基于PSR 模型的黑河中游濕地生態系統健康評價

杜紅霞，孫鶴洲

（1.西北師范大學地理與環境科學學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學環境與市政工程學院，蘭州 730070）

濕地是世界上最具有生產力的生態系統之一［1］，不僅為多種瀕危物種提供了棲息場所，同時也緩解了用水緊缺等問題。隨著社會的發展，濕地也面臨著不斷退化等問題。自1900 年以來，全世界已有50%的濕地消失，20 世紀至21 世紀初濕地面積的減少速度加快了3.7 倍［2］。由于濕地是一個受多種因素綜合影響的復雜生態系統，探討其整體的生態狀況將是人們所面臨的一大難題［3］。20 世紀70 年代，濕地生態系統健康評價成為濕地研究領域的一個熱點話題［4］。生態系統健康最早體現在Aldo Leopold定義的“土地健康”概念中［5］。有研究者認為健康的生態系統指內部組織沒有受到損害，且具有自身的恢復能力［6］。生態系統健康目前評估的方法有生物法和指標體系法。生物法選取的評價指標單一，并不能全面準確地反映濕地的健康狀況，于是基于PSR 模型構建指標體系成為生態系統評價常用的方法，該模型是由聯合國環境規劃署提出［7］，將指標體系分壓力、狀態和響應3 個目標層。目前，將PSR 模型與3S 技術結合已成為多類型、大尺度流域濕地評價的新型手段。孫雪等［8］將GIS 空間分析技術與PSR 模型結合，對海河南系子牙河流域濕地健康狀況進行了綜合、分區和分類評價。Sun 等［9］利用2000—2010 年 GlobeLand 30 土地覆圖、氣象數據和社會經濟數據并基于PSR 模型評估了長江流域和亞馬遜河流域的濕地生態健康狀況。

黑河中游濕地屬于典型的干旱區內陸濕地，由于受環境條件的限制，使其具有預防草地退化，遏制沙漠化侵蝕和發展綠洲農業等生態功能。近年來，人類的頻繁活動和氣候的改變對濕地造成了不同程度的破壞，而濕地對環境因素的干擾十分敏感，一旦遭到破壞將很難恢復［10］。目前，國內學者對黑河中游濕地的研究也取得了很多成果［11，12］。但對黑河中游濕地的生態健康狀況知之甚少，鑒于黑河中游濕地重要的生態學意義和學者們研究的空白，本研究試圖通過GIS 技術和構建指標體系的方法對黑河中游2000、2005、2011、2018 年的濕地生態健康狀況進行整體評價，以期為黑河中游濕地的保護和恢復工作提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黑河發源于祁連山北麓中段，地跨青海省、甘肅省、內蒙古自治區，全長821 km［13］，是中國西北地區的第二大內陸水系。黑河中游是指位于正義峽與鶯落峽之間的河段，地理位置為37°45′—39°57′N，97°20′—102°04′E，行政區劃上包括甘肅省張掖市的民樂縣、山丹縣、甘州區、臨澤縣、高臺縣和肅南裕固族自治縣的明花鄉［14］。黑河中游地處青藏高原向內蒙古高原的過渡地帶，地勢東南高西北低，海拔為1 254～4 858 m（圖1）。該研究區屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季炎熱少雨。該區域是資源性缺水地區，年均降水量僅為164.2～283.6 mm，而年蒸發量卻達1 900～3 500 mm。現有人口約126 萬人，平均人口密度為64 人/km2。濕地主要類型有河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、河灘濕地以及水庫坑塘濕地。中部地區由于地勢平坦，光熱資源豐富。

1.2 數據來源及處理

以 2000、2005、2011、2018 年為研究時段，根據已有研究成果和研究區實際情況選取11 項指標構建指標體系。社會經濟指標數據主要來源于《張掖市統計年鑒》。歸一化植被指數（NDVI）和1∶100 000土地利用柵格數據來自中國科學院資源環境科學數據中心（http：//www.resdc.cn）。土地利用矢量數據來自寒區旱區科學數據中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）。參照國家濕地分類標準體系（GB/T 24708—2009）并結合有關研究成果將研究區濕地分為河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、河灘濕地和水庫坑塘濕地5 種類型。用Fragstats 4.2 軟件進行景觀格局指數的分析，借助 Microsoft Excel 2016、ArcGis 10.2 和 Origin 2018軟件進行圖表的繪制。

