山東半島東部濕地生態系統服務評價及比較研究

孔曉霞 李國慶 陳丙寅 史楚 呂婷

（魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺264025）

山東半島東部濕地生態系統服務評價及比較研究

孔曉霞 李國慶 陳丙寅 史楚 呂婷

（魯東大學資源與環境工程學院，山東 煙臺264025）

以山東半島東部的煙臺市和威海市為例，利用層次分析和主成分分析方法對研究區各縣市濕地服務進行評價，采用自然間斷法的方式將各市縣濕地生態系統服務等級進行劃分。結果表明：兩種方法的評價原理和結果雖有差異，但都將煙臺市轄區、威海市轄區劃分為高生態服務地區，將棲霞市和招遠市劃分為低生態服務區。上述兩種方法雖然評價原理不一致，但通過互相驗證，更能真實地反映研究區濕地生態系統服務狀態。

濕地；生態系統服務；AHP層次分析法；主成分分析法

濕地生態系統服務評價對濕地資源的保護和開發具有重大的現實意義。目前，國內外對濕地生態系統服務評價多局限于經濟價值評估（Costanza，1997；陳仲新，2000）。服務價值貨幣化，雖然能夠直觀反映濕地生態系統服務的貢獻大小，但并不能反映不同服務的需求程度與緊迫性和服務對區域發展的支撐作用，從而難以有效指導濕地生態系統管理，也就削弱了濕地生態系統服務評價對濕地保護和管理的理論支持作用（張文娟，2009）。因此，國內部分學者將3S技術與AHP層次分析法及主成分分析方法相結合的方式對森林、城市濕地生態系統的功能進行評價，評價結果客觀地反映了研究區濕地生態系統服務的等級水平，進而提出相應的保護措施。但目前主要集中在南京和北京等地（王妮，2011；苗李莉，2013），而對山東半島東部的研究還鮮見，因此，本文采用層次分析法和主成分分析法分別對山東半島東部地區濕地生態系統服務進行評估及分級。

1 研究區概況和數據來源

1.1 研究區概況

本文研究區位于山東半島東部，在行政區劃上包含煙臺市和威海市。研究區三面環海，東望日韓，西接濰坊，西南與青島毗鄰，北瀕渤海、黃海，與遼東半島對峙，與大連隔海相望，轄屬10個縣級市。位于119°34′～122°42′E，36°16′～38°23′N之間，總面積19 542.95 km2，海岸線曲折，長達1 894.9 km。濕地資源是該區最豐富的自然資源之一，濕地面積占山東省濕地面積的32%，河流占山東省河流面積的60%（山東統計年鑒，2010）。河流絕大多數屬雨源型，河流徑流量年際變化較大，豐枯年相差可達10倍左右，許多河流為季節性或間歇型河流。

1.2 數據源及其處理

1.2.1 數據來源 遙感數據：從 美 國 地 質 調 查（http：// earthexplorer.usgs.gov/）選擇了覆蓋研究區的2010或2011年6-10月 Landsat5-TM、Landsat7-ETM+遙感影像，空間分辨率均為30 m。氣象數據：來源于中國氣象科學數據共享服務網（http：// cdc.cma.gov.cn）；人口、經濟、自然數據：參考2010年和2011年《山東省統計年鑒》及相關統計網站。

1.2.2 數據處理 結合研究區的濕地特點，按照《濕地公約》中的濕地分類系統，將濕地分為自然濕地與人工濕地兩大類型，其中自然濕地分為海域濕地、河口濕地、河流濕地、湖泊濕地；人工濕地分為人工水面（主要指水庫坑塘）、養殖池、鹽田。借助ENVI4.8將影像數據進行波段組合、幾何糾正、密度分割、獨立成分分析等圖像增強處理，利用ArcGIS10.0，對照谷歌地球歷史影像，根據分類系統和解譯標志，解譯提取出2010、2011年的濕地矢量信息，用野外定點調查數據評價并校正解譯結果，分類精度可達87.4%，可滿足研究需要。

