基于3S技术的图们江流域湿地生态安全评价与预警研究

2014-05-14朱卫红苗承玉郑小军曹光兰王凡凡

生态学报 2014年6期

朱卫红，苗承玉，郑小军，曹光兰，王凡凡

(1.长白山生物资源与功能分子教育部重点实验室，延吉 133002;2.延边大学理学院地理系，延吉 133002;3.临邑县第一中学，临邑 251500)

生态安全一般指一个国家或地区的生态环境资源状况能持续满足社会经济发展需要，社会经济发展不受或少受来自于资源和生态环境的制约与威胁的状态［1］。近年来，在经济持续快速增长的背景下，生态环境发生了深刻变化［2-3］。随着近几十年来更加剧烈的人类活动影响，全球性和区域性的环境问题日益突出，生态安全问题频频发生。据调查，在我国由于生态灾害和环境污染每年造成的经济损失占国内生产总值的8.5%—10%，最高可占到当年国内生产总值的 14%［4］。

最早将环境变化含义明确引入安全概念的是美国学者LESTER R.BROWN。1981年，他提出对安全的威胁，来自国与国间关系的较少，而来自人与自然间关系的可能较多［5］。湿地与森林、海洋并称为全球三大生态系统。湿地不仅是一种重要的自然资源，也是人类赖以生存的最重要的环境之一，它具有稳定环境、保护物种基因及资源利用等功能，被喻为“地球之肾”［6］。国外湿地生态安全研究较早，1996年英国、澳大利亚等国家相继开展了“河流健康计划”，并先后对河流湿地状况进行了评价［7-9］;崔保山等［10］2002年对湿地生态系统健康指标体系进行理论研究，奠定了我国湿地生态安全评价的基础;随后，一些学者对辽西大凌河流域、辽河中下游流域，大包山湿地等进行了生态安全评价研究［11-13］。

区域生态安全是国家稳定与发展的基础，是国防安全的重要保障。区域生态安全评价与预警是当前研究的热点，但其相关理论研究还不够成熟，开展图们江流域湿地生态系统安全评价与预警研究，为该流域生态环境的保护、水资源利用、工农业生产及人民生活提供科学依据，具有十分重要的意义［14］。

1 研究区概况及研究数据

1.1 研究区概况

图们江流域主要位于吉林省东部的延边朝鲜族自治州境内(图 1)，在北纬 41°59'47″至 44°30'42″，东经 127°27'43″至 131°18'33″之间，地处中、俄、朝三国交界，东临日本海。该地区属于中温带湿润季风气候，季风明显，年平均气温为摄氏2—6°之间。平均降水量一般为400—650mL，上游地区达1000—1500 mL，居流域之首;一年中，雨量多集在 6、7、8月3个月，占全年降水量的60%。图们江两岸湿地丰富、类型多样，特别是图们江上游长白山地区分布着典型的高山苔原湿地和林下泥炭沼泽湿地，中下游分布着河流型、湖泊型和多种人工湿地。这对区域气候变化、经济发展及人类生存环境有着重要的影响，在维护图们江区域生态安全、维持生物多样性等方面发挥着重要作用。由于近年来图们江流域的开发，经济迅速发展、人口增长加快，城市化及交通设施的建设，使周围的生态环境遭受破坏，图们江、嘎呀河、布尔哈通河等重要河流受到污染，农田、建设用地的大量增加，都使得本区域的湿地生态系统受到严重的破坏，急需对本区域进行生态安全评价与预测。因此，结合数据的可获取性，本文选取图们江流域中国一侧为研究区。

图1 研究区范围Fig.1 Scope of the study area

1.2 研究数据

1.2.1 数据源

图们江流域地域辽阔，本文以覆盖全区的Landsat MSS与TM影像为基本数据源，包括1976年的 Landsat MSS 影像(轨道号 123/30、124/30、124/31、125/30、125/31)，以及 1990 年、2000 年、2010 年的 LandsatTM 影像(轨道号 114/30、115/30、115/31、116/30、116/31)，为方便湿地信息的提取，影像时间均为6—10月之间。因为图们江流域地形复杂多样，仅仅运用遥感影像数据并不能准确反映湿地地物类型的分布，本研究引入了地形图、土壤图、水系图、DEM图等，以及实地野外考察记录来辅助湿地类型的识别等综合解译工作。

1.2.2 数据处理

本文选取研究区范围内的1∶5万地形图作为基础研究数据，对 Landsat MSS/TM遥感图像作预处理:

