徐浩田,周林飛,成 遣

沈陽農業(yè)大學水利學院, 沈陽 110866

濕地作為地球上十分重要的自然資源和生態(tài)系統(tǒng),在調節(jié)徑流、凈化環(huán)境、控制污染、涵養(yǎng)水源、抵御洪水、保護生物多樣性和維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面起著其他類型生態(tài)系統(tǒng)不可替代的作用[1- 2]。然而,隨著人類活動的不斷加劇,人類的需求發(fā)展同自然資源、環(huán)境的相互矛盾日趨尖銳,濕地資源受到了嚴重的干擾和破壞,同時導致了一系列生態(tài)環(huán)境問題的發(fā)生[3]。對濕地進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價與預警研究,不僅可以評估濕地資源所面臨的各種環(huán)境壓力,分析其現在所處的狀態(tài),還能夠預測濕地的演變規(guī)律,提出保護修復措施,從而確保濕地及其資源的可持續(xù)利用,為流域生態(tài)環(huán)境保護、工農業(yè)生產及協(xié)調區(qū)域經濟發(fā)展提供科學依據,具有重要意義[4- 5]。

1 研究區(qū)概況與基礎資料

1.1 研究區(qū)概況

凌河口濕地(40°45′—41°00′N,121°00′—121°30′E)自然資源豐富,生態(tài)環(huán)境美好,位于渤海遼東灣區(qū)域的北部,包含遼寧省凌海市約69 km的海岸線,是遼河流域主要的濕地保護對象。凌河口濕地自然保護區(qū)擁有近8.36萬hm2的面積,其生態(tài)系統(tǒng)屬于典型的沿海濕地混合生態(tài)系統(tǒng)。凌河口受遼東灣北部潮汐、海流、波浪等海洋因素的影響,形成有大面積的灘涂、沼澤濕地。由于生態(tài)環(huán)境適宜,濕地內部動植物物種豐富,約有239科,1024種的動植物,每年經過凌河口濕地進行遷徙的鳥類約有7萬余只,因此這里是國際上非常重要的候鳥遷徙停歇之地,也是目前世界上瀕危鳥類中特有的黑嘴鷗(Larus saundersi)和丹頂鶴(Grus japonensis)的主要棲息地和繁殖場所[6- 7]。

1.2 基礎資料

本研究的主要數據源是USGS官網提供的衛(wèi)星遙感影像,它們是1995年、2000年、2005年、2009年和2014年的分辨率為30 m的單幅TM衛(wèi)星遙感影像。研究過程中借助地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS為信息技術平臺,同時利用ERDAS 8.6軟件對獲取的影像依次進行了輻射校正(輻射定標和大氣校正)、幾何糾正、信息增強等影像預處理。其它收集的資料包括凌河口濕地研究區(qū)的水系圖、周邊行政界限圖和大凌河地區(qū)以往的調查資料以及與研究區(qū)相關的地質地貌、水文氣象和社會經濟資料等。

根據遼寧省土地利用分類系統(tǒng)劃分及對凌河口濕地進行的實地調查資料,將研究區(qū)土地利用景觀類型劃分為八類,它們分別是：居民地、林地、蘆葦沼澤、水田、湖泊-養(yǎng)殖塘、旱地、灘涂及河流。運用目視解譯信息提取方法提取研究區(qū)地物信息,建立研究區(qū)主要解譯標識,并通過GPS野外定點驗證解譯標識的準確性,最后運用ArcGIS 10.0軟件中的統(tǒng)計分析工具(Summary statistics)對校正好的影像進行分析計算,最后得出研究區(qū)5個時期的遙感信息數據(表1)。

2 凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價

2.1 PSR概念模型的選取

壓力-狀態(tài)-響應模型(Pressure-State-Response,簡稱PSR)最初是由Tony Friend和David Rapport提出的,用來分析研究自然環(huán)境所處的壓力、現狀與響應之間的關系。在20世紀70年代,國際經濟合作與發(fā)展組織(OECD)對PSR模型進行了進一步的修改并將其應用于環(huán)境報告研究中；到90年代初期,OECD在對生態(tài)環(huán)境相關重要指標進行分析研究時,對PSR模型進行了適用性和有效性的分析[8]。PSR模型就“發(fā)生了什么、為什么發(fā)生、我們將如何做”這3個人與自然和諧共處的基本問題給出了具體答案,尤其是其創(chuàng)造的將評價對象自身所面臨的相關壓力-狀態(tài)-響應指標和規(guī)范的參照標準進行對比的分析模式,得到了國內外眾多學者的肯定,同時被廣泛地應用在區(qū)域環(huán)境、水文水資源及天然濕地自然資源等具體環(huán)境指標體系的研究中[9]。

