第28卷 第6期2009年11月地 理 研 究GEO GRA P HICAL RESEA RC H Vol 128,No 16Nov 1,2009 收稿日期:2009204217;修订日期:2009208220 基金项目:国家自然科学基金(40701172),北京市科技计划项目(D08040600580801),国家科技支撑项目(2008BAC34B01)和河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金。
作者简介:蒋卫国(19762),男,湖南衡阳人,博士,讲师。
从事遥感与GIS 在湿地生态与水文的应用研究。
E 2mail :jwg @ires 1cn洞庭湖区湿地生态系统健康综合评价蒋卫国1,2,潘英姿3,4,侯 鹏1,2,李 雪1,2,季 维5,郑建蕊6(11北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京100875;21北京师范大学民政部/教育部减灾与应急管理研究院,北京100875;31北京师范大学地理学与遥感科学学院,北京100875; 41中国环境科学研究院,北京100012;51密苏里大学地球科学系,堪萨斯城,美国; 61西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400715)摘要:湿地与海洋、森林并称为地球三大生态系统,湿地退化速度远大于其他生态系统,从而使得湿地健康评价与分析成为湿地领域研究的重点内容之一。
本文以生态系统健康及压力-状态-响应模型为研究方法,综合利用遥感、野外实测和社会统计等多源数据,建立一套湿地生态系统健康评价指标体系,集成利用遥感和地理信息技术建立湿地生态系统健康评价模型,实施湿地压力、状态、响应、健康分析,揭示了洞庭湖湿地生态系统健康状况的空间分布规律。
研究结果表明:(1)洞庭湖区31%的湿地面临人类干扰压力较大,19%的湿地状态较好,82%的湿地生态系统发生很大变化。
(2)湿地的总面积在人类活动的干预下逐渐缩小,湿地综合健康较差、一般和较好的区域分别占总面积的6%、75%和19%,缺乏健康状况最好及最差的区域。
(3)湘阴县、沅江县及岳阳县的湿地生态系统健康状况较好,益阳县较差,安乡县等12个县市一般。
关键词:洞庭湖;湿地;生态系统;健康;评价文章编号:100020585(2009)06216652081 前言 湿地与海洋、森林并称为地球三大生态系统,是支撑人类社会持续发展不可或缺的基础。
由于湿地退化速度远大于其他生态系统[1],并且湿地生态系统健康状况影响着与其相连的陆地生态系统和水域生态系统健康,进而影响区域或流域的生态安全[2],湿地生态系统健康研究已经受到广泛关注,成为生态系统健康研究领域的新方向[3]。
美国环保局在20世纪90年代从响应指标、暴露指标、栖息环境指标、干扰因子等方面开展了河口湿地生态健康方面评价工作,并将其结果应用于湿地管理和规划[4]。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织针对流域环境的特点,从环境背景、环境变化趋势、经济变化趋势等方面建立了流域健康诊断指标体系,从而实现了对流域湿地生态系统健康的量化评价[5]。
崔保山等对国内外湿地生态系统健康评价研究进展进行综合分析,探讨了湿地生态系统健康的各种表述和确定指标,较详细地阐述了湿地生态系统健康的时间尺度特征,并建立了湿地生态系统健康评价指标体系的理论、方法与案例[6]。
随着遥感和地理信息技术的日趋成熟,遥感和地理信息技术被广泛地应用到湿地健康评价中。
Ji 和Ma 开发了基于GIS 的湿地脆弱度 地 理 研 究28卷1666评估模型,对城市湿地在潜在的人类干扰下的健康状况进行了定量分析[7]。
蒋卫国利用3S技术和压力-状态-响应模型(PSR)提出了一套湿地生态系统健康评价指标体系、评价方法及评价模型,并对湿地生态系统健康进行评价结果及其时空格局进行了分析[8]。
Kevin等在全球尺度上讨论了对地观测遥感技术对全球湿地监测和评价作用[9]。
传统的湿地健康评价主要利用直接观测和模型模拟的方法开展[10],在宏观尺度上相对不足。
近些年,尽管对河流、湖泊、水库等类型湿地从流域和景观角度建立了湿地生态系统健康评价指标[11～13],但是此类研究评价对象主要针对于单一湿地类型,而对多种湿地类型组成的复杂湿地生态系统健康研究得较少,未形成一套健康的综合评价模式和比较完整的评价体系。
本文选择具有多种湿地生态系统类型的洞庭湖湿地为研究对象,综合遥感与地理信息系统技术、数模方法和实地调查监测,实现宏观尺度和微观尺度结合,从湿地水文、湿地生态、湿地环境等方面选择指标,构建湿地生态系统健康评价指标体系,研究湿地生态系统健康评价指标参数反演与提取方法,建立洞庭湖区湿地生态系统健康评价模型,开展了洞庭湖区湿地生态系统健康评价。
2 研究区域与数据来源211 研究区概况 洞庭湖位于中国湖南省东北部,是湘、资、沅、澧四水交汇区,是长江中游重要吞吐湖泊,为我国第二大淡水湖。
洞庭湖区内湖泊、河道纵横,洲滩广泛发育,水草广布,具有典型的湿地特征。
洞庭湖区包括东洞庭湖国家级自然保护区、西洞庭湖城市湿地公园、南洞庭湖国际湿地自然生态保护区,其周边地区是我国的湿地保护和恢复重点区域。
