烏恰縣流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價與預測分析

葉佳琦 李政海 張靖 鮑雅靜 劉翀 徐媛 崔立新

摘 要：為了方便烏恰縣流域生態(tài)環(huán)境的管理與規(guī)劃，通過生態(tài)系統(tǒng)健康評價的PSR模型建立了適合該區(qū)域流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標體系，采用層次分析法確定各項指標值及其權(quán)重，并通過灰色預測模型對烏恰縣流域生態(tài)系統(tǒng)健康進行預測。綜合評價結(jié)果表明：（1）2008—2015年烏恰縣流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上在不斷“惡化”，2014年退化至0.176，達到“病態(tài)”狀態(tài)；（2）根據(jù)灰色預測模型，做出該地區(qū)未來5 a的流域生態(tài)系統(tǒng)健康預測，分別為0.306，0.289，0.273，0.258，0.244，流域生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài)，并有向病態(tài)發(fā)展的趨勢，生態(tài)健康面臨的威脅越來越嚴重，急需對該區(qū)域流域生態(tài)系統(tǒng)進行保護與管理。該研究可為協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展同生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系問題提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)健康；評價；流域；烏恰縣

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.04.017

Ecosystem Health Assessment and Prediction Analysis of Wuqia County Watershed

YE Jiaqi1，2， LI Zhenghai1， ZHANG Jing1， BAOYajing1， LIU Chong1， XU Yuan1， CUI Lixin1

（1. College of Environment and Resources， Dalian University for Nationalities， Dalian， Liaoning 116600， China； 2. College of Ecology and Environment， Inner Mongolia University， Hohhot， Inner Mongolia 010021， China）

Abstract： In order to facilitate the management and planning of the ecological environment in Wuqia County， the index system of ecosystem assessment for the regional watershed was established through the PSR model of ecosystem health assessment， the analytic hierarchy process was used to determine the index value and its weight， and the gray prediction model was used to forecast the ecosystem health of Wuqia County. The comprehensive evaluation results showed that the health status of the ecosystem of Wuqia County from 2008 to 2015 was ‘deteriorating gradually， and it degraded to 0.176 in 2014， reaching the ‘sick state. According to the gray prediction model， the ecological forecast of the basin in near 5 years in the future will decrease to 0.306， 0.289， 0.273， 0.258， 0.244 respectively；the river basin ecosystem will be in an unhealthy state and have a tendency to develop morbidly. The threat will be more and more serious， the regional watershed ecosystem needs for protection and management. The research provided the basis for coordinating the relationship between regional development and ecological environment.

Key words： ecosystem health； assessment； basin； Wuqia County

隨著社會的發(fā)展，人類對經(jīng)濟和物質(zhì)財富的需求與日俱增，全球生態(tài)危機問題日趨嚴重，人類健康與可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境基礎(chǔ)受到威脅[1]。如何有效地處理人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟的關(guān)系，在資源有限的條件下探索社會、經(jīng)濟和生態(tài)和諧發(fā)展的問題，已引起人們的廣泛關(guān)注[2]。一般來說，一個健康的生態(tài)系統(tǒng)要滿足以下特點：不存在失調(diào)癥狀、具較好的自我修復與自我維持能力[3]、對鄰近的生態(tài)系統(tǒng)不產(chǎn)生危害、可支持和推動社會經(jīng)濟發(fā)展并能保護人類健康[4-5]。

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個具有完整結(jié)構(gòu)的“社會—經(jīng)濟—自然”復合生態(tài)系統(tǒng)[6]。常用的流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法有生物監(jiān)測法[7-9]和指標體系法[10-13]。其中，指標體系法應用最為廣泛[14]，當前的研究多根據(jù)不同流域及評價目的建立各自的評價體系[15-17]。如應用“狀態(tài)—壓力—響應”（PSR）框架模型，評價紅樹林濕地[18]、濱海濕地[19]、流域[20]等生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，取得了較好的進展，相關(guān)研究多集中在我國的東部沿海地區(qū)，對于我國西部地區(qū)尤其是民族地區(qū)的研究甚少。