表1 凌河口濕地屬性信息

采用PSR模型進行分析的優(yōu)點是：研究區(qū)域的各個環(huán)境影響因子相互之間的邏輯關系明確,外界人為因素壓力的干擾、研究區(qū)內部各個環(huán)境指標的變化和響應的具體措施得到了充分的分析。依據凌河口濕地的勘察資料和研究區(qū)具體內部情況,將PSR模型引入到研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價中,構建凌河口濕地PSR基礎框架模型(圖1)。

圖1 凌河口濕地PSR模型Fig.1 PSR model in Linghekou Wetland

2.2 評價指標體系的構建

對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進行評價,要將生態(tài)環(huán)境、經濟影響和社會因素綜合考慮進來,同時還應顧及天然濕地生態(tài)結構、經濟體系以及社會構成在不同管理政策條件下所產生的動態(tài)變化,從而有利于維持濕地系統(tǒng)的持續(xù)性[10]。

本研究依據凌河口天然濕地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的生態(tài)問題,從整體性、代表性和可操作性3個方面出發(fā),結合生態(tài)系統(tǒng)的組成、生態(tài)特征、功能作用、經濟社會的影響等方面選取了10種評價指標,通過PSR評價模型構建了凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標體系(表2)。

表2 凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

2.2.1 壓力指標

一般情況下可依據人類對自然的干擾程度將天然濕地分為4種類型,即完全自然型、受擾自然型、退化自然型和人工修復型。當前,天然濕地生態(tài)系統(tǒng)所面臨的主要壓力是人類頻繁的對天然濕地進行干擾所造成的,以前理想中的濕地已逐漸消失殆盡,絕大部分濕地都遭受到了人為因素的破壞[11]。經實地勘察,凌河口濕地的生態(tài)健康主要是受到了人類活動的影響,如亂砍亂伐、大面積墾殖、肆意排放污水、破壞生態(tài)環(huán)境等,這些行為造成了濕地景觀的嚴重破碎化、生物多樣性降低,濕地生態(tài)健康面臨嚴重威脅。因此,本文選取了人口密度指數和人類干擾指數這兩個指標來構建凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的壓力指標。

(1) 人口密度

人口密度是單位面積土地上居住的人口數。它是表示研究區(qū)內人口密集程度的指標。通常以每平方千米或每公頃內的常住人口為計算單位。

人口密度=研究區(qū)人口數/濕地總面積；(單位：人/km2)

(2)人類干擾指數

人類干擾是指由于人類生產、生活和其他社會活動形成的干擾體對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)施加的各種影響。

人類干擾指數=(旱地面積+城鎮(zhèn)居民用地面積)/濕地總面積×100%

2.2.2 狀態(tài)指標

狀態(tài)指標不僅反映了環(huán)境要素的變化還體現了環(huán)境政策的終極目標,其中主要包括自然環(huán)境的現狀和生態(tài)系統(tǒng)狀況等,指標選擇主要考慮環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)的生物、物理化學特征及生態(tài)功能[12- 13]。本文從景觀、濕地功能、生物及物理化學等多個角度和方面選取了以下六項指標,六項指標值分別是景觀多樣性指數、平均斑塊面積、水文調節(jié)指數、景觀優(yōu)勢度指數、均勻度指數和初級生產力。簡述如下：

(1)景觀多樣性指數(H)

景觀多樣性指數是指不同類型的景觀要素或生態(tài)系統(tǒng)在空間結構、功能機理和時間動態(tài)等方面的多樣性和變異性,揭示的是濕地中景觀類型的豐富程度、多樣性程度和復雜程度。H的大小反映了景觀要素的多少和各景觀要素數量占總要素比例的變化。H=0時說明景觀是均質的并且是由單一要素所構成；當H趨于最大值時說明此時構成景觀要素的元素多于兩個并包括兩個,且每種斑塊類型面積占總面積的比例是一致的。計算公式如下：

式中,Pi為第i類景觀類型所占的面積比例；m為景觀類型的數目。

(2)平均斑塊面積(MPS)

