永智丞,劉吉平,*,司 薇

1 吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 四平 136000 2 吉林師范大學(xué)資源保護(hù)與利用研究所, 四平 136000

圖1 向海自然保護(hù)區(qū)以及仙鶴島位置圖 Fig.1 Location Map of Xianghai Nature Reserve and Xianhe Island

濕地是地球上水陸間相互作用的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng),是地球上生產(chǎn)力最高的生態(tài)系統(tǒng)之一[1]。它具有重要而獨(dú)特的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)功能,可以改變小氣候、防止洪水和為各種動(dòng)物、植物提供棲息地,對(duì)人類具有重大意義[2]。世界濕地面積僅占地球表面積的6%,卻為世界上20%的生物提供生境[3]?，F(xiàn)今越來(lái)越多的濕地遭到破壞,退化濕地的保護(hù)與修復(fù)引起廣大學(xué)者和社會(huì)的關(guān)注[4]。針對(duì)退化濕地,國(guó)內(nèi)外開展了大量濕地修復(fù)工程,但對(duì)于修復(fù)效果評(píng)估缺乏統(tǒng)一的方法,對(duì)于退化濕地修復(fù)效果評(píng)價(jià)較少[5- 7]。我國(guó)對(duì)退化濕地的生態(tài)修復(fù)效果的研究主要集中于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊及城市濕地的生態(tài)修復(fù)效果評(píng)估方面[8- 9],而在國(guó)際上,繼《國(guó)際濕地公約》頒布以來(lái),美國(guó)開展了大量相關(guān)工作,并取得一定的成效,例如采用基底恢復(fù)技術(shù),同時(shí)對(duì)濕地恢復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估[10]。美國(guó)的水利科技部、農(nóng)業(yè)部也對(duì)此展開大量研究[11- 12]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的針對(duì)退化濕地修復(fù)效果評(píng)估體系中,大部分存在評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)于單一,主要針對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià),缺乏綜合評(píng)價(jià),同時(shí)缺乏系統(tǒng)而完善的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[13- 14]。近年來(lái),在濕地修復(fù)與重建技術(shù)多采用見(jiàn)效快、作用期短的工程措施,而對(duì)于作用期長(zhǎng)、效果穩(wěn)定的生物修復(fù)措施的研究多集中于定性研究,量化數(shù)據(jù)缺乏[15- 17]。本文以向海自然保護(hù)區(qū)中的仙鶴島作為研究區(qū)域,以遙感與地理信息系統(tǒng)為技術(shù)支撐,以2015和2017年野外植物樣方、生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用層次分析法構(gòu)建濕地修復(fù)效果評(píng)估模型,構(gòu)建3個(gè)綜合指標(biāo)和19個(gè)評(píng)價(jià)因子在內(nèi)的濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,為濕地恢復(fù)與管理提供支持。

1 研究區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

向海位于松嫩平原西部,科爾沁草原中部(圖1),地理坐標(biāo)為：122°05′—122°31′E,44°85N—45°19′N。北鄰洮南市,西接內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁右翼中旗,東距通榆縣城67km,北距白城市95km,包括向海鄉(xiāng)全部、同發(fā)牧場(chǎng)、興隆山、四井子以及烏蘭花香的一部分,地貌類型主要以平原為主。該地氣候主要為溫帶季風(fēng)氣候,雨熱同期,降水量較少,多年平均降水量為370—450mm,多年平均蒸發(fā)量為900—1100mm。全年的蒸發(fā)量大于降水量,水分的虧損量較大。向海保護(hù)區(qū)在20世紀(jì)70年代末期,濕地的面積為32359hm2,而目前濕地面積減少了近1/3[18],造成了生物多樣性減少,土地鹽堿化等問(wèn)題。

