基于PSR模型的七里海濕地生態(tài)脆弱性評價研究

秦 磊，韓 芳，宋廣明，李立偉，王志剛，張寶華，江勝國

(1.天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170;2.天津華勘集團有限公司，天津 300170)

濕地是一個水陸相互作用形成的特殊生態(tài)系統(tǒng)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng)相互連接的紐帶，既是緩沖區(qū)又是脆弱區(qū)。濕地生態(tài)脆弱性評價的方法很多，但由于評價目標的特殊性及復(fù)雜性，目前尚未形成一種普遍認可的評價方法，一般是將定性分析與定量分析相結(jié)合，常用的有層次分析法(AHP)、定量分析法、綜合指數(shù)法、模糊分析法、定性分析法、EFI法、PSR法等［1］。許多研究人員對濕地生態(tài)脆弱性評價方法進行了研究，例如麥少芝等［2］應(yīng)用PSR法進行濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價，提出了濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系;楊一鵬等［3］應(yīng)用遙感技術(shù)，以PSR模型分析了松嫩平原西部濕地的生態(tài)環(huán)境狀況;周亮進［4］采用AHP法從影響因素、表現(xiàn)因素、脅迫因素等方面選擇了14個評價指標，對閩江河口濕地的生態(tài)脆弱性狀況進行了評價;劉振乾等［5］利用AHP法及綜合指數(shù)法，分析評價了三江平原濕地的生態(tài)脆弱性狀況。本研究采用“3S”技術(shù)，應(yīng)用PSR評價模型，結(jié)合景觀生態(tài)學、生態(tài)健康理論，根據(jù)七里海濕地的環(huán)境特征，選取9個評價指標對七里海濕地生態(tài)脆弱性進行評價。

1 研究區(qū)概況

七里 海 濕 地 (N39°16'—39°19'、E117°27'—117°38')地處天津市寧河縣西南部，與濱海新區(qū)接壤，位于天津古海岸與濕地國家級自然保護區(qū)內(nèi)。七里海濕地歷史上是眾水匯流之地，現(xiàn)仍與津唐運河、潮白河、曾口河等河流相連，潮白新河從北向南穿七里海而過，將七里海分為東海和西海，東海為水庫和蘆葦沼澤，面積約16.26 km2，西海為葦海，面積約32.27 km2，潮白新河及河灘地面積約8.00 km2。七里海濕地最大蓄水量0.8億～1億m3，年均氣溫11.2℃，年均降水量 600 mm［6］。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

選用覆蓋研究區(qū)范圍的1987年3月27日和2007年4月3日的ETM+影像數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，無云雪覆蓋干擾，無原始數(shù)據(jù)質(zhì)量缺陷。數(shù)據(jù)的幾何精校正以1∶5萬地形圖為依據(jù)，選擇與地形圖相一致的高斯—克呂格投影方式進行幾何參數(shù)校正。基于地形圖的大地坐標，采用控制點—多項式擬合校正方法選取地面控制點。采用二次多項式變換的計算模型進行影像圖與地形圖的配準，使其誤差小于1個像元。

以ETM741波段合成影像為基礎(chǔ)圖件、ENVI4.8為遙感數(shù)據(jù)處理平臺，結(jié)合MapGIS的空間分析功能，分析解譯七里海濕地土地利用方式，并利用GPS技術(shù)加野外調(diào)查，將得到的圖件作為提取生態(tài)脆弱性評價指標的基礎(chǔ)圖件(圖1)。

3 評價指標及評價模型

本研究七里海濕地生態(tài)脆弱性評價選擇聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署建立的壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(Pressure－State－Response，PSR)框架模型，具體評價指標見表1［7］。

圖1 七里海濕地遙感影像解譯

表1 濕地生態(tài)脆弱性評價指標體系

壓力指標主要選擇反映人類干擾狀況的人口密度和人類干擾指數(shù)。其中，人口密度是行政區(qū)域或人口普查區(qū)域的人口數(shù)量和面積的比值，人類干擾指數(shù)則是通過以下公式計算得到的:

