烏恰縣流域生態系統健康評價與預測分析

葉佳琦 李政海 張靖 鮑雅靜 劉翀 徐媛 崔立新

摘 要：為了方便烏恰縣流域生態環境的管理與規劃，通過生態系統健康評價的PSR模型建立了適合該區域流域生態系統健康評價的指標體系，采用層次分析法確定各項指標值及其權重，并通過灰色預測模型對烏恰縣流域生態系統健康進行預測。綜合評價結果表明：（1）2008—2015年烏恰縣流域生態系統健康狀態總體上在不斷“惡化”，2014年退化至0.176，達到“病態”狀態；（2）根據灰色預測模型，做出該地區未來5 a的流域生態系統健康預測，分別為0.306，0.289，0.273，0.258，0.244，流域生態系統處于不健康狀態，并有向病態發展的趨勢，生態健康面臨的威脅越來越嚴重，急需對該區域流域生態系統進行保護與管理。該研究可為協調區域發展同生態環境之間的關系問題提供依據。

關鍵詞：生態系統健康；評價；流域；烏恰縣

中圖分類號：X826 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.04.017

Ecosystem Health Assessment and Prediction Analysis of Wuqia County Watershed

YE Jiaqi1，2， LI Zhenghai1， ZHANG Jing1， BAOYajing1， LIU Chong1， XU Yuan1， CUI Lixin1

（1. College of Environment and Resources， Dalian University for Nationalities， Dalian， Liaoning 116600， China； 2. College of Ecology and Environment， Inner Mongolia University， Hohhot， Inner Mongolia 010021， China）

Abstract： In order to facilitate the management and planning of the ecological environment in Wuqia County， the index system of ecosystem assessment for the regional watershed was established through the PSR model of ecosystem health assessment， the analytic hierarchy process was used to determine the index value and its weight， and the gray prediction model was used to forecast the ecosystem health of Wuqia County. The comprehensive evaluation results showed that the health status of the ecosystem of Wuqia County from 2008 to 2015 was ‘deteriorating gradually， and it degraded to 0.176 in 2014， reaching the ‘sick state. According to the gray prediction model， the ecological forecast of the basin in near 5 years in the future will decrease to 0.306， 0.289， 0.273， 0.258， 0.244 respectively；the river basin ecosystem will be in an unhealthy state and have a tendency to develop morbidly. The threat will be more and more serious， the regional watershed ecosystem needs for protection and management. The research provided the basis for coordinating the relationship between regional development and ecological environment.

Key words： ecosystem health； assessment； basin； Wuqia County

隨著社會的發展，人類對經濟和物質財富的需求與日俱增，全球生態危機問題日趨嚴重，人類健康與可持續發展的環境基礎受到威脅[1]。如何有效地處理人口、資源、環境與經濟的關系，在資源有限的條件下探索社會、經濟和生態和諧發展的問題，已引起人們的廣泛關注[2]。一般來說，一個健康的生態系統要滿足以下特點：不存在失調癥狀、具較好的自我修復與自我維持能力[3]、對鄰近的生態系統不產生危害、可支持和推動社會經濟發展并能保護人類健康[4-5]。

流域生態系統是一個具有完整結構的“社會—經濟—自然”復合生態系統[6]。常用的流域生態系統健康評價方法有生物監測法[7-9]和指標體系法[10-13]。其中，指標體系法應用最為廣泛[14]，當前的研究多根據不同流域及評價目的建立各自的評價體系[15-17]。如應用“狀態—壓力—響應”（PSR）框架模型，評價紅樹林濕地[18]、濱海濕地[19]、流域[20]等生態系統健康狀況，取得了較好的進展，相關研究多集中在我國的東部沿海地區，對于我國西部地區尤其是民族地區的研究甚少。

烏恰縣隸屬于新疆維吾爾自治區克孜勒蘇柯爾克孜自治州，近年來，受人類活動以及氣候等因素的影響，出現植被覆蓋減少、水土流失嚴重、下游水體污染加劇等眾多生態環境問題。該區流域生態系統的健康與否，將會直接影響烏恰縣自然生態環境的穩定性，并對當地農牧民的生產和生活產生不可估量的影響，迫切需要從流域角度統籌經濟社會發展和生態環境保護工作。為此，筆者采用PSR模型、應用層次分析法確定各評價指標的權重，評估2008—2015年該流域生態系統健康狀況，并應用灰色預測模型對該區的健康變化進行預測，以期為科學協調區域資源開發與環境保護間的關系，促進該流域生態系統健康保持良性發展，維護當地人民安居樂業和長治久安，促進區域“生態文明”提供科學依據。

1 數據和方法

1.1 研究區概況

烏恰縣地處天山南麓與昆侖山的交匯處，坐落于我國最西邊，東部與阿圖什市、疏附縣相連，南部與阿克陶縣相接，西北面與吉爾吉斯斯坦交界[21]。東西全長180 km，南北寬160 km，全縣面積2.2×104 km2，人口6.1萬。境內有克孜勒蘇河和恰克瑪克河兩大水系，地表水流量9.6×108 m3[22]。屬極度干旱的典型大陸性氣候，氣溫日、年變幅大，年平均氣溫0 ℃以下；氣候干燥，降水量少且蒸發量大。土壤以亞高山草原土、灰色森林土、山地栗鈣土、山地棕鈣土為主。