(1)几何校正以经过几何校正的1∶5万地形图为基准图件，通过控制点校正法对4个时期的遥感影像进行几何校正。具体为，在地形图和影像上均匀选取了近50个地面控制点，如道路交叉点、大型建筑物角点、保护站等，以GCS_WGS_1984坐标系为投影坐标系，采用二次多项式校正法对影像进行几何校正，校正误差在0.5个像元以内。

(2)彩色合成采用 Landsat(MSS)的 3、2、4(RGB)，Landsat(TM)的 5、4、3(RGB)的波段组合对遥感影像进行彩色合成，合成后的影像将更加接近真实的地物颜色，便于较好地突出图们江流域湿地的景观斑块、植被特征和水体特征。

(3)镶嵌裁切处理影像镶嵌采用基于地理坐标的镶嵌，然后通过建立掩模对镶嵌后的影像进行裁切处理，掩模范围是整个图们江流域中国一侧，将范围矢量面文件导入到ENVI4.5并加载到镶嵌好的影像上，以图们江流域范围矢量面文件为感兴趣区将影像裁切出来，得到研究区1976年、1990年、2000年、2010年4个年代的遥感影像(图2—图5)。

按照图们江流域湿地所处的立地条件，本研究借鉴朱卫红［15］有关图们江下游湿地分类体系及分布特征研究当中的湿地分类体系，具体内容为将研究区的湿地划分为天然湿地和人工湿地2个二级类型，以及河流湿地、湖泊湿地、沼泽湿地、水田和其他人工湿地5个三级类型。结合野外湿地考察，根据地形图、土壤图、水系图等非遥感数据资料，建立以色调、纹理、形态为基础的解译标志，采用人机交互式解译方法，运用ArcGIS9.3软件对校正好的影像进行处理，最终得到4个时期图们江流域中国一侧的湿地信息(图2—图5);并在此基础上，计算得出4个年代的湿地相关数据(表1)。

图2 1976年湿地分布图Fig.2 Wetland maps of 1976

图3 1990年湿地分布图Fig.3 Wetland maps of 1990

2 图们江流域湿地生态安全评价

2.1 基于PSR模型的指标体系构建

图4 2000年湿地分布图Fig.4 Wetland maps of 200

图5 2010年湿地分布图Fig.5 Wetland maps of 2010

对于湿地生态系统评价的研究，评价指标建立大都基于PSR模型［16-17］。在研究图们江流域湿地生态系统自然特性的基础上，借鉴相关领域专家研究成果，以PSR模型为主线，结合指标选取的科学性、系统性、代表性和易操作性原则［18］，构建了图们江流域湿地生态安全评价指标体系(表2)。

2.2 层次分析法确定指标权重

权重表示在生态安全多指标评价过程中，选取的评价指标在总体评价中相对于评价结果的相对重要程度，通过一定方法，对各个评价指标进行权重的设置。本文使用层次分析法［19］，在PSR概念模型的指导下，形成1个目标，3个准则，10个测度指标的指标体系［20］，有效地将指标体系的层次结构建立起来。通过建立递阶层次分析结构，构建两两比较各指标层评价问卷，通过专家问卷法对指标进行两两比较打分，逐渐分析评价指标的关联性和重要程度，进而将定性的问题转化变成定量计算问题，实现生态安全评价指标权重值的确定。构建的矩阵要进一步检验矩阵的一致性，当一致性检验结果≦0.1时，表明计算结果对原矩阵具有满意的一致性。

表1 4个年代湿地信息统计表Table 1 4 decades statistics of wetlands information

表2 图们江流域湿地生态安全评价指标体系及权重Table 2 The wetland ecological safety evaluation assessment index system of the Tumen River basin and weight

为了获得评价指标数据，本文在景观格局计算软件Fragstats 3.3和SPSS软件的支持下对评价指标进行计算:

(1)人口密度指数

人口密度指数=研究区人口数/研究区的面积

(2)人类干扰指数

城镇建设所占面积，本文主要以建城区、居住区、公共设施用地、工业用地、仓储用地、对外交通用地、道路广场用地、市政公共设施、绿地、特殊用地之和表示;

(3)景观多样性指数(SHDI)

景观多样性指数是指湿地景观元素或湿地生态系统在结构、功能以及随时间变化方面的多样性，它反映了湿地景观类型的丰富度和复杂度，它的大小反映湿地景观要素多少和各景观要素所占比例的变化:

式中，PK为k种湿地景观类型占总面积比例，m为研究区湿地景观类型总数。

(4)平均斑块面积(MPS)

