湿地生态质量预警系统的思路

1、湿地生态质量预警系统的思路 湿地(wetlands)是地球上水陆相互作用形成的一种重要的过渡生态系统,是自然界最富生物多样性的生态景观,也是人类最重要的生存环境之一。世界自然保护联盟(iucn)将湿地生态系统与森林生态系统、农田生态系统并称为三大生态系统,湿地具有涵养水源、均化混水、调节气候、净化环境、提供野生动植物生境、提供资源和休闲观光场所等生态环境与社会服务功能,是人类共同的财富1-3,被誉为地球之肾、生命的摇篮、文明的发源地和物种的基因库。本文的研究对象为天然湿地。中国湿地总面积为3848.55x104hm2(指湿地斑块面积在100hm2以上的总和),居亚洲第一位,世界第四位,具有湿地

2、类型多4(图1)、分布广、区域差异显著,生物多样性丰富等特点。然而,由于人们对湿地认识水平的局限性,在湿地开发利用中只注重短期效益,忽视长期的可持续性,单纯地追求经济效益。长期以来,在围垦、基建占用、环境污染、过度捕猎、泥沙淤积、不合理水利工程建设等诸多因素的共同作用下4(图2),以及全球环境问题的影响下,湿地资源遭受了严重破坏,正以极快的速度退化和消失,湿地资源保护所面临的任务非常艰巨5,实现湿地资源的可持续性管理和合理利用已成为当务之急。湿地资源的持续利用管理就是指对湿地生态系统的动态进行观测管理,这必须建立在湿地生态质量预警的基础上才能行之有效。这样才能正确地评价湿地生态系统的健康状况,

3、准确预测其可能的趋势和反映系统持续利用管理的效果,便于有关部门根据系统预警信息及时采取管理措施,防患于未然,从而实现湿地生态系统的健康运行,促进生态、社会、经济的整合与协调发展。 1湿地生态系统预警的必要性 湿地生态质量是湿地环境质量的核心。它是以生态学理论为基础,从湿地生态系统层次上研究系统各组成、变化规律和相互间关系,以及人为作用下结构和功能的变化,从而评价湿地环境质量,因此湿地生态质量及其评价的综合性极强。对湿地生态质量进行预警,也就是对湿地生态系统层面上的预警研究,具有重要的现实意义。 1.1湿地生态系统的整体性 湿地生态系统是陆地与水域之间相互作用形成的特殊综合体,包括了所有的陆地淡

4、水生态系统,如河流、湖泊、沼泽,以及陆地和海洋过渡地带的滨海湿地生态系统,同时还包括海洋边缘、部分咸水和半咸水水域,主要受地形、地质、土壤、水源、动物、植物、人类等因素的影响,应从整体上把握湿地结构、功能和变化,不能孤立地分析或研究以上因素6。湿地生态质量预警是对湿地生态系统各个成分进行综合考虑,从整体上把握湿地的生态质量。 1.2湿地生态系统的复杂性 生态系统指物理、化学和生物学成分,如土壤、水、植物、动物和营养物,以及它们之间的相互作用7。湿地生态系统提供了复杂完备的动植物群落,具有极其复杂的生物多样性。湿地生态系统是一个复杂的非线性动态过程,其内部各组成要素之间,以及各要素与外部环境之间

5、是相互制约、相互作用的8。湿地生态系统构成要素发生作用的时空序列、影响强度和方向,以及它们之间的相互影响处于不断变化之中,单个构成要素的变化也会引起其它相关要素的变化,从而导致系统整体的重大变动,这就使湿地生态系统更具复杂性。湿地生态系统内部的陆地生态系统与水域生态系统,以及湿地生态系统与其它生态系统之间持续不断的进行着复杂的物质循环、能量流动和信息交换,从而维持系统的稳定,使湿地资源的价值得以持久、充分的体现,所以人们只有借助计算机系统才能对其复杂性有一个科学直观的认识。 1.3湿地生态系统的敏感性与生态脆弱性 湿地水文、土壤、气候相互作用,形成了湿地生态系统环境的主要因素。单个因素的改变会

