1 引言

　　熱帶海島由于其獨特的地理位置、自然條件、生物多樣性、生態獨立性和脆弱性而具有獨特性，蘊含豐富的植被、水產、旅游等自然資源，使其成為極具吸引力的旅游目的地 [1-2]。熱帶海島通常缺乏淡水資源，而河流是主要的淡水供應來源之一。同時，河流在熱帶海島的生態系統支持、土壤肥力和農業支持、水運和交通以及生態旅游和休閑活動等方面扮演著重要的角色，維持生態系統的生態平衡和穩定性 [3]。

　　河流生境是河流生態系統的重要組成部分，為水生生物的生存和繁衍提供了場所 [4-5]。河流物理生境是河流生境的重要組成部分，是影響河流水生生物群落結構及其功能的河流物理結構特征。河流物理生境的改變也是水生態系統與水資源退化的主要脅迫因子之一，評價及改善物理生境已經成為目前河流水生態管理的重要手段 [6]。我國水生態環境管理正逐步從傳統的水質管理向水生態管理轉變，涉河違章建筑物清除、河流水域垃圾清理、水生態修復、入河排污口整治、非法采砂整治等諸多措施都是通過改善河流物理生境達到恢復河流面貌、提升水生態環境質量的目標 [7-8]。

　　國外在物理生境健康評價或者物理生境質量評價方面的研究相比國內較早 [9]。1989 年，美國基于河流藻類、水生附著動物、兩棲動物、魚類及棲息地等指標提出了快速生物監測協議 RBPs(Rapid Bio-assessment Protocols)[10]。1992 年，澳大利亞基于河流水文學、形態特征、河岸帶狀況、水質及水生生物 5 方面，構建了溪流狀態指數(ISC，Index of Stream Condition)，將參照系統與河流現狀進行比較并打分，在計分的基礎上綜合評價河流健康狀況 [11]。1998 年，英國基于調查評價六大恢復標準即自然多樣性、天然性、代表性、稀有性、物種豐富度及特殊特征，提出英國河流保護評價系統，來評價英國河流的健康狀況 [12-13]。

　　國內自 20 世紀 90 年代開始重視生態保護和恢復在河流管理中的應用。2002 年，唐濤等 [14] 在《河流應用生態學報》上發表了《河流生態系統健康及其評價》，提出了河流健康評價方法的發展方向和我國應盡快開展的研究工作。隨后健康黃河、健康長江、健康珠江等概念相繼被提出 [5]。2005 年長江水利委員會提出健康長江評價指標體系和相關流域管理理念以來，各大流域機構陸續開展河流健康評價工作 [16-18]

　　近年來，我國開展的河流健康評估和相關研究工作中，物理生境監測評估多基于專家經驗法在河岸帶選取監測點位，布設樣方，采用人工統計方法求得評價結果。受自然條件限制和人為主觀因素雙重影響，基于監測樣方的地面監測無法兼顧代表性、便利性和安全性，很難全面準確地反映河流物理生境狀況。其次，物理生境結構綜合評價涉及內容廣泛，所需數據繁多，人工統計方法在人力、效率、精確度和準確性等方面很難滿足要求。遙感技術具有瞬時獲取大范圍地表信息的能力，數據客觀、覆蓋全面，可以準確對河流水面、河流形態、河岸帶植被覆蓋等大多數河流物理生境指標進行定量化描述分析。此外，熱帶海島河流短小且多樣，目前河流生境健康評價多針對大陸的大江大河，而對于熱帶海島河流的生境健康研究相對匱乏。大陸河流生境健康評價指標的閾值設定并不適用熱帶島嶼河流。

　　海南島位于熱帶，是我國典型具備熱帶海洋氣候的島嶼，南渡江、昌化江和萬泉河是海南島最長的 3 條河流。南渡江、昌化江和萬泉河三大流域特別是中部山區源頭在歷史上從未開展過全面的生態系統本底調查和河流物理生境健康評價。本研究基于遙感監測手段，以典型熱帶海島河流為研究對象，以遙感解譯評價指標代替人工點位以及樣方調查，全面評估海南島三大河流及主要支流的物理生境健康狀況，為精準實施流域生態環境保護、治理工作提供數據支撐;為熱帶海島水生態管理、水生態考核等相關評價標準的閾值設定提供參考。

