深圳福田紅樹林生態(tài)健康評價研究

徐瀾+楊梅煥+劉婷+李亞

摘要：濕地生態(tài)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的生態(tài)效應(yīng)，對植物、動物和人類的生態(tài)條件形成與改善具有重要影響。本文將壓力（Pressure）——狀態(tài)（State）——響應(yīng)（Response）引入該區(qū)紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系中，構(gòu)建紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，并利用該評價模型（PSR）建立的壓力子系統(tǒng)、狀態(tài)子系統(tǒng)及響應(yīng)子系統(tǒng)對該地區(qū)紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價。另外，基于PSR模型結(jié)合層次分析法（analytical hierarchy process，AHP）對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價，由收集整理的數(shù)據(jù)，通過健康評價模型計算出整個系統(tǒng)的健康值為0.578.（comprehensive effort index，CEI）結(jié)果顯示，福田紅森林目前處于亞健康狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：福田紅樹林；生態(tài)問題；PSR；3S；生態(tài)系統(tǒng)；層次分析法

引言：深圳福田紅樹林鳥類自然保護(hù)區(qū)地處深圳灣東北岸，是我國第一個省級紅樹林自然保護(hù)區(qū)，也是世界上唯一位于城市中心區(qū)的紅樹林濕地，但由于城市地域的不斷擴(kuò)展及其帶來的諸多環(huán)境問題【1-4】。因此，對紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價及作出相應(yīng)對策是非常必要的【4-5】。

鑒于PSR框架能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地反映人地關(guān)系，揭示各因素之間的邏輯關(guān)系【6】，筆者參考借鑒了王玉圖等人【7】2010年首次以PSR模型為基礎(chǔ)建立一個紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系并對健康評價做的初步的探索。其次，3S（RS、GIS和GPS）技術(shù)可以為濕地研究、合理評價濕地變化和預(yù)測未來濕地發(fā)展趨勢提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證【8】，而層次分析法作為一種綜合評價方法在風(fēng)險評價尤其是安全和環(huán)境風(fēng)險評價中得到廣泛應(yīng)用【9】，田輝等人【10】2012年通過對圖們江下游敬信濕地的實地調(diào)查，運用層次分析法對該濕地進(jìn)行生態(tài)評價。本文基于PSR模型結(jié)合層次分析法對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康做出評價，從而控制紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康壓力威脅并使其朝著良性方向發(fā)展

1構(gòu)建模型

1.1.PSR模型簡介

壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”（PSR）模型在生態(tài)系統(tǒng)的評價研究中被廣泛應(yīng)用，并且無論是在陸地生態(tài)系統(tǒng)還是海洋生態(tài)系統(tǒng)中，PSR模型都有很適用。

1.2 模型框架的分析

壓力指標(biāo)：可以描述人類活動對環(huán)境（包括自然資源的數(shù)量和質(zhì)量）產(chǎn)生的影響，如資源利用、物質(zhì)消費以及生產(chǎn)活動對環(huán)境造成的破壞和擾動。

狀態(tài)指標(biāo)：可以描述出生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和變化等方面的指標(biāo)。

響應(yīng)指標(biāo)：可以表現(xiàn)出社會對環(huán)境變化的關(guān)注程度和聯(lián)系。

基于PSR模型結(jié)合層次分析法（analytical hierarchy process，AHP）建立紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康評價體系。

2 評價指標(biāo)體系的建立

2.1 各指標(biāo)的確立

結(jié)合福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)濕地的實際情況，依據(jù)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)的選取原則以及PSR模型，設(shè)計了評價指標(biāo)體系，福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評價可分為三個層次：第一層次是目標(biāo)層（Item）即福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)健康的綜合評價；第二層次是準(zhǔn)則層（Factor），即壓力指標(biāo)、健康狀態(tài)指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)三個方面；第三層次是指標(biāo)層次（Index）。

壓力指標(biāo)包括人為壓力和自然壓力兩方面，人為壓力方面包括污染物和交通噪音與流量以及生物入侵三個指標(biāo)；自然壓力為臺風(fēng)災(zāi)害一個指標(biāo)。

健康狀態(tài)指標(biāo)具體有環(huán)境指標(biāo)和生物狀態(tài)指標(biāo)、功能狀態(tài)指標(biāo)這三個方面，環(huán)境狀態(tài)指標(biāo)包括附近水質(zhì)、沉積物的重金屬污染度這兩個指標(biāo)；生物結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)包括大型底棲多樣性變化、紅樹植物多樣性變化、浮游生物多樣性變化、昆蟲多樣性共四個指標(biāo)。功能狀態(tài)指標(biāo)是評價的基礎(chǔ)，其健康狀態(tài)直接反應(yīng)濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力、生產(chǎn)能力和抵抗干擾能力，包括瀕危鳥類種類、陸鳥類生物多樣性、水鳥類生物多樣性、水鳥的最高數(shù)量等四個指標(biāo)。

