劉潔, 何煜然, 周永杰,*, 鄺紅艷, 楊大勇

水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)陸域生態(tài)彈性力的影響研究

劉潔1, 何煜然2, 周永杰2,*, 鄺紅艷2, 楊大勇2

1. 廣東省社會(huì)科學(xué)院, 廣州 510635 2. 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所, 廣州 510535

基于秋香江2000、2005、2010和2015年四個(gè)時(shí)期的遙感影像及氣象、水文數(shù)據(jù), 利用生態(tài)彈性力模型, 對(duì)其流域及200米、500米岸邊帶的景觀格局和生態(tài)彈性力進(jìn)行分析比較, 揭示水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)其陸域生態(tài)彈性力的影響。結(jié)果表明: 2000—2015年期間秋香江流域的生態(tài)彈性力呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì), 尤其在2010—2015年間更為明顯, 說(shuō)明其生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力不斷弱化; 岸邊帶的生態(tài)彈性力呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì), 表明研究期間岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力有所提高; 同期相比, 秋香江200米岸邊帶的生態(tài)彈性力最高, 其次是500米岸邊帶, 最低的則是整個(gè)流域。2000—2015年秋香江流域及岸邊帶的生態(tài)彈性力有所波動(dòng), 但總體變化不大, 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)建設(shè)未對(duì)研究區(qū)的陸域生態(tài)產(chǎn)生明顯影響。

水電梯級(jí)開(kāi)發(fā); 生態(tài)彈性力; 秋香江

0 前言

生態(tài)彈性力是指生態(tài)系統(tǒng)受到外界干擾并保持其原狀的能力, 于1973年由Holling[1]首先在生態(tài)學(xué)的研究中提出。隨著相關(guān)研究的不斷深入, 部分學(xué)者[2-4]將穩(wěn)定性的概念引入到生態(tài)彈性力的定義中, 認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)具有自我維持、自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)的能力。生態(tài)彈性力的內(nèi)涵可以概括為兩個(gè)方面[5]: 一是系統(tǒng)的彈性強(qiáng)度, 即系統(tǒng)的彈性力高低; 二是系統(tǒng)的彈性限度, 即系統(tǒng)的彈性范圍。彈性強(qiáng)度的大小取決于其生態(tài)系統(tǒng)自身的性質(zhì), 如地形地貌、氣候條件、水文過(guò)程、土地覆被以及土壤等; 彈性限度則反映生態(tài)系統(tǒng)自我緩沖與調(diào)節(jié)的能力大小, 取決于生態(tài)系統(tǒng)的覆蓋類(lèi)型、多樣性以及等級(jí)狀況等[3,6]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于生態(tài)彈性力的研究方法也有不少, 如淺水湖泊模型[7]、牧場(chǎng)模型[8]和水利用效率模型[9]等。López[10]等人運(yùn)用功能與狀態(tài)的轉(zhuǎn)換模型, 定義了生態(tài)系統(tǒng)彈性限度與彈性力間的相關(guān)關(guān)系; Stephen[11]等人依據(jù)物種性狀特征, 從全局靈敏性和不確定性分析對(duì)生態(tài)彈性力進(jìn)行定量分析。王云霞[12]、趙強(qiáng)[13]等人以目標(biāo)分層法構(gòu)建指標(biāo)體系, 利用SPSS軟件, 采用主成分分析法對(duì)研究區(qū)的生態(tài)彈性力進(jìn)行評(píng)價(jià); 廖柳文[14]等人結(jié)合土地利用數(shù)據(jù), 以各類(lèi)用地的植被凈初級(jí)生產(chǎn)力均值作為彈性分值, 分析研究區(qū)生態(tài)彈性度變化的影響?？傮w而言, 多數(shù)研究將生態(tài)彈性力作為生態(tài)承載力研究的環(huán)節(jié)之一, 在自然生態(tài)系統(tǒng)上的彈性力研究較為缺乏。

水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)是指在河流上布置一系列階梯式的水利樞紐, 以充分開(kāi)發(fā)利用河流的水能、水運(yùn)資源[15], 但在產(chǎn)生巨大的防洪、發(fā)電、灌溉、航運(yùn)等經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí), 其對(duì)生態(tài)及環(huán)境的負(fù)面影響日益凸顯, 帶來(lái)的景觀格局的時(shí)空變化正是生態(tài)環(huán)境變化的基礎(chǔ), 它干擾了河流進(jìn)程, 降低河流連接度, 使流域景觀破碎化, 降低附近土地資源的利用率[16]。世界范圍內(nèi)諸多河流中發(fā)生了生態(tài)環(huán)境退化現(xiàn)象, 附近區(qū)域的景觀破碎化加強(qiáng)[17]。此外, 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)工程的建設(shè)和運(yùn)行對(duì)生態(tài)環(huán)境影響具有復(fù)雜性、潛在性、空間性、累積性及規(guī)模大的特點(diǎn), 往往造成難以估計(jì)的后果[18]。李亦秋[19]等人對(duì)貓?zhí)恿饔蛱菁?jí)開(kāi)發(fā)的研究發(fā)現(xiàn), 水電開(kāi)發(fā)后其喀斯特山地生態(tài)系統(tǒng)的平衡被打破, 陸地植物群落結(jié)構(gòu)嚴(yán)重改變、水土流失和石漠化加劇, 黃秋燕[20]以廣西大化縣紅水河梯級(jí)開(kāi)發(fā)為例, 研究發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)出現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境退化明顯、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、抗干擾能力弱等明顯的景觀生態(tài)環(huán)境效應(yīng); 李柏山[21]等人研究發(fā)現(xiàn), 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)漢江流域的生態(tài)環(huán)境壓力明顯, 其生態(tài)系統(tǒng)綜合功能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì), 對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

