基于生态系统服务的浙江省水生态环境分区分类管控

　　摘要：水环境综合管理被普遍认为是促进流域可持续发展的基本手段。生态系统服务是生态系统对人类福祉和生存的直接和间接贡献，是维持与影响流域水生态环境的重要因素。随着流域空间管控日益受到重视，基于生态特征的“分区分类”管控已成为流域精细化管理的重要内容。论文基于生态系统服务功能与水质关联性，采用典型对应分析(CCA)选取了土壤类型、土地利用、归一化植被指数和人口密度等4种生态特征作为水生态功能分区指标。结合流域生态特征、汇水区域和行政管理单元的空间分布，通过聚类分析及空间叠置法，将浙江省划分了10个水生态功能区和510个水环境控制单元。采用当量因子法对各控制单元的生态系统服务价值进行系统评估。结果表明2015年浙江省生态系统服务总价值为5123.7亿元，其中控制单元的生态系统服务价值范围为59.8~136.5亿元。利用K⁃means聚类方法得到了4类生态服务簇，并探讨了各类生态服务簇的服务类型、空间分布特征以及与各单元水质的关系。研究结果表明，Ⅰ类簇主要分布在西部及西南部的山地丘陵区，其面积占了全省面积的52.68%;Ⅱ类簇的占地面积最小但水域面积相对较高，主要覆盖千岛湖和钱塘江河口;Ⅲ类簇分布相对分散，主要分布在丘陵平原地区;而Ⅳ类簇主要分布在城镇较集中的平原地区。不同生态服务簇的主要生态服务类型存在明显差异，如Ⅰ类簇以原料生产、水土保持、生物多样性保护、气体调节和气候调节为主;Ⅱ类簇的主要生态服务类型为调节功能，包括气体调节、水文调节和废物处理;Ⅲ类簇和Ⅳ类簇以食物生产为主要的生态服务类型。水质特征与生态服务功能密切相关，生态服务价值越高，水体水质越好。因此根据各个生态服务簇的水质特征，将各类生态服务簇划分为保护、维持、改善、整治4种类型，并提出了不同生态服务簇内水环境控制单元的差异化管控措施，以推进浙江省水生态环境的差异化管理。

　　关键词：水生态功能区;控制单元;生态服务;聚类分析;分区分类

　　实施“分区、分类、分级、分期”的水生态环境管控是流域精细化管理的主流思想[1⁃2]。国务院2015年发布的《水污染防治行动计划》明确提出了“研究建立流域水生态环境功能分区管理体系”，并提出对全国重点流域进行分流域、分区域、分阶段的科学治理。

　　“十三五”重点流域水污染防治规划也提出了“流域⁃控制区⁃控制单元”三级分区管理体系[3]。“十四五”重点流域规划由水污染防治改为水生态环境保护，反映我国水环境管理在由总量控制向环境质量转型的基础上，进一步向水生态系统健康方向转变[4]。因此随着流域空间管控思想的深入，开展水生态环境分区，明确不同区域水生态环境目标，制定差异化管控对策，将成为我国流域水生态环境精细化管理的核心内容之一[5]。

　　根据不同的管理模式和划分依据，国内外关于水生态环境分区的类型及方法较多，包括水生态分区、水生态功能分区、水环境功能分区等。Omernik[6]提出水生态区概念并采用地质、土壤、地形地貌、土地利用、植被、气候等指标体系完成了美国国家尺度和地方尺度的水生态分区;欧盟、新西兰等国家在Omernik指标的基础上开展了适合本国情况及管理目标的水生态区划[7⁃8]。我国在流域水生态环境分区中，因为管理目标不同，形成的分区体系也各异。

