湿地退化风险评估方法及其应用——以天津市为例

荔琢，蒋卫国*，王文杰，吕金霞，陈征

1.北京师范大学地理科学学部,环境演变与自然灾害教育部重点实验室 2.遥感科学国家重点实验室，北京师范大学地理科学学部 3.中国环境科学研究院 4.生态环境部土壤与农业农村生态环境监管技术中心

湿地是地球上生产力最高的生态系统之一，也是人类生存和发展最重要的环境之一[1]，具有多种独特的生态功能，如气候调节、水资源供给等，所以湿地又被称为“地球之肾”[2- 3]。中国拥有丰富的湿地类型和资源，其面积约占全球湿地总面积的10%[4]。然而，自然气候的变化、城市化进程的加快及人类活动的加剧，使湿地面积不断萎缩、功能持续退化，并引发生物多样性减少、生产力降低等一系列生态环境问题[5- 6]，对区域可持续发展造成较大阻碍[7- 9]。因此，对湿地退化进行研究十分必要且迫切。目前越来越多的研究人员关注到这一问题并开展了一系列的研究。国内外学者多集中于围绕湿地退化机理[10]、现状及原因、驱动因素[11]、风险评估[12]、保护与恢复对策[13- 14]等方面。生态风险是指生态系统受到某些生态环境状况(如化学污染、人类活动造成的潜在危害)、事故或灾害的作用(或影响)从而造成损害的可能性[15]。区域生态风险评价是生态风险评价的一个分支，它从区域的角度出发来评估生态系统可能受到的危害程度[16]。目前，已有学者关注湿地的生态风险评估，如付在毅等[17- 18]利用区域生态风险评价的理论和方法分别对辽河三角洲和黄河三角洲的湿地进行风险评价。

天津市湿地面积巨大，类型多样，资源丰富。近几十年来，随着社会经济的迅速发展，天津市湿地面积减少，结构破碎，尤其是天然湿地面临着较大威胁[19]。笔者利用区域生态风险评价的理论与方法，建立湿地退化多指标评估体系，对天津市1990—2015年湿地退化风险进行评估，并分析湿地退化面临的胁迫度变化、湿地内部退化度的变化及湿地退化风险的变化，以期为天津市湿地的科学保护和管理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天津市(116°43′E～118°04′E，38°34′N～40°15′N)地处太平洋西岸、华北平原北部，东临渤海，西靠首都北京，是海上丝绸之路的重要支点、“一带一路”交汇点、中国北方最大的港口城市。总面积为11 916.85 km2，周长为1 290.81 km，其中海岸线长为153.33 km[26]。天津市是海河五大支流的汇合处和入海口，地势主要以平原和洼地为主，属暖温带半湿润季风性气候，因其独特的地理位置和地势特征，区域内形成了大量的湿地资源(图1)。

图1 天津市1990—2015年湿地分布Fig.1 Wetland distribution in Tianjin City from 1990 to 2015

1.2 技术路线

利用天津市1990—2015年多时期的土地利用、气象、社会经济统计等数据，以区域生态风险理论与方法，结合遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术，从胁迫度和退化度2个角度，构建湿地退化风险评价的指标体系，利用层次分析法赋予权重，对1990—2015年天津市湿地的胁迫度和退化度进行评估，并对湿地退化风险进行分析。评估技术路线如图2所示。

图2 湿地退化风险评估技术路线Fig.2 Technology roadmap for wetland degradation risk assessment

1.3 评估方法构建

1.3.1指标体系

选取湿地退化风险评估的指标需要遵循以下原则：1)要具有一定的典型性，尽可能准确地体现湿地退化的本质特征；2)要具有空间差异性，能够表现出湿地退化风险的空间分布格局；3)必须以科学性为原则，能够客观真实反映实际特点和状况；4)要具有可操作性、可量化性，各指标应是便于收集的，并且能定量或半定量计算；5)要具有系统性，有一定的逻辑关系[20- 22]。

从自然胁迫、人为胁迫、湿地面积、湿地结构和湿地功能方面进行湿地退化风险评估指标的选取，选取指标后，需对指标进行标准化处理，对于正向和逆向指标选取不同的标准化处理方式。

(1)

(2)