鑒于上述生態(tài)彈性力的研究, 以及水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響, 本文基于生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性, 以秋香江流域及受水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)工程影響最大的岸邊帶(選取多年平均水位對(duì)應(yīng)的高程線向陸域延伸200米及500米作為岸邊帶)作為研究區(qū)域, 利用遙感影像計(jì)算其2000—2015年的生態(tài)系統(tǒng)格局變化及植被覆蓋度, 以彈性強(qiáng)度系數(shù)和彈性限度為基礎(chǔ), 結(jié)合生態(tài)彈性力模型, 對(duì)整個(gè)流域和岸邊帶的生態(tài)彈性力變化進(jìn)行分析, 探討水電工程對(duì)研究區(qū)陸域生態(tài)環(huán)境造成的影響, 為水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)建設(shè)的綠色發(fā)展及生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)提供數(shù)據(jù)參考, 以期實(shí)現(xiàn)生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

秋香江是東江一級(jí)支流, 位于東江中下游, 發(fā)源于紫金縣的黎頭寨, 流域跨河源、惠州兩市, 流經(jīng)惠陽(yáng)、惠東、紫金三市縣, 流域面積1669 km2, 其中紫金縣占95.9%。地勢(shì)東高西低, 流向自東向西南流, 至紫金縣古竹鎮(zhèn)江口注入東江。干流全長(zhǎng)144 km, 河道平均坡降為1.11‰。流域內(nèi)大于100 km2的河流有圍坳水、青溪水、龍渡水、南山水、好義水。秋香江支流青溪河發(fā)源于黃塘磯山, 流至藍(lán)塘司圍處匯入秋香江, 流域面積76.6 km2。秋香江上游流域內(nèi)氣溫溫和, 屬亞熱帶山區(qū), 雨量充沛。最高溫度36 ℃, 最低溫度-4 ℃, 無(wú)霜期300天。降雨年內(nèi)分配不均勻, 春季少, 夏季多, 多年平均降雨量為1698 mm。

目前秋香江及其支流清溪河已建成的水電站共21座, 其中秋香江干流17座, 清溪河4座, 已建成引水式水電站7座, 河床式水電站12座, 壩后式水電站2座; 已完成可行性研究水電站2座, 近期規(guī)劃1座。2000年之前, 秋香江流域只有5座水電站投產(chǎn), 2000年之后, 水電站數(shù)量急劇增長(zhǎng), 其中以2000—2005年的增幅最大, 期間共有10座水電站完成建設(shè)并投入使用。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(https://earthdata.nasa.gov/)提供的Landsat TM/ETM+遙感數(shù)據(jù), 選擇2000、2005、2010和2015年共4個(gè)時(shí)間點(diǎn), 經(jīng)過(guò)大氣校正、正射校正和幾何校正等預(yù)處理后, 采用面向?qū)ο蠓诸?lèi)的方法, 結(jié)合人工和自動(dòng)識(shí)別, 實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型分類(lèi)。為提高遙感影像分類(lèi)的精度, 本研究在研究區(qū)內(nèi)隨機(jī)抽取了300個(gè)檢查點(diǎn), 利用Google Earth不同年份的高分辨率影像進(jìn)行精度評(píng)價(jià), 總體分類(lèi)精度為93.83%, Kappa系數(shù)為0.9472。其中濕地的用戶精度最高, 達(dá)到100%, 其次是城鎮(zhèn)用地(95.49%), 裸地的用戶精度最低, 主要被誤分為草地和灌叢。

降雨量和氣溫變化數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中的河源站, 選取1981—2015年的降水和氣溫變化數(shù)據(jù), 用于計(jì)算研究區(qū)的年降水變率和年氣溫變率。

2 研究方法

2.1 景觀格局變化

2.1.1 生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成

生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成比例用于表示土地覆被分類(lèi)系統(tǒng)中基于分類(lèi)的各類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)面積比例[22]。

式中:P表示土地覆被分類(lèi)系統(tǒng)中基于分類(lèi)的第類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)在第年的面積比例;S表示土地覆被分類(lèi)系統(tǒng)中基于分類(lèi)的第類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)在第年的面積;表示評(píng)價(jià)區(qū)域總面積。

