苗李莉，蔣衛(wèi)國(guó)，王世東，朱 琳

(1.北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875;2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875;3.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875;4.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院，北京 100048)

0 引言

濕地與海洋、森林并稱為地球三大生態(tài)系統(tǒng)。然而，全球濕地環(huán)境正在遭受著普遍性威脅，特別是人類脅迫強(qiáng)度最大的城市濕地正面臨著最為嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題，城市濕地研究已日益受到重視［1－2］。目前，對(duì)濕地功能進(jìn)行評(píng)價(jià)主要分為2個(gè)研究方向:①對(duì)濕地水文化學(xué)功能的評(píng)價(jià)，國(guó)外對(duì)濕地功能的評(píng)價(jià)研究較早，一般圍繞具體的濕地管理目的而進(jìn)行，針對(duì)性較強(qiáng)［3］;②對(duì)濕地生態(tài)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)，Costanza等［4］利用價(jià)值量評(píng)價(jià)方法對(duì)全球濕地及其生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了貨幣化計(jì)算，認(rèn)為世界濕地的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值約占自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值的45%。我國(guó)在濕地生態(tài)功能價(jià)值的評(píng)價(jià)研究上，大多引用國(guó)外的方法或借鑒其標(biāo)準(zhǔn)［5－8］，成果也較多［9－10］。

目前，盡管對(duì)濕地的功能評(píng)價(jià)已有綜合性評(píng)價(jià)方法，但是其數(shù)據(jù)獲取方式仍以傳統(tǒng)直接觀測(cè)或打分賦值為主，新技術(shù)應(yīng)用研究明顯不足;主流的價(jià)值量評(píng)價(jià)方法與模式在當(dāng)今的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下已暴露出多種不足［11］，大多數(shù)評(píng)估結(jié)果也僅僅作為參考，或者純粹就只是一種學(xué)術(shù)行為［12］，其單純的量化評(píng)價(jià)結(jié)果還難以和濕地管理有效結(jié)合;遙感與GIS技術(shù)在濕地生態(tài)服務(wù)功能方面的應(yīng)用還主要限于對(duì)區(qū)域濕地生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值的單純定量評(píng)價(jià)［13－14］，缺少區(qū)域濕地生態(tài)服務(wù)功能的綜合分區(qū)研究。

為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)城市濕地資源的有效管理，需要從整體上把握城市濕地系統(tǒng)的狀況。為此，本文基于現(xiàn)有的定量評(píng)價(jià)研究成果，充分發(fā)揮空間信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，探討適用于城市濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)的方法體系，并以北京地區(qū)的濕地為研究對(duì)象，綜合遙感、基礎(chǔ)地理、野外實(shí)測(cè)和社會(huì)統(tǒng)計(jì)等多源數(shù)據(jù)，借鑒千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(millennium ecosystem assessment，MA)中的概念框架［15］，利用濕地功能價(jià)值量評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建基于遙感與GIS 的城市濕地生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;綜合層次分析(analytic hierarchy process，AHP)方法［15－18］和綜合指數(shù)法，建立濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)模型;在GIS 技術(shù)支持下，分別從“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個(gè)功能類別及其功能綜合，開(kāi)展北京濕地功能的綜合評(píng)價(jià)與分區(qū)研究。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

北京市總面積約1.6 萬(wàn)km2，地形西北高，東南低，山地與平原之間界線分明，屬典型的暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為11～13℃;年均降水量在600 mm 左右，主要集中在6—9月份，占全年降水量的80%～85%。北京自西向東主要有大清河、永定河、北運(yùn)河、潮白河及薊運(yùn)河5 大河流;區(qū)內(nèi)無(wú)天然湖泊，但有水庫(kù)85 座，其中大型的有密云水庫(kù)、官?gòu)d水庫(kù)、懷柔水庫(kù)及海子水庫(kù)等。2010年之前，北京市轄有18個(gè)區(qū)(縣)，包括城4 區(qū)(東城、西城、崇文和宣武)，朝陽(yáng)、海淀、豐臺(tái)和石景山4個(gè)近郊區(qū)以及昌平、大興、門頭溝、房山、通州、順義、平谷、懷柔、密云和延慶10個(gè)遠(yuǎn)郊區(qū)縣(圖1)。根據(jù)2007年北京市濕地普查數(shù)據(jù)，全市濕地總面積510 km2，占全市總面積的3.13%，其中以人工濕地類型為主，約占全市濕地面積的85%。

