基于PSR模型的城市河流湿地生态健康评价——以苏州市姑苏区为例

朱 颖 王春文 周昕宇 冯育青

（1 苏州科技大学建筑与城市规划学院， 江苏 苏州 215011；2 江苏太湖湿地生态系统国家定位观测站，江苏 苏州 215000；3 苏州市湿地保护管理站，江苏 苏州 215000）

城市化进程中的土地扩张和高密度建设对城市河流湿地的生态服务功能产生影响，导致水污染和生物多样性丧失等问题，进而影响城市健康发展，城市河流湿地的生态健康受到社会的广泛关注（李港等,2022; 刘云等,2016）。2017年我国实行了严格的河长制度，有相关学者结合地方实际情况选取针对指标，提出基于河长制的健康评价体系（李慧敏等, 2020）。河流湿地的健康评估是河流管理的关键一环，同时也是河流生态修复和水体污染控制工作的首要任务，对城市的可持续发展具有至关重要的影响（张向徐等, 2023）。

河流湿地健康评价方法主要包括指示物种法和多指标评价法。指示物种法是采用鱼类、底栖动物、藻类等生物类群的物种完整性来进行河流健康的判断和监测（Tianhong et al., 2018; 刘园园等,2020; 王军等, 2014），但其监测参数的偏差会导致评价结果的差异，无法全面评价河流健康状况（张向徐等, 2023）。多指标评价法是选取具有代表性的影响指标，通过构建评价指标体系，利用数学模型确定河流健康等级，其方法相对快速方便，并被广泛应用在河流健康评价中（陆颖等, 2020; 刘苗苗等, 2019）；相关学者通过多指标评价法从不同角度选取和构建评价指标体系，并快速全面地揭示河流湿地存在的健康问题（陈歆等, 2019; 鲍艳磊等, 2021; 张宇航等,2022）。

城市河流湿地健康评价指标选取多从河流自然属性及人类活动对城市河流的压力方面考虑，但关于人类积极措施对城市河流影响涉及不多。PSR模型是一种典型的综合指标方法，能够清晰地表征外界压力、系统状态和响应策略与行动三者间的联系与相互作用（汪豪等, 2020），在构建城市河流湿地多指标评价体系中引入PSR模型，可筛选出适合研究区的评价指标,这些指标将全面反映人类活动对河流湿地健康的正反影响。利用评价指标体系再结合熵权法（陆威妤等, 2023）、组合赋权法（杨哲等,2018）、物元可拓法（Zhao et al., 2019）等可判断河流健康水平及预测河流健康状态的发展趋势。

本研究运用PSR（压力-状态-响应）模型构建城市河流湿地健康评价指标体系，采用模糊综合评价模型进行河流湿地健康评价，分析苏州姑苏区河流湿地健康影响因素及空间水平，对河流湿地健康状况进行诊断，为湿地保护与管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

苏州市姑苏区（31°15′25″ — 31°22′51″N，120°31′29″—120°39′03″E），面积8 342 hm2，截止到2022年，姑苏区常驻人口92.84万人。姑苏区保留了2500年以来的城市河网肌理，水源来自于降雨、太湖、阳澄湖和大运河水的输入。据全国第三次湿地调查的结果，姑苏区湿地总面积为677.68 hm2，其中，河流湿地面积为557.96 hm2，占湿地总面积的82.33%。姑苏区河流以水系为脉络、河道为骨架、街巷相依附，其河流水系包含护城河、干流系统和支流系统三个级别，形成“三横四直”布局，具有典型的城市河流湿地特征（图1）。

图1 研究区位置及河流湿地斑块分布图Fig.1 Locationofthe studyareaanddistribution of riverine wetland patches

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源及处理

1）遥感数据。本研究的主要数据来源于地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/）所提供的苏州市2022年Landsat8 OLI遥感影像，数据分辨率为30 m。研究过程中NDVI数据来源于国家综合地球观测数据共享平台(http://www.chinageoss.org/)，结合2022年谷歌地图和实地调研，利用ENVI5.3、ArcGIS10.8进行监督分类与目视解译相结合的方法获取研究区土地利用数据和植被覆盖数据。

