近20年沮漳河流域山水林田湖草空间格局与生态功能变化评估

朱捷缘，徐望朋，熊东禹，王 健，荣月静，罗 越

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010；
2.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

沮漳河为湖北境内长江中游北岸一级支流，沮漳河流域内的漳河水库是江汉平原粮食安全“聚宝盆”的重要水资源保障，惠泽荆门、宜昌、襄阳、荆州4地300多万人民。因此，沮漳河流域水生态环境安全对于维持长江中游生态安全屏障和江汉平原的生产及生活安全具有重要战略意义。近年来受矿山开采、农业种植、污水收集处理不足等诸多因素影响，沮漳河流域内干支流水质难以稳定达标[1- 2]。对标新时期生态文明建设需求和长江大保护系列战略要求，2022年6月湖北省第十二次党代会作出“坚决守住流域安全底线”“以全省16个二级流域片区为底图单元，推进流域综合治理”的决策部署，沮漳河流域是湖北省的重要流域之一。

水的问题，表象在江河湖库，根子在流域。2013年11月，习近平总书记从生态文明建设的宏观视野提出山水林田湖草是一个生命共同体的理念，强调生态系统是一个有机生命躯体，应该统筹治水和治山、治水和治林、治水和治田、治山和治林等多要素系统治理[3- 4]，在党的十九大和二十大报告中也充分强调了山水林田湖草系统治理的重要性。流域是以水为纽带的基本地域单元和“自然-社会-经济系统”综合体，在流域水生态环境综合治理中需要重视自然地理单元和生态系统的完整性[5- 8]。然而，现阶段针对沮漳河流域山水林田湖草多要素系统性和整体性分析尚不足，在流域生态保护修复中各部门实施的国土空间整治、水环境保护项目也较为分散，尚未形成合力。

流域生态保护修复任务量大面广，解析流域内山水林田湖草生态要素的演变特征和生态变化过程、精准识别流域生态退化区域是开展流域生态保护修复工作的基础和前提[9- 11]。本研究基于GIS空间分析、Fragstats景观格局分析、生态系统功能评估模型等技术方法，定量评估沮漳河流域近20年来的生态系统演变、生态格局变化及水源涵养、土壤保持功能变化情况，在此基础上研判流域生态退化问题，以期为现阶段制定沮漳河流域生态保护与修复策略提供科学依据。

沮漳河由西支沮漳河、东支漳河组成，至当阳市河溶镇两河口汇合后称沮漳河，于荆州市临江寺汇入长江，全长341.5km，流域面积7284km2。沮漳河流域涉及襄阳市、宜昌市、荆门市、荆州市4市，8县(区)共38个乡镇。流域地势西北高、东南低。上游地区为荆山山地，地势高峻，河流穿行于丛山之间。中游为低山丘陵，下游进入江汉平原边缘，地势开阔坦荡。沮漳河流域地处鄂西秦巴山脉和武陵山脉向江汉平原的过渡地带，地貌复杂多样，兼具林区、山区、丘陵区和平原湖区等多种地形特征，以森林、农田、河湖等生态系统为主，呈现“六分林三分田串两廊”的地貌格局。

2.1 数据来源

本研究采用的数据及其来源为：①2000、2010、2020年沮漳河流域生态系统类型(空间分辨率30m)，来源于“全国生态环境十年变化遥感调查与评估项目”，划分为6个一级类，分别为农田、森林、草地、湿地、城镇、裸地；
②DEM数据(空间分辨率30m)，来自中国科学院地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn/)；
③1∶100万土壤类型数据，来自中国土壤数据集(http://westdc.westgis.ac.cn)；
④湖北省气象站点2000—2020年的日值降雨数据，来自中国气象局的国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn)，通过GIS空间插值得到研究区年均降水量。

2.2 研究方法

2.2.1生态系统演变分析

首先在Arcgis10.2中计算出沮漳河流域2000、2010、2020年各生态系统类型的面积，然后在Tabulate Area模块中计算沮漳河流域2000—2020年的生态系统类型转移矩阵，分析沮漳河流域生态系统类型演变方向和面积变化。

2.2.2景观格局分析

运用Fragstats景观分析软件，计算了2000、2010、2020年沮漳河流域景观斑块的最大斑块指数、香农多样性指数。相关研究表明城市化带来的景观破碎化可能会影响生境斑块之间的物质流、能量流循环过程，最大斑块指数越小、香浓多样性指数越大，景观破碎化程度就越高，导致流域生境质量降低[12- 13]。