平均斑塊面積就是某類型斑塊的面積和占該類型斑塊總面積的比值。有研究表明可以用MPS來表示景觀的破碎水平,MPS值的變化能夠反饋諸如濕地地類、植物面積、景觀變化等多種景觀生態(tài)信息,是反映景觀性質改變的關鍵性指標。計算公式如下：

式中,Si是指第i種濕地景觀類型的總面積,Ni是指第i種濕地景觀類型的斑塊數目。

(3)水文調節(jié)指數

水文調節(jié)是濕地生態(tài)系統(tǒng)一個重要的服務功能.濕地具有巨大的滲透能力和蓄水能力,它能儲蓄降水,減少并滯后了降水進入江河,在洪水期,它能削減并滯后了洪峰,從而減少了洪水徑流,而在枯水期,它能夠提供水源,以滿足工農業(yè)生產的需要。凌河口濕地主要的服務功能體現在水文調節(jié)方面,如調蓄洪水、提供水源,以及眾多水禽鳥類的棲息地和遷徙的中轉站。因此,在本文的評價過程中,將濕地的水文調節(jié)指數作為評價濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的一個指標。

水文調節(jié)指數=(河流面積+灘地面積)/濕地總面積

(4)景觀優(yōu)勢度指數(D)

景觀優(yōu)勢度指數指一種或某一類構成景觀空間格局中的景觀類型占其支配地位的程度,用最大可能多樣性指數(Hmax)的離差來表示。D值由小到大依次表示優(yōu)勢度由低到高；同時也表示土地和覆蓋的植被被利用和受支配程度由低到高。優(yōu)勢度指數與多樣性指數為負相關且存在一定的相關系數。計算公式如下：

式中,Hmax為各類型景觀所占面積比例相等的情況下,景觀的最大多樣性指數,Hmax=log2m；Pi為第i類景觀類型所占的面積比例；m為景觀類型的總數目。

(5)均勻度指數(SHEI)

均勻度是用來反映濕地景觀類型中每種斑塊在濕地總面積上散布的不均勻程度,用SHEI來表示,其比值由小到大表示各類景觀在濕地中的分布由不均勻到均勻。計算公式如下：

式中,Pi為第i類景觀類型所占的面積比例；m為濕地景觀類型的總數目。

(6)初級生產力

植被覆蓋指數(NDVI)是一種指示因子,指植被的生長狀態(tài)和植被覆蓋度的最佳指示因子。研究表明,植被覆蓋指數(NDVI)與植被的生產能力兩者為正相關,所以衡量研究區(qū)初級生產力的主要指標應首選濕地內年均NDVI值。計算公式如下：

2.2.3 響應指標

響應指標是管理部門為使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)遵循自身繁衍生息的規(guī)律向著健康、良性的方向發(fā)展而采取的必要管理措施。在人類活動的不斷干擾下,濕地生態(tài)系統(tǒng)的內部結構和功能將會發(fā)生改變,造成景觀的嚴重破碎化,進而逐步喪失生物多樣性。當人類意識到環(huán)境破壞的嚴重后果時,會采取相應的保護措施。這種一系列的鏈式反應即濕地生態(tài)系統(tǒng)對人類干擾的響應、人類對濕地生態(tài)系統(tǒng)變化的響應[14]。因此,響應指標選取了濕地退化指數和斑塊破碎化指數,簡述如下：

(1)濕地退化指數

濕地退化指數=濕地減少的面積/原始濕地總面積

(2)斑塊破碎化指數(PD)

濕地景觀總體的斑塊分化程度和破碎化程度用景觀斑塊密度來表示。PD值大,表明一定面積上斑塊規(guī)模小,破碎化程度高；反之,表明景觀類型保存完好。通過對濕地景觀要素的邊緣密度進行分析后就可以說明濕地景觀各要素的動態(tài)特性。計算公式如下：

式中,PD表示班塊密度；∑Ni為研究區(qū)景觀斑塊總數或某景觀要素斑塊類型的斑塊總數目；∑Ai為研究區(qū)總面積或某景觀斑塊類型的面積。

2.3 單因子評價

邏輯斯蒂增長曲線關系模型又被叫做自我抑制性曲線方程,是20世紀20年代Lotka和Volterra在種群生態(tài)學中的總群數量增長過程的研究中提出的,至今應用仍比較廣泛。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價中各個指標的測試值并不能線性反應出濕地生態(tài)系統(tǒng)健康各個方面和層次狀態(tài)水平。鑒于此,李永健、林茂昌等使用此模型分別對拉魯濕地、閩江河口區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進行了單因子評價：

