汪海倫， 路明*， 鄒勝章， 申豪勇

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056001； 2.河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056001； 3.中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所， 桂林 541004)

濕地是人類不可多得的寶貴財富，對環(huán)境的調(diào)控性非常大。作為地球上物種多樣性最為豐富的生態(tài)景觀之一，濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個相對獨特的自然生態(tài)系統(tǒng)[1]。濕地生態(tài)系統(tǒng)功能繁多，如調(diào)節(jié)氣候變化，凈化水質(zhì)，提供物種棲息地，保證水資源供給等，被人們廣泛看作“物種基因庫”和“生物超市”[2-3]，同時也被譽(yù)為“地球之腎”“人類文明的發(fā)源地”[4-6]，并與森林、海洋一起稱為全球的三大生態(tài)系統(tǒng)[7]。維護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康對保障系統(tǒng)功能發(fā)揮和促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)具有重要作用。

現(xiàn)今，已有學(xué)者嘗試從某些方面對會仙巖溶濕地風(fēng)險評估做了相應(yīng)的探討，如濕地豐平枯水期地表水污染及灌溉適用性評價[8]、典型的抗生素污染特點及生態(tài)風(fēng)險評估[9]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值動態(tài)評估[10]以及水體金屬元素分布與健康風(fēng)險評價[11]等研究。然而，針對會仙巖溶濕地開展具有巖溶特征的評價指標(biāo)體系構(gòu)建并進(jìn)行評價的研究相對較少。為此，應(yīng)用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型，構(gòu)建體現(xiàn)巖溶濕地特征、適于巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的指標(biāo)體系，并運(yùn)用二元對比定權(quán)法確定各類指標(biāo)權(quán)重，采用綜合評價指數(shù)的評價方法對會仙濕地進(jìn)行評價，以期為會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和治理工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

會仙濕地位于廣西壯族自治區(qū)桂林市西南部，由臨桂區(qū)會仙鎮(zhèn)、四塘鄉(xiāng)和雁山區(qū)部分地區(qū)組成。距桂林市區(qū)約30 km，交通便利。其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)110°08′15″～110°18′00″、北緯25°01′30″～25°11′15″。基于會仙濕地獨特的地域特性和環(huán)境調(diào)控優(yōu)勢，會仙濕地于2012年正式被國家林業(yè)和草原局納入國家濕地公園試點。

會仙巖溶濕地是中國低緯度、低海拔亞熱帶喀斯特地區(qū)規(guī)模最大的自然濕地，也是中國乃至世界熱帶、亞熱帶巖溶峰林地貌中最具有研究價值的典型濕地。近年來，會仙濕地在各種自然因素和人為因素的影響下，面積日漸萎縮，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性加劇[12]，濕地面積也由20世紀(jì)70年代的120 km2退化萎縮至24 km2，常年水域面積不足6 km2，整體生態(tài)環(huán)境已處于瀕危狀態(tài)?；跁蓾竦孛媾R的問題，桂林市人民政府出臺了一系列政策，堅持優(yōu)先考慮濕地的生態(tài)價值修復(fù)原則，促進(jìn)濕地保護(hù)和綜合利用，修復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)，會仙巖溶濕地自然景觀遭受破壞的趨勢得以基本遏制。

影響會仙濕地的擾動因素存在自然和人類兩個方面，而人類經(jīng)濟(jì)活動在會仙濕地的加速退化和結(jié)構(gòu)演變中起主導(dǎo)作用。

1.1 自然擾動

從自然情況來看，對會仙濕地的影響因素如下。

(1)氣候溫度。全球氣候溫度逐漸上升，年均氣溫從近60年升高了0.8 ℃[13]。氣溫升高造成了濕地環(huán)境干燥缺水、地下水位下降和水域面積減少，出現(xiàn)巖溶塌陷以及連續(xù)水體被分隔的現(xiàn)象，最終造成濕地萎縮。

(2)水文地質(zhì)。由于會仙濕地特殊的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，濕地內(nèi)旱澇交替災(zāi)害頻發(fā)，平均每年出現(xiàn)澇災(zāi)次數(shù)達(dá)7.6次。

