松花江流域濕地生態系統健康評價

羅遵蘭，趙志平，孫 光，呂鳳春，李俊生，王 偉

（1.中國環境科學研究院，北京100012；2.中國農業大學，北京100083）

濕地是陸地生態系統和水生生態系統相互作用形成的獨特的生態系統，是人類最重要的生存環境和自然界最富生物多樣性的生態景觀之一，與森林、海洋一起并稱為全球三大生態系統類型［1］。濕地生態系統健康是指濕地系統內的物質循環和能量流動未受到損害，關鍵生態組分和有機組織被完整保存，對長期或突發的自然或人為擾動能保持彈性和穩定性，整體功能表現出多樣性、復雜性、活力［2］。目前濕地生態系統健康評價方法主要包括指示物種法和指標體系法，其中指示物種法在國外應用較多，國內的研究在多選用指標體系法［3］。指示物種法通過研究生態系統的關鍵種、特有種或瀕危種的數量及分布對環境的改變具有的響應反映濕地生態系統的健康狀況［4－5］。硅 藻［6］、海 草［7－8］、鳥 類、小 型 哺 乳 動 物、魚類［9］、爬行動物及大型無脊椎動物［10］等被廣泛地作為指示物種來評價濕地生態系統的健康程度。生態系統健康評價指標體系法是采用層次分析法構建生態系統健康指標體系，Costanza提出的生態系統健康指數被廣泛認可［11］。美國環保署提出了用于不同級別及尺度的3層次的濕地健康評價指標及方法［12］。近幾年我國針對河流、湖泊及濱海濕地等開展了生態系統健康評價指標體系研究，張祖陸［13］等根據濕地生態系統特征及功能構建了濕地生態系統健康評價指標。王一涵等［14］結合遙感和地理信息系統技術支持，建立水文地貌特征、景觀特征和人類擾動等評價指標評價洪河國家級自然保護區濕地及其周邊農場濕地的生態健康。濕地生態系統健康各指標分值一般通過專家打分法、模糊評價法［13，15］、綜合指數法［14，16－17］獲取，隨 著 地 理 信 息 系 統 學 科 的 發 展，一些大尺度濕地健康評價逐漸利用遙感數據及GIS空間計算分析方法獲取各指標值，這類研究多是基于“壓力—狀態—響應”（PSR）模型構建的評價指標體系［14，16，18］。

雖然目前已有大量關于濕地生態系統健康的研究，但較少從流域尺度評價區域濕地生態系健康的案例，因此，本文基于“壓力—狀態—響應”模型，采用指標體系法評價了松花江流域濕地生態系統健康水平，為流域濕地生態保護與恢復提供參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區域概況

本研究選定以松花江流域為主，包括黑龍江省、吉林省大部分地區和內蒙古自治區東部地區，總面積為935 600km2，地理坐標為：115°09′—136°00′E，40°82′—54°00′N。研究區地處北溫帶季風氣候區，大陸性氣候特點明顯，冬季寒冷漫長，夏季炎熱多雨，多年平均氣溫5～3℃，多年平均降水量500mm左右，流域三面環山，西部和北部為大興安嶺和小興安嶺。大興安嶺東坡較陡，西坡平緩，小興安嶺山地西側平緩，東側起伏較大，流域東部及南部為完達山脈、老爺嶺、張廣才嶺和長白山脈。長白山主峰白云山海拔高程2 691m，是流域內最高點。東部山地的地形由東向西、由南向北逐漸變緩，流域西南部有一部分丘陵地帶，整個地形向東北方向傾斜。流域人口約8 900萬人。

根據實地踏勘及影像資料解譯，2008年松花江流域濕地面積為98 358km2，占流域總面積的10.51%，其中水田濕地37 406km2，河渠濕地4 638 km2，湖泊濕地8 187km2，水庫坑塘濕地2 010km2，灘地濕地2 721km2，沼澤濕地43 782km2。流域內濕地分布廣，全流域均有分布，湖泊濕地主要分布在流域中西部，水田濕地主要分布在流域東部，灘地沿流域水系分布較為明顯。截至2011年，松花江流域共有內陸濕地自然保護區76個，總面積33 389km2，占濕地總面積的33.95%。

