劉 翀，張 靖，李政海，鮑雅靜，李卓玲，劉 麗

(大連民族大學 環(huán)境與資源學院，遼寧 大連 116605)

巴里坤湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價

劉 翀，張 靖，李政海，鮑雅靜，李卓玲，劉 麗

(大連民族大學 環(huán)境與資源學院，遼寧 大連 116605)

以巴里坤湖流域為例，建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價的“壓力—狀態(tài)—響應”(PSR)概念框架的指標體系及評價模型。然后，據(jù)此對該流域進行生態(tài)系統(tǒng)健康評價，得到結(jié)論：(1)近年來巴里坤湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不斷下降，呈不健康狀態(tài)；(2)灰色GM(1,1)預測表明，到2020年該流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況依舊呈下滑趨勢，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)將繼續(xù)惡化，甚至滑落到病態(tài)。最后，根據(jù)流域生態(tài)健康評價結(jié)果，對該地區(qū)生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展提出建議。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價；評價體系；灰色預測模型；GM(1,1)；巴里坤湖

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個“社會—經(jīng)濟—自然”復合生態(tài)系統(tǒng)，是具有生態(tài)完整性[1-2]的特殊的地貌單元。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和人類對資源需求量的不斷提高，全球出現(xiàn)了大量的生態(tài)破壞與環(huán)境污染問題，這些問題已威脅到人類的生產(chǎn)與發(fā)展。健康的生態(tài)系統(tǒng)是穩(wěn)定且可持續(xù)發(fā)展的，應能夠維持自身組織結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定，并具有自我運作能力，同時對外界壓力有一定的承受彈性[3-4]。如何有效協(xié)調(diào)“人口、資源、環(huán)境、經(jīng)濟”(PRED)問題，在資源約束條件下尋求最優(yōu)的生態(tài)、經(jīng)濟、社會三者的綜合效益，成為人們普遍關注的問題。生態(tài)系統(tǒng)健康評價是對生態(tài)系統(tǒng)進行健康管理，從而實現(xiàn)人與自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展，為協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的關系提供重要依據(jù)，對于指導流域規(guī)劃、監(jiān)控生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也具有一定的現(xiàn)實意義和應用價值[5]。

生態(tài)系統(tǒng)健康評價以生物監(jiān)測法和指標體系法為主。其中，指標體系法研究較多，尤以聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署(OECD)建立的“壓力—狀態(tài)—響應”(Press-State-Response，PSR)模型框架應用最為廣泛。如李春暉等[1]應用綜合生態(tài)特征、功能作用和社會經(jīng)濟三個指標對衡水湖流域進行生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價；龍笛等[6]以PSR模型為基礎，綜合評價了灤河流域的生態(tài)系統(tǒng)健康；王治良等[7]以洪澤湖流域濕地生態(tài)系統(tǒng)為研究區(qū)域，運用PSR分析模型及層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，構(gòu)建了針對特定濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康評價指標體系。王薇等[8]綜合了濕地功能整合、濕地生態(tài)特征和濕地社會環(huán)境指標，運用層次分析法對黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進行了綜合評價。以上研究多以中國東部區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)為主，而對于中國西部干旱區(qū)特別是民族地區(qū)的流域生態(tài)系統(tǒng)的健康評價卻鮮有報道。

巴里坤湖流域位于新疆哈密地區(qū)巴里坤哈薩克自治縣的巴里坤盆地。近年來，隨著人類活動的增加、湖水量補給的減少及氣候干旱等因素，該區(qū)出現(xiàn)了湖面水域萎縮、湖周濕地草場退化、風沙、干旱、鹽漬化、水土流失等一系列生態(tài)問題，若這種狀況得不到有效地抑制，不僅將危害整個流域的生態(tài)安全，而且影響到民族地區(qū)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[9]。因此，以巴里坤湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康為出發(fā)點，選取人口密度、耕地面積、凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)等9個單項指標作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標，建立生態(tài)系統(tǒng)健康評價的PSR概念框架的指標體系及評價模型，對流域生態(tài)健康進行初步評價，并使用GM(1,1)預測模型，對該流域生態(tài)系統(tǒng)健康未來可能的變化趨勢進行預測與分析。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究區(qū)域概況

