基于PSR模型的三門峽庫區濕地生態系統健康評價

趙 衡，閆 旭，王富強,2,3，康萍萍

(1.華北水利水電大學水資源學院，河南 鄭州 450046；2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南 鄭州 450046；3.河南省水環境模擬與治理重點實驗室，河南 鄭州 450046)

濕地是珍貴的自然資源，也是重要的生態系統，具有不可替代的功能和地位，不僅維持了地球的生命支持體系，還是人類生存必需的環境條件。21世紀以來，我國開始實行最嚴格的濕地保護制度，全面提升濕地管理與利用水平，使濕地生態系統的完整性和穩定性得到增強。然而，濕地是一個龐大且復雜的生態系統，任何生態因子的變化都可能影響其健康狀況，這為濕地生態系統健康評估和濕地生態保護等工作帶來了困難[1-2]。

生態系統健康是指生態系統沒有病患反應，穩定且可持續發展，在外界脅迫下容易恢復[3]。這一概念引入濕地研究領域不僅為濕地生態系統健康研究提供了理論基礎，也為濕地生態系統健康評價指標體系的建立提供了科學依據[4-5]。經過多年的研究與發展，生態系統健康評價作為一種綜合性評價方法在濕地領域中被廣泛應用。通過對濕地生態系統的健康評價，可以綜合反映濕地生態系統總體特征和健康狀況，同時通過對評價結果的分析判斷，可以有針對性地提出濕地保護措施和管理建議，從而促進濕地生態系統能夠健康發展[6]。

國外對濕地生態系統健康評價的研究開始較早，建立的評價體系也比較完善。Costanza等[7]最早提出了生態系統的活力、恢復力和結構多樣性是評價生態系統健康與否的重要指標，根據這些指標建立的生態系統健康指數也被廣泛認可和采納。此后，各國對濕地生態系統健康評價體系的構建開始了深入探索。國內相關研究起步較晚，早期的濕地生態系統健康評價較為片面，僅針對濕地某一項生態功能或濕地生態系統某一方面進行評價，主要集中在對沼澤、海岸帶和灘涂資源的調查和開發利用方面[8-9]。隨著對濕地生態系統結構和功能了解的不斷深入，濕地生態系統健康評價的研究內容也更加豐富，采用了多樣化的評價方法，建立了更完善的評價體系[10]。如蔣衛國等[11]將GIS技術、PSR模型(壓力-狀態-響應模型)和遙感技術相結合，對遼河三角洲的盤錦濕地生態系統健康狀況進行了評價；趙臻彥等[12]建立了一套適用于湖泊濕地的量化評價體系，定量評價了意大利西西里湖泊群的生態系統健康狀況；王治良等[13]應用PSR模型構建評價指標體系，采用層次分析法評價了洪澤湖濕地生態系統健康狀況。我國關于濕地生態系統健康評價的研究已全面展開，涉及的研究領域也更加廣泛，但對具備濕地類型多樣、生態結構復雜、存在人類活動和工程設施共同影響等特點的區域尚未開展濕地生態系統健康評價研究。

長期以來，由于對三門峽庫區濕地生態系統功能和價值缺乏充分認識，自然因素和人類活動的影響導致其健康狀況下降明顯。目前，關于庫區濕地的研究主要集中在水資源的開發利用、自然資源的調查統計、景觀格局的演變分析等方面，缺少對濕地生態系統的整體研究。本文以PSR模型為研究框架，構建濕地生態系統健康評價指標體系，對2017年三門峽庫區濕地生態系統健康狀況進行評價，旨在為庫區濕地保護和管理提供科學依據。

1 研究區概況與數據

三門峽庫區濕地(潼關—三門峽段)位于黃河中游，是在黃河中游特殊的水沙條件和三門峽水利樞紐不同運行水位共同作用下形成的獨特生態系統。三門峽庫區濕地物種豐富多樣，資源種類繁多，在調節氣候、調蓄洪水、資源生產等方面發揮著重要作用，是整個黃河中游濕地群的重要組成部分，因其獨特的地理環境和重要的生態功能而聞名(圖1)。在三門峽水利工程的多年運用中，形成了穩定的濕地生態系統，具有河流濕地、灘地濕地、湖泊濕地及沼澤濕地等多種濕地類型，成了許多珍稀水禽、名貴鳥獸的越冬地和棲息地。

圖1 三門峽庫區濕地示意圖

研究采用的數據包括遙感數據、實地生態調查數據和相關統計數據。

a. 遙感數據。采用2017年3月、5月、8月、11月(與實地生態調查時間相同)共4期Landset-8地球資源遙感影像，空間分辨率為30 m。對遙感影像進行裁剪、輻射定標、大氣校正、圖像增強等預處理后，利用ENVI和ArcGIS軟件進行人機交互解譯獲取研究區濕地類型分布、各類型濕地面積及水面面積等數據信息。

b. 調查數據。分別在2017年3月、5月、8月、11月(因水利工程設施的影響，不同時段濕地實際情況變化明顯)進行了4次實地生態調查，內容包括水體水質、植被分布、物種資源、濕地管理情況、水利工程設施等。