狀態(tài)指標主要選用活力(初級生產(chǎn)力)、組織(分維數(shù)、破碎度、斑塊形狀指數(shù))、彈性(濕地平均彈性度)、服務(wù)功能(濕地蓄水量)等指標。選用NDVI指數(shù)表征濕地生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)力，主要利用ENVI4.8遙感數(shù)據(jù)處理軟件，得到七里海濕地的NDVI植被指數(shù)影像圖，并利用密度分割法得到七里海濕地的NDVI植被指數(shù)分級結(jié)果。濕地平均彈性度主要是根據(jù)七里海濕地生態(tài)環(huán)境特征，對不同類型濕地的彈性度進行分類賦值。

響應(yīng)指標主要選擇濕地面積變化比例，根據(jù)1987、2007年的非濕地數(shù)據(jù)(耕地、城鎮(zhèn)用地)，利用MapGIS的空間分析功能，分析評價單元的非濕地面積變化情況。

本研究主要以200 m×200 m柵格點狀單元為評價單元，對每個評價指標圖件進行柵格化處理，再對評價指標圖件中的各個級別范圍值進行賦值，把柵格圖與已經(jīng)賦值完畢的圖件進行疊加，利用MapGIS的空間分析功能對各圖層提取賦值。這樣，就把圖件中的賦值對應(yīng)到了相應(yīng)的網(wǎng)格點上。根據(jù)各個評價要素所占的權(quán)重，按照式(2)計算生態(tài)脆弱性指數(shù)，并根據(jù)該指數(shù)進行生態(tài)脆弱性分區(qū)。

式中:EVI為生態(tài)脆弱性指數(shù);fi為第i個評價因子的評分值;wi為第i個評價因子的權(quán)重;n為評價因子數(shù)。

4 結(jié)果分析

4.1 壓力指標

通過人口密度和人類干擾度計算得到的七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力指標分布結(jié)果見圖2。由圖2知，七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力指標達一級的約占10.51%，二級的約占28.02%，三級的約占40.02%，四級的約占13.23%，五級的約占8.22%。七里海濕地人類干擾度較小的地區(qū)主要集中在西七里海核心地帶，這里蘆葦沼澤面積較大，受人類活動干擾較小，濕地面臨的生態(tài)壓力較小。人類干擾度較大的地區(qū)主要是俵口、齊家阜及東七里海周邊地區(qū)，這些地區(qū)人口密度較大，耕地及城鎮(zhèn)用地面積較多，濕地面臨的生態(tài)壓力較大，應(yīng)盡快采取措施減少人類活動對濕地生態(tài)環(huán)境的影響。

圖2 七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力指標

4.2 狀態(tài)指標

首先是活力指標，七里海濕地活力指標最低的是河流養(yǎng)殖池，最高的是蘆葦沼澤濕地。其次是組織指標，西七里海比東七里海濕地組織結(jié)構(gòu)更加合理，這主要是因為西七里海濕地保持了較原始的天然濕地景觀，而東七里海濕地受人類活動干擾較大。再次，就彈性指標而言，水庫養(yǎng)殖池、河渠對維持生態(tài)系統(tǒng)彈性度、維護濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和改善區(qū)域小氣候調(diào)節(jié)能力都有著極其重要的作用，生態(tài)彈性度較好;水田、蘆葦沼澤雖對維持濕地彈性度有重要作用，但如果利用不好，會導(dǎo)致生態(tài)彈性度降低;耕地和城鎮(zhèn)用地對維持濕地生態(tài)彈性度作用極小。最后，就濕地服務(wù)功能指標而言，七里海濕地邊緣地區(qū)受人類活動干擾大，濕地服務(wù)功能弱;七里海濕地核心區(qū)域受人類活動干擾小，濕地的主要類型是蘆葦沼澤和水庫養(yǎng)殖池等，蓄水能力相對較強。

圖3 七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指標

通過活力、組織、彈性、服務(wù)功能等4個指標得到七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)指標分布結(jié)果見圖3。由圖3知，大王臺、樂善莊、齊家阜、俵口一帶受人類活動干擾影響較大，濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，健康狀況較差;以蘆葦沼澤為主的東、西七里海天然濕地受人類活動干擾相對較少，濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)較合理，服務(wù)功能較強。

4.3 響應(yīng)指標

濕地生態(tài)系統(tǒng)退化是濕地生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力過大，承載力明顯不足的一種反應(yīng)，也反映了濕地生態(tài)系統(tǒng)抵抗侵蝕能力下降的狀態(tài)。選取1987和2007年濕地轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨竦氐拿娣e比作為響應(yīng)指標，即評價單元內(nèi)2007年非濕地面積與1987年非濕地面積之比，其分布結(jié)果見圖4。圖中東、西塘坨地帶濕地向非濕地轉(zhuǎn)化面積較大，說明七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性加劇。

