彭濤 ,陳曉宏,王高旭,李英海,劉冀
1.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029;3.中山大學(xué)華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510275
濕地被譽(yù)為“地球之腎”,是地球表層最獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)和過(guò)渡性景觀。濱海濕地是海陸相互作用下的具有典型生態(tài)“邊緣效應(yīng)”的地帶,是自然界中生物多樣性最豐富、生產(chǎn)力最高的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一,在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、養(yǎng)護(hù)漁業(yè)資源、凈化環(huán)境、防止海岸侵蝕和海水入侵、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著十分重要的作用(何文珊,2008)。然而,隨著沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,快速城市化、大規(guī)模圍填海活動(dòng)、港口碼頭的建設(shè)以及海洋環(huán)境污染等人類不合理活動(dòng)使得濱海濕地日益萎縮,濱海濕地健康嚴(yán)重受損。因此,對(duì)濱海濕地生態(tài)健康進(jìn)行診斷和評(píng)價(jià),對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和可持續(xù)利用具有重要意義。
濕地生態(tài)系統(tǒng)健康已成為國(guó)內(nèi)外濕地科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)之一(江春波等,2007)。目前,生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法主要有指示物種法和指標(biāo)體系法。指示物種法根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵物種、特有種的數(shù)量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)等來(lái)描述濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況(孔紅梅等,2002)。魚類、海草、硅藻、大型無(wú)脊椎動(dòng)物等常作為指示物種來(lái)評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。指示物種法簡(jiǎn)便易行,是評(píng)價(jià)自然生態(tài)系統(tǒng)的較好方法,但是指示物種的篩選標(biāo)準(zhǔn)和指示效果尚不明確(馬克明等,2001)。指標(biāo)體系法克服了指示物種法的缺點(diǎn),它根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其功能建立指標(biāo)體系進(jìn)行定量評(píng)價(jià),近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外濕地健康評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。Costanza等(1992)提出了包括活力、恢復(fù)力和組織等3個(gè)指標(biāo)在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。澳大利亞學(xué)者選擇環(huán)境本底質(zhì)量、環(huán)境變化趨勢(shì)和經(jīng)濟(jì)變化趨勢(shì)等方面的指標(biāo)對(duì)流域濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行定量評(píng)價(jià)(Walker和Reuter,1996)。近10年來(lái)美國(guó)環(huán)保署(EPA)提出了3個(gè)層次的濕地健康評(píng)價(jià)方法及相應(yīng)的指標(biāo)體系,即 LevelⅠ,Ⅱ,Ⅲ,評(píng)價(jià)結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)相互驗(yàn)證(Breaux等,2005)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的理論和方法方面取得了一些進(jìn)展。針對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)具有不確定性和模糊性特征,屬性理論法(鄧睿清,2011)、灰色聚類法(李晴新等,2010)、模糊綜合評(píng)價(jià)法(陳銘等,2007;李淑娟和孟芬芬,2011)等被廣泛應(yīng)用到濕地生態(tài)系統(tǒng)健康定量評(píng)價(jià)研究中。但這些方法主要是基于線性加權(quán)平均而進(jìn)行的綜合評(píng)判,使評(píng)價(jià)結(jié)果趨于均化,且對(duì)于相鄰指標(biāo)存在的差異性不能很好地區(qū)分(陳守煜等,2011)。趙克勤(2000)提出的集對(duì)分析理論是處理不確定性問(wèn)題的有效系統(tǒng)分析方法,但傳統(tǒng)的集對(duì)分析理論不能很好區(qū)分同一等級(jí)間的差異度系數(shù),而三角模糊數(shù)定量表示差異度系數(shù)的連續(xù)變化過(guò)程具有優(yōu)越性(汪明武等,2011)。因此,本文綜合運(yùn)用集對(duì)分析與三角模糊數(shù)理論,采用分段三角模糊數(shù)定量描述評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性和聯(lián)系數(shù)的差異度分量系數(shù)的連續(xù)變化過(guò)程,以客觀真實(shí)反映濱海濕地健康狀況和退化機(jī)理。
濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)是涉及自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多方面相互聯(lián)系又彼此制約的復(fù)雜巨系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末,經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)針對(duì)環(huán)境指標(biāo)研究提出“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(Pressure-State-Response,PSR)模型(Rainer,2000)。由于 PSR模型具有較強(qiáng)的邏輯因果關(guān)系和系統(tǒng)性,因此被認(rèn)為是用于環(huán)境指標(biāo)組織和環(huán)境現(xiàn)狀匯報(bào)最有效的框架。從PSR概念模型出發(fā),在遵循整體性、敏感性、科學(xué)性和可操作性等指標(biāo)遴選原則的基礎(chǔ)上,構(gòu)建反映濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的壓力、狀態(tài)和響應(yīng)指標(biāo)體系,分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層,共17個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)。
