基于PSR模型的城市河流濕地生態(tài)健康評價
——以蘇州市姑蘇區(qū)為例

朱 穎 王春文 周昕宇 馮育青

（1 蘇州科技大學建筑與城市規(guī)劃學院， 江蘇 蘇州 215011；2 江蘇太湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站，江蘇 蘇州 215000；3 蘇州市濕地保護管理站，江蘇 蘇州 215000）

城市化進程中的土地擴張和高密度建設(shè)對城市河流濕地的生態(tài)服務功能產(chǎn)生影響，導致水污染和生物多樣性喪失等問題，進而影響城市健康發(fā)展，城市河流濕地的生態(tài)健康受到社會的廣泛關(guān)注（李港等,2022; 劉云等,2016）。2017年我國實行了嚴格的河長制度，有相關(guān)學者結(jié)合地方實際情況選取針對指標，提出基于河長制的健康評價體系（李慧敏等, 2020）。河流濕地的健康評估是河流管理的關(guān)鍵一環(huán)，同時也是河流生態(tài)修復和水體污染控制工作的首要任務，對城市的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的影響（張向徐等, 2023）。

河流濕地健康評價方法主要包括指示物種法和多指標評價法。指示物種法是采用魚類、底棲動物、藻類等生物類群的物種完整性來進行河流健康的判斷和監(jiān)測（Tianhong et al., 2018; 劉園園等,2020; 王軍等, 2014），但其監(jiān)測參數(shù)的偏差會導致評價結(jié)果的差異，無法全面評價河流健康狀況（張向徐等, 2023）。多指標評價法是選取具有代表性的影響指標，通過構(gòu)建評價指標體系，利用數(shù)學模型確定河流健康等級，其方法相對快速方便，并被廣泛應用在河流健康評價中（陸穎等, 2020; 劉苗苗等, 2019）；相關(guān)學者通過多指標評價法從不同角度選取和構(gòu)建評價指標體系，并快速全面地揭示河流濕地存在的健康問題（陳歆等, 2019; 鮑艷磊等, 2021; 張宇航等,2022）。

城市河流濕地健康評價指標選取多從河流自然屬性及人類活動對城市河流的壓力方面考慮，但關(guān)于人類積極措施對城市河流影響涉及不多。PSR模型是一種典型的綜合指標方法，能夠清晰地表征外界壓力、系統(tǒng)狀態(tài)和響應策略與行動三者間的聯(lián)系與相互作用（汪豪等, 2020），在構(gòu)建城市河流濕地多指標評價體系中引入PSR模型，可篩選出適合研究區(qū)的評價指標,這些指標將全面反映人類活動對河流濕地健康的正反影響。利用評價指標體系再結(jié)合熵權(quán)法（陸威妤等, 2023）、組合賦權(quán)法（楊哲等,2018）、物元可拓法（Zhao et al., 2019）等可判斷河流健康水平及預測河流健康狀態(tài)的發(fā)展趨勢。

本研究運用PSR（壓力-狀態(tài)-響應）模型構(gòu)建城市河流濕地健康評價指標體系，采用模糊綜合評價模型進行河流濕地健康評價，分析蘇州姑蘇區(qū)河流濕地健康影響因素及空間水平，對河流濕地健康狀況進行診斷，為濕地保護與管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇州市姑蘇區(qū)（31°15′25″ — 31°22′51″N，120°31′29″—120°39′03″E），面積8 342 hm2，截止到2022年，姑蘇區(qū)常駐人口92.84萬人。姑蘇區(qū)保留了2500年以來的城市河網(wǎng)肌理，水源來自于降雨、太湖、陽澄湖和大運河水的輸入。據(jù)全國第三次濕地調(diào)查的結(jié)果，姑蘇區(qū)濕地總面積為677.68 hm2，其中，河流濕地面積為557.96 hm2，占濕地總面積的82.33%。姑蘇區(qū)河流以水系為脈絡、河道為骨架、街巷相依附，其河流水系包含護城河、干流系統(tǒng)和支流系統(tǒng)三個級別，形成“三橫四直”布局，具有典型的城市河流濕地特征（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及河流濕地斑塊分布圖Fig.1 Locationofthe studyareaanddistribution of riverine wetland patches

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

1）遙感數(shù)據(jù)。本研究的主要數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http://www.gscloud.cn/）所提供的蘇州市2022年Landsat8 OLI遙感影像，數(shù)據(jù)分辨率為30 m。研究過程中NDVI數(shù)據(jù)來源于國家綜合地球觀測數(shù)據(jù)共享平臺(http://www.chinageoss.org/)，結(jié)合2022年谷歌地圖和實地調(diào)研，利用ENVI5.3、ArcGIS10.8進行監(jiān)督分類與目視解譯相結(jié)合的方法獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)。

2）調(diào)研數(shù)據(jù)。2022年8月20日—9月20日對姑蘇區(qū)濕地現(xiàn)狀開展了考察與調(diào)研，包括水體透明度、動植物資源、保護管理狀況和水利工程設(shè)施等。