平均斑块面积既可用来对比不同湿地景观的聚集度或者破碎度，也可用以指示各种湿地景观类型之间的差异。

式中，Si是指第i种湿地景观的面积，Ni是指第i种湿地景观的斑块个数。

(5)水文调节指数

(6)初级生产力指数

经研究表明，初级生产力与NDVI具有明显的正相关，因此，选用研究区内的NDVI平均值作为衡量初级生产力的主要指标:

(7)弹性度指数

弹性度是度量生态系统健康的一个标准，健康的湿地生态系统具有弹性，当湿地生态系统受到压力胁迫后，有能力保持结构和功能的稳定性:

式中，Si为第i类湿地面积，Fi为第i类湿地的弹性度分置，S为研究区总面积。

(8)均匀度指数(SHEI)

均匀度则反映湿地景观中各斑块在面积上分布的不均匀程度，其值越大，表明景观各组成成分的分配越均匀:

式中，PK是斑块类型K在湿地景观中的比例，n为研究区中景观类型的总数。

(9)斑块破碎度指数

式中，∑Ni为湿地景观斑块总个数;∑Ai为湿地景观的总面积。

(10)湿地退化指数

2.3 单因子评价

逻辑斯蒂增长曲线模型又称自我抑制型曲线，是20世纪20年代Lotka和Volterra在种群生态学中的总群数量增长过程的研究中提出的，至今应用仍比较广泛。因为湿地生态安全评价中各个指标的测试值并不是线性的反映出湿地生态安全中各个方面和层次状态的水平，林茂昌、李永健［21-22］使用此模型分别对闽江河口区湿地、拉鲁湿地生态系统健康进行了单因子评价:

式中，P表示单项指标的生态安全评价指标评价值，R表示单项指标测度值。a、b均为常数，确定方法为:当R=0.01时，P的值近似取0.001;当R=0.99时，P的值近似取0.999，则此时方程中的a和b的值求解分别为4.595和9.19，因此，单项指标评价模型最终为:

通过对研究区2000年、2010年遥感影像的解译以及2001年、2011年延边统计年鉴信息的提取，得到2000年、2010年2个年份的图们江流域湿地10个单因子指标数据，如表3所示。

在单因子评价中，对于指标量值增加与生态环境质量的增加方向相同时的单项指标采用公式2来求得单因子指标评价值;当单项指标量值的增加方向与生态环境质量增加方向相反时，采用公式3进行评价。经过计算得出各单项指标的生态安全指数评价值(表4)

2.4 生态安全综合评价

根据上述计算所得到的指标权重及单项指标评价值，本文采用综合评价法计算图们江流域湿地生态安全度的等级。公式如下:

式中，I为研究区湿地生态安全最终得分，Xi为单因子指标得分，Wi为各因子指标权重。根据相关研究［23］，研究区湿地生态系统整体的生态安全度依次划分为5个标准，分别是安全(0.8≤I＜1.0)、比较安全(0.6≤I＜0.8)、预警(0.4≤I＜0.6)、中度预警(0.2≤I＜0.4)、严重预警(0≤I＜0.2)5个等级。通过综合评价法计算出研究区湿地生态安全值，从而得到了图们江流域湿地生态安全定量化评价，评价结果见表4。

表3 2000年和2010年单项指标测度值Table 3 Single measure values in 2000 and 2010

表4 2010年湿地生态安全综合评价结果Table 4 Comprehensive evaluation result of the wetland ecological safety evaluation in 2010