2.2.3生态功能评估

综合考虑沮漳河流域的生态功能定位，本研究主要评估沮漳河流域土壤保持与水源涵养功能，参考相关研究确定适合流域尺度的评估方法[14- 15]。土壤保持是生态系统(如森林、草地等)通过其生态过程减少由于水蚀所导致的土壤侵蚀的作用，能够有效削弱泥沙淤积灾害、土壤养分下降、河流水污染等生态环境问题[16- 18]。水源涵养是指在一定时空范围内，生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层、湖泊、水库水体等对降水进行截留、下渗以及贮存，并将水分充分保持在系统中的过程和能力[19]。

(1)选用土壤保持量，即生态系统减少的土壤侵蚀量(用潜在土壤侵蚀量与实际土壤侵蚀量的差值测度)作为生态系统土壤保持功能的评价指标。基于修正的通用水土流失方程(RUSLE)核算流域土壤保持量，计算公式为：

T=R×K×L×S×(1-C)

(1)

式中，T—土壤保持量，t/hm2·a；
R—降雨侵蚀力因子，MJ mm/(hm2·h·a)，用多年平均年降雨侵蚀力指数表示；
K—土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2MJ mm)，通常用标准样方上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量来表示；
L—坡长因子(无量纲)；
S—坡度因子(无量纲)；
C—植被覆盖和管理因子。

将土壤保持能力计算结果按照0～10、10～50、50～100、100～200、>200t/hm2·a的分级区间，在ArcGIS软件将土壤保持能力分级为低，较低，中等，较高和高5类。

(2)采用水量平衡法对流域水源涵养功能进行计算，生态系统水源涵养量是降水输入与暴雨径流和生态系统自身水分消耗量的差值。计算公式为：

(2)

式中，Q—水源涵养量，m3/a；
Ai—第i类生态系统的面积，m2；
i—第i类生态系统类型；
n—研究区生态系统类型数；
Pi—降雨量，mm/a；
Ri—暴雨径流量，mm/a；
ETi—蒸散发量，mm/a。

将水源涵养能力计算结果在ArcGIS软件中按0～50、50～100、100～300、300～1000、>1000m3/a分为低，较低，中等，较高和高5个等级。

3.1 生态系统类型演变结果分析

在生态系统结构上(见表1)，2020年沮漳河流域生态系统类型以森林、农田为主，森林和农田分别占流域面积的65%和26%以上，湿地面积占比3.82%，草地面积占比1.87%，城镇工矿用地占比不足流域面积的3%。在空间分布上(如图1所示)，森林主要分布在流域中部和北部，农田主要分布在流域南部，水域主要分布在当阳市、枝江市和荆门市的东宝区，草地主要分布在沮漳河流域远安县以北的区域。在时空变化方面，2000—2020年流域内农田、森林、草地面积分别减少了37.17、18.34、5.00km2，减幅分别为1.90%、0.38%、3.54%；
城镇建设用地面积增加了49.42km2，增幅为35.53%；
湿地面积增加了10.93km2，相较2000年增加4.09%。

表1 2000、2010、2020年沮漳河流域不同生态系统类型面积 单位：km2

图1 沮漳河流域2000、2010、2020年生态系统类型分布图

从沮漳河流域生态系统演变方向如图2所示，湿地面积增加主要来源为农田、草地、森林的转化，2000—2020年有11.12km2的农田、4.83km2的草地、4.50km2的森林转变为湿地。2000—2020年新增城镇建设用地主要来源于对农田(34.59km2)、森林(18.19km2)、湿地(2.34km2)的侵占，城镇建设用地新增区域主要发生在保康县、远安县、当阳市的沮漳河沿岸空间和农田耕地范围。

图2 沮漳河流域2000—2020年森林生态系统演变方向图(左)、农田生态系统演变方向图(中)、城镇用地扩张分析图(右)

3.2 景观格局变化分析

根据2000—2020年沮漳河流域景观斑块的最大斑块指数如图3所示、香农多样性指数计算结果如图4所示，从空间分布来看，流域最大斑块指数北部高、南部低，而香浓多样性指数在东北部较低，西北和南部较高，表明南部生态空间格局破碎度较高。总体上，流域北部生态空间格局完整度优于南部，当阳市、枝江市、荆州区以及东宝区南部的生态系统格局较为破碎；
另一方面，沮漳河沿岸、漳河水库沿岸的香浓多样性指数较高，同时最大斑块指数较低，说明沮漳河沿岸生态系统较为破碎、湿地生态廊道缺乏连通性。从时空变化来看，2000—2020年流域香浓多样性指数均值从0.521上升到0.538，而最大斑块指数均值从73.885下降到73.123，表明沮漳河流域呈现轻微生态系统斑块破碎化趋势。

