安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)研究

秦余朝,劉 斌,智慶化,董欣婷,魏宇航

(1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,山東 濟(jì)南 250014;2.菏澤黃河河務(wù)局鄆城黃河河務(wù)局,山東 菏澤 274700)

濕地是一種重要的生態(tài)系統(tǒng),它是由陸地生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的相互作用而形成的,也是人類最重要的生存環(huán)境[1-2]。濕地生態(tài)系統(tǒng)被譽(yù)為“地球之腎”,并與森林、海洋一起稱為全球的三大生態(tài)系統(tǒng)[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,伴隨著城市化進(jìn)程加快,生態(tài)系統(tǒng)遭受了一定程度的破壞,如生物多樣性減少、河流水質(zhì)惡化、濕地面積減少等問(wèn)題。這些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題一直持續(xù)下去,將會(huì)威脅流域的生態(tài)安全,甚至?xí){到人類的發(fā)展[4]。對(duì)濕地生態(tài)健康狀況的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注,也逐漸成為評(píng)價(jià)濕地生態(tài)方面的熱點(diǎn)。這些研究通過(guò)判斷濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài),包括生態(tài)系統(tǒng)的破壞、退化程度,使用量化的方法對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控評(píng)價(jià)。國(guó)外對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究較早[5-6],而我國(guó)在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的研究較少,主要是通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,再通過(guò)定量的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同角度對(duì)不同區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析,如喻立等[7]選取了驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)等5個(gè)因子,建立了沙湖濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用層次分析法對(duì)沙湖濕地的健康進(jìn)行了評(píng)價(jià);朱衛(wèi)紅等[8]以人口密度、土地利用強(qiáng)度、化肥施用強(qiáng)度等30個(gè)指標(biāo)建立了圖們江下游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用層次分析法和模糊綜合評(píng)判法對(duì)該區(qū)域的濕地生態(tài)健康狀況進(jìn)行了評(píng)估;付元祥等[9]以云南洱源西湖國(guó)家濕地公園的環(huán)境因素、景觀空間格局和社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能3個(gè)方面為一級(jí)指標(biāo),建立了研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,運(yùn)用層次分析法計(jì)算了各指標(biāo)的權(quán)重,對(duì)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康做出了準(zhǔn)確評(píng)價(jià);宋創(chuàng)業(yè)等[10]選取環(huán)境、植物群落和植物生理生化特征等方面評(píng)價(jià)指標(biāo),采用層次分析方法對(duì)該區(qū)域的濕地生態(tài)健康進(jìn)行了評(píng)價(jià),其研究工作還包括一些生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系模型,例如壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[11]、驅(qū)動(dòng)力-狀態(tài)-響應(yīng)模型[12]。

研究基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型,通過(guò)專家咨詢和研究區(qū)的實(shí)際情況,選取人口密度、濕潤(rùn)指數(shù)、地表水質(zhì)、年降水量、人口GDP增長(zhǎng)等指標(biāo)建立了安濟(jì)河濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用層次分析法對(duì)安濟(jì)河的生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 研究區(qū)域概況

安濟(jì)河(34°58′～35°6′N,115°47′～116°2′E)位于菏澤市成武縣境內(nèi),屬于淮河流域萬(wàn)福河主要支流,上游發(fā)源于成武縣九女集鎮(zhèn),從成武縣河南王村東向進(jìn)入新萬(wàn)福河,流經(jīng)成武縣九女集、伯樂(lè)集、汶上集、南魯集、大田集5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),流域面積達(dá)170 km2。安濟(jì)河原來(lái)長(zhǎng)約25.20 km,后因東魚(yú)河北支的開(kāi)挖施工截為上下兩段,下游段河道長(zhǎng)16.70 km。根據(jù)實(shí)際調(diào)研情況,安濟(jì)河河道堆積層主要由壤土、砂壤土組成,部分河段存在較嚴(yán)重淤積現(xiàn)象。研究區(qū)屬于季風(fēng)型大陸性氣候,氣候溫暖濕潤(rùn)且雨量充沛,有著明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。通過(guò)查詢資料,區(qū)域平均相對(duì)濕度為78%,多年平均氣溫為13.9 ℃,多年平均降水量627.3 mm。安濟(jì)河流域附近設(shè)有張莊閘水文站(國(guó)家重點(diǎn)水文站),可提供準(zhǔn)確的水文資料。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《菏澤市統(tǒng)計(jì)年鑒》、成武縣相關(guān)部門官方網(wǎng)站查詢、實(shí)地調(diào)研以及參考其他的相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 研究方法