圖1 研究區(qū)區(qū)位圖Fig.1 Location map of study area

1.2 數(shù)據(jù)源及其處理

本研究主要利用多源遙感數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、濕地現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)為2001－05－19 和2007－05－28 的Landsat TM 遙感數(shù)據(jù)(軌道號(hào)為123/32，123/33)、2007年的航空遙感數(shù)據(jù)和SPOT Vegetation NDVI 數(shù)據(jù)，其中后2種數(shù)據(jù)則兼用作對(duì)相關(guān)指標(biāo)(如濕地類型、濕地明水體分布與葉面積指數(shù)等)的反演;基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括行政邊界數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)、土地利用圖和濕地普查數(shù)據(jù)等;濕地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括全市多年的水文、氣象、土壤、水質(zhì)數(shù)據(jù)，人文與社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

在遙感和GIS 技術(shù)支持下，選取研究區(qū)TM4(R)，3(G)，2(B)波段圖像進(jìn)行合成，并對(duì)照地形圖進(jìn)行幾何糾正;依據(jù)研究區(qū)土地覆被類型圖像的顏色、紋理、位置等特征，建立解譯標(biāo)志;采用決策樹(shù)分類方法結(jié)合人工修正進(jìn)行濕地信息提取;按照濕地分類體系將濕地分為河流、沼澤、蓄水區(qū)、水塘、水渠、采掘區(qū)和灌溉地7 種，并生成濕地分類圖;選擇一些典型的地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地考查，對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。應(yīng)用誤差矩陣計(jì)算出解譯結(jié)果的總體分類精度為91.80%，符合精度要求。

2 研究方法

本研究的基本技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 綜合評(píng)價(jià)與分區(qū)技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of comprehensive assessment and zoning

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

2.1.1 指標(biāo)因子的選擇

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類領(lǐng)域，得到國(guó)際廣泛認(rèn)可的功能分類系統(tǒng)是由MA 工作組提出的分類方法，即MA 分類體系［19］。該分類系統(tǒng)為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估提供了概念框架?；诖?，按照指標(biāo)選取的一般性原則，結(jié)合研究區(qū)情況，采用自上而下、逐層分解的方法，建立濕地生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并明確了指標(biāo)定義、指標(biāo)特征、指標(biāo)獲取方式等內(nèi)容。將研究區(qū)的濕地生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)因子確定為4 大類12 小類，并在該指標(biāo)體系中把濕地生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)分為3個(gè)層次，每一個(gè)層次又分別選擇反映其主要特征的要素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖3)。

圖3 濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Comprehensive assessment indices of wetland ecological service

2.1.2 指標(biāo)信息的獲取

在濕地功能評(píng)價(jià)時(shí)，以北京市18個(gè)區(qū)(縣)為基本評(píng)價(jià)單元，濕地斑塊為評(píng)價(jià)亞單元。在GIS 的支持下，應(yīng)用濕地價(jià)值量評(píng)價(jià)方法對(duì)全市現(xiàn)有510 km2濕地進(jìn)行不同類型生態(tài)服務(wù)功能的定量評(píng)價(jià)，各種評(píng)價(jià)指標(biāo)的內(nèi)涵和獲取方式如表1 所示。

表1 濕地生態(tài)功能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Comprehensive assessment index of wetland ecological service functions

為了實(shí)現(xiàn)濕地功能評(píng)價(jià)和管理的科學(xué)化、定量化，必須有一套量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［20］。鑒于部分指標(biāo)是以其特征因子來(lái)表征的，其含義可能有差異，為此，采用無(wú)量綱的極值歸一化法將各類指標(biāo)換算成［0，1］的量化范圍，以便于實(shí)現(xiàn)指標(biāo)間的加權(quán)處理。各指標(biāo)的取值與濕地生態(tài)服務(wù)功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系為0時(shí)，代表生態(tài)服務(wù)功能重要程度最低，為1 時(shí)則其重要程度最高。

