徐國(guó)榮, 馬維偉, 李 廣, 張宏奎
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730070)
濕地是一種不同于其他生態(tài)系統(tǒng)的具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能的一種自然生態(tài)系統(tǒng)[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,人類日益發(fā)展的活動(dòng)需求同自然資源和環(huán)境的矛盾越發(fā)突出,導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重干擾和破壞,進(jìn)而引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[2]。因此,濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況的診斷和評(píng)價(jià)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是對(duì)當(dāng)前區(qū)域生態(tài)環(huán)境診斷的主要手段,能客觀反映某一生態(tài)系統(tǒng)總體特征,表明生態(tài)系統(tǒng)各層次健康狀況,從而為采取恰當(dāng)?shù)拇胧┗謴?fù)和保護(hù)提供策略[3],以促進(jìn)濕地及其資源的可持續(xù)利用,對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[4]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系逐步建立。其中濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的方法有指示物種法、指標(biāo)體系法、集對(duì)分析理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等[5-6]。如Vassallo等[7]以河口低棲生物群落為指示物種,建立海岸帶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系;Karr和Brousseau[8]以魚類群組成、多度以及物種數(shù)量種類的變化來(lái)評(píng)價(jià)水生態(tài)系統(tǒng)。這些研究均以單一指標(biāo)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià),難以準(zhǔn)確、全面評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[9]。一些學(xué)者[10]以生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、生物群落指標(biāo)和生態(tài)功能作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系;還有一些研究[11]也引入人口密度、文化素質(zhì)和區(qū)域人均GDP等社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系,這些研究進(jìn)一步豐富了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系。對(duì)于土壤質(zhì)量狀態(tài)生化指標(biāo)在評(píng)價(jià)中涉及較少,而土壤酶活性、氮、磷、有機(jī)碳等作為土壤有機(jī)體的代謝動(dòng)力,其變化規(guī)律及其與生態(tài)因子的相互作用關(guān)系,在濕地生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用,成為濕地土壤系統(tǒng)變化的預(yù)警指標(biāo)[12],對(duì)土壤質(zhì)量狀態(tài)好壞具有重要指示作用,但目前在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究中很少涉及。因此,在區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系中,有必要引入土壤生化指標(biāo),以建立健全生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康準(zhǔn)確、全面的評(píng)價(jià)。
尕海濕地位于青藏高原的東部邊緣,是我國(guó)青藏高原若爾蓋濕地的重要組成部分,也是維系甘南高原生態(tài)安全的重要屏障。隨著人口、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅速發(fā)展以及濕地長(zhǎng)期超載過(guò)牧等不合理利用,致使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重破壞,濕地出現(xiàn)了退化現(xiàn)象,影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與資源的可持續(xù)發(fā)展[13]。近年來(lái),為保護(hù)和恢復(fù)尕海濕地生態(tài)系統(tǒng),當(dāng)?shù)卣M(jìn)行了大規(guī)模的封禁保護(hù)措施,但恢復(fù)效果如何,恢復(fù)后濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況如何仍不清楚。因此,本研究選擇甘南尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型建立生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合研究環(huán)境、土壤生化指標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行健康狀況綜合評(píng)估,為尕海濕地科學(xué)管理和可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。
尕海濕地位于青藏高原東北邊緣甘肅省碌曲縣尕?!?jiǎng)t岔國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)(33°58′12″—34°32′16″N,102°05′00″—102°47′39″E),海拔3 430~4 300 m,保護(hù)區(qū)內(nèi)濕地面積5.79×104hm2,主要為河流濕地、沼澤草甸和泥炭濕地,其中沼澤化草甸5.12×104hm2,泥炭地1.04×104hm2。氣候?qū)儆谇嗖馗咴瓗?、高寒濕?rùn)氣候區(qū),年均氣溫1.2 ℃,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期,年均降水量781.8 mm,主要集中在7—9月,年蒸發(fā)量1 150.5 mm[14]。植物種類主要有烏拉苔草(Carexmeyeriana)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、線葉蒿(Artenisiasubulata)、萎陵菜(Potentillachinensis)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、蕨麻(PotentillaanserinaL.)等。
