苗李莉，蔣衛(wèi)國，王世東，朱 琳

(1.北京師范大學地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875;2.北京師范大學資源學院，北京 100875;3.北京師范大學環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室，北京 100875;4.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院，北京 100048)

0 引言

濕地與海洋、森林并稱為地球三大生態(tài)系統(tǒng)。然而，全球濕地環(huán)境正在遭受著普遍性威脅，特別是人類脅迫強度最大的城市濕地正面臨著最為嚴重的生態(tài)問題，城市濕地研究已日益受到重視［1－2］。目前，對濕地功能進行評價主要分為2個研究方向:①對濕地水文化學功能的評價，國外對濕地功能的評價研究較早，一般圍繞具體的濕地管理目的而進行，針對性較強［3］;②對濕地生態(tài)服務(wù)功能的評價，Costanza等［4］利用價值量評價方法對全球濕地及其生態(tài)系統(tǒng)進行了貨幣化計算，認為世界濕地的生態(tài)服務(wù)功能價值約占自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價值的45%。我國在濕地生態(tài)功能價值的評價研究上，大多引用國外的方法或借鑒其標準［5－8］，成果也較多［9－10］。

目前，盡管對濕地的功能評價已有綜合性評價方法，但是其數(shù)據(jù)獲取方式仍以傳統(tǒng)直接觀測或打分賦值為主，新技術(shù)應(yīng)用研究明顯不足;主流的價值量評價方法與模式在當今的社會經(jīng)濟發(fā)展形勢下已暴露出多種不足［11］，大多數(shù)評估結(jié)果也僅僅作為參考，或者純粹就只是一種學術(shù)行為［12］，其單純的量化評價結(jié)果還難以和濕地管理有效結(jié)合;遙感與GIS技術(shù)在濕地生態(tài)服務(wù)功能方面的應(yīng)用還主要限于對區(qū)域濕地生態(tài)服務(wù)功能價值的單純定量評價［13－14］，缺少區(qū)域濕地生態(tài)服務(wù)功能的綜合分區(qū)研究。

為了進一步加強對城市濕地資源的有效管理，需要從整體上把握城市濕地系統(tǒng)的狀況。為此，本文基于現(xiàn)有的定量評價研究成果，充分發(fā)揮空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，探討適用于城市濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價的方法體系，并以北京地區(qū)的濕地為研究對象，綜合遙感、基礎(chǔ)地理、野外實測和社會統(tǒng)計等多源數(shù)據(jù)，借鑒千年生態(tài)系統(tǒng)評估(millennium ecosystem assessment，MA)中的概念框架［15］，利用濕地功能價值量評價方法，構(gòu)建基于遙感與GIS 的城市濕地生態(tài)服務(wù)功能評價指標體系;綜合層次分析(analytic hierarchy process，AHP)方法［15－18］和綜合指數(shù)法，建立濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價模型;在GIS 技術(shù)支持下，分別從“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別及其功能綜合，開展北京濕地功能的綜合評價與分區(qū)研究。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市總面積約1.6 萬km2，地形西北高，東南低，山地與平原之間界線分明，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫為11～13℃;年均降水量在600 mm 左右，主要集中在6—9月份，占全年降水量的80%～85%。北京自西向東主要有大清河、永定河、北運河、潮白河及薊運河5 大河流;區(qū)內(nèi)無天然湖泊，但有水庫85 座，其中大型的有密云水庫、官廳水庫、懷柔水庫及海子水庫等。2010年之前，北京市轄有18個區(qū)(縣)，包括城4 區(qū)(東城、西城、崇文和宣武)，朝陽、海淀、豐臺和石景山4個近郊區(qū)以及昌平、大興、門頭溝、房山、通州、順義、平谷、懷柔、密云和延慶10個遠郊區(qū)縣(圖1)。根據(jù)2007年北京市濕地普查數(shù)據(jù)，全市濕地總面積510 km2，占全市總面積的3.13%，其中以人工濕地類型為主，約占全市濕地面積的85%。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其處理

本研究主要利用多源遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、濕地現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)為2001－05－19 和2007－05－28 的Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)(軌道號為123/32，123/33)、2007年的航空遙感數(shù)據(jù)和SPOT Vegetation NDVI 數(shù)據(jù)，其中后2種數(shù)據(jù)則兼用作對相關(guān)指標(如濕地類型、濕地明水體分布與葉面積指數(shù)等)的反演;基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括行政邊界數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、土地利用圖和濕地普查數(shù)據(jù)等;濕地監(jiān)測數(shù)據(jù)包括全市多年的水文、氣象、土壤、水質(zhì)數(shù)據(jù)，人文與社會經(jīng)濟統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

