基于PSR 模型的西藏拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)

閆鐘清 李 勇 張克柔 郝彥賓 楊 澳 康曉明*

（1 中國林業(yè)科學(xué)研究院生態(tài)保護(hù)與修復(fù)研究所，濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2 四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，四川 阿壩 624500；3 中國科學(xué)院大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

生態(tài)系統(tǒng)健康是指系統(tǒng)內(nèi)各部分之間能夠互相協(xié)調(diào)、平衡共存的狀態(tài)，對外界擾動保持一定的彈性和穩(wěn)定性（Rapport,1989）。濕地生態(tài)系統(tǒng)在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、降解污染、保護(hù)生物多樣性和為人類提供寶貴的生產(chǎn)、生活資源方面發(fā)揮著極其重要的作用（Fluet-Chouinard et al.,2023），濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)可協(xié)助診斷由自然因素或人類活動引起的系統(tǒng)內(nèi)部物質(zhì)或能量平衡的破壞，對可能發(fā)生的生態(tài)功能的損失發(fā)出預(yù)警，為管理者、決策者制訂或調(diào)整管理保護(hù)策略提供科學(xué)依據(jù)，以促進(jìn)濕地資源的可持續(xù)利用（李瑾等,2001），并通過濕地生態(tài)系統(tǒng)健康管理維持和改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（Hernandez-Blanco et al.,2022）。

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)已受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，根據(jù)研究目的和技術(shù)手段的差異，所采用的評價(jià)方法也不盡相同，主要分為生物評價(jià)法和指標(biāo)體系法。生物評價(jià)法主要包括指示物種法和生物完整性指數(shù)評價(jià)法；指標(biāo)體系法在我國的應(yīng)用較為廣泛，主要包括PSR（Pressure-State-Response）模型、熵權(quán)法、Delphi 法、三級評價(jià)模型、灰色模型、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、投影尋蹤模型、Topsis 模型和粗糙集理論模型等（周靜等,2018）。PSR 模型因其能夠提供有效的指標(biāo)分類方案、準(zhǔn)確體現(xiàn)濕地管理者的最終目標(biāo)且有利于實(shí)現(xiàn)動態(tài)評價(jià)等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最為廣泛的評價(jià)指標(biāo)體系之一。本研究基于PSR 模型，結(jié)合層次分析法和模糊綜合評價(jià)法評價(jià)拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，為提高其濕地資源監(jiān)測和保護(hù)管理水平提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

拉魯濕地國家級自然保護(hù)區(qū)（29°39′46′′—29°41′05′′ N，91°03′48′′—91°06′51′′）位于西藏自治區(qū)拉薩市西北部，是世界上海拔最高、面積最大的天然城市濕地，濕地面積620 hm2，呈東西帶狀分布，平均海拔3 645 m（圖1）。拉魯濕地被譽(yù)為“拉薩之肺”“天然氧吧”,主要保護(hù)對象為高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)，屬于蘆葦泥炭沼澤，（秦衛(wèi)華等,2022）。研究區(qū)屬于溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均降水量為439.3 mm，其中80%～90%集中在6—9月。年平均氣溫為7.6°C，晝夜溫差較大（劉漢武等,2005;Kang et al.,2021）。

1.2 健康評價(jià)方法

1.2.1 指標(biāo)體系構(gòu)建綜合考慮青藏高原地區(qū)高寒濕地特點(diǎn)及拉魯濕地實(shí)際狀況，依據(jù)整體性、代表性和可獲取性等原則，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特征，以及經(jīng)濟(jì)社會和政策法規(guī)的影響等因素，運(yùn)用PSR 模型，從壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)層面選取19 項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)，用于構(gòu)建拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)體系（表1）。

表1 拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)體系Table 1 Ecosystem health assessment system for the Lalu wetland

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化由于各項(xiàng)指標(biāo)間的量綱不統(tǒng)一，導(dǎo)致指標(biāo)之間缺乏可比性。為消除量綱的影響和計(jì)算簡便，本研究運(yùn)用模糊綜合評價(jià)法將定性與定量指標(biāo)有效結(jié)合，對各評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際數(shù)值利用極差法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)取值范圍為0～10。

對于正向指標(biāo)a1,a2,a3……an進(jìn)行變換：

對于負(fù)向指標(biāo)B1,B2,B3……Bn進(jìn)行變換：

新序列R1,R2……Rn∈[0,10]且無量綱。

式中：Rij為各正向或負(fù)向指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；ai或Bj為拉魯濕地指標(biāo)體系中第i 或j 個(gè)正向或負(fù)向?qū)傩缘闹笜?biāo)；max 為評價(jià)指標(biāo)體系中該指標(biāo)的最大值；min 為評價(jià)指標(biāo)體系中該指標(biāo)的最小值。