c. 其他數據包括黃河潼關站和三門峽站水文數據、中國氣象數據共享網的氣象數據以及相關部門的統計數據等。

2 評價模型

2.1 評價指標體系

PSR模型主要用于分析人與環境之間的壓力、狀態和響應之間的相互聯系與相互作用。PSR模型因其在指標選取上自由靈活、邏輯關系上銜接緊密等優點得到廣泛應用，是生態環境狀況評估的有效模型之一[14]。結合三門峽庫區濕地生態系統現狀、濕地變化特征和資源分布狀況，遵循針對性、合理性、全面性等原則選取評價指標，構建了由目標層、準則層和指標層組成的三門峽庫區生態系統健康評價指標體系如表1所示。其中，濕地受脅迫程度表示濕地生態系統遭受人類破壞的影響程度，包括捕魚、開墾、獵鳥等，以“優秀、良好、一般、較嚴重、嚴重”5個等級衡量，分別賦值5、4、3、2、1；水資源補給表示水資源的補給情況對庫區濕地生態系統的影響，以上游來水量與濕地消耗水量之比表示；水文調節表示庫區濕地為城市生活、農業灌溉、工業發展等供水，以年供水量來表示；物質供應表示庫區濕地所提供的具有經濟價值的魚類、植物、木材等自然資源，以物質年產量的增減率來表示；科研娛樂表示庫區濕地在科研教育與文化娛樂方面發揮的作用，以定量和定性相結合的方式分為“完善、較完善、一般、不完善、非常不完善”5類，分別賦值5、4、3、2、1；棲息地保護表示庫區濕地生態系統是否有助于濕地動物的棲息繁衍，以具有代表性的珍稀保護動物種類來表示；濕地管理水平表示庫區濕地管理水平和建設情況，分為“優秀、良好、一般、較差、差”5類，分別賦值5、4、3、2、1；生態環境恢復表示庫區濕地生態系統現狀及相關生態修復工程實施情況，以有無生態恢復工程和工程規模來表示，分為“大型、較大型、一般型、小型、無生態恢復工程”5類，分別賦值5、4、3、2、1；濕地建設投入表示相關政府部門或機構在濕地保護建設中投入的資金或政策性措施，將濕地建設的投入情況分為“大、較大、一般、較少、無”5類，分別賦值5、4、3、2、1。

表1 三門峽庫區濕地生態系統健康評價指標體系

Table 1 Ecosystem health assessment index system of Sanmenxia Reservoir wetland

2.2 評價指標權重確定方法

采用層次分析法確定評價指標的權重。將與評價內容相關的元素分解成若干層次和若干因素，由決策者和該領域內的專家學者基于研究區域的客觀因素和實際情況，對各指標之間重要程度進行比較判斷，實現對指標的評分和權重的賦值。該方法通過比較、判斷、評價和決策的過程，避免了過于主觀化確定指標權重的問題，使最終的評價結果更準確和更可靠。

根據三門峽庫區濕地實地調研情況，結合專家意見及參考相關文獻資料，采用1～9及其倒數的標度方法對指標兩兩對比的重要性進行賦值，得到評價指標體系中各個層次的判斷矩陣，通過對各層次判斷矩陣的最大特征值和對應特征向量的計算，最終得出各評價指標相對于總體目標的權重排列結果。

2.3 評價指標分級標準

根據濕地生態系統健康評價研究內容，參考相關文獻資料[15-16]綜合分析后將三門峽庫區濕地生態系統健康程度劃分為“健康、亞健康、脆弱、病態、疾病”5個等級，并確定各評價指標的分級標準如表2所示。同時，結合2017年三門峽庫區濕地生態系統健康各評價指標實際數據計算得出模糊隸屬度關系矩陣。

2.4 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物作出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法。濕地生態系統健康與否是依據相關評價標準來判定的，濕地生態系統健康或不健康是相對概念，屬于模糊問題，因此運用模糊綜合評價法對評價指標體系中各項指標進行標準化處理。通過模糊關系矩陣，采用隸屬函數表示指標在模糊集合中的隸屬關系，定量計算各評價指標的隸屬度。

在構建模糊綜合評價模型的基礎上，完成評價指標等級劃分和指標隸屬度的分析計算后，通過模糊算術運算將模糊隸屬度矩陣與指標權重相結合，得到評估向量：

(b1,b2,…，bn)

(1)

表2 三門峽庫區濕地生態系統健康評價指標分級標準

式中：wi為評價指標i(i=1,2,…,m)的權重；rij為評價指標i的第j(j=1,2,…,n)級模糊隸屬度；bj為評價指標在評價等級劃分中的隸屬度；m為評價指標總數；n為評價等級數。

采用綜合評價指數來反映三門峽庫區濕地生態系統的健康狀況。綜合評價指數是將評價結果定量化的一種計算方法，將多指標進行整合形成一個綜合性指數ICEI，最終通過指數對比達到評價目的。通常采用多目標線性加權函數計算，本文評價等級數n=5，ICEI計算公式為

(2)

