基于PSR模型的城市河流濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)
——以蘇州市姑蘇區(qū)為例

朱 穎 王春文 周昕宇 馮育青

（1 蘇州科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 江蘇 蘇州 215011；2 江蘇太湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)站，江蘇 蘇州 215000；3 蘇州市濕地保護(hù)管理站，江蘇 蘇州 215000）

城市化進(jìn)程中的土地?cái)U(kuò)張和高密度建設(shè)對(duì)城市河流濕地的生態(tài)服務(wù)功能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水污染和生物多樣性喪失等問(wèn)題，進(jìn)而影響城市健康發(fā)展，城市河流濕地的生態(tài)健康受到社會(huì)的廣泛關(guān)注（李港等,2022; 劉云等,2016）。2017年我國(guó)實(shí)行了嚴(yán)格的河長(zhǎng)制度，有相關(guān)學(xué)者結(jié)合地方實(shí)際情況選取針對(duì)指標(biāo)，提出基于河長(zhǎng)制的健康評(píng)價(jià)體系（李慧敏等, 2020）。河流濕地的健康評(píng)估是河流管理的關(guān)鍵一環(huán)，同時(shí)也是河流生態(tài)修復(fù)和水體污染控制工作的首要任務(wù)，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的影響（張向徐等, 2023）。

河流濕地健康評(píng)價(jià)方法主要包括指示物種法和多指標(biāo)評(píng)價(jià)法。指示物種法是采用魚(yú)類、底棲動(dòng)物、藻類等生物類群的物種完整性來(lái)進(jìn)行河流健康的判斷和監(jiān)測(cè)（Tianhong et al., 2018; 劉園園等,2020; 王軍等, 2014），但其監(jiān)測(cè)參數(shù)的偏差會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的差異，無(wú)法全面評(píng)價(jià)河流健康狀況（張向徐等, 2023）。多指標(biāo)評(píng)價(jià)法是選取具有代表性的影響指標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用數(shù)學(xué)模型確定河流健康等級(jí)，其方法相對(duì)快速方便，并被廣泛應(yīng)用在河流健康評(píng)價(jià)中（陸穎等, 2020; 劉苗苗等, 2019）；相關(guān)學(xué)者通過(guò)多指標(biāo)評(píng)價(jià)法從不同角度選取和構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并快速全面地揭示河流濕地存在的健康問(wèn)題（陳歆等, 2019; 鮑艷磊等, 2021; 張宇航等,2022）。

城市河流濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)選取多從河流自然屬性及人類活動(dòng)對(duì)城市河流的壓力方面考慮，但關(guān)于人類積極措施對(duì)城市河流影響涉及不多。PSR模型是一種典型的綜合指標(biāo)方法，能夠清晰地表征外界壓力、系統(tǒng)狀態(tài)和響應(yīng)策略與行動(dòng)三者間的聯(lián)系與相互作用（汪豪等, 2020），在構(gòu)建城市河流濕地多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中引入PSR模型，可篩選出適合研究區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo),這些指標(biāo)將全面反映人類活動(dòng)對(duì)河流濕地健康的正反影響。利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系再結(jié)合熵權(quán)法（陸威妤等, 2023）、組合賦權(quán)法（楊哲等,2018）、物元可拓法（Zhao et al., 2019）等可判斷河流健康水平及預(yù)測(cè)河流健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。

本研究運(yùn)用PSR（壓力-狀態(tài)-響應(yīng)）模型構(gòu)建城市河流濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型進(jìn)行河流濕地健康評(píng)價(jià)，分析蘇州姑蘇區(qū)河流濕地健康影響因素及空間水平，對(duì)河流濕地健康狀況進(jìn)行診斷，為濕地保護(hù)與管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州市姑蘇區(qū)（31°15′25″ — 31°22′51″N，120°31′29″—120°39′03″E），面積8 342 hm2，截止到2022年，姑蘇區(qū)常駐人口92.84萬(wàn)人。姑蘇區(qū)保留了2500年以來(lái)的城市河網(wǎng)肌理，水源來(lái)自于降雨、太湖、陽(yáng)澄湖和大運(yùn)河水的輸入。據(jù)全國(guó)第三次濕地調(diào)查的結(jié)果，姑蘇區(qū)濕地總面積為677.68 hm2，其中，河流濕地面積為557.96 hm2，占濕地總面積的82.33%。姑蘇區(qū)河流以水系為脈絡(luò)、河道為骨架、街巷相依附，其河流水系包含護(hù)城河、干流系統(tǒng)和支流系統(tǒng)三個(gè)級(jí)別，形成“三橫四直”布局，具有典型的城市河流濕地特征（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及河流濕地斑塊分布圖Fig.1 Locationofthe studyareaanddistribution of riverine wetland patches

