基于PSR 模型的黑河中游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)

杜紅霞，孫鶴洲

（1.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070）

濕地是世界上最具有生產(chǎn)力的生態(tài)系統(tǒng)之一［1］，不僅為多種瀕危物種提供了棲息場(chǎng)所，同時(shí)也緩解了用水緊缺等問題。隨著社會(huì)的發(fā)展，濕地也面臨著不斷退化等問題。自1900 年以來，全世界已有50%的濕地消失，20 世紀(jì)至21 世紀(jì)初濕地面積的減少速度加快了3.7 倍［2］。由于濕地是一個(gè)受多種因素綜合影響的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，探討其整體的生態(tài)狀況將是人們所面臨的一大難題［3］。20 世紀(jì)70 年代，濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)成為濕地研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)話題［4］。生態(tài)系統(tǒng)健康最早體現(xiàn)在Aldo Leopold定義的“土地健康”概念中［5］。有研究者認(rèn)為健康的生態(tài)系統(tǒng)指內(nèi)部組織沒有受到損害，且具有自身的恢復(fù)能力［6］。生態(tài)系統(tǒng)健康目前評(píng)估的方法有生物法和指標(biāo)體系法。生物法選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)單一，并不能全面準(zhǔn)確地反映濕地的健康狀況，于是基于PSR 模型構(gòu)建指標(biāo)體系成為生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)常用的方法，該模型是由聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署提出［7］，將指標(biāo)體系分壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3 個(gè)目標(biāo)層。目前，將PSR 模型與3S 技術(shù)結(jié)合已成為多類型、大尺度流域濕地評(píng)價(jià)的新型手段。孫雪等［8］將GIS 空間分析技術(shù)與PSR 模型結(jié)合，對(duì)海河南系子牙河流域濕地健康狀況進(jìn)行了綜合、分區(qū)和分類評(píng)價(jià)。Sun 等［9］利用2000—2010 年 GlobeLand 30 土地覆圖、氣象數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)并基于PSR 模型評(píng)估了長(zhǎng)江流域和亞馬遜河流域的濕地生態(tài)健康狀況。

黑河中游濕地屬于典型的干旱區(qū)內(nèi)陸濕地，由于受環(huán)境條件的限制，使其具有預(yù)防草地退化，遏制沙漠化侵蝕和發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)等生態(tài)功能。近年來，人類的頻繁活動(dòng)和氣候的改變對(duì)濕地造成了不同程度的破壞，而濕地對(duì)環(huán)境因素的干擾十分敏感，一旦遭到破壞將很難恢復(fù)［10］。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)黑河中游濕地的研究也取得了很多成果［11，12］。但對(duì)黑河中游濕地的生態(tài)健康狀況知之甚少，鑒于黑河中游濕地重要的生態(tài)學(xué)意義和學(xué)者們研究的空白，本研究試圖通過GIS 技術(shù)和構(gòu)建指標(biāo)體系的方法對(duì)黑河中游2000、2005、2011、2018 年的濕地生態(tài)健康狀況進(jìn)行整體評(píng)價(jià)，以期為黑河中游濕地的保護(hù)和恢復(fù)工作提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河發(fā)源于祁連山北麓中段，地跨青海省、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)，全長(zhǎng)821 km［13］，是中國(guó)西北地區(qū)的第二大內(nèi)陸水系。黑河中游是指位于正義峽與鶯落峽之間的河段，地理位置為37°45′—39°57′N，97°20′—102°04′E，行政區(qū)劃上包括甘肅省張掖市的民樂縣、山丹縣、甘州區(qū)、臨澤縣、高臺(tái)縣和肅南裕固族自治縣的明花鄉(xiāng)［14］。黑河中游地處青藏高原向內(nèi)蒙古高原的過渡地帶，地勢(shì)東南高西北低，海拔為1 254～4 858 m（圖1）。該研究區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱少雨。該區(qū)域是資源性缺水地區(qū)，年均降水量?jī)H為164.2～283.6 mm，而年蒸發(fā)量卻達(dá)1 900～3 500 mm?，F(xiàn)有人口約126 萬人，平均人口密度為64 人/km2。濕地主要類型有河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、河灘濕地以及水庫(kù)坑塘濕地。中部地區(qū)由于地勢(shì)平坦，光熱資源豐富。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