在遙感和GIS 技術(shù)支持下，選取研究區(qū)TM4(R)，3(G)，2(B)波段圖像進行合成，并對照地形圖進行幾何糾正;依據(jù)研究區(qū)土地覆被類型圖像的顏色、紋理、位置等特征，建立解譯標志;采用決策樹分類方法結(jié)合人工修正進行濕地信息提取;按照濕地分類體系將濕地分為河流、沼澤、蓄水區(qū)、水塘、水渠、采掘區(qū)和灌溉地7 種，并生成濕地分類圖;選擇一些典型的地點進行實地考查，對解譯結(jié)果進行驗證。應(yīng)用誤差矩陣計算出解譯結(jié)果的總體分類精度為91.80%，符合精度要求。

2 研究方法

本研究的基本技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 綜合評價與分區(qū)技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of comprehensive assessment and zoning

2.1 指標體系的構(gòu)建

2.1.1 指標因子的選擇

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類領(lǐng)域，得到國際廣泛認可的功能分類系統(tǒng)是由MA 工作組提出的分類方法，即MA 分類體系［19］。該分類系統(tǒng)為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評估提供了概念框架。基于此，按照指標選取的一般性原則，結(jié)合研究區(qū)情況，采用自上而下、逐層分解的方法，建立濕地生態(tài)服務(wù)功能評價指標體系，并明確了指標定義、指標特征、指標獲取方式等內(nèi)容。將研究區(qū)的濕地生態(tài)服務(wù)功能評價指標因子確定為4 大類12 小類，并在該指標體系中把濕地生態(tài)服務(wù)功能評價分為3個層次，每一個層次又分別選擇反映其主要特征的要素作為評價指標(圖3)。

圖3 濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價指標體系Fig.3 Comprehensive assessment indices of wetland ecological service

2.1.2 指標信息的獲取

在濕地功能評價時，以北京市18個區(qū)(縣)為基本評價單元，濕地斑塊為評價亞單元。在GIS 的支持下，應(yīng)用濕地價值量評價方法對全市現(xiàn)有510 km2濕地進行不同類型生態(tài)服務(wù)功能的定量評價，各種評價指標的內(nèi)涵和獲取方式如表1 所示。

表1 濕地生態(tài)功能綜合評價指標Tab.1 Comprehensive assessment index of wetland ecological service functions

為了實現(xiàn)濕地功能評價和管理的科學化、定量化，必須有一套量化的評價標準［20］。鑒于部分指標是以其特征因子來表征的，其含義可能有差異，為此，采用無量綱的極值歸一化法將各類指標換算成［0，1］的量化范圍，以便于實現(xiàn)指標間的加權(quán)處理。各指標的取值與濕地生態(tài)服務(wù)功能的對應(yīng)關(guān)系為0時，代表生態(tài)服務(wù)功能重要程度最低，為1 時則其重要程度最高。

2.2 評價方法

2.2.1 指標權(quán)重的計算

由于城市濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有多層次結(jié)構(gòu)的特點，故本文采用層次分析法(AHP)確定各指標的權(quán)重。評價指標體系按目標層、要素層和指標層3個層次構(gòu)建其評判矩陣;采用專家評議法，結(jié)合文獻［18］中的比例九標度法及準則的重要性判斷，比較每一層指標對上一層的影響，每次都取該層的2個元素相互比較，對要素層的4個要素構(gòu)建判斷矩陣。總目標層(A)對要素層(B1，B2，B3，B4)各相關(guān)因子的判斷矩陣見表2。

表2 中B13=2，其取值含義表示在對濕地進行生態(tài)功能評價中，北京濕地的“調(diào)節(jié)”服務(wù)功能相對于其生態(tài)“文化”功能而言，屬稍微重要;B42=1/3則說明在濕地生態(tài)功能評價中，北京濕地“支持”功能相對于其生態(tài)“供給”服務(wù)功能重要性弱一些。計算比較判斷矩陣的最大特征根及其所對應(yīng)的特征向量，并對比較判斷矩陣的一致性進行檢驗。進行一致性檢驗可通過計算一致性比例CR 來決定，即

表2 A—B 層各相關(guān)因子的判斷矩陣Tab.2 Estimate matrix between the aim and synthesized evaluate layer

式中:CR 為計算一致性比例;CI=(R－N)/(N－1)為一致性指標;RI 為平均隨機一致性指標;R 為判斷矩陣的最大特征根;N 為比較判斷方陣的階數(shù)，也是該層次所含因素的個數(shù)。判斷矩陣的一致性準則為:當CR ＜0.10 時，則判斷矩陣有可以接受的不一致性;否則，就認為初步建立的判斷矩陣是不能令人滿意的，需要重新賦值、修正，直到一致性檢驗通過為止。

