濕地可恢復性評價方法及其應用
——以天津濱海新區為例

呂金霞，王文杰，蔣衛國，陳征，荔琢，鄧雅文

1.地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京師范大學地理科學學部 2.環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京師范大學地理科學學部 3.中國環境科學研究院 4.生態環境部土壤與農業農村生態環境監管技術中心

隨著全球范圍內生物多樣性保護意識的增強，針對濕地退化的狀況，世界各國積極開展濕地恢復的理論和實踐研究。可恢復性一詞來源于生態學并逐漸擴展到多個學術領域。生態系統可恢復性于1973年被正式提出，Holling[1]將可恢復性定義為“系統維持能力以及吸收變化和干擾后依然保持種群間或狀態變量間同樣關系的能力的一種度量”。Pimm[2]則認為生態系統可恢復性是指系統受干擾后回到平衡狀態所需的時間。1975年題為“受損生態系統恢復”的會議在美國召開，自此包括濕地恢復的生態系統修復研究逐漸發展和興盛起來。美國國家環境保護局(US EPA)對濕地恢復的研究，主要是在清潔湖泊項目中通過修復濕地對污水進行凈化，為了重現濕地受損前的結構、功能和理化性質等狀態，研究人員采用了生態修復的技術和手段對受損濕地進行修復[3- 4]。

國內對濕地生態系統的恢復與重建的研究開展得較晚。目前濕地修復主要集中在生態修復措施和技術研究，包括濕地基質改造[5- 6]、水文恢復[7- 9]、水環境恢復[10- 11]和濕地生境恢復[12- 14]等方面，而對濕地可恢復性評價研究較少，且缺乏在自然條件下濕地可恢復性的宏觀定量研究。張杰等[15]從水資源的角度，從水的自然和社會循環關系方面提出了水環境的可恢復性原理和方略；陳燕飛等[16]通過評價影響水環境可恢復性的5個驅動因子，構建了濕地可恢復性定量模型，研究了漢江中下游流域河流水環境的可恢復性；歐陽寧雷[17]從流域尺度出發，通過提取濕地生態指標參數，基于濕地最小需水量評價了2008年海河流域濕地可恢復性；胡文秋等[18- 19]從地形、水文、土壤、植被和社會經濟5個方面選擇評價指標，利用Robert濕地恢復潛力估算模型，對黃河三角洲濕地恢復力進行定量評價。已有的濕地區域可恢復研究重點集中在濕地可恢復適宜性和濕地恢復潛力等方面，而鮮見對濕地恢復的難易程度進行評價。筆者探究了自然條件下濕地可恢復性，構建了在濕地受損區和濕地所在區域2個尺度的濕地可恢復性評價方法，并對天津濱海新區濕地可恢復性進行評價和分析，以期為該區濕地修復提供理論支撐。

1 技術路線

濕地可恢復性評價的技術路線如圖1所示。

基于多期土地利用數據和長時間序列Landsat影像，通過土地利用轉移矩陣方法，獲取濕地類型完全轉化為其他土地利用類型的區域，由于該區域濕地性質發生改變，因此定義為濕地喪失區；通過濕地要素反演和趨勢分析方法，獲取濕地內水體、植被和土壤受損區，即濕地要素受損區；利用濕地喪失區和濕地要素受損區的恢復性差異，構建濕地受損區可恢復性評價方法，定量評價受損濕地的可恢復性。此外，為了揭示濕地所在區域的可恢復性，以縣或區尺度為區域范圍，選取地形條件、城鎮化影響和生態重要性指標，利用源- 匯理論和最小累積阻力模型構建濕地所在區域可恢復性方法，定量評價濕地所在區域尺度的可恢復性。從濕地受損區和濕地所在區域2個尺度定量評價濕地可恢復性，通過對比分析不同尺度濕地的可恢復性，以期為濕地修復工作的選址提供基礎。

2 評價方法

2.1 基于受損區的濕地可恢復性評價

濕地受損區的可恢復性評價是利用空間疊置和綜合判別分析方法，基于濕地類型喪失區和濕地要素受損區，通過分析濕地受損程度的差異，獲取濕地可恢復性。基于長時間序列的Landsat影像數據，分別選取水體、植被和土壤濕度來表征濕地，并利用歸一化水體指數(NDWI)[20]、歸一化植被指數(NDVI)[21]和土壤濕度指數(SMMI)[22]分別表示這3個濕地要素。

E=F(NDVI,NDWI,SMMI)

(1)

式中：E為濕地要素受損趨勢；F為表示濕地要素受損趨勢的函數。濕地要素受損趨勢按照受損程度分為顯著退化、顯著改善和不顯著3類。其表達式為：

(2)

式中，f(E)為濕地要素受損程度賦值。根據濕地不同要素的受損趨勢，確定濕地綜合受損趨勢，以此定義濕地恢復的難易程度。濕地要素受損趨勢統計見表1。濕地喪失區由于濕地性質發生不可逆的受損，可恢復性最難。綜合濕地喪失區和濕地要素受損區的可恢復性評價，濕地受損區的可恢復性難易程度分為5級，依次為最難恢復區、較難恢復區、中等恢復區、較易恢復區和最易恢復區。