2.1.2 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣

生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣可以全面具體地分析研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)變化的結(jié)構(gòu)特征與各類(lèi)型變化的方向[23]。轉(zhuǎn)移矩陣的意義在于它不但可以反映研究期初、研究期末的土地利用類(lèi)型結(jié)構(gòu), 而且還可以反映研究時(shí)段內(nèi)各土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)移變化情況, 便于了解研究期初各類(lèi)型土地的流失去向以及研究期末各土地利用類(lèi)型的來(lái)源與構(gòu)成[24]。

2.2 景觀多樣性指數(shù)

景觀多樣性是指不同類(lèi)型的景觀在空間結(jié)構(gòu), 功能機(jī)制和時(shí)間動(dòng)態(tài)方面的多樣化和變異性[25]。通過(guò)測(cè)量景觀多樣性指數(shù), 可以反映一個(gè)區(qū)域內(nèi)不同景觀類(lèi)型分布的均勻化和復(fù)雜化程度[26]。指數(shù)越高, 景觀類(lèi)型越豐富, 生態(tài)彈性力也就越大[27]。計(jì)算公式如下[28]:

式中:為景觀多樣性指數(shù);P為類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型所占比例;為研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型數(shù)量。

2.3 植被指數(shù)

采用國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣的歸一化植被指數(shù)(NDVI), 能反映土地覆蓋植被狀況和生長(zhǎng)活力, 計(jì)算公式為:

式中:為近紅外波段;為可見(jiàn)光的紅光波段, 分別對(duì)應(yīng)MODIS第2和第1波段。NDVI值范圍為[-1, 1], 0以下表示非植被覆蓋區(qū)。

2.4 生態(tài)彈性力

綜合生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與彈性限度因素, 建立生態(tài)彈性力模型[29]:

式中:為生態(tài)彈性力; λ為調(diào)節(jié)系數(shù)(一般取0.01)[8];為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù);ECO為生態(tài)系統(tǒng)彈性限度。

根據(jù)彈性強(qiáng)度系數(shù)和彈性限度的決定因素與自身性質(zhì)確定計(jì)算公式:

式中:為生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù);為景觀多樣性指數(shù);為植被指數(shù);C為年降水變率;C為年氣溫變率;P為土地類(lèi)型的面積覆蓋百分比;S為土地類(lèi)型的彈性分值。

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局變化分析

3.1.1 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

秋香江流域的生態(tài)系統(tǒng)是在人類(lèi)活動(dòng)和自然條件影響之下的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng), 人為的開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)和局部地區(qū)的自然地理生物條件形成了流域特有的景觀格局。流域的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型以森林生態(tài)系統(tǒng)為主(見(jiàn)圖1), 森林覆蓋率達(dá)90%左右, 2015年, 森林生態(tài)系統(tǒng)面積約為1970.75 km2, 占流域總面積的90.05%, 16年間增加19.91 km2, 說(shuō)明流域內(nèi)的原陸域生態(tài)系統(tǒng)得到較好的保護(hù)。而裸地生態(tài)系統(tǒng)變化較大, 由2000年的29.97 km2減少至2015年的5.65 km2, 減少了81.16%。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在逐漸減少, 但是總體變化不大, 2000年面積約為143.80 km2, 占流域總面積的6.57%, 2015年面積約為133.44 km2, 占流域總面積的6.10%, 16年間減少10.36 km2, 主要分布在秋香江干流下游的平原地區(qū)。濕地生態(tài)系統(tǒng)總體保持不變, 2000和2015年兩個(gè)時(shí)期的面積分別為13.77 km2和14.24 km2, 增加3.40%, 主要分布在秋香江干流及其支流。城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)主要分布在秋香江上游的紫金縣城區(qū), 由2000年1.08%增至2015年1.61%, 面積增長(zhǎng)11.68 km2。灌叢與草地生態(tài)系統(tǒng)分布較少, 2015年分別占流域總面積的1.23%和0.11%。

秋香江200米岸邊帶的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型在2000—2015年總體變化不大, 其中以森林為主(見(jiàn)表1), 占200米岸邊帶面積的43.08%, 增加了0.28 km2; 其次是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 占200米岸邊帶面積的28.78%, 15年間減少0.76 km2; 此外, 濕地生態(tài)系統(tǒng)面積略有增加, 2000年面積為7.25 km2, 2010年面積為7.40 km2, 增長(zhǎng)了2.07%。

秋香江500米岸邊帶的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型與200米岸邊帶相似, 2000—2015年總體變化不大, 森林覆蓋率接近60%, 15年間增加0.47 km2; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)也占有較大面積, 占500米岸邊帶面積的20%以上, 期間減少1.80 km2; 此外, 城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積逐漸增加, 2000年面積為9.26 km2, 2015年面積為10.93 km2, 增長(zhǎng)了18.03%。

圖1 2000—2015年秋香江流域生態(tài)系統(tǒng)分類(lèi)圖

Figure 1 The classification of ecosystem type in the Qiuxiangjiang River basin from 2000 to 2015