式中,P表示單項指標的生態(tài)安全評價指標評價值,R表示單項指標測度值,a、b均為常數。

其中a、b的確定方法為：當R=0.01時,P的值近似取0.001；當R=0.99時,P的值近似取0.999,則此時方程中的a和b的值求解分別為4.595和9.19,因此,單項指標評價模型最終為：

(1)

(2)

其中,當單項指標量值增加方向與生態(tài)環(huán)境質量的增加方向相同時,采用公式(1)進行評價；當單項指標量值的增加方向與生態(tài)環(huán)境質量增加方向相反時,采用公式(2)進行評價[15- 16]。

根據凌河口濕地2005年和2014年遙感影像的解譯信息和各個單項指標的公式計算,利用單因子評價法得到兩個時期的單因子指標值及指標測度值(表3)。

表3 2005年和2014年各個單項指標值及指標測度值

2.4 綜合評價

根據各個單項指標的評價值,采用AHP確定各個指標的權重,再用加權平均法求得濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評價指數(CEI),計算公式如下：

式中,Wi為第i個單項指標的權重值,Pi為第i個單項指標的評價值。

2.5 評價標準

根據一般的評價方法,采用連續(xù)的實數區(qū)間[0,1]來表示濕地生態(tài)系統(tǒng)健康各個等級的標準值。標準值為1時,對應最佳狀態(tài)時的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況；當標準值為0時,對應最差時的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。將濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評價等級分為五級：很健康、健康、亞健康、一般病態(tài)、病態(tài),同時結合大量參考文獻及凌河口濕地的實際情況,確定了凌河口濕地健康評價分類標準(表4)[17- 19]。

表4 濕地健康等級劃分標準

2.6 評價結果分析

通過綜合評價法計算出凌河口濕地2014年的生態(tài)系統(tǒng)健康指數為0.405(表5),根據凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價等級標準可知,當前凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康屬于第Ⅲ等級(亞健康)。

從以上評價結果可以看出,目前凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂觀,由于人類活動的頻繁干擾,濕地內部結構遭受到一定程度的破壞,內部生態(tài)系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定,但是具有極強的敏感性,已有多處生態(tài)異?，F象產生,主要表現在：天然濕地面積大幅度退化、水禽棲息地遭受破壞、水質差且富營養(yǎng)化程度嚴重、景觀多樣性降低、斑塊破碎化嚴重、生物多樣性降低、生產能力下降、濕地功能水平嚴重退化、對外界的干擾響應迅速等。

2.6.1 壓力分析

目前,凌河口濕地生態(tài)系環(huán)境的惡化主要是受到了人類頻繁的活動干擾,并且對濕地本身產生的壓力也在逐漸增加。經計算,2005年研究區(qū)內的人口密度為834.57 人/km2,2014年增長到1026.521 人/km2；期間濕地面積減少了近100 km2。由此可知,人口密度變化和濕地面積變化成負相關,隨著人類干擾壓力的不斷增強,研究區(qū)原有濕地面積日益減少、濕地功能下降、生物多樣性降低。

2.6.2 狀態(tài)分析

從單項指標評價結果的趨勢可以看出,研究區(qū)內平均斑塊面積和景觀多樣性顯著降低,平均斑塊面積由2005年的2.908 km2降到2014年的2.569 km2,景觀多樣性由2005年的2.664降低到2014年的2.631。以上結果足以表明研究區(qū)內濕地的景觀異質性在逐漸的增加,濕地斑塊破碎化現象也愈來愈嚴重,濕地功能水平持續(xù)降低,濕地生態(tài)健康面臨病態(tài)的威脅。

