第1章 流域水生态保护空间管理及其与土地利用关系认知
1.1 流域水生态保护空间管理
水是生命万物之源。受自然规律的制约，陆地水资源始自太阳能驱动的各类水面蒸发，之后随风移动至陆地上空经冷凝而转化为大气降水，在落至陆面后以分水岭为界依各个流域从地势高的地方向地势低的地方逐步汇集，形成大小不一、形状各异的地表径流和地下径流，最终在各大流域的主干河流出口处将流域内接纳和汇集的水量注入海洋、湖泊，从而维持整个地球表面蒸发、降水、径流、存储之间的水量动态循环平衡。
以流域为单元，周而复始的径流汇集和水循环过程特征，决定着人类在进行水资源的开发、利用时，既要着眼于河流水量和径流过程本身，也必须关注汇集水资源的流域，并对之加以精心管护。
与世界其他国家相比，中国的人均水资源不仅相对匮乏，而且时空分配极为不均，呈现出东南多西北少、夏季多冬季少的不利局面和总体特征。即使是同一流域，上游的水资源利用必然会对下游的水资源和水环境产生重要影响。鉴于水资源在上下游流域间存在紧密关联性质和以流域为单元进行整体调配对于区域协调发展的重要性，我们国家早已明确立法(《中华人民共和国水法》，1988年发布，2002年修订，2009年修正，2016年修正)，对陆面国土上的重要江河、湖泊流域等实行流域管理与行政区域管理相结合的管理体制，并为此相应设立7个重要的流域管理机构。
流域管理是为了充分发挥水土资源及其他自然资源的生态效益、经济效益、社会效益，以流域为单元，在全面规划的基础上，合理安排农、林、牧、副各业用地，因地制宜地布设综合治理措施，对水土及其他自然资源进行保护、改良与合理利用。流域管理机构的设置是为实现流域治理效益的极大化目标，从空间上整体强化对流域的各项管控措施，保证流域上、中、下游各区的水资源合理利用，以及流域生态环境整体的安全。流域空间管控治理措施的主要任务是，明确生产、生活、生态空间开发管制界限；编制并实施流域生态环境保护总体规划；统筹协调流域内各级政府的目标责任制和考核评价制度；完善信息公开和公众参与制度等。
1.1.1 河流水资源的水-陆一体化管理
水是自然界中唯一以固、液、气三态大量同存的自然资源类物质。水的物理、化学和生物性质，决定了其在各类自然资源中，既是最重要的、不可或缺的，也是最为复杂多变的自然资源。水资源的复杂多变特性集中表现在水量无论是过多或过少都有可能造成自然灾害。例如，一个区域内若长期缺水会造成旱灾，而短期多水又很可能造成洪灾或涝灾。即使某年月某个地方风调雨顺，拥有丰沛的降水且水量又不过多，但也有可能受从陆地流域各处汇集再经河岸带周边输入的大量污染物的影响，最终造成水体水质大幅下降以至于无(净)水可用的局面。从这个意义上说，水既是维持万物生长的重要自然资源，又是人类不可或缺的生存环境条件。
经过长期的生产实践和反复的科学总结，世界各国逐渐认识到，水资源的利用不仅要着眼于河流、湖泊，以及人工井渠库塘等水体中的现存水量，还应关注这些水体中的水质水环境。而进一步剖析水环境及水质变化过程，很快就能找出导致水质水环境产生变化的主因——与这些水体紧密关联的上游陆地流域内人类自身的土地利用，包括土地利用的类别、强度，以及变化过程。由此，对河流水资源的管理逐渐开始从治标转向并步入治本的轨道，即从河流的分段管理进入上下游水-陆一体化管理的发展阶段。
水-陆一体化管理，不仅仅将水资源的管理从只注重水量不涉及水质水环境，只注重水体本身转到水-陆并重，而且对水-陆一体化管理中的关键部位——河岸带给予了更多、更深入和更为全面的考虑，因为河岸带是陆地生态系统和水体生态系统的交错地带，是环境要素、生态过程、植物群落和土地利用等皆呈现出显著梯度变化的生态过渡带。河岸带作为河流水质保护的最后一道防线，对河流生态系统起着截留污染物、净化水质、保持水土、维持栖息生境多样性，以及为河流生物提供生存营养物质等多项重要作用。