(1) 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)原則[13]和安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能特征,基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型,確定了3個(gè)方面系統(tǒng)評(píng)價(jià)的主要一級(jí)指標(biāo)和13個(gè)影響安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響因子,包括人口密度、旅游人數(shù)、年降水量等指標(biāo)。研究建立了適合安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,如圖1所示。

圖1 安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of Anji River wetland ecosystem health

根據(jù)上述濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,需要確定每一個(gè)具體的指標(biāo)值,并對(duì)每一個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步劃分為規(guī)范的評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行描述。采用濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分的方法[14],將各指標(biāo)的評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí),分別是很健康、健康、較健康、一般病態(tài)以及疾病,采用專家打分的方法,5種評(píng)價(jià)等級(jí)分別用“5”、“4”、“3”、“2”和“1”表示指標(biāo)在相應(yīng)范圍對(duì)應(yīng)的分值。結(jié)合《國(guó)際制土壤質(zhì)地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》、《農(nóng)用地分等定級(jí)規(guī)程》、《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》以及其他規(guī)范等,確定每個(gè)指標(biāo)值的范圍,具體情況見(jiàn)表1。表1中很健康表示濕地生態(tài)系統(tǒng)具有良好的狀態(tài),生態(tài)功能表現(xiàn)極佳;健康表示濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)較好,生態(tài)功能較好;較健康表示濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到較小的影響;一般病態(tài)表示濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到較大程度的破壞;疾病表示濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到嚴(yán)重的破壞且嚴(yán)重惡化[8]。

表1 安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)值

① 壓力系統(tǒng)特征指標(biāo)。安濟(jì)河主要處于成武縣,根據(jù)《成武縣2017年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,2017年末全縣常住人口64.12萬(wàn)人,總面積約988 km2,平均649人/km2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),成武縣發(fā)生干旱較為頻繁,但近幾年大力發(fā)展水利建設(shè)效果明顯,水資源得到有效利用,結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料,該流域干旱等級(jí)為中旱[15]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)公報(bào),該縣2017年末耕地面積約為70 400 hm2,農(nóng)用化肥施用量達(dá)到40 850 t,平均580 kg/hm2。2017年成武縣的人均生產(chǎn)總值比上年增加了2 225元,人均增長(zhǎng)率為8%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料,近5年境外客人達(dá)到了700人次。

② 狀態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ 633-2012)規(guī)定將空氣污染指數(shù)劃分為6個(gè)不同等級(jí),空氣污染指數(shù)越大,表示空氣污染越嚴(yán)重。根據(jù)山東省的空氣質(zhì)量年報(bào)分析結(jié)果,該區(qū)域?qū)儆诤蕽墒谐晌淇h的空氣質(zhì)量指數(shù)為113。結(jié)合近40年降水資料分析,成武縣多年平均降水量673 mm。該區(qū)域氣候溫暖濕潤(rùn),水生植物主要有浮萍、蘆葦、蓮等,植物覆蓋程度較高。根據(jù)水土流失遙感普查資料,并結(jié)合實(shí)地調(diào)查,確定了原地貌土壤侵蝕模數(shù)為800 t/(km2·a),水土流失類型以水蝕為主,土壤侵蝕強(qiáng)度級(jí)別為輕度。根據(jù)《菏澤市人民政府關(guān)于生態(tài)市建設(shè)情況的報(bào)告》,全市的3條主要河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到三類水體標(biāo)準(zhǔn),故安濟(jì)河的水質(zhì)為Ⅲ類。

③ 響應(yīng)系統(tǒng)。該流域的土地類型主要以水田和林地為主,成武縣政府高度重視環(huán)境保護(hù)建設(shè),環(huán)境保護(hù)資金支出增加超過(guò)4%。政府相關(guān)部門采取了一系列的措施對(duì)安濟(jì)河的濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù),開(kāi)展了安濟(jì)河生態(tài)濕地項(xiàng)目建設(shè),并進(jìn)行了安濟(jì)河的清淤治理工作,采取針對(duì)性的措施和法規(guī)保護(hù)安濟(jì)河的濕地生態(tài)健康。

綜上所述,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的分析,通過(guò)專家打分法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行量化打分(見(jiàn)表2)。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化