　　2 研究區及數據

　　2.1 研究區

　　海南島四面環海，是中國第二大島，也是我國典型的熱帶島嶼。南渡江、昌化江以及萬泉河是海南島流域最長的 3 條河流，三大流域總面積約 15979km²，約占海南島總面積的 46%。其中，南渡江流域是海南省重要經濟區域，流域內年生產總值達 2985.64 億元，占海南省的 56.24%，2019 年南渡江流域內人口為 537.06 萬人，占海南省總人口的 56.85%。流域形態呈狹長形，平均寬度為 21km，總落差 703m，平均坡降 0.72%。昌化江流域位于海南島西南部，為海南島第二大河流，全長 243.49km，流域面積為 4990.00km²，平均坡降 1.39%，落差 1166m。萬泉河地處海南省東南偏東部，發源于瓊中縣五指山風門嶺，是海南省第三大河流，于瓊海市博鰲港匯入南海，流域面積 3692.00km²，干流河長 178.14km，流域內 80.7% 的地域位于瓊海市和瓊中縣境內。本研究選取海南島南渡江、昌化江、萬泉河三大干流以及三大流域范圍內主要的支流共計 27 條河流為研究對象，按照海南省水務廳劃定的流域分區，南渡江、昌化江分為上游、中游和下游各三段，萬泉河分為上游和中下游兩段。

　　2.2 數據源

　　2.2.1 遙感影像數據

　　遙感數據主要為高分辨率高分一號(GF1-PMS)、高分二號(GF2-PMS)、高分六號(GF6-PMS)、資源三號(ZY3-MUX、ZY3-AND、ZY3-TLC)以及局部區域無人機影像，影像空間分辨率為 0.5~2m。對影像進行正射校正、配準、融合等預處理，根據生態系統類型(森林、灌叢、草地、濕地、農田、城鎮和其他)構建影像分類規則，通過影像分割和面向對象方法，對遙感影像進行分類，并進行目視解譯，將分類結果與海南省 2020 年地理國情、野外調查數據進行對比分析和結果修正。

　　2.2.2 矢量數據

　　獲取海南島行政區劃矢量、海南島流域匯水區矢量、海南島河流水系線矢量以及水庫矢量，空間裁剪獲取三大流域主要河流矢量，針對獲得的現有矢量圖進行基礎數據修正，針對河流矢量存在的位置偏離、線段冗雜等誤差參照控制影像進行修正，保證河流矢量的連通性與準確性。

　　2.2.3 現場調查數據

　　現場開展物理生境現狀調查，獲取調查點位的土地利用類型、沿岸侵蝕情況、岸線類型、岸邊植被類型以及覆蓋情況、河道特征以及人類干擾情況，共布設和調查了 160 個點位。調查點位附近河流岸邊帶土地利用類型以種植園用地、林地、交通運輸用地以及水域及水利設施用地為主，種植園用地以檳榔種植為主。調查點位監測河段范圍沿岸相對穩定，未發現侵蝕現象。

　　3 研究方法

　　3.1 評價指標體系構建及權重

　　結合海南省三大流域河流水文水資源及地理地貌等實際條件，按照科學性、相關性和可獲取性等原則，采用層次分析法從生態結構、生態功能以及生態壓力 3 個方面構建海南省三大流域主要河流物理生境健康評價指標體系。包括生態結構指數(B1)、生態功能指數(B2)和生態壓力指數(B3)3 個一級指標 8 個二級指標。參照水利部試行的《河流健康評估指標、標準與方法》及大量相關文獻研究 [19-21]，咨詢相關專家，綜合考慮各評價指標的重要性、貢獻性，確定河流各評估指標的權重。

　　3.1.1 生態結構指數

　　攔河建筑物數據基于水務部門數據結合衛星影像進行更新，在對三大流域攔河建筑物類型進行整理和分析的基礎上，結合相關資料和專家意見，確定了水電站、水閘以及壩 3 類攔河建筑物在不同阻隔特征下的阻隔系數。植被覆蓋度、自然岸線率以實際值為得分值，采用百分制表示。植被平均斑塊面積、景觀破碎度、河道連通性值域期望值未知，難以對其實際數值進行比較分析。因此，對其進行量綱統一的標準化處理。