前已述及，人们从长期的生产和科学实践中认识到，造成河流污染、水质下降、水环境恶化的最主要原因，是与河流水体息息相关的上游陆地流域内人类自身的土地利用方式及其强度变化分不开的。种种迹象表明，人类高强度的土地利用包括但不仅限于城市基础设施建设、道路修筑、工厂生产和居民生活过程中的各类废弃物排放、农业生产过程中的化肥施用、农药喷洒、土地翻耕，以及随后的雨水淋洗下渗和农田灌溉退水等，其导致水中所溶解、裹挟和夹带的各类物质最终将通过地表和地下径流而汇入河流和湖泊等水体之中，久而久之将不可避免地造成水质下降和水体污染。因而，整个科学界乃至地方政府的水资源行政管理部门等得出一致的共识性结论：水体水质改善和水环境治理的根本出路在于从陆地上着眼，对流域内的土地利用实施严格管控，对造成水体污染或极大负面影响的陆面过度土地利用及时进行调整、改造或污染排放治理。
1.1.2 水生态管理与流域土地利用优化
在上述水-陆一体化管理思路背景下，做好流域水生态质量的现状评估，分析土地利用对水生态健康的主要影响因子，通过空间模型在全流域进行土地利用整改，实现土地利用的空间优化式管控，以此促进河流水生态管理和生态、经济可持续发展的实现，就显得十分必要。
近年来，党和国家从生态文明建设的整体视野出发，提出“山水林田湖草是生命共同体”的论断，强调“统筹山水林田湖草系统治理”。因此，为贯彻“山水林田湖草”生命共同体管理理念及河长制管理方针，亟需加强国内目前基于水生态健康的流域土地利用管理，支持国家的可持续发展战略，持续推进生态文明事业。
目前，对河流生态评价信息的准确性和科学性要求在不断提高。利用水生态环境影响指标，以定量评价为主、定性评价为辅的方法，创建一个能够直观反映流域生态与环境质量状况的矩阵，使之能够既便捷一线技术人员的快速上手使用，又满足现阶段我国水生态管理的迫切需求，已逐步引起地方水生态管理部门的高度重视。与此同时，做好土地利用对水生态环境的影响快速评估，是完成河岸带土地利用空间优化及管控的前提性工作，也是迈出我国“山水林田湖草”生命共同体管理理念及河长制管理紧迫需求的重要一步。在严峻的水生态形势下，通过尝试对土地利用进行优化进而改善水生态，有助于充分发挥管理部门统一监督管理职能，综合评价我国河岸带生态环境质量现状及动态变化趋势。
1.2 流域土地利用对水质与水生生物影响
土地利用是指人类为了一定的目的，依据土地的自然属性及其规律，对土地进行的使用、保护和改造活动。土地利用与土地覆盖存在紧密联系，但又有区别。后者一般指地表原有的或自然的状况(其也能够为人类所利用)，前者则是人类对后者加以有目的改造后的结果或新貌。例如，天然森林被砍伐后利用作耕地、园林，或者重新种植成人工林；草地可以放牧(天然利用)，但也可能被开辟为人工草场或甚至农田。由此可见，对于人类社会来说，土地利用一般比土地覆盖更具经济功效，且更易于因(功利)目标要求的不同或随时间和空间改变而发生更替变化。
土地利用方式，主要体现在林地、灌丛地、草地、农业用地和城镇用地等几种典型的土地利用类型方面(傅伯杰等，2003；Allan，2004)。土地利用结构，主要是指某区域内各土地利用类型的构成比例；土地利用格局，则主要是指区域内这些用地类型的斑块组成及其空间配置状况(邬建国，2007)。
流域土地利用对河流生态系统存在巨大影响，这种影响牵涉河流生态系统中的水生生物和水环境因子等许多方面，并在影响机制上还可能相互交叉。从影响因素来说，主要体现在对河流水体中的泥沙冲淤、营养富集、污染物滞留、水文变化、岸带缓冲植被受损和木质残体损失等过程(表1-1)(Allan，2004)。
表1-1 流域土地利用对河流生态系统的影响因素及其主要影响作用
1.2.1 不同土地利用类型对水质的影响
土地利用与河流水质之间存在密切关联，不同的水质指标对土地利用的响应方式和程度不同。反过来，一定的水质特征指标，又可用来指示流域土地利用的影响特征，从而做出河流水生态的风险评估和水环境污染预警。
