神農架大九湖國家濕地公園景觀健康變化研究

楊 利，楊靜涵，石道良

(1.湖南師范大學旅游學院，中國 長沙 410081；2.湖北省野生動植物保護總站，中國 武漢 430000)

濕地是水域生態系統與陸地生態系統的相接緩沖地帶，不僅具有極高的生產力，而且在保護生物多樣性、維持全球生態平衡方面也發揮著重要作用[1，2]。建設濕地公園是進行濕地保護的一種有效方式，濕地公園是具有一定規模的水體,以濕地景觀為主體,以濕地生態系統保護為核心[3],具有濕地生態系統服務、休閑娛樂、科研教育等功能和審美價值,被特殊保護和管理的濕地區域。濕地公園不僅在濕地生態保護方面發揮重要作用，還能為人們提供旅游資源和科教娛樂場所[4]。

景觀健康的概念源于英國學者Leopold提出的“土地健康”概念[5]，景觀健康評價是通過研究濕地生態系統在當前環境壓力和人為干擾下的表現特征，對濕地景觀生態系統現狀進行診斷。景觀健康評價的研究深受生態系統健康評價研究的影響，其評價方法在國內外學者的探索中不斷完善，目前應用最為廣泛的方法為生物法[6]、指標體系法[7-9]和綜合評價方法[10-12]，此外，隨著景觀生態學的發展和3S技術的進步，景觀指標被應用到指標體系的研究中，眾多學者基于景觀格局演變分析對濕地景觀生態系統健康進行評價，使得評價結果更加準確[13-15]。大九湖國家濕地公園位于湖北省神農架林區，在提供生物棲息地、保護濕地生態系統、維持區域生態平衡等方面發揮著重要作用，同時，該地擁有獨特的冰川地貌和高山泥炭蘚沼澤景觀，不僅是觀賞價值極高的旅游勝地，也是開展生態文明教育的重要基地。但隨著土地利用開發和旅游活動的開展，大九湖國家濕地公園生態環境遭受一定程度的破壞，出現水質下降、濕地面積退化等一系列問題[16-19]。基于此，本文運用PSR模型，綜合景觀格局、濕地環境和社會經濟3個層面構建景觀健康評價指標體系，對大九湖國家濕地公園濕地景觀健康程度進行評價，以期為大九湖國家濕地公園今后的健康發展提供一定的參考。

1 研究區域概況

神農架大九湖國家濕地公園位于湖北省神農架林區西南地區，與重慶、陜西接鄰，四周群山環繞，中間為平坦的盆地地形(圖1)，該地擁有極具典型性的亞熱帶高山泥炭蘚沼澤濕地，且保存較為完好，在研究華中地區氣候變化和生物演變方面發揮著重要作用。大九湖國家濕地公園屬于典型的亞高山沼澤型濕地氣候，氣候溫涼，日照時長較短，年均氣溫 7.4 ℃，無霜期短，年均降水量為1 560 mm。濕地區域內有高等維管植物46科83屬98種，其中包含多種沼澤濕地優勢植物，并且擁有白鸛、金雕等諸多珍稀物種[20，21]。

圖1 大九湖國家濕地公園區位圖Fig. 1 Location map of Dajiuhu National Wetland Park

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究以2005，2010，2015和2019年為研究時段，研究數據包括4個時間節點的遙感影像數據、相關統計數據以及樣地調查數據。其中遙感影像來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn)的Landsat影像數據，空間分辨率為30 m，遙感數據時相均為6～10月。運用ENVI 5.3和ArcGIS 10.2軟件進行幾何校正、影像增強、裁剪等預處理，依據遙感影像特征并結合樣地調查信息進行遙感解譯。相關統計數據來源于《神農架林區統計年鑒》、《神農架林區國民經濟和社會發展統計公報》、環保部門的統計數據、旅游行業統計報告以及相關網站等。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標體系的構建 PSR模型最早由加拿大統計學家 Rapport等提出，最初主要應用于生態環境保護方面的研究，因其具有較強的體系性和適用性，因此在生態健康及環境質量評價方面具有廣泛的應用[22]，本文結合大九湖國家濕地公園的具體情況，遵循科學性、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大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系，將濕地公園景觀健康評價指標體系分為壓力(P)、狀態(S)和響應(R)3個方面，其中壓力指標由人口壓力、城鎮化水平、GDP年均增長率、人均耕地面積、化肥施用強度、客流量、旅游業總收入7個指標構成；狀態指標由濕地空氣質量達標率、濕地環境噪聲平均值、濕地地表水質達標率、景觀聚集度、景觀多樣性、景觀破碎度、景觀分離度、景觀均勻度、旅游休閑功能、提供生物棲息地功能等10個指標構成；響應指標由濕地保護程度、政策法規貫穿力度、科普宣教情況、第三產業所占比重、環保投資指數、污水處理率6個指標構成(表1)。

