向海退化鹽沼濕地修復效果評估

永智丞,劉吉平,*,司 薇

1 吉林師范大學旅游與地理科學學院, 四平 136000 2 吉林師范大學資源保護與利用研究所, 四平 136000

圖1 向海自然保護區(qū)以及仙鶴島位置圖 Fig.1 Location Map of Xianghai Nature Reserve and Xianhe Island

濕地是地球上水陸間相互作用的獨特生態(tài)系統(tǒng),是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]。它具有重要而獨特的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟功能,可以改變小氣候、防止洪水和為各種動物、植物提供棲息地,對人類具有重大意義[2]。世界濕地面積僅占地球表面積的6%,卻為世界上20%的生物提供生境[3]?，F(xiàn)今越來越多的濕地遭到破壞,退化濕地的保護與修復引起廣大學者和社會的關注[4]。針對退化濕地,國內(nèi)外開展了大量濕地修復工程,但對于修復效果評估缺乏統(tǒng)一的方法,對于退化濕地修復效果評價較少[5- 7]。我國對退化濕地的生態(tài)修復效果的研究主要集中于富營養(yǎng)化湖泊及城市濕地的生態(tài)修復效果評估方面[8- 9],而在國際上,繼《國際濕地公約》頒布以來,美國開展了大量相關工作,并取得一定的成效,例如采用基底恢復技術,同時對濕地恢復效果進行評估[10]。美國的水利科技部、農(nóng)業(yè)部也對此展開大量研究[11- 12]。國內(nèi)現(xiàn)有的針對退化濕地修復效果評估體系中,大部分存在評價指標過于單一,主要針對某個或某幾個指標進行評價,缺乏綜合評價,同時缺乏系統(tǒng)而完善的評價指標體系[13- 14]。近年來,在濕地修復與重建技術多采用見效快、作用期短的工程措施,而對于作用期長、效果穩(wěn)定的生物修復措施的研究多集中于定性研究,量化數(shù)據(jù)缺乏[15- 17]。本文以向海自然保護區(qū)中的仙鶴島作為研究區(qū)域,以遙感與地理信息系統(tǒng)為技術支撐,以2015和2017年野外植物樣方、生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎,利用層次分析法構建濕地修復效果評估模型,構建3個綜合指標和19個評價因子在內(nèi)的濕地評價指標體系,為濕地恢復與管理提供支持。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

向海位于松嫩平原西部,科爾沁草原中部(圖1),地理坐標為：122°05′—122°31′E,44°85N—45°19′N。北鄰洮南市,西接內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁右翼中旗,東距通榆縣城67km,北距白城市95km,包括向海鄉(xiāng)全部、同發(fā)牧場、興隆山、四井子以及烏蘭花香的一部分,地貌類型主要以平原為主。該地氣候主要為溫帶季風氣候,雨熱同期,降水量較少,多年平均降水量為370—450mm,多年平均蒸發(fā)量為900—1100mm。全年的蒸發(fā)量大于降水量,水分的虧損量較大。向海保護區(qū)在20世紀70年代末期,濕地的面積為32359hm2,而目前濕地面積減少了近1/3[18],造成了生物多樣性減少,土地鹽堿化等問題。

本文選擇仙鶴島作為研究示范區(qū)(122°20′12″—122°20′25″E,45°1′24″—45°1′32″N),選取5.61hm2的濕地作為濕地修復示范區(qū),對向海退化濕地修復效果進行評估。仙鶴島位于向海自然保護區(qū)中部的實驗區(qū)且為旅游景區(qū),人為破壞程度較強,水文連通性差,土地鹽堿化較為嚴重,多圍欄放牧,濕地破壞嚴重,對濕地生物生境造成威脅。本文2015年通過生物、工程措施對向海自然保護區(qū)的仙鶴島進行改造,通過香蒲、蘆葦、睡蓮等植物移栽方式進行植物修復,對向海退化濕地修復效果進行評估。

