濕地退化風險評估方法及其應用
——以天津市為例

荔琢，蔣衛國*，王文杰，呂金霞，陳征

1.北京師范大學地理科學學部,環境演變與自然災害教育部重點實驗室 2.遙感科學國家重點實驗室，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

濕地是地球上生產力最高的生態系統之一，也是人類生存和發展最重要的環境之一[1]，具有多種獨特的生態功能，如氣候調節、水資源供給等，所以濕地又被稱為“地球之腎”[2- 3]。中國擁有豐富的濕地類型和資源，其面積約占全球濕地總面積的10%[4]。然而，自然氣候的變化、城市化進程的加快及人類活動的加劇，使濕地面積不斷萎縮、功能持續退化，并引發生物多樣性減少、生產力降低等一系列生態環境問題[5- 6]，對區域可持續發展造成較大阻礙[7- 9]。因此，對濕地退化進行研究十分必要且迫切。目前越來越多的研究人員關注到這一問題并開展了一系列的研究。國內外學者多集中于圍繞濕地退化機理[10]、現狀及原因、驅動因素[11]、風險評估[12]、保護與恢復對策[13- 14]等方面。生態風險是指生態系統受到某些生態環境狀況(如化學污染、人類活動造成的潛在危害)、事故或災害的作用(或影響)從而造成損害的可能性[15]。區域生態風險評價是生態風險評價的一個分支，它從區域的角度出發來評估生態系統可能受到的危害程度[16]。目前，已有學者關注濕地的生態風險評估，如付在毅等[17- 18]利用區域生態風險評價的理論和方法分別對遼河三角洲和黃河三角洲的濕地進行風險評價。

天津市濕地面積巨大，類型多樣，資源豐富。近幾十年來，隨著社會經濟的迅速發展，天津市濕地面積減少，結構破碎，尤其是天然濕地面臨著較大威脅[19]。筆者利用區域生態風險評價的理論與方法，建立濕地退化多指標評估體系，對天津市1990—2015年濕地退化風險進行評估，并分析濕地退化面臨的脅迫度變化、濕地內部退化度的變化及濕地退化風險的變化，以期為天津市濕地的科學保護和管理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津市(116°43′E～118°04′E，38°34′N～40°15′N)地處太平洋西岸、華北平原北部，東臨渤海，西靠首都北京，是海上絲綢之路的重要支點、“一帶一路”交匯點、中國北方最大的港口城市。總面積為11 916.85 km2，周長為1 290.81 km，其中海岸線長為153.33 km[26]。天津市是海河五大支流的匯合處和入海口，地勢主要以平原和洼地為主，屬暖溫帶半濕潤季風性氣候，因其獨特的地理位置和地勢特征，區域內形成了大量的濕地資源(圖1)。

圖1 天津市1990—2015年濕地分布Fig.1 Wetland distribution in Tianjin City from 1990 to 2015

1.2 技術路線

利用天津市1990—2015年多時期的土地利用、氣象、社會經濟統計等數據，以區域生態風險理論與方法，結合遙感(RS)和地理信息系統(GIS)技術，從脅迫度和退化度2個角度，構建濕地退化風險評價的指標體系，利用層次分析法賦予權重，對1990—2015年天津市濕地的脅迫度和退化度進行評估，并對濕地退化風險進行分析。評估技術路線如圖2所示。

圖2 濕地退化風險評估技術路線Fig.2 Technology roadmap for wetland degradation risk assessment

1.3 評估方法構建

1.3.1指標體系

選取濕地退化風險評估的指標需要遵循以下原則：1)要具有一定的典型性，盡可能準確地體現濕地退化的本質特征；2)要具有空間差異性，能夠表現出濕地退化風險的空間分布格局；3)必須以科學性為原則，能夠客觀真實反映實際特點和狀況；4)要具有可操作性、可量化性，各指標應是便于收集的，并且能定量或半定量計算；5)要具有系統性，有一定的邏輯關系[20- 22]。

從自然脅迫、人為脅迫、濕地面積、濕地結構和濕地功能方面進行濕地退化風險評估指標的選取，選取指標后，需對指標進行標準化處理，對于正向和逆向指標選取不同的標準化處理方式。

(1)

(2)