本文選擇仙鶴島作為研究示范區(qū)(122°20′12″—122°20′25″E,45°1′24″—45°1′32″N),選取5.61hm2的濕地作為濕地修復(fù)示范區(qū),對(duì)向海退化濕地修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估。仙鶴島位于向海自然保護(hù)區(qū)中部的實(shí)驗(yàn)區(qū)且為旅游景區(qū),人為破壞程度較強(qiáng),水文連通性差,土地鹽堿化較為嚴(yán)重,多圍欄放牧,濕地破壞嚴(yán)重,對(duì)濕地生物生境造成威脅。本文2015年通過(guò)生物、工程措施對(duì)向海自然保護(hù)區(qū)的仙鶴島進(jìn)行改造,通過(guò)香蒲、蘆葦、睡蓮等植物移栽方式進(jìn)行植物修復(fù),對(duì)向海退化濕地修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估。

1.2 研究方法

1.2.1指標(biāo)選取

基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)機(jī)制,選取反映濕地修復(fù)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)?！皦毫?狀態(tài)-響應(yīng)”機(jī)制(Pressure-State-Response,簡(jiǎn)寫為P-S-R)是由聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)合作和開發(fā)組織(OECD)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)共同提出的環(huán)境概念模型[19]。在“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”機(jī)制中,“壓力”指人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和發(fā)展畜牧業(yè)對(duì)濕地環(huán)境造成的負(fù)擔(dān),“狀態(tài)”指人類過(guò)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及發(fā)展畜牧業(yè)對(duì)濕地狀態(tài)造成的變化,這種變化又影響著濕地生態(tài)修復(fù),“響應(yīng)”指人類通過(guò)各種管理策略對(duì)這些變化和壓力做出反應(yīng),使?jié)竦匮刂】档姆较虬l(fā)展。

水禽數(shù)量是反映濕地修復(fù)效果的重要指標(biāo),水禽數(shù)量的多少直接反映當(dāng)?shù)貪竦厣鷳B(tài)環(huán)境的好壞[20]；濕地斑塊數(shù)量等指標(biāo)直接反映濕地現(xiàn)狀,魚類對(duì)濕地水環(huán)境要求較敏感[21]；植物生物量和植物蓋度等指標(biāo)是反映濕地修復(fù)效果的重要因素；水質(zhì)綜合污染指數(shù)是評(píng)價(jià)水環(huán)境質(zhì)量的一種重要指標(biāo),是反映濕地環(huán)境好壞的風(fēng)向標(biāo)[22- 23]。本文在濕地修復(fù)效果評(píng)價(jià)中主要運(yùn)用水禽數(shù)量、水質(zhì)綜合污染指數(shù)、植物生物量等指標(biāo)形成“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型進(jìn)行分析,綜合評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)合向海地區(qū)的仙鶴島實(shí)際情況及可獲取情況,根據(jù)各指標(biāo)的量化特征,明確所包含因素、各因素之間的相互關(guān)系,將農(nóng)田率、鹽堿率、放牧牛羊數(shù)作為壓力指標(biāo)；將斑塊類型面積、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊聚集度、土壤鹽度指數(shù)、水質(zhì)綜合污染指數(shù)為狀態(tài)指標(biāo)；將植物蓋度、植物生物量、植物物種豐富度、水禽種類、水禽數(shù)量、魚類重量、NDVI指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)作為響應(yīng)指標(biāo)。

1.2.2模型的構(gòu)建

本文基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)機(jī)制[24],選取反映濕地修復(fù)效果的指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),所監(jiān)測(cè)的指標(biāo)包括壓力指標(biāo)、狀態(tài)指標(biāo)以及響應(yīng)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上利用層次分析方法,構(gòu)建濕地修復(fù)效果評(píng)估模型,對(duì)退化濕地修復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估。以遙感與地理信息系統(tǒng)為技術(shù)支撐,以2015和2017年野外植物樣方和生態(tài)環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用層次分析法構(gòu)建濕地修復(fù)效果評(píng)估模型,對(duì)濕地修復(fù)效果評(píng)估技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)上述壓力-狀態(tài)-響應(yīng)指標(biāo),結(jié)合公式對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,使得數(shù)值處于0—1之間。

