生态敏感性是指生态系统对人类活动干扰和自然环境变化的反映程度，说明发生区域生态环境效应的难易程度和可能性大小^[1]。目前国内对于生态系统敏感性研究，主要针对某区域单一的生态环境问题进行研究，如西北地区荒漠化、岩溶地区石漠化等^{[2, 3, 4]}。对于区域生态环境敏感性研究的方法大部分采用主成分分析、层次分析法等数理统计方法进行分区的研究。随着3S技术引进，人们开始着眼于将3S技术强大的空间数据采集、空间数据处理和空间数据分析能力与数学统计方法结合起来，以期达到数学上和空间上的实践性^{[5, 6, 7]}。

流域生态敏感性是指流域生态系统对各种自然环境变化和人类活动干扰的反应程度，即流域生态环境在遇到干扰时产生生态失衡与生态环境问题的难易程度和可能性大小^[5]。随着社会经济的发展，人类在河流上大规模筑坝开发流域水利，目前全世界有超过36 000 座大中型水坝在运行，控制着全球20%左右的径流量^[8]。流域水利开发在促进流域社会经济快速发展而造福人类的同时，也对流域生态系统产生各种影响，有的甚至是极敏感的、持续而深远的和不可逆的影响^{[9, 10, 11]}。其中影响的最为重要生态因子就是生物多样性，生物多样性作为生态效应敏感因子也一直是生态影响评价的核心内容之一。

本文运用生态学原理，对流域库坝工程开发建设及运行的生物多样性敏感度进行综合评估，评估过程中主要考虑生态系统类型、物种丰富度、珍稀程度、濒危程度和保护等级等生物多样性敏感因子，对流域库坝工程开发建设及运行过程中产生生态效应的可能性进行辨识，并借助于3S技术强大的空间数据处理和分析能力，研究流域库坝工程开发的生物多样性敏感度空间分布状况，实现流域库坝工程开发的生物多样性敏感度分区，为未来流域进行合理和适度的库坝工程开发提供科学依据。

新中国成立以来兴建了大量的库坝工程。截至2009年底，已建成各类水库87148座，水库总库容7060.67亿m³；已建成各类水闸43829座，农田有效灌溉面积达到59231×10³hm²，占耕地总面积的48.62%，旱涝保收面积42358×10³hm²，除涝面积18584×10³hm²；已建成江河堤防29.14万km，可保护人口5.89亿人，保护耕地4.65×10³万hm^2[12]。流域库坝水利开发在带来巨大社会经济效益的同时，也造成了诸如水土流失加剧、环境污染加重、河流干枯断流、生物多样性缺失、库岸稳定和区域水热状况变化等一系列生态环境问题^{[13, 14]}。

本文的空间图谱数据主要包括中国土地覆盖数据(1 km×1 km)，中国淡水龟鳖类动物、内陆水生爬行动物、鲤形目鱼类、内陆水生鱼类、田螺类动物特有种在各流域的丰富度分布图，中国淡水龟鳖类动物、内陆水生爬行动物、鲤形目鱼类、内陆水生鱼类、田螺类动物受威胁物种在各流域的丰富度分布图(据国际野生动物保护协会、大自然保护协会、中国科学院动物研究所编制的中国生物多样性地理分布图集)，以及中国自然保护区分布图(据中国科学院地理科学与资源研究所提供的1∶100万自然保护区边界数据)等。中国土地覆盖数据来源于全国生态环境十年变化土地覆盖遥感提取数据，影像源以国产环境卫星为主。其它图件均由扫描数字化方法获取，基本步骤包括纸质地图扫描转化、几何校正、屏幕跟踪矢量化、矢量图编辑和空间数据入库等。

(1)评价指标的筛选原则

主要遵循科学性原则、突出重点原则和综合性原则。科学性原则是指立足于流域生态系统现状，指标概念明确，并具有一定的科学内涵，能反映评价目标与指标之间的支配关系；突出重点原则是筛选出能衡量流域库坝工程开发生物多样性敏感度的重要指标；综合性原则是筛选出能够全面地、综合地反应流域库坝工程开发生物多样性敏感度的综合性指标。