1.3 濕地生態系統評價指標體系

圖1 研究區地理位置

根據對濕地健康狀況的作用水平，將人口密度、人均GDP 和人類干擾度歸為負向指標，降水量歸為正向指標；選取NDVI和斑塊密度（PD）、景觀形狀指數（LSI）、景觀多樣性指數（SHDI）、景觀聚集度（AI）作為狀態指標來反映在自然和人類活動作用下流域內濕地的狀態。NDVI、SHDI、AI3 個指標歸為正向指標，PD、LSI歸為負向指標；選取濕地面積和濕地生態服務價值2 項指標表示濕地生態系統的響應，2個指標均歸為正向指標。指標構建如表1 所示。

人類干擾指數的計算公式為：（耕地面積+建設用地面積）/土地利用面積。土地面積通過GIS 軟件統計得到。NDVI是基于TM/ETM 紅外和近紅外波段來計算，NDVI在-1～1，正值表示植被覆蓋面積［15］。PD、LSI、SHDI和AI4 個景觀格局指數通過Fragstats 4.2 軟件計算得到。PD是反映景觀的破碎化和分散化程度的指標，值越大，表明斑塊破碎化程度越大［16］；LSI指景觀類型形狀的復雜程度［17］，值越大，表示斑塊形狀越復雜，離散化程度也越高；SHDI越大代表景觀異質性越強［18］；AI越大代表生態系統中各個景觀的離散化程度越小。各指標計算公式如表2 所示。

生態系統服務是指生態系統對人類福祉產生直接貢獻的效應［19］。參考謝高地等［20］生態系統服務價值當量因子表，采用Costanza 等1997 年提出的生態系統服務價值估算模型計算流域內濕地的生態服務價值。計算公式為：

式中，ESV表示研究區域的生態服務價值；AK是K類濕地類型的面積；VCK為K類濕地類型的生態服務價值系數（元/hm2）［21］。

1.4 濕地生態系統健康評價方法

1.4.1 指標歸一化 為消除量綱，進行指標的歸一化處理。正向指標的計算公式為：

負向指標的計算公式為：

式中，Xij表示該指標的標準化值；max（aij）表示指標的最大值；min（aij）表示指標的最小值［22］。

1.4.2 確定指標權重 采用層次分析法（AHP）構建判斷矩陣，邀請相關專家對不同層次的指標進行兩兩比較確定每個指標的權重，在Yaahp 軟件中輸入相對重要性值，并計算一致性檢驗系數（CR），直到CR＜0.1 為止。

表1 黑河中游濕地生態系統健康評價指標體系

表2 各指標計算公式

1.4.3 濕地生態系統健康綜合評價 將計算出的生態健康指數按照專家決策劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 個等級，這4 個等級分別為最好、良好、一般、差（表3）。濕地生態健康評價指數計算公式為：

式中，S為濕地生態健康評價的結果值；j為評價指標的個數；Ij為各評價指標的標準化值；Wj為各指標的權重［23］。

表3 黑河中游濕地生態健康評價等級

2 結果與分析

2.1 濕地生態系統壓力

人類干擾指數對濕地健康的影響最大，年降水量次之，人均 GDP 最小（表 4），權重分別為 0.120、0.060 和0.020。各地方的人口密度在2000、2005、2011、2018 年4 年的變化都不明顯（圖2），甘州區人口密度最大，明花鄉人口密度最小。民樂縣的人類干擾指數最高，甘州區次之，明花鄉最小，因為明花鄉以傳統畜牧業為主，荒漠草原是主要的土地覆蓋類型［24］。民樂縣的年降水量在這4 年均最多。對濕地生態健康影響最小的人均GDP 在各縣區均呈持續上升趨勢。總體來看，各地的人口密度、人均GDP 和人類干擾指數變化趨勢較為穩定，而年降水量有一定的起伏，但總趨勢不太明顯。