1.2 數據來源

松花江流域土地利用及濕地空間分布矢量數據通過解譯美國陸地衛星Landsat5提供的2008年TM遙感影像獲取，TM遙感影像時間為2008年夏季7，8月份，本研究利用該影像4，3，2波段合成假彩色圖像，從圖上可清晰的看到研究區植被呈鮮紅色，水體呈深藍色；降雨量空間分布數據采用松花江流域內部及周邊氣象站點2008年降水量數據利用Anuspline軟件插值得到，分辨率為1km；國民生產總值（GDP）及常住人口1km空間分布數據是根據地區統計資料，利用人口和GDP空間化方法計算獲取［19－20］；歸一化植被指數（NDVI）和凈初級生產力（NPP）數據來自于美國 MODIS產品；1∶100 000土壤侵蝕強度數據由中國科學院資源環境科學數據中心提供；流域內國家級自然保護區矢量數據根據各自然保護區科考報告及規劃報告，結合實地勘察獲得。

2 濕地生態系統健康評價方法

2.1 濕地生態系統健康評價指標體系

本文基于“壓力—狀態—響應”模型，采用專家決策法，選取2008年松花江流域與濕地生態系統密切相關的年降水量、濕潤指數、人口密度、單位面積GDP、濕地距離道路遠近5項指標作為壓力指標，分別反映了對濕地健康影響的兩個方面，即自然因素及人類活動影響因素。年降雨量及濕潤指數，屬于自然壓力指標，該2項指標與濕地健康呈正相關，其值越高，對濕地健康越有利；而人口密度、單位面積GDP、濕地距離道路遠近3項指標為人類活動影響指標，與濕地健康呈負相關，其值越高，對濕地健康越不利。區域歸一化植被指數（NDVImax）、區域凈初級生產力（NPP）、區域土壤侵蝕強度等3項指標作為狀態指標，前2者反映濕地植被在各因素影響下的生長狀態，與濕地健康呈正相關，后者反映濕地的水土保持功能高低，與濕地健康呈負相關。區域土地利用類型現狀、國家級自然保護區分布現狀2個指標作為響應指標，前者是濕地生態系統對社會經濟發展活動的響應，后者反映了濕地對人類保護措施的響應。采用歸一化法對各指標空間計算值劃分為5級，并分別賦分為5分、4分、3分、2分、1分，各指標權重值分別為0.1，如表1所示。

表1 松花江流域濕地生態系統健康評價指標體系

2.2 指標計算及表征

2.2.1 壓力指標 本文壓力指標包括年降水量、濕潤指數、人口密度、單位面積上國內生產總值（GDP）以及濕地距離道路遠近5項，均利用ArcGIS軟件計算精度為1km的空間分布數據，其中，濕地距離道路遠近利用ARCGIS軟件的空間計算功能按照距離道路1km，2km，3km，4km的緩沖距離，計算不同緩沖距離內土地面積，并繪制其空間分布圖。濕潤指數計算方法如式（1）所示。

式中：P——年降水量；ET0——潛在蒸散量。潛在蒸散（ET0）采用1998年聯合國糧農組織修訂后的Penman－Monteith公式計算。

2.2.2 狀態指標 本文的狀態指標為區域歸一化植被指數（NDVImax）、區域凈初級生產力（NPP）、區域土壤侵蝕強度等3項。區域歸一化植被指數（NDVI－max）是基于2008年美國MODIS 1km柵格數據，采用每個柵格當年區域歸一化植被指數（NDVI）最大值NDVImax表示流域濕地生態系統植被覆蓋特征；區域凈初級生產力（NPP）是采用2008年美國MODIS 1km凈初級生產力值（NPP）柵格數據表征濕地生態系統服務功能特征；區域土壤侵蝕強度采用1∶100 000土壤侵蝕強度空間分布數據表征流域土壤侵蝕強度空間分布狀態。

2.2.3 響應指標 本文的響應指標為土地利用現狀及國家級自然保護區分布2項，其中土地利用現狀數據采用2008年松花江流域Landsat5TM數據為遙感數據源，結合實地樣點勘察及相關專家校正，解譯獲得，國家級自然保護區邊界數據根據各國家級自然保護區統計資料及保護區規劃報告，結合保護區管理相關專家意見繪制。

2.3 濕地生態系統健康評價方法

本研究采用濕地生態系統健康指數表示流域濕地生態系統健康水平，指數采用加權求和法計算，其計算方法如式（2）所示，計算所得生態系統健康指數結果采用專家決策法劃分為5級，每一級的指數范圍及表征的濕地健康水平狀態如表2所示。

