基于GIS的蛟流河流域湿地生态系统健康评价

1、收稿日期:2005-03-21;修回日期:2006-03-10.基金项目:国家自然科学基金项目(403710821第一作者简介:陈铭(1980-,男,湖北公安人,在读博士,主要从事遥感、地理信息系统及其应用研究1基于GIS 的蛟流河流域湿地生态系统健康评价陈铭1,2,张树清1,王志强1,2,王丹丹1,2(11中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春130012;21中国科学院研究生院,北京100039摘要:在全球气候变化影响和人类干扰影响下,湿地生态系统的健康受到严重的威胁。而湿地生态系统健康评价是对其健康现状的评价,并为管理者、决策者提供目标依据,以便更好地利用、保护、管理好流域湿地。湿

2、地生态系统是一个复杂的过程,其健康评价受多因素影响。利用GIS 空间技术,通过模糊综合运算方法将复杂多层次评价问题转化为定量评价,从而更合理有效地分析了蛟流河流域湿地系统健康状况。图5,表4,参12。关键词:GIS;湿地生态系统;模糊评价中图分类号:S181文献标识码:A 文章编号:1001-0068(200603-0165-04The assessment of ecosystem heath of w etland of Jiaoliu river based on GISCHE N M ing1,2,ZH ANG Shu 2qing 1,W ANG Zhi 2qiang1,2,W ANG

3、 Dan 2dan1,2(11Northeast Institute o f G eography and Agricultural Ecology ,Chinese Academy o f Sciences ,Changchun 130012,China ;21Graduate School o f Chinese Academy o f Sciences ,Beijing 100039,China Abstract :With the in fluences of the global climate changes and the human inter ferences ,the he

4、alth of wetland ecosystem is su ffering from se 2rious threats 1Through the com prehensive analysis of current conditions of wetland ecosystem ,health assessment provides the useful in formation for decision makers in order to make use of ,protect and manage wetland res ources 1As wetland is a com p

5、licated ecosystem ,different assess 2ment indicators are required for assessing wetland ecosystem health 1With the method of multiple com prehensive fuzzy assessment ,the com pli 2cated assessment can be per formed qualitatively 1As a result ,the ecosystem health of wetland of Jiaoliu River is final

6、ly analyzed reas onably and efficiently here 1K ey w ords :GIS;wetland ecosystem ;health ;fuzzy assessment被称为“自然之肾”的湿地生态系统在蓄洪防旱、调节气候、控制土壤侵蚀、促淤造陆、降解环境污染等方面起着极其重要的作用。湿地拥有丰富的野生动植物资源,是众多野生动植物特别是珍稀水禽的繁殖和越冬地。不仅如此,湿地向人类提供大量的生产和生活资料。但是近些年来人们只注重湿地资源的开发利用,却忽视了湿地资源的保护,给湿地生态系统的健康带来了严重的破坏。湿地资源的破坏又反馈于社会,影响着当地农业生产

7、和人民生活水平的提高。因此,有必要对湿地资源的健康现状作科学的评价,为进一步实现湿地资源可持续利用、保持湿地功能持久性提供有利的科学依据。过去的几十年里,国内外湿地生态系统研究主要侧重于湿地生态系统健康指标选取研究以及湿地生态系统恢复研究方面。如1990年美国在一项环境监测和评价计划(E MAP 中提出了一系列河口湿地健康指标,以此来管理和规划河口湿地1;1992年加拿大学者Rapport 提出的生态系统初级生产力变化、物种多样性变化及物种分布规律变化等指标2;以及澳大利亚联邦科学和工业研究组织(CSIRO 的流域健康诊断指标体系的建立等等3。湿地生态系统恢复研究则主要侧重在河流湖泊污水排放污