(2)评价指标及其评价标准的确立

生物多样性通常包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三个组成部分。广义的遗传多样性是指地球上生物所携带的各种遗传信息的总和。特有种是指那些仅限于某些地区分布的物种^[15]，负载着适应特殊环境的基因，对物种的进化、新种的产生和物种的绝灭都具有重要意义，分析研究其多样性已成为国际上“生物多样性热点”^{[16, 17]}。受威胁物种是任何有可能在不久的将来灭绝的物种，也是世界自然保护联盟保护现状中对易危物种、濒危物种、极危物种的统称，被认定为对生物多样性状况最具权威的指标。自然保护区是有代表性的自然生态系统、珍稀濒危野生动植物物种的天然集中分布区和有特殊意义的自然遗迹等保护对象所在的区域，也是生物多样性保护的重要基地。生态系统的多样性代表着生态系统组成、功能的多样性以及各种生态过程的多样性。据此，本文选取流域库坝工程开发影响最直接的水生动物丰富度、水生特有种丰富度、水生受威胁物种丰富度，流域库坝工程距离自然保护区远近，流域库坝工程所在的生态系统类型等作为生物多样性敏感度评价的指标，其生物多样性敏感度分级和不同级别赋值如表 1所示。

(3)空间模型构建与分区

通过专家打分求取敏感因子权重，采用空间模型建模运算得到生物多样性敏感度综合得分值空间分布。为保证生物多样性敏感度评价的流域完整性，在计算全国各二级流域的生物多样性敏感度得分最大值(即采用该流域最高的敏感级别作为该流域的敏感级别)的基础上，按照ARCGIS自然间断点分类法(ARCGIS自然间断点类别分区是基于从数据中继承的自然分组，识别出能够对类似的敏感值进行最恰当的分区，并使各类别分区之间的敏感值差异最大)对评价结果加以综合，实现分区。

水生特有种是各流域所独有、长期适应于其特殊水体生态条件而形成的。库坝工程往往会改变其特殊水体生态条件，如有些特有鱼类喜欢急流环境，建库后水流速度变慢，导致鱼卵沉入水底而影响其繁殖；梯级库坝造成洄游性鱼类生命通道阻隔，导致珍稀特有鱼类濒临灭绝等等。流域水生特有种的丰富度愈高，库坝工程造成的影响越大，其生物多样性敏感度愈高。在数字化中国淡水龟鳖类动物特有种、内陆水生爬行动物特有种、鲤形目鱼类特有种、内陆水生鱼类特有种、田螺类动物特有种等在各流域的丰富度分布图的基础上，将各图层进行叠加分析，根据丰富度的高低把水生特有种敏感度分成五个等级：极高丰富度为极敏感，高丰富度为高度敏感，中丰富度为中度敏感，低丰富度为低度敏感，无或极低丰富度为不敏感，并分别赋与相应的属性分值，得到水生特有种敏感度分级分布图(图 1)。

图 1 水生特有种敏感度分级分布(审批号:GS(2013)2787号) Fig. 1 Aquatic endemic species sensitivity classification distribution

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受威胁物种的濒危原因概括起来主要包括栖息地遭受破坏、外来物种入侵、环境污染、过度利用和疾病干扰等等。库坝工程的建设，尤其是布局密集再加上高坝大库，使自由奔腾的河流正在丧失活力，水生生物栖息地遭受破坏，水环境污染和过度利用并存，各流域均有受威胁物种分布。在数字化中国淡水龟鳖类动物受威胁物种、内陆水生爬行动物受威胁物种、鲤形目鱼类受威胁物种、内陆水生鱼类受威胁物种、田螺类动物受威胁物种等在各流域的丰富度分布图的基础上，将各图层进行叠加分析，根据受威胁物种丰富度的高低把水生受威胁物种敏感度分成五个等级：极高丰富度为极敏感，高丰富度为高度敏感，中丰富度为中度敏感，低丰富度为低度敏感，无或极低丰富度为不敏感，并分别赋与相应的属性分值，得到水生受威胁物种敏感度分级分布图(图 2)。

图 2 水生受威胁物种敏感度分级分布 Fig. 2 Aquatic threatened species sensitivity classification distribution

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自然保护区往往是一些珍贵稀有动植物种的集中分布区，候鸟繁殖、越冬或迁徙的停歇地，以及某些饲养动物和栽培植物野生近缘种的集中产地，是具有典型性或特殊性的生态系统。库坝工程距离自然保护区的距离愈近，对保护区产生影响的概率也愈大。在数字化自然保护区分布图的基础上，根据相关文献资料，结合自然保护区的实际分布，建立各自然保护区缓冲区域，将其对流域库坝工程的生物多样性敏感度分级为：保护区范围内为极敏感，距离保护区0—10 km为高度敏感，距离保护区10—50 km为中度敏感，距离保护区50—100 km为低度敏感，距离保护区>100 km为不敏感，并分别赋与相应的属性分值，得到自然保护区敏感度分级分布图(图 3)。