1.2 研究方法

1.2.1指標選取

基于壓力-狀態(tài)-響應機制,選取反映濕地修復效果的評價指標。“壓力-狀態(tài)-響應”機制(Pressure-State-Response,簡寫為P-S-R)是由聯(lián)合國經(jīng)濟合作和開發(fā)組織(OECD)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同提出的環(huán)境概念模型[19]。在“壓力-狀態(tài)-響應”機制中,“壓力”指人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和發(fā)展畜牧業(yè)對濕地環(huán)境造成的負擔,“狀態(tài)”指人類過度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及發(fā)展畜牧業(yè)對濕地狀態(tài)造成的變化,這種變化又影響著濕地生態(tài)修復,“響應”指人類通過各種管理策略對這些變化和壓力做出反應,使?jié)竦匮刂】档姆较虬l(fā)展。

水禽數(shù)量是反映濕地修復效果的重要指標,水禽數(shù)量的多少直接反映當?shù)貪竦厣鷳B(tài)環(huán)境的好壞[20]；濕地斑塊數(shù)量等指標直接反映濕地現(xiàn)狀,魚類對濕地水環(huán)境要求較敏感[21]；植物生物量和植物蓋度等指標是反映濕地修復效果的重要因素；水質(zhì)綜合污染指數(shù)是評價水環(huán)境質(zhì)量的一種重要指標,是反映濕地環(huán)境好壞的風向標[22- 23]。本文在濕地修復效果評價中主要運用水禽數(shù)量、水質(zhì)綜合污染指數(shù)、植物生物量等指標形成“壓力-狀態(tài)-響應”模型進行分析,綜合評價濕地生態(tài)系統(tǒng)。結合向海地區(qū)的仙鶴島實際情況及可獲取情況,根據(jù)各指標的量化特征,明確所包含因素、各因素之間的相互關系,將農(nóng)田率、鹽堿率、放牧牛羊數(shù)作為壓力指標；將斑塊類型面積、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊聚集度、土壤鹽度指數(shù)、水質(zhì)綜合污染指數(shù)為狀態(tài)指標；將植物蓋度、植物生物量、植物物種豐富度、水禽種類、水禽數(shù)量、魚類重量、NDVI指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)作為響應指標。

1.2.2模型的構建

本文基于壓力-狀態(tài)-響應機制[24],選取反映濕地修復效果的指標進行監(jiān)測,所監(jiān)測的指標包括壓力指標、狀態(tài)指標以及響應指標。在此基礎上利用層次分析方法,構建濕地修復效果評估模型,對退化濕地修復效果進行評估。以遙感與地理信息系統(tǒng)為技術支撐,以2015和2017年野外植物樣方和生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎,利用層次分析法構建濕地修復效果評估模型,對濕地修復效果評估技術進行評價。根據(jù)上述壓力-狀態(tài)-響應指標,結合公式對其進行數(shù)據(jù)標準化,使得數(shù)值處于0—1之間。

標準化：

式中,i為樣本數(shù),m為年份

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

首先對2015年和2017年遙感影像進行解譯,獲得土地利用圖,分為林地、草地、水域、農(nóng)田、鹽堿地等類型土地。鹽堿率、農(nóng)田率等指標,根據(jù)土地利用圖計算得出；分形維數(shù)、濕地斑塊數(shù)量等濕地景觀指標,通過Fragstats等軟件計算得出；NDVI等指數(shù)通過ENVI軟件計算得出；植物生物量、植物蓋度等指標,利用植物樣方調(diào)查手段得出,具體見表1。通過對2015年與2017年各評價監(jiān)測指標進行數(shù)據(jù)標準化處理,得到2015年與2017年仙鶴島典型植物群落的評價指標值,并結合公式對其進行標準化,其中負向指標需要取其數(shù)值的倒數(shù)再進行標準化,計算出修復示范區(qū)典型植物群落的面積與修復示范區(qū)面積之比,然后與其指標權重相乘并累加,從而得到修復示范區(qū)的濕地修復效果值。

