廣西與廣東沿海濕地生態系統健康評價

賀智, 鄭志軍

(1.中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275; 2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 珠海 519082)

濕地固碳功能強大,對實現“碳達峰、碳中和”目標和建設可持續發展社會起著重要作用[1-4]。然而,快速工業化進程對生態環境造成了破壞。近年來,為防止生態環境惡化,國家出臺了多項政策支持濕地保護。例如,2021年12月,中國頒布了《中華人民共和國濕地保護法》,對濕地保護做出了明確規定;2022年2月,中國首個“濕地保護與恢復”本科新專業通過教育部批準,這將填補中國在該領域的人才培養空白。

為了保護濕地,首要工作是評價現存濕地生態系統的健康狀況。從20世紀70年代開始,濕地健康成為濕地研究的重點話題。Larson等[5]建立了世界上第一個濕地生態系統評價模型。隨后,中外學者在濕地生態系統健康評價方面做了大量工作。已有方法可大體分為2類。一類是生物評價法,包括生物完整性指數法和物種指示法,主要從物種健康的角度反映濕地生態系統的健康程度。例如,Albert等[6]提出以植被為指示物的濕地健康監測方法,對美國的五大湖海岸沿線濕地健康狀況進行了評價。吳小平等[7]基于生物完整性方法對浙江溫州三垟濕地的生物數據進行采樣并評價了健康狀況。Yang等[8]提出基于植被的生物完整性來評估鄱陽湖濕地的生態健康情況。另一類是指標體系法,也稱多指標綜合評價法,根據不同原則選取對應的指標,以此構建指標體系并對生態系統健康狀況進行定量評價[9]。例如,美國環保署基于投入、資源等方面建立了濕地三級評價體系[10]。Breaux等[11]從濕地的特征和功能兩個方面出發,構建了5個指標層的指標體系,對舊金山海灣濕地生態系統健康進行了評價。麥少芝等[12]介紹了壓力-狀態-響應(pressure-state-response,PSR)模型的基礎概念和相關特征,并以此為基礎構建健康評價指標體系。蔣衛國等[13]利用遙感、野外調研和社會統計等多源數據,構建了基于PSR的濕地生態健康評價模型,并對洞庭湖濕地健康狀況進行了評價。劉瑜等[14]從壓力、狀態和響應三方面構建健康評估指標體系對天津古海岸與濕地國家級自然保護區濕地核心區健康狀況進行了評價。張麗娜等[15]和陳根良[16]利用層次分析法和德爾菲法分別對廣西75處重要濕地和東洞庭湖濕地的質量進行了評價。徐燁等[17]以PSR模型為基礎,利用景觀格局分析構建指標對雄安城區濕地進行了健康評價。

近年來,各國遙感技術快速發展,遙感圖像的空間、光譜和時間分辨率不斷提高[18-19],為濕地生態系統健康評價提供了重要的數據支撐,而谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)的出現使得遙感圖像處理變得更便捷。但是,目前利用GEE平臺進行濕地健康評估方面的研究還鮮見報道。此外,尚缺乏同時對廣西與廣東沿海濕地健康評估方面的文獻。因此,現基于GEE平臺、遙感、地理信息系統(geography information sysytem,GIS)空間分析和景觀格局分析,以PSR模型為基礎構建廣西與廣東沿海濕地健康評價指標,利用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定指標權重,以加權平均法計算得分構建濕地健康評價模型。

1 研究區與數據源

1.1 研究區概況

本文研究區具體位置包含廣西沿海各市和廣東沿海各市。其中,廣西5個市分別為北海市、防城港市、欽州市、玉林市、崇左市;廣東15個市分別為廣州市、深圳市、珠海市、汕頭市、佛山市、江門市、湛江市、茂名市、惠州市、汕尾市、陽江市、東莞市、中山市、潮州市、揭陽市。研究區海岸線全長5 909 km,其中廣西海岸線長1 595 km,廣東海岸線長4 314 km。地理位置為106°33′E～117°13′E,海拔最高為1 688 m。

1.2 主要數據源

主要數據源為2020年的遙感數據與行政區統計數據。其中,遙感數據包括從GEE平臺獲取的歐空局哨兵1號數據(Sentinel-1)、哨兵2號數據(Sentinel-2)和數字地表模型數據(digital surface model,DSM)。行政區統計數據包括從壓力、狀態、響應3個方面選取的9個社會經濟與自然環境數據,即人口密度、國內生產總值(gross domestic product,GDP)、污水處理率、化肥施用量、年降水量、第三產業占比、環保投資、教育投資和居民生活水平,這些數據來源于廣西壯族自治區統計局(http://tjj.gxzf.gov.cn//tjsj/tjnj/material/ tjnj20200415/2021/zk/indexch.htm)和廣東省統計局(http://tjnj.gdstats.gov.cn:8080/tjnj/2021/)。

