所谓湿地功能，就是湿地中发生的各种物理、化学和生物学过程及其外在表征(Mitsch et al., 2000)。湿地功能评价就是对目标湿地内的物理、化学和生物学过程进行研究，讦估其是否运转正常。它一般需要预先建立一套评价指标体系，设定各指标的评价标准，然后通过一定步骤确定湿地单项功能或综合功能与评价标准的符合程度，从而对湿地功能的优劣程度作出定量或定性评估，以便为制定正确的管理决策提供依据。湿地功能评价是湿地研究的核心内容之一，也是开展湿地管理工作的重要工具。美国、欧盟与有关国际机构在湿地功能评价方面开展了很多研究工作，开发了诸如水文地貌法(hydrogeomorphic approach)、生境评估法(habitat evaluation procedures)、湿地评价技术(wetland evaluation technique)和快速评价法(rapid assessment of wetlands)等湿地功能评价方法(Bartoldus，1999；Kent, 2001)，但迄今为止并未建立一种得到广泛认可的评价指标、理论和方法体系。我国湿地功能评价研究尚在起步阶段，不能适应快速发展的湿地管理需要，急需加强这方面工作(陈宜渝，2002;袁军等，2004)。本文在分析湿地功能特征的基础上，提出了一套简明、合理的湿地功能评价指标体系，引入模糊数学方法，建立了湿地功能评价的两级模糊模式识别模型，并应用模型对黑龙江洪河自然保护区20余年来湿地功能变化情况进行了评价。

1 基本原理

湿地功能一般可分为3种类型：水文功能、生境功能和生物地化循环功能，3类功能各包括若干子功能，各子功能的强弱由可以量化、相互独立、能够表示其本质特征的评价指标表示，指标总和即为湿地功能评价指标体系。湿地水文功能一般包括储存地表水、土壤蓄水、消能、调节区域气候、储存或补充地下水、维持流域水文过程的整合性等6个子功能；湿地生境功能一般包括维持特定的植物群落、维持特定的动物群落、维持景观的空间结构等3个子功能；湿地的生物地化循环功能包括营养物循环、滞留沉积物、降解污染物、固碳和排碳等4个子功能。对于某一特定的待评价湿地，它可能并不全部具备这些子功能，或由于条件所限无法获取某些子功能的指标特征值，因此在实际湿地功能评价过程中，所采用的评价指标体系并非一成不变，而是随具体条件有所不同。

对于一个未受干扰的湿地生态系统，其内部正常发生的物理、化学和生物学过程必然使湿地表现出各种功能。在自然或人为干扰作用下，湿地的水文条件、物种组成、群落结构、生产力、元素循环和能量流动等都可能发生改变，从而使湿地功能偏离自然状态，而偏离程度则是一个不易确定的模糊概念。

进行湿地功能评价的目的主要是了解湿地在外来干扰下功能变化的情况，因此可以假设未受干扰时湿地功能处于最佳状态，而在强大干扰作用下湿地功能达到最低限时为最劣状态，则对于任意受到一定程度干扰的湿地，其功能必定处于最佳和最劣状态之间的某一点，因此湿地功能评价的实质就是找出该点与最佳或最劣状态之间的距离，与最佳状态距离愈近，则功能越优；反之越劣。湿地功能评价的两级模糊模式识别模型的原理是通过确定评价对象对“功能最佳湿地”或“功能最劣湿地”这2个集合的隶属度，从而定量判断待评价湿地的优劣状况(陈守煜，1998)。

2 模型建立

设水文功能、生境功能和生物地化循环功能3类湿地功能的指标特征值向量分别为

(1)

式中：_kx为功能k的m(k)个指标特征值向量：k=1, 2, 3；m(k)表示功能k的指标个数，各功能的指标数不一定相同。

若湿地功能评价按最优(理想状态)、最劣(最劣状态)两级进行，以待评价湿地在原始状况下指标最大可能特征值作为最优标准值，以其在人类干扰下指标可能达到的最小特征值作为最最劣标准值o则u个级别的指标标准特征值矩阵为

(2)

式中:_ky_ih表示功能k指标i级别h的标准特征值; k=1，2，3；i=1，2, …，m(k); h=1，2(分别表示优、劣两级)。这样，湿地功能k的指标特征值与指标标准值对优级的相对隶属度可分别按线性内插式(3)和(4)确定：

(3)

(4)

式中:_kr_i为湿地功能k指标i对湿地功能优级的相对隶属度；_kx_i为湿地功能k指标i的特征值；_ks_ih为湿地功能k指标i级别h的标准值对湿地功能优级的相对隶属度; _ky_i1为湿地功能k指标i级别1的标准值；_ky_i2为湿地功能k指标i级别2的标准值。

设湿地功能k的m(k)个指标的权向量为

(5)