　　3.2 評價模型建立

　　通過對評價指標類型進行打分，然后基于其各自的權重值，利用加權求和得出評價總得分，進而綜合反映河流的生境狀況。

　　3.3 物理生境健康評價分級

　　參考國內一些河流研究分類方法，根據綜合評價指數分值大小，將河流水生物理生境質量等級劃分為 5 個等級，分別為理想狀態、健康、亞健康、不健康和危險狀態。

　　4 結果分析與討論

　　4.1 流域生態系統類型分析

　　根據遙感影像解譯結果，統計各生態系統類型面積比例。全流域以及南渡江流域、昌化江流域、萬泉河流域均以森林和農田兩類生態系統類型占比較大。全流域中農田生態系統占比最大，為 47.59%，其次為森林生態系統，占比 35.08%。農田生態系統是人類生產活動干預下形成的人工生態系統，也是海南島生態系統面積占比大的生態系統。空間分布上，農田主要分布在全流域東部、西北部和西南部;森林主要分布在西部區域。

　　南渡江流域農田生態系統面積占比超過 50%，主要分布在中下游;森林生態系統僅占約 26%，主要分布在上游南渡江以南;灌叢和草地生態系統占比約 11%。萬泉河流域農田生態系統面積占比超過 57%，主要分布在中下游;森林生態系統僅占約 27%，主要分布在上游萬根據遙感影像解譯結果，統計各生態系統類型面積比例。全流域以及南渡江流域、昌化江流域、萬泉河流域均以森林和農田兩類生態系統類型占比較大。全流域中農田生態系統占比最大，為 47.59%，其次為森林生態系統，占比 35.08%。農田生態系統是人類生產活動干預下形成的人工生態系統，也是海南島生態系統面積占比 較大的生態系統。空間分布上，農田主要分布在全流域東部、西北部和西南部;森林主要分布在西部區域。

　　南渡江流域農田生態系統面積占比超過 50%，主要分布在中下游;森林生態系統僅占約 26%，主要分布在上游南渡江以南;灌叢和草地生態系統占比約 11%。萬泉河流域農田生態系統面積占比超過 57%，主要分布在中下游;森林生態系統僅占約 27%，主要分布在上游萬泉河發源地周邊區域。全 流域中僅昌化江流域森林生態系統面積占比超過 50%，主要分布在上游、中游昌化江以北和下游昌 化江以東;農田生態系統占比約 34%，主要分布在 中游樂中水子流域以及下游昌化江入海口附近。

　　4.2 各支流生境現狀評價

　　全流域各支流生境評價 8 個二級指標得分情況。全流域 32 個水體 (南渡江、昌化江各分為上 中下三段、萬泉河分為上游和中下游兩段) 河岸帶 植被覆蓋度除南渡江下游外均高于 60%，均值為 72.28%(C1)，各支流河岸帶植被覆蓋度總體較好。 河岸帶植被覆蓋度高于 80% 的河流主要包括南渡 江上游、南渡江中游、腰仔河、賢水、南繞河和定安 河。全流域各支流河岸帶范圍植被聚集度較差，植 被平均斑塊面積均值得分較低 (C3)，生態結構不合 理。全流域 32 個水體自然岸線率整體不高 (C2)， 均值為 41.93%。自然岸線率高于 67% 的水體只要 兩個，為昌化江流域南繞河 (84.51%) 和南渡江上游 段 (69.09%)。自然岸線率低于 20% 的河流有 8 條， 主要分布在南渡江流域中游以及萬泉河流域中下 游區域，主要包括石灘河、西昌溪、加浪河、塔洋河、 溝門村水和文曲河等。

　　全流域河岸帶污染阻滯功能相對較好，均值為 52.97 (C4)，但生物多樣性維護功能較差，均值為 22.62 (C5)。南渡江流域南渡江上游、南渡江中游、巡崖河、嶺后河以及昌化江流域昌化江上游、南巴 河、南繞河污染阻滯功能相對較好，萬泉河流域各 支流污染阻滯功能較差。南渡江流域腰仔河、石灘河，昌化江流域樂中水以及萬泉河流域加浪河、塔洋 河、文曲河、白石溪生物多樣性維護功能較差，得分均低于 10。