表1 大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系

2.2.2 評價指標權重確定 大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系中的各指標大多為定量指標，每個指標對于景觀健康的影響程度大小不一，需要對各指標合理賦予權重。賦權方法主要包括主觀賦權法和客觀賦權法，為了使賦權結果更加科學合理，本文采用層次分析法(AHP)和熵值法相結合，主客觀綜合賦予評價指標權重，既能充分考慮專家的意見，又能在一定程度上減輕賦權結果主觀性過強所造成的影響。

1)層次分析法(AHP)

層次分析法是一種主觀賦權方法，它以各評價指標為根據構建判斷矩陣，通過專家對兩兩指標的相對重要性進行對比賦值來確定各評價指標的最終權重[23]。本文根據大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系及實地調研情況，咨詢專家意見，專家根據1～9級標度法(表2)對兩兩指標的重要性進行比較賦值，構建大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系各個層次的判斷矩陣，并對各個判斷矩陣的最大特征值及特征向量進行計算，最終得出指標體系中各個評價指標的權重值。

表2 標度表

2)熵值法

熵值法是一種客觀賦權方法，它通過熵值來判斷指標的離散程度，進而確定指標對評價結果的影響程度。熵值法的運算步驟如下：

(1)由于原始數據對評價結果的影響具有正負之分，且各指標單位差異較大，因此需要對原始數據進行無量綱化處理。本文采用極值法得到各評價指標的標準化值，其中對正負指標的處理如下：

正向指標：Xij=(X-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，

(1)

負向指標：Xij=(Xjmax-Xij)/(Xjmax-Xjmin)，(i=1,2,…,n；j=1,2,…,m)，

(2)

由此得出數據標準化矩陣：

(2)將標準化矩陣進行歸一化處理：

(3)

(3)計算第j項指標的熵值：

(4)

(4)計算第j項指標的差異性系數：

gj=1-ej，

(5)

(5)計算第j項指標的權重：

(6)

3)綜合權重

為了避免指標權重主觀性過強，在通過層次分析法(AHP)進行主觀賦權的同時，采用熵值法對各評價指標進行客觀賦權，以減輕指標權重主觀性過強對綜合評價結果造成的影響，最終采用二者平均值作為各指標綜合權重。

2.2.3 綜合指數法 本文采用綜合指數法對大九湖國家濕地公園景觀健康綜合評價，最終得出壓力層健康指數P(x)、狀態層健康指數S(y)、響應層健康指數R(z)和綜合景觀健康指數E，計算過程如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，Wi為第i項指標的綜合權重，Xi為壓力層各指標的標準化值，Yi為狀態層各項指標的標準化值，Zi為響應層各項指標的標準化值，Ei為壓力層、狀態層、響應層3個子系統的健康指數，a，b和c為3個子系統所包含的指標數量。

2.2.4 指標分級標準 根據濕地公園景觀健康研究內容及大九湖國家濕地公園實際情況，依據政府、生態行業與地區標準，并參考相關文獻[24，25]進行綜合分析之后,將大九湖國家濕地公園景觀健康程度劃分為“很健康、健康、亞健康、一般病態、疾病”5個等級，各評價指標的分級標準具體見表3。