图3 2000、2010、2020年沮漳河流域生态系统最大斑块指数

图4 2000、2010、2020年沮漳河流域生态系统香浓多样性指数

3.3 生态功能变化分析

根据沮漳河流域2000、2010、2020年的土壤保持功能评估结果如图5所示，在空间分布上，流域土壤保持功能整体上呈现出中北部高、南部低的特征。流域北部是区域内水土保持功能提供的重要区域，用地类型基本上为山地森林生态系统，起到了较好的拦截水土流失、保持土壤养分的作用。位于南部平原农田地区的当阳市、枝江市、荆州区、荆门东宝区南部范围的土壤保持服务能力则较弱。在时空变化上，2000—2020年沮漳河流域土壤保持服务有所提升，2000年土壤保持能力较高和高级别区域面积占比分别为33.94%、9.97%，2020年分别提升至35.04%、12.02%。土壤保持能力下降区域占比6.25%，主要分布在沮漳河沿岸、漳河水库库周、当阳市农田区域。

图5 2000、2010、2020年沮漳河流域土壤保持功能分布格局

根据2020年水源涵养功能评估结果如图6所示，沮漳河流域水源涵养功能呈现出北高南低的特征，主要与生态系统类型、植被蒸散发、地表径流等因素相关，东部漳河水库、中北部森林水源涵养能力较高；
南部荆州区、枝江市、当阳市农田与城镇建设用地水源涵养能力较低。在时空变化上，2000至2020年流域水源涵养能力呈现下降趋势，明显下降区域占比21.70%，轻微下降区域占比49.30%，下降区域主要分布在北部、中部的山林区域，流域内生态空间水源涵养能力需加强。

图6 2000、2010、2020年沮漳河流域水源涵养功能分布格局

3.4 变化原因分析

沮漳河流域山水林田湖草生态系统丰富，但在生态格局和功能上仍然存在局部退化。20年间农田、森林、草地面积减幅分别为1.90%、0.38%、3.54%，主要由于建成区附近的城镇扩张、矿山开采、河岸带堤防护岸地表硬化等人类活动导致，尤其是沮漳河沿岸、漳河水库沿岸的香浓多样性指数较高，同时最大斑块指数较低，表明湿地沿岸生态系统斑块呈现破碎化趋势，流域湿地缓冲带生态空间管控不足。未来可以实施河流生态护岸建设、湿地生态廊道修复工程来加强河库岸线湿地生境质量提升。

另一方面，流域生态功能整体较高，但局部区域有所下降。土壤保持功能轻微下降区域主要分布在沮漳河沿岸、漳河水库库周、当阳市农田区域，通过现场查勘可能与局部河库洲滩岸线破坏、农田破碎化与耕地耕作、季节性降雨量大有关，造成局部水土流失加剧。中北部山林水源涵养功能下降，通过模型计算参数解析，可能与植被蒸散发量增大、林分质量下降有关。虽然森林生态系统瞬时截留降雨能力较强，但是20年间森林生长过程中蒸散发量加大，同时部分原生植被不断被人工栽培植被代替，流域中幼龄林面积比重过大(占比85.87%)，加之森林病虫害防控难度大，流域内松材线虫病害发生面积约为占流域松林面积的15.47%，森林抚育需强化，植被结构多样性需加强。这也体现了要从山水林田湖草生命共同体理念来加强流域的系统治理工作。

本研究定量评估了沮漳河流域近20年来的山水林田湖草空间格局与生态功能变化，在此基础上研判流域生态退化问题、提出生态保护修复建议，对于指导流域系统治理的关键区域识别具有重要参考价值。

(1)2000—2020年，流域内农田、森林、草地面积分别减少了37.45、18.48、5.03km2；
流域香浓多样性指数均值从0.521上升到0.538，而最大斑块指数均值从73.885下降到73.123，沮漳河和漳河水库沿岸湿地生态系统斑块呈现破碎化趋势；
土壤保持功能轻微下降区域分布在沮漳河和漳河水库沿岸、当阳市农田区域的，水源涵养能力明显下降区域分布在中北部山林生态系统。

(2)建议在流域内布局河湖库岸线修复与生态廊道建设，增强湿地缓冲带的生态连通性；
在南部布局农田整治与生态沟渠建设等工程，起到减少水土流失与减轻地表径流污染运移的作用，同时在中北部山林区域内需加强不同类型植被、多样化树种的复合搭配，加强森林抚育与林分质量提升，涵养水源，促进流域生态系统完整性与生态功能整体提升。

(3)本研究的山水林田湖草空间格局与生态功能变化研究是从宏观层面整体评估，未来可以结合流域内的生态环境监测数据完善流域生态过程变化解析。

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