表5 2014年凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價計算結果

2.6.3 響應分析

濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受外界環(huán)境的持續(xù)干擾或面臨一定程度的壓力時,就會發(fā)生與之相對應的響應。研究區(qū)內2005年到2014年的天然濕地面積由368.587 km2減少到276.440 km2,減少了92.147 km2,約占原有濕地總面積的25%；景觀破碎度也逐漸增加。結果表明,隨著研究區(qū)周邊城鎮(zhèn)、農村的不斷發(fā)展建設,大量的濕地被侵占、開墾為居民地或建設用地,濕地資源隨之消耗殆盡,致使水禽棲息地逐漸萎縮,研究區(qū)內珍貴水禽的數量和種類日益減少,生物多樣性逐年降低。而景觀破碎度的增加也說明了凌河口濕地資源遭到了嚴重的破壞,濕地功能的穩(wěn)定性降低,濕地保護水平較低。因此,需要控制凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力和生態(tài)威脅,并對其采取相應的保護和修復措施,逐步改善當前的生態(tài)狀況。

3 凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況預警研究

根據本文第二部分對凌河口濕地2014年生態(tài)系統(tǒng)健康評價的計算方法,分別計算出1995年、2000年、2005年和2009年與之對應的綜合評價指數,依次為0.642、0.617、0.524和0.436。結果表明,凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有由健康狀態(tài)向病態(tài)發(fā)展的趨勢。利用凌河口濕地1995年到2014年的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況綜合評價指數,采用灰色系統(tǒng)理論中的系統(tǒng)預測方法,通過建立GM模型群,構建狀態(tài)方程,進而實現對凌河口濕地未來20年生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的合理預測。

3.1 灰色預測GM(1,1)模型構建

數列預測的基礎是基于累加生成的數列的GM(1,1)模型,參考鄧聚龍、朱衛(wèi)紅等人的研究[20- 23],將凌河口濕地1995年、2000年、2005年、2009年和2014年的生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指數記為原始數據序列X(0)(i),(i=1,2,3,4,5)。依據X(0)(i)建立GM(1,1)模型,并對該預測模型進行檢驗分析。

3.1.1累加算子序列X(1)(i)

由樣本原始數據序列X(0)={x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),x(0)(4),x(0)(5)}=(0.6424,0.6172,0.5244,0.4363,0.4051)

對其作1-AGO,得：X(1)={x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),x(1)(4),x(1)(5)}=(0.6424,1.2596,1.7840,2.2203,2.6254)

3.1.2原始序列X(0)(i)準光滑性檢驗

3.1.3累加算子序列X(1)(i)準指數律檢驗

由序列級比公式m(1)(k)∈[1,1.5],δ=0.5,得：m(1)(3)=1.4163,m(1)(4)=1.2446,m(1)(5)=1.1825所以當k>3時,m(1)(k)∈[1,1.5],δ=0.5,準指數律成立。

綜上可知,可以對序列X(1)(i)建立GM(1,1)模型。

3.1.4構建GM(1,1)模型

X(1)(i)的緊鄰均值生成：Z(1)={z(1)(2),z(1)(3),z(1)(4),z(1)(5)}=(0.9510,1.5218,2.0022,2.4229)

構造數據矩陣B和數據向量Y,設P=(a,b)T,根據最小二乘法估計參數,有：

由于GM(1,1)模型得到的是一次累加量,需要將預測值還原為x(0)(k),即

3.2 預測模型精度檢驗

3.2.1 相對誤差ε檢驗

表6 預測模型殘差檢驗

3.2.2灰色絕對關聯度O檢驗

所以,灰色絕對關聯度

3.2.3 小誤差概率P檢驗

綜上,小誤差概率P=1>0.95；灰色絕對關聯度O=0.9978>0.90；后驗差比值C=S2/S1=0.1107<0.35,根據精度檢驗等級參照表(表7)可知：3個檢驗指標的精度檢驗等級均為一級,預測模型的預測結果好,說明本文所建立的GM(1,1)模型是可行的,因此可以對未來凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行預測分析。

表7 精度檢驗等級參照表

3.3 預測結果分析

圖2 凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指數模擬與預測 Fig.2 The predictive value of Linghekou Wetland ecological health competitive evaluation

4 結論

本研究依據凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)實際面臨的生態(tài)問題,采用壓力-狀態(tài)-響應模型(PSR)構建了凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系,利用AHP方法確定指標體系中的各個單項指標的權重,然后運用邏輯斯蒂增長曲線模型對其進行單因子指標評價,最后通過測算CEI值的綜合評價法對1995年到2014年凌河口濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進行綜合評價,由此得出結論：1995年到2000年濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為健康；2005年到2014年濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為亞健康,并有向一般病態(tài)發(fā)展的趨勢。

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