神农架大九湖国家湿地公园景观健康变化研究

杨 利，杨静涵，石道良

(1.湖南师范大学旅游学院，中国 长沙 410081；2.湖北省野生动植物保护总站，中国 武汉 430000)

湿地是水域生态系统与陆地生态系统的相接缓冲地带，不仅具有极高的生产力，而且在保护生物多样性、维持全球生态平衡方面也发挥着重要作用[1，2]。建设湿地公园是进行湿地保护的一种有效方式，湿地公园是具有一定规模的水体,以湿地景观为主体,以湿地生态系统保护为核心[3],具有湿地生态系统服务、休闲娱乐、科研教育等功能和审美价值,被特殊保护和管理的湿地区域。湿地公园不仅在湿地生态保护方面发挥重要作用，还能为人们提供旅游资源和科教娱乐场所[4]。

景观健康的概念源于英国学者Leopold提出的“土地健康”概念[5]，景观健康评价是通过研究湿地生态系统在当前环境压力和人为干扰下的表现特征，对湿地景观生态系统现状进行诊断。景观健康评价的研究深受生态系统健康评价研究的影响，其评价方法在国内外学者的探索中不断完善，目前应用最为广泛的方法为生物法[6]、指标体系法[7-9]和综合评价方法[10-12]，此外，随着景观生态学的发展和3S技术的进步，景观指标被应用到指标体系的研究中，众多学者基于景观格局演变分析对湿地景观生态系统健康进行评价，使得评价结果更加准确[13-15]。大九湖国家湿地公园位于湖北省神农架林区，在提供生物栖息地、保护湿地生态系统、维持区域生态平衡等方面发挥着重要作用，同时，该地拥有独特的冰川地貌和高山泥炭藓沼泽景观，不仅是观赏价值极高的旅游胜地，也是开展生态文明教育的重要基地。但随着土地利用开发和旅游活动的开展，大九湖国家湿地公园生态环境遭受一定程度的破坏，出现水质下降、湿地面积退化等一系列问题[16-19]。基于此，本文运用PSR模型，综合景观格局、湿地环境和社会经济3个层面构建景观健康评价指标体系，对大九湖国家湿地公园湿地景观健康程度进行评价，以期为大九湖国家湿地公园今后的健康发展提供一定的参考。

1 研究区域概况

神农架大九湖国家湿地公园位于湖北省神农架林区西南地区，与重庆、陕西接邻，四周群山环绕，中间为平坦的盆地地形(图1)，该地拥有极具典型性的亚热带高山泥炭藓沼泽湿地，且保存较为完好，在研究华中地区气候变化和生物演变方面发挥着重要作用。大九湖国家湿地公园属于典型的亚高山沼泽型湿地气候，气候温凉，日照时长较短，年均气温 7.4 ℃，无霜期短，年均降水量为1 560 mm。湿地区域内有高等维管植物46科83属98种，其中包含多种沼泽湿地优势植物，并且拥有白鹳、金雕等诸多珍稀物种[20，21]。

图1 大九湖国家湿地公园区位图Fig. 1 Location map of Dajiuhu National Wetland Park

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究以2005，2010，2015和2019年为研究时段，研究数据包括4个时间节点的遥感影像数据、相关统计数据以及样地调查数据。其中遥感影像来源于地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)的Landsat影像数据，空间分辨率为30 m，遥感数据时相均为6～10月。运用ENVI 5.3和ArcGIS 10.2软件进行几何校正、影像增强、裁剪等预处理，依据遥感影像特征并结合样地调查信息进行遥感解译。相关统计数据来源于《神农架林区统计年鉴》、《神农架林区国民经济和社会发展统计公报》、环保部门的统计数据、旅游行业统计报告以及相关网站等。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标体系的构建 PSR模型最早由加拿大统计学家 Rapport等提出，最初主要应用于生态环境保护方面的研究，因其具有较强的体系性和适用性，因此在生态健康及环境质量评价方面具有广泛的应用[22]，本文结合大九湖国家湿地公园的具体情况，遵循科学性、合理性、全面性等原则选取评价指标，构建了由目标层、准则层和指标层组成的大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系，将湿地公园景观健康评价指标体系分为压力(P)、状态(S)和响应(R)3个方面，其中压力指标由人口压力、城镇化水平、GDP年均增长率、人均耕地面积、化肥施用强度、客流量、旅游业总收入7个指标构成；状态指标由湿地空气质量达标率、湿地环境噪声平均值、湿地地表水质达标率、景观聚集度、景观多样性、景观破碎度、景观分离度、景观均匀度、旅游休闲功能、提供生物栖息地功能等10个指标构成；响应指标由湿地保护程度、政策法规贯穿力度、科普宣教情况、第三产业所占比重、环保投资指数、污水处理率6个指标构成(表1)。

