安济河湿地生态系统健康评价研究

秦余朝,刘 斌,智庆化,董欣婷,魏宇航

(1.水发规划设计有限公司,山东 济南 250014;2.菏泽黄河河务局郓城黄河河务局,山东 菏泽 274700)

湿地是一种重要的生态系统,它是由陆地生态系统和水生生态系统的相互作用而形成的,也是人类最重要的生存环境[1-2]。湿地生态系统被誉为“地球之肾”,并与森林、海洋一起称为全球的三大生态系统[3]。随着社会经济发展,伴随着城市化进程加快,生态系统遭受了一定程度的破坏,如生物多样性减少、河流水质恶化、湿地面积减少等问题。这些生态环境问题一直持续下去,将会威胁流域的生态安全,甚至会威胁到人类的发展[4]。对湿地生态健康状况的研究越来越受到国内外学者们的关注,也逐渐成为评价湿地生态方面的热点。这些研究通过判断湿地生态系统的健康状态,包括生态系统的破坏、退化程度,使用量化的方法对湿地生态系统进行监控评价。国外对湿地生态系统健康评价的研究较早[5-6],而我国在湿地生态系统健康评价的研究较少,主要是通过建立评价指标体系,再通过定量的评价方法进行分析。

国内学者从不同角度对不同区域的生态系统健康进行了评价分析,如喻立等[7]选取了驱动力、压力、状态等5个因子,建立了沙湖湿地健康评价指标体系,采用层次分析法对沙湖湿地的健康进行了评价;朱卫红等[8]以人口密度、土地利用强度、化肥施用强度等30个指标建立了图们江下游湿地生态系统健康评价指标体系,采用层次分析法和模糊综合评判法对该区域的湿地生态健康状况进行了评估;付元祥等[9]以云南洱源西湖国家湿地公园的环境因素、景观空间格局和社会经济功能3个方面为一级指标,建立了研究区的评价指标体系,运用层次分析法计算了各指标的权重,对该区域的生态系统健康做出了准确评价;宋创业等[10]选取环境、植物群落和植物生理生化特征等方面评价指标,采用层次分析方法对该区域的湿地生态健康进行了评价,其研究工作还包括一些生态系统健康评价指标体系模型,例如压力-状态-响应模型[11]、驱动力-状态-响应模型[12]。

研究基于压力-状态-响应模型,通过专家咨询和研究区的实际情况,选取人口密度、湿润指数、地表水质、年降水量、人口GDP增长等指标建立了安济河湿地评价指标体系,采用层次分析法对安济河的生态系统健康进行评价分析。

1 研究区域概况

安济河(34°58′～35°6′N,115°47′～116°2′E)位于菏泽市成武县境内,属于淮河流域万福河主要支流,上游发源于成武县九女集镇,从成武县河南王村东向进入新万福河,流经成武县九女集、伯乐集、汶上集、南鲁集、大田集5个乡镇,流域面积达170 km2。安济河原来长约25.20 km,后因东鱼河北支的开挖施工截为上下两段,下游段河道长16.70 km。根据实际调研情况,安济河河道堆积层主要由壤土、砂壤土组成,部分河段存在较严重淤积现象。研究区属于季风型大陆性气候,气候温暖湿润且雨量充沛,有着明显的季节性特点。通过查询资料,区域平均相对湿度为78%,多年平均气温为13.9 ℃,多年平均降水量627.3 mm。安济河流域附近设有张庄闸水文站(国家重点水文站),可提供准确的水文资料。

2 材料与方法

2.1 数据来源

研究数据主要来源于《菏泽市统计年鉴》、成武县相关部门官方网站查询、实地调研以及参考其他的相关文献。

2.2 研究方法

(1) 建立评价指标体系 根据评价指标原则[13]和安济河湿地生态系统的结构、功能特征,基于压力-状态-响应模型,确定了3个方面系统评价的主要一级指标和13个影响安济河湿地生态系统健康的影响因子,包括人口密度、旅游人数、年降水量等指标。研究建立了适合安济河湿地生态系统健康评价的指标体系,如图1所示。

图1 安济河湿地生态系统健康评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of Anji River wetland ecosystem health