　　全流域各支流河岸帶范圍受人為干擾活動較 強，均值為 50.72。主要為農業活動，以檳榔、橡膠等 經濟林為主。昌化江中游、樂中水、加浪河、塔洋 河、溝門村水等支流受人為干擾程度較強。全流域 各支流河岸帶范圍景觀破碎度均值為 72.77，其中龍 洲河、昌化江中游和塔洋河景觀破碎度得分較低， 景觀破碎化程度較高。全流域各支流連通性較好， 均值為 88.45，其中西昌溪和洋坡溪連通性相對 較低。

　　4.3 流域生境評價結果分析

　　根據各支流生境評價指標得分統計各匯水分 區生境評價指標結果。從生態結構指數來 看，南渡江流域和昌化江流域上游、中游、下游以及 萬泉河流域上游、中下游共 8 個匯水區中，南渡江流 域上游生態結構分值最高，相對其他匯水區生態結 構更合理，萬泉河流域中下游生態結構分值最低， 僅為 36.32。從空間分布上，各流域上游匯水區生態 結構指數得分要高于中下游。值得注意的是，南渡 江流域和昌化江流域，二者中游生態結構指數均低 于下游。

　　從生態功能指數來看，全流域生態功能指數得 分平均值為 37.63，生態功能總體不高。8 個匯水區 中，南渡江流域上游生態功能分值最高，相對其他 匯水區生態功能情況更理想，萬泉河流域中下游生態功能分值最低，僅為 26.17。從空間分布上，各流 域上游匯水區生態功能指數得分要高于中下游。 同樣值得注意的是，南渡江流域和昌化江流域，二 者中游生態功能指數均低于下游。

　　從生態壓力指數來看，全流域生態壓力指數得 分平均值為 66.73，全流域所面臨的生態壓力較大。 除萬泉河流域生態壓力指數得分低于 60，其他匯水 區得分相差不大。

　　4.4 各支流生境健康等級分析

　　全流域 32 個水體中生態健康評價結果處于理 想狀態、健康狀態、亞健康狀態和不健康狀態的占 比分別為 3.13%、9.38%、65.63% 和 21.88%，大部分水體處于亞健康狀態，無危險狀態的水體。 從空間分布上，處于理想狀態水體為南 繞河，位于昌化江中游，也是全流域森林集中分布 區域;處于健康狀態的水體包括南渡江上游段、南 渡江中游段和南巴河;處于不健康狀態的水體主要 分布在萬泉河流域中下游，包括加浪河、塔洋河、溝 門村水、文曲河、白石溪等支流。

　　通過對生境指標分析發現，全流域主要河流河 岸帶植被覆蓋度能達到 60% 以上，但以人工經濟林 為主，森林植被層次不合理，樹種單一，優勢樹種明 顯，森林群落的自我循環功能較弱，并且缺乏自我 更新和再生的動力，森林系統不穩定，不能有效地 涵養水源，防治水土流失。隨著人類開發利用活動不斷增強，盲目建設和開墾，導致天然植被生態環 境遭到破壞。大規模的人工經濟林結構較為單一 且穩定性較差，導致森林群落的垂直結構不均衡， 生物多樣性遭到破壞。

　　5 結論

　　本研究基于遙感監測，結合海南熱帶島嶼河流 生態環境特點，構建了適用于海南島的河流物理生 境健康評價指標體系，全面評價了海南島三大流域 27 條主要河流的物理生境健康狀況。結果表明： ①南渡江流域、昌化江流域、萬泉河流域以及整個 流域均以森林和農田兩類生態系統類型為主，且整 個流域農田生態系統占比最大。②整個流域河流 河岸帶植被覆蓋度整體上較高，達 70% 以上，以人 工經濟林為主;主要受橡膠、檳榔等熱帶經濟作物 種植的影響，自然岸線率整體不高，均值為 41.93%， 河岸帶范圍受人類活動影響較大。③整個流域 65% 以上的河流物理生境評價等級為亞健康狀態; 20% 以上的河流物理生境評價等級為不健康狀態， 主要分布在萬泉河流域中下游，包括加浪河、塔洋 河、溝門村水、文曲河、白石溪等支流;河流物理生 境評價等級不存在危險等級狀態的河段。本研究構建的研究方法以及研究結果可為海 南島水生態監測與評價提供參考。

馬字偉;穆曉東;韓濤濤;許積層;陳博偉,海南省環境科學研究院;中國環境科學研究院;中國科學院空天信息創新研究院數字地球重點實驗室,202405