会仙岩溶湿地生态系统健康评价

汪海伦， 路明*， 邹胜章， 申豪勇

(1.河北工程大学水利水电学院， 邯郸 056001； 2.河北省智慧水利重点实验室， 邯郸 056001； 3.中国地质科学院岩溶地质研究所， 桂林 541004)

湿地是人类不可多得的宝贵财富，对环境的调控性非常大。作为地球上物种多样性最为丰富的生态景观之一，湿地生态系统是一个相对独特的自然生态系统[1]。湿地生态系统功能繁多，如调节气候变化，净化水质，提供物种栖息地，保证水资源供给等，被人们广泛看作“物种基因库”和“生物超市”[2-3]，同时也被誉为“地球之肾”“人类文明的发源地”[4-6]，并与森林、海洋一起称为全球的三大生态系统[7]。维护湿地生态系统健康对保障系统功能发挥和促进生态文明建设具有重要作用。

现今，已有学者尝试从某些方面对会仙岩溶湿地风险评估做了相应的探讨，如湿地丰平枯水期地表水污染及灌溉适用性评价[8]、典型的抗生素污染特点及生态风险评估[9]、生态系统服务功能价值动态评估[10]以及水体金属元素分布与健康风险评价[11]等研究。然而，针对会仙岩溶湿地开展具有岩溶特征的评价指标体系构建并进行评价的研究相对较少。为此，应用“压力-状态-响应”模型，构建体现岩溶湿地特征、适于岩溶湿地生态系统健康评价的指标体系，并运用二元对比定权法确定各类指标权重，采用综合评价指数的评价方法对会仙湿地进行评价，以期为会仙湿地生态系统的保护和治理工作提供科学依据。

1 研究区概况

会仙湿地位于广西壮族自治区桂林市西南部，由临桂区会仙镇、四塘乡和雁山区部分地区组成。距桂林市区约30 km，交通便利。其地理坐标为：东经110°08′15″～110°18′00″、北纬25°01′30″～25°11′15″。基于会仙湿地独特的地域特性和环境调控优势，会仙湿地于2012年正式被国家林业和草原局纳入国家湿地公园试点。

会仙岩溶湿地是中国低纬度、低海拔亚热带喀斯特地区规模最大的自然湿地，也是中国乃至世界热带、亚热带岩溶峰林地貌中最具有研究价值的典型湿地。近年来，会仙湿地在各种自然因素和人为因素的影响下，面积日渐萎缩，生态环境日趋恶化，生态系统脆弱性加剧[12]，湿地面积也由20世纪70年代的120 km2退化萎缩至24 km2，常年水域面积不足6 km2，整体生态环境已处于濒危状态。基于会仙湿地面临的问题，桂林市人民政府出台了一系列政策，坚持优先考虑湿地的生态价值修复原则，促进湿地保护和综合利用，修复湿地生态系统，会仙岩溶湿地自然景观遭受破坏的趋势得以基本遏制。

影响会仙湿地的扰动因素存在自然和人类两个方面，而人类经济活动在会仙湿地的加速退化和结构演变中起主导作用。

1.1 自然扰动

从自然情况来看，对会仙湿地的影响因素如下。

(1)气候温度。全球气候温度逐渐上升，年均气温从近60年升高了0.8 ℃[13]。气温升高造成了湿地环境干燥缺水、地下水位下降和水域面积减少，出现岩溶塌陷以及连续水体被分隔的现象，最终造成湿地萎缩。

(2)水文地质。由于会仙湿地特殊的水文地质结构，湿地内旱涝交替灾害频发，平均每年出现涝灾次数达7.6次。

(3)外来物种入侵。水葫芦和空心莲子草等外来物种在富营养化的水体中疯狂生长，导致河道堵塞；大量的福寿螺繁殖能力超强，对当地农田危害性较大。

1.2 人类扰动

(1)围垦养殖。河湖围垦、养殖过度等人类活动，加速了湿地面积的萎缩和湿地环境的退化，过度捕捞造成湿地主要鱼类种群出现衰退甚至丧失。

(2)水土污染。人口的增多造成湿地内排污量增加，居民区周边湿地受到了一定程度的污染，造成水体富营养化。此外，虽然水葫芦在净化水质方面有一定的作用，但其在生长过程中需要消耗大量的氧气，促进厌氧微生物的繁殖和代谢，这一过程致使湿地出现大量水葫芦腐烂现象，进一步加剧了水体富营养化。随着大量使用农药和化肥，会仙湿地受到严重污染，自然湿地面积减少，生态恢复能力逐渐退化，部分物种数量逐渐减少甚至消失。