2 研究方法

基于GEE與PSR-AHP的濕地生態系統健康評價方法如圖1所示。首先,進行數據預處理。利用GEE平臺處理遙感數據以提取濕地、計算歸一化植被指數(normalized difference vegetation index,NDVI)和歸一化差值水汽指數(normalized difference moisture index,NDMI)。然后,構建指標體系。通過GIS分析得到土地利用強度數據,通過遙感反演獲取土壤含水量和初級生產力,利用Fragstats進行景觀格局分析得到斑塊平均面積數據,綜合遙感與統計數據從壓力、狀態和響應層構建基于PSR的指標體系。最后,利用AHP獲取各指標權重并計算濕地生態系統健康得分,進而評價濕地健康狀況。

圖1 基于GEE和PSR-AHP的濕地生態系統健康評價方法Fig.1 Health assessment of coastal wetland ecosystems based on GEE and PSR-AHP model

2.1 基于PSR的濕地健康狀況指標體系構建

根據代表性、空間尺度和可行性原則,基于PSR模型(圖2)從壓力層面選取了人口密度、GDP、污水處理率化肥施用量和土地利用強度5個指標,從狀態層面選取了年降水量、第三產業占比、平均斑塊面積、土壤含水和初級生產力5個指標,從響應層面選取了環保投資、教育投資和居民生活水平3個指標,構建濕地健康狀況指標體系。進一步地,參照已有研究[20]確定各指標評價分級標準(表1)。

表1 濕地健康狀況指標體系及分級標準Table 1 Wetland health status indicator system and grading standard

圖2 PSR模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the PSR model

2.2 基于AHP的濕地健康狀況指標權重計算

利用AHP確定各健康指標的權重,具體實現步驟為:①對決策目標分解,構建層次模型(圖3);②構造判斷矩陣,確定各指標間的相對重要性;③計算層次單排序及層次總排序并進行一致性檢驗。

圖3 層次決策模型Fig.3 Hierarchical decision model

目前中外健康評價尺度單元主要有兩類:①基于面狀的矢量評價單元,包括行政區劃單元、流域單元、小流域單元等;②基于點狀的柵格評價單元,主要由遙感圖像的柵格大小而定。本文采用市級行政區評價單元作為健康評價尺度,能更方便與統計數據對接,并在各行政區間進行比較。此外,采用加權平均法計算各地區的健康評分,公式為

(1)

式(1)中:Hi為第i個地區的健康得分;wj為第j個指標的權重;Sij為第i個地區的j個標準化指標。

將濕地健康分為5個等級,分別為很健康、健康、亞健康、不健康和病態,具體描述如表2所示。

表2 濕地健康等級標度及含義Table 2 Wetland health grade scale and its meaning

3 結果與分析

3.1 濕地健康指標權重結果

在構建層次模型和判斷矩陣后,對各個層次進行單排序并檢驗一致性指標,當各層次一致性檢驗系數(composite reliability,CR)通過檢驗(CR<0.1)時,判斷矩陣的一致性程度被認為在允許的范圍內,最終得到各層標準化后的權重及總權重結果如表3所示。

表3 濕地健康指標分層權重及總權重Table 3 Hierarchical weights and total weights of wetland health indicators

從表3可知,AHP分析得到的壓力層指標權重中,最大的為污水處理率,占比41.74%,因為污水是對濕地的直接污染;其次為土地利用強度,占比26.50%,土地利用強度代表人類活動對地表的干擾程度,是對地表的直接改造;然后為化肥施用量,占比20.80%,化肥的使用代表人類對土地直接的影響,在各種間接條件下,這些化學物質也會影響到濕地;最后是人口密度和GDP,占比分別為7.08%和3.88%。

狀態層中,土壤含水量權重最大,占比50.26%,其為表征濕地地表比輻射率狀態的重要指標;其次是初級生產力,為24.17%,濕地的初級生產力越高,表明植被越豐富,濕地越健康;然后是年降水量,為15.19%,濕地生態系統的運轉離不開降水,降水量越高濕地的水源補充越充足;最后是第三產業占比和平均斑塊面積,分別占比5.89%和4.49%,第三產業包含批發和零售業、交通運輸等服務業,平均斑塊面積可表征單塊濕地景觀的大小,面積越大,濕地所能容納的生物越多。

響應層中,指標權重最高的是環保投資,占比為64.83%,它代表了城市對環保的投入力度,是當地對環境進行響應行動的重要一步;其次是教育投資,占比為22.97%,它可以在一定程度上反映當地居民對環境的保護意識;權重最低的是物質生活水平,占比僅為12.20%,它可以反映當地居民的社會物質生活條件。