巴里坤湖流域，位于東天山的兩支山脈之間，坐標范圍：東經(jīng)92°05′35″E～93°48′01″E，北緯43°22′37″N～44°14′33″N。屬中溫干旱氣候，暖季涼爽，冷季嚴寒，無霜期短，降水偏少，蒸發(fā)量大，氣溫年、日差較大，降水分布不均勻，具有干旱冷涼的特點。夏季降水集中，占全年總降水的51%～77%，冬季降水占14%～40%。海拔1 580 m～2 100 m，熱量較豐富。土壤以潮土、草甸土、沼澤土和鹽土等為主。

1.2 指標體系及數(shù)據(jù)處理

1.2.1 指標體系

以PSR為評價模型[10]，綜合考慮自然、經(jīng)濟、社會情況，從壓力、狀態(tài)、響應三個層次分別選取人口密度、耕地面積、污染物排放、NPP、綜合彈性值、土壤侵蝕、斑塊密度、邊密度和人均GDP 共9個單項作為生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標。

(1)數(shù)據(jù)來源：人口密度、耕地面積、污染物排放和人均GDP 4個社會經(jīng)濟指標來自2006-2015年巴里坤縣統(tǒng)計年鑒；NPP來自于MODIS 4級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品MOD17，該數(shù)據(jù)集使用BIOME-BGC模型計算NPP，具有較高的精度，空間分辨率250 m，月度頻率。

(2)綜合彈性值計算公式：通過生態(tài)系統(tǒng)恢復力的表現(xiàn)，依據(jù)不同土地利用類型對生態(tài)恢復的貢獻度，分別賦以不同的恢復值，見表1。

表1 巴里坤湖流域不同土地利用類型恢復值表

綜合彈性值ECOres的計算公式為

(1)

式中，Si為土地利用類型i所占總面積的比值，Pi為恢復力分值，m為土地利用類型的數(shù)目。

(3)斑塊密度、邊密度：利用景觀指數(shù)軟件Fragstats 4.2 和該地區(qū)2006-2016年土地利用圖進行計算。其中，土地利用圖源自對2006年、2010年和2016年三期Landsat 5 TM和Landsat8 OLI影像的目視解譯，經(jīng)驗證解譯精度大于95%。

(4)土壤侵蝕量(USLE)：采用土壤侵蝕方程計算，公式為

USLE=R×K×LS×P×C。

(2)

式中，USLE為實際土壤侵蝕量，單位為t·hm-2·a-1；R是降雨侵蝕力因子，單位為MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K是土壤可蝕性因子，單位為t·hm2·h·MJ-1·hm-2·mm-1；L,S,C,P無量綱，分別為坡度因子、坡長因子、作物覆蓋與管理因子和水土保持措施因子。

1.2.2 指標的處理

(3)

式中，Aij為標準化的指標值，Xij為原始指標值，min為最小值函數(shù)，max為最大值函數(shù)。經(jīng)過極差變換后，正、逆向指標均化為正向指標，最優(yōu)值為1，最劣值為0。

1.3 評價指標權(quán)重

在計算生態(tài)系統(tǒng)健康壓力指標、狀態(tài)指標、響應指標及生態(tài)系統(tǒng)健康時，采用公式

(4)

式中，Pi表示歸一化處理后的指標值，Ci表示對應壓力指標、狀態(tài)指標、響應指標各指標的權(quán)重及綜合評價中三者的權(quán)重[6]。采用層次分析法(AHP)專家根據(jù)經(jīng)驗對各項因素的重要性進行打分，利用yaahp 10.0軟件計算各項評價指標的權(quán)重，指標權(quán)重值見表2。