表1 2000—2015年秋香江岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型面積與比例

3.1.2 生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移特征

從2000—2015年秋香江流域生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)看(見(jiàn)表2), 各生態(tài)系統(tǒng)總體面積變化不大, 轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出變化也并不顯著, 僅有1.90%的森林面積轉(zhuǎn)入其它類(lèi)型的生態(tài)系統(tǒng), 其中轉(zhuǎn)換成灌叢生態(tài)系統(tǒng)的面積相對(duì)較多, 為13.00 km2, 同時(shí)灌叢、農(nóng)田和裸地等其他生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型轉(zhuǎn)入到森林, 其中裸地轉(zhuǎn)入的面積最大, 為26.79 km2。從濕地轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)入情況來(lái)看, 濕地并未呈現(xiàn)萎縮狀態(tài), 16年間增加了3.40%。從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移情況來(lái)看, 2000—2015年間流域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)處于下降趨勢(shì), 其中有16.22 km2的農(nóng)田被轉(zhuǎn)變?yōu)樯? 其次有5.48 km2的農(nóng)田轉(zhuǎn)換為城鎮(zhèn)建設(shè)用地, 說(shuō)明在城市化的過(guò)程中, 占用農(nóng)田是獲取土地的主要手段之一。此外流域的建設(shè)用地還來(lái)源于森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)入, 轉(zhuǎn)入面積分別為9.08 km2和0.21 km2。

3.2 景觀多樣性指數(shù)分析

根據(jù)秋香江流域各生態(tài)系統(tǒng)占區(qū)域的面積比例, 計(jì)算得到2000、2005、2010和2015年流域及岸邊帶的景觀多樣性指數(shù)(見(jiàn)表3)。從流域的景觀多樣性指數(shù)來(lái)看, 2000—2010年間持續(xù)下降, 從2000年的0.69下降到2010年的0.60, 反映了這11年間流域的景觀多樣性逐漸變小, 流域內(nèi)不同景觀類(lèi)型異質(zhì)性和生態(tài)景觀整體功能有所減弱, 生態(tài)彈性力呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。2015年流域的景觀多樣性雖然有所上升, 其景觀多樣性指數(shù)為0.63, 但仍未達(dá)到2000、2005年的水平。200米岸邊帶和500米岸邊帶的景觀多樣性指數(shù)整體維持較好, 保持在1.60以上, 未見(jiàn)明顯下降。

3.3 NDVI分析

經(jīng)整理計(jì)算, 2000、2005、2010和2015年秋香江流域的NDVI年均值如圖2所示, 整體呈先上升后下降的趨勢(shì)。從空間分布格局上看, 流域中游NDVI值相對(duì)較低, 上游和下游較高, 主要原因是中游區(qū)域受人類(lèi)活動(dòng)影響大, 農(nóng)田占比相對(duì)較高, 上游和下游區(qū)域植被類(lèi)型主要為森林。

表2 2000—2015年秋香江流域生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型轉(zhuǎn)移矩陣

表3 秋香江流域景觀多樣性指數(shù)

秋香江200米岸邊帶2000—2015年的NDVI值較為穩(wěn)定, 最小值出現(xiàn)在紫金縣城區(qū)河段, 河流兩岸為集中居住區(qū), 植被覆蓋較少, 同時(shí)受城市擴(kuò)張影響, NDVI值小于0.20的區(qū)域隨之?dāng)U大。500米岸邊帶的NDVI值與200米岸邊帶的變化趨勢(shì)大致相同, 整個(gè)500米岸邊帶范圍的NDVI年均值略有下降, 從2000年的0.70下降到2015年的0.68。

3.4 年降水率C1和年氣溫變率C2計(jì)算結(jié)果分析

由于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)中的紫金站數(shù)據(jù)從2009年開(kāi)始統(tǒng)計(jì), 未能滿足本次研究要求, 故本文采用河源站1981—2015年的降水和氣溫變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 通過(guò)平均相對(duì)變率公式進(jìn)行計(jì)算, 得出1981—2000年、1981—2005年和1981—2010年研究區(qū)的降水相對(duì)變率分別為16.91%、17.36%、16.82%和19.37%, 氣溫相對(duì)變率分別為1.80%、2.09%、1.97%和2.31%, 可以看出不同階段的降水相對(duì)變率顯著高于氣溫相對(duì)變率, 兩者都呈現(xiàn)先上升后下降再上升的過(guò)程。從各時(shí)期的降水相對(duì)變率和氣溫相對(duì)變率, 可見(jiàn)研究區(qū)內(nèi)氣溫未有明顯變化, 較為穩(wěn)定, 但平均降水量波動(dòng)較為顯著。