2）调研数据。2022年8月20日—9月20日对姑苏区湿地现状开展了考察与调研，包括水体透明度、动植物资源、保护管理状况和水利工程设施等。

3）其他数据。苏州统计局《2022苏州统计年鉴》《2022年苏州市水资源公报》《2022年苏州市生态环境公报》《姑苏区2022年鉴》等相关统计数据。

1.2.2 基于PSR模型的评价体系构建

1）评价指标筛选及体系构建。本研究综合考虑姑苏区河流湿地实际状况及水文特征，结合与专家咨询并考虑指标的可获取性和普适性，构建压力、状态、响应3个层面共14个指标的城市河流湿地健康评价指标体系（表1）。

表1 评价指标体系及指标计算方法Table 1 Evaluation indicator system and indicator calculation method

2）评价指标权重确定。根据姑苏区河流湿地实地调研情况及遥感影像数据，并结合专家意见和相关参考资料，选用层次分析法(AHP)，得到了评价指标体系中各层次的判断矩阵及各评价指标权重（张宇帆等, 2022; 赵衡等, 2020）（表2）。

3）评价分级。本研究结合国内外河流健康评价的研究成果、河湖健康评价规范以及水网地区河流湿地的实际情况，将河流湿地健康分为5个健康等级,即健康、亚健康、中等、亚病态、病态（表3）。

表3 姑苏区河流湿地健康评价指标分级标准及指标数据Table 3 Grading criteria and indicator data of river wetland health evaluation indicators in Gusu District

1.2.3 模糊综合评价法本研究使用模糊综合评价法，将定性和定量要素与影响相结合以反映评价标准和影响变量的模糊性；该方法将人的主观经验充分纳入审查，提高客观性并使评估结果与实际情况保持一致性（Chengguang et al., 2015; 汪顺生等, 2018）。

通过模糊算术运算将模糊隶属度矩阵与指标权重相结合，得到评估向量：

式中:wi指的是第i个(i=1,2,3,…,m)评价准则的权重；rij指的是i的第j(j=1，2，…,n) 级模糊隶属度的表示；bj指的是在评价等级划分中的隶属度；m指的是评价指标总数；n指的是评价等级数。

姑苏区河流湿地生态系统的健康状况可以用综合评价指数（CEL）来反映。通常使用多目标线性加权函数进行计算。在本文中，评估等级的数量为n=5，CEI的计算公式为：

综合国内外学者对湿地生态系统健康评估的相关研究成果（Sk et al.，2023；赵衡等，2022），结合姑苏区河流湿地实际情况，对其健康程度进行等级划分（表4）。

表4 湿地生态系统健康程度分级Table 4 Grading of wetland ecosystem health

2 结果与分析

2.1 姑苏区河流湿地生态健康特征

采用模糊综合评价法来构建模糊关系矩阵，并从中得出各评价指标的隶属度（表5）。通过多目标线性加权函数的运算，最终计算得出2022年苏州市姑苏区河流湿地的生态健康综合评价指数为0.653。这一数据揭示出该区域的生态系统健康等级为“中等”，接近“亚健康”状态，评价结果的真实性与湿地实际健康现状相符。

表5 姑苏区河流湿地生态健康评价指数及等级隶属度Table 5 Ecological health evaluation index and rank affiliation of river wetlands in Gusu district

2.1.1 压力分析姑苏区河流湿地压力层综合评价指数为0.625，健康等级为“中等”等级。其中，建设用地占比处于“病态”等级，这主要由于城市化进程的加快，城市河流湿地受城市建设干扰，导致生境破碎化加剧，湿地面积丧失。部分区域在政府或相关部门进行统一规划、投资和管理下，呈现出湿地健康状况良好，生态效益可观。部分河流湿地由于本身的康复能力无法立即有效应对和解决这些问题，因此，河流湿地生态系统的健康状况等级相对较低。

2.2.2 状态分析姑苏区河流湿地状态层综合评价指数为0.658，健康等级为“中等”等级。水质状况和生物多样性是评估河流湿地生态系统健康状态的两大主要指标，植被多样性处于“亚病态”等级，这主要是由于城市化进程使得湿地面积减少，原有的湿地被填埋或者被开发建设，导致湿地生态系统受到破坏，植被多样性受到影响。元和塘和平门塘河处于人类活动频繁的商业街区之间，河流两岸采用硬质护岸，增加了面源污染，在降雨时易直接冲刷进入河道，并且河岸带缺乏植被覆盖，使河流整体的健康状态较低。