以 2000、2005、2011、2018 年為研究時(shí)段，根據(jù)已有研究成果和研究區(qū)實(shí)際情況選取11 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系。社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)主要來源于《張掖市統(tǒng)計(jì)年鑒》。歸一化植被指數(shù)（NDVI）和1∶100 000土地利用柵格數(shù)據(jù)來自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn）。土地利用矢量數(shù)據(jù)來自寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）。參照國(guó)家濕地分類標(biāo)準(zhǔn)體系（GB/T 24708—2009）并結(jié)合有關(guān)研究成果將研究區(qū)濕地分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、河灘濕地和水庫(kù)坑塘濕地5 種類型。用Fragstats 4.2 軟件進(jìn)行景觀格局指數(shù)的分析，借助 Microsoft Excel 2016、ArcGis 10.2 和 Origin 2018軟件進(jìn)行圖表的繪制。

1.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖1 研究區(qū)地理位置

根據(jù)對(duì)濕地健康狀況的作用水平，將人口密度、人均GDP 和人類干擾度歸為負(fù)向指標(biāo)，降水量歸為正向指標(biāo)；選取NDVI和斑塊密度（PD）、景觀形狀指數(shù)（LSI）、景觀多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀聚集度（AI）作為狀態(tài)指標(biāo)來反映在自然和人類活動(dòng)作用下流域內(nèi)濕地的狀態(tài)。NDVI、SHDI、AI3 個(gè)指標(biāo)歸為正向指標(biāo)，PD、LSI歸為負(fù)向指標(biāo)；選取濕地面積和濕地生態(tài)服務(wù)價(jià)值2 項(xiàng)指標(biāo)表示濕地生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，2個(gè)指標(biāo)均歸為正向指標(biāo)。指標(biāo)構(gòu)建如表1 所示。

人類干擾指數(shù)的計(jì)算公式為：（耕地面積+建設(shè)用地面積）/土地利用面積。土地面積通過GIS 軟件統(tǒng)計(jì)得到。NDVI是基于TM/ETM 紅外和近紅外波段來計(jì)算，NDVI在-1～1，正值表示植被覆蓋面積［15］。PD、LSI、SHDI和AI4 個(gè)景觀格局指數(shù)通過Fragstats 4.2 軟件計(jì)算得到。PD是反映景觀的破碎化和分散化程度的指標(biāo)，值越大，表明斑塊破碎化程度越大［16］；LSI指景觀類型形狀的復(fù)雜程度［17］，值越大，表示斑塊形狀越復(fù)雜，離散化程度也越高；SHDI越大代表景觀異質(zhì)性越強(qiáng)［18］；AI越大代表生態(tài)系統(tǒng)中各個(gè)景觀的離散化程度越小。各指標(biāo)計(jì)算公式如表2 所示。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)對(duì)人類福祉產(chǎn)生直接貢獻(xiàn)的效應(yīng)［19］。參考謝高地等［20］生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量因子表，采用Costanza 等1997 年提出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值估算模型計(jì)算流域內(nèi)濕地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。計(jì)算公式為：

式中，ESV表示研究區(qū)域的生態(tài)服務(wù)價(jià)值；AK是K類濕地類型的面積；VCK為K類濕地類型的生態(tài)服務(wù)價(jià)值系數(shù)（元/hm2）［21］。

1.4 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)方法

1.4.1 指標(biāo)歸一化 為消除量綱，進(jìn)行指標(biāo)的歸一化處理。正向指標(biāo)的計(jì)算公式為：

負(fù)向指標(biāo)的計(jì)算公式為：

式中，Xij表示該指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；max（aij）表示指標(biāo)的最大值；min（aij）表示指標(biāo)的最小值［22］。

1.4.2 確定指標(biāo)權(quán)重 采用層次分析法（AHP）構(gòu)建判斷矩陣，邀請(qǐng)相關(guān)專家對(duì)不同層次的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較確定每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，在Yaahp 軟件中輸入相對(duì)重要性值，并計(jì)算一致性檢驗(yàn)系數(shù)（CR），直到CR＜0.1 為止。