3.5 生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)結(jié)果分析

由公式(6)計(jì)算可得出生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù), 2000、2005、2010和2015年秋香江流域及其岸邊帶的生態(tài)彈性強(qiáng)度系數(shù)均值如表4所示, 16年間流域及其岸邊帶的生態(tài)彈性強(qiáng)度系數(shù)總體變化相似。2000—2005年間生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 其中下降幅度最大的是200米岸邊帶, 從2000年的440.20下降到2005年的354.22, 降低了19.53%, 其次是秋香江流域, 降低了15.78%。與2005年相比, 2010年的生態(tài)彈性力強(qiáng)度系數(shù)有所上升, 上升幅度最大的是200米岸邊帶, 從2005年的354.22上升到2010年的404.79, 增長(zhǎng)了14.28%。到2015年, 流域和岸邊帶的景觀類(lèi)型雖然變化不大, 但其土地覆蓋植被狀況和生長(zhǎng)活力卻相對(duì)較差, 導(dǎo)致生態(tài)彈性強(qiáng)度系數(shù)也有所下降, 其中降幅最大的為200米岸邊帶, 降幅為29.33%, 其次是500米岸邊帶, 下降了28.70%。這與牛潛[30]等人對(duì)貴陽(yáng)市區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)與NDVI值變化的研究結(jié)果一致。

圖2 秋香江流域NDVI空間分布圖

Figure 2 The spatial distribution of NDVI in the Qiuxiangjiang River basin

3.6 生態(tài)系統(tǒng)彈性限度分析

根據(jù)不同土地類(lèi)型對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)程度不同, 對(duì)七大生態(tài)系統(tǒng)賦予不同的彈性分值, 彈性分值的確定參考有關(guān)研究[31–32], 并結(jié)合研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的基本特征, 得如下結(jié)果, 如表5所示。

通過(guò)上述分析, 結(jié)合公式(7)進(jìn)行計(jì)算可得出生態(tài)彈性限度, 2000、20005、2010和2015年秋香江流域及其岸邊帶的生態(tài)彈性限度均值如表6所示, 變化趨勢(shì)與景觀多樣性指數(shù)的大致相同, 這與楊超[33]等人關(guān)于我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)彈性限度與景觀多樣性指數(shù)分布格局的分析相一致。2000—2010年間流域的生態(tài)彈性限度明顯持續(xù)下降, 從2000年的0.59下降到2010年的0.52, 下降了11.86%。研究期間雖然流域的生態(tài)類(lèi)型面積變化不大, 森林生態(tài)系統(tǒng)覆蓋率維持在90%左右, 但是其景觀多樣性指數(shù)逐漸減小, 導(dǎo)致其生態(tài)彈性限度同樣逐漸下降, 反映出流域自我緩沖與調(diào)節(jié)的能力有較大的提升空間。隨著流域森林生態(tài)系統(tǒng)面積的增加, 2015年流域的生態(tài)彈性限度上升到0.54。岸邊帶的生態(tài)彈性限度較為穩(wěn)定, 總體仍能維持在1.20左右。

表4 秋香江流域生態(tài)系統(tǒng)彈性強(qiáng)度系數(shù)

表5 不同土地類(lèi)型的彈性分值

表6 秋香江流域生態(tài)系統(tǒng)彈性限度

3.7 生態(tài)彈性力分析

基于上述分析, 結(jié)合公式(5), 計(jì)算得出2000、2005、2010和2015年研究區(qū)的生態(tài)彈性力均值, 如圖3所示?？傮w來(lái)看, 16年間秋香江流域的生態(tài)彈性力不斷減小, 從2000年的1.06下降到2015年的0.60, 主要是因?yàn)槠渚坝^多樣性和NDVI值有所下降, 且年均降水量波動(dòng)較大, 因此其生態(tài)彈性力持續(xù)減弱。

2000—2015年間秋香江200米岸邊帶的生態(tài)彈性力呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)。200米岸邊帶在2000—2005年景觀多樣性指數(shù)和NDVI值有所波動(dòng), 影響其生態(tài)彈性力有所下降, 在2005—2010年間其土地覆蓋植被狀況和生長(zhǎng)活力有所改善和提高, 且森林和濕地生態(tài)系統(tǒng)面積有所增加, 能對(duì)維持和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的彈性度起重要作用, 使其生態(tài)彈性力有所上升, 2010—2015年間其植被狀況相對(duì)較差, 雖然景觀多樣性指數(shù)有所上升, 但幅度較小, 使得其生態(tài)彈性力有所下降。500米岸邊帶的生態(tài)彈性力變化趨勢(shì)與200米岸邊帶的相似, 都是呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)。

同期相比, 秋香江200米岸邊帶的生態(tài)彈性力持續(xù)維持在最高的水平, 高出整個(gè)流域的生態(tài)彈性力6.4倍左右, 其次是500米岸邊帶, 高出整個(gè)流域的生態(tài)彈性力5.0倍左右, 最低的則是整個(gè)流域, 表明200米岸邊帶的生態(tài)環(huán)境恢復(fù)力相對(duì)較強(qiáng), 穩(wěn)定性較好, 生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力和抗干擾能力相對(duì)較高。根據(jù)豆明偉[34]等人的研究, 生態(tài)要素和水文要素是影響生態(tài)彈性力的主要因素, 生境要素的下降, 主要受生態(tài)系統(tǒng)變化的影響, 其中農(nóng)田的減小和城鎮(zhèn)建設(shè)用地的增加是生境要素降低的主要原因之一。由于自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)條件的不同, 加上城市化進(jìn)程速度加快, 16年間流域的城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積逐漸增加, 到2015年其城鎮(zhèn)生態(tài)系統(tǒng)面積達(dá)到35.21 km2, 分別是200米、500米岸邊帶的7.61倍、3.22倍, 反映了流域受到的人為活動(dòng)干擾比岸邊帶大, 人類(lèi)活動(dòng)的增強(qiáng)也是導(dǎo)致流域生態(tài)彈性力下降的原因之一。