则由工程模糊集理论，可得湿地功能k对湿地功能级别h=1(优级)的隶属度表达式为

(6)

式中：p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧氏距离。

由式(4)知，s_i1=1, s_i2=0，则式(6)变为

(7)

由于湿地功能k对1级和2级的隶属度满足补余律，即_ku₁+_ku₂=1，故只需求解对1级的隶属度即可，且_ku₁越大，表示功能k越优，湿地功能发挥越正常。

设3类湿地功能的归一化权重向量为

(8)

则湿地综合功能对优级的隶属度为

(9)

式中：0≤u₁≤1，当u₁=1时，湿地功能处于最优状态；当u₁=0时，湿地功能处于最劣状态；当0 < u₁ < 1时，湿地功能处于最优与最劣之间的中间状态，且u₁的值越大，表示湿地功能越佳。

3 案例研究——黑龙江洪河国家级自然保护区湿地功能评价 3.1 湿地特征

洪河国家级自然保护区位于黑龙江省三江平原腹地，同江市和抚远县境内，浓江和沃绿兰河交汇的低洼处，地理位置为东经133°34′38″—133°42′29″，北纬47°42′18″— 47°52′00″，总面积251.62 km²。保护区地势西南高东北低，地面坡降为1/5 000~1/12 000，海拔41~55 m。

洪河保护区具有发育大范围湿地的有利条件。这里地势低平，地表粘土层深厚，阻碍地表水下渗；河床纵比降小，河槽不明显，河漫滩宽广；喜湿植物茂密，加大了地表粗糙度，使地表水流动缓慢；气候冷湿，蒸发量小；冬季雪量大，春季融化后增加土壤湿度；降水多集中在夏秋，容易形成洪水，由于排泄不畅，导致大量河水漫溢，且由于结冻早、化冻晚，造成当年降水形成的径流到来年6月才能排出，更加大了土壤潴水程度。这些因素综合在一起，形成了洪河保护区以内陆淡水沼泽、河流、河漫滩和湿草甸为主要类型的湿地群。

3.2 人类活动对洪河保护区湿地的影响

自1984年洪河自然保护区建立至今，保护区周边开展了大规模的农业开发和水利建设活动，使保护区内湿地明显退化。洪河保护区原自然状态下集水面积为1 730.22 km²，年降水量为600.0 mm，折合成水量为103 813万m³，地表水产流量平均为13 842万m³。1988年浓江上游截流，将原浓江上游703.86 km²的来水截走，形成浓鸭总干汇入卧牛河进入黑龙江，相当于将多年平均来水量5 631万m³的客水截走; 洪河农场、前锋农场以及鸭绿河农场，采取围堤截流、强排改道使774.74 km²面积的来水改道不进入保护区，使保护区又减少年来水量6 198万m³。这样，经过多次人工截流，使保护区汇水面积合计减小1 478.60 km²，减少入流量11 829万m³。目前，洪河保护区湿地水源主要靠境内降水补充，致使水源不足。

3.3 评价范围

洪河保护区周边都有渠道、河道等明显障碍物与周边农场分隔开，保护区边界清晰、范围独立，因此本研究选取整个洪河保护区作为评价对象，面积为251.62 km²。

保护区内虽然存在4种湿地类型，但它们之间存在一定的水文联系，功能相同或接近，故可把保护区内的湿地看作一个整体进行评价，即评价洪河保护区湿地群的总体功能。

3.4 评价目的

通过对洪河保护区1980年(周边无开发活动的准原始状态)、1988年(浓鸭总干建成、保护区主要水源被截走)和2002年(现状)3个年份的湿地功能状况进行评价，了解在人类活动影响下该保护区湿地功能的退化情况，从而为制定正确的湿地管理措施提供依据。

3.5 评价指标体系

鉴于有关洪河保护区水文功能方面的数据较为丰富，而有关其生境功能和生物地化循环功能两方面的数据匮乏，故评价指标体系侧重水文功能。洪河保护区湿地水文功能主要包括维持水文过程的整合性、储存地表水、土壤蓄水和调节局域气候4个子功能，分别以汇水区面积、蒸发蒸腾量、土壤蓄水量和蓄洪量4个指标表示功能强度；生境功能有维持动植物种群和维持景观空间结构3个子功能，但考虑到历史数据的限制，仅以保护区中重沼泽面积表示其维持景观空间结构的子功能；生物地化循环功能包括前述4个子功能，但由于缺乏历史数据，仅以毛果苔草(Carex lasiocarpa)的平均高度表示其营养物循环子功能。