表1 大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系

2.2.2 评价指标权重确定 大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系中的各指标大多为定量指标，每个指标对于景观健康的影响程度大小不一，需要对各指标合理赋予权重。赋权方法主要包括主观赋权法和客观赋权法，为了使赋权结果更加科学合理，本文采用层次分析法(AHP)和熵值法相结合，主客观综合赋予评价指标权重，既能充分考虑专家的意见，又能在一定程度上减轻赋权结果主观性过强所造成的影响。

1)层次分析法(AHP)

层次分析法是一种主观赋权方法，它以各评价指标为根据构建判断矩阵，通过专家对两两指标的相对重要性进行对比赋值来确定各评价指标的最终权重[23]。本文根据大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系及实地调研情况，咨询专家意见，专家根据1～9级标度法(表2)对两两指标的重要性进行比较赋值，构建大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系各个层次的判断矩阵，并对各个判断矩阵的最大特征值及特征向量进行计算，最终得出指标体系中各个评价指标的权重值。

表2 标度表

2)熵值法

熵值法是一种客观赋权方法，它通过熵值来判断指标的离散程度，进而确定指标对评价结果的影响程度。熵值法的运算步骤如下：

(1)由于原始数据对评价结果的影响具有正负之分，且各指标单位差异较大，因此需要对原始数据进行无量纲化处理。本文采用极值法得到各评价指标的标准化值，其中对正负指标的处理如下：

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

(1)

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

(2)

由此得出数据标准化矩阵：

(2)将标准化矩阵进行归一化处理：

(3)

(3)计算第j项指标的熵值：

(4)

(4)计算第j项指标的差异性系数：

gj=1-ej，

(5)

(5)计算第j项指标的权重：

(6)

3)综合权重

为了避免指标权重主观性过强，在通过层次分析法(AHP)进行主观赋权的同时，采用熵值法对各评价指标进行客观赋权，以减轻指标权重主观性过强对综合评价结果造成的影响，最终采用二者平均值作为各指标综合权重。

2.2.3 综合指数法 本文采用综合指数法对大九湖国家湿地公园景观健康综合评价，最终得出压力层健康指数P(x)、状态层健康指数S(y)、响应层健康指数R(z)和综合景观健康指数E，计算过程如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

其中，Wi为第i项指标的综合权重，Xi为压力层各指标的标准化值，Yi为状态层各项指标的标准化值，Zi为响应层各项指标的标准化值，Ei为压力层、状态层、响应层3个子系统的健康指数，a，b和c为3个子系统所包含的指标数量。

2.2.4 指标分级标准 根据湿地公园景观健康研究内容及大九湖国家湿地公园实际情况，依据政府、生态行业与地区标准，并参考相关文献[24，25]进行综合分析之后,将大九湖国家湿地公园景观健康程度划分为“很健康、健康、亚健康、一般病态、疾病”5个等级，各评价指标的分级标准具体见表3。