圖3 秋香江流域生態(tài)彈性力均值圖

Figure 3 The average of ecological resilience in the Qiuxiangjiang River basin

4 討論

本次研究結(jié)果表明, 從景觀格局變化來(lái)看, 秋香江流域及其岸邊帶的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型總體變化不大, 景觀多樣性一直維持在較好水平; 從生態(tài)彈性力來(lái)看, 整個(gè)流域及岸邊帶有所波動(dòng), 但總體變化不大, 200米岸邊帶持續(xù)維持在最高水平?？傮w來(lái)看, 秋香江流域的景觀格局與生態(tài)彈性力未受到梯級(jí)小水電的明顯影響。這主要有兩個(gè)原因: 1)研究區(qū)位于丘陵地帶、自然植被條件良好; 2)與東江的其它中下游地區(qū)相比, 秋香江流域受水電開(kāi)發(fā)以外的其它劇烈人類(lèi)活動(dòng)的影響較小有關(guān)。

與以往大中型河流水電開(kāi)發(fā)對(duì)于陸域生態(tài)影響的研究結(jié)果相比, 秋香江流域梯級(jí)小水電建設(shè)的影響不明顯。但是, 這同時(shí)也說(shuō)明了水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的復(fù)雜性。本文采用的研究方法對(duì)于辨析梯級(jí)小水電開(kāi)發(fā)對(duì)中小河流流域的主要影響因素有重要的參考價(jià)值; 同時(shí), 本次的研究結(jié)果客觀地呈現(xiàn)了秋香江流域梯級(jí)小水電對(duì)流域、岸邊帶的景觀格局與生態(tài)彈性力的影響, 對(duì)于政府部門(mén)對(duì)小水電未來(lái)發(fā)展與規(guī)制的科學(xué)決策也具有重要參考意義。

本次研究分析了秋香江流域的景觀多樣性指數(shù)、NDVI值、生態(tài)彈性力指數(shù)和景觀格局的時(shí)間變化趨勢(shì), 同時(shí), 又對(duì)流域、200米岸邊帶與500米岸邊帶的不同空間尺度的陸域生態(tài)特征進(jìn)行了研究。從研究結(jié)果來(lái)看, 秋香江梯級(jí)小水電的影響不明顯。然而, 以中上游引水式為主、中下游河床式為主的中小河流梯級(jí)小水電開(kāi)發(fā)形式, 其對(duì)陸域生態(tài)的影響也是分段式的, 即在不同的河段會(huì)呈現(xiàn)不同的特征。因此, 在今后的相關(guān)研究中, 可進(jìn)一步對(duì)不同河段的陸域景觀格局與生態(tài)彈性力的時(shí)空變化特征進(jìn)一步進(jìn)行精細(xì)化的研究。同時(shí), 對(duì)位于山區(qū)、中下游三角洲地帶以及不同人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度的地區(qū), 可選取典型河流進(jìn)行分區(qū)分類(lèi)的對(duì)比研究。

5 結(jié)論

中小河流的梯級(jí)小水電開(kāi)發(fā)有與大型河流明顯不同的特征, 同時(shí), 小水電的存在也是我國(guó)農(nóng)村水資源及電力綜合開(kāi)發(fā)利用的需要。因此, 如何合理的開(kāi)發(fā)利用, 既避免“一刀切”又杜絕過(guò)度無(wú)序開(kāi)發(fā), 是目前農(nóng)村水電管理部門(mén)急切需要解決的問(wèn)題。本文的研究對(duì)象秋香江是廣東省內(nèi)的重要河流、東江一級(jí)支流, 秋香江上小水電站的類(lèi)型及分布能夠代表廣東省內(nèi)丘陵地區(qū)小水電開(kāi)發(fā)的普遍特征, 且在2000年之后秋香江的小水電開(kāi)發(fā)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。本文的研究目的, 是對(duì)小水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)于陸域生態(tài)景觀格局及生態(tài)彈性力的影響進(jìn)行研究。本文采用的研究方法, 是通過(guò)遙感解譯、GIS分析、模型計(jì)算, 通過(guò)對(duì)土地利用類(lèi)型結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)移進(jìn)行計(jì)算, 研究了秋香江流域及其岸邊帶以生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型為表征的景觀格局的時(shí)空變化特征, 并進(jìn)一步研究流域內(nèi)及岸邊帶景觀多樣性指數(shù)、NDVI值、生態(tài)彈性力的時(shí)空變化特征。研究結(jié)果表明, 梯級(jí)水電站建設(shè)未對(duì)研究區(qū)的景觀格局和生態(tài)彈性力造成明顯影響, 整體陸域生態(tài)維持穩(wěn)定趨勢(shì)。

[1] HOLLING C S. Resilience and stability of ecological systems[J]. Annual Review of Ecology and Systematics, 1973, 4(1): 1–23.