2 研究方法與技術路線

2.1 技術路線

在濕地生態系統的服務的評價中，具體評價方法的選擇尤為重要，結合研究區濕地的特點及濕地評價方法的研究成果。本文通過使用層次分析法和主成分法相結合的評價方法分別對山東半島東部濕地生態系統服務進行分析，本文的技術路線圖如圖2所示。

2.2 指標因子的選擇

基于山東省東部地區濕地資源狀況，參照 MA 研究報告Ecosystem and Human Wellbeing： Wetlands and Water Synthesis（Millennium Ecosystem Assessment（MA），2005）中的濕地生態系統服務的分類和性質，并結合國家海洋局 908 專項“海洋生態系統服務及其價值評估”關于海洋生態系統服務分類的結果（陳尚，2007），山東半島東部濕地生態系統服務歸納為供給服務、調節服務、文化服務、支持服務共4大類14 項服務。在該指標體系中把濕地生態服務評價分為3個層次，每一個層次又分別選擇反映其主要特征的要素作為評價指標，建立科學性、動態性、可行性原則指導下的生態服務評價指標體系，如圖3所示。

2.3 濕地生態系統服務的劃分

本文召集相關專家針對山東半島東部地區特有環境下的服務進行劃分，得到山東半島東部地區濕地生態類型與生態服務的對應關系（表1）。

圖1 研究區所在位置

圖 2 技術路線圖

2.4 層次分析法指標體系的構建與排序計算

2.4.1 指標體系的構建 AHP層次分析法能對人的主觀感覺進行客觀描述，對非定量事件做定量分析，其中最關鍵的是以一定的標度把人的主觀感覺數量化，一般要求以Saaty專門設計的1-9的比例標度作為比較的標準，通過構造兩兩比較的判斷矩陣來計算被比較元素的相對權重，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。按照層次分析法，將研究區濕地生態系統服務評價指標體系歸納為如表2所示的3個層次指標結構體系，權重系數的計算過程參見夏萍（2011）。

表 1 山東半島東部地區濕地生態類型與生態服務的對應關系

2.4.2 生態服務排序的計算 本文采用公式（1）計算出山東省東部各縣級區劃濕地生態服務的排序（朱衛紅， 2011）：

其中，I為各縣級區劃濕地生態服務，Wi為第i個指標在指標體系中的權重（各類型濕地所具有的服務權重），Xi為單因子指標的得分（縣級區劃內各類型濕地面積占縣級區劃內濕地總面積的比重），n為濕地服務指標數。

2.5 主成分分析法

主成分分析是把多個指標化為少數幾個綜合指標的統計分析方法。它采取一種數學降維的方法找出幾個綜合因子（主成分）來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關，有利于避免主觀隨意性。利用公式（2）計算各服務的主成分：

Fi代表第i個分量主成分，Ui和Zi分別對應各服務的特征向量與主成分載荷矩陣，n為特征值個數。利用公式（3）計算各分量主成分的加權和，用以確定研究區各縣級行政區劃服務的排序：

上式中n為特征值個數，p為原始數據變量個數，λi為特征值；F為主成分，各參數的計算方法參見（傅湘， 1999）。

2.6 濕地生態服務等級的劃分

在GIS空間分析方法中，常用的等級劃分方法有自然斷點分級法，等間距分級法以及自定義間距分級法等。這些方法各有特點及其適用條件，考慮到自然斷點分級法適用于非均勻的屬性值分級，類內差異最小，類間差異最大（苗李莉等，2013）。同時根據山東半島東部濕地功能綜合評價值的數理統計分析獲取的數學特征，本研究采用自然斷點分級法對山東半島東部濕地功能的綜合評價值進行分級評定。