(3)外來物種入侵。水葫蘆和空心蓮子草等外來物種在富營養(yǎng)化的水體中瘋狂生長，導(dǎo)致河道堵塞；大量的福壽螺繁殖能力超強(qiáng)，對當(dāng)?shù)剞r(nóng)田危害性較大。

1.2 人類擾動

(1)圍墾養(yǎng)殖。河湖圍墾、養(yǎng)殖過度等人類活動，加速了濕地面積的萎縮和濕地環(huán)境的退化，過度捕撈造成濕地主要魚類種群出現(xiàn)衰退甚至喪失。

(2)水土污染。人口的增多造成濕地內(nèi)排污量增加，居民區(qū)周邊濕地受到了一定程度的污染，造成水體富營養(yǎng)化。此外，雖然水葫蘆在凈化水質(zhì)方面有一定的作用，但其在生長過程中需要消耗大量的氧氣，促進(jìn)厭氧微生物的繁殖和代謝，這一過程致使?jié)竦爻霈F(xiàn)大量水葫蘆腐爛現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了水體富營養(yǎng)化。隨著大量使用農(nóng)藥和化肥，會仙濕地受到嚴(yán)重污染，自然濕地面積減少，生態(tài)恢復(fù)能力逐漸退化，部分物種數(shù)量逐漸減少甚至消失。

(3)石漠化。不合理的開發(fā)加劇了石漠化惡化程度，1973—2018年，石漠化面積增加了3.49 km2，造成水土流失，進(jìn)而致使?jié)竦赜俜e、調(diào)蓄功能降低。

2 會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 評價指標(biāo)的選取原則

從眾多擾動因素中分析能夠準(zhǔn)確反映生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的關(guān)鍵指標(biāo)，篩選指標(biāo)原則如下。

(1)整體性。任何生態(tài)和環(huán)境問題都是互相依存的，兩者互相作用、共同影響，不可能獨立存在。會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)作為自然-經(jīng)濟(jì)-社會復(fù)合型生態(tài)系統(tǒng)，需要從綜合性的角度出發(fā)進(jìn)行考慮。

(2)代表性。所選指標(biāo)要結(jié)合會仙濕地的實際情況，能夠客觀、全面地反映濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況。

(3)地域性。所選指標(biāo)要因地制宜，能體現(xiàn)出巖溶地區(qū)地域特色。

(4)可操作性。所選指標(biāo)計算簡單，數(shù)據(jù)容易獲取。

(5)科學(xué)性。所選指標(biāo)要能體現(xiàn)會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，且各指標(biāo)概念清晰，計算方法具有科學(xué)性。

2.2 評價指標(biāo)系統(tǒng)的建立

依據(jù)上述指標(biāo)篩選原則，結(jié)合會仙濕地人與環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，從生態(tài)系統(tǒng)的基本組成、生態(tài)特征、經(jīng)濟(jì)社會影響等多方面進(jìn)行篩選，建立了三層遞階結(jié)構(gòu)會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系，如表1所示。

(1)壓力指標(biāo)：表征自然和人類活動對會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康影響的外界因素。上述因素中，人類活動對濕地干預(yù)最大，如濕地蠶食圍墾、過度養(yǎng)殖和捕撈、污水肆意排放等。選取人口密度、年均降雨量、年均氣溫和土地利用率4項指標(biāo)做為會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的壓力指標(biāo)。

表1 會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系Table 1 The ecological health assessment index system of Huixian wetland

(2)狀態(tài)指標(biāo)：表征會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)與健康環(huán)境現(xiàn)狀等狀態(tài)。選取指標(biāo)時主要考慮環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)的生物、物理化學(xué)特征及生態(tài)功能[14]。從水質(zhì)、生物、生態(tài)和巖溶特征等多個角度選取了9項指標(biāo)。

(3)響應(yīng)指標(biāo)：表征意識和行為的變化對不利于生態(tài)環(huán)境健康做出的反應(yīng)。隨著人類活動的加劇，濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)控結(jié)構(gòu)和功能受到破壞，濕地生態(tài)環(huán)境越來越惡劣。因此，本文從濕地現(xiàn)狀及社會響應(yīng)兩方面選取了濕地退化指數(shù)、斑塊破碎化指數(shù)、濕地保護(hù)管理級別、政策支持4項指標(biāo)。