查“RI 取值表”可知，當RI=0.9，CR ＜0.1 時(表3)，該層次單排序的結(jié)果具有一致性。通過運算得出此判斷矩陣的CR=0.02，可見，判斷矩陣具有一致性，依此方法類推，分別對要素層、指標層構(gòu)造出判斷矩陣，通過層次分析得到各指標權(quán)重值(表3)。

表3 濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價指標因子的權(quán)重①Tab.3 Weights of comprehensive assessment indexes of wetland ecological service

2.2.2 綜合評價指數(shù)的計算

本文采用加權(quán)求和方法構(gòu)建濕地生態(tài)服務(wù)功能的綜合評價指數(shù)，即

用以反映濕地綜合服務(wù)功能的大小或強弱。式中:I 為生態(tài)服務(wù)功能綜合評價指數(shù)，取值范圍為0～1;n 為評價指標個數(shù);Wi為第i個評價指標的權(quán)重;Si為第i個指標標準化后的值，i=1，2，…，12。

2.3 分區(qū)方法

在GIS 空間分析方法中，常用的等級劃分方法有自然斷點分級法、等間距分級法以及自定義間距分級法等。這些方法各有特點及其適用條件?？紤]到自然斷點分級法適用于非均勻的屬性值分級，同時根據(jù)北京濕地功能綜合評價值的數(shù)理統(tǒng)計分析獲取的數(shù)學特征，本研究采用自然斷點分級法對北京濕地功能的綜合評價值進行分級評定，按照濕地功能的重要程度從低到高依次劃分為4個等級:1 級為“一般重要性”，2 級為“比較重要”，3 級為“重要”，4 級為“最重要”。同時編繪出這4 類分區(qū)區(qū)域地理空間分布圖，以便于直觀表達北京濕地功能的現(xiàn)狀。

3 結(jié)果與分析

通過上述流程，完成了北京市濕地生態(tài)服務(wù)功能重要性的單因子評價和綜合因子評價，分別得出生態(tài)服務(wù)功能在“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別的重要性等級(圖4(a)－(d))、服務(wù)功能的綜合評價重要性等級(圖4(e))及其不同等級分布面積的百分比(表4)。

圖4 -1 濕地功能重要性分布Fig.4 -1 Importance of wetland ecological service

圖4 -2 濕地功能重要性分布Fig.4 -2 Importance of wetland ecological service

表4 北京濕地功能各等級分布面積百分比Tab.4 Percentage of Beijing wetland ecological servical importance (%)

3.1 濕地功能類別重要程度格局

由以上評價結(jié)果可見，北京市濕地的“調(diào)節(jié)”和“供給”功能相對較強，“文化”功能次之，“支持”功能最低。這是因為，北京市濕地的主要類型是河流、蓄水區(qū)和池塘(湖泊)，再加上北京是我國著名的歷史文化名城，因此其“文化”功能比較突出。

從圖4(a)和表4 可以看出，在濕地的生態(tài)調(diào)節(jié)功能方面，遠郊區(qū)(密云、門頭溝和通州)的濕地為4級、居于“最重要”的優(yōu)勢地位，并且濕地面積占全市面積的44%;延慶、懷柔、平谷、大興和房山的濕地為3 級、屬“重要”地位，其面積占37%;昌平、順義、海淀和朝陽則為“比較重要”;其他區(qū)為“一般重要”性濕地。除了濕地面積這一影響因素之外，濕地的蓄水調(diào)節(jié)指標在生態(tài)調(diào)節(jié)功能中影響較大(見表3)。密云縣有面域相當大的水庫，通州區(qū)和門頭溝區(qū)不僅濕地資源密集，且濕地中的植被覆蓋面積較大;城4 區(qū)、豐臺和石景山多為景觀濕地，雖然人工種植了很多樹木和草地，但面積較小(4%)，其生態(tài)調(diào)節(jié)功能較為一般。

在濕地“供給”功能的重要性及其分布狀況方面(圖4(b)、表4)，從高到低的區(qū)縣依次為:密云、通州和平谷、房山、延慶、懷柔、朝陽、其他區(qū)縣。濕地“供給”功能中包含生物產(chǎn)品供給和水源供給2類指標，而后者對其功能的影響較大。密云有22%的濕地面積，密云水庫是北京市居民最大的水源供給地，故密云的“供給”功能最強。另外，通州和平谷分布在北運河下游和薊運河下游，濕地類型以水塘濕地為主，濕地植被豐富，且擁有大量的魚塘，是北京水產(chǎn)品的重要產(chǎn)地，這2個區(qū)的重要性次之。