式中：Zi為指標標準化后的數值；Xi為指標原始數值；Ximin為指標在研究區內的最小值；Ximax為最大值[23]。

1.3.2權重賦值

濕地退化風險評估是一種多指標多因素的綜合評估，因此合理確定各指標的權重尤為重要。層次分析法(AHP)是根據人的主觀意識判斷，對指標進行定性和定量相結合的評價方法[24]。該方法從決策目標、中間層要素和備選方案3個部分來構建體系，對每一部分的指標進行兩兩比較，選取優先級。AHP方法思路簡潔，易于計算，具有非常強的適用性和靈活性[25]。在天津市濕地退化風險評估中，采用層次分析法進行權重賦值。

1.3.3評估模型

區域生態風險評價包括風險源、生境和影響3個重要的組成部分[16]。在濕地退化風險評估中，生境就是濕地本身；脅迫度即風險源，包括自然脅迫和人為脅迫；退化度即影響，是濕地由于脅迫而退化的表現，包括面積退化、結構退化和功能退化。脅迫度與退化度的計算公式如下：

X=Xz·Wz+Xr·Wr

(3)

T=Tm·Wm+Tj·Wj+Tg·Wg

(4)

式中：X和T分別為脅迫度和退化度；Xz和Xr分別為自然脅迫和人為脅迫；Tm、Tj和Tg分別為面積退化、結構退化和功能退化；W為各指標權重。由此，得出濕地退化風險(R)計算公式[12]：

R=X·T

(5)

2 結果與討論

2.1 總體評估指標及權重

根據天津市濕地的實際情況，考慮到數據的可獲取性，選取了降水量和氣溫作為自然脅迫指標，建設用地面積占比、農田面積占比、人口密度和國內生產總值(GDP)作為人為脅迫指標；濕地結構選取斑塊數量、斑塊密度、破碎度和聚集度4個景觀指數作為評估指標，濕地功能評估從供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4個方面選取了11個指標(表1)。對指標進行賦值，其中天津市降水量、氣溫數據來源于氣象站點，人口密度、GDP數據來源于天津市統計年鑒；建設用地、農田和濕地面積占比由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計算獲得[27]；4個景觀指數通過Fragstats軟件計算而得，11個功能退化指標基于文獻[28]的單位面積生態系統服務價值當量因子，依據天津市糧食面積、產量和價格對價值當量因子進行修正[29]后計算濕地價值量獲得。通過AHP方法計算各層級指標的權重，結果見表1。

表1 天津市濕地退化風險評估指標及權重

注：(-)、(+)分別表示逆向指標和正向指標；括號內數字表示權重。

2.2 濕地的脅迫度評估

1990—2015年天津市濕地的脅迫度評估結果見圖3。由圖3可知，1990—2015年，天津市濕地的脅迫度呈先上升后下降的趨勢，且不同區域的變化也略有不同。濕地的脅迫度平均值從1990年的0.362降到2015年的0.349，其中2000年達到最高(0.371)。從脅迫度的各指標變化來看，25年來，天津市降水量平均減少了39.092 mm，氣溫平均上升了0.083 ℃，使濕地受到一定的自然條件脅迫。但人為方面的脅迫是造成濕地退化的主要原因。從空間分布來看，天津市市轄區的建設用地面積占比更多、人口密度更大、GDP更高，因此濕地面臨的脅迫度高于其他區域，但近年來呈較為明顯的下降趨勢；而寧河區建設用地面積的增加較為緩慢，且人口密度較低，使區域內濕地面臨的脅迫度也低，但近年來卻表現出上升趨勢。其他4個區中，武清區和寶坻區脅迫度較高，靜海區和薊州區脅迫度較低，雖有波動變化，但均呈現下降趨勢。這說明人類活動的增加會對濕地造成一定的威脅，但人類對濕地的管理對降低濕地脅迫度起到重要作用。如2016年天津市正式頒布了首部保護濕地的地方性法規《天津市濕地保護條例》，2017年、2019年分別印發了《天津市濕地保護修復工作實施方案》《天津市加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海工作實施方案》等，進一步加強了濕地的保護；此外，隨著生態環保知識的日益普及，公民對濕地作用的認識逐漸提高，保護意識逐漸增強，也使濕地面臨的脅迫度逐漸降低。

圖3 1990—2015年天津市濕地的脅迫度變化Fig.3 Variation of stress degree of wetland degradation in Tianjin City from 1990 to 2015