標(biāo)準(zhǔn)化：

式中,i為樣本數(shù),m為年份

1.3 數(shù)據(jù)獲取與處理

首先對(duì)2015年和2017年遙感影像進(jìn)行解譯,獲得土地利用圖,分為林地、草地、水域、農(nóng)田、鹽堿地等類型土地。鹽堿率、農(nóng)田率等指標(biāo),根據(jù)土地利用圖計(jì)算得出；分形維數(shù)、濕地斑塊數(shù)量等濕地景觀指標(biāo),通過(guò)Fragstats等軟件計(jì)算得出；NDVI等指數(shù)通過(guò)ENVI軟件計(jì)算得出；植物生物量、植物蓋度等指標(biāo),利用植物樣方調(diào)查手段得出,具體見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)2015年與2017年各評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,得到2015年與2017年仙鶴島典型植物群落的評(píng)價(jià)指標(biāo)值,并結(jié)合公式對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,其中負(fù)向指標(biāo)需要取其數(shù)值的倒數(shù)再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,計(jì)算出修復(fù)示范區(qū)典型植物群落的面積與修復(fù)示范區(qū)面積之比,然后與其指標(biāo)權(quán)重相乘并累加,從而得到修復(fù)示范區(qū)的濕地修復(fù)效果值。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕地修復(fù)效果評(píng)估模型的構(gòu)建

將所有要素按照最高層(目標(biāo)層)—若干中間層(準(zhǔn)則層)—最底層(措施層)的原則排列起來(lái),繪制層次結(jié)構(gòu)圖(圖2)。

本文將PSR模型引入到濕地修復(fù)效果評(píng)估中來(lái),結(jié)合濕地修復(fù)效果評(píng)估的需要,根據(jù)該模型層次結(jié)構(gòu)(圖2),通過(guò)構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序、層次總排序以及一致性檢驗(yàn)等步驟,采用層次分析法分別計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)濕地修復(fù)效果評(píng)估的權(quán)重,通過(guò)一致性檢驗(yàn),得到以下計(jì)算結(jié)果(表2—表5),并最終得出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重值(表6)。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的獲取與處理

圖2 層次分析法結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the analytic hierarchy process

