环境科学学报  2015, Vol. 35 Issue (4): 1250-1258
基于模糊物元模型的西苕溪流域生态系统健康评价    [PDF全文]
解雪峰1, 蒋国俊1, 肖翠1, 吴涛1 , 边华菁1, 马勇2, 陈建华3    
1. 浙江师范大学地理与环境科学学院, 金华 321004;
2. 浙江省环境监测中心, 杭州 310015;
3. 浙江师范大学化学与生命科学学院, 金华 321004
摘要:本文借助RS/GIS技术,结合遥感影像数据、环境监测数据和社会经济数据,运用模糊物元模型,从水域、水陆交错带和陆域子系统选取21项评价指标,建立了流域生态系统健康综合评价指标体系,对西苕溪流域生态系统健康状况的空间分布规律和限制性因子进行了探讨.研究结果表明,西苕溪流域生态系统健康整体呈现出优良状态,其中,生态系统健康优秀地区面积占68.2%,良好地区面积占31.8%,能够正常发挥流域服务功能,维持生态系统可持续发展.西苕溪流域生态系统健康在空间分布上呈现出上游好、下游差的局面.在各子系统健康评价中,水域生态系统优于陆域生态系统,水陆交错带生态系统最差.底栖动物完整性遭受破坏、湿地退化、人为干扰活动、水源涵养功能减弱、点源和面源污染负荷较重是限制西苕溪流域部分评价单元生态系统健康的重要因素.
关键词生态系统健康    物元模型    西苕溪流域    
Evaluation of ecosystem health in Western Tiaoxi River watershed based on matter element model
XIE Xuefeng1, JIANG Guojun1, XIAO Cui1, WU Tao1 , BIAN Huajing1, MA Yong2, CHEN Jianhua3    
1. College of Geography and Environmental Science, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004;
2. Environmental Monitoring Center of Zhejiang Province, Hangzhou 310015;
3. College of Chemistry and Life Science, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004
Abstract: Based on RS/GIS technology combined with remote sensing image data, environmental monitoring data and social economic data, this study applied the matter element model to construct the western Tiaoxi river watershed ecosystem health comprehensive evaluation index system with 21 evaluation indexes selected from aquatic, amphibious staggered and terrestrial subsystems. Spatial distribution pattern and limiting factor of ecosystem health of Western Tiaoxi River watershed were also discussed. Overall, ecosystem health situation in Western Tiaoxi river watershed is good. Areas classified as excellent and good accounted for 68.2% and 31.8% of the total area, respectively, which can play a normal watershed function and maintain sustainable development of the ecosystem. The ecosystem health in upstream of western Tiaoxi river watershed is better than the downstream. The health in the aquatic subsystem is better than terrestrial subsystem, while the health of amphibious staggered subsystem is the worst. Zoobenthos integrity destruction, wetland degradation, human disturbance activities, weakened water conservation function and overload of point source and non-point source pollutant, are the limiting factors impacting the ecosystem health of some evaluation unit in the Western Tiaoxi river watershed.
Key words: ecosystem health    matter element model    Western Tiaoxi River watershed    
1 引言(Introduction)

流域生态系统包括流域水域生态系统、水陆交错带生态系统和陆域生态系统,是一个复合的生态系统(王文杰等,2012).流域生态系统健康是指流域生态系统处于稳定、可持续的状态,并保持物理、化学及生物完整性,能为人类提供不同生态产品或服务功能,并对自然和人为干扰具有一定的自我调节和修复能力(赵彦伟等,2005李春晖等,2008李浩宇等,2013).由于人类对流域资源的过度开发和不合理利用,造成流域水质恶化、自然植被破坏、生物多样性降低、生态系统退化等问题,严重破坏了流域的完整性,影响流域生态系统的健康,并威胁到流域生态安全(罗跃初等,2003吴涛等,2012).在国内,流域生态系统健康已经成为制约社会经济可持续发展的突出因素之一.因此,流域尺度的生态系统健康研究成为生态系统健康研究的重要发展方向(Meng et al., 2009Li et al., 2010Jia et al., 2013Yang et al., 2013).不少国外学者以流域为单元,建立了流域生态健康评价体系(Reynolds,2003Moiseenko et al., 2006; 2008).我国环境保护部为了加强流域生态环境保护,维护流域生态系统的健康,于2012年10月下发了《关于开展流域生态健康评估试点工作的通知》,要求从流域尺度进行生态环境现状调查、问题分析和综合评估,全面识别人类活动对流域生态系统的影响范围和程度,为流域生态环境保护和可持续发展提供技术支撑.