2.3 評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

指標(biāo)評估標(biāo)準(zhǔn)要綜合性考慮和衡量，否則將直接影響評估結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性[15]。根據(jù)會仙濕地特性，并結(jié)合《國家濕地公園評估評分標(biāo)準(zhǔn)》(LY/T 1754—2008)及相關(guān)文獻(xiàn)等資料[13,16-20]，對會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價各指標(biāo)進(jìn)行等級劃分，如表2所示。

表2 會仙巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification standard for health assessment index of Huixian karst wetland ecosystem

3 會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價分析

3.1 二元對比定權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的合理評價是濕地管理決策的基礎(chǔ)，而濕地健康評價結(jié)果通常取決于確定的指標(biāo)權(quán)重是否合理，因此指標(biāo)權(quán)重的確定是濕地健康評價中的一個關(guān)鍵步驟[21]。目前，確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要有兩大類，一類是主觀賦權(quán)法，一類是客觀賦權(quán)法[22]。主觀法較為成熟，如層次分析法、Delphi法[23]和環(huán)比評分法等?？陀^法多采用熵值法、多目標(biāo)規(guī)劃法和主成分分析法(principal component analysis，PCA)等[24]。前者主觀性太強(qiáng)，應(yīng)用中也具有很大的局限性，后者雖然客觀，但對于功能整合性指標(biāo)中的定性部分則無法實現(xiàn)權(quán)重的確定[7]，或者確定的權(quán)重與實際情況并非完全一致。在充分考慮主客觀賦權(quán)法的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，采用定性排序和定量標(biāo)度相結(jié)合的二元對比定權(quán)法，其基本原理和求解步驟如下[25-28]。

(1)建立重要性排序一致性標(biāo)度矩陣E：對含有n個指標(biāo)的指標(biāo)集D={d1,d2,…,dn}中每個指標(biāo)按其重要性分別進(jìn)行二元對比：若di比dj重要，則排序標(biāo)度eij=1，eji=0；否則eij=0，eji=1；若兩者同等重要，則eij=eji=0.5；i=1,2,…,n；j=1,2,…,n。根據(jù)比較結(jié)果構(gòu)建二元對比定性排序標(biāo)度矩陣E為

(1)

值得注意的是eij與eji僅在0、0.5、1之中取值。

(2)標(biāo)度矩陣E的一致性檢驗：指標(biāo)重要性排序一致性檢驗條件為：若排序標(biāo)度ehi>ehj，有eji>eij；若ehi

(3)定性判斷目標(biāo)函數(shù)重要性等級：通過一致性檢驗后，標(biāo)度矩陣E中各行和數(shù)從大到小的排列順序即可確立指標(biāo)集的重要性定性排序。

(4)根據(jù)語氣算子與模糊標(biāo)度、隸屬度關(guān)系定量確定指標(biāo)權(quán)重：指標(biāo)定性排序后，進(jìn)行二元對比，確定各種語氣算子的隸屬度值和對應(yīng)隸屬度，如表3所示，將指標(biāo)非歸一化權(quán)重數(shù)值歸一化后即可得到權(quán)向量W，如表4～表7所示。

表3 語氣算子與模糊標(biāo)度、隸屬度的對應(yīng)關(guān)系Table 3 Relationship of mood operator, fuzzy scale and membership degree

表4 各子系統(tǒng)權(quán)重Table 4 Weight of each subsystem

表5 壓力指標(biāo)B1權(quán)重Table 5 Pressure index weight B1

表6 狀態(tài)指標(biāo)B2權(quán)重Table 6 State index weight B2

表7 響應(yīng)指標(biāo)B3權(quán)重Table 7 Response index weight B3

根據(jù)表4～表7中的數(shù)據(jù)，得到壓力指標(biāo)B1、狀態(tài)指標(biāo)B2和響應(yīng)指標(biāo)B3在目標(biāo)層中的同級權(quán)重分別為0.18、0.753、0.067。