表3 濕地公園景觀健康評價結果等級分類

3 結果與分析

采用層次分析法和熵值法對大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標進行主客觀綜合賦值，得出各準則層指標和各評價指標因子的權重(表4和表5)，并根據標準化值和綜合權重，通過綜合指數法得出大九湖國家濕地公園2005，2010，2015和2019年的景觀健康綜合指數和各準則層健康指數及其變化趨勢(圖2)。準則層各因素權重排序為狀態層(0.478 9)>壓力層(0.299 4)>響應層(0.220 7)，其中狀態層權重值最高，對濕地公園景觀健康程度影響最大。2005，2010，2015和21019年大九湖國家濕地公園的景觀健康綜合指數分別為0.513 9，0.490 4，0.471 3和0.610 4。

表4 準則層指標權重

表5 大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標因子標準化值與權重值

3.1 壓力層分析

客流量是壓力層中對景觀健康程度影響最大的指標，壓力層中各指標因子的重要程度排序為客流量>城鎮化水平>化肥施用強度>旅游業總收入>GDP年均增長率>人口壓力>人均耕地面積。2005年壓力層健康指數為0.745 2，健康水平為“健康”，而2010年健康指數則下降至0.253 4，為“一般病態”狀態，2015和2019年又分別升至0.513 2和0.502 8，均為“亞健康”狀態。說明大九湖國家濕地公園壓力層健康指數變化較為明顯，對外界干擾的敏感度較高，受外來影響較大。大九湖國家濕地公園于2006年建成并投入使用，2005年客流量較小，城鎮化水平和旅游業總收入較低，該時期景觀健康受人為干擾脅迫程度較低，壓力層保持在一個健康的水平。濕地公園的建成帶動了當地經濟的發展和城鎮化水平的提高，隨之引起居民及游客數量的不斷增加和人均耕地面積的減少。經濟發展的需要促使人們對當地資源進行攫取，人類活動亦使當地生態環境遭受一定程度的破壞，最終導致壓力層健康水平和濕地公園景觀健康水平的降低。為了緩解環境壓力，當地政府部門采取了一系列補救措施，并實行生態移民政策，以減輕人類活動對景觀健康的影響，基于可持續理念對大九湖國家濕地公園進行科學有效的管理，景觀健康水平亦得到相應提升。

3.2 狀態層分析

在狀態層中，濕地地表水質達標率和提供生物棲息地功能對景觀健康程度影響最大，狀態層中各指標因子的重要程度排序為濕地地表水質達標率>提供生物棲息地功能>濕地空氣質量水平>景觀聚集度>旅游休閑功能>濕地環境噪聲平均值>景觀破碎度>景觀均勻度>景觀多樣性>景觀分離度。2005，2010，2015和2019年大九湖國家濕地公園狀態層健康指數分別為0.524 9，0.725 4，0.229 2和0.627 6，其中2005年狀態層健康程度處于“亞健康”水平，2010年處于“健康”水平，2015年處于“一般病態”水平，2019年處于“健康”水平，由此可知大九湖國家濕地公園狀態層健康水平變化波動較大。大九湖國家濕地公園面向游客開放后，經濟發展對環境的改變和人為活動的加劇，對該地濕地景觀格局和生態環境造成了一定的影響，其中最為突出的變化是景觀破碎度、景觀分離度指數的增加和提供生物棲息地功能水平的提升，并進一步導致了景觀健康水平的變化。

3.3 響應層分析

環保投資指數是響應層中對景觀健康程度影響最大的指標，響應層中各指標因子的重要程度排序為環保投資指數>污水處理率>第三產業所占比重>政策法規貫穿力度>濕地保護程度>科普宣教情況。2005，2010，2015和2019年大九湖國家濕地公園響應層健康指數分別為0.176 2，0.300 9，0.940 9和0.719 3，2005年響應層健康程度屬于“疾病”等級，2010年屬于“一般病態”等級，2015年屬于“很健康”等級，2019年屬于“健康”等級，健康水平總體趨于上升，且2005—2015年間上升幅度較大。濕地公園在建成之前，當地居民和政府部門環保投資意識較為薄弱，缺乏對環保和科普宣教的認知，因此2005年響應層健康水平極低。濕地公園建成之后，人們對大九湖區域的關注度越來越高，其管理和發展亦有專門部門負責，出于經濟發展和濕地公園維護的需要，相關部門出臺了一系列關于大九湖國家濕地公園生態保護的相關政策法規，重視對該區域的環保投資狀況，污水處理率得到大大提升，為了提升公眾環保意識，該地興建了科普教育館和相關文化基地，景區內也通過各種方式對大九湖國家濕地公園進行科普宣傳教育。這些措施的實行，對濕地公園狀態層指數產生了極大的影響，并在一定程度上提升了濕地公園景觀健康水平。