　　始于20世纪90年代的水环境功能分区结合区域水资源开发利用现状和社会需求，从污染物排放及水质影响等角度开展水体区划;“十一五”以来辽河、海河、太湖、滇池等一些重点流域开展了不同层级的水生态功能分区，通过识别流域水生态系统格局与功能的空间异质性特征，辨析水⁃陆生态系统的耦合关系，而将流域划分成若干个相对独立、完整单元[9⁃12];另外，始于“九五”的流域水污染控制分区实践也逐渐得到发展，在“十三五”重点流域水污染控制规划中形成了“流域⁃区域⁃控制单元”的分区体系[3]。

　　但各类水生态环境分区在发展与应用过程中，仍存在较多的问题。如水环境功能区划依据用水功能以及水质类别进行划分，忽略了水陆协同性、水生态系统完整性;水生态功能区划将水生态系统完整性纳入划分依据，但未与行政管理相结合导致分区未能真正落实到实际的管理中;“十三五”流域管控中划分的控制单元实现了从污染源到入河排污口到水体水质之间的响应，但是目前控制单元的划分忽略了水体的自然特征和生态特征。因此兼顾水生态保护与水污染控制管理目标，耦合现有的各类水生态环境分区，构建新的分区体系，将成为指导流域水生态环境管理的重要依据。生态系统服务是人类直接或者间接从生态系统中获得的各种惠益，是衔接自然环境与人类需求的重要纽带[13⁃15]。

　　流域具有多种类型的生态系统服务功能，包括水文调节、水土保持、气候调节、废物处理等，直接或间接影响着流域水生态环境状态[16]。随着流域管理从水资源保护、水污染控制向水资源水环境水生态综合管理转变[1]，将生态系统服务功能纳入流域管理，有助于流域水生态与水环境的协同。因此构建兼顾生态系统服务与水环境质量的流域水生态环境分区分类体系，在宏观尺度上把握水生态保护格局，在操作层面上落实水生态环境目标，推进流域水生态环境精细化管理。

　　本研究以浙江省八大水系为研究对象，基于流域生态特征与水环境响应，构建不同类型的分区指标体系及方法，划定水生态功能区和水环境控制单元，在对各控制单元的生态服务功能价值进行评估及聚类的基础上，提出各类生态服务簇内控制单元的水生态环境分类管控要求，为落实水环境质量底线、开展精细化的水生态环境管控提供技术支持。

　　1材料与方法

　　1.1研究区域

　　浙江省位于长江三角洲南翼，地势由西南向东北倾斜，地形复杂，以山地丘陵为主，陆域总面积10.43万km2。属亚热带季风性湿润气候，年平均气温在15~18℃之间，年均降水量在1100~2000mm之间。境内拥有钱塘江、瓯江、椒江、甬江、苕溪、运河、飞云江、鳌江等八大水系。浙江省人口密度高，经济发展较快，水环境压力较大。虽然近年来开展的各类治水行动使浙江的水环境得到较大的改善，但局部区域仍存在污染物排放量大、强度高，水质不能全面稳定达标、水环境管理短板未补齐、水生态管理缺乏足够重视等问题。

　　1.2研究方法

　　1.2.1水生态环境分区

　　水生态环境分区包括水生态功能分区及水环境控制单元，其中水生态功能区划综合考虑了水生态系统空间格局，是水环境控制单元划定的基础，其生态目标要通过水环境控制单元去落实;水环境控制单元是落实水生态水环境目标的具体操作单元。本研究采用自上而下的划分思路，根据流域生态系统特征划定水生态功能区，在此基础上进一步耦合流域汇水单元、行政管理单元以及水(环境)功能区，开展水环境控制单元的划分，形成水生态功能区⁃水环境控制单元的多层级水生态环境分区体系，有效落实水生态环境目标及差异化管控对策。

　　(1)水生态功能分区

　　水生态功能区的划分指标主要考虑能反映流域生态系统特征差异性指标，包括降雨、气温、地形、土壤类型、土地利用类型、植被覆盖类型、归一化植被指数(NDVI)、人口密度等。基于CANOCO软件，将各生态因子与水质数据进行典范对应分析(CCA)[17]。