1.4 灰色GM(1,1) 模型

灰色預測是指對系統(tǒng)行為特征值的發(fā)展變化進行的預測，對既含有已知信息又含有不確定信息的系統(tǒng)進行預測，也就是對在一定范圍內(nèi)變化、與時間序列有關的灰過程進行預測。目前使用最廣泛的灰色預測模型就是關于數(shù)列預測的一個變量、一階微分的GM(1,1) 模型。它基于隨機的原始時間序列，按時間累加后所形成的新的時間序列所呈現(xiàn)的規(guī)律可用一階線性微分方程的解來逼近。經(jīng)證明，經(jīng)一階線性微分方程的解逼近所揭示的原始時間序列呈指數(shù)變化規(guī)律[11-13]。根據(jù)2006-2015年的流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，采用南京航空航天大學灰色系統(tǒng)研究所開發(fā)的灰色建模軟件(GTMS 3.0)預測該流域至2020年可能的生態(tài)系統(tǒng)服務健康情況。

表2 巴里坤湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標權(quán)重值

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康評價

使用已獲得各單因素指標與綜合指標的權(quán)重，分別計算巴里坤流域2006-2015年流域生態(tài)系統(tǒng)健康情況，評價結(jié)果見表3。

表3 巴里坤湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價結(jié)果

巴里坤湖流域的壓力指標從2006年的0.003到2015年的0.292逐年增高，其中2006-2009年增幅較大，2010-2011年雖略有下降，但總體依舊呈增長趨勢；狀態(tài)指標總體呈下降趨勢，且波動較大，峰值出現(xiàn)在2007年，2010年達到最低值0.133；響應指標自2006年開始逐年小幅度降低，生態(tài)系統(tǒng)響應能力逐漸降低。綜合以上三個指標，可以看出2006-2015年巴里坤湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)不斷惡化。將健康標準按照分值高低分為五級：很健康(0.8～1.0)；健康(0.6～0.8)；亞健康(0.4～0.6)；不健康(0.2～0.4)；病態(tài)(0.1～0.2)。從2006-2007年接近很健康，經(jīng)歷健康狀態(tài)(2008年)，亞健康狀態(tài)(2009年)，不健康狀態(tài)(2010-2011年)，2012-2013年健康狀況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，呈亞健康狀態(tài)，2014-2015年情況急劇退化到不健康狀態(tài)，健康狀況呈階梯狀下降。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)健康變化預測

根據(jù)2006-2015年流域生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，采用灰色預測模型GM(1,1)預測該流域至2020年可能的生態(tài)系統(tǒng)健康情況,預測結(jié)果如圖1。

壓力指標從2016年到2020年仍會繼續(xù)小幅度增長，預計到2020年達到0.28；預計2016年狀態(tài)指標為0.174，2020年下降為0.130；相比狀態(tài)指標，響應指標下降趨勢略平穩(wěn)，預計到2020年會降到0.045。總之，以上三個指標的變化趨勢均是對巴里坤湖流域的生態(tài)系統(tǒng)健康極其不利的，若以現(xiàn)在的狀態(tài)持續(xù)下去，則該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康將長期處于不健康狀態(tài)，甚至退化到病態(tài)，加之人類活動的逐漸增加，將不利于整個流域的生態(tài)安全。

圖1 巴里坤湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀及預測曲線圖

3 結(jié) 論

根據(jù)巴里坤湖流域特點，從壓力指標、狀態(tài)指標及響應指標三方面評價整個流域的生態(tài)環(huán)境健康，并對未來的生態(tài)系統(tǒng)健康進行預測。結(jié)果表明：(1)目前，巴里坤湖泊流域生態(tài)系統(tǒng)處于不健康狀態(tài)，從2006年到2015年狀態(tài)不斷惡化，健康狀況呈階梯狀下降；(2)經(jīng)預測，到2020年該流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況依舊呈下滑趨勢，若以現(xiàn)在的狀態(tài)持續(xù)下去，該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)將繼續(xù)惡化，甚至滑落到病態(tài)。加之人類活動的逐漸增加，將極不利于流域的生態(tài)安全，可能還會影響到整個區(qū)域社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

