基于PSR 模型的黑河中游湿地生态系统健康评价

杜红霞，孙鹤洲

（1.西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，兰州 730070）

湿地是世界上最具有生产力的生态系统之一［1］，不仅为多种濒危物种提供了栖息场所，同时也缓解了用水紧缺等问题。随着社会的发展，湿地也面临着不断退化等问题。自1900 年以来，全世界已有50%的湿地消失，20 世纪至21 世纪初湿地面积的减少速度加快了3.7 倍［2］。由于湿地是一个受多种因素综合影响的复杂生态系统，探讨其整体的生态状况将是人们所面临的一大难题［3］。20 世纪70 年代，湿地生态系统健康评价成为湿地研究领域的一个热点话题［4］。生态系统健康最早体现在Aldo Leopold定义的“土地健康”概念中［5］。有研究者认为健康的生态系统指内部组织没有受到损害，且具有自身的恢复能力［6］。生态系统健康目前评估的方法有生物法和指标体系法。生物法选取的评价指标单一，并不能全面准确地反映湿地的健康状况，于是基于PSR 模型构建指标体系成为生态系统评价常用的方法，该模型是由联合国环境规划署提出［7］，将指标体系分压力、状态和响应3 个目标层。目前，将PSR 模型与3S 技术结合已成为多类型、大尺度流域湿地评价的新型手段。孙雪等［8］将GIS 空间分析技术与PSR 模型结合，对海河南系子牙河流域湿地健康状况进行了综合、分区和分类评价。Sun 等［9］利用2000—2010 年 GlobeLand 30 土地覆图、气象数据和社会经济数据并基于PSR 模型评估了长江流域和亚马逊河流域的湿地生态健康状况。

黑河中游湿地属于典型的干旱区内陆湿地，由于受环境条件的限制，使其具有预防草地退化，遏制沙漠化侵蚀和发展绿洲农业等生态功能。近年来，人类的频繁活动和气候的改变对湿地造成了不同程度的破坏，而湿地对环境因素的干扰十分敏感，一旦遭到破坏将很难恢复［10］。目前，国内学者对黑河中游湿地的研究也取得了很多成果［11，12］。但对黑河中游湿地的生态健康状况知之甚少，鉴于黑河中游湿地重要的生态学意义和学者们研究的空白，本研究试图通过GIS 技术和构建指标体系的方法对黑河中游2000、2005、2011、2018 年的湿地生态健康状况进行整体评价，以期为黑河中游湿地的保护和恢复工作提供参考意见。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河发源于祁连山北麓中段，地跨青海省、甘肃省、内蒙古自治区，全长821 km［13］，是中国西北地区的第二大内陆水系。黑河中游是指位于正义峡与莺落峡之间的河段，地理位置为37°45′—39°57′N，97°20′—102°04′E，行政区划上包括甘肃省张掖市的民乐县、山丹县、甘州区、临泽县、高台县和肃南裕固族自治县的明花乡［14］。黑河中游地处青藏高原向内蒙古高原的过渡地带，地势东南高西北低，海拔为1 254～4 858 m（图1）。该研究区属于温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热少雨。该区域是资源性缺水地区，年均降水量仅为164.2～283.6 mm，而年蒸发量却达1 900～3 500 mm。现有人口约126 万人，平均人口密度为64 人/km2。湿地主要类型有河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、河滩湿地以及水库坑塘湿地。中部地区由于地势平坦，光热资源丰富。

1.2 数据来源及处理

以 2000、2005、2011、2018 年为研究时段，根据已有研究成果和研究区实际情况选取11 项指标构建指标体系。社会经济指标数据主要来源于《张掖市统计年鉴》。归一化植被指数（NDVI）和1∶100 000土地利用栅格数据来自中国科学院资源环境科学数据中心（http：//www.resdc.cn）。土地利用矢量数据来自寒区旱区科学数据中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）。参照国家湿地分类标准体系（GB/T 24708—2009）并结合有关研究成果将研究区湿地分为河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、河滩湿地和水库坑塘湿地5 种类型。用Fragstats 4.2 软件进行景观格局指数的分析，借助 Microsoft Excel 2016、ArcGis 10.2 和 Origin 2018软件进行图表的绘制。