表1 黑河中游濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表2 各指標(biāo)計(jì)算公式

1.4.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià) 將計(jì)算出的生態(tài)健康指數(shù)按照專家決策劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個(gè)等級(jí)，這4 個(gè)等級(jí)分別為最好、良好、一般、差（表3）。濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算公式為：

式中，S為濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)的結(jié)果值；j為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；Ij為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值；Wj為各指標(biāo)的權(quán)重［23］。

表3 黑河中游濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力

人類干擾指數(shù)對(duì)濕地健康的影響最大，年降水量次之，人均 GDP 最?。ū?4），權(quán)重分別為 0.120、0.060 和0.020。各地方的人口密度在2000、2005、2011、2018 年4 年的變化都不明顯（圖2），甘州區(qū)人口密度最大，明花鄉(xiāng)人口密度最小。民樂縣的人類干擾指數(shù)最高，甘州區(qū)次之，明花鄉(xiāng)最小，因?yàn)槊骰ㄠl(xiāng)以傳統(tǒng)畜牧業(yè)為主，荒漠草原是主要的土地覆蓋類型［24］。民樂縣的年降水量在這4 年均最多。對(duì)濕地生態(tài)健康影響最小的人均GDP 在各縣區(qū)均呈持續(xù)上升趨勢(shì)?？傮w來看，各地的人口密度、人均GDP 和人類干擾指數(shù)變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，而年降水量有一定的起伏，但總趨勢(shì)不太明顯。

表4 濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)各指標(biāo)權(quán)重

圖2 黑河中游濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力指標(biāo)

研究區(qū)壓力指標(biāo)健康得分總體較為穩(wěn)定，均在0.037～0.202（圖3、圖8a）。高臺(tái)縣與山丹縣、臨澤縣與民樂縣的得分在這4 年無明顯差別。肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)的健康得分范圍在研究時(shí)段內(nèi)都在0.181～0.240，均高于其他縣區(qū)，因?yàn)樵撪l(xiāng)人類干擾指數(shù)比其他地方都小，且次要正向指標(biāo)年降水量也位居第二。甘州區(qū)健康得分在這4 年都處于最低水平，由于該區(qū)人口密度大且城鎮(zhèn)化水平高，土地利用開發(fā)強(qiáng)度大，不利于濕地的健康發(fā)展。民樂縣和臨澤縣的得分在0.061～0.120，民樂縣主要受人類干擾指數(shù)和人口密度2 個(gè)負(fù)向指標(biāo)的共同影響。年降水量是影響臨澤縣濕地生態(tài)健康水平的外界條件。

2.2 濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)

狀態(tài)層對(duì)濕地生態(tài)健康的影響最大，權(quán)重為0.650，其指標(biāo)的相對(duì)重要性排序依次是NDVI、SHDI、PD和AI，對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為 0.283、0.166、0.098 和 0.063，LSI的影響最小，權(quán)重為0.040（表 4）。由圖4 可以看出，各地NDVI總體呈上升趨勢(shì)，這與張更喜等［25］對(duì)黑河中游植被覆蓋率變化趨勢(shì)的研究結(jié)果相吻合。民樂縣的植被覆蓋度最高，相反明花鄉(xiāng)最低。PD的變化不同地區(qū)總體上有所差別。甘州區(qū)、山丹縣和民樂縣的SHDI變化在2000、2005、2011、2018 年 4 年呈先增后減的趨勢(shì)，這與李鴻偉［26］發(fā)現(xiàn)的在1975—2016 年黑河中游濕地景觀多樣性呈先增后減的趨勢(shì)相一致。民樂縣和山丹縣SHDI總體相當(dāng)。2005—2018 年明花鄉(xiāng)的濕地景觀多樣性指數(shù)都最低，說明該鄉(xiāng)景觀類型在研究時(shí)間內(nèi)趨于均衡。

圖3 黑河中游濕地壓力指標(biāo)健康得分

圖4 黑河中游濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)