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

1）遙感數(shù)據(jù)。本研究的主要數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）所提供的蘇州市2022年Landsat8 OLI遙感影像，數(shù)據(jù)分辨率為30 m。研究過(guò)程中NDVI數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家綜合地球觀測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(http://www.chinageoss.org/)，結(jié)合2022年谷歌地圖和實(shí)地調(diào)研，利用ENVI5.3、ArcGIS10.8進(jìn)行監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)。

2）調(diào)研數(shù)據(jù)。2022年8月20日—9月20日對(duì)姑蘇區(qū)濕地現(xiàn)狀開(kāi)展了考察與調(diào)研，包括水體透明度、動(dòng)植物資源、保護(hù)管理狀況和水利工程設(shè)施等。

3）其他數(shù)據(jù)。蘇州統(tǒng)計(jì)局《2022蘇州統(tǒng)計(jì)年鑒》《2022年蘇州市水資源公報(bào)》《2022年蘇州市生態(tài)環(huán)境公報(bào)》《姑蘇區(qū)2022年鑒》等相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2.2 基于PSR模型的評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

1）評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選及體系構(gòu)建。本研究綜合考慮姑蘇區(qū)河流濕地實(shí)際狀況及水文特征，結(jié)合與專家咨詢并考慮指標(biāo)的可獲取性和普適性，構(gòu)建壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)層面共14個(gè)指標(biāo)的城市河流濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)計(jì)算方法Table 1 Evaluation indicator system and indicator calculation method

2）評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定。根據(jù)姑蘇區(qū)河流濕地實(shí)地調(diào)研情況及遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家意見(jiàn)和相關(guān)參考資料，選用層次分析法(AHP)，得到了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各層次的判斷矩陣及各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重（張宇帆等, 2022; 趙衡等, 2020）（表2）。

3）評(píng)價(jià)分級(jí)。本研究結(jié)合國(guó)內(nèi)外河流健康評(píng)價(jià)的研究成果、河湖健康評(píng)價(jià)規(guī)范以及水網(wǎng)地區(qū)河流濕地的實(shí)際情況，將河流濕地健康分為5個(gè)健康等級(jí),即健康、亞健康、中等、亞病態(tài)、病態(tài)（表3）。

表3 姑蘇區(qū)河流濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)數(shù)據(jù)Table 3 Grading criteria and indicator data of river wetland health evaluation indicators in Gusu District

1.2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)法本研究使用模糊綜合評(píng)價(jià)法，將定性和定量要素與影響相結(jié)合以反映評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和影響變量的模糊性；該方法將人的主觀經(jīng)驗(yàn)充分納入審查，提高客觀性并使評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況保持一致性（Chengguang et al., 2015; 汪順生等, 2018）。

通過(guò)模糊算術(shù)運(yùn)算將模糊隸屬度矩陣與指標(biāo)權(quán)重相結(jié)合，得到評(píng)估向量：

式中:wi指的是第i個(gè)(i=1,2,3,…,m)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的權(quán)重；rij指的是i的第j(j=1，2，…,n) 級(jí)模糊隸屬度的表示；bj指的是在評(píng)價(jià)等級(jí)劃分中的隸屬度；m指的是評(píng)價(jià)指標(biāo)總數(shù)；n指的是評(píng)價(jià)等級(jí)數(shù)。

姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況可以用綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（CEL）來(lái)反映。通常使用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在本文中，評(píng)估等級(jí)的數(shù)量為n=5，CEI的計(jì)算公式為：