自20世纪60年代以来，发达国家由控制点源污染转向对非点源污染的研究与治理，70年代国外学者开始关注人类土地利用活动对水库、湖泊、河流等水体水质的影响。早期的研究主要通过实地取样定性考察土地利用类型污染物输出的差异，这一阶段的研究大多通过对典型样区实地监测来获取数据，探讨土地利用类型与水质之间的相关关系。这些早期的大量研究，对不同的土地利用类型对水质的影响有了基本的定性判断。20世纪90年代以来，随着遥感（Remote Sensing，RS）地理信息系统（Geographic Information System，GIS）和多元统计分析等方法和技术的引入，国内外学者开始综合分析土地利用与水质的相互关系(Amiri et al.，2009；张博等，2016)。
1.2.1.1 与岸带土地利用关联的河流水质指标
常用的河流水质指标一般包括：理化指标、营养盐指标、有机污染物指标、重金属指标、水体离子指标和微生物指标等(表1-2)。
表1-2 土地利用与河流水质关联研究中常涉及的水质指标
1)水温是一个非常重要的水质指标，其影响着水体生物的新陈代谢和生长发育速度，因而影响到河流中的生物化学过程(魏晓华和孙阁，2009；Charkhabi and Sakizadeh，2006)。自然界中水体的水温主要受季节、海拔、纬度等环境条件的影响；但晚近以来水温又与水体周边岸带地区的土地利用方式密切相关。例如，水温不仅对河岸林地变化比较敏感(Brion et al.，2011)，还受城市热岛效应影响；城镇化不仅导致流域的自然植被大幅减少、不透水地面增加，还使城市热量收支平衡向高温区移动，从而造成城市周边河流的水温较高(Paul and Meyer，2001；Markensten et al.，2010)。
2)氮、磷两种营养盐类物质的含量是重要的河流水质指标，并受流域土地利用的巨大影响。这两种营养盐类物质的含量对土地利用的响应规律存在明显差异：含氮营养物与土地利用的相关作用更强；含磷营养物与土地利用的相关作用较弱，但与土壤类型、泥沙颗粒沉积物浓度相关性更强(Arheimer and Liden，2000；Maillard and Santos，2008)。究其主要原因，可能在于两类营养物的污染来源不同。氮的污染来源主要受市政污水排放、农业施用氮肥等影响(Vega et al.，1998)；而磷污染的来源则更加复杂多样，既受点源(市政污水)和面源(如农村牲畜粪便、农田施肥等)影响，也与河道沉积物的动态变化有关(Nash et al.，2009)。
3)有机污染指标和微生物指标通常主要与城市用地密切相关(Tong and Chen，2002；Xian et al.，2007；Maillard and Santos，2008)。河流中的重金属浓度，则主要与城市用地、工业用地、矿业用地和农业用地关联密切(Lenat and Crawford，1994；Xiao and Ji，2007；Kang et al.，2010)。
值得注意的是，水质指标除受土地利用影响外，也受河流自身的几何形态、地貌特征、水动力条件和生态特性等影响，比如通过底泥吸附、微生物作用、植物吸收、沉积作用等过程，许多污染物可被有效截留或转化。因此，区分河流水质的差异究竟是受人类活动影响，抑或中自然因子使然，或者两者皆参与影响过程，需要深入研究后才可能做出准确区分。
1.2.1.2 林地与河流水质
大量研究表明，林地的存在对河流水质具有显著的正效应，林地在流域内充当着营养物和污染物汇的作用(Gardner and McGlynn，2009)。一方面，森林、林下植物和土壤等具有削减暴雨径流、减少水土流失、
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