式中：H——濕地生態系統健康指數；n——評價指標的個數；Ij——第j種指標的分數；Wj—j種指標的權重，根據專家決策，每項指標均賦分為0.1，如表1所示。

表2 濕地生態系統健康指數標準

3 濕地生態系統健康主要特征

3.1 各評價指標空間分布特征

3.1.1 壓力指標 2008年松花江流域年降水量、濕潤指數、人口密度及單位面積國內生產總值（GDP）、距離道路遠近空間分布格局如附圖2A，B，C，D，E所示。流域東南部年降水量較高，達700mm以上，中部和西部地區年降水量較低，深棕色區域所示，其值在400mm以下，如附圖2A所示。年降雨量越高，濕地健康程度越高。流域東南部及西北部濕潤指數較高，如附圖2B所示，濕潤指數高達20以上，中部及西部濕潤指數較低，部分地區在－40以下，如附圖2B所示，濕潤指數越高，濕地健康狀況越好。人口密度分布及單位面積GDP空間分布基本一致，即中部高，東部較高，西部最低，如圖附2C，D所示，人口密度分布越密集，單位面積GDP值越高，濕地健康程度越低。松花江流域道路修建十分密集，流域內46.73%的地區位于距離道路1km距離的緩沖區內，24.81%的地區位于距離道路1～2km緩沖區內，11.33%的地區位于距離道路2～3km之間的緩沖區內，5.94%的地區位于距離道路3～4km的緩沖區內，11.20%的地區位于距離道路4km以外的緩沖區內，如附圖2E所示，距離道路越近的濕地，其健康程度越低。

3.1.2 狀態指標 2008年松花江流域區域歸一化植被指數最大值（NDVImax）、凈初級生產力（NPP）、土壤侵蝕強度等3項狀態指標空間分布格局如附圖2F，G，H所示。流域NDVImax值大于0.9的區域面積極少，NDVImax值大于0.85的地區分布廣泛，NDVImax值為0.7以下的區域主要分布在西部及中西部地區，如圖2F所示，NDVImax值越高，濕地健康程度越好。流域西南部地區凈初級生產力（NPP）較高，主要大于400g／（cm2·a），極少地區高于500g／（cm2·a）；中部和西部地區NPP較低，在200g／（cm2·a）以下，NPP值越高，濕地健康程度越高。流域土壤侵蝕有水力侵蝕、風力侵蝕及凍融侵蝕三類，其中，水力侵蝕分布廣泛，以微度侵蝕為主，其次為輕度侵蝕；風力侵蝕主要分布在中部及西部，微度及輕度侵蝕為主；凍融侵蝕主要分布在東北部大興安嶺高緯度、高寒地區，微度和輕度侵蝕為主；土壤侵蝕強度越高，濕地健康程度越差。

3.1.3 響應指標 2008年松花江流域土地利用格局及國家級自然保護區分布格局如附I所示。從土地利用格局看，流域中部以旱地為主，西部以草地為主，東北部以水田濕地為主，其余地區主要分布林地，居民地及建設用地沿松花江及第二松花江分布較為密集，居民地及建設用地分布越密集的區域，濕地健康程度越低。流域內國家級自然保護區分散分布，面積約占總面積的6%，其中濕地自然保護區主要分布在流域西部及西南部，南部地區分布較少，自然保護區內部及周邊濕地健康程度較高。

3.2 流域濕地生態系統健康特征

3.2.1 流域濕地生態系統健康現狀 松花江流域濕地總面積為98 358km2，占流域總面積的10.55%，分布廣泛。利用上述“壓力—狀態—響應”模型，計算得出基本單元為1km的濕地生態系統健康評價柵格數據，如表3所示。結果表明，流域內較健康濕地分布最廣，其次是一般病態濕地，第三是健康濕地，第四是疾病水平濕地，第五是很健康濕地。將疾病與一般病態濕地均劃分為病態水平，較健康、健康及很健康水平濕地劃分為健康水平，則松花江流域健康水平濕地有61 593km2，占濕地總面積的62.62%，病態水平濕地面積為36 765km2，占濕地總面積的37.38%，流域濕地整體較健康。

表3 濕地生態系系統健康水平評價結果

3.2.2 流域濕地生態系統健康水平空間分布特征 如圖1所示，流域內很健康濕地主要分布在大興安嶺地區東南部南翁河自然保護區、綽那河自然保護區、多布庫爾濕地自然保護區及雞西市南部興凱湖自然保護區及周邊；健康水平濕地主要分布在東北部三江平原區，佳木斯市及雞西市較為集中，呼倫貝爾盟西部有大面積分布；較健康水平濕地分布廣泛而分散，每個斑塊面積相對較小，但在呼倫貝爾盟東部、大興安嶺地區東部、佳木斯市、雞西市分布較多，此外，齊齊哈爾市、松原市有零星分布；一般病態水平濕地主要分布在齊齊哈爾市、大慶市、哈爾濱市、綏化市及鶴崗市，該區域與濕潤指數水平較低且植被覆蓋水平也較低；疾病水平濕地主要分布在沿松花江干流及第二松花江干流地勢相對平坦、工農業生產相對發達、人口較為集中、降水量較低的地區，如齊齊哈爾市中部、大慶市西部與齊齊哈爾市交界處、興安盟東部、白城市中部、白城市西部與興安盟交界處、綏化市中部、綏化市西南部與哈爾濱市交界區域。