表2 目標(biāo)層—準(zhǔn)則層判斷矩陣及排序

表3 準(zhǔn)則層—對(duì)象層 壓力指標(biāo)判斷矩陣及排序

表4 準(zhǔn)則層—對(duì)象層 狀態(tài)指標(biāo)判斷矩陣及排序

表5 準(zhǔn)則層—對(duì)象層 響應(yīng)指標(biāo)判斷矩陣及排序

表6 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

通過(guò)計(jì)算可知,壓力指標(biāo)權(quán)重為0.1219,狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重為0.2298,響應(yīng)指標(biāo)權(quán)重為0.6483。由此說(shuō)明,在濕地修復(fù)效果評(píng)估體系中,響應(yīng)指標(biāo)對(duì)其影響較大。在壓力指標(biāo)中,農(nóng)田率和放牧牛羊數(shù)所占比重均超過(guò)0.03,這說(shuō)明農(nóng)田率和放牧牛羊數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)在壓力指標(biāo)中影響較大,表明人類過(guò)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和放牧牲畜對(duì)濕地環(huán)境產(chǎn)成了一定的壓力。在狀態(tài)指標(biāo)中,土壤鹽度指數(shù)和水質(zhì)綜合污染指數(shù)所占比重均超過(guò)0.05,這說(shuō)明土壤鹽度指數(shù)和水質(zhì)綜合污染這兩個(gè)指標(biāo)在狀態(tài)指標(biāo)中影響較大,表明由于人類的過(guò)度農(nóng)業(yè)活動(dòng)和過(guò)度放牧對(duì)土壤質(zhì)量和水體質(zhì)量造成了不良的變化。在響應(yīng)指標(biāo)中,植物蓋度在評(píng)價(jià)指標(biāo)中權(quán)重較大,超過(guò)了0.15,這說(shuō)明了植物蓋度這個(gè)指標(biāo)在濕地修復(fù)效果評(píng)估中影響較大,表明在濕地修復(fù)過(guò)程中,通過(guò)香蒲、蘆葦?shù)戎参镆圃苑绞竭M(jìn)行植物修復(fù),進(jìn)而恢復(fù)濕地生境的植被覆蓋率和植被多樣性。而鹽堿率、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量和斑塊密度在評(píng)價(jià)指標(biāo)中權(quán)重較小,均不超過(guò)0.02,這說(shuō)明了鹽堿率、分形維數(shù)等這四個(gè)指標(biāo)在濕地修復(fù)效果評(píng)估中影響較小。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)1.3數(shù)據(jù)獲取與處理方法得出仙鶴島典型植物樣方等評(píng)價(jià)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,如表7。

表7 仙鶴島修復(fù)示范區(qū)平均值

由表7可知,與2015年相比,仙鶴島修復(fù)樣方2017年植被蓋度由2015年的21.17%增長(zhǎng)到30.87%,增長(zhǎng)了9.7%,增長(zhǎng)率為45.83%。仙鶴島植物群落指標(biāo)均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),為較好的變化特征,說(shuō)明該區(qū)濕地植物長(zhǎng)勢(shì)較好,植被覆蓋率提高,植物多樣性有所恢復(fù)。與2015年相比,仙鶴島2017年水禽種類由2015年的13種增長(zhǎng)到21種,增長(zhǎng)了8種,增長(zhǎng)率為61.54%,說(shuō)明該區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境得到明顯改善。與2015年相比,2017年仙鶴島修復(fù)示范區(qū)農(nóng)田率、鹽堿率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì),說(shuō)明退耕還濕對(duì)退化濕地的修復(fù)有較好的效果,退化濕地修復(fù)效果較為明顯。

2.3 濕地修復(fù)效果

與2015年相比,2017年修復(fù)示范區(qū)濕地修復(fù)效果值由0.4481最終增長(zhǎng)到0.5537,增長(zhǎng)率達(dá)到了23.5662%(見(jiàn)表8)。

表8 2015—2017年仙鶴島修復(fù)示范區(qū)濕地修復(fù)效果值

通過(guò)向海自然保護(hù)區(qū)生態(tài)移民、禁牧政策以及控制游客數(shù)量等保護(hù)區(qū)的其他管理?xiàng)l例,2017年修復(fù)示范區(qū)濕地的放牧牛羊數(shù)、農(nóng)田率等指標(biāo)有所下降；通過(guò)濕地恢復(fù)工程,與2015年相比,2017年修復(fù)示范區(qū)濕地的植物蓋度、魚類重量等指標(biāo)有所增加。修復(fù)示范區(qū)修復(fù)效果值的增加,主要是由于壓力和響應(yīng)指標(biāo)這兩個(gè)綜合指標(biāo)起著重要作用。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)本文構(gòu)建了內(nèi)陸鹽沼濕地修復(fù)效果評(píng)估模型,該模型基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)機(jī)制,采取層次分析方法,將農(nóng)田率、鹽堿率、放牧牛羊數(shù)作為壓力指標(biāo)；將斑塊類型面積、分形維數(shù)、斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊聚集度、植物蓋度、植物生物量、土壤鹽度指數(shù)、水質(zhì)綜合污染指數(shù)為狀態(tài)指標(biāo)；將NDVI指數(shù)、水禽數(shù)量、水禽種類、魚類重量、植物生物量、植物蓋度、植物物種豐富度、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener多樣性指數(shù)作為響應(yīng)指標(biāo),其評(píng)價(jià)方法可以有效地評(píng)價(jià)退化濕地修復(fù)效果。