(2) 層次分析法 研究采用層次分析法作對(duì)研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)行評(píng)價(jià)。層次分析法(AHP)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)Saaty教授提出的[16],該方法通過(guò)定量和定性相結(jié)合分析,運(yùn)用運(yùn)籌思想將復(fù)雜的問(wèn)題分解為各個(gè)組成因素,并按支配關(guān)系分組形成層次結(jié)構(gòu),最終綜合各因素之間的相互影響關(guān)系來(lái)判斷各因素的相對(duì)重要性[17-18]?？蓪Q策者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行量化,通過(guò)兩兩因素比較的方式確定每個(gè)層次中各因素的相對(duì)重要性,最終能得到?jīng)Q策因素對(duì)目標(biāo)的重要程度的排序情況[19]。關(guān)于層次分析法的計(jì)算過(guò)程步驟如下[8,20]。

步驟1建立層次結(jié)構(gòu)模型。

基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型,將各要素化為3個(gè)層次,目標(biāo)層表示為A,準(zhǔn)則層為B,假設(shè)有n個(gè)因素,分別表示為B1、B2、B3;指標(biāo)層為C,也可以表示為C1、C2,…,C9,構(gòu)造判斷比較矩陣形式如下:

對(duì)于判斷比較矩陣,其中bij表示的是Bi相對(duì)于Bj的重要程度,可采用Saaty教授提出的標(biāo)度法[21-22],得到量化下一層指標(biāo)相對(duì)上層目標(biāo)的重要程度,具體定義見(jiàn)表3。

表3 標(biāo)度的重要性定義

步驟2構(gòu)造判斷矩陣。

通過(guò)對(duì)指標(biāo)量化打分的方法,進(jìn)一步判斷兩兩指標(biāo)的重要程度,根據(jù)標(biāo)度的方法可構(gòu)造相應(yīng)條件的判斷矩陣。

步驟3一致性檢驗(yàn)。

研究需要進(jìn)一步對(duì)構(gòu)建的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),通過(guò)計(jì)算一致性比率指標(biāo)(CR)進(jìn)行檢驗(yàn)。一致性比率指標(biāo)可由一致性指標(biāo)CI和隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值得到,即

表4 一致性指標(biāo)匯總表

當(dāng)CR<0.10時(shí),則判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn),通過(guò)Matlab編程,計(jì)算特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量,繼而得到權(quán)重向量。

步驟4計(jì)算綜合得分。

綜合分?jǐn)?shù)采用綜合指數(shù)法[23]計(jì)算得到,根據(jù)綜合指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算,最終可計(jì)算出濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的量化結(jié)果。綜合指數(shù)一般計(jì)算式為

其中:wi為指標(biāo)的綜合權(quán)重;xi為下一級(jí)指標(biāo)所在的上一級(jí)指標(biāo)的總分所占評(píng)價(jià)總分的比例對(duì)應(yīng)的量化分值。

3 結(jié)果分析

3.1 各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

根據(jù)上述分析,結(jié)合各個(gè)指標(biāo)的量化結(jié)果,采用層次分析法對(duì)安濟(jì)河濕地生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先根據(jù)一些學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)[14,24-25]和咨詢專家對(duì)各個(gè)指標(biāo)的重要程度進(jìn)行判斷,可得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的構(gòu)造判斷矩陣。

(1) 構(gòu)造各指標(biāo)判斷矩陣 首先對(duì)目標(biāo)層和各指標(biāo)進(jìn)行判斷矩陣分析,詳見(jiàn)表5～表8。

表5 目標(biāo)層構(gòu)造判斷矩陣

表6 壓力系統(tǒng)因素構(gòu)造判斷矩陣

表7 狀態(tài)系統(tǒng)因素構(gòu)造判斷矩陣

表8 響應(yīng)系統(tǒng)因素構(gòu)造判斷矩陣

(2) 確定指標(biāo)權(quán)重 通過(guò)層次分析法計(jì)算得到目標(biāo)層和每一個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值,首先要對(duì)主觀得到

的構(gòu)造判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)一致性檢驗(yàn)分析,當(dāng)CR<0.10時(shí),則研究構(gòu)造的判斷矩陣通過(guò)一致性,即不需要再構(gòu)造判斷矩陣。通過(guò)計(jì)算得到目標(biāo)層、壓力系統(tǒng)因素、狀態(tài)系統(tǒng)因素及響應(yīng)系統(tǒng)因素的一致性比率指標(biāo)(CR)分別為0.033 2、0.049 4、0.006 3、0.007 9,均小于0.10,表明所有構(gòu)造的判斷矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