8、染和富营养化污染的治理,以及水资源的保护等生态功能恢复。国内一些学者在长江流域、江苏太湖流域以及沿海滩涂等研究区做了大量的湿地恢复研究工作4-6。而崔保山等人则以三江平原挠力河流域湿地为研究区,进行了湿地生态系统健康指标选取和健康评价研究7。但他们是以整个河流流域为研究对象,从流域尺度来作健康评价。湿地生态系统健康评价是诊断由自然因素和人类活动引起的湿地系统的破坏或退化程度,以此发出预警,为管理者、决策者提供目标依据,更好地利用、保护和管理好流域湿地8。但是,湿地生态系统健康评价因素往往具有一定的空间特征和相关性,传统的分析方法和研究手段,无法从空间角度进行健康评价。其主要缺陷有:评价指标难以

9、空间第22卷第3期2006年8月农业系统科学与综合研究SY STE M SCIE NCES AND C OMPREHE NSI VE ST UDIES I N AG RIC U LT URE V ol 122,N o 13Aug 1,2006量化、评价单元难以细分、评价结果难以空间显示和制图显示、难以进行动态评价和对比分析。因此充分利用GIS 技术进行湿地信息获取、空间分析、健康评价、成果输出,将有助于湿地生态系统健康评价9(图1 。图1湿地健康评价流程1研究区概况以吉林省洮南市行政区内蛟流河流域为例,进行湿地生态系统健康评价。蛟流河流域位于吉林省西北部松嫩平原西北端,地势西北高、东南低,最低

10、处在蛟流河、洮儿河两河中下游地区。近年来由于农业发展、废物处理及道路建设等等原因,造成了流域面积的缩小,水质下降,生态系统的健康也受到一定影响(图2 。图2蛟流河流域2湿地生态系统健康评价湿地生态系统是自然经济社会复合系统,湿地的健康就是其内在组分、组织结构的持续稳定和功能的健康维系。我们采用多级模糊综合评价方法进行湿地生态系统健康评价,该方法能较好地反映湿地健康分级界限的模糊性,并且较好地解决了权值分配问题,其主要步骤如下:首先确定评价指标集;评价单元划分及空间插值计算;确定指标权重及指标评价集;建立隶属函数,进行单因素评价,再逐级综合评价10。211指标体系的选取湿地生态系统指标的选取将是

11、一项复杂的工作,不仅仅要从生态、经济、社会三要素角度出发,还要考虑不同条件下湿地生态过程、经济结构、社会组成的动态变化8。崔保山曾详细论述了湿地生态系统健康评价指标体系理论,他从湿地生态特征指标体系、功能整合性和社会政治环境3个角度进行了指标分析和选取8。从实际角度出发,湿地生态系统包括河流、湖泊、沼泽以及人工湿地等类型。不同的湿地类型,其健康评价指标的指示功能不同,在对不同类型湿地系统进行健康评价时,指标选取的代表性、合理性和可操作性,将直接影响到湿地健康评价的最终结果。在此将从湿地生态系统健康评价可操作性出发,选取能够反映其不同流域湿地之间差异性的指标体系:生态特征指标体系和周边人类扰动指

12、标体系。生态特征指标主要是指从湿地生态系统内在自然条件出发,对其组分、结构及功能作诊断性描述,反映评价主体的水、土壤、生物及景观等方面的健康现状;人类扰动指标主要是从社会经济对湿地生态系统健康影响现状出发,描述周边人类活动对其评价主体的胁迫状况和保护程度。这样由健康评价总目标层、中间层和指标层构成了一个如图3所示湿地生态系统健康评价层次模型10。212数据采集与评价单元划分湿地生态系统数据包括空间数据和属性数据,空间数据的提取、处理、分析、输出以及与健康评价有关的属性的关联都必须借助地理信息系统ARCGIS 软件。在中国湿地信息系统中直接提取2000年15000蛟流河流域空间数据及湿地生态系统

13、属性数据,得到评价区域底图。另外,通过实地采样数据调查,得到评价区域评价指标属性数据,并通过空间位置的匹配处理,将采样点数据空间定位到评价底图上。由于所有空间采样点在蛟流河流域上是离散分布的,其整个流域健康指标数据也是661农业系统科学与综合研究第22卷 图3健康评价层次模型及评价指标离散分布的。利用ARCGIS 软件将评价区域按50m ×50m 为一个单元进行划分。利用线性内插方法,对评价单元的各项健康指标数据进行空间插值计算,得到整个流域评价指标数据(图4。内插公式为:z =a 0+a 1x +a 2y(1式中,x ,y 评价单元中心点的坐标,z 评价单元某一健康指标属性值。参数