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估的相關(guān)研究成果（Sk et al.，2023；趙衡等，2022），結(jié)合姑蘇區(qū)河流濕地實(shí)際情況，對(duì)其健康程度進(jìn)行等級(jí)劃分（表4）。

表4 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度分級(jí)Table 4 Grading of wetland ecosystem health

2 結(jié)果與分析

2.1 姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)健康特征

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法來(lái)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，并從中得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度（表5）。通過(guò)多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)的運(yùn)算，最終計(jì)算得出2022年蘇州市姑蘇區(qū)河流濕地的生態(tài)健康綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.653。這一數(shù)據(jù)揭示出該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)為“中等”，接近“亞健康”狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果的真實(shí)性與濕地實(shí)際健康現(xiàn)狀相符。

表5 姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)健康評(píng)價(jià)指數(shù)及等級(jí)隸屬度Table 5 Ecological health evaluation index and rank affiliation of river wetlands in Gusu district

2.1.1 壓力分析姑蘇區(qū)河流濕地壓力層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.625，健康等級(jí)為“中等”等級(jí)。其中，建設(shè)用地占比處于“病態(tài)”等級(jí)，這主要由于城市化進(jìn)程的加快，城市河流濕地受城市建設(shè)干擾，導(dǎo)致生境破碎化加劇，濕地面積喪失。部分區(qū)域在政府或相關(guān)部門(mén)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、投資和管理下，呈現(xiàn)出濕地健康狀況良好，生態(tài)效益可觀。部分河流濕地由于本身的康復(fù)能力無(wú)法立即有效應(yīng)對(duì)和解決這些問(wèn)題，因此，河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況等級(jí)相對(duì)較低。

2.2.2 狀態(tài)分析姑蘇區(qū)河流濕地狀態(tài)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.658，健康等級(jí)為“中等”等級(jí)。水質(zhì)狀況和生物多樣性是評(píng)估河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的兩大主要指標(biāo)，植被多樣性處于“亞病態(tài)”等級(jí)，這主要是由于城市化進(jìn)程使得濕地面積減少，原有的濕地被填埋或者被開(kāi)發(fā)建設(shè)，導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，植被多樣性受到影響。元和塘和平門(mén)塘河處于人類活動(dòng)頻繁的商業(yè)街區(qū)之間，河流兩岸采用硬質(zhì)護(hù)岸，增加了面源污染，在降雨時(shí)易直接沖刷進(jìn)入河道，并且河岸帶缺乏植被覆蓋，使河流整體的健康狀態(tài)較低。

2.2.3 響應(yīng)分析姑蘇區(qū)河流濕地響應(yīng)層綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.663，健康等級(jí)為“中等”等級(jí)。污水處理率和防洪達(dá)標(biāo)率分別處于“健康”與“亞健康”等級(jí)，這主要是由于近年來(lái)姑蘇區(qū)通過(guò)控源截污、河道清淤、自流活水、長(zhǎng)效保潔等工程實(shí)施，改善了河網(wǎng)的水流流動(dòng)速度。姑蘇區(qū)河流濕地受上游水源地太湖、陽(yáng)澄湖等影響，以及該區(qū)域尚未實(shí)施大型或中型的生態(tài)恢復(fù)工程，主要依靠人工干預(yù)以及生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復(fù)能力來(lái)改善當(dāng)前狀況，植被覆蓋率和濕地保護(hù)率恢復(fù)緩慢。

2.2 姑蘇區(qū)河流濕地健康影響因素及空間水平

以姑蘇區(qū)河流濕地為例，河流濕地健康狀態(tài)在城市不同類型功能區(qū)域呈現(xiàn)出顯著的差異性，例如公園綠地、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等。這些不同類型區(qū)域?qū)恿鳚竦氐乃|(zhì)和生態(tài)健康具有明顯的影響。聚焦不同層面的影響因素，壓力層中城市化進(jìn)程、人類活動(dòng)、氣候變化等均是造成河流濕地健康水平差異的因素；狀態(tài)層中水質(zhì)狀況、生物多樣性等是造成不同地區(qū)河流濕地狀態(tài)不同的重要因素；響應(yīng)層中政府和社會(huì)對(duì)河流濕地的保護(hù)和治理措施是影響健康水平的重要因素，也是造成不同地區(qū)政府和社會(huì)對(duì)河流濕地的響應(yīng)程度差異的重要原因。