烏恰縣隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜自治州，近年來，受人類活動以及氣候等因素的影響，出現(xiàn)植被覆蓋減少、水土流失嚴重、下游水體污染加劇等眾多生態(tài)環(huán)境問題。該區(qū)流域生態(tài)系統(tǒng)的健康與否，將會直接影響烏恰縣自然生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性，并對當?shù)剞r(nóng)牧民的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不可估量的影響，迫切需要從流域角度統(tǒng)籌經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護工作。為此，筆者采用PSR模型、應用層次分析法確定各評價指標的權(quán)重，評估2008—2015年該流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，并應用灰色預測模型對該區(qū)的健康變化進行預測，以期為科學協(xié)調(diào)區(qū)域資源開發(fā)與環(huán)境保護間的關(guān)系，促進該流域生態(tài)系統(tǒng)健康保持良性發(fā)展，維護當?shù)厝嗣癜簿訕窐I(yè)和長治久安，促進區(qū)域“生態(tài)文明”提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

烏恰縣地處天山南麓與昆侖山的交匯處，坐落于我國最西邊，東部與阿圖什市、疏附縣相連，南部與阿克陶縣相接，西北面與吉爾吉斯斯坦交界[21]。東西全長180 km，南北寬160 km，全縣面積2.2×104 km2，人口6.1萬。境內(nèi)有克孜勒蘇河和恰克瑪克河兩大水系，地表水流量9.6×108 m3[22]。屬極度干旱的典型大陸性氣候，氣溫日、年變幅大，年平均氣溫0 ℃以下；氣候干燥，降水量少且蒸發(fā)量大。土壤以亞高山草原土、灰色森林土、山地栗鈣土、山地棕鈣土為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

進行流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價時，既要考慮到流域生態(tài)功能，又要考慮其為人類提供不同生態(tài)產(chǎn)品或服務的社會與經(jīng)濟功能[3，14]?？紤]到烏恰縣內(nèi)流域資料的可獲得性，結(jié)合指標選取的科學性、系統(tǒng)性、代表性和易操作性原則[23]，從壓力、狀態(tài)、響應這3個層次中依次選取了人口密度、耕地面積、NPP、NDVI、綜合彈性值、人均GDP等[24]6個單項指標作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標[25]，建立了健康評價指標體系（表1）。其中，人口密度、耕地面積、人均GDP等數(shù)據(jù)均采用2006—2015年烏恰縣的統(tǒng)計年鑒。NPP利用MODIS4級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17，空間分辨率為250 m，該數(shù)據(jù)集使用BIOME-BGC模型計算陸地植被凈初級生產(chǎn)力（NPP），具有較高的精度。利用MODISMOD13Q1月最大NDVI產(chǎn)品（分辨率250 m，下載地址：http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），采用最大值合成法獲得相應年內(nèi)的最大NDVI；綜合彈性值通過生態(tài)系統(tǒng)的恢復力大小來體現(xiàn)，按照不同的土地利用類型對生態(tài)系統(tǒng)恢復的貢獻度，依次給出不同的恢復力值。

參評指標數(shù)據(jù)需要利用極差標準化處理將其轉(zhuǎn)化成無量綱數(shù)據(jù)，經(jīng)過極差轉(zhuǎn)換后，其值均在0～1之間，將正向和逆向指標均轉(zhuǎn)換成正向指標，最優(yōu)值是1，最劣值是0。

1.3 研究方法

層次分析法（AHP）通常被用以生態(tài)系統(tǒng)健康的評價[26]，此法通常分成3層，最上邊是目標層，中間的一層是準則層（指標層），最底下則為方案層，由上往下對問題的分解反映了生態(tài)系統(tǒng)整體健康的重要性，由下往上明確最低層相對于最高層的重要程度，由此體現(xiàn)出子系統(tǒng)健康的重要層次[27]。指標權(quán)重值如表1所示，其中壓力指標為0.305，狀態(tài)指標為0.568，響應指標為0.127。