[2] WESTMAN W E. Measuring the inertia and resilience of ecosystems[J]. BioScience, 1978, 28(11): 705–710.

[3] 高吉喜. 可持續(xù)發(fā)展理論探索——生態(tài)承載力理論、方法與應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2001.

[4] SASAKI T, FURUKAWA T, IWASAKI Y, et al. Perspectives for ecosystem management based on ecosystem resilience and ecological thresholds against multiple and stochastic disturbances[J]. Ecological Indicators, 2015, 57: 395–408.

[5] STERK M, GORT G, KLIMKOWSKA A, et al. Assess ecosystem resilience: Linking response and effect traits to environmental variability[J]. Ecological Indicators, 2013, 30: 21–27.

[6] 張寶秀, 熊黑鋼, 徐長(zhǎng)春. 新疆于田綠洲生態(tài)彈性度與景觀環(huán)境分析[J]. 水土保持研究, 2008, 15(6): 112–114.

[7] KARL-G?RAN M, ANASTASIOS X, AART DE Z. The economics of shallow lakes[J]. Environmental and Resource Economics, 2003, 26(4): 603–624.

[8] JANSSEN M A, ANDERIES J M, WALKER B H. Robust strategies for managing rangelands with multiple stable attractors[J]. Journal of Environmental Economics and Management, 2004, 47(1): 140–162.

[9] PONCECAMPOS G E, MORAN M S, HUETE A, et al. Ecosystem resilience despite large-scale altered hydro-climatic conditions[J]. Nature, 2013, 494(7437): 349–352.

[10] LóPEZ D R, BRIZUELA M A, WILLEMS P, et al. Linking ecosystem resistance, resilience, and stability in steppes of North Patagonia[J]. Ecological Indicators, 2013, 24: 1–11.

[11] PERZ S G, MU?OZ-CARPENA R, KIKER G, et al. Evaluating ecological resilience with global sensitivity and uncertainty analysis[J]. Ecological Modelling, 2013, 263: 174–186.

[12] 王云霞, 陸兆華. 北京市生態(tài)彈性力的評(píng)價(jià)[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(2): 97–100.

[13] 趙強(qiáng), 李秀梅, 謝嘉欣. 濟(jì)南市生態(tài)彈性力評(píng)價(jià)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2015, 34(2): 156–160.

[14] 廖柳文, 秦建新, 劉永強(qiáng), 等. 基于土地利用轉(zhuǎn)型的湖南省生態(tài)彈性研究[J]. 經(jīng)濟(jì)地理, 2015, 35(9): 16–23.

[15] 岳俊濤, 甘治國(guó), 廖衛(wèi)紅, 等. 梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)河流水文情勢(shì)及生態(tài)系統(tǒng)的影響研究綜述[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2016, (10): 31–34+39.

[16] ZHAO Qinghe, LIU Shiliang, DENG Li, et al. Determining the influencing distance of dam construction and reservoir impoundment on land use: A case study of Manwan Dam, Lancang River[J]. Ecological Engineering, 2013, 53(53): 235–242.

[17] SUN Qiaohong, MIAO Chiyuan, DUAN Qingyun, et al. Would the ‘real’ observed dataset stand up? A critical examination of eight observed gridded climate datasets for China[J]. Environmental Research Letters, 2014, 9(1): 015001.

[18] 王兵, 劉國(guó)彬, 王伯鐸, 等. 基于景觀尺度的水電站生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)環(huán)境, 2009, (10): 144–146.

[19] 李亦秋, 魯春霞, 鄧歐, 等. 貓?zhí)恿饔蛱菁?jí)開(kāi)發(fā)的生態(tài)效應(yīng)區(qū)域響應(yīng)[J]. 資源科學(xué), 2011, 33(8): 1454–1461.

[20] 黃秋燕. 紅水河梯級(jí)開(kāi)發(fā)18年間庫(kù)區(qū)景觀格局變化及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)——以廣西大化縣為例[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 36(28): 12459–12462+12464.

[21] 李柏山, 李海燕, 周培疆. 漢江流域水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究[J]. 人民長(zhǎng)江, 2016, 47(23): 16–22+54.

[22] 蘇相琴, 于嶸, 何雅孜, 等. 廣西北部灣生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與格局及其變化評(píng)估[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015, 15(26): 19–26.

[23] 王偉, 曹云, 彭昆國(guó), 等. 基于RS和GIS的江西省生態(tài)系統(tǒng)格局和空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化研究[J]. 江西科學(xué), 2014, 32(5): 617–623+684.

[24] 魯春陽(yáng), 齊磊剛, 桑超杰. 土地利用變化的數(shù)學(xué)模型解析[J]. 資源開(kāi)發(fā)與市場(chǎng), 2007, 23(1): 25–27.