結(jié)合相關(guān)研究成果及尕海濕地實(shí)際狀況,選擇18項(xiàng)指標(biāo),用于評(píng)價(jià)尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)。其中社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)(主要包括人口密度、人均GDP、旅游強(qiáng)度、人口受教育水平、環(huán)保投資指數(shù)、政策法規(guī)貫徹力度、濕地管理水平等數(shù)據(jù)),主要來(lái)源于《碌曲縣年鑒》(2017年)和政府工作報(bào)告;土壤質(zhì)量狀態(tài)生化指標(biāo)、植被特征指標(biāo)等來(lái)源于野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。
野外調(diào)查及采樣于2018年8月在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)尕海濕地周邊環(huán)境,按照代表性原則,設(shè)置植物群落樣地(10 m×10 m)45個(gè),在樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)小樣方(0.5×0.5 m)取樣[13]。調(diào)查植物蓋度、高度及株數(shù)等參數(shù),并采集地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室于80 ℃烘干至恒重,測(cè)得地上生物量。用土鉆在每個(gè)樣方中采集0—20 cm層土壤樣品,帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理化指標(biāo)測(cè)定,用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值,烘干法測(cè)定土壤含水量,重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳,凱氏定氮法測(cè)定總氮,鉬銻抗比色法測(cè)定總磷,3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定土壤酶。
2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的、沒(méi)有明確界限劃分的、很難用精確尺度來(lái)刻畫的指標(biāo)[15],目前被廣泛應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的“P-S-R”模型由聯(lián)合國(guó)OECD和UNEP提出,主要用來(lái)衡量人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成的壓力、生態(tài)系統(tǒng)的變化以及人類對(duì)生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的響應(yīng)[16]。綜合分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境特征與生態(tài)系統(tǒng)健康影響因素,基于P-S-R模型,將尕海濕地健康評(píng)價(jià)體系分為3個(gè)準(zhǔn)則層,依據(jù)相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)將準(zhǔn)則層劃分為18項(xiàng)指標(biāo),構(gòu)建尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。
2.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 為了消除評(píng)價(jià)指標(biāo)的類型,數(shù)據(jù)性質(zhì)和量綱,對(duì)各個(gè)指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理,統(tǒng)一在[0,1][17]。本文對(duì)狀態(tài)層指標(biāo)數(shù)據(jù)采用極差法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)處理,將壓力層和響應(yīng)層指標(biāo)根據(jù)實(shí)際狀況與評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)類比,得出對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化值(表1)。
表1 尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
注:“+”表示該指標(biāo)為正向指標(biāo),值越大,生態(tài)系統(tǒng)越健康;“-”表示該指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo),值越小,生態(tài)系統(tǒng)越健康。
2.2.3 評(píng)價(jià)方法 本文參考相關(guān)研究成果[18-19]及專家意見(jiàn)構(gòu)造判斷矩陣,采用層次分析法確定各指標(biāo)主觀權(quán)重,在此基礎(chǔ)上,引入熵權(quán)法對(duì)主觀權(quán)重進(jìn)行修正,彌補(bǔ)了層次分析法主觀性過(guò)強(qiáng)的缺點(diǎn)[20]。判斷矩陣一致性比例(CR)是關(guān)鍵,具體計(jì)算公式為:
式中:CI——矩陣一致性指標(biāo),CI=(I);λmax——判斷矩陣的最大特征根;n——矩陣階數(shù); RI——矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo),通過(guò)查表獲得不同階數(shù)矩陣的隨機(jī)一致性數(shù)值。當(dāng)CR<0.1時(shí),判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn),否則需要重新構(gòu)造矩陣[21]。
2.2.4 生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù) 計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)采用以下公式計(jì)算:
式中:EHI——生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)取值范圍為0~1;Ei——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值;Wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;n——評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。