2.5 上、中、下游对比分析

以图们江沿岸南坪镇、甩弯子为图们江上、中、下游的分界点，根据图们江流域水系分布图、土壤图以及高程图的综合分析，将图们江流域划分为上游地区、中游地区和下游地区，分别对上、中、下游湿地进行生态安全评价，并进行对比分析，可以更加客观的揭示图们江流域的湿地生态安全状况。根据上文对于图们江流域湿地综合评价方法，依次对上、中、下游进行生态安全评价。通过计算得到，2010年图们江流域上游地区、中游地区、下游地区的湿地生态安全评价值分别为 0.525、0.333、0.449(表 5)。其中，上游地区、下游地区处于预警状态，中游地区处于中度预警状态，从地区湿地生态安全状况来看，上游地区﹥下游地区﹥中游地区。图们江流域上游地区主要位于延边朝鲜族自治州和龙市境内，湿地生态安全值为0.525，处于预警状态，且比较接近比较安全状态，由于距离长白山较近，地势相对较高，而且落差较大，该区人口密度相对较小，湿地生态系统受人类的干扰较小，自然景观保存相对比较完整，湿地生态功能相对比较完善，生态系统虽也遭受一定的破坏，但是生态系统尚可以维持。图们江流域中游地区主要位于延边朝鲜族自治州内的延吉市、龙井市、图们市和汪清县境内，湿地生态安全值为0.333，处于中度预警状态，由于延吉市一直以来是延边州的经济、政治和文化中心，人口压力较大，土地开发利用较多，使得本地区的湿地生态系统受到相当严重的破坏，景观破碎，湿地生态功能退化，对外界的干扰反应比较敏感，是图们江流域湿地生态安全值最低的地区。图们江下游地区主要位于延边朝鲜族自治州珲春市内，湿地生态安全值为0.449，处于预警状态，且接近于中度预警状态，由于下游地区敬信镇防川村特殊的自然地理位置，该区旅游业发达，基础设施建设与农业开发使得本地区湿地自然景观受到一定的破坏，生态系统活力表现衰退，湿地生态功能有一定的退化，但生态系统尚可维持。

表5 2010年图们江上、中、下游湿地生态安全评价结果Table 5 Evaluation results of wetland ecological safety in the tumen river upstream，midwstream，downstream in 2010

2.6 评价结果分析

根据本文的研究方法及评价指标体系对2010年图们江流域湿地生态安全现状进行定量评价，综合评价结果为0.454，处于预警状态，即湿地生态系统自然状态受到一定的影响，结构发生一定程度的变化，受人类活动影响较大，接近湿地生态阙值，系统尚稳定，但敏感性强，湿地生态系统可维持，但已有少量的生态异常出现，主要表现为:污水处理率低，水质差、富营养化程度严重，自然湿地面积退化，生物多样性下降，水禽栖息地破坏，景观多样性差，斑块破碎化严重，系统的外部胁迫力较大，功能有所下降，湿地不合理的开发，湿地受保护水平较低。由此可见影响湿地生态健康的因子既有湿地自身生态过程，也有人类活动作用。

2.6.1 自然因素

湿地动态变化与气候的变化有紧密联系。据2011年延边统计年鉴资料统计，1960年以来图们江地区气温总体趋势是逐渐升高的，近50年来年均气温增长2.27℃，气温的变化会影响水面的蒸发过程;大气降水是湿地的主要补给水源，然而近50a来该地区降水量减少127.4 mm。总之，近50年来，图们江地区年平均气温呈升高趋势，年平均降水量呈降低趋势，气候在总体上从“冷湿”向“暖干”过渡。气温和降水共同制约着湿地植物的生长状况及初级生产力水平;在多雨期容易出现时间短、雨量大，从而造成洪涝灾害，通过破坏湿地的水文、土壤、生物等因素，对湿地系统产生较大胁迫压力，最终导致部分湿地退化，湿地系统结构的完整性及功能的稳定性受到破坏，极大地制约着整个湿地生态系统的安全。

2.6.2 人文因素

(1)人口压力

半个多世纪以来，随着图们江流域相对安定的环境和丰富的土地资源，大量的人口涌向延边州，导致本地区人口的快速增加。据延边州统计年鉴统计，1978年近 176万，1990年近 207万，2000年218.4多，2009年约219万。特别是图们江中游延龙图城市一体化的建立，以及珲春市将发展成为东北亚核心区域城市，加大对外开放的力度，吸引国内及俄罗斯、韩国等周边国家居民对该地区的建设和发展。图们江地区的城市化进程大大加快，人口大量增加，给该地区的土地利用和湿地生态环境带来巨大的压力。

(2)水利工程修建

据延吉市志和珲春市志介绍，2003年，在图们江中游延吉市郊区的海兰江建立民俗文化村和高尔夫球场，把海兰江下游人为的拦截，形成海兰湖。在朝阳河、海兰江上游分别建设五道水库和大新水库，使河流的流量减少;1982年，在图们江下游敬信镇人为的建设龙山水库，拦截水源使得圈河下游及周围的水利联系减少乃至被切断，切断了内流区的外泄通道，导致原先湖泊萎缩、沼泽化，而沼泽湿地则变干，加剧了天然湿地的破坏。