綜上所述，不同區(qū)域河流濕地健康水平存在較大差異性的原因是不同區(qū)域受到人類活動(dòng)所產(chǎn)生的壓力，狀態(tài)層能更好地直觀表現(xiàn)河流濕地受到壓力的健康狀態(tài)，因此，土地利用類型及人為活動(dòng)干擾是影響城市河流濕地健康狀況的主要因素。

3 討論

河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)涉及的健康評(píng)價(jià)范圍寬泛，評(píng)估指標(biāo)種類眾多，因此，構(gòu)建河流濕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，無(wú)法避免存在大量的主觀因素，各個(gè)區(qū)域和不同類型河流之間的差別也十分明顯。例如，南方和北方的河流，城市河道和天然河流，河流主流和支流之間的差異都很顯著。同時(shí)，河流中的水文資源、生態(tài)環(huán)境、生物以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性也各不同。指標(biāo)的選取作為河流濕地健康評(píng)價(jià)的難點(diǎn)之一，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)诤恿鹘】蹈拍畎l(fā)展的基礎(chǔ)上，采用生物多樣性、水質(zhì)、植被覆蓋率、河流縱向連通性、河岸帶等指標(biāo)用以建立河流生態(tài)健康評(píng)價(jià)體系（Zhao et al., 2019; Sk et al.,2023）。評(píng)價(jià)方法主要分為單因素評(píng)價(jià)和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)，多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)體系可以全面地反映河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況（劉苗苗等, 2019; 陳歆等, 2019；鮑艷磊等, 2021; 張宇帆等, 2022）。本文根據(jù)水網(wǎng)地區(qū)和姑蘇區(qū)河流濕地的特征，并參考相關(guān)學(xué)者選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立基于壓力（P）、狀態(tài)（S）、響應(yīng)（R）模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，這一體系對(duì)于提升城市河流濕地健康評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性具有明顯的效果，且適合應(yīng)用于人類活動(dòng)與自然過(guò)程交互作用下的城市河流濕地。此外，河流濕地不僅需具備河流的生態(tài)功能，還需具備一定的社會(huì)功能。河流在流經(jīng)不同類型區(qū)域所受到的影響導(dǎo)致不同區(qū)域河流濕地健康水平存在較大的差異性。

4 結(jié)論

1)蘇州市姑蘇區(qū)2022年河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)指數(shù)為0.653，河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況處于“中等”等級(jí)，接近“亞健康”狀態(tài)。

2)根據(jù)PSR模型構(gòu)建的姑蘇區(qū)河流濕地健康評(píng)價(jià)體系包含了壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)3個(gè)方面。該評(píng)價(jià)體系選取了人口密度、建設(shè)用地占比、水質(zhì)等級(jí)、植被覆蓋率等共計(jì)14個(gè)指標(biāo)。3個(gè)指標(biāo)層的排序權(quán)重為狀態(tài)層指標(biāo)＞壓力層指標(biāo)＞響應(yīng)層指標(biāo)，說(shuō)明狀態(tài)層指標(biāo)可直觀的表現(xiàn)河流濕地健康狀態(tài)，其狀態(tài)層的綜合健康指數(shù)為0.658。

3)本研究揭示了姑蘇區(qū)河流濕地的健康水平在不同區(qū)域具有顯著差異，這些差異與各河段所處城市流域所承受的壓力有重要的關(guān)系。流經(jīng)建設(shè)強(qiáng)度大、居住區(qū)密集、植被覆蓋率低的河段其健康水平較低；反之，那些周邊建設(shè)強(qiáng)度較低，靠近大城市公園的河段，其濕地健康水平相對(duì)較高。這意味著城市的建設(shè)強(qiáng)度和植被覆蓋率因素對(duì)姑蘇區(qū)河流濕地的健康狀態(tài)具有顯著影響。