3.4 大九湖國家濕地公園景觀健康整體變化

圖2 大九湖國家濕地公園各子系統及整體景觀健康指數變化Fig. 2 Changes of landscape health index of each subsystem and the whole landscape in Dajiuhu National Wetland Park

大九湖國家濕地公園2005，2010，2015年景觀健康指數分別為0.513 9，0.490 4和0.4713，根據濕地公園景觀健康評價結果等級分類可知，3個年份景觀健康水平皆處于“亞健康”狀態，2019年景觀健康指數為0.610 4，景觀健康水平處于“健康”狀態。大九湖國家濕地公園于2006年建成并對外開放，在景區投入運營之前大九湖較少受到外來游客的影響，但該地區多為當地農民耕種放牧所用，由于缺乏科學有效的農牧業管理措施，當地居民進行了一些不合理的耕種放牧活動，對該時期大九湖生態環境造成了一定影響，2005年景觀健康指數為0.513 9，處于“亞健康”水平。2006年大九湖國家濕地公園開始對外開放，接收外來游客，隨著大九湖國家濕地公園的聲名遠揚，游客來訪量也日益增多，該時期大九湖受到人為干擾影響較大，且景區發展初期游客及管理人員對景區生態保護不甚重視，導致生態系統出現一系列問題，景觀健康程度亦因此發生一定變化，由2005年的0.513 9降至2010年的0.490 4和2015年的0.471 3，但景觀健康等級均在“亞健康”狀態。隨著濕地公園的建設發展人們開始逐漸重視人類活動對濕地公園生態系統的影響，并采取科學合理的政策和相應措施來應對當下問題，環境問題得到一定的治理，濕地公園也不斷向可持續發展方向邁進，景觀健康程度也得以提升至0.610 4，由原來的“亞健康”水平轉變為“健康”水平。

4 結論

研究利用PSR模型，對評價指標進行主客觀賦權，通過綜合指數法得出大九湖國家濕地公園景觀健康水平的變化，結論如下：

(1)濕地公園建成前和建成初期景觀健康程度為“亞健康”狀態，且景觀健康指數有所下降，通過對濕地公園的科學管理，景觀健康水平得到提高。2005，2010，2015和2019年大九湖國家濕地公園景觀健康綜合評價指數分別為0.513 9，0.490 4，0.471 3和0.610 4，分別處于“亞健康”、“亞健康”、“亞健康”、“健康”狀態。

(2)在大九湖國家濕地公園景觀健康評價體系的子系統中，狀態層(S)的權重值最高，為0.479 8，對濕地公園景觀健康水平影響最大，其次是壓力層(P)，為0.299 4，最后是響應層(R)，為0.220 7。

(3)在大九湖國家濕地公園景觀健康評價指標體系中，客流量、濕地地表水質達標率、提供生物棲息地功能和環保投資指數是大九湖國家濕地公園景觀健康水平最主要的影響因素。

評價結果反映了大九湖國家濕地公園2005，2010，2015和2019年的景觀健康水平和變化狀況，但由于濕地景觀生態系統構成較為復雜，且數據獲取受限，因此選取的評價指標在一定程度上難以全面反映濕地公園景觀生態系統狀況。因此在今后的研究中，需基于濕地公園特征及景觀生態系統的復雜性，構建更為科學合理的景觀健康評價指標體系，以更加全面準確地判斷濕地公園景觀健康狀況。此外，大九湖國家濕地公園區域面積較小，對于該類小尺度的景觀健康研究，今后可以結合3S最新技術，對研究區域進行實時數據監測，并選取更高精度的遙感影像數據用于研究，以使研究結果更為精準。