[25] 呂志強(qiáng), 吳志峰, 陳紅頂, 等. 耕地格局多樣性分析——以珠三角洲為例[C]∥中國(guó)可持續(xù)發(fā)展研究會(huì). 2007中國(guó)可持續(xù)發(fā)展論壇暨中國(guó)可持續(xù)發(fā)展學(xué)術(shù)年會(huì)論文集(4). 哈爾濱: 黑龍江教育出版社, 2007: 143–149.

[26] 郭濼, 杜世宏, 楊一鵬. 基于RS與GIS的廣州市森林景觀格局時(shí)空分異研究[J]. 地理與地理信息科學(xué), 2008, 24(1): 96–99+112.

[27] 劉曉平, 李鵬, 任宗萍, 等. 榆林地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)彈性力評(píng)價(jià)分析[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(22): 7479–7491.

[28] 徐化成. 景觀生態(tài)學(xué)[M]. 北京: 中國(guó)林業(yè)出版社, 2005.

[29] 閆旭騫. 礦區(qū)生態(tài)承載力定量評(píng)價(jià)方法研究[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā), 2006, 26(3): 82–85.

[30] 牛潛, 周旭, 張繼, 等. 喀斯特山地城市生態(tài)系統(tǒng)彈性變化分析——以貴陽(yáng)市區(qū)為例[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2019, 28(3): 722–730.

[31] 張斐, 陳可龍, 朵海瑞. 近25年青海湖流域土地利用變化及其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)——以剛察縣為例[J]. 青海草業(yè), 2009, 18(4): 8–12.

[32] 何新, 姜廣輝, 張瑞娟, 等. 基于PSR模型的土地生態(tài)系統(tǒng)健康時(shí)空變化分析——以北京市平谷區(qū)為例[J]. 自然資源學(xué)報(bào), 2015, 30(12): 2057–2068.

[33] 楊超, 陳萬(wàn)旭, 冉端, 等. 中國(guó)縣域生態(tài)系統(tǒng)彈性力時(shí)空演變特征分析[J]. 水土保持研究, 2020, 27(4): 1–7.

[34] 豆明偉, 唐莉華, 徐翔宇, 等. 安徽省生態(tài)彈性力時(shí)空變化及影響因素研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 184–190.

Impacts of small cascaded hydropower plants on terrestrial ecological resilience in the Qiuxiangjiang River basin

LIU Jie1, HE Yuran2, ZHOU Yongjie2,*, KUANG Hongyan2, YANG Dayong2

1. Guangdong Academy of Social Sciences, Guangzhou 510635, China 2. South China Institute of Environmental Sciences, MEE, Guangzhou 510535, China

Based on satellite image, meteorological data and hydrological data of the Qiuxiangjiang River in 2000, 2005, 2010 and 2015, this paper analyzes and compares the landscape pattern and ecological resilience of the river basin, and its 200 m riparian zone and 500 m riparian zone in the Qiuxiangjiang River by using the model of ecological resilience, and reveals the impacts of small cascaded hydropower plants on terrestrial ecological resilience. The result showed that the ecological resilience of the Qiuxiangjiang River basin decreased continuously from 2000 to 2015, especially for the year of 2010-2015, which illustrated the self-regulation ability of ecosystem had weakened all over the time. Meanwhile, the ecological resilience of its riparian zone decreased from 2000 to 2005, but improved from 2005 to 2010, and then declined from 2010 to 2015 lastly, which indicating the self-regulation ability of ecosystem had strengthened. Compared with the same period, the ecological resilience of 200 m riparian zone was the maximum, followed by 500 m riparian zone, while the ecological resilience of the Qiuxiangjiang River basin was the minimum. Overall, there was little change of the ecological resilience occurred in the Qiuxiangjiang River basin and its riparian zones during the years from 2000 to 2015. Moreover, it is not obviously negative impact on terrestrial ecosystem caused by the construction of impacts of small cascaded hydropower plants.

small cascaded hydropower plants; ecological resilience; the Qiuxiangjiang River

劉潔, 何煜然, 周永杰, 等. 水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)對(duì)陸域生態(tài)彈性力的影響研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(3): 187–195.

LIU Jie, HE Yuran, ZHOU Yongjie, et al. Impacts of small cascaded hydropower plants on terrestrial ecological resilience in the Qiuxiangjiang River basin[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 187–195.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.022

X171.1

A

1008-8873(2022)03-187-09

2020-07-08;

2020-07-22

廣東省水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2016-01); 生態(tài)環(huán)境部華南環(huán)境科學(xué)研究所中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目(PM-zx703- 202002-020); 廣東省社科基金資助項(xiàng)目(GD20CGL33)

劉潔(1980—), 女, 自然地理學(xué)博士, 環(huán)境科學(xué)專(zhuān)業(yè)高級(jí)工程師, 主要從事流域水資源與水環(huán)境變化研究, E-mail: shuiji_97@163.com

周永杰(1987—), 男, 碩士, 工程師, 主要從事環(huán)境衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境信息技術(shù)研究, E-mail: zhouyongjie@scies.org