考慮到濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的復(fù)雜性和模糊性特點(diǎn),運(yùn)用定量與定性相結(jié)合的模糊綜合評(píng)判方法——層次分析法(AHP)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,保證評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。根據(jù)AHP原理,通過(guò)特爾菲法(Delphi)構(gòu)造各層判斷矩陣,進(jìn)行層次單排序和層次總排序及其一致性檢驗(yàn)(趙煥臣,1986)。經(jīng)檢驗(yàn),一致性比率CR全部小于0.1,表明所有判斷矩陣具有令人滿意的一致性。
濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)劃分為很健康(Ⅰ級(jí))、健康(II級(jí))、亞健康(III級(jí))、一般病態(tài)(IV級(jí))和疾?。á跫?jí))5個(gè)等級(jí)。在參考國(guó)內(nèi)外濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上(崔保山和楊志峰,2002;蔣衛(wèi)國(guó)等,2005;朱衛(wèi)紅等,2012),通過(guò)實(shí)地考察和專家咨詢等方法,確定濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。
集對(duì)分析(Set Pair Analysis,SPA)是我國(guó)學(xué)者趙克勤在 1989年提出的一種新的處理不確定性系統(tǒng)的分析方法,具有確定性和不確定性結(jié)合、定性與定量性結(jié)合的特點(diǎn),應(yīng)用廣泛。所謂集對(duì)就是具有一定聯(lián)系的兩個(gè)集合所組成的對(duì)子,聯(lián)系數(shù)則是集對(duì)分析理論中用來(lái)表達(dá)集對(duì)中具有一定關(guān)系的兩個(gè)集合的、不確定關(guān)系的函數(shù)。對(duì)于給定的 2個(gè)集合組成的集對(duì)H=(A,B),聯(lián)系數(shù)的基本表達(dá)式為:
表1 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Assessment index system of coastal wetland ecosystem health
式中:a、b、c分別表示集對(duì)的同一度、差異度和對(duì)立度,a、b、c∈[0, 1],且a+b+c =1;i為差異度系數(shù),取值區(qū)間為[-1, 1];j為對(duì)立度系數(shù),取值規(guī)定為-1。
式(1)就是常用的三元聯(lián)系數(shù)。根據(jù)不同的研究對(duì)象將式(1)作不同層次的展開,可得到多元聯(lián)系數(shù)的表達(dá)式。如常用的五元聯(lián)系數(shù)表達(dá)式為:
式中:a、b1、b2、b3、c∈[0, 1],且a+b1+b2+b3+c=1;b1、b2、b3為差異度分量;i1、i2、i3為差異度分量系數(shù);其他符號(hào)同上。
定義1:設(shè)在實(shí)數(shù)域R上的一個(gè)模糊數(shù),定義一個(gè)隸屬函數(shù)若隸屬函數(shù)()xμ%A表示為(Ronald和Robert,1997):
在實(shí)際應(yīng)用中,各評(píng)價(jià)指標(biāo)用單一三角模糊數(shù)難以表達(dá)清楚,故本文采用分段三角數(shù)模糊來(lái)表達(dá)實(shí)現(xiàn)。
定義2:設(shè)在實(shí)數(shù)域R上的一個(gè)模糊數(shù),定義一個(gè)隸屬函數(shù)若隸屬函數(shù)()xμ%A表示為(葛康等,2011):
三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)值域在[0, 1]之間,而集對(duì)分析中差異度系數(shù)的取值范圍為[-1, 1],為了使兩者在值域范圍上具有一致性,將三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)值域從[0, 1]拓展到[-1, 1]。
2.3.1 基于三角模糊數(shù)的聯(lián)系數(shù)
將濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值與評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一個(gè)集對(duì),然后利用三角模糊數(shù)確定差異度系數(shù)和聯(lián)系數(shù),最后根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重綜合評(píng)價(jià)濱海濕地生態(tài)健康狀況。
在等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)中,不同的標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)對(duì)“同、異、反”的隸屬程度存在差異,表現(xiàn)為聯(lián)系數(shù)的表達(dá)形式也不相同。若指標(biāo)類型為越小越優(yōu)型指標(biāo)(成本型指標(biāo)),則評(píng)價(jià)樣本實(shí)際值對(duì)于Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系數(shù)μl為(王文圣等,2009):
式中:l為第l個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);x為評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值;s1、s2、s3、s4為Ⅰ~Ⅴ級(jí)界限值。同理,可推得越大越優(yōu)型指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式類似式(5)。