(3)石漠化。不合理的开发加剧了石漠化恶化程度，1973—2018年，石漠化面积增加了3.49 km2，造成水土流失，进而致使湿地淤积、调蓄功能降低。

2 会仙湿地生态系统健康评价指标体系构建

2.1 评价指标的选取原则

从众多扰动因素中分析能够准确反映生态系统健康状况的关键指标，筛选指标原则如下。

(1)整体性。任何生态和环境问题都是互相依存的，两者互相作用、共同影响，不可能独立存在。会仙湿地生态系统作为自然-经济-社会复合型生态系统，需要从综合性的角度出发进行考虑。

(2)代表性。所选指标要结合会仙湿地的实际情况，能够客观、全面地反映湿地生态系统健康状况。

(3)地域性。所选指标要因地制宜，能体现出岩溶地区地域特色。

(4)可操作性。所选指标计算简单，数据容易获取。

(5)科学性。所选指标要能体现会仙湿地生态系统结构的发展，且各指标概念清晰，计算方法具有科学性。

2.2 评价指标系统的建立

依据上述指标筛选原则，结合会仙湿地人与环境之间的相互作用关系，从生态系统的基本组成、生态特征、经济社会影响等多方面进行筛选，建立了三层递阶结构会仙湿地生态系统健康评价指标体系，如表1所示。

(1)压力指标：表征自然和人类活动对会仙湿地生态系统健康影响的外界因素。上述因素中，人类活动对湿地干预最大，如湿地蚕食围垦、过度养殖和捕捞、污水肆意排放等。选取人口密度、年均降雨量、年均气温和土地利用率4项指标做为会仙湿地生态系统健康评价的压力指标。

表1 会仙湿地生态系统健康评价指标体系Table 1 The ecological health assessment index system of Huixian wetland

(2)状态指标：表征会仙湿地生态系统与健康环境现状等状态。选取指标时主要考虑环境或生态系统的生物、物理化学特征及生态功能[14]。从水质、生物、生态和岩溶特征等多个角度选取了9项指标。

(3)响应指标：表征意识和行为的变化对不利于生态环境健康做出的反应。随着人类活动的加剧，湿地生态系统内部调控结构和功能受到破坏，湿地生态环境越来越恶劣。因此，本文从湿地现状及社会响应两方面选取了湿地退化指数、斑块破碎化指数、湿地保护管理级别、政策支持4项指标。

2.3 评价指标等级划分标准

指标评估标准要综合性考虑和衡量，否则将直接影响评估结果的精度和准确性[15]。根据会仙湿地特性，并结合《国家湿地公园评估评分标准》(LY/T 1754—2008)及相关文献等资料[13,16-20]，对会仙湿地生态系统健康评价各指标进行等级划分，如表2所示。

表2 会仙岩溶湿地生态系统健康评价指标分级标准Table 2 Classification standard for health assessment index of Huixian karst wetland ecosystem

3 会仙湿地生态系统健康评价分析

3.1 二元对比定权法确定指标权重

湿地生态系统健康状况的合理评价是湿地管理决策的基础，而湿地健康评价结果通常取决于确定的指标权重是否合理，因此指标权重的确定是湿地健康评价中的一个关键步骤[21]。目前，确定指标权重的方法主要有两大类，一类是主观赋权法，一类是客观赋权法[22]。主观法较为成熟，如层次分析法、Delphi法[23]和环比评分法等。客观法多采用熵值法、多目标规划法和主成分分析法(principal component analysis，PCA)等[24]。前者主观性太强，应用中也具有很大的局限性，后者虽然客观，但对于功能整合性指标中的定性部分则无法实现权重的确定[7]，或者确定的权重与实际情况并非完全一致。在充分考虑主客观赋权法的优缺点基础上，采用定性排序和定量标度相结合的二元对比定权法，其基本原理和求解步骤如下[25-28]。

(1)建立重要性排序一致性标度矩阵E：对含有n个指标的指标集D={d1,d2,…,dn}中每个指标按其重要性分别进行二元对比：若di比dj重要，则排序标度eij=1，eji=0；否则eij=0，eji=1；若两者同等重要，则eij=eji=0.5；i=1,2,…,n；j=1,2,…,n。根据比较结果构建二元对比定性排序标度矩阵E为

(1)