在濕地“文化”功能的重要性方面(圖4(c)、表4)，城區(qū)的濕地優(yōu)于郊區(qū)濕地?！拔幕惫δ苤匾缘膹母叩降鸵来螢?城4 區(qū)和海淀、延慶、朝陽和豐臺，懷柔、密云、大興、房山和石景山、其他區(qū)縣。濕地“文化”功能包括旅游休憩指標和文化遺產(chǎn)指標，在這方面，海淀和城4 區(qū)的公園類水體較多，盡管其濕地面積只有3%，但這些濕地景區(qū)多為人們旅游休閑的名勝古跡，其功能和重要性不言而喻;朝陽和豐臺的濕地面積雖然只占13%，但為近郊區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢明顯，在旅游休憩和改善居住環(huán)境中的作用比較大;延慶縣有知名的野鴨湖濕地，常年吸引了大量游客，其功能重要性也是肯定的。其他區(qū)域的濕地知名度不高，缺乏區(qū)位優(yōu)勢，重要性較差。

北京濕地“支持”功能的重要性(圖4(d))表現(xiàn)為郊區(qū)濕地優(yōu)于城區(qū)濕地，山區(qū)濕地優(yōu)于平原?！爸С帧惫δ苤匾詮母叩降鸵来螢?門頭溝、懷柔、密云、平谷和通州、延慶、昌平和朝陽、其他區(qū)縣。該項功能指標主要是防止土壤侵蝕，由于永定河上游位于門頭溝地區(qū)，地處山區(qū)，地形坡度較大，土壤潛在侵蝕量大，而濕地的存在涵養(yǎng)了周邊大量的濕生及干濕兩生植物，使其實際侵蝕量很小，使得該地區(qū)的濕地支持功能明顯。懷柔、密云和平谷擁有潮白河水系和薊運河水系，而通州則有涼水河濕地群，濕地植被豐富，有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)，因此這些區(qū)縣濕地的“支持”功能重要性也較明顯。

3.2 濕地功能綜合重要程度格局及建議

從北京濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價的空間分布圖4(e)可見，密云濕地的重要性最大，平谷、通州、海淀和門頭溝的濕地重要性居次，房山、城4 區(qū)、朝陽、延慶和懷柔的濕地重要性再次之，大興、昌平、順義、石景山和豐臺濕地的重要性為一般。

上述研究分析成果可以作為北京市濕地科學、正確監(jiān)管的決策依據(jù)。密云濕地為城市可持續(xù)發(fā)展提供了生態(tài)安全保障，其生態(tài)服務(wù)功能十分重要，應(yīng)該做好濕地的培育和保護工作，嚴防濕地遭受破壞;濕地功能較為重要的其他地區(qū)具有約58%的濕地面積(表4)，其中大部分位于西部、北部和東北部的山區(qū)及丘陵地帶，包括環(huán)境保護林、水土保持林、防風固沙林、水源涵養(yǎng)林等生態(tài)保護林地，以及野鴨湖濕地等重要的自然濕地，生態(tài)服務(wù)功能大，是北京市的生態(tài)涵養(yǎng)功能區(qū)，應(yīng)嚴禁或限制濕地遭受破壞。位于人口密度大的城區(qū)和城鎮(zhèn)高度開發(fā)區(qū)的濕地，不論從其面積還是生態(tài)服務(wù)功能的重要性而言，都是相當珍貴的，應(yīng)該加強保護、恢復或重建等措施，提高濕地質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)功能。

對于濕地功能重要性最低的區(qū)縣，可實行濕地資源開發(fā)利用和保護并行，在實現(xiàn)保護濕地資源與生態(tài)環(huán)境的同時，可在有效控制和科學指導下進行合理地開發(fā)，實現(xiàn)濕地的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

本文以北京市為研究區(qū)進行濕地生態(tài)服務(wù)功能的評價和分區(qū)研究，得出以下認識和結(jié)論:

1)根據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)分類體系及指標數(shù)據(jù)的空間信息可獲取性，借助濕地價值量評價方法，建立了基于空間信息技術(shù)的濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評價指標體系。

2)應(yīng)用層次分析法(AHP)和綜合指數(shù)方法，分別從“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個功能類別及其功能綜合，對北京市的濕地生態(tài)服務(wù)功能進行了綜合評價，揭示出濕地生態(tài)服務(wù)功能的重要性等級分區(qū)和空間分布狀況。結(jié)果是:密云濕地的調(diào)節(jié)和供給功能的重要性最為突出，居于最高級別(4級);大興、昌平、順義、石景山和豐臺的濕地面積較小，濕地公園特色不突出，其功能重要性屬于最低級(1 級):其他區(qū)縣的濕地生態(tài)服務(wù)功能重要性為2，3 級。

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