14、a 0、a 1、a 2根据3个最近采样点P 1(x 1,y 1,z 1、P 2(x 2,y 2,z 2、P 3(x 3,y 3,z 3计算求得 。图4健康评价插值计算213确定指标权重和指标评价集指标权重确定有很多种方法,如经验估计法、专家调查法、统计综合法、灰色系统、神经元网络法等。各种方法都有自身的特点和适用条件11。在此采用层次分析方法,对同一层次上的指标重要性进行比较,构造两两比较判断矩阵,经归一化处理后,确定各个评价指标的权重(表1。R 生态特征指标=(012353c 1,012353c 2,011176c 3,012353c 4,010589c 5,011176c 6R 周边环境指

15、标=(013636c 7,013636c 8,011819c 9,010909c 10用同样的方法得出环境评价要素间的权重关系:R 湿地系统=(016B 1,014B 2表1各种类型指标权重指标层归一化权重指标层归一化权重生态特征指标B 1016水源补给保证C 1012353水质C 2012353河道冲刷淤积C 3011176物种多样性C 4012353生物量C 5010589湿地退化度C 6011176周边环境指标B 2014周边人口扰动胁迫强度C 7013636工业生活废水处理率C 8013636农业污染度C 9011819相关保护政策法规贯彻力度C 10010909确定指标评价集,即建立

16、指标分级标准,按不同取值范围将其分为很健康、健康、较健康、一般病态和疾病5个级别(表2,表3,以便进行健康综合评价。214湿地生态系统健康综合评价根据各评价指标的隶属函数,求得各个评价单因素的评价矩阵,并对第一层次子目标进行综合评价,得评价矩阵B 1=(b 11,b 12,b 13,b 14,b 15、B 2=(b 21,b 22,b 23,b 24,b 25,然后再对第1层次子目标进行综合评价,并得到综合评价矩阵A =(a 1,a 2,a 3,a 4,a 5。综合评价矩阵反映了湿地生态系统健康属于各评价等级的隶属度,由此可判定其健康优劣程度。但评语属模糊度。为了对健康程度加以定量化,取百分制

17、系统矩阵W =(95,8215,6715,5215,3715,则湿地生态系统健康综761第3期陈铭等:基于GIS 的蛟流河流域湿地生态系统健康评价合评价结果为:P =AW T,其评分综合地反映了湿地系统水、土壤、生物、景观以及人类扰动的状况。评分与评分集的对应关系如表4所示。表2生态特征指标分级标准指标很健康健康较健康一般病态疾病水源补给保证c 1>70%60%70%50%60%40%50%<40%水质c 2河道冲刷淤积c 3无冲刷淤积零星淤积部分河段受影响冲刷显著冲刷淤积广泛且严重物种多样性c 4>40%30%40%20%30%10%20%<10%生物量c 5生物量增

18、加速率>10%增加不明显,速率0%10%减少不明显,速率0%10%减少,速率为10%50%明显减少,速率>50%湿地退化度c 6<5%5%15%15%25%25%35%>35%表3周边环境指标分级标准指标很健康健康较健康一般病态疾病周边人口扰动胁迫强度c 7无过度渔猎、割草、垦殖等现象有适宜的渔猎、割草现象,无垦殖现象有过度渔猎、割草现象,无垦殖等现象渔猎、割草强度大,垦殖等现象严重过度渔猎、割草、垦殖等工业生活废水处理率c 8>80%80%70%70%60%60%50%<50%农业污染度c 9>50%50%40%40%30%30%20%<20%