　　根据生态因子和水质的CCA分析筛选了土地利用、土壤类型、NDVI和人口密度作为体现流域水生态系统空间格局的指标。其中土地利用类型体现了自然环境与人类活动的综合影响;土壤类型决定了土壤不同的渗透性和持水能力;植被覆盖类型和NDVI指数反映了物质的迁移转化对水生态系统异质性的影响;人口密度则反映了潜在污染负荷对水生态系统的影响[18⁃19]。依据CCA分析筛选出的与水质相关的指标，采用ISODATA非监督空间聚类方法[20]，划定水生态功能区。

　　(2)水环境控制单元划分

　　按照水系完整性、行政管理可操作性以及污染传输封闭性原则开展水环境控制单元划分。采用ArcGIS的Hydrology模块，利用浙江省数字高程数据(DEM)提取全省水系，以5000为划分阈值，结合实际水系修正得到389个汇水区。

　　在ArcGIS平台采用空间叠置分析，将水生态功能分区、389个汇水区以及1386个乡镇边界进行叠加。控制单元初步划分基本思路如下：1)一个水生态功能区包括多个完整的控制单元;2)山地丘陵区汇水特征明显的以汇水区边界作为控制单元边界，将汇入同一水体的陆域包括在一个控制单元内;3)平原河网区难以确定水文以及污染物传输空间边界的地区，则以行政边界作为控制单元的边界;4)控制单元不能跨县界，否则以县界进行切分。在初步划定水环境控制单元后，利用水环境功能区对控制单元的初始边界进行修正或分割，确保同一水环境功能区尽可能在同一控制单元内。

　　1.2.2水生态环境分类管控

　　为实现水环境水生态协同管理，以水环境控制单元的生态系统服务空间差异为主导，基于控制单元的生态特征和水质特征对控制单元进行分类，落实差异化的管控措施。

　　1.3数据来源

　　浙江省数字高程数据(30m⁃DEM)，2015年浙江省土地利用类型、土壤类型、植被类型、NDVI指数和人口密度数据分辨率为1km×1km，均来源于中国科学院资源环境科学数据中心;乡镇级行政区划、水系分布来源于浙江省测绘与地理信息局;水(环境)功能区划和2015年的环统数据来自浙江省生态环境厅;2015年省控断面的水质数据来源于浙江省环境监测中心。

　　2结果与讨论

　　2.1水生态环境区划

　　(1)水生态功能分区

　　浙江省水生态功能区主要体现自然环境和人类活动对水生态系统的叠加影响。根据土壤类型、土地利用、植被以及人口密度的空间差异性，采用ISODATA空间聚类共得到10个浙江省水生态功能区。

　　根据分区结果，Ⅲ2区、Ⅲ3区和Ⅳ2区的人口密度较高，人类活动的影响较大，人工植被、耕地、人为土的占比较高;Ⅰ2区、Ⅱ2区、Ⅲ1区、Ⅲ4区和Ⅳ1区的人口密度中等，较好地体现了自然环境因素和人为活动因素的复合影响，植被类型主要包括人工植被和阔叶林、针叶林等自然植被，林地和耕地两种土地利用类型占比相当;Ⅰ1区和Ⅱ1区的人口密度较低，受自然环境因素的影响较大，土地利用类型以林地为主导，NDVI指数也较高。十个水生态功能区中，面积最大的是中部盆地水生态功能区(Ⅱ2区)，区域面积为25777.9km2，面积最小的是中部丘陵水生态功能区(Ⅰ2区)，为4354.0km2。

　　(2)水环境控制单元在水生态功能区划基础上，耦合流域汇水区、乡镇边界(含县市区边界)，采用空间叠置方法进行分区，同时根据水环境功能区划对各控制单元边界进行修正，得到510个水环境控制单元。

　　510个控制单元平均面积205km2，最大和最小控制单元的面积分别为924.10km2和13.06km2。从各水生态功能区分布来看中部盆地水生态功能区的控制单元最多，共有107个，而中部丘陵水生态功能区的控制单元最少，仅19个;从行政分区来看杭州、宁波和台州的控制单元较多，分别为69个、66个和64个，而舟山市最小，仅有6个控制单元;从空间位置来看，上游山地区控制单元划分较为稀疏，而下游平原区控制单元划分则较为密集。