表3 湿地公园景观健康评价结果等级分类

3 结果与分析

采用层次分析法和熵值法对大九湖国家湿地公园景观健康评价指标进行主客观综合赋值，得出各准则层指标和各评价指标因子的权重(表4和表5)，并根据标准化值和综合权重，通过综合指数法得出大九湖国家湿地公园2005，2010，2015和2019年的景观健康综合指数和各准则层健康指数及其变化趋势(图2)。准则层各因素权重排序为状态层(0.478 9)>压力层(0.299 4)>响应层(0.220 7)，其中状态层权重值最高，对湿地公园景观健康程度影响最大。2005，2010，2015和21019年大九湖国家湿地公园的景观健康综合指数分别为0.513 9，0.490 4，0.471 3和0.610 4。

表4 准则层指标权重

表5 大九湖国家湿地公园景观健康评价指标因子标准化值与权重值

3.1 压力层分析

客流量是压力层中对景观健康程度影响最大的指标，压力层中各指标因子的重要程度排序为客流量>城镇化水平>化肥施用强度>旅游业总收入>GDP年均增长率>人口压力>人均耕地面积。2005年压力层健康指数为0.745 2，健康水平为“健康”，而2010年健康指数则下降至0.253 4，为“一般病态”状态，2015和2019年又分别升至0.513 2和0.502 8，均为“亚健康”状态。说明大九湖国家湿地公园压力层健康指数变化较为明显，对外界干扰的敏感度较高，受外来影响较大。大九湖国家湿地公园于2006年建成并投入使用，2005年客流量较小，城镇化水平和旅游业总收入较低，该时期景观健康受人为干扰胁迫程度较低，压力层保持在一个健康的水平。湿地公园的建成带动了当地经济的发展和城镇化水平的提高，随之引起居民及游客数量的不断增加和人均耕地面积的减少。经济发展的需要促使人们对当地资源进行攫取，人类活动亦使当地生态环境遭受一定程度的破坏，最终导致压力层健康水平和湿地公园景观健康水平的降低。为了缓解环境压力，当地政府部门采取了一系列补救措施，并实行生态移民政策，以减轻人类活动对景观健康的影响，基于可持续理念对大九湖国家湿地公园进行科学有效的管理，景观健康水平亦得到相应提升。

3.2 状态层分析

在状态层中，湿地地表水质达标率和提供生物栖息地功能对景观健康程度影响最大，状态层中各指标因子的重要程度排序为湿地地表水质达标率>提供生物栖息地功能>湿地空气质量水平>景观聚集度>旅游休闲功能>湿地环境噪声平均值>景观破碎度>景观均匀度>景观多样性>景观分离度。2005，2010，2015和2019年大九湖国家湿地公园状态层健康指数分别为0.524 9，0.725 4，0.229 2和0.627 6，其中2005年状态层健康程度处于“亚健康”水平，2010年处于“健康”水平，2015年处于“一般病态”水平，2019年处于“健康”水平，由此可知大九湖国家湿地公园状态层健康水平变化波动较大。大九湖国家湿地公园面向游客开放后，经济发展对环境的改变和人为活动的加剧，对该地湿地景观格局和生态环境造成了一定的影响，其中最为突出的变化是景观破碎度、景观分离度指数的增加和提供生物栖息地功能水平的提升，并进一步导致了景观健康水平的变化。

3.3 响应层分析

环保投资指数是响应层中对景观健康程度影响最大的指标，响应层中各指标因子的重要程度排序为环保投资指数>污水处理率>第三产业所占比重>政策法规贯穿力度>湿地保护程度>科普宣教情况。2005，2010，2015和2019年大九湖国家湿地公园响应层健康指数分别为0.176 2，0.300 9，0.940 9和0.719 3，2005年响应层健康程度属于“疾病”等级，2010年属于“一般病态”等级，2015年属于“很健康”等级，2019年属于“健康”等级，健康水平总体趋于上升，且2005—2015年间上升幅度较大。湿地公园在建成之前，当地居民和政府部门环保投资意识较为薄弱，缺乏对环保和科普宣教的认知，因此2005年响应层健康水平极低。湿地公园建成之后，人们对大九湖区域的关注度越来越高，其管理和发展亦有专门部门负责，出于经济发展和湿地公园维护的需要，相关部门出台了一系列关于大九湖国家湿地公园生态保护的相关政策法规，重视对该区域的环保投资状况，污水处理率得到大大提升，为了提升公众环保意识，该地兴建了科普教育馆和相关文化基地，景区内也通过各种方式对大九湖国家湿地公园进行科普宣传教育。这些措施的实行，对湿地公园状态层指数产生了极大的影响，并在一定程度上提升了湿地公园景观健康水平。