图 3 自然保护区敏感度分级分布 Fig. 3 Nature reserve sensitivity classification distribution

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库坝工程改变流域内河道及河水的天然状态，在对水域生态系统带来最直接影响的同时，水库还直接淹没陆地生态系统，民居迁建等对库周地表的扰动也使得库周陆地生态系统更加脆弱，水库还通过改变区域水热状况间接地对陆地生态系统产生影响。不同生态系统类型对流域库坝工程开发的生态效应敏感性不同。由于陆地生态系统的面貌主要取决于植被类型，生态系统内植被类型的层次越多、结构越复杂，物种越丰富，流域库坝工程开发的影响就愈显著，生物多样性敏感度最高。基于全国生态环境十年变化土地覆盖遥感提取数据，结合相关文献资料，将不同生态系统类型对流域库坝工程的生态系统多样性敏感度分级为：水体、沼泽等湿地为极敏感，阔叶林、针叶林为高度敏感，灌丛、草地、草甸、耕地为中度敏感，荒漠、高山等植被类型为低度敏感，裸地和人工表面为不敏感，并分别赋予相应的属性分值，得到生态系统类型敏感度分级分布图(图 4)。

图 4 生态系统类型敏感度分级分布 Fig. 4 Ecological system type sensitivity classification distribution

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(1)数据的导入及栅格化

前述水生特有种、水生受威胁物种、自然保护区各敏感因子图层均为矢量数据。与矢量数据相比，栅格数据更适合诸如空间叠加、空间相关和空间模拟等空间分析^{[18, 19]}。在ARCGIS支持下，通过提取各敏感因子敏感度得分在1 km×1 km格网大小内所占的比值作为权值计算栅格单元VALUE 值来生成GRID，实现矢量数据属性信息无损栅格化，将各因子图层转换成具有统一栅格大小(1 km×1 km)和统一Albers Conical Area/Krasovsky投影的栅格图层。

(2)求取评价因子权重

根据专家打分，将影响流域库坝工程生物多样性敏感度的各指标之间两两进行比较所得的相对重要性程度，用具体的标度值表示出来，写成矩阵的形式，构造判断矩阵(表 2)。

按照层次单排序的方法和步骤，计算判断矩阵的特征根AW=λmaxW的解W，经正规化后即为相应指标对于生物学效应敏感性相对重要性的排序权值(表 2)。在通常情况下，对于m≥3 阶的判断矩阵，当CR<0.1时，就认为判断矩阵具有可接受的一致性，经计算上述判断矩阵的CR=0.0180，认为该判断矩阵具有可接受的一致性。

计算得到的生物多样性敏感因子权重为：水生特有种权重0.3059，水生受威胁物种权重0.4915，距自然保护区距离权重0.1249，生态系统类型权重0.0777。

(3)空间模型运算生成敏感度综合得分值分布图

将各敏感因子栅格数据和相对重要性权值导入空间模型，通过模型运算得到流域库坝工程开发生物多样性敏感度综合得分值空间分布图(图 5)。

图 5 生物多样性敏感度综合得分分布 Fig. 5 Biodiversity sensitivity composite index distribution

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(4)敏感度分区

为保证生物多样性敏感度评价的流域完整性，以生物多样性敏感度综合得分值空间分布为基础，计算全国各二级流域的生物多样性敏感度得分最大值，根据各二级流域的得分最大值，按照ARCGIS的自然间断点分类法将各二级流域分为极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和不敏感区(图 6)。

图 6 生物多样性敏感度分区图 Fig. 6 Biodiversity sensitivity zoning map

图选项

根据生物多样性敏感度分区属性统计，得到二级流域的敏感度分区表(表 3)。据表可知，流域库坝工程生物多样性敏感度区域分异明显：极敏感区域是长江区的岷沱江、金沙江石鼓上、金沙江石鼓下、宜宾至宜昌、嘉陵江流域，珠江区的郁江流域、红柳河流域、西江流域，西南诸河区的澜沧江流域、红河流域、怒江及伊洛瓦底江流域，黄河区的龙羊峡以上流域等，这些区域水生生物特有种和受威胁物种丰度大，国家级自然保护区密集，也是陆地生物多样性最丰富的地区之一，是重要的“世界生物基因库”；不敏感区域为松花江区除第二松花江以外流域，西北诸河区的塔里木盆地荒漠、古尔班通古特荒漠、中亚西亚内陆河、塔里木河干流等荒漠区，松花江区地处北温带季风气候区，低温高寒，具有大森林、大草原、大湿地、大农田和大水域的特点，森林覆盖率在42%以上，在这样的大背景下，库坝工程产生生态效应的可能性较小，西北诸河区的荒漠区具有强烈大陆性，降水十分稀少，气温变化极端，生境严酷，生物多样性贫乏，也不具备修建大型水库的条件，其产生生态效应的可能性也较小，生物多样性敏感度也较低。其它区域介于二者之间，因其所处的生态系统类型、物种丰富度、珍稀程度、濒危程度和保护等级不一样，生物多样性敏感度各异。