1.3 湿地生态系统评价指标体系

图1 研究区地理位置

根据对湿地健康状况的作用水平，将人口密度、人均GDP 和人类干扰度归为负向指标，降水量归为正向指标；选取NDVI和斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）、景观多样性指数（SHDI）、景观聚集度（AI）作为状态指标来反映在自然和人类活动作用下流域内湿地的状态。NDVI、SHDI、AI3 个指标归为正向指标，PD、LSI归为负向指标；选取湿地面积和湿地生态服务价值2 项指标表示湿地生态系统的响应，2个指标均归为正向指标。指标构建如表1 所示。

人类干扰指数的计算公式为：（耕地面积+建设用地面积）/土地利用面积。土地面积通过GIS 软件统计得到。NDVI是基于TM/ETM 红外和近红外波段来计算，NDVI在-1～1，正值表示植被覆盖面积［15］。PD、LSI、SHDI和AI4 个景观格局指数通过Fragstats 4.2 软件计算得到。PD是反映景观的破碎化和分散化程度的指标，值越大，表明斑块破碎化程度越大［16］；LSI指景观类型形状的复杂程度［17］，值越大，表示斑块形状越复杂，离散化程度也越高；SHDI越大代表景观异质性越强［18］；AI越大代表生态系统中各个景观的离散化程度越小。各指标计算公式如表2 所示。

生态系统服务是指生态系统对人类福祉产生直接贡献的效应［19］。参考谢高地等［20］生态系统服务价值当量因子表，采用Costanza 等1997 年提出的生态系统服务价值估算模型计算流域内湿地的生态服务价值。计算公式为：

式中，ESV表示研究区域的生态服务价值；AK是K类湿地类型的面积；VCK为K类湿地类型的生态服务价值系数（元/hm2）［21］。

1.4 湿地生态系统健康评价方法

1.4.1 指标归一化 为消除量纲，进行指标的归一化处理。正向指标的计算公式为：

负向指标的计算公式为：

式中，Xij表示该指标的标准化值；max（aij）表示指标的最大值；min（aij）表示指标的最小值［22］。

1.4.2 确定指标权重 采用层次分析法（AHP）构建判断矩阵，邀请相关专家对不同层次的指标进行两两比较确定每个指标的权重，在Yaahp 软件中输入相对重要性值，并计算一致性检验系数（CR），直到CR＜0.1 为止。

表1 黑河中游湿地生态系统健康评价指标体系

表2 各指标计算公式

1.4.3 湿地生态系统健康综合评价 将计算出的生态健康指数按照专家决策划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 个等级，这4 个等级分别为最好、良好、一般、差（表3）。湿地生态健康评价指数计算公式为：

式中，S为湿地生态健康评价的结果值；j为评价指标的个数；Ij为各评价指标的标准化值；Wj为各指标的权重［23］。

表3 黑河中游湿地生态健康评价等级

2 结果与分析

2.1 湿地生态系统压力

人类干扰指数对湿地健康的影响最大，年降水量次之，人均 GDP 最小（表 4），权重分别为 0.120、0.060 和0.020。各地方的人口密度在2000、2005、2011、2018 年4 年的变化都不明显（图2），甘州区人口密度最大，明花乡人口密度最小。民乐县的人类干扰指数最高，甘州区次之，明花乡最小，因为明花乡以传统畜牧业为主，荒漠草原是主要的土地覆盖类型［24］。民乐县的年降水量在这4 年均最多。对湿地生态健康影响最小的人均GDP 在各县区均呈持续上升趋势。总体来看，各地的人口密度、人均GDP 和人类干扰指数变化趋势较为稳定，而年降水量有一定的起伏，但总趋势不太明显。