目前,流域生态系统健康研究仍处于探索阶段,评价方法也没有统一的标准.现有的研究成果多是学者根据不同流域及评价目的建立各自的评价体系(龙笛等,2006李春晖等,2008Su et al., 2012张松等,2012).目前,流域生态系统健康评价方法主要有生物监测法(刘永等,2004Li et al., 2010张红叶等,2012Jia et al., 2013)和指标体系法(蒋卫国等,2005王宏昌等,2006颜利等,2008付爱红等,2009李中才等,2010).其中,生物监测法以指示生物法和简单指数法来评价流域生态系统健康程度;指标体系法多建立综合指标体系,尤其以压力-状态-响应模型应用最为广泛.

流域作为一个完整的自然地理单元,是水文循环的基本单元和主要形式,也是一个小型的复合生态系统(田炯等,2011).针对流域生态系统健康做出评价能更精确地反映生态系统中自然、经济和社会因子之间的关系,为流域的保护和综合治理提出一个新的思路.西苕溪流域是浙西北省级生态功能保护区,又分属苕溪水源涵养与农业生态功能区、天目山生物多样性保护与水源涵养生态功能区,在水源涵养、洪水调蓄和水土保持方面有非常重要的作用,也为安吉县的社会经济发展提供了有力支撑.随着近年来城镇化进程加快、耕地面积的扩大、流域内点源生活污染和面源农业污染日益加重,流域生态环境质量下降.本文基于模糊物元分析方法,建立多角度、多层次的评价指标体系,对西苕溪流域的生态系统健康状况进行初步分析,以期为指导流域生态恢复、制定生态补偿体制及浙江省“五水共治”的开展提供信息决策支持.

2 研究区域与数据来源(Study area and data sources) 2.1 研究区域

西苕溪流域位于30°23′~30°53′N,119°14′~119°53′E,发源于浙江省安吉县和安徽省宁国市交界处的天目山北侧,自西南向东北流经安吉县,在湖州市与东苕溪汇合并最终注入太湖(图 1).研究区干流全长110.75 km,流域面积1806 km2.地势东南高西北低,研究区属亚热带季风气候,多年平均气温15.5 ℃,多年平均降水量1645.8 mm,且集中于4—9月.流域内典型植被为亚热带常绿阔叶林和落叶林.安吉县地处长三角经济圈的几何中心,是杭州都市经济圈重要的西北节点,也是长三角最具投资价值的县市之一.安吉县经济近年来发展迅速,2013年全县实现国内生产总值265.43亿元,人均GDP 57614元.竹制品、茶叶等产品成为其城市名片,轻纺、造纸、机械、食品、化工等产业也有长足发展.

图 1 研究区域示意图 Fig. 1 Location of the study area
2.2 数据来源

研究数据包括数字影像数据、环境监测数据和社会经济数据.其中,数字影像数据为2期法国SPOT-5全色波段数据影像(2000年和2010年)、数字高程模型数据和土地利用数据;环境监测数据包括水质断面监测数据、降水量数据、河流径流量数据、点源和面源污染物排放数据;社会经济数据源于2012年安吉县统计年鉴、西苕溪流域调查问卷等.

3 研究方法(Research methods) 3.1 评价单元

鉴于小流域是一个完整的地貌单元,具有生态完整性,且可以减少一些过细信息的干扰.因此,本文利用DEM数据,采用GIS水文分析模型和空间叠置方法,综合考虑流域的集水盆和流域最小行政单元空间分布的一致性,获取流域生态健康评价单元(图 2),共将西苕溪流域划分为14个小流域.

图 2 流域评价单元 Fig. 2 Evaluation unit of watershed
3.2 评价指标体系的构建

流域生态系统作为一个自然-经济-社会复合生态系统,是一个完整的自然地理单元.进行评价时不仅要考虑到流域生态功能,还必须考虑其为人类提供不同生态产品或服务的社会与经济功能(罗跃初等,2003).结合西苕溪流域的生态环境质量现状,参考国内外生态健康评价指标体系,构建了“子系统-要素类型-评价指标”3个层次的西苕溪流域生态系统健康评价指标体系.在子系统层中选择水域生态系统、水陆交错带生态系统和陆域生态系统作为研究对象,分别进行评价.在要素类型层中,水域生态系统健康评价采用生境结构、水生生物、生态压力3个要素类型进行分析;水陆交错带和陆域生态系统健康评价主要从生态格局、生态功能和生态压力3个要素类型分析,在评价指标层中给出了具体的指标且对指标进行了解释.评价指标的权重决定各评价指标对流域生态系统健康的贡献状况,直接影响到评价精度.本文通过环保部《流域生态健康评估指南》和专家咨询法(Delphi),同时,参考指标的重要性对各项指标进行权重分配,结果见表 1.

