程海流域陸生生態系統健康評價

譚志衛，董云仙，趙 潤

(云南省環境科學研究院，云南昆明650034;云南省高原湖泊流域污染過程與管理重點實驗室，云南昆明650034)

近年來，生態系統健康成為生態系統管理領域的一個熱點問題［1］，客觀、科學、全面的評價是管理的前提和基礎，其作為資源環境管理的新方法，被眾多的學者重視，逐漸成為生態學研究的一個重要方向［2］。由于人口增加和工農業生產的發展，人類賴以生存的生態環境日益退化，特別是湖泊水域富營養化問題，已嚴重影響并威脅到社會經濟和人類健康［3］。對湖泊生態系統進行研究，建立湖泊生態系統健康評價體系和指標閾值，不但可以為我國湖泊環境綜合治理提供可操作的依據，而且還有利于湖泊生態系統的可持續性管理和合理利用，實現生態、社會、經濟三方面效益的協調。

1 研究區概況

程海湖又名黑伍海，位于永勝縣中部，屬永勝縣程海鎮管轄。流域面積318.3km2，其中陸地面積 243.2km2，水域面積 75.8km2。湖南北長19.15km，東西最大寬度5.2km，平均寬度4.3km，湖岸線長45.1km，蓄水量19.8億m3，平均水深25.7m，最大水深35.1m。湖泊地處滇西北高原與云貴高原的銜接部位，世界自然遺產“三江并流”金沙江中段，屬中亞熱帶高原季風氣候，主要盛行南風，年平均氣溫19.1℃，最冷月平均氣溫8～11℃。

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

程海流域 1∶25萬數字高程模型 (DEM);1989年、2000年、2012年程海流域土地利用狀況，其數據從這三期TM影像解譯獲取，數據格式為ArcGIS的Shp文件;1989年、2000年、2012年程海鎮統計年鑒及經濟年鑒。

用ArcGIS軟件將Shp格式的程海流域土地利用/覆蓋圖處理成Coverage格式，并利用景觀格局分析軟件Fragstas3.3計算出3個時段的各類景觀結構指數并進行分析。

2.2 評價方法

二十多年來，程海流域隨著社會經濟的發展及各種自然、地域、水資源利用等因素的影響，流域的土地利用發生了較大變化，從而使得流域的景觀格局發生變化，這必然影響到了區域的生態系統健康。人類活動對生態系統的健康也尤為重要，人類活動會威脅生態系統健康，導致生態系統結構發生變化，從而影響生態系統的服務功能。因此，本次評估采用系統本身的生態指標和區域的社會、經濟、人類活動等方面的指標進行評價。生態學指標與經濟學指標相結合使指標系統更為全面，評價結果更可靠。

2.3 生態系統評價指標體系

在綜合考慮了國內外有關流域生態系統健康評價指標體系的基礎上，以景觀生態學、生態系統健康理論為基礎，結合程海流域當地的實際情況，從流域景觀格局、自然生態系統和人類活動干擾3個方面，共選取了10項指標來評價，如圖1。

(1)多樣性指數

景觀多樣性指數是借用生物多樣性提出的用來描述和評價景觀異質性水平的一個概念，有多種不同的測度指標。本次評估采用Shannon－Weaner指數。

式中:H是景觀多樣性指數，APi是第i類景觀要素面積占景觀總面積的比例，M指景觀要素類型個數。各類景觀要素面積相等時的景觀多樣性指數最大，用Hmax表示:

(2)景觀均勻度指數

景觀均勻度指數指實際多樣性和最大多樣性之比，是景觀多樣性的相對值。其計算公式為:

景觀多樣性可以定量地描述為景觀中景觀要素斑塊的不確定性，可以反映景觀異質性和景觀中不同景觀類型分布的均勻化和復雜程度。由其計算公式可見，影響景觀多樣性指數大小的因素一是景觀中景觀要素類型的數量，這決定研究對象的生態學尺度和空間分辨率;二是各景觀要素類型間的面積分配關系。