響應(yīng)指標(biāo)為濕地管理水平，包括用于濕地保護(hù)的財政支出和管理職能分工及人員配置情況兩個指標(biāo)。

2.2重金屬污染物的趨勢預(yù)測

福田紅樹林濕地水域四個監(jiān)測點鉛、鎳均未檢出。鉻除沙嘴碼頭低潮期含量超過地表水Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅱ類水質(zhì)外，其余站位均屬于Ⅰ類水質(zhì)。鎘除觀鳥亭低潮期含量超過地表水Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅱ類水質(zhì)外，其余站位均屬于Ⅰ類水質(zhì)。說明深圳灣海水的重金屬污染已得到有效控制。

針對這一問題，我們首先運用生態(tài)場理論探究了沉積物重金屬污染對周圍生態(tài)因子的影響，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對沉積物重金屬污染程度發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。在進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型設(shè)計時，主要考慮網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)和每層中神經(jīng)元的個數(shù)。

2.2.1網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。BP網(wǎng)絡(luò)是通過輸入層到輸出層的計算來完成的。多于一層的隱含層雖然能在速度上提高網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，但是在實際應(yīng)用中需要較多的訓(xùn)練時間，而訓(xùn)練速度可以用增加隱含層節(jié)點個數(shù)來實現(xiàn)，因此在應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測時，選取只有一個隱含層的7層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)各層中神經(jīng)元的個數(shù)。輸入、輸出節(jié)點是與樣本緊密相關(guān)的，與其應(yīng)用的領(lǐng)域有關(guān)。如果隱含層神經(jīng)元數(shù)目過少，網(wǎng)絡(luò)很難識別樣本，難以完成訓(xùn)練，并且網(wǎng)絡(luò)的容錯性也會降低；如果數(shù)目過多，則會增加網(wǎng)絡(luò)的迭代次數(shù)，從而延長網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時間，同時也會降低網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，導(dǎo)致預(yù)測能力下降。在具體設(shè)計時，首先根據(jù)經(jīng)驗公式初步確定隱含層神經(jīng)元個數(shù)，然后通過對不同神經(jīng)元數(shù)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練對比，再最終確定神經(jīng)元數(shù)。通用的隱含層神經(jīng)元數(shù)的確定經(jīng)驗公式有：i=n+m+a

其中i為隱含層神經(jīng)元的個數(shù)，n為輸入層神經(jīng)元的個數(shù)，m為輸出層神經(jīng)元的個數(shù)，a為常數(shù)且1

2.3 數(shù)據(jù)分析

以下圖示為沙嘴碼頭、3號崗?fù)ぁⅧP塘河口、以及在2010～2013年高潮、低潮時鎳、鉛、鎘、鉻含量的變化趨勢。

2.4趨勢預(yù)測

比較這幾個地區(qū)重金屬沉積程度可知：隨著時代的發(fā)展，不論是高潮還是低潮期，這幾個地方的重金屬鎳、鎘、的鉻含量均趨于0；但是鳳塘河口在其低潮期時，鎳、鎘重金屬仍占有一定份額，且隨著時間的推移趨于穩(wěn)定。另外，鉻的含量在這幾個地區(qū)均呈現(xiàn)“S”型曲線增長的變化態(tài)勢。

我們知道，在自然界中，環(huán)境條件是有限的，因此，種群不可能按照“J”型曲線無限增長。當(dāng)種群在一個有限的環(huán)境中增長時，隨著種群密度的上升，個體間由于有限的空間、食物和其他生活條件而引起的種內(nèi)斗爭必將加劇，以該種群生物為食的捕食者的數(shù)量也會增加，這就會使這個種群的出生率降低，死亡率增高，從而使種群數(shù)量的增長率下降。當(dāng)種群數(shù)量達(dá)到環(huán)境條件所允許的最大值時，種群數(shù)量將停止增長，有時會在K值保持相對穩(wěn)定。

由類比推理，我們可預(yù)測，該重金屬鉻的含量將在未來呈現(xiàn)40～50之間上下波動的態(tài)勢。由此可以看出，重金屬污染程度已經(jīng)穩(wěn)定下來，并不會給福田紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)造成更加巨大的影響，但是也不應(yīng)該就此感到慶幸；因為，鉻的含量雖然不會大面積增加，但也處于居高不下的狀態(tài)，因此要嚴(yán)格監(jiān)測其數(shù)量變化。并且，積極采取有效措施，降低其在生態(tài)區(qū)的含量。

