基于模糊物元的三江平原沼澤濕地生態彈性度空間分析

孫意菲，孫意翔

(1.黑龍江省慶達水利水電工程有限公司，哈爾濱150080，2.河海大學水利水電學院，南京210098)

0 引言

生態彈性度是指生態在自然和人為干擾下表現出的響應，用來反映生態穩定性與生態環境問題的可能性大小。在自然狀況下，各種生態過程維持著一種相對穩定的耦合關系，保證著生態系統的相對穩定，而當外界干擾超過一定限度時，這種耦合關系將被打破，適度干擾可增加其異質性;而嚴重干擾往往使異質性迅速降低。所以，生態彈性度評價實質上是對現狀自然環境背景下潛在的生態穩定進行明確的辨識，并將其落實到具體的空間區域，而目前將濕地作為研究對象的生態彈性度并不多見。

三江平原是國家重要的商量糧基地，大面積開荒、墾建脫節、重用輕養，使人類活動對其自然環境的干擾強度日益增大，導致生態環境的退化［1］。因此，開展濕地生態彈性度的評價是非常必要的。本文根據國內外已有研究成果及三江平原濕地的調研數據，嘗試利用模糊物元方法對其進行評價，并在GIS支持下，與其分析屬性功能結合，對濕地生態彈性度進行區劃，研究生態穩定性的分布規律及其地域差異，以期為流域生態環境建設和保護規劃方案的制定提供依據。

1 研究區概況

三江平原位于黑龍江省東北部，其范圍東起烏蘇里江、西接湯旺河及牡丹江分水嶺，南至大興凱湖及綏芬河分水嶺，北界黑龍江，包括黑龍江、松花江與烏蘇里江匯流的三角地帶以及倭肯河與穆棱河流域和興凱湖平原。南北長500 km，東西寬430 km，全區總控制面積10.88 km2，其中山區面積為3.74萬km2，占總面積的 34.4%;丘陵面積為0.94萬km2，占總面積的8.6%;平原面積為6.2萬km2，占總面積的57%。該區西南高東北低，除西部和西南部邊界的小興安嶺、老爺嶺、張廣才嶺和橫亙中部的完達山為森林覆蓋的山區外，廣闊的沖積低平原和河流形成的階地、河漫灘上廣泛發育著沼澤和沼澤化草甸區。

三江平原現有河流、湖泊、庫塘、沼澤和沼澤化草甸類型濕地，總面積為151.78萬hm2，占三江平原地區的總面積的13.95%，其中可劃分為蘿北地區、同撫地區、撓力河地區、安邦河地區、倭肯河地區、穆棱河地區見圖1。

2 研究方法

2.1 模糊物元

2.1.1 模糊物元和復合模糊物元［2－3］

給定事物的名稱N，它關于特征c的量值為v，以有序三元R=(N，c，v)組作為描述事物的基本元，簡稱物元。事物名稱N，特征c和量值v稱為物元的三要素。如果其中量值具有模糊性，便稱為模糊物元。如果事物N有n個特征c1，c2，···，cn和相應的模糊量值 v1，v2，···，vn，稱 R 為n 維模糊物元，簡記為 R=(N，C，V)。

圖1 三江平原濕地劃分區

如果m個事物的n維物元組合在一起，便構成m個事物n維復合物元，記作Rmn。若將式(1)的量值改為模糊物元量值，稱為m個事物n維復合模糊物元，記作R－mn，見式(2)。

式中:Rmn為m個事物n維復合物元;R－mn為m個事物n維復合模糊物元;Mi為第 i個事物，i=1，2，···m;ck為第 k項特征，k=1，2，···n;Xik為 第i個事物第k項特征對應的量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;uik為 第 i個事物第 k項特征對應的模糊量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n 。

本文采用從優隸屬度原則對uik進行標準化，即采用以下指標:

越大越優型:

越小越優型:

式中:uik為第i個事物第k項特征對應的模糊量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;Xik為第 i個事物第 k項特征對應的量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;maxXik、minXik各事物中每一項特征所有量值Xik中的最大值和最小值。

2.1.2 標準模糊物元與差平方復合模糊物元

由式(2)可以構成標準方案的n維模糊物元R0n，其中各項由R－mn中各方案從優隸屬度中的最大值或最小值確定，則得到

若以Δji(i=1，2，…，n;j=1，2，… ，m)表示標準模糊物元R0n與復合模糊物元R－mn中各項差的平方，則組成差平方復合模糊物元RΔ，即

其中Δji=(u0i－uji)2，i=1，2，…，n;j=1，2，…，m。

2.1.3 權重的確定

本文采用熵權系數法來確定各評價指標間的相對重要性次序，從而得到各評價指標的權重，具體方法如下:

(1)計算第i個評價指標下第j個待評價監測點評價指標特征值比重:

(2)計算第i個評價指標的熵:

(3)計算第i個評價指標的權重:

2.1.4 歐氏貼近度

由于本文具有綜合評價的意義，采用M(·，+)算法，即先乘后加運算歐氏貼近度ρHj，則

式中:ρHj為第n個方案與標準方案之間的相互接近程度，其值越大，表示兩者越接近;反之，則相差越大。然后以此來構造歐氏貼近度復合模糊物元RρH，則

歐氏貼近度是表示各方案與標準方案(最優方案)之間的貼近程度，可以根據歐氏貼近度的大小對各方案進行優劣排序，并可進行分類。

2.2 評價模型與GIS的集成

傳統的評價方法，通常考慮的是時間因素，主要從時間上、區域經濟發展的歷史、現狀出發來預測、規劃及確定經濟的未來發展方向，主要有時間序列分析法、數量經濟分析法、線性規劃及一些經濟統計分析模型等。事實上，在經濟增長及發展過程中，人類和自然活動的空間布局變化總是和時間演變過程交織在一起，區域間差異不可避免地存在。專家已逐漸意識到在評價與決策中，必須考慮區域評價差異的空間特征［4］。GIS提供了一種更好的理解各規劃區之間的相互作用，使得區域規劃的實施得到更好保證。借助GIS技術分析生態問題可解決:圖解各種環境要素位置;確定環境要素空間變化趨勢;匹配滿足環境要素經濟布局條件或要求場所;分析及可視化環境要素空間變化模式;模擬環境要素空間變化;制定適合優化環境的經濟發展規劃［5］。

將GIS與評價模型實現集成主要包括以下一些工作［6］:①將來自于GIS的空間數據和屬性數據用于模型的參數估計、率定及模型的檢驗;②以GIS為主要技術平臺，實現模擬結果的可視化;③采用GIS技術來定義表達模型研究的區域單元。本研究是在ArcGIS軟件環境下，針對濕地生態問題選擇若干影響因子，轉換為單因子柵格數據GRID。通過綜合各影響因子進行評價，采用Spatial Analyst模塊地圖代數分析功能得出各生態穩定的彈性度分布圖。

3 濕地生態彈性度評價

利用上述模糊物元評價模型，模型參數包括年平均降水量、天然植被面積、調蓄洪水、濕地面積占本地區百分比、地表徑流、地下水(可開采量)等影響因素，結合GIS對三江平原濕地生態彈性度進行評價，以檢驗本文所建模型的實用性。表1中給出了濕地生態彈性度評價中各地區及各要素包括的評價指標。

根據前述的評價方法，按照各地區情況選用年平均降水量、天然植被面積、調蓄洪水、濕地面積占本地區百分比、地表徑流、地下水(可開采量)的評價指標的樣本構造復合物元;分別計算出各地區的從優隸屬度，指標按越大越優計算;利用各評價樣本模糊物元與標準樣本模糊物元指標之間差的平方確定差平方復合物元，這里取最大值組成標準樣本模糊物元;再利用熵權法確定指標的權重值(表2);根據公式2－10得出歐式貼近度(表3)，確定濕地生態穩定度;最后通過GIS技術顯示評價結果空間特征(圖2)。

表1 三江平原生態彈性度定量性數據

表2 指標權重值

表3 三江平原濕地生態穩定度評價結果

圖2 濕地生態穩定分級圖

4 結果分析

從表3計算結果可以看出，同撫地區的生態彈性度為最大，說明該地區生態系統穩定程度較高、植被情況良好，沼澤濕地保護措施得當。生態系統在抵御外界干擾能力和自我恢復能力還是比較強的，基本上處于穩定狀態，但是對于安邦河和倭肯河兩個地區，彈性度比較低，處于較穩定狀態，但已接近不穩定狀態，尤其是安邦河地區生態彈性度只有0.387856，說明如果再對該地區進行開發，那么生態系統將遭到進一步破壞，其后果將不堪設想，應該引起足夠重視。

5 結論

1)本文從生態彈性度的概念出發，論述生態穩定性及評價方法，提出了模糊物元評價模型在生態彈性度評價中的應用，并對其方法進行介紹。

2)評價結果得出:同撫地區的生態彈性度為最大，說明該地區生態系統穩定程度較高、植被情況良好，沼澤濕地保護措施得當。安邦河地區生態彈性度最低，說明如果再對該地區進行開發，那么生態系統將遭到進一步破壞，其后果將不堪設想，應該引起足夠重視。

3)本文通過GIS對空間信息表達，能夠發現區域生態不穩定的規律，更直觀的體現區域間生態穩定的空間變化特征，可以作為模型應用中分析理論的基礎。

［1］李偉業.三江平原沼澤濕地生態承載力與可持續調控模式研究［D］.哈爾濱:東北農業大學碩士論文，2007.

［2］蔡文.物元模型及其應用［M］.北京:科學技術文獻出版社，1994.

［3］張斌，雍歧東，肖芳淳.模糊物元分析［M］.北京:石油工業出版社，1997.

［4］第寶鋒，楊忠，艾南山等.基于RS與GIS的金沙江干熱河谷區退化生態系統評價——以云南省元謀縣為例［J］.地理科學，2005，25(4):484 －489.

［5］DrummondW J.GIS as a visualization tool for economic development［J］.Comput，Environ and Urban Systems，1993，17(5):469－479.

［6］侯英姿，陳曉玲，王方雄.基于GIS的水環境價值模糊綜合評價研究［J］.地理科學，2008，28(1):89－93.