表 1 流域生态系统健康评价指标体系及权重 Table 1 Weight and evaluation index system of watershed ecosystem health evaluation
3.3 模糊物元评价模型

物元分析模型是蔡文教授在20世纪80年代提出的,主要在多因子评价中解决不相容的复杂问题.生态系统健康的概念具有模糊性,其各单项评估指标的结果也具有不相容性.因此,利用模糊物元分析方法构建流域生态系统健康模糊物元模型是适用的.

3.3.1 流域生态系统健康模糊物元模型

流域生态系统健康模糊物元模型构建主要有以下步骤:①构造模糊物元;②确定经典域和节域的物元矩阵;③确定待评物元;④确定关联函数及关联度;⑤确定权重;⑥计算综合关联度确定评价等级.具体计算方法及公式参见文献(黄辉玲等,2010余建等,2012).

3.3.2 流域生态系统健康经典域和节域的确定

根据流域生态系统健康的可拓性,将其划分为优秀、良好、一般、较差和差5个等级,分别用I~V级来表示.流域生态系统健康经典域的确定主要参照环保部《流域生态健康评估指南》,建立流域生态系统健康评价的经典域复合物元矩阵Roij和节域矩阵Rp表 2.

表 2 乐清湾生态系统健康评价指标经典域、节域的取值范围 Table 2 The valuing range on the classic field and section domain of evaluation index
4 结果与分析(Results and analysis) 4.1 物元分析评价

根据各评价单元生态系统健康评价指标量值,参照文献(黄辉玲等,2010余建等,2012)中的算法计算流域生态系统健康评价指标关联度.本文以高禹评价单元的C1指标(水质状况指数)计算结果为例,介绍各参数的指示意义.将C1指标量值v1=0.91代入关联函数公式,求出相应的等级关联度分别为:k(C1)1=0.9、k(C1)2=-0.55、k(C1)3=-0.775、k(C1)4=-0.85、k(C1)5=-0.888,可判定高禹镇评价单元的C1指标属于I级,即优秀状态.同理,可求得其他指标的关联度和等级,结果见表 3.

表 3 西苕溪流域生态系统健康评价指标关联度 Table 3 Relevancy of ecosystem health in Western Tiaoxi River watershed

将求得的各评价指标的关联度量值与其对应的权重相乘求和,得到各评价单元的生态系统健康综合关联度,并判定其等级.以高禹评价单元的计算结果为例,K1=-0.162、K2=-0.306、K3=-0.469、K4=-0.605、K5=-0.648,可判定高禹镇评价单元的生态系统健康状况属于I级,即优秀状态.同理可求得其他各评价单元的综合关联度和健康等级,结果见表 4.

表 4 西苕溪流域生态系统健康评价结果 Table 4 Results of ecosystem health evaluation in Western Tiaoxi River watershed
4.2 西苕溪流域生态系统健康空间分布特征分析

通过计算得到西苕溪流域14个评价单元的小流域生态健康状况,参照流域生态健康评价等级,将流域生态系统健康综合评价结果分为优秀(I)、良好(II)、一般(III)、较差(IV)和差(V)5个等级,探讨西苕溪流域生态系统健康的空间分布规律(图 3).从西苕溪流域生态系统健康整体状况来看,流域整体上保持优良状态,生态系统健康优秀地区的面积约占68.2%,良好地区面积约占31.8%,能够正常发挥流域的生态系统服务功能,维持流域生态系统的可持续发展.

图 3 西苕溪流域生态系统健康空间分布图 Fig. 3 Spatial distribution of ecosystem health in Western Tiaoxi River watershed

从空间分布情况来看(图 3图 4),流域上游地区评价单元(如杭垓镇)生态系统健康状况明显优于中下游地区(如递铺镇、梅溪镇).这是由于上游受保护程度高,人口稀疏,人为活动很弱,区内自然环境受干扰程度低,生态系统结构完整,功能稳定,生态系统健康处于优秀状态.流域中下游评价单元人类干扰活动强烈,原生生境遭到破坏,导致生态压力增大,生态服务功能衰退,部分地区生态系统健康有进一步退化的可能,但生态系统整体尚且稳定,生态系统健康处于良好状态,需提出针对性建议进行治理.