3 結果與分析

圖3 山東半島東部濕地生態系統服務綜合評價指標

3.1 基于AHP層次法的結果分析

基于AHP層次法的分析，按照2.4的方法，對研究區濕地生態系統服務綜合評價指數進行排序：威海市轄區＞煙臺市轄區＞龍口市＞榮成市＞蓬萊市＞乳山市＞萊州市＞海陽市＞牟平區＞招遠市文登市＞萊陽市＞棲霞市。利用自然間斷法，將濕地生態系統整體的服務水平依次劃分為高、中、低3個等級，劃分結果見表4。研究結果表明：

表2 各指標的系統服務評價指標體系與權重系數

就各市區濕地綜合服務等級而論，威海市轄區、煙臺市轄區、龍口市、榮成市、蓬萊市屬于服務高的地區，乳山市、萊州市、海陽市屬于服務中等的地區；牟平區、招遠市、文登市、萊陽市、棲霞市屬于生態服務低的地區。由公式1可知，這一排名主要受各類型濕地所具有的服務權重和各類型濕地面積占縣級區劃內濕地總面積比重的影響。產生上述結果的主要原因：①由表1可知海域濕地具有最為全面的生態服務，有利于城市生活水平和質量的提高，煙臺市轄區、威海市轄區內海域濕地面積占該行政區內濕地總面積的比重相對于其他各市的大；②由表2可知物種多樣性維持、水質凈化、基因資源提供的權重較高。煙臺及威海市轄區位于經濟發達地區且是政府所在地，交通發達，以高新技術、旅游業為主導產業，對環境要求高，廢水治理及環保措施相對其它縣市會更加到位（耿晶，2010），市政設施較為完善；③上述兩市分布大量自然保護區和以桑溝灣為代表的30余處海灣，物種數量豐富（劉康， 2006），長島國家級自然保護區，保護區位于煙臺市長島縣由長山列島的大小32個島嶼組成，為候鳥遷徙的重要通道和停歇地（隋群， 2014），上述原因共同造成了煙臺及威海市轄區的濕地生態系統服務高；④而以萊陽市、棲霞市為代表的低功能區，或地處山東半島東部的腹部，海域濕地面積較少，平原以農田為主，山地以果園為主，灌溉用水量較大，水產養殖業不發達。或其它類型濕地面積占該行政區濕地面積比重較小，以河流濕地為主，且上述區域交通相對不便，旅游外匯收入較少（張緒良， 2006），造成物種多樣性維持、基因資源提供、水質凈化的變量偏低，最終濕地生態系統服務處于低水平區域。

3.2 基于主成分分析的結果分析

利用2.6所示的方法，得到研究區各縣市主成分分析結果的排序，如表3所示。同時按照自然間斷法對綜合主成分得分進行分級，見表4。

表3 山東東部各縣市濕地生態服務排序結果

表4 不同分析方法下各市的服務等級

濕地生態服務等級高的區域有煙臺市轄區、威海市轄區、牟平區、萊州市、海陽市，濕地生態服務等級低的區域有龍口市、榮成市、蓬萊市等6個市。從公式（2）可以看出，對各縣市濕地生態服務排序產生重大影響的是各服務的特征向量Ui與主成分載荷矩陣Zi，通過筆者的計算發現特征向量Ui的變化相對穩定，而主成分載荷矩陣Zi變化較大，尤其在干擾調節、氣候調節、物種多樣性維持等指標上有較大的載荷，因此如果某區域的生態服務包含更多的上述指標，會使得該區域的生態服務等級排名靠前。