參考相關文獻[17-18]，結合三門峽庫區濕地實際情況確定每個等級的綜合評價指數,健康：0.85≤ICEI≤1.00；亞健康：0.7≤ICEI<0.85；脆弱：0.55≤ICEI<0.7；病態：0.4≤ICEI<0.55；疾病：ICEI<0.4。

3 評價結果與分析

3.1 評價結果

采用層次分析法確定濕地生態系統健康評價指標體系中各層次權重，得到準則層中壓力、狀態、響應的權重分別為0.210 5、0.548 5和0.241 0，各評價指標權重見表3。應用模糊綜合評價法構建模糊關系矩陣，得到了各評價指標的隸屬度如表3所示。將指標隸屬度矩陣與指標權重相結合，通過多目標線性加權函數計算，得到三門峽庫區濕地生態系統健康綜合評價指數為0.696，其中壓力、狀態、響應3個目標層的綜合評價指數分別為0.157、0.394和0.145。

2017年三門峽庫區濕地生態系統健康綜合評價指數為0.696，生態系統健康狀況處于“脆弱”等級，接近“亞健康”狀態，評價結果與濕地生態系統健康現狀相符。根據對數據的統計分析，多項評價指標受季節性影響較小，年際變化不明顯，因此需要充分重視三門峽庫區濕地整體生態系統的保護與修復，確保濕地生態系統能夠健康發展。

表3 三門峽庫區濕地生態系統健康評價指標權重及隸屬度

3.2 分析與討論

2017年三門峽庫區濕地生態系統健康程度處于“脆弱”等級，物質供應、生態環境恢復、科研娛樂、濕地受脅迫程度是影響濕地生態健康狀況的主要因素，對最終的評價結果制約性較強、影響較大。

a. 壓力分析。從PSR模型中壓力層的角度分析，三門峽庫區濕地生態系統健康程度主要受濕地受脅迫程度的制約。三門峽庫區濕地區域內除了有政府或相關部門統一規劃、投資管理的區域外，其余區域處于自然狀態，健康狀況兩極分化明顯。有政府部門管理或政策保護的區域，濕地狀況良好，物質資源充足，服務功能發揮正常，生態效益可觀，生態系統整體健康狀況優秀。而沒有政府部門管理或政策保護的區域面積更廣泛，在該區域內自然災害、人類活動影響、資源破壞等問題層出不窮，單靠生態系統自身的恢復能力是無法快速應對解決的，因此導致庫區濕地整體生態系統健康狀況評價等級較低。

b. 狀態分析。從PSR模型中狀態層的角度分析，三門峽庫區濕地生態系統健康程度主要受物質供應和科研娛樂的制約。因三門峽庫區濕地面積大，無法做到全面合理的規劃開發，無法保證濕地資源合理利用，資源浪費、破壞以及過度使用等現象頻發。庫區濕地涉及多個市縣區域，濕地管理部門較多且分散，政策實施不統一，資金來源和數額不固定。庫區濕地景觀也各不相同，既有高山流水的美麗風景，也有黃土枯樹的荒蕪景象，風景優美的地方可為科研娛樂提供場所，能夠獲得可觀的經濟效益，使該區域的濕地規劃與管理水平進一步提高，而大面積的無人管理區域只能任其自然發展。

c. 響應分析。從PSR模型中狀態層的角度分析，三門峽庫區濕地生態系統健康程度主要受生態環境恢復的制約。濕地生態系統受外界環境的持續干擾或面臨一定程度的壓力時，會產生與之相對應的響應。三門峽庫區濕地區域內還未有大型或較大型生態恢復工程，主要還是依靠人為干預和生態系統自身恢復能力，導致了庫區濕地生態系統恢復緩慢，一旦遇到嚴重破壞，生態系統健康狀況將會大幅下降。

除以上主要影響因素外，人口密度增加造成的環境承載壓力，河流水體污染造成的生態環境破壞等，也是造成三門峽庫區濕地生態系統整體健康狀況下降的原因。因此改善庫區濕地客觀現狀，采取相應生態恢復工程措施，加大濕地保護管理力度，有效實施相關政策是提高三門峽庫區濕地生態系統健康程度的有效措施。本文研究結果雖然總體上反映了三門峽庫區濕地生態系統健康狀況，但由于濕地生態系統健康評價涉及的研究內容較多，其評價指標種類多樣、評價體系分類復雜，使最終評價結果不可避免地存在一定的片面性和局限性，尤其在指標選取、內容構建以及等級分類標準制定等方面仍需進一步完善。

4 結 論

a. 三門峽庫區濕地生態系統健康綜合評價指數為0.696，濕地生態系統健康狀況處于“脆弱”等級，接近“亞健康”狀態。

b. 在壓力、狀態、響應3個目標層中，狀態層的約束性最強(0.548 5)，響應層次之(0.241 0)，壓力層最弱(為0.210 5)，表明三門峽庫區濕地所處的壓力水平并不高，對其影響最大的是狀態指標。

c. 在三門峽庫區濕地生態系統健康評價指標體系中，物質供應、生態環境恢復、科研娛樂、濕地受脅迫程度是影響三門峽庫區濕地生態系統健康狀況的主要因素。