(2)與2015年相比,2017年修復(fù)示范區(qū)濕地修復(fù)效果值最終增長(zhǎng)率達(dá)到了23.5662%,表明該濕地修復(fù)效果明顯。濕地修復(fù)效果值的增加,主要是由于受到農(nóng)田率、鹽堿率等指標(biāo)的負(fù)作用影響以及植物蓋度、魚類重量等指標(biāo)因素所起到的正作用影響。

3.2 討論

本文利用層次分析法構(gòu)建濕地修復(fù)效果評(píng)估模型,構(gòu)建了3個(gè)綜合指標(biāo)和19個(gè)評(píng)價(jià)因子在內(nèi)的濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,綜合評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng),在選取指標(biāo)方面,每一層的指標(biāo)都可以在一定程度上客觀的反映退化濕地生態(tài)修復(fù)效果,例如壓力指標(biāo)中的農(nóng)田率與鹽堿率在恢復(fù)后對(duì)濕地恢復(fù)的壓力減少,恢復(fù)效果值明顯增加等。

李偉等[25]在對(duì)北京翠湖濕地的生境恢復(fù)及效果評(píng)估過(guò)程中就采用了綜合的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。研究區(qū)內(nèi)濕地水環(huán)境質(zhì)量提升,濕地基質(zhì)質(zhì)量提升,濕地植被種類和蓋度明顯增加,濕地水禽種類和數(shù)量增加,這些綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)都可以反映濕地生境的恢復(fù)程度。而層次分析法是基于綜合濕地指標(biāo)并根據(jù)恢復(fù)指標(biāo)賦予權(quán)重進(jìn)行計(jì)算最后得出恢復(fù)效果值,更具有可信度。滿衛(wèi)東等[26]在1990—2015年三江平原生態(tài)功能區(qū)水禽棲息地恢復(fù)評(píng)價(jià)研究中,綜合遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)、熵值法與水禽棲息地適宜性評(píng)價(jià)方法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重,能夠?qū)λ輻⒌剡m宜性進(jìn)行快速、有效的評(píng)估,并可以客觀、科學(xué)地掌握三江平原生態(tài)功能區(qū)不同時(shí)期水禽棲息地適宜性級(jí)別的時(shí)空演變特征。劉奕彤等[27]在對(duì)基于鳥類棲息地的江口鳥洲濕地適宜性評(píng)價(jià)中以保護(hù)鳥類棲息地為基礎(chǔ)選取9個(gè)影響指標(biāo),構(gòu)建濕地適宜性評(píng)價(jià)體系,更具客觀性和真實(shí)性。而本文構(gòu)建了3個(gè)綜合指標(biāo)和19個(gè)評(píng)價(jià)因子在內(nèi)的濕地評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,選取指標(biāo)全面,綜合評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)。

由于受到經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等方面的限制,本文構(gòu)建的內(nèi)陸鹽沼濕地修復(fù)效果評(píng)估模型還不夠完善,一些監(jiān)測(cè)指標(biāo)的選取還有欠缺,例如水文—土壤養(yǎng)分等指標(biāo)還很缺乏。在將來(lái)的退化濕地修復(fù)效果評(píng)價(jià)方面,需要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)水文指標(biāo)和土壤養(yǎng)分等指標(biāo),并借鑒國(guó)外現(xiàn)有的濕地修復(fù)理論與評(píng)估方法,進(jìn)一步連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)生態(tài)修復(fù)示范區(qū)內(nèi)各種生物生境特征的季節(jié)變化和年際變化,積累更多的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用更加系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,在后續(xù)工作需加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè),針對(duì)不同時(shí)期不同樣地進(jìn)行對(duì)比,更為全面地對(duì)生態(tài)修復(fù)效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。