(3)斑塊密度指數

斑塊密度包括景觀斑塊密度和景觀要素斑塊密度。景觀斑塊密度是指景觀中所有異質性景觀要素中斑塊的單位面積斑塊數;景觀要素斑塊面積則是指景觀要素中某類景觀要素的單位面積斑塊數。斑塊密度反映景觀的破碎化程度與景觀空間異質性程度。斑塊密度越大，破碎化程度越大，空間異質性程度也愈大，反之亦然。

式中:PD為景觀斑塊密度;m為景觀要素類型總數;A為研究地區景觀總面積。

(4)土壤墾殖指數

土壤墾殖指數即耕地面積占區域總面積的百分比，表示土地持續提供人類生存資源的能力。該指數越大，土地的利用潛力越弱，可開發余地越小。

(5)土壤侵蝕指數

土壤侵蝕指數指輕度以上侵蝕面積占區域總面積的百分比。該指數越大，說明被破壞的土地面積越大，土地保水保肥能力差。

(6)森林覆蓋率

森林覆蓋率指林地占區域總面積的百分比。

3 綜合參數評價模型

為了避免人為主觀判斷的片面性，本評估選用客觀賦權法來進行評價。客觀賦權法中的熵值法是在客觀條件下，由評估指標值構成的判斷矩陣來確定指標權重的一種方法，它能盡量消除各因素權重的主觀性，使評估結果更符合實際。

在信息論中，熵是無系統無序程度的度量，它還可以度量數據所提供的有效信息。信息熵越小，系統無序度越小，信息的效用值越大;信息熵越大，系統無序度越高，其信息的效用值越小。其計算步驟如下:

(1)構建n個樣本m個評估指標的判斷矩陣。

(2)將判斷矩陣歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B。

在實際決策中，評估指標通常分為越大越優型和越小越優型兩類，各類指標對優的相對隸屬度計算公式分別如下:

越大越優型:

越小越優型:

式中:xmax，xmin—同指標下不同樣本中最滿意或最不滿意者 (越小越滿意或越大越滿意)。

根據式①和式②可將評估指標特征值矩陣轉換為其對優的相對隸屬度矩陣:

R=rij

式中:rij—方案j指標i的特征值對優的相對隸屬度。

(3)根據熵的定義，對于n個樣本m個評估指標，可確定評估指標的熵為:

式中:0≤Hi≤1，為使LNfij有意義，假定fij=0，fijLNfij=0，i=1，2，3……m，j=1，2，3……n。

(4)利用熵值計算評估指數的熵權:

(5)生態系統健康綜合指數:

式中:EHCI—生態系統健康綜合指數，其值在0與1之間;

Wi—評估指標在綜合評估指標體系中的權重值，其值在0與1之間;

Ii—評估指標的歸一化值，其值在0與1之間。

4 生態系統健康等級劃分

本研究參考了國內外相關研究的有關標準，結合程海流域的實際情況，提出生態系統健康評估標準，把生態系統健康狀態分為5個等級，取值范圍分別為很健康 (80～100)、健康 (60～80)、亞健康 (40～60)、不健康 (20～40)、病態 (0～20)。各級具體含義見表1。

5 結果與分析

本評估選取1989年、2000年、2012年的結合度指數、多樣性指數、均勻度指數、斑塊密度指數、人口密度、人均GDP、城鎮化水平、土壤墾殖水平、土壤侵蝕指數、森林覆蓋率10個指標進行客觀評估。結合度指數、多樣性指數、均勻度指數、斑塊密度指數采用景觀生態學的方法，在Arcview3.3和Fragstat3.3的結合下完成了研究區景觀格局的分析，得出相關指數值。人口密度、人均GDP、城鎮化水平、土壤墾殖水平、土壤侵蝕指數、森林覆蓋率參考研究年年鑒及土地利用現狀數據得出。各指標具體數值見表2。

表1 綜合生態系統健康等級劃分

表2 程海陸生生態系統健康綜合評估指標體系

(1)首先構建程海陸生生態系統健康評估3個樣本9個指標的判斷矩陣R:

(2)對判斷矩陣R進行歸一化處理，得到歸一化判斷矩陣B:

(3)根據熵的定義，可確定評估指標的熵:

(4)計算評估指標的熵權:

(5)計算程海陸生生態系統健康綜合指數

將表3評估指標的歸一化值及熵權代入式⑤，可得程海陸生生態系統的健康綜合指數，見表4。

表3 程海陸生生態系統健康綜合評估指標歸一化值

表4 程海陸生生態系統健康綜合指數

表5 程海陸生生態系統健康評估結果

從評價結果可以看出，1989年、2000年、2012年的陸生生態系統健康狀態都為不健康狀態。陸生生態系統景觀被破壞，系統結構出現缺陷，活力較低，外界壓力大，不能滿足生態系統功能正常發揮的需要。究其原因，主要是由于一直以來程海流域森林覆蓋率偏低，遠低于云南省森林覆蓋率(52.93%)的平均水平;另一方面，程海流域位于金沙江干熱河谷地帶，屬中亞熱帶高原季風氣候，全年受熱帶大陸性氣團和海洋東南季風影響，降雨不豐富，加上當地的成母質主要為玄武巖、石灰巖風化土，雨熱條件和土壤結構造成了程海流域植被類型少。流域主要喬木植被為云南松林和華山松林，而廣泛分布的是灌草叢和中山濕性常綠櫟類灌叢，樹種結構不合理，群落結構簡單，生物多樣性降低，保水保土能力差，不利于生態系統的良好發展;第三，程海流域長期以來社會經濟發展以傳統農業為主，由于當地水利設施不健全，降雨偏少，使靠天吃飯成為當地主要的生產方式，粗放的生產生活方式給生態環境帶來了人為壓力和脅迫;第四，從土地利用景觀格局動態變化來看，20年來，在政府針對林業“宜封則封，宜造則造，封山育林與人工造林相結合”的強有力政策下，森林覆蓋率有所提高，同時區域內的景觀結合度越來越好，有利于生物物質的交流，但是總體水平不高，影響整個生態系統物質和能量的交流。雖然程海流域三個時段的生態系統健康狀態都為不健康，但是2012年的健康指數比2000年和1989年都高，說明生態系統健康狀態有所改善，森林覆蓋率的提高、水土流失面積的減少對其也起到了印證作用。

6 措施建議

(1)繼續實施“宜封則封，宜造則造，封山育林與人工造林相結合”的政策，加快林分改造，增強水源林的“清水產流”功能。封山育林簡單易行，經濟省事，可為鄉土樹種創造適宜的生境，促使林木生長，進而演替為地帶性植被——中山濕性常綠闊葉林。通過封山育林、自然演替和林分改造提高演替速率。

(2)加強對土地使用方式的管理，保護生態用地資源。保護耕地資源的數量穩定，嚴守“耕地紅線”。提高土地集約利用水平，避免對生態保護用地和耕地的侵占。

(3)優化產業結構，“一調二控三促”。調整第一產業的產業結構，改變傳統農業的生產方式，發展生態農業和有機農業，加大農業面源污染治理力度。控制“螺旋藻”養殖業的發展速度，并且加強“螺旋藻”養殖業污染的治理。促進第三產業的發展。

(4)加強水土流失治理。加強程海流域境內小流域治理力度，減少水土流失。

7 結語

本文由于資料有限，僅對三個時段進行了健康評價，在今后的理論研究和實踐中應補充其它時間序列。

［1］羅躍初，周忠軒，孫軼，等．流域生態系統健康評價方法［J］．生態學報，2003，23(8):1066－1075．

［2］方慶，董增川，劉晨，等．基于景觀格局的區域生態系統健康評價—以灤河流域行政區為例［J］．南水北調與水利科技，2012，10(6):37－41．

［3］濮培民．健康水生態系統的退化及其修復—理論、技術及應用 ［J］．湖泊科學，2001，13(3):193－203．