根据上述湿地生态系统健康评价指标体系,需要确定每一个具体的指标值,并对每一个指标进一步划分为规范的评价等级进行描述。采用湿地生态系统健康评价等级划分的方法[14],将各指标的评价分为5个等级,分别是很健康、健康、较健康、一般病态以及疾病,采用专家打分的方法,5种评价等级分别用“5”、“4”、“3”、“2”和“1”表示指标在相应范围对应的分值。结合《国际制土壤质地分级标准》、《农用地分等定级规程》、《农田灌溉水质标准》以及其他规范等,确定每个指标值的范围,具体情况见表1。表1中很健康表示湿地生态系统具有良好的状态,生态功能表现极佳;健康表示湿地生态系统的自然状态较好,生态功能较好;较健康表示湿地生态系统的自然状态受到较小的影响;一般病态表示湿地生态系统的自然状态受到较大程度的破坏;疾病表示湿地生态系统的自然状态受到严重的破坏且严重恶化[8]。

表1 安济河湿地生态系统健康评价指标体系指标值

① 压力系统特征指标。安济河主要处于成武县,根据《成武县2017年国民经济和社会发展统计公报》,2017年末全县常住人口64.12万人,总面积约988 km2,平均649人/km2。根据统计数据,成武县发生干旱较为频繁,但近几年大力发展水利建设效果明显,水资源得到有效利用,结合相关统计资料,该流域干旱等级为中旱[15]。根据统计公报,该县2017年末耕地面积约为70 400 hm2,农用化肥施用量达到40 850 t,平均580 kg/hm2。2017年成武县的人均生产总值比上年增加了2 225元,人均增长率为8%。根据统计资料,近5年境外客人达到了700人次。

② 状态系统。根据《环境空气质量指数技术规定(试行)》(HJ 633-2012)规定将空气污染指数划分为6个不同等级,空气污染指数越大,表示空气污染越严重。根据山东省的空气质量年报分析结果,该区域属于菏泽市成武县的空气质量指数为113。结合近40年降水资料分析,成武县多年平均降水量673 mm。该区域气候温暖湿润,水生植物主要有浮萍、芦苇、莲等,植物覆盖程度较高。根据水土流失遥感普查资料,并结合实地调查,确定了原地貌土壤侵蚀模数为800 t/(km2·a),水土流失类型以水蚀为主,土壤侵蚀强度级别为轻度。根据《菏泽市人民政府关于生态市建设情况的报告》,全市的3条主要河流水质稳定达到三类水体标准,故安济河的水质为Ⅲ类。

③ 响应系统。该流域的土地类型主要以水田和林地为主,成武县政府高度重视环境保护建设,环境保护资金支出增加超过4%。政府相关部门采取了一系列的措施对安济河的湿地生态系统进行保护,开展了安济河生态湿地项目建设,并进行了安济河的清淤治理工作,采取针对性的措施和法规保护安济河的湿地生态健康。

综上所述,对各指标进行详细的分析,通过专家打分法对各指标进行量化打分(见表2)。

表2 评价指标量化

(2) 层次分析法 研究采用层次分析法作对研究区湿地生态系统系统监控进行评价。层次分析法(AHP)是20世纪70年代由美国Saaty教授提出的[16],该方法通过定量和定性相结合分析,运用运筹思想将复杂的问题分解为各个组成因素,并按支配关系分组形成层次结构,最终综合各因素之间的相互影响关系来判断各因素的相对重要性[17-18]。可将决策者的经验进行量化,通过两两因素比较的方式确定每个层次中各因素的相对重要性,最终能得到决策因素对目标的重要程度的排序情况[19]。关于层次分析法的计算过程步骤如下[8,20]。

步骤1建立层次结构模型。

基于压力-状态-响应模型,将各要素化为3个层次,目标层表示为A,准则层为B,假设有n个因素,分别表示为B1、B2、B3;指标层为C,也可以表示为C1、C2,…,C9,构造判断比较矩阵形式如下:

对于判断比较矩阵,其中bij表示的是Bi相对于Bj的重要程度,可采用Saaty教授提出的标度法[21-22],得到量化下一层指标相对上层目标的重要程度,具体定义见表3。

表3 标度的重要性定义

步骤2构造判断矩阵。

通过对指标量化打分的方法,进一步判断两两指标的重要程度,根据标度的方法可构造相应条件的判断矩阵。

步骤3一致性检验。

研究需要进一步对构建的判断矩阵进行一致性检验,通过计算一致性比率指标(CR)进行检验。一致性比率指标可由一致性指标CI和随机一致性指标RI的比值得到,即

表4 一致性指标汇总表

当CR<0.10时,则判断矩阵通过一致性检验,通过Matlab编程,计算特征值λmax对应的特征向量,继而得到权重向量。

步骤4计算综合得分。

综合分数采用综合指数法[23]计算得到,根据综合指标的权重进行加权叠加计算,最终可计算出湿地生态系统健康评价的量化结果。综合指数一般计算式为

其中:wi为指标的综合权重;xi为下一级指标所在的上一级指标的总分所占评价总分的比例对应的量化分值。

3 结果分析

3.1 各指标权重计算

根据上述分析,结合各个指标的量化结果,采用层次分析法对安济河湿地生态健康进行评价。首先根据一些学者的经验[14,24-25]和咨询专家对各个指标的重要程度进行判断,可得到评价指标的构造判断矩阵。