2 結果與分析

2.1 濕地修復效果評估模型的構建

將所有要素按照最高層(目標層)—若干中間層(準則層)—最底層(措施層)的原則排列起來,繪制層次結構圖(圖2)。

本文將PSR模型引入到濕地修復效果評估中來,結合濕地修復效果評估的需要,根據(jù)該模型層次結構(圖2),通過構造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序以及一致性檢驗等步驟,采用層次分析法分別計算各評價指標對濕地修復效果評估的權重,通過一致性檢驗,得到以下計算結果(表2—表5),并最終得出每個評價指標的最終權重值(表6)。

表1 評價指標的獲取與處理

圖2 層次分析法結構示意圖Fig.2 The schematic diagram of the analytic hierarchy process

表2 目標層—準則層判斷矩陣及排序

表3 準則層—對象層 壓力指標判斷矩陣及排序

表4 準則層—對象層 狀態(tài)指標判斷矩陣及排序

表5 準則層—對象層 響應指標判斷矩陣及排序

表6 各評價指標的權重

通過計算可知,壓力指標權重為0.1219,狀態(tài)指標權重為0.2298,響應指標權重為0.6483。由此說明,在濕地修復效果評估體系中,響應指標對其影響較大。在壓力指標中,農(nóng)田率和放牧牛羊數(shù)所占比重均超過0.03,這說明農(nóng)田率和放牧牛羊數(shù)這兩個指標在壓力指標中影響較大,表明人類過度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動和放牧牲畜對濕地環(huán)境產(chǎn)成了一定的壓力。在狀態(tài)指標中,土壤鹽度指數(shù)和水質(zhì)綜合污染指數(shù)所占比重均超過0.05,這說明土壤鹽度指數(shù)和水質(zhì)綜合污染這兩個指標在狀態(tài)指標中影響較大,表明由于人類的過度農(nóng)業(yè)活動和過度放牧對土壤質(zhì)量和水體質(zhì)量造成了不良的變化。在響應指標中,植物蓋度在評價指標中權重較大,超過了0.15,這說明了植物蓋度這個指標在濕地修復效果評估中影響較大,表明在濕地修復過程中,通過香蒲、蘆葦?shù)戎参镆圃苑绞竭M行植物修復,進而恢復濕地生境的植被覆蓋率和植被多樣性。而鹽堿率、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量和斑塊密度在評價指標中權重較小,均不超過0.02,這說明了鹽堿率、分形維數(shù)等這四個指標在濕地修復效果評估中影響較小。

2.2 評價指標監(jiān)測結果

通過1.3數(shù)據(jù)獲取與處理方法得出仙鶴島典型植物樣方等評價指標的監(jiān)測結果,如表7。

表7 仙鶴島修復示范區(qū)平均值

由表7可知,與2015年相比,仙鶴島修復樣方2017年植被蓋度由2015年的21.17%增長到30.87%,增長了9.7%,增長率為45.83%。仙鶴島植物群落指標均呈現(xiàn)增長趨勢,為較好的變化特征,說明該區(qū)濕地植物長勢較好,植被覆蓋率提高,植物多樣性有所恢復。與2015年相比,仙鶴島2017年水禽種類由2015年的13種增長到21種,增長了8種,增長率為61.54%,說明該區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。與2015年相比,2017年仙鶴島修復示范區(qū)農(nóng)田率、鹽堿率均呈現(xiàn)下降趨勢,說明退耕還濕對退化濕地的修復有較好的效果,退化濕地修復效果較為明顯。

2.3 濕地修復效果

與2015年相比,2017年修復示范區(qū)濕地修復效果值由0.4481最終增長到0.5537,增長率達到了23.5662%(見表8)。

表8 2015—2017年仙鶴島修復示范區(qū)濕地修復效果值

通過向海自然保護區(qū)生態(tài)移民、禁牧政策以及控制游客數(shù)量等保護區(qū)的其他管理條例,2017年修復示范區(qū)濕地的放牧牛羊數(shù)、農(nóng)田率等指標有所下降；通過濕地恢復工程,與2015年相比,2017年修復示范區(qū)濕地的植物蓋度、魚類重量等指標有所增加。修復示范區(qū)修復效果值的增加,主要是由于壓力和響應指標這兩個綜合指標起著重要作用。