2.3 濕地的退化度評估

1990—2015年天津市濕地的退化度變化如表2所示。由表2可知，天津市濕地的退化度整體呈上升的趨勢，從1990年的0.360升到2015年的0.415。武清區、靜海區和寶坻區的濕地退化度較高，其中武清區和靜海區的變化非常小，但寶坻區濕地的退化度有一定的增加；薊州區、天津市市轄區和寧河區濕地的退化度均有增加，后二者退化度雖小，但增加的趨勢更為明顯，尤其是寧河區的濕地退化度從1990年的0.206增至2015年的0.396。從濕地退化度各評估指標變化來看，天津市6個區濕地面積在25年間一直呈下降趨勢：寧河區濕地面積占比從1990年的48.744%降至2015年的18.363%，

表2 1990—2015年天津市濕地的退化度變化

這也是該區域濕地退化度大幅增加的重要原因；寶坻區濕地面積約減少了50%，同時其2015年的斑塊密度和破碎度較1990年分別增長了3倍和7倍，致使其退化度增加較為明顯；天津市市轄區內濕地面積占比高、破碎度低、聚集度高，而且其功能價值也高，因此退化度較低。

2.4 濕地退化的風險評估

1990—2015年天津市濕地的退化風險變化如圖4所示。由圖4可知，整體來看，天津市濕地退化風險呈先下降后上升的趨勢，從1990年的0.129降至2005年的0.117，而后升到2015年的0.142。對比脅迫度與退化度變化發現，濕地的退化度主導了退化風險的變化。天津市6個區中，濕地退化風險較高依次為武清區、寶坻區和靜海區，退化風險平均值分別為0.164、0.142和0.146。前2個區因其脅迫度與退化度比較高才使得風險較高，尤其是寶坻區的濕地退化度有明顯上升趨勢。靜海區是天津市發展較快的區域，其建設用地占比、人口密度等人為脅迫因素對濕地造成的影響較大，因此濕地退化風險較高。天津市市轄區和寧河區濕地退化風險較低，而薊州區一直處于波動狀態。天津市市轄區脅迫度雖高但有下降趨勢，且該區域內濕地面積大、聚集度高，生態系統服務功能價值也高于其他區縣，因此退化風險較低。寧河區和薊州區濕地的脅迫度與退化度均較低，使得退化風險較低，但需要特別關注寧河區濕地退化風險的上升趨勢，并及時采取有效措施加以遏制。

1990—2015年天津市每5年濕地退化風險的變化及1990—2015年整體的變化如表3所示。由表3可知，整體來看，薊州區、武清區和靜海區濕地退化風險降低，寶坻區、寧河區和天津市市轄區風險增加。1995—2000年、2005—2010年是濕地退化風險增加較為明顯的時間段，尤其是2005—2010年增幅非常明顯。薊州區、寶坻區、武清區和靜海區濕地退化風險呈波動變化，而整體來看只有寶坻區的退化風險有所增加。雖然寧河區和天津市市轄區濕地退化風險較低，但是在2000年后出現了風險持續增加的趨勢，尤其是寧河區一直保持著較高的增長率。

圖4 1990—2015年天津市濕地退化風險變化Fig.4 Variation of wetland degradation risk in Tianjin City from 1990 to 2015

表3 1990—2015年天津市濕地退化風險變化率

3 結論

(1)基于土地利用、氣象、社會經濟統計等數據，依據區域生態風險評價方法，從脅迫度和退化度2個方面選取評估指標，構建包含自然脅迫、人為脅迫、濕地面積、濕地結構、濕地功能5個方面22項指標的指標體系，建立綜合脅迫度和退化度的濕地退化風險評估模型，并對天津市1990—2015年濕地的退化風險進行評估和分析。

(2)天津市濕地退化的脅迫度總體變化幅度較小，呈先上升后下降趨勢。降水量的減少、氣溫的上升以及人類活動的影響均對濕地造成一定的危害，但保護措施落地、公民保護意識加強及人工引水修復使濕地面臨的脅迫度逐步減小。

(3)由于脅迫度的持續影響，天津市濕地面積大量減少，結構日益破碎，功能逐漸下降，使25年來天津市濕地退化風險呈現波動上升的趨勢，同時也出現了更為嚴重的情況，即寶坻區、天津市市轄區和寧河區的濕地退化風險雖較低但增長趨勢顯著，而靜海區、薊州區和武清區的退化風險較高，但呈略微下降趨勢。