3.6 保护区3个代表年份湿地功能评价(图 1) 3.6.1 水文功能评价

通过实地勘测、历史资料调研和计算机模拟分析，得出洪河保护区3个年份湿地水文功能评价指标特征值如表 1(陈刚起等，1996)¹⁾。

1)   国家林业局GEF湿地项目办公室.2003.UNDP/GET“中国湿地生物多样性保护与可持续利用”项目子合同3成果报告

对于汇水面积，理想状态特征值为自然状态下的汇水面积1 730 km²，最劣状态特征值为无外部来水、完全靠保护区自身补给的251 km²；对于蓄洪量，理想状态特征值为地表水完全丧失时洪河保护区的最大容积31 761万m³，最劣状态特征值为保护区地表水处于最高水位53.0 m时的容积0 m³；对于土壤蓄水量，水位处于最低的46.5 m时土壤蓄水能力最强，此时蓄水量3 262 m³为理想状态特征值，水位最高时有最劣状态特征值0 m³；对于蒸发量，理想状态特征值为近似原始态时的蒸发量25 299万m³，最劣状态特征值为保护区全部转为其他土地类型时的蒸发量13 084万m³。

这样，水文功能评价指标特征值矩阵：

式中:i=1, 2, 3, 4;j=1, 2, 3。

理想状态和最劣状态2个级别的标准特征值矩阵为

式中：i=1, 2, 3, 4；h=1, 2。

由式3得指标相对隶属度矩阵为

运用非结构性决策模糊集分析单元系统理论，得到汇水面积、蓄洪能力、土壤蓄水量和蒸发量4个指标的归一化权向量_hw=(0.516，0.221，0.172，0.091)。

令p=1(海明距离)，根据式(7)得

将相关数据代入，算得

令p=2(欧氏距离)，根据式(7)得

将相关数据代入，算得_hu₁₁=0.869 9，_hu₁₂=0.529 9，_hu₁₃=0.128 2。由于采用2种距离参数解得的相对隶属度不一致，故采用p=1与p=2相对隶属度的平均值，得_hu=(0.863 8，0.540 0，0.167 2)，它表示1980年时洪河保护区水文功能相当于理想状态的0.863 8，1988年降至0.540 0，2002年降至0.167 2，湿地水文功能呈明显下降趋势。

3.6.2 生境功能评价

通过历史资料对比，得到1980、1988和2002年3个年代的指标特征值即重沼泽面积分别为13 084、12 341和11 226 hm²。这样，得到指标特征值向量为_eX=(13 084，12 341，11 226)；其理想状态特征值取1980年近似原始状态下特征值13 084 hm²，最劣状态特征值为0。应用式(3)将矩阵_eX变换为对湿地功能优级的相对隶属度向量：_eR=(1.000 0，0.943 2，0.858 0)。由于只有1个指标，向量_eR实际上表示了3个年份的生境功能对理想状态的隶属程度。

3.6.3 生物地化循环功能评价

根据对保护区毛果苔草样方在不同历史年代的特征分析，得到1980、1988和2002年3个年代毛果苔草的平均高度分别为73.73、66.59和55.54 cm。这样，得到指标特征值向量为_bX=(73.73，66.59，55.54)；其理想状态特征值取1980年近似原始状态下特征值73.73 cm，最劣状态特征值为0。应用式(3)将矩阵_bX变换为对湿地功能优级的相对隶属度向量：_bR=(1.000 0，0.903 2，0.753 3)。由于只有1个指标，向量_bR实际上表示了3个年份的生物地化循环功能对理想状态的隶属程度。

3.6.4 洪河保护区湿地功能综合评价

由前文同样方法，得水文功能、生境功能和生物地化循环功能3个指标的归一化权向量_fw=(0.189，0.568，0.243)，则由式(9)可得洪河保护区湿地综合功能在1980、1988和2002年3个年份对理想状态的隶属度向量为

这表明该保护区湿地功能对最优状态的隶属度1980年为0.974 3，1988年为0.857 3，2002年为0.703 0。洪河保护区湿地功能呈缓慢下降趋势，这似乎与我们的主观判断不吻合。一般认为，自20世纪80年代初以来，洪河保护区由于外界水源逐渐减少直至完全断绝，湿地功能应该大幅度下降，但实际上水源减少后，湿地某些功能确实明显降低，但另有一些功能反而增强，如储存地表水功能和土壤蓄水功能随湿地水位下降而增强。还有一些功能如维持动植物群落的生态功能没有明显的变化。这样增减相抵，该区湿地的总体变化趋势是缓慢降低。因此，由模型得出的评价结果是可靠的。

4 结论

湿地功能所具有的模糊属性决定了模糊数学方法在湿地功能评价中具有广泛的应用前景。运用两级模糊模式识别模型评价湿地功能，能够较容易地将不同质的评价指标进行无量纲化处理，得出量化的湿地单项功能和综合功能评价结果。

对洪河保护区进行评价的结果表明，模型对指标特征值响应良好，评价结果能够较好地反映洪河保护区湿地功能的历史变化情况，证明该模型易于操作、便于应用，缺点是需要历史数据进行支持。因此，该模型对于具有长期监测数据的湿地特别适用。