表4 湿地生态健康评价各指标权重

图2 黑河中游湿地生态系统压力指标

研究区压力指标健康得分总体较为稳定，均在0.037～0.202（图3、图8a）。高台县与山丹县、临泽县与民乐县的得分在这4 年无明显差别。肃南裕固族自治县明花乡的健康得分范围在研究时段内都在0.181～0.240，均高于其他县区，因为该乡人类干扰指数比其他地方都小，且次要正向指标年降水量也位居第二。甘州区健康得分在这4 年都处于最低水平，由于该区人口密度大且城镇化水平高，土地利用开发强度大，不利于湿地的健康发展。民乐县和临泽县的得分在0.061～0.120，民乐县主要受人类干扰指数和人口密度2 个负向指标的共同影响。年降水量是影响临泽县湿地生态健康水平的外界条件。

2.2 湿地生态系统状态

状态层对湿地生态健康的影响最大，权重为0.650，其指标的相对重要性排序依次是NDVI、SHDI、PD和AI，对应的权重分别为 0.283、0.166、0.098 和 0.063，LSI的影响最小，权重为0.040（表 4）。由图4 可以看出，各地NDVI总体呈上升趋势，这与张更喜等［25］对黑河中游植被覆盖率变化趋势的研究结果相吻合。民乐县的植被覆盖度最高，相反明花乡最低。PD的变化不同地区总体上有所差别。甘州区、山丹县和民乐县的SHDI变化在2000、2005、2011、2018 年 4 年呈先增后减的趋势，这与李鸿伟［26］发现的在1975—2016 年黑河中游湿地景观多样性呈先增后减的趋势相一致。民乐县和山丹县SHDI总体相当。2005—2018 年明花乡的湿地景观多样性指数都最低，说明该乡景观类型在研究时间内趋于均衡。

图3 黑河中游湿地压力指标健康得分

图4 黑河中游湿地生态系统状态指标

2000—2018 年，各县区状态得分在0.103～0.511（图5），得分无统一的变化趋势（图8b）。明花乡和民乐县的得分在研究期间保持稳定，是因为影响状态得分的主要指标没有大的变化。明花乡的得分在2000、2005、2011、2018 年 4 年都在 0.100～0.250 的低水平，主要受植被覆盖度指数和湿地多样性指数的影响。民乐县的得分稳定在0.351～0.450，该地2005年实施的退耕还林还草政策促进了植被覆盖度的提高。甘州区的得分在2011 年处于最高水平，因为该区当年成立了湿地资源保护站，积极开展了湿地调查和保护工作，且甘州区黑河沿岸湿地被列入了张掖市黑河湿地国家级自然保护区，这些政策的实施有效防止了湿地的边缘破碎化。山丹县的状态得分在2000—2018 年从最初的最差水平变为有所提高。

图5 黑河中游湿地状态指标健康得分

2.3 湿地生态系统响应

湿地面积和生态服务价值对应的权重分别为0.090 和0.030。各地湿地面积除2011 年出现明显增加外，其他年份均无较大变化（图6）。2011 年国家级湿地自然保护区的建立以及湿地保护措施的加强，有效遏制了当地湿地的退化［26］。2000、2005、2011、2018 年明花乡的湿地面积最少，其中，在2000、2005 和2018 年由土地利用图进行提取发现湿地面积基本没有，主要受当地极度干旱气候、影像空间分辨率和解译精度的影响。甘州区的湿地面积在2011 年增加也得益于湿地国家级自然保护区的建立。高台县和明花乡的生态服务价值在2011 年出现较大波动，其他各县区总体上稳定。

研究期内，响应得分在0～0.122（图 7、图8c），明花乡得分处在0～0.040低水平。2011—2018年，临泽县、甘州区、民乐县和山丹县的响应得分都有所上升。临泽县的得分除2005 年为0.042 外，在其他3 个年份都处在低水平。高台县的得分始终处在0.081～0.120、0.121～0.160 较高、高水平，2011 年在大面积湿地的影响下达到了高水平。甘州区的得分在0.057～0.122，2005 年 和 2018 年 分 别 达 0.121 和0.122，民乐县的响应得分在2000 年和2005 年无明显变化，而在2011 年出现了最低值，这可能与该地的湿地面积受人类干扰有关。山丹县的得分除了2011 年外，其他3 个年份的水平相当。