表4 濕地生態健康評價各指標權重

圖2 黑河中游濕地生態系統壓力指標

研究區壓力指標健康得分總體較為穩定，均在0.037～0.202（圖3、圖8a）。高臺縣與山丹縣、臨澤縣與民樂縣的得分在這4 年無明顯差別。肅南裕固族自治縣明花鄉的健康得分范圍在研究時段內都在0.181～0.240，均高于其他縣區，因為該鄉人類干擾指數比其他地方都小，且次要正向指標年降水量也位居第二。甘州區健康得分在這4 年都處于最低水平，由于該區人口密度大且城鎮化水平高，土地利用開發強度大，不利于濕地的健康發展。民樂縣和臨澤縣的得分在0.061～0.120，民樂縣主要受人類干擾指數和人口密度2 個負向指標的共同影響。年降水量是影響臨澤縣濕地生態健康水平的外界條件。

2.2 濕地生態系統狀態

狀態層對濕地生態健康的影響最大，權重為0.650，其指標的相對重要性排序依次是NDVI、SHDI、PD和AI，對應的權重分別為 0.283、0.166、0.098 和 0.063，LSI的影響最小，權重為0.040（表 4）。由圖4 可以看出，各地NDVI總體呈上升趨勢，這與張更喜等［25］對黑河中游植被覆蓋率變化趨勢的研究結果相吻合。民樂縣的植被覆蓋度最高，相反明花鄉最低。PD的變化不同地區總體上有所差別。甘州區、山丹縣和民樂縣的SHDI變化在2000、2005、2011、2018 年 4 年呈先增后減的趨勢，這與李鴻偉［26］發現的在1975—2016 年黑河中游濕地景觀多樣性呈先增后減的趨勢相一致。民樂縣和山丹縣SHDI總體相當。2005—2018 年明花鄉的濕地景觀多樣性指數都最低，說明該鄉景觀類型在研究時間內趨于均衡。

圖3 黑河中游濕地壓力指標健康得分

圖4 黑河中游濕地生態系統狀態指標

2000—2018 年，各縣區狀態得分在0.103～0.511（圖5），得分無統一的變化趨勢（圖8b）。明花鄉和民樂縣的得分在研究期間保持穩定，是因為影響狀態得分的主要指標沒有大的變化。明花鄉的得分在2000、2005、2011、2018 年 4 年都在 0.100～0.250 的低水平，主要受植被覆蓋度指數和濕地多樣性指數的影響。民樂縣的得分穩定在0.351～0.450，該地2005年實施的退耕還林還草政策促進了植被覆蓋度的提高。甘州區的得分在2011 年處于最高水平，因為該區當年成立了濕地資源保護站，積極開展了濕地調查和保護工作，且甘州區黑河沿岸濕地被列入了張掖市黑河濕地國家級自然保護區，這些政策的實施有效防止了濕地的邊緣破碎化。山丹縣的狀態得分在2000—2018 年從最初的最差水平變為有所提高。

圖5 黑河中游濕地狀態指標健康得分

2.3 濕地生態系統響應

濕地面積和生態服務價值對應的權重分別為0.090 和0.030。各地濕地面積除2011 年出現明顯增加外，其他年份均無較大變化（圖6）。2011 年國家級濕地自然保護區的建立以及濕地保護措施的加強，有效遏制了當地濕地的退化［26］。2000、2005、2011、2018 年明花鄉的濕地面積最少，其中，在2000、2005 和2018 年由土地利用圖進行提取發現濕地面積基本沒有，主要受當地極度干旱氣候、影像空間分辨率和解譯精度的影響。甘州區的濕地面積在2011 年增加也得益于濕地國家級自然保護區的建立。高臺縣和明花鄉的生態服務價值在2011 年出現較大波動，其他各縣區總體上穩定。