圖1 2008年流域濕地生態系統健康評價空間格局

3.2.3 流域內各行政市（自治州、盟）濕地平均健康程度 如表4所示，流域內66.67%的行政區濕地平均健康程度為較健康，其濕地總面積為71 909km2，占總濕地面積的73.59%，流域內16.67%的行政區濕地平均健康程度為一般病態，濕地總面積為21 975 km2，占總濕地面積的22.49%，流域內16.67%的行政區濕地平均健康程度為健康，濕地總面積為3 829 km2，占總濕地面積的3.92%。

表4 各行政市（自治州、盟）平均濕地生態系統健康水平

4 結論與建議

4.1 主要結論

根據本文基于“壓力—狀態—響應”模型，以專家決策法構建濕地生態系統健康評價指標體系、確定各指標權重，并采用加權求和法計算流域濕地健康指數，繪制流域濕地健康狀況空間格局圖，得出以下結論：

（1）從流域濕地健康程度面積方面看，松花江流域濕地生態系統整體較健康，其中3.32%的濕地處于很健康水平，15.14%的濕地處于健康水平，44.16%的濕地處于較健康水平，32.69%的濕地處于一般病態水平，4.69%的濕地處于疾病水平。

（2）從松花江流域濕地生態系統健康水平空間分布特征看：健康水平最好的地區分布在大興安嶺地區東南部及雞西市南部小部分地區；健康水平最差的地區分布在齊齊哈爾市中部、大慶市西部與齊齊哈爾市交界處、興安盟東部、白城市中部、白城市西部與興安盟交界處、綏化市中部、綏化市西南部與哈爾濱市交界區域。

（3）從松花江流域內各市（自治州、盟）濕地生態系統平均健康水平看，流域內各行政區濕地平均健康程度為較健康。其中，73.59%濕地為較健康水平，22.49%的濕地為一般病態水平，3.92%的濕地為健康水平。

4.2 建 議

本文基于“壓力—狀態—響應”模型，綜合考慮影響濕地健康的自然因素及人為因素，選取降雨量、濕潤指數作為自然壓力指標，選取最能體現人類活動干擾的人口密度、單位面積上GDP及距離道路遠近作為人類活動干擾壓力指標。降雨量、濕潤指數為壓力指標中的正指標，即該兩個指標值越高，越利于濕地生態系統健康，而其余三個指標為負指標，值越低越利于濕地生態系統健康。狀態指標僅選取最能直接反映濕地生長發育狀況及服務功能的三個評價指標，即反映濕地植被生長狀況的NDVImax，反映濕地生產服務功能的初級凈生產力，反映濕地水土保持功能的土壤侵蝕強度。響應指標分別選取國家級自然保護區分布反映人類活動保護管理濕地、促進濕地健康發展，選取土地利用現狀反映人類活動干擾破壞濕地健康狀況，兩個指標在邏輯上與壓力指標的正負指標相呼應。濕地生態系統健康評價指標體系系統、全面、簡明、邏輯清晰，數據可獲取性強，較前人研究有一定進步。此外，本文利用GIS的空間計算功能，繪制了松花江流域濕地健康水平分布格局圖，從空間上直觀的反映了松花江流域濕地健康狀況，研究結果一目了然，為流域開展濕地生態保護與恢復提供了科學支撐。

松花江流域很健康及健康濕地多分布于自然保護區內及周邊，通過空缺分析，發現尚有部分很健康濕地、健康濕地未分布在國家級自然保護區內，因此建議針對很健康及健康濕地開展提升自然保護區級別、擴大自然保護區范圍、新建濕地自然保護區或濕地公園等技術措施保護濕地。一般病態濕地區域濕潤指數及NDVImax值非常低，應采取增加重要濕地用水、植被恢復等措施恢復濕地生態。疾病水平濕地區域濕潤指數較低、人口密度及單位面積GDP高、道路密集、土壤水力侵蝕較重，應通過增加濕地用水、合理規劃人口及經濟發展規模、適當減少人類活動干擾、開展水土保持等措施恢復濕地生態。

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