基于以上計(jì)算結(jié)果,目標(biāo)層權(quán)重值為(w1,w2,w3)=(0.258 3,0.637,0.104 7);壓力系統(tǒng)因素得各指標(biāo)的權(quán)重值為(w11,w12,w13,w14,w15)=(0.165 4,0.411,0.102 2,0.258 9,0.062 5);狀態(tài)系統(tǒng)因素得各指標(biāo)的權(quán)重值為(w21,w22,w23,w24,w25)=(0.261 9,0.052 4,0.088 7,0.152 4,0.444 6);響應(yīng)系統(tǒng)因素得各指標(biāo)的權(quán)重值為(w31,w32,w33)=(0.539 6,0.163 4,0.297)。

3.2 安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

(1) 總體情況評(píng)價(jià) 由3.1中計(jì)算得各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值,采用綜合指數(shù)法,分析整個(gè)區(qū)域總體的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值和量化值見(jiàn)表9?；跐竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)量化打分情況[14],將綜合得分的大小映射到[0,5],根據(jù)前面的評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)健康分析。各指標(biāo)量化進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到綜合得分為2.73分,故應(yīng)在較健康(3分)和一般病態(tài)之間(2分),結(jié)果更偏向較健康。總體上安濟(jì)河濕地生態(tài)偏向較健康,但略低于較健康,說(shuō)明該濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到較小的影響,主要是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)頻繁影響較大造成生態(tài)系統(tǒng)受到影響。

表9 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值及量化值

(2) 不同因素評(píng)價(jià) 在安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康影響的指標(biāo)中,壓力系統(tǒng)因素的二級(jí)指標(biāo)干旱等級(jí)的權(quán)重值最大是0.411,化肥使用強(qiáng)度是狀態(tài)最差的因子。狀態(tài)系統(tǒng)因素所在的二級(jí)指標(biāo)狀態(tài)較好,響應(yīng)系統(tǒng)因素所在的二級(jí)指標(biāo)狀態(tài)最好,說(shuō)明近年來(lái)政府對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)的關(guān)注度極高。采用綜合指數(shù)法計(jì)算目標(biāo)層各因素的量化情況,壓力系統(tǒng)因素、狀態(tài)系統(tǒng)因素和響應(yīng)系統(tǒng)因素綜合得分分別為2.15分、2.94分、3.33分。結(jié)果表明,響應(yīng)系統(tǒng)因素超過(guò)了健康狀態(tài),狀態(tài)系統(tǒng)因素幾乎接近較健康狀態(tài),壓力系統(tǒng)因素接近一般病態(tài)狀態(tài),說(shuō)明安濟(jì)河所在區(qū)域的城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快,影響到了該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康。綜合總體和各因素的分析,城鎮(zhèn)化人口居多、城市化加快、人口密度大,造成人類活動(dòng)頻繁,嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

4 結(jié)論

基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型,構(gòu)建了安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用專家打分和層次分析法,確定了各指標(biāo)的量化值和權(quán)重值,并采用綜合指數(shù)法計(jì)算濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合得分,最終對(duì)該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(1) 安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的總體表現(xiàn)為接近較健康狀態(tài),揭示該濕地生態(tài)系統(tǒng)健康受到了一定程度的破壞,是由于成武縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人口增加,河流污染增加導(dǎo)致。

(2) 根據(jù)目標(biāo)層各因素的評(píng)價(jià)結(jié)果分析,響應(yīng)系統(tǒng)健康狀態(tài)的狀況為較健康,壓力系統(tǒng)健康狀態(tài)接近一般病態(tài),狀態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)接近較健康狀態(tài)。可見(jiàn)該濕地生態(tài)系統(tǒng)仍要進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)措施。

(3) 綜合總體和各因素的分析,安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況受到人類活動(dòng)的影響,頻繁的人類活動(dòng)引起了工程建設(shè)活動(dòng)增加,原始天然植被減少,水生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出。

研究結(jié)果可為安濟(jì)河濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究提供參考和理論依據(jù),也為政府和相關(guān)部門開(kāi)展生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)建設(shè)方案提供理論依據(jù)。