在濱海濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)的5個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中,將評(píng)價(jià)指標(biāo)值符合Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的定義為同一度a,相應(yīng)的同一度系數(shù)看作是 1,符合Ⅴ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的定義為對(duì)立度c,相應(yīng)的對(duì)一度系數(shù)取值為-1,而將符合II、III、IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定義為差異度。進(jìn)一步細(xì)化,由五元聯(lián)系數(shù)定義,設(shè)將符合II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定義為偏同差異性,符合III級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定義為中差異性,符合IV級(jí)標(biāo)準(zhǔn)定義為偏反差異性,相應(yīng)地i1、i2、i3分別稱為偏同差異度系數(shù)、中差異度系數(shù)、偏反差異度系數(shù)(趙克勤,1989)。
差異度系數(shù)i的取值是確定聯(lián)系數(shù)的關(guān)鍵??紤]到相鄰等級(jí)之間的差異度系數(shù)存在極大的模糊性,本文利用分段三角模糊數(shù)來(lái)表示差異度系數(shù)的模糊性,即采用分析取值法確定標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)分割點(diǎn)處的差異度分量系數(shù),即將評(píng)價(jià)等級(jí)界限值s2、s3、s4處的差異度系數(shù)分別取為i1= 0.5,i2= 0,i3=-0.5。若指標(biāo)類型為越小越優(yōu)型指標(biāo),則相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
式中符號(hào)同前說(shuō)明。同理,可推得越大越優(yōu)型指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式類似式(6)~(8)。
若指標(biāo)類型為越小越優(yōu)型,由式(5)~(8)可得基于分段三角模糊數(shù)的聯(lián)系數(shù)μl的表達(dá)式為:
式中符號(hào)同前說(shuō)明。同理,也可推得越大越優(yōu)型指標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式類似式(9)。
2.3.2 綜合評(píng)價(jià)模型
根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)系數(shù)μl,結(jié)合指標(biāo)權(quán)重向量wl,計(jì)算相應(yīng)的綜合聯(lián)系數(shù)μ和級(jí)別特征值z(mì),其計(jì)算公式為(汪明武等,2011):
海興濕地位于河北省海興縣東部,渤海灣西岸,總面積260 km2,其中濕地和鳥類省級(jí)自然保護(hù)區(qū) 168 km2。地理位置為 37°56′—38°17′N,東經(jīng)117°20′—117°58′E,是在河流動(dòng)力、海洋動(dòng)力以及人類活動(dòng)綜合作用下形成的河流、淺灘溝槽、沼澤、鹽田和積水洼地等組合而成的復(fù)合型濱海鹽生濕地,因臨近渤海,受海洋的影響較明顯,年平均氣溫為14 ℃,多年平均降水量558 mm,年平均相對(duì)濕度63%,多年平均蒸發(fā)量2096 mm,屬于暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。海興濕地地勢(shì)低洼,平均坡降極小,河渠、洼淀縱橫交錯(cuò),較大的河渠有漳衛(wèi)新河、宣惠河、淤泥河、大浪淀排水渠和 66排干渠等。海興濕地動(dòng)植物資源十分豐富,其中野生植物 47科146種,魚類28科59種,鳥類51科237種。潮間帶的蘆葦沼澤是東方白鸛(Ciconia boyciana)、黑鸛(Ciconia nigra)、中華秋沙鴨(Mergus squamatus)、黃腹山雀(Parus venustulus)、丹頂鶴(Grus japonensis)、震旦鴉雀(Paradoxornis heudei)等瀕危珍稀鳥類的越冬棲息地和繁殖地,潮下帶淺海還是三疣梭子蟹(Portuns trituberculatus)、對(duì)蝦(Penacus orientalis)、毛蝦(Acetes chinensis)、梭魚(Sphyraenus)、海蜇(Esculentum)等名貴海產(chǎn)品的產(chǎn)卵、育幼場(chǎng)所。
20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著海水養(yǎng)殖業(yè)和海鹽業(yè)不斷發(fā)展,大面積的天然灘涂濕地被開發(fā)成為養(yǎng)殖池塘、鹽田等人工濕地,自然濕地退化嚴(yán)重,濕地生境趨單一化,生物多樣性衰減,現(xiàn)有自然濕地生態(tài)健康狀況堪憂,是我國(guó)東部濱海濕地變遷與退化的“縮影”。因此,選取海興濕地進(jìn)行生態(tài)健康評(píng)價(jià),對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)我國(guó)濱海濕地生態(tài)健康狀況具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
研究采用的植被、水質(zhì)、土壤等自然地理狀況數(shù)據(jù)來(lái)源于海興濕地專題調(diào)查,社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于2012年海興縣統(tǒng)計(jì)年鑒、2012年滄州市統(tǒng)計(jì)年鑒和 2012年海興縣國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展報(bào)告。海興濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值見(jiàn)表2。
3.3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果
根據(jù)海興濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)的實(shí)測(cè)值,由式(9)計(jì)算得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的聯(lián)系數(shù)μl=[0.663, 0.558, -1.000, 0.780, -1.000, -0.214, -0.258,-0.125, -1.000, -0.275, -0.500, -0.220, -0.350,1.000,-0.500, 0.500, -0.235],然后利用式(10)求出海興濕地生態(tài)健康綜合聯(lián)系數(shù)為-0.380,相應(yīng)的級(jí)別特征值為 3.760,說(shuō)明海興濕地生態(tài)健康狀況整體處于 IV級(jí)水平(一般病態(tài))。根據(jù)上述計(jì)算步驟,可得到海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)各子系統(tǒng)的綜合聯(lián)系數(shù)及評(píng)價(jià)等級(jí)(表3)。