3.2 廣西與廣東沿海濕地生態系統健康評價結果

3.2.1 壓力層評價結果

廣西與廣東沿海濕地生態系統壓力層健康得分和等級空間分布結果如圖4所示,而各城市壓力層指標得分及加權得分結果如圖5所示。從空間分布來看,一級壓力的城市有江門和陽江,得分為0.942 3和0.814 0,屬于很健康狀態,濕地所受壓力小;二級壓力的城市有汕尾、防城港、北海、惠州、欽州、湛江、玉林、茂名、崇左、潮州、揭陽、珠海、深圳和廣州,得分分別為0.773 0、0.764 7、0.764 7、0.762 6、0.742 0、0.741 0、0.739 8、0.735 8、0.732 0、0.730 5、0.697 4、0.683 7、0.632 5和0.623 2,屬于健康狀態,濕地所受壓力較小;三級壓力的有汕頭、中山、佛山、東莞和,得分分別為0.583 6、0.581 8、0.578 9和0.503 5和,屬于亞健康狀態,濕地所受壓力較大;壓力處于亞健康狀態的城市主要分布在珠三角地區,究其原因珠三角地區為全國經濟中心,人口密度和GDP均位居前列,同時快速城市化也帶來高強度的土地利用,因此對濕地的壓力也較大。

圖4 壓力層健康得分和等級空間分布Fig.4 Pressure-level health score and rank spatial distribution

圖5 各城市壓力層指標得分及加權得分Fig.5 Index score and weighted score of each city’s pressure layer

從指標得分來看,廣州、深圳、珠海、汕頭、佛山、東莞、中山、防城港、欽州、玉林和崇左等城市人口密度方面得分較低,說明這些城市濕地受人口壓力較大;廣州、深圳、佛山和東莞等城市在GDP上得分較低,說明這些城市濕地受GDP方面壓力較大;污水處理率上,各城市得分都較高,說明各城市在污水處理為濕地緩解了一定的壓力;化肥施用量上,除深圳、珠海和江門外,其他城市均得分較低,說明這些城市化肥施用量過大,威脅到濕地健康,其中汕頭、湛江和茂名受化肥壓力最大,這主要是因為湛江和茂名是廣東省主要第一產業地區,2020年農林牧漁總產值分別為990億元、1 038億元,名列廣東前茅,產業的需要造成了化肥的大量使用。土地利用強度上,東莞得分較低,所受壓力較大,究其原因,東莞市毗鄰深圳,受深圳經濟帶動影響發展迅速,2020年城鎮化率超過了90%,由此也帶動了土地需求的增加。

3.2.2 狀態層評價結果

廣西與廣東沿海濕地生態系統狀態層健康得分和等級空間分布結果如圖6所示,而各城市狀態層指標得分及加權得分結果如圖7所示。從空間分布來看,狀態層健康等級為一級的只有防城港市,得分為0.815,屬于很健康狀態,說明濕地現狀很好;二級狀態的城市有惠州、崇左、陽江、欽州、玉林、茂名、江門、潮州、廣州、汕尾和湛江11個城市,得分分別為0.756 2、0.748 1、0.745 3、0.738 0、0.698 5、0.699 2、0.682 1、0.663 5、0.647 6、0.633 8和0.603 9,屬于健康狀態,說明濕地現狀較好;三級狀態的城市有北海、揭陽、深圳、珠海、中山和佛山6個,得分分別為0.562 8、0.562 2、0.536 9、0.532 6、0.425 1和0.423 1,屬于亞健康狀態,說明濕地現狀一般,濕地環境受到一定的破壞;四級狀態的城市只有汕頭和東莞2個城市,得分分別為0.390 6和0.389 9,屬于不健康狀態,說明濕地現狀較差,環境受到較大程度的破壞;三級及以下等級的城市主要分布在廣西的北海市、廣東的珠三角地區和潮汕地區。

圖6 狀態層健康得分和等級空間分布Fig.6 State-level health score and rank spatial distribution

圖7 各城市狀態層指標得分及加權得分Fig.7 Index score and weighted score of each city’s state layer

從指標得分看,汕頭、佛山、東莞和中山土壤含水量得分較低,說明這些城市土壤水分欠缺或地表多為不透水面;初級生產力方面,多數城市得分較高;降水量上,各城市得分均較高,分數差別不大;第三產業占比上,廣州、深圳和珠海等經濟發達城市優勢明顯,得分較高;江門和湛江兩個城市在平均斑塊面積上得分較高,說明單塊濕地景觀的面積較大,利于多種濕地物種生長。