2.4 湿地生态健康水平时空分布特征

图7 黑河中游湿地响应指标健康得分

图8 黑河中游湿地准则层各指标健康得分

图9 2000—2018 年黑河中游各县区湿地健康水平

由图9 可以看出，除民乐县和甘州区外，其他地区的健康得分在0.4～0.6，属于一般的健康状况，表明在人类持续性干扰的情况下，流域内的湿地并未受到较大破坏，且在湿地保护政策的实施下，个别地区的湿地状况向好的方向发展。2000—2018 年明花乡的健康状况处于差的水平，即使该地区湿地所受人为影响较小，但湿地资源性短缺决定了整体的健康水平。甘州区的健康值在2011 年达到了Ⅱ级水平，该区的湿地是黑河水源涵养的重要组成部分，自2000 年区域实施调水制度以来，区内农业用水方式主要是以滴灌为主的节水灌溉方式，地下水的不断开采减少了湿地水的回归量，使得区内的湿地水量长期得不到补充［27］。高台县、临泽县和山丹县的湿地在2000—2018 年均为一般的健康状况，湿地系统的健康状况整体上较为稳定，主要与这些地区影响湿地健康的压力、状态和响应在各年份的无明显变化趋势有关。

2.5 流域内湿地生态系统总体健康状况

如表5 所示，黑河中游湿地的健康值在2000、2005、2011、2018年分别为0.181、0.648、0.615和0.523，健康状况经历了从差到良好，再到一般的水平变化。黑河中游地区以绿洲农业为主，农田灌溉等对湿地施加了一定的压力，且当时人们对湿地的保护意识淡薄，对湿地不合理开发利用不仅减少了面积，也使得湿地的天然用途降低。因此，2000 年流域内湿地的健康状况整体上处于差的水平，2000 年以后，面对湿地所面临的严峻问题，湿地管理和保护政策的出台在一定程度上遏制了湿地的退化。张掖市出台了《张掖市湿地保护与恢复工程规划（2005—2030年）》，同时加强了流域居民湿地保护知识的宣传和普及。这些措施的落实和实施促进了黑河中游湿地健康水平的不断提高。

表5 黑河中游流域湿地健康水平的时间变化

3 小结

本研究通过“压力-状态-响应”模型构建黑河中游湿地的生态健康指标，结合了层次分析法计算出各指标的权重，并采用综合指数法计算出黑河中游的湿地生态健康指数。现得出以下结论。

1）响应指标层对研究区域内湿地的健康水平影响最大（0.650），11 个指标中起主导作用的是NDVI和SHDI。为提高整体健康水平，首先应该减少湿地所受的外界压力，努力维护湿地系统的内部稳定性。

2）2000—2018 年，肃南裕固族自治县明花乡的湿地健康状况一直处于差的水平，高台县、临泽县和山丹县的健康状况都处在一般水平，总体上整个流域内湿地的健康水平无大的波动。

3）从黑河中游流域湿地的整体健康水平来看，2005、2011 年分别上升到良好的水平；2018 年又下降到一般的水平。流域内湿地的健康状况在2000—2018 年总体上有所好转，但是随着人类社会的发展和经济水平的不断提高，对于湿地不同程度的破坏依然存在。

4）从影响各县区湿地生态健康状况的准则层来看，湿地的资源短缺是影响肃南裕固族自治县明花乡湿地健康状况水平的主要原因。甘州区的湿地所受到的人为干扰最大，但在2011 年通过成立自然保护区等措施的实施，湿地的生态健康水平整体有所好转。民乐县的湿地健康效应水平整体上最高，内部稳定性较好。