值得注意的是eij与eji仅在0、0.5、1之中取值。

(2)标度矩阵E的一致性检验：指标重要性排序一致性检验条件为：若排序标度ehi>ehj，有eji>eij；若ehi

(3)定性判断目标函数重要性等级：通过一致性检验后，标度矩阵E中各行和数从大到小的排列顺序即可确立指标集的重要性定性排序。

(4)根据语气算子与模糊标度、隶属度关系定量确定指标权重：指标定性排序后，进行二元对比，确定各种语气算子的隶属度值和对应隶属度，如表3所示，将指标非归一化权重数值归一化后即可得到权向量W，如表4～表7所示。

表3 语气算子与模糊标度、隶属度的对应关系Table 3 Relationship of mood operator, fuzzy scale and membership degree

表4 各子系统权重Table 4 Weight of each subsystem

表5 压力指标B1权重Table 5 Pressure index weight B1

表6 状态指标B2权重Table 6 State index weight B2

表7 响应指标B3权重Table 7 Response index weight B3

根据表4～表7中的数据，得到压力指标B1、状态指标B2和响应指标B3在目标层中的同级权重分别为0.18、0.753、0.067。

3.2 评价方法

3.2.1 评价模型选择

压力-状态-响应模型(pressure-state-response, PSR)是一种典型的生态系统健康评价模型，能够清楚地反映人类活动对湿地生态环境所产生的压力、生态系统结构和功能的变化以及人类应对生态环境的恶劣变化做出的反映之间的因果关系[29]。PSR模型包括压力、状态和响应三类指标，目前被广泛运用于湿地生态系统健康评价[30-31]。PSR模型的主要优点是湿地生态系统的复杂性与各种环境影响因素间的逻辑关系清晰，充分考虑了外界压力干扰、湿地生态系统的状态变化和人类社会的应对措施。通过PSR模型分析后往往更容易得出一个客观的结果。因此，本研究以此模型为框架，结合会仙湿地的具体情况，对会仙湿地的生态系统健康状况进行评价。

3.2.2 综合评价

采用综合评价指数法(comprehensive evaluation index, CEI)[32]，综合多项指标对会仙湿地生态系统的健康状况进行评价，定量得出湿地整体健康状况。根据各个单项指标的评价值，采用前述所确定的各指标权重，再用多目标线性加权函数进行计算，计算公式为

(2)

式(2)中：Wi为第i个单项指标的权重值；Pi为第i个单项指标的评价等级。

3.2.3 评价标准

综合中外学者对湿地生态系统健康评估的相关研究成果和本地区会仙湿地的实际情况，考虑到湿地生态系统的综合性，对其健康程度进行等级划分，并确定会仙湿地的健康评估分类标准[33-35]，如表8所示。

表8 湿地生态系统健康程度分级标准Table 8 Classification standards of wetland ecosystem health

3.3 综合评价结果分析

3.3.1 压力分析

从PSR模型压力层的角度来看，会仙岩溶湿地生态系统健康程度主要受人口制约。随着会仙湿地内人类活动的加剧，湿地面积不断萎缩，生态恢复能力逐渐退化，部分物种数量逐渐减少甚至消失。

3.3.2 状态分析

岩溶石漠化易于造成水土流失，致使湿地淤积、调蓄功能降低。从状态层中的状态指标来看，石漠化程度C11、地下岩溶管道发育形态C13是压力指标中影响湿地生态健康的关键因素。此外，湿地自然灾害C9和岩溶地下水位变幅C12也对湿地生态系统健康构成了重要威胁。

3.3.3 响应分析

在响应层中，湿地退化指数C14权重最大，通过采取相应的保护措施减小湿地退化指数对改善会仙湿地生态功能和结构、抵御外界压力干扰和维持湿地生态系统稳定性具有显著作用。

3.3.4 综合评价

通过综合指数评价法计算，得出会仙岩溶湿地健康指数为2.992。据表8可知，健康状况属于第Ⅲ等级(亚健康)。研究结果表明，在自然和人类活动的持续干扰下，会仙湿地的生态系统受到一定程度的破坏，生态环境日趋恶化，功能水平退化。

4 结论

以会仙岩溶湿地生态健康保护为目标，从会仙湿地生态系统开发综合利用和可持续发展理念出发，对会仙岩溶湿地生态系统健康状况进行评价，得出以下结论。

(1)基于PSR模型理论框架，结合岩溶地区湿地特征，构建了会仙岩溶湿地生态系统健康评价指标体系。

(2)在充分考虑主客观赋权法的优缺点基础上，运用定性排序和定量标度相结合的二元对比定权法确定了各指标权重，并采用综合评价指数法对会仙湿地生态系统的健康状况进行了评价。

(3)从综合评价结果得出，会仙湿地生态系统健康指数为2.992，健康状况为亚健康，湿地生态系统受到一定的胁迫。