3.4 大九湖国家湿地公园景观健康整体变化

图2 大九湖国家湿地公园各子系统及整体景观健康指数变化Fig. 2 Changes of landscape health index of each subsystem and the whole landscape in Dajiuhu National Wetland Park

大九湖国家湿地公园2005，2010，2015年景观健康指数分别为0.513 9，0.490 4和0.4713，根据湿地公园景观健康评价结果等级分类可知，3个年份景观健康水平皆处于“亚健康”状态，2019年景观健康指数为0.610 4，景观健康水平处于“健康”状态。大九湖国家湿地公园于2006年建成并对外开放，在景区投入运营之前大九湖较少受到外来游客的影响，但该地区多为当地农民耕种放牧所用，由于缺乏科学有效的农牧业管理措施，当地居民进行了一些不合理的耕种放牧活动，对该时期大九湖生态环境造成了一定影响，2005年景观健康指数为0.513 9，处于“亚健康”水平。2006年大九湖国家湿地公园开始对外开放，接收外来游客，随着大九湖国家湿地公园的声名远扬，游客来访量也日益增多，该时期大九湖受到人为干扰影响较大，且景区发展初期游客及管理人员对景区生态保护不甚重视，导致生态系统出现一系列问题，景观健康程度亦因此发生一定变化，由2005年的0.513 9降至2010年的0.490 4和2015年的0.471 3，但景观健康等级均在“亚健康”状态。随着湿地公园的建设发展人们开始逐渐重视人类活动对湿地公园生态系统的影响，并采取科学合理的政策和相应措施来应对当下问题，环境问题得到一定的治理，湿地公园也不断向可持续发展方向迈进，景观健康程度也得以提升至0.610 4，由原来的“亚健康”水平转变为“健康”水平。

4 结论

研究利用PSR模型，对评价指标进行主客观赋权，通过综合指数法得出大九湖国家湿地公园景观健康水平的变化，结论如下：

(1)湿地公园建成前和建成初期景观健康程度为“亚健康”状态，且景观健康指数有所下降，通过对湿地公园的科学管理，景观健康水平得到提高。2005，2010，2015和2019年大九湖国家湿地公园景观健康综合评价指数分别为0.513 9，0.490 4，0.471 3和0.610 4，分别处于“亚健康”、“亚健康”、“亚健康”、“健康”状态。

(2)在大九湖国家湿地公园景观健康评价体系的子系统中，状态层(S)的权重值最高，为0.479 8，对湿地公园景观健康水平影响最大，其次是压力层(P)，为0.299 4，最后是响应层(R)，为0.220 7。

(3)在大九湖国家湿地公园景观健康评价指标体系中，客流量、湿地地表水质达标率、提供生物栖息地功能和环保投资指数是大九湖国家湿地公园景观健康水平最主要的影响因素。

评价结果反映了大九湖国家湿地公园2005，2010，2015和2019年的景观健康水平和变化状况，但由于湿地景观生态系统构成较为复杂，且数据获取受限，因此选取的评价指标在一定程度上难以全面反映湿地公园景观生态系统状况。因此在今后的研究中，需基于湿地公园特征及景观生态系统的复杂性，构建更为科学合理的景观健康评价指标体系，以更加全面准确地判断湿地公园景观健康状况。此外，大九湖国家湿地公园区域面积较小，对于该类小尺度的景观健康研究，今后可以结合3S最新技术，对研究区域进行实时数据监测，并选取更高精度的遥感影像数据用于研究，以使研究结果更为精准。