1.2 數據來源與處理

進行流域生態系統健康評價時，既要考慮到流域生態功能，又要考慮其為人類提供不同生態產品或服務的社會與經濟功能[3，14]。考慮到烏恰縣內流域資料的可獲得性，結合指標選取的科學性、系統性、代表性和易操作性原則[23]，從壓力、狀態、響應這3個層次中依次選取了人口密度、耕地面積、NPP、NDVI、綜合彈性值、人均GDP等[24]6個單項指標作為生態系統健康評價指標[25]，建立了健康評價指標體系（表1）。其中，人口密度、耕地面積、人均GDP等數據均采用2006—2015年烏恰縣的統計年鑒。NPP利用MODIS4級標準數據產品MOD17，空間分辨率為250 m，該數據集使用BIOME-BGC模型計算陸地植被凈初級生產力（NPP），具有較高的精度。利用MODISMOD13Q1月最大NDVI產品（分辨率250 m，下載地址：http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html），采用最大值合成法獲得相應年內的最大NDVI；綜合彈性值通過生態系統的恢復力大小來體現，按照不同的土地利用類型對生態系統恢復的貢獻度，依次給出不同的恢復力值。

參評指標數據需要利用極差標準化處理將其轉化成無量綱數據，經過極差轉換后，其值均在0～1之間，將正向和逆向指標均轉換成正向指標，最優值是1，最劣值是0。

1.3 研究方法

層次分析法（AHP）通常被用以生態系統健康的評價[26]，此法通常分成3層，最上邊是目標層，中間的一層是準則層（指標層），最底下則為方案層，由上往下對問題的分解反映了生態系統整體健康的重要性，由下往上明確最低層相對于最高層的重要程度，由此體現出子系統健康的重要層次[27]。指標權重值如表1所示，其中壓力指標為0.305，狀態指標為0.568，響應指標為0.127。

灰色預測是指對系統的行為特征值發展趨勢所進行的預測，它不但可對含有已知信息而且含有未知信息的系統進行推測。徐寧等[28]曾提出一種優化的GM（1，1）模型構建方法。灰色預測使用的灰色建模軟件是由南京航空航天大學灰色系統研究所研究開發的。

2 結果與分析

2.1 烏恰縣生態系統健康狀態評價

根據已知各單因素指標和綜合指標的權重值，計算出烏恰縣流域2008—2015年流域生態系統的健康狀況，結果如表2所示。其中：烏恰縣流域的壓力指標（表中壓力指標全部為負向指標，通過反向歸一化乘以各指標權重后，則表示值越小壓力越大）在2008年為0.305，之后呈逐年降低的趨勢，并且在2014年降為0.050，2015年略有提升至0.077，說明壓力有所減小；狀態指標年際波動幅度比較大，總體呈“降-升-降-升”的趨勢，其最高值出現2008年（0.383），2011年有一個小高峰（0.269），2個波谷分別為2009年和2014年，狀態指標分別為0.055和0.060；響應指標則呈逐年增長的趨勢，從2008年的0.001逐漸漲到2015年的0.127，說明生態系統的響應能力逐年增長。

將該區域生態系統健康的狀態分級，按照分值高低0.8～1.0、0.6～0.8、0.4～0.6、0.2～0.4、0.1～0.2分成5個等級，即一級“很健康”、二級“健康”、三級“亞健康”、四級“不健康”、五級“病態”。從評價結果可以發現（表2），2008—2015年烏恰縣內流域生態系統健康狀態總體上呈階梯狀下降。從2008年的健康狀態，經歷不健康狀態（2009年）、亞健康狀態（2010—2013年），到2014年直接退化至病態，2015年健康的狀況雖有所好轉但仍處于不健康狀態。

2.2 烏恰縣生態系統健康狀態預測

根據2008—2015年烏恰縣流域生態系統的健康情況，對該流域2016—2020年可能出現的生態系統健康狀態進行預測分析（表3）。其中：壓力指標從2016—2020年仍然在逐年降低，預計到2020年達到0.019；預計在2016年狀態指標為0.153，逐漸降低到2020年的0.138；而響應指標繼續呈增長的趨勢，2020年增長為0.222。如果按目前的情況發展下去，此區域的生態系統健康仍將不斷下滑，并最終達到病態狀況，加上日趨頻繁的人為活動的影響，將嚴重阻礙該區生態系統的安全，甚至影響到該區域社會經濟的發展，對該區乃至國家的生態環境安全構成嚴重威脅。

3 結論與建議

本文以PSR為評價模型，結合層次分析法，構建了烏恰縣流域生態系統健康的評價指標體系，反映了該區域內流域生態系統的健康情況。

（1）該縣總體健康狀況較差，長期處于亞健康和不健康狀態，且呈下降趨勢，在2014年達到最小值0.176，呈現病態。

（2）預測顯示該地區生態系統健康面臨的威脅將越來越嚴重，健康狀況會持續惡化。

因此，若想改善該地區的生態健康狀況，必須對該區域流域生態系統進行保護與管理，采取相應的環境保護措施，包括多植樹造林以改善水土流失狀況，對周邊企業加大監控力度，控制排污量以及污水達標排放；加大有關生態環境保護知識的宣傳教育力度，提升該區民眾對流域生態系統的保護意識。

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