基于模糊物元的三江平原沼泽湿地生态弹性度空间分析

孙意菲，孙意翔

(1.黑龙江省庆达水利水电工程有限公司，哈尔滨150080，2.河海大学水利水电学院，南京210098)

0 引言

生态弹性度是指生态在自然和人为干扰下表现出的响应，用来反映生态稳定性与生态环境问题的可能性大小。在自然状况下，各种生态过程维持着一种相对稳定的耦合关系，保证着生态系统的相对稳定，而当外界干扰超过一定限度时，这种耦合关系将被打破，适度干扰可增加其异质性;而严重干扰往往使异质性迅速降低。所以，生态弹性度评价实质上是对现状自然环境背景下潜在的生态稳定进行明确的辨识，并将其落实到具体的空间区域，而目前将湿地作为研究对象的生态弹性度并不多见。

三江平原是国家重要的商量粮基地，大面积开荒、垦建脱节、重用轻养，使人类活动对其自然环境的干扰强度日益增大，导致生态环境的退化［1］。因此，开展湿地生态弹性度的评价是非常必要的。本文根据国内外已有研究成果及三江平原湿地的调研数据，尝试利用模糊物元方法对其进行评价，并在GIS支持下，与其分析属性功能结合，对湿地生态弹性度进行区划，研究生态稳定性的分布规律及其地域差异，以期为流域生态环境建设和保护规划方案的制定提供依据。

1 研究区概况

三江平原位于黑龙江省东北部，其范围东起乌苏里江、西接汤旺河及牡丹江分水岭，南至大兴凯湖及绥芬河分水岭，北界黑龙江，包括黑龙江、松花江与乌苏里江汇流的三角地带以及倭肯河与穆棱河流域和兴凯湖平原。南北长500 km，东西宽430 km，全区总控制面积10.88 km2，其中山区面积为3.74万km2，占总面积的 34.4%;丘陵面积为0.94万km2，占总面积的8.6%;平原面积为6.2万km2，占总面积的57%。该区西南高东北低，除西部和西南部边界的小兴安岭、老爷岭、张广才岭和横亘中部的完达山为森林覆盖的山区外，广阔的冲积低平原和河流形成的阶地、河漫滩上广泛发育着沼泽和沼泽化草甸区。

三江平原现有河流、湖泊、库塘、沼泽和沼泽化草甸类型湿地，总面积为151.78万hm2，占三江平原地区的总面积的13.95%，其中可划分为萝北地区、同抚地区、挠力河地区、安邦河地区、倭肯河地区、穆棱河地区见图1。

2 研究方法

2.1 模糊物元

2.1.1 模糊物元和复合模糊物元［2－3］

给定事物的名称N，它关于特征c的量值为v，以有序三元R=(N，c，v)组作为描述事物的基本元，简称物元。事物名称N，特征c和量值v称为物元的三要素。如果其中量值具有模糊性，便称为模糊物元。如果事物N有n个特征c1，c2，···，cn和相应的模糊量值 v1，v2，···，vn，称 R 为n 维模糊物元，简记为 R=(N，C，V)。

图1 三江平原湿地划分区

如果m个事物的n维物元组合在一起，便构成m个事物n维复合物元，记作Rmn。若将式(1)的量值改为模糊物元量值，称为m个事物n维复合模糊物元，记作R－mn，见式(2)。

式中:Rmn为m个事物n维复合物元;R－mn为m个事物n维复合模糊物元;Mi为第 i个事物，i=1，2，···m;ck为第 k项特征，k=1，2，···n;Xik为 第i个事物第k项特征对应的量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;uik为 第 i个事物第 k项特征对应的模糊量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n 。

本文采用从优隶属度原则对uik进行标准化，即采用以下指标:

越大越优型:

越小越优型:

式中:uik为第i个事物第k项特征对应的模糊量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;Xik为第 i个事物第 k项特征对应的量值，i=1，2，···m ，k=1，2，···n;maxXik、minXik各事物中每一项特征所有量值Xik中的最大值和最小值。

2.1.2 标准模糊物元与差平方复合模糊物元

由式(2)可以构成标准方案的n维模糊物元R0n，其中各项由R－mn中各方案从优隶属度中的最大值或最小值确定，则得到

若以Δji(i=1，2，…，n;j=1，2，… ，m)表示标准模糊物元R0n与复合模糊物元R－mn中各项差的平方，则组成差平方复合模糊物元RΔ，即

其中Δji=(u0i－uji)2，i=1，2，…，n;j=1，2，…，m。

2.1.3 权重的确定

本文采用熵权系数法来确定各评价指标间的相对重要性次序，从而得到各评价指标的权重，具体方法如下:

(1)计算第i个评价指标下第j个待评价监测点评价指标特征值比重:

(2)计算第i个评价指标的熵:

(3)计算第i个评价指标的权重:

2.1.4 欧氏贴近度

由于本文具有综合评价的意义，采用M(·，+)算法，即先乘后加运算欧氏贴近度ρHj，则

式中:ρHj为第n个方案与标准方案之间的相互接近程度，其值越大，表示两者越接近;反之，则相差越大。然后以此来构造欧氏贴近度复合模糊物元RρH，则

欧氏贴近度是表示各方案与标准方案(最优方案)之间的贴近程度，可以根据欧氏贴近度的大小对各方案进行优劣排序，并可进行分类。

2.2 评价模型与GIS的集成

传统的评价方法，通常考虑的是时间因素，主要从时间上、区域经济发展的历史、现状出发来预测、规划及确定经济的未来发展方向，主要有时间序列分析法、数量经济分析法、线性规划及一些经济统计分析模型等。事实上，在经济增长及发展过程中，人类和自然活动的空间布局变化总是和时间演变过程交织在一起，区域间差异不可避免地存在。专家已逐渐意识到在评价与决策中，必须考虑区域评价差异的空间特征［4］。GIS提供了一种更好的理解各规划区之间的相互作用，使得区域规划的实施得到更好保证。借助GIS技术分析生态问题可解决:图解各种环境要素位置;确定环境要素空间变化趋势;匹配满足环境要素经济布局条件或要求场所;分析及可视化环境要素空间变化模式;模拟环境要素空间变化;制定适合优化环境的经济发展规划［5］。

将GIS与评价模型实现集成主要包括以下一些工作［6］:①将来自于GIS的空间数据和属性数据用于模型的参数估计、率定及模型的检验;②以GIS为主要技术平台，实现模拟结果的可视化;③采用GIS技术来定义表达模型研究的区域单元。本研究是在ArcGIS软件环境下，针对湿地生态问题选择若干影响因子，转换为单因子栅格数据GRID。通过综合各影响因子进行评价，采用Spatial Analyst模块地图代数分析功能得出各生态稳定的弹性度分布图。

3 湿地生态弹性度评价

利用上述模糊物元评价模型，模型参数包括年平均降水量、天然植被面积、调蓄洪水、湿地面积占本地区百分比、地表径流、地下水(可开采量)等影响因素，结合GIS对三江平原湿地生态弹性度进行评价，以检验本文所建模型的实用性。表1中给出了湿地生态弹性度评价中各地区及各要素包括的评价指标。

根据前述的评价方法，按照各地区情况选用年平均降水量、天然植被面积、调蓄洪水、湿地面积占本地区百分比、地表径流、地下水(可开采量)的评价指标的样本构造复合物元;分别计算出各地区的从优隶属度，指标按越大越优计算;利用各评价样本模糊物元与标准样本模糊物元指标之间差的平方确定差平方复合物元，这里取最大值组成标准样本模糊物元;再利用熵权法确定指标的权重值(表2);根据公式2－10得出欧式贴近度(表3)，确定湿地生态稳定度;最后通过GIS技术显示评价结果空间特征(图2)。

表1 三江平原生态弹性度定量性数据

表2 指标权重值

表3 三江平原湿地生态稳定度评价结果

图2 湿地生态稳定分级图

4 结果分析

从表3计算结果可以看出，同抚地区的生态弹性度为最大，说明该地区生态系统稳定程度较高、植被情况良好，沼泽湿地保护措施得当。生态系统在抵御外界干扰能力和自我恢复能力还是比较强的，基本上处于稳定状态，但是对于安邦河和倭肯河两个地区，弹性度比较低，处于较稳定状态，但已接近不稳定状态，尤其是安邦河地区生态弹性度只有0.387856，说明如果再对该地区进行开发，那么生态系统将遭到进一步破坏，其后果将不堪设想，应该引起足够重视。

5 结论

1)本文从生态弹性度的概念出发，论述生态稳定性及评价方法，提出了模糊物元评价模型在生态弹性度评价中的应用，并对其方法进行介绍。

2)评价结果得出:同抚地区的生态弹性度为最大，说明该地区生态系统稳定程度较高、植被情况良好，沼泽湿地保护措施得当。安邦河地区生态弹性度最低，说明如果再对该地区进行开发，那么生态系统将遭到进一步破坏，其后果将不堪设想，应该引起足够重视。

3)本文通过GIS对空间信息表达，能够发现区域生态不稳定的规律，更直观的体现区域间生态稳定的空间变化特征，可以作为模型应用中分析理论的基础。

［1］李伟业.三江平原沼泽湿地生态承载力与可持续调控模式研究［D］.哈尔滨:东北农业大学硕士论文，2007.

［2］蔡文.物元模型及其应用［M］.北京:科学技术文献出版社，1994.

［3］张斌，雍歧东，肖芳淳.模糊物元分析［M］.北京:石油工业出版社，1997.

［4］第宝锋，杨忠，艾南山等.基于RS与GIS的金沙江干热河谷区退化生态系统评价——以云南省元谋县为例［J］.地理科学，2005，25(4):484 －489.

［5］DrummondW J.GIS as a visualization tool for economic development［J］.Comput，Environ and Urban Systems，1993，17(5):469－479.

［6］侯英姿，陈晓玲，王方雄.基于GIS的水环境价值模糊综合评价研究［J］.地理科学，2008，28(1):89－93.