2.2 基于最小累積阻力模型的區域可恢復性評價

2.2.1源- 匯單元劃分

源- 匯理論是景觀生態學研究中的一項基本理論。陳利頂等[23]基于大氣污染中的源- 匯理論，發展并完善了景觀生態學的基本理論和概念。從源與匯的景觀類型來看，源景觀是指在格局與過程研究中，那些能促進生態過程發展的景觀類型；匯景觀是那些能阻止或延緩生態過程發展的景觀類型。

運用景觀生態學的源- 匯理論將濕地可恢復性生態過程與格局相聯系。濕地在環境較為優良的區域需克服的阻力最小，在環境較為脆弱的區域需克服的阻力最大，在環境較為敏感的區域需克服的阻力介于二者之間。結合濕地分布和開發特征，將濕地保護源分為3個等級(表2)[24]。由表2可知，河流水面和沼澤區域受到人為開發活動有限，整體生態功能最高，可恢復性等級最高；水庫水面和坑塘水面可恢復性等級次之；溝渠、水田等水面受到人為開發的程度較高，可恢復性等級較低。

表2 濕地保護源劃分

2.2.2區域可恢復性評價指標權重

區域可恢復性評價中，區域范圍一般設定為縣或區的尺度。由于可恢復性阻力評價體系具有明顯層次結構，根據影響濕地可恢復性阻力對象之間的相互關系，可構筑基于最小累積阻力模型的區域可恢復性評價層次結構。阻力模型包括濕地所在區域的地形條件、城鎮化影響和生態重要性3個層次10個指標。

根據區域可恢復性評價原理、指標選取原則、評價模型，利用層次分析法，分別確定每個層次中各指標的權重，提出10個指標的等級賦值，建立區域尺度濕地可恢復性評價指標體系[18](表3和圖2)。

表3 區域可恢復性阻力評價指標體系權重及等級賦值

圖2 基于最小累積阻力模型的區域可恢復性指標體系Fig.2 Wetland restorability evaluation system based on minimum cumulative resistance model

為了確定源景觀在經過不同介質克服的阻力，在GIS技術的支持下，通過利用最小累積阻力模型來表達景觀介質對源景觀空間的影響，即景觀阻力面的建立，以此評價區域可恢復性阻力。最小累積阻力模型考慮源景觀、距離和景觀界面特征。

(3)

式中：MCR為區域可恢復性阻力；Dij為從源景觀j到空間某一個景觀單元i的實地距離；Kj為濕地源景觀j的保護優先等級。

最小累積阻力模型實質是對某景觀從源到空間某一點的某一路徑易達性的評估[24]。因此，阻力模型能夠反映景觀單元運動的潛在可能性及趨勢，阻力越大，濕地恢復的難度越大，濕地的可恢復性越小，反之越大。最后按照阻力標準方差分類類別與柵格數目的線性關系，利用其突變過程特征，將區域可恢復性的等級分為3級，包括較易恢復、中恢復和難恢復。利用該模型可以評價濕地恢復過程中的阻力，判斷濕地恢復的難易程度。

3 評價應用

3.1 研究區概況

天津濱海新區位于天津市東部沿海地區、環渤海經濟圈的中心地帶，地處華北平原北部(117°20′E～118°00′E，38°40′N～39°00′N)，屬暖溫帶季風型大陸氣候，一年四季分明。濱海新區總面積為2 270 km2，包括北大港濕地自然保護區、天津市海洋牧場示范區、薊運河營城段蘆葦濕地、天然淤泥灘涂濕地，以及黃港一庫、黃港二庫、北塘水庫等濕地。

本文數據主要采用1984—2015年32景Landsat影像和1980s—2015年7期土地利用數據(數據的空間分辨率為30 m)，以及分別來源于美國地質勘探局(USGS)和中國科學院地理科學與資源研究所劉紀遠團隊的土地利用數據。基于這2種數據分析了濕地要素和類型的受損情況，進而分析受損濕地的可恢復性。

3.2 濕地受損區可恢復性分析

根據濕地受損區的受損類型和濕地要素受損程度[25]，獲取了濕地喪失區的空間分布如圖3所示。

圖3 1980s—2015年天津濱海新區濕地喪失區Fig.3 Loss area of wetland in Tianjin Binhai New Area from 1980s to 2015

按照濕地受損區可恢復性評價方法，通過判別和綜合疊加分析了不同濕地類型可恢復的容易程度，按照可恢復性等級劃分，得到濱海新區濕地受損區可恢復性空間分布，結果如圖4所示。

圖4 基于受損區的天津濱海新區濕地可恢復性評價Fig.4 Restorability evaluation of wetland damaged area in Tianjin Binhai New Area

由圖4可知，在濱海新區面積占比最大的是穩定濕地區，面積為640.30 km2，占比為37.15%；其次是最難恢復區，面積為381.85 km2，占比為22.15%，主要是水田被侵占和城市擴張引起的；較難恢復區面積為348.32 km2，占比為20.21%。最難恢復區和較難恢復區占比合計約42.36%，說明整個區域的可恢復性程度較低。中等恢復區、較易恢復區和最易恢復區面積分別為201.86、109.09和42.26 km2，占比分別為11.71%、6.33%和2.45%。