根据生物多样性敏感度分区属性统计，还可得到各级敏感区占所在流域的面积百分比(表 4)：松花江区以不敏感区为主，占其流域总面积的91.92%；辽河区为低度敏感区和不敏感区，分别占其流域总面积的52.83%和47.17%；海河区为低度敏感区和中度敏感区，分别占其流域总面积的56.76%和43.24%；黄河区以中度敏感区为主，占流域总面积的72.04%，高度敏感区和极敏感区分别占流域总面积的11.45%和16.51%；整个淮河区都为中度敏感区；长江区和珠江区都以极敏感区为主，分别占其流域面积的50.47%和50.46%；东南诸河区以高度敏感区为主，占流域总面积的70.70%，中度敏感区占29.30%；西南诸河区的极敏感区和中度敏感区分别占其流域面积的46.57%和53.43%；西北诸河区的青海湖水系为高度敏感区，中度敏感区占其流域面积的52.41%，主要分布于荒漠边缘的绿洲和山麓区，而塔里木盆地荒漠、古尔班通古特荒漠等荒漠区为不敏感区。

本文运用生态学原理，主要考虑物种丰富度、珍稀程度、濒危程度、保护等级和生态系统类型等生物多样性敏感因子，对流域库坝工程开发建设及运行过程中产生生态效应的可能性进行辨识，并借助于3S技术强大的空间数据采集和建模分析能力，以专家打分求取的敏感因子权重计算生物多样性敏感度综合得分值，并根据各二级流域的得分最大值，按照ARCGIS自然间断点分类法将各二级流域分为极敏感区、高度敏感区、中度敏感区、低度敏感区和不敏感区，结果表明：

(1)流域库坝工程生物多样性敏感度区域分异明显，极敏感区主要分布在长江区、珠江区、西南诸河区，这些区域水生生物特有种和受威胁物种丰度大，国家级自然保护区密集，是陆地生物多样性最丰富的地区。不敏感区域主要分布在西北诸河区的荒漠区和松花江低温高寒区；其它区域介于二者之间，因其所处的生态系统类型、物种丰富度、珍稀程度、濒危程度和保护等级不一样，生物多样性敏感度各异。

(2)松花江区以不敏感区为主，辽河区为低度敏感区和不敏感区，黄河区以中度敏感区为主，龙羊峡以上流域为极敏感区，长江区和珠江区都以极敏感区为主，东南诸河区以高度敏感区为主，西南诸河区主要为极敏感区和中度敏感区，西北诸河区的青海湖水系为高度敏感区，荒漠边缘的绿洲和山麓区为中度敏感区，其荒漠区为不敏感区。

综上，生物多样性对生物圈生命维持系统的进化和保持具有极其重要的意义，是人类社会持续发展的基础，不同流域区对流域库坝开发的生物多样性敏感度是不一样的。目前我国北方相对缺水地区除了东北的松辽流域和新疆的内流水系外，黄河与海河两大流域的水资源综合开发强度均已超过60%，黄河上游龙羊峡至青铜峡河段、黄河中游河口镇至龙门段是我国规划的大型水电基地，而黄河区龙羊峡以上流域却是生物多样性极敏感区，黄河中游河口镇至龙门段的生物多样性极敏感度也较高；南方水资源尽管相对富裕，目前长江和珠江两大流域的水资源综合开发强度为30%左右，作为今后我国水资源开发和利用最集中的区域，长江区的金沙江、雅砻江、大渡河、乌江和长江上游地区，珠江区的南盘江、红水河等都是我国水资源开发和利用的重点区域，近年来其水资源开发和利用越来越受到全球气候变化的影响和挑战，同时作为生物多样性极敏感和高度敏感区，其水资源开发和利用越来越受到流域生物多样性保护的挑战。所以，流域开发应当综合考虑流域状况进行开发模式选择，针对不同流域要有因地制宜的开发和建坝方案，有选择、有限度地开发流域水资源，加强流域生物多样性保护，确保流域内社会、经济、环境的可持续发展。