　　2.2水生态环境特征识别

　　(1)生态服务功能特征识别根据各控制单元的土地利用类型开展生态服务价值评估。结果显示，全省生态服务价值总计为5123.73亿元/a。各控制单元的生态服务价值在136.53~59.87亿元/a之间波动，各控制单元单位面积的生态服务价值为6.50~818.45万元/km2，生态服务价值在空间分布上整体呈现西高东低、南高北低的趋势。以保持各簇的完整性及不同簇别间的空间异质性为原则，采用K均值聚类，最终确定了4类生态系统服务簇。

　　Ⅰ类簇的区域面积最大，占全省总面积的52.68%，主要分布在西部丘陵山地区和西南山区，土地利用类型以林地为主，单位面积生态服务价值高，总生态服务价值占全省总生态服务价值的65.46%;Ⅱ类簇面积最小，主要分布在千岛湖以及钱塘江入海口，水域占比较大，总生态服务价值占全省总生态服务价值的2.02%，但单位面积服务价值较高;Ⅲ类簇主要分布于低山丘陵区，土地利用类型以林地(山地区)和耕地(平原区)为主，人类活动相对频繁，单位面积生态服务价值相对较高，总生态服务价值占全省总生态服务价值的26.43%;Ⅳ类簇集中分布在北部平原、中部金衢盆地和东南沿海平原。

　　生态论文范例： 生态修复背景下的国土综合整治分析

　　3结论

　　1)以水生态特征空间差异性为基础，根据流域生态系统特征与水质响应关系，结合子流域汇水单元、行政管理单元以及水(环境)功能区划，通过空间聚类和空间叠加分析划分了10个水生态功能区、510个水环境控制单元。2)根据各水环境控制单元生态服务价值，聚类得到4类生态系统服务簇，识别了各簇的主导生态服务功能和水质特征，提出了差异化管控要求。其中Ⅰ类簇内的控制单元按优先保护原则进行管理，以维持优质水质，并进一步提升生态服务功能;Ⅱ类簇的控制单元以主导生态服务功能提升与维持进行管控;Ⅲ类簇的控制单元以预防为主，局部治理，以提升区域水环境质量和生态功能;Ⅳ类簇内的控制单元要落实水质改善、环境风险防范的要求，加大水环境综合整治力度。

　　3)构建基于流域水生态水环境特征的分区分类体系，实现流域水生态保护与水环境质量改善的有机融合，为流域水生态环境精细化管控提供技术支撑。

　　参考文献(References)：

　　[1]樊灏，黄艺，曹晓峰，高喆，蒋大林.基于水生态系统结构特征的滇池流域水生态功能三级分区.环境科学学报，2016，36(4)：1447⁃1456.

　　[2]赵雪霞，于鲁冀，王燕鹏.清溟河流域(许昌段)水生态环境功能分区指标体系构建.水利水电技术，2018，49(9)：162⁃169.

　　[3]文宇立，谢阳村，徐敏，路瑞，王东.构建适应新国土空间规划的流域空间管控体系.中国环境管理，2020，12(5)：58⁃64.

　　[4]马乐宽，谢阳村，文宇立，王东，赵越，徐敏.重点流域水生态环境保护"十四五"规划编制思路与重点.中国环境管理，2020，12(4)：40⁃44.

　　[5]王东，秦昌波，马乐宽，王金南.新时期国家水环境质量管理体系重构研究.环境保护，2017，45(8)：49⁃56.

　　[6]OmernikJM.EcoregionsoftheconterminousUnitedStates.AnnalsoftheassociationofAmericanGeographers，1987，77(1)：118⁃125.

　　作者：王飞儿1，∗，郑思远1，杨泓蕊1，俞洁2，王一旭1，王浙明3