表2 海興濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值Table 2 Assessment index status value of ecosystem health in Haixing wetland
3.3.2 結(jié)果分析與討論
從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,海興濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合健康水平處于一般病態(tài)狀態(tài),表明生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂(lè)觀。由表3可知,從子系統(tǒng)層面來(lái)看,壓力系統(tǒng)的級(jí)別特征值為3.580,屬于IV級(jí)(一般病態(tài)),說(shuō)明海興濕地生態(tài)系統(tǒng)存在一定的潛在壓力,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康存在較大的破壞,主要脅迫因子是農(nóng)藥施用強(qiáng)度、水資源開發(fā)利用率、工業(yè)和生活廢水處理率等;狀態(tài)系統(tǒng)的級(jí)別特征值為3.976,屬于 IV級(jí)(一般病態(tài)),說(shuō)明系統(tǒng)受到了一定的人為干擾和破壞,濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能已經(jīng)出現(xiàn)明顯退化的征兆,其制約因素主要是濕地面積退化率、水體富營(yíng)養(yǎng)化、優(yōu)勢(shì)性植物覆蓋率、土壤有機(jī)質(zhì)含量等;響應(yīng)系統(tǒng)的特征值為2.948,屬于III級(jí)(亞健康),表明人類針對(duì)海興濕地生態(tài)系統(tǒng)的壓力和狀態(tài)采取了一定的響應(yīng)措施,體現(xiàn)了一定的作用,但還需要進(jìn)一步提高濕地保護(hù)管理水平,其限制因素主要是環(huán)保投資占 GDP比重、濕地保護(hù)意識(shí)和物質(zhì)生活指數(shù)等。
研究結(jié)果表明,海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀堪憂。主要是由于濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到了人類活動(dòng)過(guò)度干擾,外界脅迫引起濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失調(diào)和服務(wù)功能衰退。主要表現(xiàn)為:近年來(lái),由于圍海造田、圍灘造塘、修建堤圍等因素,海興原有大量的原生灘涂濕地演變?yōu)槲r塘、鹽田等人工濕地,自然濕地大量喪失,生物棲息地遭到破壞,生物多樣性下降,海興濕地周邊工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水的不達(dá)標(biāo)排放,農(nóng)藥和化肥的過(guò)量施用,濕地水質(zhì)凈化功能退化,水體富營(yíng)養(yǎng)化程度高,濕地保護(hù)與管理水平不高。由此來(lái)看,在海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀條件下,如果再施與較強(qiáng)的不合理外部干擾,系統(tǒng)有可能滑向疾病狀態(tài)。因此,需要對(duì)海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力進(jìn)行適時(shí)調(diào)控,建立濕地生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,健全濕地管理體系和法制體系,完善海興濕地自然保護(hù)區(qū)建設(shè),增強(qiáng)公眾濕地保護(hù)意識(shí),努力構(gòu)建濕地保護(hù)管理長(zhǎng)效機(jī)制,全面提升濕地保護(hù)管理水平,使其朝著健康的方向發(fā)展。
表3 子系統(tǒng)綜合聯(lián)系數(shù)、級(jí)別特征值及健康等級(jí)Table 3 Comprehensive connection number, characteristic value and health level of sub-systems
1)根據(jù)PSR概念模型,以壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)層面表征濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部作用的因果關(guān)系,構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,可以更科學(xué)地揭示濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化機(jī)理。
2)建立集對(duì)分析與三角模糊數(shù)耦合的綜合評(píng)價(jià)模型,利用分段三角模糊數(shù)充分體現(xiàn)集對(duì)分析的差異度分量系數(shù)的連續(xù)變化過(guò)程和不確定性,以及濱海濕地生態(tài)健康等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的模糊性,為濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究提供了一種直觀、有效的方法。
3)實(shí)例研究結(jié)果表明,海興濕地生態(tài)健康綜合聯(lián)系數(shù)為-0.380,相應(yīng)的級(jí)別特征值為3.760,系統(tǒng)現(xiàn)狀整體處于一般病態(tài)狀態(tài),評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合,說(shuō)明其在具有模糊性、隨機(jī)性和數(shù)據(jù)信息不全等特點(diǎn)的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)問(wèn)題中具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
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