各評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)量綱化標(biāo)準(zhǔn)值與相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算得到上一層指標(biāo)健康指數(shù),依次計(jì)算,分別得到尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力層、狀態(tài)層和響應(yīng)層健康指數(shù),最終獲得研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)綜合指數(shù)。
2.2.5 評(píng)價(jià)等級(jí)的確定 生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的劃分尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),本研究參考牛明香、王薇等相關(guān)研究資料[1,19],將尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況劃分為5個(gè)等級(jí)(表2)。
表2 尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)
由表3可知,準(zhǔn)則層各因素的相對(duì)重要性排序?yàn)椋籂顟B(tài)B2(0.536 9)>壓力B1(0.379 7)>響應(yīng)B3(0.083 4)。尕海濕地壓力、狀態(tài)和響應(yīng)子系統(tǒng)CR<0.1,均通過(guò)一致性檢驗(yàn)(表4)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重由各準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重與各指標(biāo)層權(quán)重相乘而得,各指標(biāo)層綜合權(quán)重詳見(jiàn)表5。按照權(quán)重大小各指標(biāo)排序?yàn)椋耗昶骄鶜鉁?0.172 2)>土壤含水量(0.152 2)>土壤酶活性(0.123 9)>年降水量(0.105 0)。這4項(xiàng)指標(biāo)之和(0.553 3)大于0.5,是影響目標(biāo)層最重要的指標(biāo)。尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)綜合指數(shù)為0.588 1(表5),位于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(0.4,0.6],屬于亞健康狀態(tài)(表2)。壓力指標(biāo)指數(shù)為0.732 2,屬于健康狀態(tài);狀態(tài)指標(biāo)指數(shù)為0.489 3,處在亞健康和不健康的臨界狀態(tài);響應(yīng)指標(biāo)指數(shù)為0.567 9,屬于亞健康狀態(tài)。
表3 準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重
表4 各判斷矩陣一致性檢驗(yàn)
表5 尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果
根據(jù)綜合評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果(表5),壓力層健康指數(shù)為0.732 2,屬于健康狀態(tài)。在壓力層指標(biāo)中,尕海濕地自然過(guò)程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)壓力狀況影響較大(表6),年平均氣溫和年降水量對(duì)壓力層的權(quán)重為0.453 6,0.276 7,2項(xiàng)指標(biāo)之和(0.730 3)大于0.5,即壓力層5項(xiàng)指標(biāo)中年平均氣溫和年降水量為重要影響因素;其次是人口密度和人為活動(dòng)干擾,人口密度、人均GDP和旅游活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)壓力層的權(quán)重為0.196 0,0.052 8,0.020 9。
表6 壓力層指標(biāo)權(quán)重
尕海濕地系統(tǒng)狀態(tài)層健康指數(shù)為0.489 3,整體處于亞健康狀態(tài)。
從狀態(tài)指標(biāo)來(lái)看(表7),各指標(biāo)中土壤含水量和土壤酶活性對(duì)狀態(tài)層的影響較大,權(quán)重為0.283 5和0.230 7,2項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重之和(0.514 2)大于0.5;其次是土壤養(yǎng)分總磷、總氮和有機(jī)碳權(quán)重分別為0.157 0,0.112 1,0.061 1;土壤pH值對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用,相對(duì)狀態(tài)層權(quán)重為0.077 8;而植物生物量和植物多樣性指標(biāo)分別對(duì)狀態(tài)層的權(quán)重為0.047 6和0.022 4。
響應(yīng)層健康指數(shù)為0.567 9,屬于亞健康狀態(tài)。從響應(yīng)指標(biāo)來(lái)看(表8),濕地周邊人口素質(zhì)是濕地生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要因素,其次環(huán)保投資指數(shù)和濕地管理水平是維持生態(tài)系統(tǒng)健康的重要指標(biāo),政策法規(guī)貫徹力度對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況影響較小;人口受教育水平、環(huán)保投資指數(shù)、政策法規(guī)貫徹力度和濕地管理水平依權(quán)重排序?yàn)椋喝丝谑芙逃?0.386 2)>環(huán)保投資指數(shù)(0.340 2)>濕地管理水平(0.249 3)>政策法規(guī)貫徹力度(0.024 3)。
表7 狀態(tài)層指標(biāo)權(quán)重
表8 響應(yīng)層指標(biāo)權(quán)重
濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)尚未建立一套嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)[22],同時(shí)沒(méi)有全面、準(zhǔn)確地規(guī)定生態(tài)系統(tǒng)健康狀況評(píng)價(jià)需要的指標(biāo)[23]。本研究研究區(qū)位于保護(hù)區(qū)中,生態(tài)系統(tǒng)演替較為穩(wěn)定,用以研究尕海濕地健康狀況特征具有很好的代表性,通過(guò)PSR關(guān)系模型,將濕地生態(tài)系統(tǒng)看作一個(gè)有機(jī)整體,全面分析尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)的“壓力”、“狀態(tài)”和“響應(yīng)”,充分理解影響尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)中各指標(biāo)間的相互關(guān)系,避免了單因素評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)的片面性[1]。本模型與VOR模型和VCOR模型不同的是在生理指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上引入了社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[24],使該評(píng)價(jià)體系將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和前人研究成果相結(jié)合,建立起尕海濕地更全面、更綜合的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
壓力指數(shù)主要體現(xiàn)自然和人為活動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的干擾和脅迫,在一定程度上表征生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)和應(yīng)對(duì)人類活動(dòng)干擾的能力。目前的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系中,壓力層指標(biāo)選擇更多的以人口分布密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展總量,在壓力層指標(biāo)中賦以較高的權(quán)重,但是人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響不僅僅是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞,也有積極作用。在本研究中,尕海濕地壓力層指標(biāo)屬于健康狀態(tài),生態(tài)系統(tǒng)所受的人口密度、人類活動(dòng)和人均GDP等壓力較小,這與何彥龍等人對(duì)影響生態(tài)系統(tǒng)壓力指標(biāo)因素的研究結(jié)果一致[25]。年平均氣溫和年降水量等自然壓力對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)影響較大,可能是由于在全球氣候變暖的背景下,溫度升高將引起蒸發(fā)速度的增大,同時(shí)也會(huì)引起降雨量的變化和季節(jié)性分配不均,從而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況[26],但該壓力仍處在環(huán)境允許范圍內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)尚能維持其穩(wěn)定性。
同時(shí)在生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中最重要的指標(biāo)是狀態(tài)指數(shù),是生態(tài)系統(tǒng)健康與否的預(yù)警,不僅能及時(shí)反映自然和人為活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,也體現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)和功能的變化,是生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)人類壓力和自然壓力所響應(yīng)的結(jié)果[1]。在本研究中,狀態(tài)指標(biāo)包括了尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)的土壤和植被物理化學(xué)指標(biāo),狀態(tài)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)得分最低,整體上處在亞健康狀態(tài)。導(dǎo)致狀態(tài)子系統(tǒng)得分較低可能是近年來(lái)全球氣候變暖、過(guò)度放牧和濕地排水疏干等作用下,尕海濕地出現(xiàn)了植被退化現(xiàn)象[27],過(guò)度的利用植被致使生態(tài)系統(tǒng)地上生產(chǎn)力降低乃至喪失,這一過(guò)程使得土壤板結(jié),物質(zhì)循環(huán)變慢,土壤持水能力降低,土壤含水量減小,土壤酶活性受到不同程度的抑制,使土壤環(huán)境惡化,土壤肥力狀況顯著降低,植被與土壤形成一個(gè)相互影響、相互作用的耦合作用系統(tǒng)[19]。隨著尕海濕地退化程度加劇,植被蓋度和生物量隨之下降,其變化也影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的改變。
響應(yīng)指數(shù)是人類為防止生態(tài)系統(tǒng)破壞,保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)所做出的積極響應(yīng),主要說(shuō)明為預(yù)防和修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)破壞而做出的改變,響應(yīng)層主要包括政策貫徹力度、環(huán)保投資指數(shù)、人口素質(zhì)和濕地管理水平等指標(biāo)。本研究中響應(yīng)子系統(tǒng)綜合健康指數(shù)處于亞健康狀態(tài),其中人口受教育水平和環(huán)保投資指數(shù)是較為重要的指標(biāo),這和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān),隨著甘南經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展,濕地保護(hù)投資力度將逐步加大[28]。同時(shí)需要加強(qiáng)執(zhí)法隊(duì)伍建設(shè),提升人員執(zhí)法業(yè)務(wù)素質(zhì),完善管理體制,促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)展。
尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況為亞健康狀態(tài)。其中,壓力子系統(tǒng)為健康狀態(tài),狀態(tài)和響應(yīng)子系統(tǒng)健康狀況都為亞健康狀態(tài)。因此,急需控制人類壓力和生態(tài)威脅對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響,采取科學(xué)的保護(hù)和修復(fù)措施,加強(qiáng)政策落實(shí)和加大資金投入,提高人民群眾環(huán)保意識(shí),將社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益相結(jié)合,使尕海濕地生態(tài)系統(tǒng)趨向健康發(fā)展。