2.2.3 响应分析姑苏区河流湿地响应层综合评价指数为0.663，健康等级为“中等”等级。污水处理率和防洪达标率分别处于“健康”与“亚健康”等级，这主要是由于近年来姑苏区通过控源截污、河道清淤、自流活水、长效保洁等工程实施，改善了河网的水流流动速度。姑苏区河流湿地受上游水源地太湖、阳澄湖等影响，以及该区域尚未实施大型或中型的生态恢复工程，主要依靠人工干预以及生态系统自身的恢复能力来改善当前状况，植被覆盖率和湿地保护率恢复缓慢。

2.2 姑苏区河流湿地健康影响因素及空间水平

以姑苏区河流湿地为例，河流湿地健康状态在城市不同类型功能区域呈现出显著的差异性，例如公园绿地、居民区、商业区等。这些不同类型区域对河流湿地的水质和生态健康具有明显的影响。聚焦不同层面的影响因素，压力层中城市化进程、人类活动、气候变化等均是造成河流湿地健康水平差异的因素；状态层中水质状况、生物多样性等是造成不同地区河流湿地状态不同的重要因素；响应层中政府和社会对河流湿地的保护和治理措施是影响健康水平的重要因素，也是造成不同地区政府和社会对河流湿地的响应程度差异的重要原因。

综上所述，不同区域河流湿地健康水平存在较大差异性的原因是不同区域受到人类活动所产生的压力，状态层能更好地直观表现河流湿地受到压力的健康状态，因此，土地利用类型及人为活动干扰是影响城市河流湿地健康状况的主要因素。

3 讨论

河流和湿地生态系统涉及的健康评价范围宽泛，评估指标种类众多，因此，构建河流湿地健康评价指标体系时，无法避免存在大量的主观因素，各个区域和不同类型河流之间的差别也十分明显。例如，南方和北方的河流，城市河道和天然河流，河流主流和支流之间的差异都很显著。同时，河流中的水文资源、生态环境、生物以及经济社会属性也各不同。指标的选取作为河流湿地健康评价的难点之一，众多国内外学者们在河流健康概念发展的基础上，采用生物多样性、水质、植被覆盖率、河流纵向连通性、河岸带等指标用以建立河流生态健康评价体系（Zhao et al., 2019; Sk et al.,2023）。评价方法主要分为单因素评价和多指标综合评价，多指标综合评价体系可以全面地反映河流湿地生态系统的健康状况（刘苗苗等, 2019; 陈歆等, 2019；鲍艳磊等, 2021; 张宇帆等, 2022）。本文根据水网地区和姑苏区河流湿地的特征，并参考相关学者选取的评价指标，建立基于压力（P）、状态（S）、响应（R）模型的评价指标体系，这一体系对于提升城市河流湿地健康评价的准确性具有明显的效果，且适合应用于人类活动与自然过程交互作用下的城市河流湿地。此外，河流湿地不仅需具备河流的生态功能，还需具备一定的社会功能。河流在流经不同类型区域所受到的影响导致不同区域河流湿地健康水平存在较大的差异性。

4 结论

1)苏州市姑苏区2022年河流湿地生态系统健康综合评价指数为0.653，河流湿地生态系统健康状况处于“中等”等级，接近“亚健康”状态。

2)根据PSR模型构建的姑苏区河流湿地健康评价体系包含了压力指标、状态指标和响应指标3个方面。该评价体系选取了人口密度、建设用地占比、水质等级、植被覆盖率等共计14个指标。3个指标层的排序权重为状态层指标＞压力层指标＞响应层指标，说明状态层指标可直观的表现河流湿地健康状态，其状态层的综合健康指数为0.658。

3)本研究揭示了姑苏区河流湿地的健康水平在不同区域具有显著差异，这些差异与各河段所处城市流域所承受的压力有重要的关系。流经建设强度大、居住区密集、植被覆盖率低的河段其健康水平较低；反之，那些周边建设强度较低，靠近大城市公园的河段，其湿地健康水平相对较高。这意味着城市的建设强度和植被覆盖率因素对姑苏区河流湿地的健康状态具有显著影响。