3.2.3 響應層評價結果

廣西與廣東沿海濕地生態系統狀態層健康得分和等級空間分布結果如圖8所示,而各城市狀態層指標得分及加權得分結果如圖9所示。從空間分布來看,一級狀態的城市有深圳、珠海和廣州,得分分別為0.966 0、0.827 4和0.809 0,屬于很健康狀態,表明城市響應快,能夠及時采取行動對濕地進行修復;二級的城市有東莞、佛山、中山、汕頭、揭陽和惠州、得分分別為0.760 2、0.744 0、0.742 6、0.683 3、0.645 2和0.619 9,屬于健康狀態,說明城市響應能力較好,能夠采取一定措施保護濕地;三級的城市有茂名、潮州和汕尾,得分分別為0.432 7、0.418 7和0.407 8,屬于亞健康狀態,表明響應能力一般,能夠采取少量行動制止濕地惡化;四級的城市有北海、防城港、江門、玉林、湛江、崇左、欽州和陽江,得分分別為0.379 3、0.365 7、0.347 8、0.340 9、0.328 6、0.265 1、0.231 9和0.212 2,屬于不健康狀態,表明當濕地出現破壞時,無法做出有效行動彌補。總體上,得分較高的城市大都分布在珠三角地區,究其原因,珠三角經濟活力強、總量高,對環保和教育投資較高,且當地居民物質生活水平也較高,因此總得分高。

圖8 響應層健康得分和等級空間分布Fig.8 Response-level health score and rank spatial distribution

圖9 響應層健康得分和等級空間分布Fig.9 Index score and weighted score of each city’s response layer

從指標得分看,環保投資和物質生活指數方面仍然是珠三角地區城市得分較高,且遠大于其他城市,這是經濟實力決定的;教育投資方面,各城市得分均較高,其中北海、玉林、欽州、防城港、崇左、廣州、深圳和珠海等城市得分要高于其他城市,說明這些城市重視教育投資。

3.2.4 綜合評價結果

研究區各城市綜合健康等級評價結果如圖10所示,各城市綜合指標得分及加權得分如圖11所示。從空間分布來看,防城港、惠州、江門、陽江、崇左、欽州、茂名、玉林、廣州、潮州、汕尾、湛江、深圳、揭陽和珠海,健康等級為二級,得分分別為0.755 2、0.743 6、0.707 2、0.714 3、0.693 4、0.686 0、0.680 8、0.671 7、0.658 2、0.655 2、0.646 1、0.610 5、0.606 5、0.605 6和0.602 5,屬于健康狀態,說明在總體健康水平上較好;北海、中山、佛山、汕頭和東莞健康等級為三級,得分分別為0.595 7、0.498 9、0.497 0、0.471 1和0.458 0,屬于亞健康狀態,說明城市濕地健康存在一定的不足。

圖10 各城市綜合健康等級評價結果Fig.10 Comprehensive health level evaluation results of each city

圖11 各城市綜合指標得分及加權得分Fig.11 Comprehensive index score and weighted score of each city

從綜合指標得分來看,廣州、深圳、珠海、汕頭、佛山、東莞和中山等城市壓力層和狀態層得分較低,一方面說明濕地所受的壓力較大,其中人口密度、土地利用強度為主要壓力來源,因此實際保護中應當注重此方面壓力,劃好生態紅線和城市擴張邊界;另一方面,說明濕地狀況較差,要盡快采取有效的措施防止情況惡化,積極退耕還湖,做好園林綠化。陽江和欽州響應層得分較低,說明城市在響應方面有欠缺,環保投資不足,因此要注意加強環保投入和擴大環保宣傳,防止濕地遭受破壞。

4 結論

針對濕地生態系統健康狀況評價需求,構建基于GEE平臺和PSR-AHP模型的濕地健康評價方法。以廣西與廣東沿海濕地為評價對象,運用GEE平臺獲取研究區遙感數據并提取濕地信息。結合遙感與統計數據從壓力、狀態和響應層構建了以廣西與廣東沿海濕地狀況健康評價指標體系。進一步地,利用AHP模型獲取各準則層得分和綜合健康得分。實驗結果表明,廣西與廣東沿海濕地生態系統總體較健康,75%的城市(包括崇左、防城港、欽州、玉林、湛江、茂名、陽江、江門、珠海、廣州、深圳、惠州、汕尾、揭陽和潮州)濕地健康狀態較好,健康等級為二級,25%的城市(包括北海、中山、佛山、東莞和汕頭)濕地處于亞健康水平。珠三角等地濕地面臨的壓力較大、狀態得分較低,應在城市化進程中注意濕地保護。陽江和欽州的響應較差,應注意環保宣傳與投資。未來研究將聚集于更精細尺度的濕地健康評價。