3）其他數(shù)據(jù)。蘇州統(tǒng)計局《2022蘇州統(tǒng)計年鑒》《2022年蘇州市水資源公報》《2022年蘇州市生態(tài)環(huán)境公報》《姑蘇區(qū)2022年鑒》等相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2.2 基于PSR模型的評價體系構(gòu)建

1）評價指標篩選及體系構(gòu)建。本研究綜合考慮姑蘇區(qū)河流濕地實際狀況及水文特征，結(jié)合與專家咨詢并考慮指標的可獲取性和普適性，構(gòu)建壓力、狀態(tài)、響應3個層面共14個指標的城市河流濕地健康評價指標體系（表1）。

表1 評價指標體系及指標計算方法Table 1 Evaluation indicator system and indicator calculation method

2）評價指標權(quán)重確定。根據(jù)姑蘇區(qū)河流濕地實地調(diào)研情況及遙感影像數(shù)據(jù)，并結(jié)合專家意見和相關(guān)參考資料，選用層次分析法(AHP)，得到了評價指標體系中各層次的判斷矩陣及各評價指標權(quán)重（張宇帆等, 2022; 趙衡等, 2020）（表2）。

3）評價分級。本研究結(jié)合國內(nèi)外河流健康評價的研究成果、河湖健康評價規(guī)范以及水網(wǎng)地區(qū)河流濕地的實際情況，將河流濕地健康分為5個健康等級,即健康、亞健康、中等、亞病態(tài)、病態(tài)（表3）。

表3 姑蘇區(qū)河流濕地健康評價指標分級標準及指標數(shù)據(jù)Table 3 Grading criteria and indicator data of river wetland health evaluation indicators in Gusu District

1.2.3 模糊綜合評價法本研究使用模糊綜合評價法，將定性和定量要素與影響相結(jié)合以反映評價標準和影響變量的模糊性；該方法將人的主觀經(jīng)驗充分納入審查，提高客觀性并使評估結(jié)果與實際情況保持一致性（Chengguang et al., 2015; 汪順生等, 2018）。

通過模糊算術(shù)運算將模糊隸屬度矩陣與指標權(quán)重相結(jié)合，得到評估向量：

式中:wi指的是第i個(i=1,2,3,…,m)評價準則的權(quán)重；rij指的是i的第j(j=1，2，…,n) 級模糊隸屬度的表示；bj指的是在評價等級劃分中的隸屬度；m指的是評價指標總數(shù)；n指的是評價等級數(shù)。

姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況可以用綜合評價指數(shù)（CEL）來反映。通常使用多目標線性加權(quán)函數(shù)進行計算。在本文中，評估等級的數(shù)量為n=5，CEI的計算公式為：

綜合國內(nèi)外學者對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評估的相關(guān)研究成果（Sk et al.，2023；趙衡等，2022），結(jié)合姑蘇區(qū)河流濕地實際情況，對其健康程度進行等級劃分（表4）。

表4 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度分級Table 4 Grading of wetland ecosystem health

2 結(jié)果與分析

2.1 姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)健康特征

采用模糊綜合評價法來構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，并從中得出各評價指標的隸屬度（表5）。通過多目標線性加權(quán)函數(shù)的運算，最終計算得出2022年蘇州市姑蘇區(qū)河流濕地的生態(tài)健康綜合評價指數(shù)為0.653。這一數(shù)據(jù)揭示出該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康等級為“中等”，接近“亞健康”狀態(tài)，評價結(jié)果的真實性與濕地實際健康現(xiàn)狀相符。

表5 姑蘇區(qū)河流濕地生態(tài)健康評價指數(shù)及等級隸屬度Table 5 Ecological health evaluation index and rank affiliation of river wetlands in Gusu district

2.1.1 壓力分析姑蘇區(qū)河流濕地壓力層綜合評價指數(shù)為0.625，健康等級為“中等”等級。其中，建設(shè)用地占比處于“病態(tài)”等級，這主要由于城市化進程的加快，城市河流濕地受城市建設(shè)干擾，導致生境破碎化加劇，濕地面積喪失。部分區(qū)域在政府或相關(guān)部門進行統(tǒng)一規(guī)劃、投資和管理下，呈現(xiàn)出濕地健康狀況良好，生態(tài)效益可觀。部分河流濕地由于本身的康復能力無法立即有效應對和解決這些問題，因此，河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況等級相對較低。

2.2.2 狀態(tài)分析姑蘇區(qū)河流濕地狀態(tài)層綜合評價指數(shù)為0.658，健康等級為“中等”等級。水質(zhì)狀況和生物多樣性是評估河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)的兩大主要指標，植被多樣性處于“亞病態(tài)”等級，這主要是由于城市化進程使得濕地面積減少，原有的濕地被填埋或者被開發(fā)建設(shè)，導致濕地生態(tài)系統(tǒng)受到破壞，植被多樣性受到影響。元和塘和平門塘河處于人類活動頻繁的商業(yè)街區(qū)之間，河流兩岸采用硬質(zhì)護岸，增加了面源污染，在降雨時易直接沖刷進入河道，并且河岸帶缺乏植被覆蓋，使河流整體的健康狀態(tài)較低。