2.2 評(píng)價(jià)方法

2.2.1 指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算

由于城市濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有多層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，故本文采用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)的權(quán)重。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系按目標(biāo)層、要素層和指標(biāo)層3個(gè)層次構(gòu)建其評(píng)判矩陣;采用專家評(píng)議法，結(jié)合文獻(xiàn)［18］中的比例九標(biāo)度法及準(zhǔn)則的重要性判斷，比較每一層指標(biāo)對(duì)上一層的影響，每次都取該層的2個(gè)元素相互比較，對(duì)要素層的4個(gè)要素構(gòu)建判斷矩陣?？偰繕?biāo)層(A)對(duì)要素層(B1，B2，B3，B4)各相關(guān)因子的判斷矩陣見(jiàn)表2。

表2 中B13=2，其取值含義表示在對(duì)濕地進(jìn)行生態(tài)功能評(píng)價(jià)中，北京濕地的“調(diào)節(jié)”服務(wù)功能相對(duì)于其生態(tài)“文化”功能而言，屬稍微重要;B42=1/3則說(shuō)明在濕地生態(tài)功能評(píng)價(jià)中，北京濕地“支持”功能相對(duì)于其生態(tài)“供給”服務(wù)功能重要性弱一些。計(jì)算比較判斷矩陣的最大特征根及其所對(duì)應(yīng)的特征向量，并對(duì)比較判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。進(jìn)行一致性檢驗(yàn)可通過(guò)計(jì)算一致性比例CR 來(lái)決定，即

表2 A—B 層各相關(guān)因子的判斷矩陣Tab.2 Estimate matrix between the aim and synthesized evaluate layer

式中:CR 為計(jì)算一致性比例;CI=(R－N)/(N－1)為一致性指標(biāo);RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo);R 為判斷矩陣的最大特征根;N 為比較判斷方陣的階數(shù)，也是該層次所含因素的個(gè)數(shù)。判斷矩陣的一致性準(zhǔn)則為:當(dāng)CR ＜0.10 時(shí)，則判斷矩陣有可以接受的不一致性;否則，就認(rèn)為初步建立的判斷矩陣是不能令人滿意的，需要重新賦值、修正，直到一致性檢驗(yàn)通過(guò)為止。

查“RI 取值表”可知，當(dāng)RI=0.9，CR ＜0.1 時(shí)(表3)，該層次單排序的結(jié)果具有一致性。通過(guò)運(yùn)算得出此判斷矩陣的CR=0.02，可見(jiàn)，判斷矩陣具有一致性，依此方法類推，分別對(duì)要素層、指標(biāo)層構(gòu)造出判斷矩陣，通過(guò)層次分析得到各指標(biāo)權(quán)重值(表3)。

表3 濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重①Tab.3 Weights of comprehensive assessment indexes of wetland ecological service

2.2.2 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算

本文采用加權(quán)求和方法構(gòu)建濕地生態(tài)服務(wù)功能的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，即

用以反映濕地綜合服務(wù)功能的大小或強(qiáng)弱。式中:I 為生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，取值范圍為0～1;n 為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù);Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;Si為第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，i=1，2，…，12。

2.3 分區(qū)方法

在GIS 空間分析方法中，常用的等級(jí)劃分方法有自然斷點(diǎn)分級(jí)法、等間距分級(jí)法以及自定義間距分級(jí)法等。這些方法各有特點(diǎn)及其適用條件?？紤]到自然斷點(diǎn)分級(jí)法適用于非均勻的屬性值分級(jí)，同時(shí)根據(jù)北京濕地功能綜合評(píng)價(jià)值的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析獲取的數(shù)學(xué)特征，本研究采用自然斷點(diǎn)分級(jí)法對(duì)北京濕地功能的綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行分級(jí)評(píng)定，按照濕地功能的重要程度從低到高依次劃分為4個(gè)等級(jí):1 級(jí)為“一般重要性”，2 級(jí)為“比較重要”，3 級(jí)為“重要”，4 級(jí)為“最重要”。同時(shí)編繪出這4 類分區(qū)區(qū)域地理空間分布圖，以便于直觀表達(dá)北京濕地功能的現(xiàn)狀。