2000—2018 年，各縣區(qū)狀態(tài)得分在0.103～0.511（圖5），得分無統(tǒng)一的變化趨勢(shì)（圖8b）。明花鄉(xiāng)和民樂縣的得分在研究期間保持穩(wěn)定，是因?yàn)橛绊憼顟B(tài)得分的主要指標(biāo)沒有大的變化。明花鄉(xiāng)的得分在2000、2005、2011、2018 年 4 年都在 0.100～0.250 的低水平，主要受植被覆蓋度指數(shù)和濕地多樣性指數(shù)的影響。民樂縣的得分穩(wěn)定在0.351～0.450，該地2005年實(shí)施的退耕還林還草政策促進(jìn)了植被覆蓋度的提高。甘州區(qū)的得分在2011 年處于最高水平，因?yàn)樵搮^(qū)當(dāng)年成立了濕地資源保護(hù)站，積極開展了濕地調(diào)查和保護(hù)工作，且甘州區(qū)黑河沿岸濕地被列入了張掖市黑河濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，這些政策的實(shí)施有效防止了濕地的邊緣破碎化。山丹縣的狀態(tài)得分在2000—2018 年從最初的最差水平變?yōu)橛兴岣摺?/p>

圖5 黑河中游濕地狀態(tài)指標(biāo)健康得分

2.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)

濕地面積和生態(tài)服務(wù)價(jià)值對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為0.090 和0.030。各地濕地面積除2011 年出現(xiàn)明顯增加外，其他年份均無較大變化（圖6）。2011 年國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)的建立以及濕地保護(hù)措施的加強(qiáng)，有效遏制了當(dāng)?shù)貪竦氐耐嘶?6］。2000、2005、2011、2018 年明花鄉(xiāng)的濕地面積最少，其中，在2000、2005 和2018 年由土地利用圖進(jìn)行提取發(fā)現(xiàn)濕地面積基本沒有，主要受當(dāng)?shù)貥O度干旱氣候、影像空間分辨率和解譯精度的影響。甘州區(qū)的濕地面積在2011 年增加也得益于濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的建立。高臺(tái)縣和明花鄉(xiāng)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值在2011 年出現(xiàn)較大波動(dòng)，其他各縣區(qū)總體上穩(wěn)定。

研究期內(nèi)，響應(yīng)得分在0～0.122（圖 7、圖8c），明花鄉(xiāng)得分處在0～0.040低水平。2011—2018年，臨澤縣、甘州區(qū)、民樂縣和山丹縣的響應(yīng)得分都有所上升。臨澤縣的得分除2005 年為0.042 外，在其他3 個(gè)年份都處在低水平。高臺(tái)縣的得分始終處在0.081～0.120、0.121～0.160 較高、高水平，2011 年在大面積濕地的影響下達(dá)到了高水平。甘州區(qū)的得分在0.057～0.122，2005 年 和 2018 年 分 別 達(dá) 0.121 和0.122，民樂縣的響應(yīng)得分在2000 年和2005 年無明顯變化，而在2011 年出現(xiàn)了最低值，這可能與該地的濕地面積受人類干擾有關(guān)。山丹縣的得分除了2011 年外，其他3 個(gè)年份的水平相當(dāng)。