2.2.3 響應分析姑蘇區(qū)河流濕地響應層綜合評價指數(shù)為0.663，健康等級為“中等”等級。污水處理率和防洪達標率分別處于“健康”與“亞健康”等級，這主要是由于近年來姑蘇區(qū)通過控源截污、河道清淤、自流活水、長效保潔等工程實施，改善了河網(wǎng)的水流流動速度。姑蘇區(qū)河流濕地受上游水源地太湖、陽澄湖等影響，以及該區(qū)域尚未實施大型或中型的生態(tài)恢復工程，主要依靠人工干預以及生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復能力來改善當前狀況，植被覆蓋率和濕地保護率恢復緩慢。

2.2 姑蘇區(qū)河流濕地健康影響因素及空間水平

以姑蘇區(qū)河流濕地為例，河流濕地健康狀態(tài)在城市不同類型功能區(qū)域呈現(xiàn)出顯著的差異性，例如公園綠地、居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等。這些不同類型區(qū)域?qū)恿鳚竦氐乃|(zhì)和生態(tài)健康具有明顯的影響。聚焦不同層面的影響因素，壓力層中城市化進程、人類活動、氣候變化等均是造成河流濕地健康水平差異的因素；狀態(tài)層中水質(zhì)狀況、生物多樣性等是造成不同地區(qū)河流濕地狀態(tài)不同的重要因素；響應層中政府和社會對河流濕地的保護和治理措施是影響健康水平的重要因素，也是造成不同地區(qū)政府和社會對河流濕地的響應程度差異的重要原因。

綜上所述，不同區(qū)域河流濕地健康水平存在較大差異性的原因是不同區(qū)域受到人類活動所產(chǎn)生的壓力，狀態(tài)層能更好地直觀表現(xiàn)河流濕地受到壓力的健康狀態(tài)，因此，土地利用類型及人為活動干擾是影響城市河流濕地健康狀況的主要因素。

3 討論

河流和濕地生態(tài)系統(tǒng)涉及的健康評價范圍寬泛，評估指標種類眾多，因此，構(gòu)建河流濕地健康評價指標體系時，無法避免存在大量的主觀因素，各個區(qū)域和不同類型河流之間的差別也十分明顯。例如，南方和北方的河流，城市河道和天然河流，河流主流和支流之間的差異都很顯著。同時，河流中的水文資源、生態(tài)環(huán)境、生物以及經(jīng)濟社會屬性也各不同。指標的選取作為河流濕地健康評價的難點之一，眾多國內(nèi)外學者們在河流健康概念發(fā)展的基礎(chǔ)上，采用生物多樣性、水質(zhì)、植被覆蓋率、河流縱向連通性、河岸帶等指標用以建立河流生態(tài)健康評價體系（Zhao et al., 2019; Sk et al.,2023）。評價方法主要分為單因素評價和多指標綜合評價，多指標綜合評價體系可以全面地反映河流濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況（劉苗苗等, 2019; 陳歆等, 2019；鮑艷磊等, 2021; 張宇帆等, 2022）。本文根據(jù)水網(wǎng)地區(qū)和姑蘇區(qū)河流濕地的特征，并參考相關(guān)學者選取的評價指標，建立基于壓力（P）、狀態(tài)（S）、響應（R）模型的評價指標體系，這一體系對于提升城市河流濕地健康評價的準確性具有明顯的效果，且適合應用于人類活動與自然過程交互作用下的城市河流濕地。此外，河流濕地不僅需具備河流的生態(tài)功能，還需具備一定的社會功能。河流在流經(jīng)不同類型區(qū)域所受到的影響導致不同區(qū)域河流濕地健康水平存在較大的差異性。

4 結(jié)論

1)蘇州市姑蘇區(qū)2022年河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價指數(shù)為0.653，河流濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況處于“中等”等級，接近“亞健康”狀態(tài)。

2)根據(jù)PSR模型構(gòu)建的姑蘇區(qū)河流濕地健康評價體系包含了壓力指標、狀態(tài)指標和響應指標3個方面。該評價體系選取了人口密度、建設(shè)用地占比、水質(zhì)等級、植被覆蓋率等共計14個指標。3個指標層的排序權(quán)重為狀態(tài)層指標＞壓力層指標＞響應層指標，說明狀態(tài)層指標可直觀的表現(xiàn)河流濕地健康狀態(tài)，其狀態(tài)層的綜合健康指數(shù)為0.658。

3)本研究揭示了姑蘇區(qū)河流濕地的健康水平在不同區(qū)域具有顯著差異，這些差異與各河段所處城市流域所承受的壓力有重要的關(guān)系。流經(jīng)建設(shè)強度大、居住區(qū)密集、植被覆蓋率低的河段其健康水平較低；反之，那些周邊建設(shè)強度較低，靠近大城市公園的河段，其濕地健康水平相對較高。這意味著城市的建設(shè)強度和植被覆蓋率因素對姑蘇區(qū)河流濕地的健康狀態(tài)具有顯著影響。