1.2.3 指標(biāo)權(quán)重確定基于層次模型基礎(chǔ)，向?qū)＜野l(fā)放和收集調(diào)查問卷，導(dǎo)入專家決策數(shù)據(jù)，構(gòu)建判斷矩陣，求出最大特征根的特征向量并進(jìn)行靈敏度分析，最終得出各評價(jià)指標(biāo)和相應(yīng)準(zhǔn)則層的權(quán)重值（表2）。

表2 拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康分級標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重Table 2 Indicator weights and ranking criteria for the ecosystem health assessment system for Lalu wetland

1.2.4 健康指數(shù)計(jì)算研究采用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算，分別得到拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)壓力層、狀態(tài)層、響應(yīng)層和綜合健康指數(shù)(Comprehensive Health Index，CHI)，計(jì)算公式如下：

式中：CHI—生態(tài)系統(tǒng)綜合健康指數(shù)取值范圍為0～10；Ij—第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值；W j—第j 個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；n—評價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

根據(jù)綜合健康指數(shù)計(jì)算結(jié)果和等級評定標(biāo)準(zhǔn)，綜合判別濕地生態(tài)系統(tǒng)健康等級及含義（表3）。

表3 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)等級標(biāo)準(zhǔn)及其含義Table 3 Wetland ecosystem health assessment level standards and their meanings

2 結(jié)果與分析

通過多渠道數(shù)據(jù)來源獲取拉魯濕地評價(jià)指標(biāo)的現(xiàn)狀值和標(biāo)準(zhǔn)化值，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重得出濕地綜合健康值為6.74，屬于“健康”水平，其中拉魯濕地壓力、狀態(tài)和響應(yīng)要素健康得分分別為9.90、5.16和8.78，分別屬于“非常健康”“亞健康”和“非常健康”水平（表4）。

表4 拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)結(jié)果Table 4 Health assessment results of Lalu wetland

2.1 壓力要素

拉魯濕地壓力層指標(biāo)中健康水平較高的主要有人口密度、GDP、放牧壓力和災(zāi)害性天氣，健康水平較低的有污水排放量和外來物種入侵。拉魯濕地所在拉薩市人口密度為23.84 人/km2，GDP 為540.78億元。根據(jù)現(xiàn)場考察，濕地內(nèi)實(shí)行全域禁牧，放牧壓力極小。《中國氣象災(zāi)害年鑒》記錄拉薩市發(fā)生高溫氣象災(zāi)害1 項(xiàng)，相比于青藏高原區(qū)域水平的災(zāi)害性天氣發(fā)生頻次較少。拉薩市的污水排放量為4 087 萬t，而拉魯濕地的主要補(bǔ)水水源流沙河、北干渠、南干渠和中干渠穿越拉薩市市區(qū)，因此，拉魯濕地的污水凈化壓力相對較大?！吨袊鴿竦刭Y源》（西藏卷）記載拉魯濕地有放生的鯉（Cyprinus carpio）和鯽（Carassius auratus），及外來脊椎動物1 綱1 目1 科2 種。有學(xué)者在拉魯濕地內(nèi)還發(fā)現(xiàn)原產(chǎn)于美國落基山脈以東地區(qū)的外來物種牛蛙（Lithobates catesbeiana）（米瑪旺堆等,2014）和原產(chǎn)于美國中南部的紅耳彩龜（Trachemys scripta elegans）（范麗卿等,2016），說明拉魯濕地存在一定的外來物種入侵風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 狀態(tài)要素

在拉魯濕地狀態(tài)層指標(biāo)當(dāng)中，處于“健康”及以上水平的指標(biāo)有地表水水質(zhì)級別、土壤重金屬污染物、植被覆蓋度、濕地斑塊密度和鳥類棲息地功能，處于“健康”程度以下的指標(biāo)有國家重點(diǎn)保護(hù)野生動物、土壤有機(jī)碳含量、土壤水分含量、鳥類多樣性和土壤微生物多樣性值。

對拉魯濕地水體、土壤和植被進(jìn)行野外現(xiàn)場調(diào)查或室內(nèi)樣品分析，得出拉魯濕地總體水質(zhì)為Ⅱ類，無超標(biāo)的土壤重金屬污染物，植被覆蓋度為88%，濕地斑塊密度為0.49 個(gè)/km2，景觀破碎化程度較低，完整性較好。濕地土壤有機(jī)碳含量、土壤質(zhì)量含水量和土壤微生物Shannon 指數(shù)平均值分別為3.13 g C/kg、34.12%和2.60。有學(xué)者得出拉魯濕地鳥類多樣性為2.30，與青藏高原地區(qū)其余濕地相比，拉魯濕地鳥類多樣性處于較低水平，但仍為鳥類提供了適宜的棲息環(huán)境（周生靈等,2020;次仁等,2019）。