根據(jù)巴里坤湖流域生態(tài)健康評價結(jié)果，對該地區(qū)生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展提出以下建議：(1)控制耕地面積，推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)，增加生態(tài)用水；(2)恢復植被，減少對流域內(nèi)濕地的圍墾和破壞；(3)減少生活污水排放，有效處理工業(yè)廢水；(4)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以生態(tài)旅游業(yè)為龍頭，帶動社會經(jīng)濟及其他相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并且使社區(qū)人類經(jīng)濟活動與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。這一系列措施的實施，將促使流域生態(tài)系統(tǒng)朝著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能恢復的方向發(fā)展，實現(xiàn)保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 李春暉, 鄭小康, 崔嵬, 等. 衡水湖流域生態(tài)系統(tǒng)健康評[J]. 地理研究, 2008, 27(3): 565-573.

[2] 唐濤, 蔡慶華, 劉建康. 河流生態(tài)系統(tǒng)健康及其評價[J]. 應用生態(tài)學報, 2002, 13(9): 1191-1194.

[3] 劉焱序, 彭建, 汪安, 等. 生態(tài)系統(tǒng)健康研究進展[J]. 生態(tài)學報, 2015, 35(18): 5920-5930.

[4] 朱建剛, 余新曉, 甘敬, 等. 生態(tài)系統(tǒng)健康研究的一些基本問題探討[J]. 生態(tài)學雜志, 2010, 29(1): 98-105.[5] 張艷會, 楊桂山, 萬榮榮. 湖泊水生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標研究[J]. 資源科學, 2014, 36(6): 1306-1315.

[6] 龍笛, 張思聰. 灤河流域生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究[J]. 中國水土保持, 2006(3): 14-16.

[7] 王治良, 王國祥. 洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系探討[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2007, 15(6): 152-155.

[8] 王薇, 陳為峰, 李其光, 等. 黃河三角洲濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系[J]. 水資源保護, 2012, 28(1): 13-16.

[9] 楊永冰, 馬雪娟. 新疆巴里坤湖環(huán)境現(xiàn)狀及保護對策[J]. 中國水運, 2009, 9(11): 152-153.

[10] 劉明華, 董貴華. RS和GIS支持下的秦皇島地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J]. 地理研究, 2006, 25(5): 930-938.

[11] KWANDRANS J, ELORANTA P, KAWECKA B. Use of benthic diatom communities to evaluate water quality in rivers of southern Poland[J]. Journal of Applied Phycology, 1998, 10(2): 193-201.

[12] ZHANG L, LIU J, YANG Z. Integrated ecosystem health assessment of a macrophyte-dominated lake[J]. Ecological Modelling, 2013, 252(1): 141-152.

[13] KLEYNHANS C J. The development of a fish index to assess the biological integrity of South African rivers[J]. Water S A, 1999, 25(3): 265-278.

(責任編輯 趙環(huán)宇)

Ecosystem Health Assessment of Barkol Lake Basin

LIU Chong, ZHANG Jing, LI Zheng-hai, BAO Ya-jing, LI Zhuo-ling, LIU Li

(School of Environment and Resources, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

Taking the Barkol Lake Basin as an example, the index system and evaluation model of the "pressure-state-response" (PSR) conceptual framework of eco-health assessment were established. Based on the eco-health assessment, it is concluded that in recent years, the ecological status of the lake ecosystem is declining, and now it has been unhealthy. The gray prediction model GM (1,1) is used to predict the future changes of the eco-health of the lake, which showed that the ecological status of the lake ecosystem would continue to deteriorate until 2020, and even slide to pathological state. According to the results of river basin eco-health assessment, the advices of ecological protection and sustainable development of the area are put forward.

ecosystem health assessment; evaluation system; gray prediction model; GM(1,1); Barkol Lake

2017-03-12；最后

2017-04-13

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(DC201501070201，DC201501070403)。

劉翀(1994-)，女，吉林人，大連民族大學環(huán)境與資源學院碩士研究生，主要從事生態(tài)系統(tǒng)服務評估研究。

張靖(1981-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，講師，博士，主要從事區(qū)域生態(tài)學與生態(tài)規(guī)劃研究，E-mail：zhangjing@dlnu.edu.cn。

2096-1383(2017)03-0198-04

Q148

A