3.2 評價方法

3.2.1 評價模型選擇

壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型(pressure-state-response, PSR)是一種典型的生態(tài)系統(tǒng)健康評價模型，能夠清楚地反映人類活動對濕地生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的壓力、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的變化以及人類應(yīng)對生態(tài)環(huán)境的惡劣變化做出的反映之間的因果關(guān)系[29]。PSR模型包括壓力、狀態(tài)和響應(yīng)三類指標(biāo)，目前被廣泛運(yùn)用于濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價[30-31]。PSR模型的主要優(yōu)點是濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性與各種環(huán)境影響因素間的邏輯關(guān)系清晰，充分考慮了外界壓力干擾、濕地生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化和人類社會的應(yīng)對措施。通過PSR模型分析后往往更容易得出一個客觀的結(jié)果。因此，本研究以此模型為框架，結(jié)合會仙濕地的具體情況，對會仙濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價。

3.2.2 綜合評價

采用綜合評價指數(shù)法(comprehensive evaluation index, CEI)[32]，綜合多項指標(biāo)對會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行評價，定量得出濕地整體健康狀況。根據(jù)各個單項指標(biāo)的評價值，采用前述所確定的各指標(biāo)權(quán)重，再用多目標(biāo)線性加權(quán)函數(shù)進(jìn)行計算，計算公式為

(2)

式(2)中：Wi為第i個單項指標(biāo)的權(quán)重值；Pi為第i個單項指標(biāo)的評價等級。

3.2.3 評價標(biāo)準(zhǔn)

綜合中外學(xué)者對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評估的相關(guān)研究成果和本地區(qū)會仙濕地的實際情況，考慮到濕地生態(tài)系統(tǒng)的綜合性，對其健康程度進(jìn)行等級劃分，并確定會仙濕地的健康評估分類標(biāo)準(zhǔn)[33-35]，如表8所示。

表8 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度分級標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Classification standards of wetland ecosystem health

3.3 綜合評價結(jié)果分析

3.3.1 壓力分析

從PSR模型壓力層的角度來看，會仙巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度主要受人口制約。隨著會仙濕地內(nèi)人類活動的加劇，濕地面積不斷萎縮，生態(tài)恢復(fù)能力逐漸退化，部分物種數(shù)量逐漸減少甚至消失。

3.3.2 狀態(tài)分析

巖溶石漠化易于造成水土流失，致使?jié)竦赜俜e、調(diào)蓄功能降低。從狀態(tài)層中的狀態(tài)指標(biāo)來看，石漠化程度C11、地下巖溶管道發(fā)育形態(tài)C13是壓力指標(biāo)中影響濕地生態(tài)健康的關(guān)鍵因素。此外，濕地自然災(zāi)害C9和巖溶地下水位變幅C12也對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康構(gòu)成了重要威脅。

3.3.3 響應(yīng)分析

在響應(yīng)層中，濕地退化指數(shù)C14權(quán)重最大，通過采取相應(yīng)的保護(hù)措施減小濕地退化指數(shù)對改善會仙濕地生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)、抵御外界壓力干擾和維持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有顯著作用。

3.3.4 綜合評價

通過綜合指數(shù)評價法計算，得出會仙巖溶濕地健康指數(shù)為2.992。據(jù)表8可知，健康狀況屬于第Ⅲ等級(亞健康)。研究結(jié)果表明，在自然和人類活動的持續(xù)干擾下，會仙濕地的生態(tài)系統(tǒng)受到一定程度的破壞，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，功能水平退化。

4 結(jié)論

以會仙巖溶濕地生態(tài)健康保護(hù)為目標(biāo)，從會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)綜合利用和可持續(xù)發(fā)展理念出發(fā)，對會仙巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進(jìn)行評價，得出以下結(jié)論。

(1)基于PSR模型理論框架，結(jié)合巖溶地區(qū)濕地特征，構(gòu)建了會仙巖溶濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標(biāo)體系。

(2)在充分考慮主客觀賦權(quán)法的優(yōu)缺點基礎(chǔ)上，運(yùn)用定性排序和定量標(biāo)度相結(jié)合的二元對比定權(quán)法確定了各指標(biāo)權(quán)重，并采用綜合評價指數(shù)法對會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行了評價。

(3)從綜合評價結(jié)果得出，會仙濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)為2.992，健康狀況為亞健康，濕地生態(tài)系統(tǒng)受到一定的脅迫。