灰色預測是指對系統(tǒng)的行為特征值發(fā)展趨勢所進行的預測，它不但可對含有已知信息而且含有未知信息的系統(tǒng)進行推測。徐寧等[28]曾提出一種優(yōu)化的GM（1，1）模型構(gòu)建方法?；疑A測使用的灰色建模軟件是由南京航空航天大學灰色系統(tǒng)研究所研究開發(fā)的。

2 結(jié)果與分析

2.1 烏恰縣生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)評價

根據(jù)已知各單因素指標和綜合指標的權(quán)重值，計算出烏恰縣流域2008—2015年流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況，結(jié)果如表2所示。其中：烏恰縣流域的壓力指標（表中壓力指標全部為負向指標，通過反向歸一化乘以各指標權(quán)重后，則表示值越小壓力越大）在2008年為0.305，之后呈逐年降低的趨勢，并且在2014年降為0.050，2015年略有提升至0.077，說明壓力有所減??；狀態(tài)指標年際波動幅度比較大，總體呈“降-升-降-升”的趨勢，其最高值出現(xiàn)2008年（0.383），2011年有一個小高峰（0.269），2個波谷分別為2009年和2014年，狀態(tài)指標分別為0.055和0.060；響應指標則呈逐年增長的趨勢，從2008年的0.001逐漸漲到2015年的0.127，說明生態(tài)系統(tǒng)的響應能力逐年增長。

將該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康的狀態(tài)分級，按照分值高低0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.1～0.2分成5個等級，即一級“很健康”、二級“健康”、三級“亞健康”、四級“不健康”、五級“病態(tài)”。從評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)（表2），2008—2015年烏恰縣內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)總體上呈階梯狀下降。從2008年的健康狀態(tài)，經(jīng)歷不健康狀態(tài)（2009年）、亞健康狀態(tài)（2010—2013年），到2014年直接退化至病態(tài)，2015年健康的狀況雖有所好轉(zhuǎn)但仍處于不健康狀態(tài)。

2.2 烏恰縣生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)預測

根據(jù)2008—2015年烏恰縣流域生態(tài)系統(tǒng)的健康情況，對該流域2016—2020年可能出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進行預測分析（表3）。其中：壓力指標從2016—2020年仍然在逐年降低，預計到2020年達到0.019；預計在2016年狀態(tài)指標為0.153，逐漸降低到2020年的0.138；而響應指標繼續(xù)呈增長的趨勢，2020年增長為0.222。如果按目前的情況發(fā)展下去，此區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康仍將不斷下滑，并最終達到病態(tài)狀況，加上日趨頻繁的人為活動的影響，將嚴重阻礙該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的安全，甚至影響到該區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展，對該區(qū)乃至國家的生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成嚴重威脅。

3 結(jié)論與建議

本文以PSR為評價模型，結(jié)合層次分析法，構(gòu)建了烏恰縣流域生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標體系，反映了該區(qū)域內(nèi)流域生態(tài)系統(tǒng)的健康情況。

（1）該縣總體健康狀況較差，長期處于亞健康和不健康狀態(tài)，且呈下降趨勢，在2014年達到最小值0.176，呈現(xiàn)病態(tài)。

（2）預測顯示該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康面臨的威脅將越來越嚴重，健康狀況會持續(xù)惡化。

因此，若想改善該地區(qū)的生態(tài)健康狀況，必須對該區(qū)域流域生態(tài)系統(tǒng)進行保護與管理，采取相應的環(huán)境保護措施，包括多植樹造林以改善水土流失狀況，對周邊企業(yè)加大監(jiān)控力度，控制排污量以及污水達標排放；加大有關(guān)生態(tài)環(huán)境保護知識的宣傳教育力度，提升該區(qū)民眾對流域生態(tài)系統(tǒng)的保護意識。

參考文獻：

[1]孟偉，張遠，鄭丙輝，等.生態(tài)系統(tǒng)健康理論在流域水環(huán)境管理中應用研究的意義、難點和關(guān)鍵技術(shù)——代“流域水環(huán)境管理戰(zhàn)略研究”專欄序言[J].環(huán)境科學學報，2007，27（6）：906-910.