图 4 西苕溪流域评价指标标准化值雷达图 Fig. 4 Radar chart of evaluation index normalized value in Western Tiaoxi River watershed

从流域各子系统来看(图 5),水域生态系统健康状况最好,优秀和良好地区面积分别达到了71%和29%,这主要是流域内水质状况优秀,水生生境结构良好,水域生态压力较小.陆域生态系统健康状况次之,均为良好以上,其中,优秀地区面积达到了68.2%,这主要是因为流域内陆域生态格局完整,森林覆盖率很高,景观破碎度极小,斑块十分完整.水陆交错带生态系统健康状况相对偏差,优秀地区面积仅占25.3%,良好和一般地区的面积分别占52%和22.7%,这是由于岸边带人类活动比较剧烈,生态压力较大,原生生态环境遭受破坏,生态功能得不到有效发挥(表 5).

图 5 水域、水陆交错带和陆域生态系统健康评价结果 Fig. 5 Evaluation results of ecosystem health in aquatic,amphibious staggered and terrestrial

表 5 流域生态系统健康评价指标平均值 Table 5 Average of evaluation index of watershed ecosystem health
4.3 西苕溪流域生态系统健康限制性因素分析

水域生态系统中,水生生物评价结果优秀、良好、一般、较差和差地区分别占总面积的6%、42%、18%、13%和21%.水生生物因素已成为流域水域生态系统健康的主要限制因子.通过实测值计算(表 6),西苕溪流域大型底栖动物多样性综合指数在0.13~0.97之间,平均为0.64.从空间分布来看,底栖动物多样性综合指数受人类干扰活动的影响很大,呈上游向下游递减的趋势.这可能是由于中下游地区河道捕捞、养殖和采砂活动增多使得水生生物多样性遭受破坏.

表 6 大型底栖动物多样性综合指数实测值 Table 6 Measured values of diversity composite index of zoobenthos

水陆交错带生态系统中,流域岸边带生态压力很大,无优秀区域,良好、一般、较差和差的区域分别占23%、50%、21%和6%.10年间湿地退化率达到了6.1%,人为干扰指数在0.07~0.66之间,平均为0.25,属一般等级.水陆交错带生态压力已成为了限制流域水陆交错带生态系统健康的主要因子(图 6).这是由于遭到围垦、建设用地侵占等人类活动干扰,岸边带的自然植被和湿地大面积减少,生态功能退化,造成生态系统调节河川径流量、调蓄洪水和阻滞污染等功能减弱,严重影响了流域生态系统健康.

图 6 水陆交错带生态系统健康指标标准化分值 Fig. 6 Index normalized value of ecosystem health in amphibious staggered

陆域生态系统中,陆域生态压力始终较大,成为陆域生态系统健康的主导限制因素(图 7).根据计算,2012年西苕溪流域陆域点源和面源污染负荷指数分别达到了0.96和0.94,属一般水平.中下游部分评价单元建设用地比例的急剧扩张、点源和面源污染强度的不断增大在一定程度上影响了陆域生态系统健康.

图 7 陆域生态系统健康指标标准化分值 Fig. 7 Index normalized value of ecosystem health in terrestrial
5 结论(Conclusions)

本文以模糊物元分析法构建流域生态系统健康评价指标体系,反映西苕溪流域生态系统健康现状及其空间分布规律和限制性因子.评价过程中,将水文模型划分的小流域与乡镇行政边界合并,生成流域评价单元,该方法不仅能够将自然环境与经济统计数据和环境普查数据相结合,体现西苕溪流域生态系统健康的空间分布规律,还有利于生态环境管理措施的执行和生态经济补偿体制的实施.西苕溪流域的评价结果显示,上游地区生态系统健康状况优秀,中下游地区呈良好状态.在各评价单元中,水域生态系统健康状况最优,陆域次之,水陆交错带最差.西苕溪流域生态系统健康的主要限制性因子为水生生物多样性、岸边带自然植被完整性、湿地面积退化率和重要生境保持率.

致谢: 在资料收集和实地调研过程中,本研究得到了浙江省环境监测中心、安吉县环保局、农业局、水务局及统计局的大力协助,衷心感谢他们为本研究的完成所提供的帮助.

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