沙嘴碼頭高潮時重金屬變化趨勢 沙嘴碼頭低潮時重金屬變化趨勢

3號崗?fù)じ叱睍r重金屬變化趨勢 3號崗?fù)さ统睍r重金屬變化趨勢

鳳塘河口高潮時重金屬變化趨勢 鳳塘河口低潮時重金屬變化趨勢

3基于層次分析法的測算

3.1 各指標(biāo)權(quán)重確定

<1>評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化等級劃分

（1）壓力指標(biāo)。本文中福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)所受到的壓力主要是指人類活動對濕地生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力，壓力指標(biāo)主要分為人口因素和人類活動干擾兩部分，人口因素又分為人口密度與人口素質(zhì)，人類活動干擾主要包括人類對福田紅樹林的水資源利用強(qiáng)度、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、工農(nóng)業(yè)的排污量、景觀發(fā)展強(qiáng)度指數(shù)。壓力指標(biāo)確定為五個等級，從高到低依次為：嚴(yán)重超出、超出范圍、一般水平、能夠承受、幾乎沒有。承受范圍，并對每個等級進(jìn)行權(quán)重賦值處理，數(shù)據(jù)取值在1和0之間，數(shù)值越大，證明等級越高。

（2）狀態(tài)指標(biāo)。在對狀態(tài)指標(biāo)的選取與處理過程中，為了對福田紅樹林自然保護(hù)區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的評價，為了計算簡便、易于比較，首先對各個指標(biāo)的數(shù)值劃分等級，原則上優(yōu)先采用現(xiàn)有國內(nèi)外通用的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，其次根據(jù)各個指標(biāo)對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響的程度和關(guān)聯(lián)性，確定每一級的標(biāo)準(zhǔn)化分值，取值在0-1之間，數(shù)值越大說明等級越高，分級標(biāo)準(zhǔn)表如下。

表4.1狀態(tài)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化等級劃分

（3）響應(yīng)指標(biāo)

本文所采用的響應(yīng)指標(biāo)主要包括環(huán)保投資指數(shù)、濕地管理水平、濕地保護(hù)意識、相關(guān)政策法規(guī)及執(zhí)行力度等四個指標(biāo)。把響應(yīng)指標(biāo)分為無響應(yīng)、消極響應(yīng)、一般響應(yīng)、較為積極的響應(yīng)、積極響應(yīng)和無響應(yīng)五個等級，對每個等級賦分值，取值在0-1之間，數(shù)值越大等級越高。再結(jié)合福田紅樹林濕地的實際情況協(xié)商確定分級標(biāo)準(zhǔn)（表4.3）。

CEI為整個系統(tǒng)的健康狀況值；n為評價指標(biāo)個數(shù)；為第個單項指標(biāo)的歸一化值；為第個指標(biāo)的權(quán)重。

為了評價深圳福田濕地生態(tài)系統(tǒng)的綜合健康狀況，本文設(shè)計了一個0-1連續(xù)數(shù)值的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)CEI，并定義當(dāng)CEI為0時，健康狀態(tài)最差；當(dāng)CEI為1時，健康狀態(tài)最好。為便于描述，把深圳福田濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平劃分為5級，

表4.8等級對應(yīng)

4 結(jié)論與分析

濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合健康狀況

其綜合健康度為0.578，處于亞健康狀態(tài)。生物和棲息地鳥類逐漸減少，部分濕地功能喪失。對外界的干擾恢復(fù)力逐漸減退，并且可通過人工促進(jìn)恢復(fù)力這種方法提高來穩(wěn)定期生態(tài)系統(tǒng)。盡管現(xiàn)在已經(jīng)實施了濕地修復(fù)工程，紅樹林生態(tài)系統(tǒng)健康狀況有所好轉(zhuǎn)，但依舊存在著較大的壓力。因此，控制紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)健康壓力威脅并且采取相應(yīng)的調(diào)整和恢復(fù)對策使其朝著良性方向發(fā)展是非常必要的。

5 可持續(xù)發(fā)展建議

（1）水污染防治。嘗試性地開展?jié)竦貎艋廴疚飳嵺`毫無疑問將更加有益于濕地的健康發(fā)展。

（2）蟲害防治。改善以至恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量，改善鳥類的各種昆蟲生存、生活、繁殖的基本條件，維持健康的食物鏈和食物網(wǎng)。噴曬農(nóng)藥的方法是蟲害防治的措施之一，但不是長遠(yuǎn)之計，適當(dāng)?shù)夭扇∩锓乐蔚瓤茖W(xué)防治措施是必要的。

（3）入侵生物的控制。建議在加強(qiáng)對入侵物種侵入擴(kuò)張的機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，實施生物防除的實踐研究，同時也要盡可能地實現(xiàn)其在生態(tài)學(xué)的利用。

（4）鳥類的保護(hù)。因此，要保護(hù)好鳥類，就要求建設(shè)好保護(hù)鳥類的生態(tài)環(huán)境，提高質(zhì)量擴(kuò)大鳥類的生態(tài)空間。具體就要充分?jǐn)U大植被空間占有率，盡量是房屋建筑等遠(yuǎn)離濕地生態(tài)保護(hù)區(qū)。同時也要加強(qiáng)立法，科學(xué)規(guī)劃。

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