本文选取的洞庭湖区范围包括湖南省的岳阳市、岳阳县、临湘市、华容县、南县、沅江市、汨罗市、湘阴县、益阳市、益阳县、澧县、临澧县、津市市、安乡县、常德市、汉寿县等16个县市,总面积约为258万hm2(图1)。
图1 研究区域示意图Fig11 Study region212 数据来源 研究主要数据为多源遥感数据、基础地理数据、湿地监测数据及社会经济统计数据, 6期蒋卫国等:洞庭湖区湿地生态系统健康综合评价1667 基础地理数据主要包括国家1∶25万数字地形图数据、行政区边界、数字高程等要素。
其中,以1995年及2000年的美国L ANDSA T 卫星遥感图像为基础提取了湿地类型、土地利用与植被指数等指标;以土地利用数据为基础提取了人类干扰度、土地利用变化、景观指数及弹性度指数等指标;以湿地监测数据为基础分析了湿地蓄水深度、土壤中污染物含量等指标;以社会经济统计数据为基础分析了湿地人口及社会干扰等指标。
3 研究方法与技术311 研究理论 采用O ECD (联合国经济合作开发署)建立的压力-状态-响应(Press 2State 2Re 2sponse ,PSR )框架模型[14,15],对湿地生态系统健康进行分析。
该模型认为人类活动对湿地具有一定的压力,湿地健康状态从而会发生一定的变化;另外,人类社会也会当对湿地的变化做出响应,以恢复湿地质量或防止湿地退化[3]。
湿地生态系统健康是压力、状态及响应的综合表征,湿地生态系统健康状态由系统活力、组织结构、服务功能及适应弹性四项测量标准构成。
湿地生态系统健康(Wetland E 2co system Healt h ,W E H )的表现形式为:W E H =P ×S ×R 式中,W E H 为生态系统健康指标,P 为系统压力,S 为系统状态,R 为系统响应。
湿地生态系统健康状态(Wetland Ecosystem Healt h State ,WEHS )的表现形式为:W E H S =V ×O ×R ×F 式中,W E H S 为生态系统健康状态指标,V 为系统活力;O 为系统组织指数,是系统组织的相对程度0～1间的指数.它包括结构和多样性;R 为系统弹性指数,是系统弹性的相对程度0～1间的指数;F 为湿地生态系统的服务功能,是服务功能的相对程度0～1间的指数。
表1 湿地生态系统健康评价指标体系T ab 11 The index of w etlands ecosystem health PSR 指标评价指标指标获取方式压力指标人口密度社会经济数据人类干扰指数土地利用数据状态指标活力植被指数遥感数据计算组织多样性指数湿地数据派生斑块标准差湿地数据派生斑块密度湿地数据派生平均分维度湿地数据派生弹性平均弹性度湿地数据推算功能蓄水量监测资料计算污染物负荷监测资料计算响应指标湿地变化面积比例土地数据推算312 指标体系 在联合国经济合作开发署建立的压力-状态-响应(PSR )框架模型的基础上,从湿地水文、湿地生态、湿地环境、遥感与地理信息系统等方面,根据湿地生态系统健康评价指标的选取原则、评价模型、评价要素的可操作性,建立湿地生态系统健康评价指标体系,明确指标定义、指标特征、指标获取方式及来源、指标相关参数、指标量化标准等内容(表1)。
压力指标主要是反映自然因素和人类活动对湿地生态环境的干扰,由于自然干扰没有固定的规律,且难以有效地度量,本文中只考虑人类活动的影响,选用人口密度和人类干扰指数作为压力指标。
状态指标用来反映湿地生态系统自身的结构和功能,从活力、组织、弹性、服务功能4个方面来度量。
生态系统的活力是指它的活动性、新陈代谢和初级生产力,主要是生态系统的生产1668 地 理 研 究28卷能力,大量的遥感研究表明,植被的生产能力与植被指数具有明显的正相关,因此,选择植被指数值作为衡量生产能力的主要指标。
组织主要是指系统的复杂性,常通过生物多样性和结构的复杂性来反映,在本文中主要通过景观多样性、斑块标准差、斑块密度、平均分维度等景观指数指标反映组织指标。
健康的湿地生态系统应在受到压力的情况下,有能力保持结构和功能的稳定,在评价过程中,根据不同地物覆盖对湿地生态弹性的贡献不同,把不同湿地类型进行生态弹性分级用来反映湿地生态系统的恢复力。
湿地的功能包括生产功能和服务功能,本文选择湿地的蓄水功能及污染物去除功能来表示湿地的功能。
响应指标即湿地生态系统受到人类干扰时,出现的一系列变化,本文中选择湿地变化面积比例作为一个指标。
313 参数反演与提取 利用多源遥感信息、水文地貌分类法和面向对象分类方法,对洞庭湖区的湿地及非湿地等土地利用类型进行提取,定量反演植被指数、景观指数、湿地活力、湿地组织结构、湿地弹性及相关服务功能等参数,定量处理与提取洞庭湖区的自然环境与社会环境空间化参数,建立湿地生态系统健康评价指标参数反演与提取方法。
利用地理信息系统的空间分析功能及地图代数运算功能,通过各种计算方法,得到洞庭湖区16个县市的人口密度、人类干扰指数、植被指数、多样性指数、斑块标准差、斑块密度、平均分维度、平均弹性度、蓄水量、污染物负荷及湿地变化面积比例等11个评价指标的矢量数据层及属性数据库。
314 评价方法 对事物的优劣进行评价,有相对评价方法与绝对评价方法两种方法,考虑到对于许多指标的绝对值尚无成熟的定论,本研究对单指标的分析采用相对评价的方法。
根据各区域相对的优劣程度,确定单指标的分值,再加权求和,得到综合评价值:X =∑ni =1W i ×Pi 式中X 为被评价对象得到的综合评价值,取值范围为0～1,n 为评价指标个数,W i 为第i 评价指标的权重,Pi 为第i 指标标准化后的值。