4 結論與討論

4.1 結論

近年來隨著信息技術的發展和應用，逐漸改變完全依靠資源野外調查的方式，結合相關數學分析理論基礎，使濕地生態系統的研究將定性化和定量化發展相結合，為生態環境建設及綜合評價提供了依據。本文分別利用層次分析和主成分分析方法對山東半島東部各縣市濕地服務進行評價，然后采用自然間斷法的方式將各市縣濕地生態系統服務等級進行劃分。上述兩種方法作為典型的主觀與客觀評價方法代表，評價結果具有共性與差異性共存的特點，主要體現在：（1）層次分析法通過專家打分的形式，建立了基于空間的濕地生態服務綜合評價指標體系，各指標意義明確，能夠集中反映山東半島東部這一特定地區的生態服務水平。但由于使用專家打分確定權重，受主觀因素影響明顯。（2）主成分分析法排序結果充分利用原始數據信息，數據直觀計算簡便，不受主觀因素影響。但主成分分析法是一種降維分析法，主成分的解釋及含義具有一定的模糊性，不如原始變量的含義確切，這是變量在降維過程中的弊端（劉臣輝， 2006）。（3）兩種方法的評價原理和結果雖有差異，但都將煙臺市轄區、威海市轄區劃分為高生態服務地區，將棲霞市和招遠市劃分為低生態服務區。這表明上述兩種方法雖然評價原理不一致，但通過互相驗證，更能真實地反映研究區濕地生態系統服務對區域發展的支撐作用。提高了分析效率和準確度，節省了人力與物力。（4）濕地生態系統服務對煙臺和威海市轄區具有更大的支撐作用，在濕地資源典型區選擇、保護規劃與政策的制定時，應重點考慮上述兩個地區。

4.2 討論

本研究中所采用的30 m分辨率的遙感數據，基本能滿足對山東半島東部地區濕地生態系統服務總體狀況作出分析研究的要求，但濕地生態系統服務評價過程還涉及濕地破碎度、季節性變化等相關因素，在進一步研究中可利用更高分辨率遙感數據進行處理分析，功能性指標變量的選擇對評價結果會有重大影響。受數據可獲取性的影響，本研究所選擇的指標變量雖具有代表性（表2），但并不能充分地反映指標層的真實情況，在指標獲取足量的情況下，應進一步提取代表性的指標。計算公式均參照相關文獻研究結果，在實際研究中，應結合評價需求及研究區狀況，因地制宜地選擇合適的評價方法，以便能更真實地反映研究區的現狀，且有助于評價結果更具科學性。每種模型都有其適宜性，且濕地生態系統是一個非常復雜的系統，僅依靠模型或變量不可以完全描述，還需建立和健全濕地生態安全評價方法體系。由于山東半島東部濕地生態系統非常復雜，涉及到自然、社會、經濟等各個方面的內容，今后的研究要從多層次、多角度開展該區域濕地生態系統服務評價及研究。

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Evaluation and Comparative Study of Ecosystem Services of Wetlands in Eastern Part of Shandong Peninsula

KONG Xiao-Xia LI Guo-Qing CHEN Bing-Yin SHI Chu Lü Ting
（School of Resources and Environmental Engineering， Ludong University， Yantai 264025， Shandong ）

Yantai and Weihai located in the eastern part of Shandong Peninsula were taken as an example， AHP method and principal component analysis method were used to evaluate wetland ecosystem services in the study area， and natural discontinuity method was used to grade the wetland ecosystem services. Although the two evaluation methods were different in evaluation principles and results， the two cities of Yantai and Weihai were graded into high value of ecological service， and the cities of Qixia and Zhaoyuan were graded into low value of ecological services. This indicates that though these two methods are not consistent， they can more realistically reflect the status of wetland ecosystem services in the study area by verification with each other.

Wetland； Ecosystem service； Analytic hierarchy process；Principal component analysis

10.3969/j.issn.1673-3290.2016.03.05

2016-05-09

煙臺市科技項目2013ZH094作者簡介：孔曉霞（1994-），女，漢，山西大同人，本科生。主要研究方向為：資源環境遙感。E-mail：kxx0917 @163.com

李國慶（1982-），男，漢，黑龍江巴彥人，講師。主要研究方向為草原生態遙感，濕地環境遙感。E-mail：ligqing@foxmail.com