圖4 七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)指標

4.4 生態(tài)脆弱性指數(shù)

根據(jù)壓力指標、狀態(tài)指標、響應(yīng)指標，加權(quán)計算得到七里海濕地生態(tài)脆弱性指數(shù)(EVI)，并進行合理分區(qū)，得到七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分區(qū)結(jié)果見圖5。將七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性等級劃分為五級。

圖5 七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)脆弱性分區(qū)

(1)潛在脆弱區(qū)(一級)。潛在脆弱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能完善、活力強，受外界壓力小，無生態(tài)異常，無濕地退化現(xiàn)象，抗干擾能力強。潛在脆弱區(qū)主要分布在西七里海的中心地帶，主要是蘆葦沼澤濕地。據(jù)統(tǒng)計，七里海濕地潛在脆弱區(qū)面積約為7.94 km2，占濕地總面積的8.36%。

(2)輕度脆弱區(qū)(二級)。輕度脆弱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)較穩(wěn)定、功能較完善、活力較強，景觀格局較合理，受外界壓力較小，無生態(tài)異常，生態(tài)系統(tǒng)輕度退化。輕度脆弱區(qū)主要分布在西七里海外圍和東七里海東側(cè)，主要是蘆葦沼澤和河渠，受人類活動干擾較潛在脆弱區(qū)大，濕地存在一定的退化趨勢。據(jù)統(tǒng)計，七里海濕地輕度脆弱區(qū)面積約為16.36 km2，占濕地總面積的17.22% 。

(3)一般脆弱區(qū)(三級)。一般脆弱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)較不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)基本完整、有一定的活力，受外界壓力較大，已有少量生態(tài)異常出現(xiàn)，抗干擾能力較差，有一定程度的退化。一般脆弱區(qū)主要分布在人類活動區(qū)與七里海濕地的過渡地帶。該區(qū)人類活動較多，濕地生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，雖然濕地本身具有一定恢復(fù)能力，但若不及時采取措施，很容易繼續(xù)退化為中度脆弱區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，七里海濕地一般脆弱區(qū)面積約為21.68 km2，占濕地總面積的22.82%。

(4)中度脆弱區(qū)(四級)。中度脆弱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)較不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷、活力較低，受外界壓力較大，生態(tài)異常較多，抗干擾能力差，呈中度退化。中度脆弱區(qū)主要分布在人類活動頻繁地帶，主要土地利用類型為耕地、水田及受人類活動影響較大的水庫養(yǎng)殖池等，濕地組織結(jié)構(gòu)不合理，活力和可恢復(fù)性差。據(jù)統(tǒng)計，七里海濕地中度脆弱區(qū)面積約為28.85 km2，占濕地總面積的30.37%。

(5)重度脆弱區(qū)(五級)。重度脆弱區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)極不合理、活力極低，斑塊破碎化嚴重，抗干擾能力極差。重度脆弱區(qū)集中分布在人類活動密集區(qū)，如俵口、樂善莊、齊家阜等。據(jù)統(tǒng)計，七里海濕地重度脆弱區(qū)面積約為20.17 km2，占濕地總面積的21.23%。

5 結(jié)語

(1)七里海濕地壓力分布情況達一級的約占10.51%，二級的約占28.02%，三級的占約40.02%，四級的約占13.23%，五級的約占8.22%。

(2)通過對狀態(tài)指標中活力、組織、彈性、服務(wù)功能等4個分級指標的分析可以得出:七里海濕地狀態(tài)指標較好的區(qū)域主要集中在東、西七里海的中心地帶，主要為蘆葦沼澤濕地，受人類活動干擾較少，濕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為合理;而在人類活動較為密集的大王臺、樂善莊、齊家阜、俵口一帶，受人類活動影響較大，導(dǎo)致景觀破碎嚴重，濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況較差。

(3)生態(tài)脆弱性指數(shù)計算結(jié)果表明:七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)處于中度脆弱性的面積最大，其次是一般脆弱區(qū)，再次是重度脆弱區(qū)，最后是輕度脆弱區(qū)和潛在脆弱區(qū)。從定量評價的角度看，七里海濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況不容樂觀。

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