2.3 響應(yīng)要素

拉魯濕地響應(yīng)層指標(biāo)均處于“健康”及以上水平。針對拉薩市民開展問卷調(diào)查，共回收問卷100 份，計(jì)算得出濕地管理水平為78.5 分、公眾濕地保護(hù)意識為92.5 分、政策法規(guī)執(zhí)行力度為68.8 分，說明拉魯濕地相關(guān)管理部門非常重視拉魯濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)和維護(hù)，民眾也積極參與當(dāng)?shù)貪竦乇Ｗo(hù)工作。

3 討論

不同類型濕地內(nèi)部的各組分間，濕地與環(huán)境、社會及經(jīng)濟(jì)間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，決定了濕地生態(tài)健康評價(jià)多指標(biāo)的特點(diǎn)（崔保山等,2002），難以形成一套系統(tǒng)性的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)體系。不同研究者從自身目的出發(fā)，基于PSR 模型從多個(gè)角度設(shè)置相應(yīng)的指標(biāo)體系，開展了鄱陽湖濕地（李眾,2021）、黑河中游濕地（杜紅霞等,2021）、閩東濱海濕地（陳鳳等,2020）、三門峽庫區(qū)濕地（趙衡等,2020）、贛南尕海濕地（徐國榮等,2019）、云貴高原濕地（秦趣等,2019）和凌河口濕地（徐浩田等,2017）等不同類型濕地的健康評價(jià)工作。本研究綜合考慮了社會經(jīng)濟(jì)、生物、物理和化學(xué)方面的諸多因素，并增加了土壤有機(jī)碳含量和微生物多樣性等土壤功能關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行健康評價(jià)，在指標(biāo)選取方面具有一定的創(chuàng)新性和指導(dǎo)意義。以青藏高原區(qū)域指標(biāo)閾值或本底值作為參考標(biāo)準(zhǔn)對拉魯濕地各項(xiàng)指標(biāo)健康等級進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和地方適宜性。

在指標(biāo)賦值方面，由于生態(tài)系統(tǒng)處在動態(tài)變化當(dāng)中，不同時(shí)期的指標(biāo)測定值會出現(xiàn)一定差異，本研究主要關(guān)注特定年份的生態(tài)健康狀況，為及時(shí)進(jìn)行管理政策調(diào)整等提供有效建議。有學(xué)者對1995—2010 年間拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行健康評價(jià)發(fā)現(xiàn)，2005 年之前拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度快速下降，而之后生態(tài)系統(tǒng)健康呈波動趨勢，處于臨界健康狀態(tài)，并指出主要原因是人類活動的干擾（郝文淵等,2013）。本研究測定得出拉魯濕地沒有重金屬污染，李偉等（2023）最新研究拉魯濕地存在一定重金屬污染的風(fēng)險(xiǎn)，鎘（Cd）元素的富集尤為突出。拉魯濕地水質(zhì)指標(biāo)在枯水期和豐水期會存在一定差異，枯水期水質(zhì)大部分為Ⅴ類，而豐水期水質(zhì)主要為Ⅰ和Ⅲ類（田瀚鑫等,2021）。隨著水體生態(tài)堤和攔污柵等濕地工程的實(shí)施，濕地內(nèi)部生態(tài)指標(biāo)現(xiàn)狀值會隨之發(fā)生較大變化（李謙等,2023）。因此，基于適宜的濕地生態(tài)健康評價(jià)體系，未來還應(yīng)根據(jù)評價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值的不斷變化及時(shí)更新評價(jià)結(jié)果，為管理者、決策者進(jìn)行政策調(diào)整提供更為有效的參考。

4 結(jié)論

拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)整體處于“健康”水平，其中，壓力層和響應(yīng)層處于“非常健康”水平。壓力層指標(biāo)中污水排放和外來物種入侵處于預(yù)警階段，要重視拉魯濕地生活污水和相應(yīng)污染物的排放，并加大外來物種入侵的防治。狀態(tài)層個(gè)別指標(biāo)得分較低，建議建立多水源補(bǔ)水機(jī)制，提高土壤水分含量，有利于保持生物多樣性，并為鳥類和其余生物營造良好的棲息地環(huán)境。研究結(jié)果反映了拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，提出了濕地保護(hù)管理的對策建議，對高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和可持續(xù)利用具有重要意義。