2.4 濕地生態(tài)健康水平時(shí)空分布特征

圖7 黑河中游濕地響應(yīng)指標(biāo)健康得分

圖8 黑河中游濕地準(zhǔn)則層各指標(biāo)健康得分

圖9 2000—2018 年黑河中游各縣區(qū)濕地健康水平

由圖9 可以看出，除民樂縣和甘州區(qū)外，其他地區(qū)的健康得分在0.4～0.6，屬于一般的健康狀況，表明在人類持續(xù)性干擾的情況下，流域內(nèi)的濕地并未受到較大破壞，且在濕地保護(hù)政策的實(shí)施下，個(gè)別地區(qū)的濕地狀況向好的方向發(fā)展。2000—2018 年明花鄉(xiāng)的健康狀況處于差的水平，即使該地區(qū)濕地所受人為影響較小，但濕地資源性短缺決定了整體的健康水平。甘州區(qū)的健康值在2011 年達(dá)到了Ⅱ級(jí)水平，該區(qū)的濕地是黑河水源涵養(yǎng)的重要組成部分，自2000 年區(qū)域?qū)嵤┱{(diào)水制度以來，區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水方式主要是以滴灌為主的節(jié)水灌溉方式，地下水的不斷開采減少了濕地水的回歸量，使得區(qū)內(nèi)的濕地水量長(zhǎng)期得不到補(bǔ)充［27］。高臺(tái)縣、臨澤縣和山丹縣的濕地在2000—2018 年均為一般的健康狀況，濕地系統(tǒng)的健康狀況整體上較為穩(wěn)定，主要與這些地區(qū)影響濕地健康的壓力、狀態(tài)和響應(yīng)在各年份的無明顯變化趨勢(shì)有關(guān)。

2.5 流域內(nèi)濕地生態(tài)系統(tǒng)總體健康狀況

如表5 所示，黑河中游濕地的健康值在2000、2005、2011、2018年分別為0.181、0.648、0.615和0.523，健康狀況經(jīng)歷了從差到良好，再到一般的水平變化。黑河中游地區(qū)以綠洲農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)田灌溉等對(duì)濕地施加了一定的壓力，且當(dāng)時(shí)人們對(duì)濕地的保護(hù)意識(shí)淡薄，對(duì)濕地不合理開發(fā)利用不僅減少了面積，也使得濕地的天然用途降低。因此，2000 年流域內(nèi)濕地的健康狀況整體上處于差的水平，2000 年以后，面對(duì)濕地所面臨的嚴(yán)峻問題，濕地管理和保護(hù)政策的出臺(tái)在一定程度上遏制了濕地的退化。張掖市出臺(tái)了《張掖市濕地保護(hù)與恢復(fù)工程規(guī)劃（2005—2030年）》，同時(shí)加強(qiáng)了流域居民濕地保護(hù)知識(shí)的宣傳和普及。這些措施的落實(shí)和實(shí)施促進(jìn)了黑河中游濕地健康水平的不斷提高。

表5 黑河中游流域濕地健康水平的時(shí)間變化

3 小結(jié)

本研究通過“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型構(gòu)建黑河中游濕地的生態(tài)健康指標(biāo)，結(jié)合了層次分析法計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，并采用綜合指數(shù)法計(jì)算出黑河中游的濕地生態(tài)健康指數(shù)?，F(xiàn)得出以下結(jié)論。

1）響應(yīng)指標(biāo)層對(duì)研究區(qū)域內(nèi)濕地的健康水平影響最大（0.650），11 個(gè)指標(biāo)中起主導(dǎo)作用的是NDVI和SHDI。為提高整體健康水平，首先應(yīng)該減少濕地所受的外界壓力，努力維護(hù)濕地系統(tǒng)的內(nèi)部穩(wěn)定性。

2）2000—2018 年，肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)的濕地健康狀況一直處于差的水平，高臺(tái)縣、臨澤縣和山丹縣的健康狀況都處在一般水平，總體上整個(gè)流域內(nèi)濕地的健康水平無大的波動(dòng)。

3）從黑河中游流域濕地的整體健康水平來看，2005、2011 年分別上升到良好的水平；2018 年又下降到一般的水平。流域內(nèi)濕地的健康狀況在2000—2018 年總體上有所好轉(zhuǎn)，但是隨著人類社會(huì)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，對(duì)于濕地不同程度的破壞依然存在。

4）從影響各縣區(qū)濕地生態(tài)健康狀況的準(zhǔn)則層來看，濕地的資源短缺是影響肅南裕固族自治縣明花鄉(xiāng)濕地健康狀況水平的主要原因。甘州區(qū)的濕地所受到的人為干擾最大，但在2011 年通過成立自然保護(hù)區(qū)等措施的實(shí)施，濕地的生態(tài)健康水平整體有所好轉(zhuǎn)。民樂縣的濕地健康效應(yīng)水平整體上最高，內(nèi)部穩(wěn)定性較好。