式中：Zi为指标标准化后的数值；Xi为指标原始数值；Ximin为指标在研究区内的最小值；Ximax为最大值[23]。

1.3.2权重赋值

湿地退化风险评估是一种多指标多因素的综合评估，因此合理确定各指标的权重尤为重要。层次分析法(AHP)是根据人的主观意识判断，对指标进行定性和定量相结合的评价方法[24]。该方法从决策目标、中间层要素和备选方案3个部分来构建体系，对每一部分的指标进行两两比较，选取优先级。AHP方法思路简洁，易于计算，具有非常强的适用性和灵活性[25]。在天津市湿地退化风险评估中，采用层次分析法进行权重赋值。

1.3.3评估模型

区域生态风险评价包括风险源、生境和影响3个重要的组成部分[16]。在湿地退化风险评估中，生境就是湿地本身；胁迫度即风险源，包括自然胁迫和人为胁迫；退化度即影响，是湿地由于胁迫而退化的表现，包括面积退化、结构退化和功能退化。胁迫度与退化度的计算公式如下：

X=Xz·Wz+Xr·Wr

(3)

T=Tm·Wm+Tj·Wj+Tg·Wg

(4)

式中：X和T分别为胁迫度和退化度；Xz和Xr分别为自然胁迫和人为胁迫；Tm、Tj和Tg分别为面积退化、结构退化和功能退化；W为各指标权重。由此，得出湿地退化风险(R)计算公式[12]：

R=X·T

(5)

2 结果与讨论

2.1 总体评估指标及权重

根据天津市湿地的实际情况，考虑到数据的可获取性，选取了降水量和气温作为自然胁迫指标，建设用地面积占比、农田面积占比、人口密度和国内生产总值(GDP)作为人为胁迫指标；湿地结构选取斑块数量、斑块密度、破碎度和聚集度4个景观指数作为评估指标，湿地功能评估从供给服务、调节服务、支持服务和文化服务4个方面选取了11个指标(表1)。对指标进行赋值，其中天津市降水量、气温数据来源于气象站点，人口密度、GDP数据来源于天津市统计年鉴；建设用地、农田和湿地面积占比由中国科学院地理科学与资源研究所刘纪远团队的土地利用数据计算获得[27]；4个景观指数通过Fragstats软件计算而得，11个功能退化指标基于文献[28]的单位面积生态系统服务价值当量因子，依据天津市粮食面积、产量和价格对价值当量因子进行修正[29]后计算湿地价值量获得。通过AHP方法计算各层级指标的权重，结果见表1。

表1 天津市湿地退化风险评估指标及权重

注：(-)、(+)分别表示逆向指标和正向指标；括号内数字表示权重。

2.2 湿地的胁迫度评估

1990—2015年天津市湿地的胁迫度评估结果见图3。由图3可知，1990—2015年，天津市湿地的胁迫度呈先上升后下降的趋势，且不同区域的变化也略有不同。湿地的胁迫度平均值从1990年的0.362降到2015年的0.349，其中2000年达到最高(0.371)。从胁迫度的各指标变化来看，25年来，天津市降水量平均减少了39.092 mm，气温平均上升了0.083 ℃，使湿地受到一定的自然条件胁迫。但人为方面的胁迫是造成湿地退化的主要原因。从空间分布来看，天津市市辖区的建设用地面积占比更多、人口密度更大、GDP更高，因此湿地面临的胁迫度高于其他区域，但近年来呈较为明显的下降趋势；而宁河区建设用地面积的增加较为缓慢，且人口密度较低，使区域内湿地面临的胁迫度也低，但近年来却表现出上升趋势。其他4个区中，武清区和宝坻区胁迫度较高，静海区和蓟州区胁迫度较低，虽有波动变化，但均呈现下降趋势。这说明人类活动的增加会对湿地造成一定的威胁，但人类对湿地的管理对降低湿地胁迫度起到重要作用。如2016年天津市正式颁布了首部保护湿地的地方性法规《天津市湿地保护条例》，2017年、2019年分别印发了《天津市湿地保护修复工作实施方案》《天津市加强滨海湿地保护严格管控围填海工作实施方案》等，进一步加强了湿地的保护；此外，随着生态环保知识的日益普及，公民对湿地作用的认识逐渐提高，保护意识逐渐增强，也使湿地面临的胁迫度逐渐降低。

图3 1990—2015年天津市湿地的胁迫度变化Fig.3 Variation of stress degree of wetland degradation in Tianjin City from 1990 to 2015