(1) 构造各指标判断矩阵 首先对目标层和各指标进行判断矩阵分析,详见表5～表8。

表5 目标层构造判断矩阵

表6 压力系统因素构造判断矩阵

表7 状态系统因素构造判断矩阵

表8 响应系统因素构造判断矩阵

(2) 确定指标权重 通过层次分析法计算得到目标层和每一个指标的权重值,首先要对主观得到

的构造判断矩阵进行一致性检验。根据一致性检验分析,当CR<0.10时,则研究构造的判断矩阵通过一致性,即不需要再构造判断矩阵。通过计算得到目标层、压力系统因素、状态系统因素及响应系统因素的一致性比率指标(CR)分别为0.033 2、0.049 4、0.006 3、0.007 9,均小于0.10,表明所有构造的判断矩阵均通过一致性检验。

基于以上计算结果,目标层权重值为(w1,w2,w3)=(0.258 3,0.637,0.104 7);压力系统因素得各指标的权重值为(w11,w12,w13,w14,w15)=(0.165 4,0.411,0.102 2,0.258 9,0.062 5);状态系统因素得各指标的权重值为(w21,w22,w23,w24,w25)=(0.261 9,0.052 4,0.088 7,0.152 4,0.444 6);响应系统因素得各指标的权重值为(w31,w32,w33)=(0.539 6,0.163 4,0.297)。

3.2 安济河湿地生态系统健康评价

(1) 总体情况评价 由3.1中计算得各评价指标的权重值,采用综合指数法,分析整个区域总体的生态系统健康状况。各评价指标的权重值和量化值见表9。基于湿地生态系统健康评价等级量化打分情况[14],将综合得分的大小映射到[0,5],根据前面的评价等级进行生态系统健康分析。各指标量化进行加权计算得到综合得分为2.73分,故应在较健康(3分)和一般病态之间(2分),结果更偏向较健康。总体上安济河湿地生态偏向较健康,但略低于较健康,说明该湿地生态系统的自然状态受到较小的影响,主要是因为人类活动频繁影响较大造成生态系统受到影响。

表9 评价指标权重值及量化值

(2) 不同因素评价 在安济河湿地生态系统健康影响的指标中,压力系统因素的二级指标干旱等级的权重值最大是0.411,化肥使用强度是状态最差的因子。状态系统因素所在的二级指标状态较好,响应系统因素所在的二级指标状态最好,说明近年来政府对湿地生态系统保护的关注度极高。采用综合指数法计算目标层各因素的量化情况,压力系统因素、状态系统因素和响应系统因素综合得分分别为2.15分、2.94分、3.33分。结果表明,响应系统因素超过了健康状态,状态系统因素几乎接近较健康状态,压力系统因素接近一般病态状态,说明安济河所在区域的城镇化进程加快,影响到了该区域的生态系统健康。综合总体和各因素的分析,城镇化人口居多、城市化加快、人口密度大,造成人类活动频繁,严重影响了生态系统健康状况。

4 结论

基于压力-状态-响应模型,构建了安济河湿地生态系统健康评价指标体系,采用专家打分和层次分析法,确定了各指标的量化值和权重值,并采用综合指数法计算湿地生态系统健康综合得分,最终对该区域的生态系统健康状态进行了评价。

(1) 安济河湿地生态系统健康的总体表现为接近较健康状态,揭示该湿地生态系统健康受到了一定程度的破坏,是由于成武县经济发展迅速,人口增加,河流污染增加导致。

(2) 根据目标层各因素的评价结果分析,响应系统健康状态的状况为较健康,压力系统健康状态接近一般病态,状态系统的健康状态接近较健康状态。可见该湿地生态系统仍要进一步加强保护措施。

(3) 综合总体和各因素的分析,安济河湿地生态系统健康状况受到人类活动的影响,频繁的人类活动引起了工程建设活动增加,原始天然植被减少,水生态环境问题突出。

研究结果可为安济河湿地生态系统健康研究提供参考和理论依据,也为政府和相关部门开展生态系统保护建设方案提供理论依据。