研究期內，響應得分在0～0.122（圖 7、圖8c），明花鄉得分處在0～0.040低水平。2011—2018年，臨澤縣、甘州區、民樂縣和山丹縣的響應得分都有所上升。臨澤縣的得分除2005 年為0.042 外，在其他3 個年份都處在低水平。高臺縣的得分始終處在0.081～0.120、0.121～0.160 較高、高水平，2011 年在大面積濕地的影響下達到了高水平。甘州區的得分在0.057～0.122，2005 年 和 2018 年 分 別 達 0.121 和0.122，民樂縣的響應得分在2000 年和2005 年無明顯變化，而在2011 年出現了最低值，這可能與該地的濕地面積受人類干擾有關。山丹縣的得分除了2011 年外，其他3 個年份的水平相當。

2.4 濕地生態健康水平時空分布特征

圖7 黑河中游濕地響應指標健康得分

圖8 黑河中游濕地準則層各指標健康得分

圖9 2000—2018 年黑河中游各縣區濕地健康水平

由圖9 可以看出，除民樂縣和甘州區外，其他地區的健康得分在0.4～0.6，屬于一般的健康狀況，表明在人類持續性干擾的情況下，流域內的濕地并未受到較大破壞，且在濕地保護政策的實施下，個別地區的濕地狀況向好的方向發展。2000—2018 年明花鄉的健康狀況處于差的水平，即使該地區濕地所受人為影響較小，但濕地資源性短缺決定了整體的健康水平。甘州區的健康值在2011 年達到了Ⅱ級水平，該區的濕地是黑河水源涵養的重要組成部分，自2000 年區域實施調水制度以來，區內農業用水方式主要是以滴灌為主的節水灌溉方式，地下水的不斷開采減少了濕地水的回歸量，使得區內的濕地水量長期得不到補充［27］。高臺縣、臨澤縣和山丹縣的濕地在2000—2018 年均為一般的健康狀況，濕地系統的健康狀況整體上較為穩定，主要與這些地區影響濕地健康的壓力、狀態和響應在各年份的無明顯變化趨勢有關。

2.5 流域內濕地生態系統總體健康狀況

如表5 所示，黑河中游濕地的健康值在2000、2005、2011、2018年分別為0.181、0.648、0.615和0.523，健康狀況經歷了從差到良好，再到一般的水平變化。黑河中游地區以綠洲農業為主，農田灌溉等對濕地施加了一定的壓力，且當時人們對濕地的保護意識淡薄，對濕地不合理開發利用不僅減少了面積，也使得濕地的天然用途降低。因此，2000 年流域內濕地的健康狀況整體上處于差的水平，2000 年以后，面對濕地所面臨的嚴峻問題，濕地管理和保護政策的出臺在一定程度上遏制了濕地的退化。張掖市出臺了《張掖市濕地保護與恢復工程規劃（2005—2030年）》，同時加強了流域居民濕地保護知識的宣傳和普及。這些措施的落實和實施促進了黑河中游濕地健康水平的不斷提高。

表5 黑河中游流域濕地健康水平的時間變化

3 小結

本研究通過“壓力-狀態-響應”模型構建黑河中游濕地的生態健康指標，結合了層次分析法計算出各指標的權重，并采用綜合指數法計算出黑河中游的濕地生態健康指數。現得出以下結論。

1）響應指標層對研究區域內濕地的健康水平影響最大（0.650），11 個指標中起主導作用的是NDVI和SHDI。為提高整體健康水平，首先應該減少濕地所受的外界壓力，努力維護濕地系統的內部穩定性。

2）2000—2018 年，肅南裕固族自治縣明花鄉的濕地健康狀況一直處于差的水平，高臺縣、臨澤縣和山丹縣的健康狀況都處在一般水平，總體上整個流域內濕地的健康水平無大的波動。

3）從黑河中游流域濕地的整體健康水平來看，2005、2011 年分別上升到良好的水平；2018 年又下降到一般的水平。流域內濕地的健康狀況在2000—2018 年總體上有所好轉，但是隨著人類社會的發展和經濟水平的不斷提高，對于濕地不同程度的破壞依然存在。

4）從影響各縣區濕地生態健康狀況的準則層來看，濕地的資源短缺是影響肅南裕固族自治縣明花鄉濕地健康狀況水平的主要原因。甘州區的濕地所受到的人為干擾最大，但在2011 年通過成立自然保護區等措施的實施，濕地的生態健康水平整體有所好轉。民樂縣的濕地健康效應水平整體上最高，內部穩定性較好。