6、引起生态系统的变化,通常表现为对外界干扰的敏感性和受干扰后的不可恢复性,进而影响生物群落结构,引起湿地生态质量的变化。自然因素如洪水、干旱,以及人类活动如河流及地下水过度提取、水污染等严重影响了区域水文状况,进而影响到土壤呼吸、有机质和海洋湿地盐度等生态系统中的非生物因子,同时影响到湿地种群的组成和丰度、初级生产力、有机质累积以及营养物质循环,改变湿地结构和功能,导致生态质量下降。由于湿地生态系统的脆弱性,极易造成湿地生态质量降低。因此,必须建立湿地生态质量预警系统,及时预测和预报其动态变化,有效地维持湿地生态质量,使湿地生态系统得到健康运行。 1.4湿地生态系统调控的滞后性 由于湿地生态系统

7、处在动态变化之中,人们开展了各种类型的动态监测,但都是在湿地生态质量退化发生之后才通过检测结果得到认识并采取相应的治理措施,而此时的湿地生态系统结构和功能已经受到一定程度的破坏,利用效益降低,致使我国的湿地管理缺乏超前性和持久性。鉴于此,必须进行湿地生态质量的预警研究。通过研究掌握湿地生态质量变化状况及其规律,预测一定时期内的变化方向与变化程度,采取适当措施进行调控,实现湿地生态系统调控的超前性,避免湿地退化,保障湿地资源的永续利用。 2湿地生态质量预警的意义 湿地生态质量预警就是在全面准确地把握区域湿地生态系统的运行状况和变化规律的基础上,对区域湿地生态质量的现状和未来进行测度,预报不正常状

8、态的时空范围和危险程度,提出防范措施。湿地生态质量预警理论阐明了湿地生态质量变化规律,为湿地资源的可持续利用与管理提供参考依据。管理者利用预警的超前性,可以及时掌握湿地生态质量的变化趋势,不至于在警情爆发的情况下才采取补救措施,改变了湿地生态质量管理的滞后性。此外,湿地生态系统极其复杂,应借用一定的理论和方法对湿地生态质量进行全面的分析研究,把握湿地生态质量变化规律,以此为基础进行科学的调控决策和生态质量预警,及时了解湿地生态质量状况,进行科学管理,从而维持湿地生态过程的连续性、湿地生态系统结构的稳定性和功能的完整性。 3湿地生态质量预警的基本内容 3.1警义 警义即预警指标。选取预警指标时,

9、既要结合我国不同区域的湿地状况,同时也要考虑所选取指标的全面性、主导性、易变性、科学性和可操作性。本文采用张峥等在有关自然保护区生态评价理论的基础上,建立了一套适合我国现状的湿地生态质量评价指标体系(表1)。多样性指标包括物种多样性和生境类型多样性10,一般将鸟类作为湿地物种多样性的考察对象;代表性指标是度量湿地生态系统的生物区系,群落结构与所在地理省或某一生态地理区域整个生态系统相似程度的指标,生态系统的代表性状况需要全体物种加以反映;稀有性指标主要指湿地物种或生境等在自然界的存在数量9,从而判断其稀有程度;自然性指标主要由人类对湿地的干扰程度来衡量;适宜性指标主要由野生生物所生存和繁衍的湿

10、地环境中的湿地面积、水质条件和植被覆盖率等构成;生存威胁指标的稳定性指标反映了物种、群落、生态系统等对环境变化的内在敏感程度;人类威胁是指人类活动对湿地内生物、土壤、景观等自然资源造成的危害情况,分为直接威胁和间接威胁10。#p#分页标题#e# 3.2警情 警情是指事物发展过程中出现的极不正常的情况,也就是已经出现或将来可能出现的问题。警情是预警的前提。如湿地生态功能有较大幅度下降,就可认为出现了警情;湿地生态系统遭受自然和人类活动的破坏,导致湿地生态质量的下降,也可以认为出现了警情。湿地生态质量警情主要是指生态功能和利用效益的降低,也包括对湿地的盲目开垦和改造造成的我国天然湿地面积消减、功能