3.3 濕地所在區域可恢復性分析

利用標準分差的統計學原理，對阻力進行分類，共有8個類別，每類之間間隔1/2方差，如表4所示。 濱海新區濕地恢復阻力的空間格局如圖5所示。由圖5可知，濱海新區濕地恢復阻力的空間格局呈中間小、周圍大的分布特征，區域可恢復性阻力較小，周圍的城市建設用地聚居區域呈現高阻力分布，反映了集中的人口和生產行為對濕地恢復顯著的阻力效應。

表4 最小阻力標準方差分類(12方差間隔)

Table 4 The minimum resistance value standard deviation classification table (1/2 interval size)

表4 最小阻力標準方差分類(12方差間隔)

阻力分類類別方差區間柵格數目∕個0～6711x+2.25s60629

注：x為阻力值平均數；s為標準差。

阻力的標準方差分類類別與柵格數目的關系如圖6所示。由圖6結合圖3可以看出，分類類別2、3呈現突變過程，從類別4開始逐漸趨于穩定。較易恢復區定義為分類類別1、2的區域，區域阻力閾值為2 546，較易恢復區閾值代表濕地核心區的最小阻力，即濕地的最大恢復范圍。同時以標準方差為依據，選取了2種安全水平的恢復區閾值：中等安全水平的恢復區阻力閾值為10 047，分類類別為3、4、5、6；高等安全水平的恢復區阻力閾值為6 297，分類類別為3、4。

在設定的中等和高等安全水平2種情境下，將濱海新區濕地可恢復性等級分為3級，包括較易恢復、中等恢復和難恢復，其基于最小累積阻力模型的濕地可恢復性分區如圖7所示。由圖7可知，中等和高等安全水平下，濱海新區較易恢復區面積均為1 695.65 km2，占比為82.02%；中等安全水平下，中等恢復區和難恢復區面積分別為304.25和67.55 km2，占比分別為14.71%和3.27%；高等安全水平下，中等恢復區和難恢復區面積分別為242.75和129.05 km2，占比分別為11.74%和6.24%。

圖5 基于最小累積阻力模型的天津濱海新區濕地可恢復性阻力Fig.5 Restorability resistance value of wetland in Tianjin Binhai New Area based on minimum cumulative resistance model

圖7 基于最小累積阻力模型的天津濱海新區濕地可恢復性分區Fig.7 Wetland restorability partition in Tianjin Binhai New Area based on minimum cumulative resistance model

圖6 天津濱海新區標準方差分類類別與柵格數目的關系Fig.6 Relationship between standard variance classification categories and number of grids in TianjinBinhai New Area

3.4 2個尺度濕地可恢復性對比

為了分析在受損區尺度和所在區域尺度下，濕地可恢復性大小的相互關系，將受損區可恢復性等級圖與區域可恢復性等級圖進行疊置，得到濱海新區濕地可恢復性對比如圖8所示。由圖8可知，濱海新區受損濕地可恢復性中較易恢復區面積為1 432.39 km2，占比為83.05%。說明區域尺度上，在濕地覆蓋的區域及周邊區域，濕地恢復的難度系數較非濕地區域小，較易恢復。在濕地受損區尺度內，由于濕地類型發生轉換和濕地要素受損導致的濕地區域的消失或受損，濕地可恢復性劃分較細，可以在實際操作中更好地確定濕地修復的位置、順序和方案。

圖8 2個尺度濕地可恢復性對比Fig.8 The comparison chart of wetland restorability

通過2種可恢復性評價方法的比較可知，在區域尺度上，維護濕地面積的穩定是濕地恢復工作的重點，其有利于減少局部區域濕地恢復的難度。在受損區尺度內，可針對濕地喪失區，采取引水調水等修復手段，同時修復濕地水體、植被和土壤濕度要素受損區，也是保證濕地重建、維護濕地功能的根本。因此在今后的濕地修復工作中，做好濕地在不同尺度的評估工作對于濕地修復的設計、管理和維護至關重要，也是濕地修復的重要保障。

4 結語

(1)根據濕地受損區的受損類型和濕地要素受損程度，獲取了天津濱海新區受損濕地可恢復性。濱海新區濕地處于最難和較難恢復區的面積較大，分別為381.85和348.32 km2，總占比達42.36%，且該區域受到城市擴張的影響較大，恢復難度較大。

(2)基于最小累積阻力模型的天津濱海新區濕地可恢復性評價結果表明，在中等和高等安全水平2種情境下，濱海新區濕地較易恢復區面積最大，為1 695.65 km2，占比為82.02%。

濕地可恢復性評價結果表明，在區域尺度上，保持濕地面積的穩定，是濕地可恢復性的根本，也是實現濕地修復的重要保障。同時因地制宜采取生態修復措施，重點修復現有濕地區域的生態環境，實現濕地環境與城市發展的協調統一。