[2]王文杰，張哲，王維，等.流域生態(tài)健康評價框架及其評價方法體系研究（一）——框架和指標體系[J].環(huán)境工程技術(shù)學報，2012，2（4）：271-277.

[3]羅躍初，周忠軒，孫軼，等.流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法[J].生態(tài)學報，2003，23（8）：1606-1614.

[4]王治良，王國祥.洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系探討[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2007，15（6）：152-155.

[5]CAIRNS J. Ecosystem health through ecological restoration： barriers and opportunities[J].Journal of aquatic ecosystem health，1994，3（1）：5-14.

[6]王如松，歐陽志云.社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)與可持續(xù)發(fā)展[J].中國科學院院刊，2012，27（3）：337-345.

[7]LI L， ZHENG B H， LIU L S， et al. Biomonitoring and bioindicators used for river ecosystems： definitions，approaches and trends[J].Procedia environmental sciences，2010（2）：1510-1524.

[8]張紅葉，蔡慶華，唐濤，等.洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價與比較[J].中國環(huán)境科學，2012，32（4）：715-720.

[9]JIA Y T，CHEN Y F.River health assessment in a large river： Bioindicators of fish population[J].Ecological indicators，2013，26：24-32.

[10]顏利，王金坑，黃浩.基于PSR框架模型的東溪流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].資源科學，2008，30（1）：107-113.

[11]李中才，劉林德，孫玉峰，等.基于PSR方法的區(qū)域生態(tài)安全評價[J].生態(tài)學報，2010，30（23）：6495-6503.

[12]上官修敏.黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究[D].濟南：山東師范大學，2013.

[13]郝利霞，孫然好，陳利頂.海河流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].環(huán)境科學，2014，35（10）：3692-3701.

[14]解雪峰，蔣國俊，肖翠，等.基于模糊物元模型的西苕溪流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].環(huán)境科學學報，2015，35（4）：1250-1258.

[15]李春暉，崔嵬，龐愛萍.流域生態(tài)健康評價理論與方法研究進展[J].地理科學進展，2008，27（1）：9-17.

[16]SU M R，F(xiàn)ATH B D.Spatial distribution of urban ecosystem health in Guangzhou， China[J].Ecological indicators，2012，15（1）：122-130.

[17]張松，郭懷成，盛虎，等.河流流域生態(tài)安全綜合評估方法[J].環(huán)境科學研究，2012，25（7）：826-832.

[18]王樹功，鄭耀輝，彭逸生，等.珠江口淇澳島紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].應用生態(tài)學報，2010，21（2）：391-398.

[19]邱虎.江蘇鹽城濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價與保護對策研究[D].金華：浙江師范大學，2012.

[20]楊予靜，李昌曉.麗娜·熱瑪贊.基于PSR框架模型的三峽庫區(qū)忠縣汝溪河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].長江流域資源與環(huán)境，2013，22（S1）：66-74.

[21]房靚.新疆重點旅游地旅游氣候舒適度分析[D].烏魯木齊：新疆師范大學，2016.

[22]謝再順，何秉宇.烏恰縣飲用水源地保護區(qū)保護對策[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2011，36（2）：5-7.

[23]李佩武，李貴才，張金花，等.深圳城市生態(tài)安全評價與預測[J].地理科學進展，2009，28（2）：245-252.

[24]劉翀，張靖，李政海，等.巴里坤湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].大連民族大學學報，2017，19（3）：198-201.

[25]劉明華，董貴華.RS和GIS支持下的秦皇島地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].地理研究，2006，25（5）：930-938.

[26]侯扶江，李廣，常生華.放牧草地健康管理的生理指標[J].應用生態(tài)學報，2002，13（8）：1049-1053.

[27]侯扶江，徐磊.生態(tài)系統(tǒng)健康的研究歷史與現(xiàn)狀[J].草業(yè)學報，2009，18（6）：210-225.

[28]徐寧，黨耀國，丁松.基于誤差最小化的GM（1，1）模型背景值優(yōu)化方法[J].控制與決策，2015，30（2）：283-288.