3 結(jié)果與分析

通過(guò)上述流程，完成了北京市濕地生態(tài)服務(wù)功能重要性的單因子評(píng)價(jià)和綜合因子評(píng)價(jià)，分別得出生態(tài)服務(wù)功能在“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個(gè)功能類別的重要性等級(jí)(圖4(a)－(d))、服務(wù)功能的綜合評(píng)價(jià)重要性等級(jí)(圖4(e))及其不同等級(jí)分布面積的百分比(表4)。

圖4 -1 濕地功能重要性分布Fig.4 -1 Importance of wetland ecological service

圖4 -2 濕地功能重要性分布Fig.4 -2 Importance of wetland ecological service

表4 北京濕地功能各等級(jí)分布面積百分比Tab.4 Percentage of Beijing wetland ecological servical importance (%)

3.1 濕地功能類別重要程度格局

由以上評(píng)價(jià)結(jié)果可見(jiàn)，北京市濕地的“調(diào)節(jié)”和“供給”功能相對(duì)較強(qiáng)，“文化”功能次之，“支持”功能最低。這是因?yàn)?，北京市濕地的主要類型是河流、蓄水區(qū)和池塘(湖泊)，再加上北京是我國(guó)著名的歷史文化名城，因此其“文化”功能比較突出。

從圖4(a)和表4 可以看出，在濕地的生態(tài)調(diào)節(jié)功能方面，遠(yuǎn)郊區(qū)(密云、門頭溝和通州)的濕地為4級(jí)、居于“最重要”的優(yōu)勢(shì)地位，并且濕地面積占全市面積的44%;延慶、懷柔、平谷、大興和房山的濕地為3 級(jí)、屬“重要”地位，其面積占37%;昌平、順義、海淀和朝陽(yáng)則為“比較重要”;其他區(qū)為“一般重要”性濕地。除了濕地面積這一影響因素之外，濕地的蓄水調(diào)節(jié)指標(biāo)在生態(tài)調(diào)節(jié)功能中影響較大(見(jiàn)表3)。密云縣有面域相當(dāng)大的水庫(kù)，通州區(qū)和門頭溝區(qū)不僅濕地資源密集，且濕地中的植被覆蓋面積較大;城4 區(qū)、豐臺(tái)和石景山多為景觀濕地，雖然人工種植了很多樹(shù)木和草地，但面積較小(4%)，其生態(tài)調(diào)節(jié)功能較為一般。

在濕地“供給”功能的重要性及其分布狀況方面(圖4(b)、表4)，從高到低的區(qū)縣依次為:密云、通州和平谷、房山、延慶、懷柔、朝陽(yáng)、其他區(qū)縣。濕地“供給”功能中包含生物產(chǎn)品供給和水源供給2類指標(biāo)，而后者對(duì)其功能的影響較大。密云有22%的濕地面積，密云水庫(kù)是北京市居民最大的水源供給地，故密云的“供給”功能最強(qiáng)。另外，通州和平谷分布在北運(yùn)河下游和薊運(yùn)河下游，濕地類型以水塘濕地為主，濕地植被豐富，且擁有大量的魚塘，是北京水產(chǎn)品的重要產(chǎn)地，這2個(gè)區(qū)的重要性次之。

在濕地“文化”功能的重要性方面(圖4(c)、表4)，城區(qū)的濕地優(yōu)于郊區(qū)濕地。“文化”功能重要性的從高到低依次為:城4 區(qū)和海淀、延慶、朝陽(yáng)和豐臺(tái)，懷柔、密云、大興、房山和石景山、其他區(qū)縣。濕地“文化”功能包括旅游休憩指標(biāo)和文化遺產(chǎn)指標(biāo)，在這方面，海淀和城4 區(qū)的公園類水體較多，盡管其濕地面積只有3%，但這些濕地景區(qū)多為人們旅游休閑的名勝古跡，其功能和重要性不言而喻;朝陽(yáng)和豐臺(tái)的濕地面積雖然只占13%，但為近郊區(qū)，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，在旅游休憩和改善居住環(huán)境中的作用比較大;延慶縣有知名的野鴨湖濕地，常年吸引了大量游客，其功能重要性也是肯定的。其他區(qū)域的濕地知名度不高，缺乏區(qū)位優(yōu)勢(shì)，重要性較差。

