用地類型基本上為山地森林生態(tài)系統(tǒng)，起到了較好的攔截水土流失、保持土壤養(yǎng)分的作用。位于南部平原農(nóng)田地區(qū)的當(dāng)陽(yáng)市、枝江市、荊州區(qū)、荊門東寶區(qū)南部范圍的土壤保持服務(wù)能力則較弱。在時(shí)空變化上，2000—2020年沮漳河流域土壤保持服務(wù)有所提升，2000年土壤保持能力較高和高級(jí)別區(qū)域面積占比分別為33.94%、9.97%，2020年分別提升至35.04%、12.02%。土壤保持能力下降區(qū)域占比6.25%，主要分布在沮漳河沿岸、漳河水庫(kù)庫(kù)周、當(dāng)陽(yáng)市農(nóng)田區(qū)域。

圖5 2000、2010、2020年沮漳河流域土壤保持功能分布格局

根據(jù)2020年水源涵養(yǎng)功能評(píng)估結(jié)果如圖6所示，沮漳河流域水源涵養(yǎng)功能呈現(xiàn)出北高南低的特征，主要與生態(tài)系統(tǒng)類型、植被蒸散發(fā)、地表徑流等因素相關(guān)，東部漳河水庫(kù)、中北部森林水源涵養(yǎng)能力較高；南部荊州區(qū)、枝江市、當(dāng)陽(yáng)市農(nóng)田與城鎮(zhèn)建設(shè)用地水源涵養(yǎng)能力較低。在時(shí)空變化上，2000至2020年流域水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，明顯下降區(qū)域占比21.70%，輕微下降區(qū)域占比49.30%，下降區(qū)域主要分布在北部、中部的山林區(qū)域，流域內(nèi)生態(tài)空間水源涵養(yǎng)能力需加強(qiáng)。

圖6 2000、2010、2020年沮漳河流域水源涵養(yǎng)功能分布格局

3.4 變化原因分析

沮漳河流域山水林田湖草生態(tài)系統(tǒng)豐富，但在生態(tài)格局和功能上仍然存在局部退化。20年間農(nóng)田、森林、草地面積減幅分別為1.90%、0.38%、3.54%，主要由于建成區(qū)附近的城鎮(zhèn)擴(kuò)張、礦山開采、河岸帶堤防護(hù)岸地表硬化等人類活動(dòng)導(dǎo)致，尤其是沮漳河沿岸、漳河水庫(kù)沿岸的香濃多樣性指數(shù)較高，同時(shí)最大斑塊指數(shù)較低，表明濕地沿岸生態(tài)系統(tǒng)斑塊呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)，流域濕地緩沖帶生態(tài)空間管控不足。未來可以實(shí)施河流生態(tài)護(hù)岸建設(shè)、濕地生態(tài)廊道修復(fù)工程來加強(qiáng)河庫(kù)岸線濕地生境質(zhì)量提升。

另一方面，流域生態(tài)功能整體較高，但局部區(qū)域有所下降。土壤保持功能輕微下降區(qū)域主要分布在沮漳河沿岸、漳河水庫(kù)庫(kù)周、當(dāng)陽(yáng)市農(nóng)田區(qū)域，通過現(xiàn)場(chǎng)查勘可能與局部河庫(kù)洲灘岸線破壞、農(nóng)田破碎化與耕地耕作、季節(jié)性降雨量大有關(guān)，造成局部水土流失加劇。中北部山林水源涵養(yǎng)功能下降，通過模型計(jì)算參數(shù)解析，可能與植被蒸散發(fā)量增大、林分質(zhì)量下降有關(guān)。雖然森林生態(tài)系統(tǒng)瞬時(shí)截留降雨能力較強(qiáng)，但是20年間森林生長(zhǎng)過程中蒸散發(fā)量加大，同時(shí)部分原生植被不斷被人工栽培植被代替，流域中幼齡林面積比重過大(占比85.87%)，加之森林病蟲害防控難度大，流域內(nèi)松材線蟲病害發(fā)生面積約為占流域松林面積的15.47%，森林撫育需強(qiáng)化，植被結(jié)構(gòu)多樣性需加強(qiáng)。這也體現(xiàn)了要從山水林田湖草生命共同體理念來加強(qiáng)流域的系統(tǒng)治理工作。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究定量評(píng)估了沮漳河流域近20年來的山水林田湖草空間格局與生態(tài)功能變化，在此基礎(chǔ)上研判流域生態(tài)退化問題、提出生態(tài)保護(hù)修復(fù)建議，對(duì)于指導(dǎo)流域系統(tǒng)治理的關(guān)鍵區(qū)域識(shí)別具有重要參考價(jià)值。

(1)2000—2020年，流域內(nèi)農(nóng)田、森林、草地面積分別減少了37.45、18.48、5.03km2；流域香濃多樣性指數(shù)均值從0.521上升到0.538，而最大斑塊指數(shù)均值從73.885下降到73.123，沮漳河和漳河水庫(kù)沿岸濕地生態(tài)系統(tǒng)斑塊呈現(xiàn)破碎化趨勢(shì)；土壤保持功能輕微下降區(qū)域分布在沮漳河和漳河水庫(kù)沿岸、當(dāng)陽(yáng)市農(nóng)田區(qū)域的，水源涵養(yǎng)能力明顯下降區(qū)域分布在中北部山林生態(tài)系統(tǒng)。

(2)建議在流域內(nèi)布局河湖庫(kù)岸線修復(fù)與生態(tài)廊道建設(shè)，增強(qiáng)濕地緩沖帶的生態(tài)連通性；在南部布局農(nóng)田整治與生態(tài)溝渠建設(shè)等工程，起到減少水土流失與減輕地表徑流污染運(yùn)移的作用，同時(shí)在中北部山林區(qū)域內(nèi)需加強(qiáng)不同類型植被、多樣化樹種的復(fù)合搭配，加強(qiáng)森林撫育與林分質(zhì)量提升，涵養(yǎng)水源，促進(jìn)流域生態(tài)系統(tǒng)完整性與生態(tài)功能整體提升。

(3)本研究的山水林田湖草空間格局與生態(tài)功能變化研究是從宏觀層面整體評(píng)估，未來可以結(jié)合流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完善流域生態(tài)過程變化解析。