3 結論與討論

3.1 結論

(1)本文構建了內(nèi)陸鹽沼濕地修復效果評估模型,該模型基于壓力-狀態(tài)-響應機制,采取層次分析方法,將農(nóng)田率、鹽堿率、放牧牛羊數(shù)作為壓力指標；將斑塊類型面積、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊聚集度、植物蓋度、植物生物量、土壤鹽度指數(shù)、水質(zhì)綜合污染指數(shù)為狀態(tài)指標；將NDVI指數(shù)、水禽數(shù)量、水禽種類、魚類重量、植物生物量、植物蓋度、植物物種豐富度、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)作為響應指標,其評價方法可以有效地評價退化濕地修復效果。

(2)與2015年相比,2017年修復示范區(qū)濕地修復效果值最終增長率達到了23.5662%,表明該濕地修復效果明顯。濕地修復效果值的增加,主要是由于受到農(nóng)田率、鹽堿率等指標的負作用影響以及植物蓋度、魚類重量等指標因素所起到的正作用影響。

3.2 討論

本文利用層次分析法構建濕地修復效果評估模型,構建了3個綜合指標和19個評價因子在內(nèi)的濕地評價指標體系,綜合評價濕地生態(tài)系統(tǒng),在選取指標方面,每一層的指標都可以在一定程度上客觀的反映退化濕地生態(tài)修復效果,例如壓力指標中的農(nóng)田率與鹽堿率在恢復后對濕地恢復的壓力減少,恢復效果值明顯增加等。

李偉等[25]在對北京翠湖濕地的生境恢復及效果評估過程中就采用了綜合的指標進行評估。研究區(qū)內(nèi)濕地水環(huán)境質(zhì)量提升,濕地基質(zhì)質(zhì)量提升,濕地植被種類和蓋度明顯增加,濕地水禽種類和數(shù)量增加,這些綜合評價指標都可以反映濕地生境的恢復程度。而層次分析法是基于綜合濕地指標并根據(jù)恢復指標賦予權重進行計算最后得出恢復效果值,更具有可信度。滿衛(wèi)東等[26]在1990—2015年三江平原生態(tài)功能區(qū)水禽棲息地恢復評價研究中,綜合遙感和地理信息系統(tǒng)技術、熵值法與水禽棲息地適宜性評價方法來確定指標的權重,能夠?qū)λ輻⒌剡m宜性進行快速、有效的評估,并可以客觀、科學地掌握三江平原生態(tài)功能區(qū)不同時期水禽棲息地適宜性級別的時空演變特征。劉奕彤等[27]在對基于鳥類棲息地的江口鳥洲濕地適宜性評價中以保護鳥類棲息地為基礎選取9個影響指標,構建濕地適宜性評價體系,更具客觀性和真實性。而本文構建了3個綜合指標和19個評價因子在內(nèi)的濕地評價指標體系,選取指標全面,綜合評價濕地生態(tài)系統(tǒng)。

由于受到經(jīng)費和時間等方面的限制,本文構建的內(nèi)陸鹽沼濕地修復效果評估模型還不夠完善,一些監(jiān)測指標的選取還有欠缺,例如水文—土壤養(yǎng)分等指標還很缺乏。在將來的退化濕地修復效果評價方面,需要進一步監(jiān)測水文指標和土壤養(yǎng)分等指標,并借鑒國外現(xiàn)有的濕地修復理論與評估方法,進一步連續(xù)跟蹤監(jiān)測生態(tài)修復示范區(qū)內(nèi)各種生物生境特征的季節(jié)變化和年際變化,積累更多的實際監(jiān)測數(shù)據(jù),采用更加系統(tǒng)的評價指標體系,在后續(xù)工作需加強跟蹤監(jiān)測,針對不同時期不同樣地進行對比,更為全面地對生態(tài)修復效果進行科學評估。