北京濕地“支持”功能的重要性(圖4(d))表現(xiàn)為郊區(qū)濕地優(yōu)于城區(qū)濕地，山區(qū)濕地優(yōu)于平原。“支持”功能重要性從高到低依次為:門頭溝、懷柔、密云、平谷和通州、延慶、昌平和朝陽(yáng)、其他區(qū)縣。該項(xiàng)功能指標(biāo)主要是防止土壤侵蝕，由于永定河上游位于門頭溝地區(qū)，地處山區(qū)，地形坡度較大，土壤潛在侵蝕量大，而濕地的存在涵養(yǎng)了周邊大量的濕生及干濕兩生植物，使其實(shí)際侵蝕量很小，使得該地區(qū)的濕地支持功能明顯。懷柔、密云和平谷擁有潮白河水系和薊運(yùn)河水系，而通州則有涼水河濕地群，濕地植被豐富，有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)，因此這些區(qū)縣濕地的“支持”功能重要性也較明顯。

3.2 濕地功能綜合重要程度格局及建議

從北京濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)的空間分布圖4(e)可見(jiàn)，密云濕地的重要性最大，平谷、通州、海淀和門頭溝的濕地重要性居次，房山、城4 區(qū)、朝陽(yáng)、延慶和懷柔的濕地重要性再次之，大興、昌平、順義、石景山和豐臺(tái)濕地的重要性為一般。

上述研究分析成果可以作為北京市濕地科學(xué)、正確監(jiān)管的決策依據(jù)。密云濕地為城市可持續(xù)發(fā)展提供了生態(tài)安全保障，其生態(tài)服務(wù)功能十分重要，應(yīng)該做好濕地的培育和保護(hù)工作，嚴(yán)防濕地遭受破壞;濕地功能較為重要的其他地區(qū)具有約58%的濕地面積(表4)，其中大部分位于西部、北部和東北部的山區(qū)及丘陵地帶，包括環(huán)境保護(hù)林、水土保持林、防風(fēng)固沙林、水源涵養(yǎng)林等生態(tài)保護(hù)林地，以及野鴨湖濕地等重要的自然濕地，生態(tài)服務(wù)功能大，是北京市的生態(tài)涵養(yǎng)功能區(qū)，應(yīng)嚴(yán)禁或限制濕地遭受破壞。位于人口密度大的城區(qū)和城鎮(zhèn)高度開(kāi)發(fā)區(qū)的濕地，不論從其面積還是生態(tài)服務(wù)功能的重要性而言，都是相當(dāng)珍貴的，應(yīng)該加強(qiáng)保護(hù)、恢復(fù)或重建等措施，提高濕地質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)功能。

對(duì)于濕地功能重要性最低的區(qū)縣，可實(shí)行濕地資源開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)并行，在實(shí)現(xiàn)保護(hù)濕地資源與生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，可在有效控制和科學(xué)指導(dǎo)下進(jìn)行合理地開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)濕地的可持續(xù)利用。

4 結(jié)論

本文以北京市為研究區(qū)進(jìn)行濕地生態(tài)服務(wù)功能的評(píng)價(jià)和分區(qū)研究，得出以下認(rèn)識(shí)和結(jié)論:

1)根據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估(MA)分類體系及指標(biāo)數(shù)據(jù)的空間信息可獲取性，借助濕地價(jià)值量評(píng)價(jià)方法，建立了基于空間信息技術(shù)的濕地生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)應(yīng)用層次分析法(AHP)和綜合指數(shù)方法，分別從“調(diào)節(jié)”、“供給”、“文化”和“支持”4個(gè)功能類別及其功能綜合，對(duì)北京市的濕地生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，揭示出濕地生態(tài)服務(wù)功能的重要性等級(jí)分區(qū)和空間分布狀況。結(jié)果是:密云濕地的調(diào)節(jié)和供給功能的重要性最為突出，居于最高級(jí)別(4級(jí));大興、昌平、順義、石景山和豐臺(tái)的濕地面積較小，濕地公園特色不突出，其功能重要性屬于最低級(jí)(1 級(jí)):其他區(qū)縣的濕地生態(tài)服務(wù)功能重要性為2，3 級(jí)。

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