11、下降、泥沙淤积日益严重等。 3.3警源 警源是指产生湿地生态质量系统警情的根源或源头,可分为自然警源、外在警源和内在警源11。自然警源是指各种可引发自然灾害从而对湿地生态质量造成破坏的自然因素,如洪涝、干旱、海水入侵等;外在警源是由湿地生态系统外输入的警源,主要指在经济利益驱使下不合理地开发利用湿地资源,导致湿地被破坏和退化的人类活动,过高的生产和生活资料价格会因人们的急功近利而加剧湿地退化;内在警源则是湿地生态系统自身的运行状况及机制,包括对湿地资源的开发利用行为、湿地管理行为、湿地资源保护制度、湿地资源产权制度等因素。如对湿地资源产权的界定不清,会引发人们的一些短期行为;我国湿地占用成本相

12、对较低,一定程度上导致湿地遭遇危机。对警源加以区分,可使人们在进行湿地生态质量预警的过程中,对自然警源和内在警源进行预测,而对外在警源只能从宏观上加以把握,结合其发展规律,对预测结果做一个趋势上的修正11。 3.4警兆 警兆是指警情爆发之前的一种预兆,是警源过渡到警情的中间状态。湿地生态质量系统警兆包括景气警兆和动向警兆。景气警兆一般以实物运动为基础,表示湿地生态质量某一方面的景气程度12。如湿地生态系统中物种多样性程度、植被覆盖率、水质条件等均属景气警兆;而湿地生态系统内动植物资源的市场价格,人们的收入水平等这些并不直接表示湿地生态质量景气程度的指标,均属动向警兆。景气警兆属于内生变量,是湿

13、地生态质量预警所能选取的指标;动向警兆属外生变量,与湿地生态质量无直接关系,定性分析时可作为预测依据,定量分析时不作为预警指标。 3.5警度 警度是衡量湿地生态质量系统警情的大小程度。一般分为无警、轻警、中警、重警和巨警。不同指标的警度值域可能不一样,或者同样的值域、不同指标的警度则不一样12。如对湿地生态系统内的鱼类总量来说,减少幅度在5%10%为轻警;而对于湿地总面积来说,则可能为中警乃至重警。 3.6确定预测模型 在湿地生态质量预警指标体系中,对部分难以直接预测的指标,在保证其客观性的基础上,可通过调查和专家模糊评价法获得,而对于可以直接预测的预警指标,可以通过统计分析法中时间序列分析模

14、型和回归模型,以及灰色系统方法中的灰色预测模型来预测。时间序列分析法:该方法可采用下述指数平滑模型求得序列的平滑预测值:yt+1=yt+α(yt-yt)(1)式中,yt+1、yt为预测值,yt为实际值,α称为平滑常数。此式的物理意义在于预测值是前期实际值和预测值的加权和。其中,α的确定是按照优选法的规则,选择不同的α代入模型计算预测值序列,以实际值和预测值的差的平方和最小为准则,确定α值。回归分析法:此法是基于多年的实测资料,运用最小二乘法原理建立由相关因素求得预警指标预测值的一类方法。回归模型可用下式表示:y=a+σbi

15、xi(2)式中,y为预警指标的预测值,a为常数,bi为回归系数,xi为自变量的实测值。根据xi性质的不同和数量的多少,回归分析模型可分成多项式回归模型、数量化理论模型等。灰色预测法:gm(1,1)模型为该方法的基本算法,该类模型可用下式表示:x(0)(t+1)=x(1)(t+1)-x(1)(t)(3)式中,x(0)(t+1)为t+1年预警指标的预测值;x(1)(t+1)为t+1年预警指标的累加生成模拟,x(1)(t)为t年预警指标的预测值。 4湿地生态质量预警的基本思路及主要方法 湿地生态质量预警一般要经过确定警情、寻找警源、分析警兆、预报警度4个逻辑过程。湿地生态质量预警的技术流程见图3。依据湿地生态质量预警机制及预警对象与方法相匹配原则,湿地生态质量预警的基本方法有:黑色预警,即根据警情的时间序列波动规律进行直接预警。黄色预警,即根据警兆进行预警。此预警方法结合湿地生态质量的自身特性和系统的要求进行预警,根据警兆的警级预报警度进行分析,是一种由内因或外因到结果的分析,是最常用的预警方法。红色预警,是依据警兆以及各种环境、人类活动因素进行估计。即在黄色预警的基础上,结合实际情况进行预测,做到定量分析与定性分析相结合。绿色预警,是借助于遥感技术,依据警情指标的态势,特别是植被生长的绿色程度进行估