(3)经济因素

20世纪80年代中期以来，图们江地区湿地变化受经济因素影响比较突出，在该地区的农业产业结构中，种植业的收益远远大于畜牧业和林业，加上由于90年代粮食价格上涨，一些天然的湿地被迅速开垦为农田。农业活动是该地区天然湿地减少的主要因素。过度开垦排干沼泽，图们江下游敬信地区的几个泡子遭到当地居民的围垦，导致潜水泡沼消失和当地湿地生态系统退化。

3 图们江流域湿地生态安全预警研究

依据上文所述图们江流域2010年湿地生态安全计算方法，分别计算出1976年、1990年、2000年的生态安全综合评价结果，分别为 0.650、0.620、0.536，由此可见，图们江流域湿地生态安全有由预警状态向中度预警发展的趋势。利用1976年—2010年的图们江流域湿地生态安全综合指数，采用灰色系统预测方法，构建GM(1，1)模型，实现对图们江流域湿地生态安全状态的预测。

3.1 预测模型构建

数列预测的基础，是基于累加生成的数列的GM(1，1)模型。根据邓聚龙［24］有关灰色预测的介绍，及以上对各个时期湿地生态安全的计算，得到原始数列:

其时间响应式为:

3.2 预测模型精度检验

模型的选择不是一成不变的。一个模型要经过多种检验才能判定其是否合理，是否有效。只有通过检验的模型才能用作预测模型。

3.2.1 相对误差

由预测模型得原始数列的模拟序列:

平均相对误差:

模拟误差Δ4=0.003525＜0.01，根据表4可知，精度为一级。

3.2.2 关联度

所以关联度为一级。

3.2.3 均方差比

均方差比C:

均方差比值为一级。

3.2.4 小误差概率

小误差概率:

小误差概率为一级。

故可用:

进行预测。这里给出4个预测值如下:

4 结论与展望

本研究以图们江流域湿地生态安全为出发点，基于PSR模型构建了适合该区域生态环境的生态安全评价指标体系，在3S技术和统计年鉴的支持下，获取了1976年、1990年、2000年、2010年4个年份的景观格局指标数据，并运用层次分析法确定指标权重;在使用逻辑斯蒂增长曲线模型对各个指标进行单指标评价的基础上，使用综合评价法对各个时期的图们江流域湿地生态安全进行评价，最终得到1976年、1990年生态安全值分别为0.650、0.620，等级为比较安全，2000年、2010年生态安全值分别为0.536、0.454，为预警状态，应及时对该区域湿地生态系统进行保护。

表6 灰色预测精度检验等级表Table 6 Grey forecasting precision inspection level

在获取4个年份湿地生态安全值的基础上，本研究基于灰色预测GM(1，1)模型构建湿地生态安全预测模型为

并进行模型精度检验，经检验，模拟误差为0.003525﹤0.01，精度为一级;关联度为0.995626﹥0.90，关联度为一级;均方差比为0.03383﹤0.35，均方差比为一级;小误差概率为1﹥0.95，小误差概率为一级。由此可见，模型精度较高，可以作为图们江流域湿地生态安全的预测模型。本研究做出了图们江流域未来40a的湿地生态安全预测，分别为2020年为 0.3903，2030年为 0.3345，2040年为0.2866，2050年为 0.2456(图 6)，均为中度预警状态，并有向重度预警发展的趋势，生态安全面临的威胁越来越严重。

图6 图们江流域湿地生态安全值模拟及预测Fig.6 The predictive value of tumen river watershed wetland ecological safety

在图们江地区大开发的背景下，为了能使湿地生态环境和经济建设协调发展，政府应健全相应的法律法规，保证湿地生态保护有法可依;及时治理水污染，限制排污企业的日排水量;设立湿地保护区，保护现有湿地不受破坏;积极修复轻微受损的湿地，改善生态环境;加强科技、资金投入，引导高等院校、科技部门进行湿地生态系统安全研究;大力宣传教育，提高民众保护湿地生态系统的自觉性。

本研究在项目组大量前期工作的基础上，结合PSR模型和灰色预测模型对图们江流域湿地生态安全评价和预警进行了深入研究。但是，因为每种模型都有自己的缺陷，湿地生态系统更是一个非常复杂的系统，不可能仅仅依靠几个模型就可以完全描述，加上研究数据的可获取性、研究方法的制约等，还需建立和健全湿地生态安全评价和预警的方法体系。图们江流域这种大尺度的研究区域，生态系统非常复杂，涉及到自然、社会、经济等各个方面的内容，单靠一个学科的知识很难全面描述其特点和规律。因此，今后的研究要从多层次、多角度方面开展湿地生态安全评价与预警研究。

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