19、相关保护政策法规贯彻力度c 10全面贯彻,积极落实比较认真贯彻落实部分贯彻落实简单应付,不认真执行完全搁置表4湿地生态系统健康评价分级质量等级很好较好一般较差很差评分>90759060754560<45215湿地健康评价结果将评价结果通过ARCGIS 软件的属性连接功能导入湿地健康评价单元图中,这样每一评价单元都包含了健康评价的结果,通过地图综合和分层设色原理,生成直观的健康评价图(图5。从图5可以看出蛟流河上游,特别是那金河支流的健康值要高于蛟流河下游区域。而群昌水库的健康程度却只属于一般水平,这是人们对水库资源的保护明显滞后于人类活动干扰和农业发展破坏的原因。这也再次提醒人们,

20、对湿地资源、水资源以及人类赖以生存的各种自然环境的保护,已经刻不容缓了。 图5健康评价结果3讨论多级模糊综合评价方法是一种定量与定性相结合、将人的主观判断用数量形式表达和处理的方法10。它将健康评价复杂问题分解成各个组成因素,又将这些因素按支配关系组成递阶层次结构。其中,健康评价因子和评价结果的度量是模糊的,很难明确地界定。因此采取对各评价因子先定性,再定量地模糊评价,将有利于湿地生态系统健康评价工作的开展。评价指标应根据具体评价对象的特征特点来选取。不同尺度和区域上的湿地生态系统,影响其健康的主要因素不同,其具有适应性和代表性的评价指标也将不同。对被评价区域湿地系统的综合了解是健康评价的基础

21、。将整个评价区域划分成若干个评价单元,进行湿地生态系统健康评价,其评价单元的大小将直接影响到评价结果的精度。另外,如评价单元与评价指标在空间上具有不一致性,必须进行空间转换处理。一般情况下,以评价单元为基础,将评价指标进行栅格化和均一化处理。应用多级模糊综合评价法,对不同时期同一地域的生态系统健康做动态评价,比较其不同历史时期的健康水平,分析影响生态系统健康变化的主要原因,为生态系统保护和可持续发展提供决策服务。中国湿地数据库已实现湿地属性数据与空(下转第172页 图7用(2式计算的土壤磷素校正系数与 土壤速效磷含量的对数相关曲线图8用(2式计算的土壤磷素校正系数与土壤速效磷含量的直线相关曲线

22、函数y =181875x -019019计算土壤磷素养分校正系数,当x 817mg kg 时,可用直线y =-010599x +21558,R 2=01943433代替幂函数计算土壤磷素养分校正系数。213两种方法计算的土壤磷素校正系数间的关系从表3可以看出,用(2式计算的土壤养分校正系数均高于用(1式计算的土壤磷素养分校正系数,这是因为合理施用氮肥可以促进小麦对土壤磷素养分的吸收5,笔者认为用(2式计算优于(1式,因为在平衡施肥中,在施磷肥的同时,往往也是需要施氮肥的。用空白区(N 0P 0产量计算的土壤磷素校正系数x 与用缺磷区(N 90P 0产量计算的土壤磷素校正系数y 间相关性以幂函数

23、y =112744x 019952为最好,R 2=01966933,直线y =111947x +012871的相关性位居第二,R 2=01932433,因此,两种方法计算的土壤磷素养分校正系数值之间相关性极好,可以用该直线方程进行两种方法间的土壤磷素养分校正系数互算。3结论土壤磷素养分校正系数随土壤速效磷含量的增加而下降,当速效磷含量817mg kg 时,下降剧烈,当速效磷含量817mg kg 时,下降平缓。土壤磷素养分校正系数与土壤速效磷之间的最佳模型为y =a x b(a >0,b <0。为推广应用的方便,土壤磷素养分校正系数可用一个包含两条直线的分段函数来描述。参考文献:1农业部农业局1配方施肥M1北京:农业出版社,198912张忠学,魏永霞,王贵作,等1氮磷钾配施对黑龙江西部半干旱地区大豆产量及效益的影响研究J 1农业系统科学与综合研究,2005,21(2:146-14813史进元1农业试验数据统计实例与分析M1西安:西安地图出版社,199214陈士宾1农业系统工程M1兰州:甘肃民族出版社,199015张道勇,王鹤