2.3 湿地的退化度评估

1990—2015年天津市湿地的退化度变化如表2所示。由表2可知，天津市湿地的退化度整体呈上升的趋势，从1990年的0.360升到2015年的0.415。武清区、静海区和宝坻区的湿地退化度较高，其中武清区和静海区的变化非常小，但宝坻区湿地的退化度有一定的增加；蓟州区、天津市市辖区和宁河区湿地的退化度均有增加，后二者退化度虽小，但增加的趋势更为明显，尤其是宁河区的湿地退化度从1990年的0.206增至2015年的0.396。从湿地退化度各评估指标变化来看，天津市6个区湿地面积在25年间一直呈下降趋势：宁河区湿地面积占比从1990年的48.744%降至2015年的18.363%，

表2 1990—2015年天津市湿地的退化度变化

这也是该区域湿地退化度大幅增加的重要原因；宝坻区湿地面积约减少了50%，同时其2015年的斑块密度和破碎度较1990年分别增长了3倍和7倍，致使其退化度增加较为明显；天津市市辖区内湿地面积占比高、破碎度低、聚集度高，而且其功能价值也高，因此退化度较低。

2.4 湿地退化的风险评估

1990—2015年天津市湿地的退化风险变化如图4所示。由图4可知，整体来看，天津市湿地退化风险呈先下降后上升的趋势，从1990年的0.129降至2005年的0.117，而后升到2015年的0.142。对比胁迫度与退化度变化发现，湿地的退化度主导了退化风险的变化。天津市6个区中，湿地退化风险较高依次为武清区、宝坻区和静海区，退化风险平均值分别为0.164、0.142和0.146。前2个区因其胁迫度与退化度比较高才使得风险较高，尤其是宝坻区的湿地退化度有明显上升趋势。静海区是天津市发展较快的区域，其建设用地占比、人口密度等人为胁迫因素对湿地造成的影响较大，因此湿地退化风险较高。天津市市辖区和宁河区湿地退化风险较低，而蓟州区一直处于波动状态。天津市市辖区胁迫度虽高但有下降趋势，且该区域内湿地面积大、聚集度高，生态系统服务功能价值也高于其他区县，因此退化风险较低。宁河区和蓟州区湿地的胁迫度与退化度均较低，使得退化风险较低，但需要特别关注宁河区湿地退化风险的上升趋势，并及时采取有效措施加以遏制。

1990—2015年天津市每5年湿地退化风险的变化及1990—2015年整体的变化如表3所示。由表3可知，整体来看，蓟州区、武清区和静海区湿地退化风险降低，宝坻区、宁河区和天津市市辖区风险增加。1995—2000年、2005—2010年是湿地退化风险增加较为明显的时间段，尤其是2005—2010年增幅非常明显。蓟州区、宝坻区、武清区和静海区湿地退化风险呈波动变化，而整体来看只有宝坻区的退化风险有所增加。虽然宁河区和天津市市辖区湿地退化风险较低，但是在2000年后出现了风险持续增加的趋势，尤其是宁河区一直保持着较高的增长率。

图4 1990—2015年天津市湿地退化风险变化Fig.4 Variation of wetland degradation risk in Tianjin City from 1990 to 2015

表3 1990—2015年天津市湿地退化风险变化率

3 结论

(1)基于土地利用、气象、社会经济统计等数据，依据区域生态风险评价方法，从胁迫度和退化度2个方面选取评估指标，构建包含自然胁迫、人为胁迫、湿地面积、湿地结构、湿地功能5个方面22项指标的指标体系，建立综合胁迫度和退化度的湿地退化风险评估模型，并对天津市1990—2015年湿地的退化风险进行评估和分析。

(2)天津市湿地退化的胁迫度总体变化幅度较小，呈先上升后下降趋势。降水量的减少、气温的上升以及人类活动的影响均对湿地造成一定的危害，但保护措施落地、公民保护意识加强及人工引水修复使湿地面临的胁迫度逐步减小。

(3)由于胁迫度的持续影响，天津市湿地面积大量减少，结构日益破碎，功能逐渐下降，使25年来天津市湿地退化风险呈现波动上升的趋势，同时也出现了更为严重的情况，即宝坻区、天津市市辖区和宁河区的湿地退化风险虽较低但增长趋势显著，而静海区、蓟州区和武清区的退化风险较高，但呈略微下降趋势。