程海流域陆生生态系统健康评价

2014-05-22谭志卫董云仙

环境科学导刊 2014年3期

谭志卫，董云仙，赵润

(云南省环境科学研究院，云南昆明650034;云南省高原湖泊流域污染过程与管理重点实验室，云南昆明650034)

近年来，生态系统健康成为生态系统管理领域的一个热点问题［1］，客观、科学、全面的评价是管理的前提和基础，其作为资源环境管理的新方法，被众多的学者重视，逐渐成为生态学研究的一个重要方向［2］。由于人口增加和工农业生产的发展，人类赖以生存的生态环境日益退化，特别是湖泊水域富营养化问题，已严重影响并威胁到社会经济和人类健康［3］。对湖泊生态系统进行研究，建立湖泊生态系统健康评价体系和指标阈值，不但可以为我国湖泊环境综合治理提供可操作的依据，而且还有利于湖泊生态系统的可持续性管理和合理利用，实现生态、社会、经济三方面效益的协调。

1 研究区概况

程海湖又名黑伍海，位于永胜县中部，属永胜县程海镇管辖。流域面积318.3km2，其中陆地面积 243.2km2，水域面积 75.8km2。湖南北长19.15km，东西最大宽度5.2km，平均宽度4.3km，湖岸线长45.1km，蓄水量19.8亿m3，平均水深25.7m，最大水深35.1m。湖泊地处滇西北高原与云贵高原的衔接部位，世界自然遗产“三江并流”金沙江中段，属中亚热带高原季风气候，主要盛行南风，年平均气温19.1℃，最冷月平均气温8～11℃。

2 研究方法

2.1 数据来源及处理

程海流域 1∶25万数字高程模型 (DEM);1989年、2000年、2012年程海流域土地利用状况，其数据从这三期TM影像解译获取，数据格式为ArcGIS的Shp文件;1989年、2000年、2012年程海镇统计年鉴及经济年鉴。

用ArcGIS软件将Shp格式的程海流域土地利用/覆盖图处理成Coverage格式，并利用景观格局分析软件Fragstas3.3计算出3个时段的各类景观结构指数并进行分析。

2.2 评价方法

二十多年来，程海流域随着社会经济的发展及各种自然、地域、水资源利用等因素的影响，流域的土地利用发生了较大变化，从而使得流域的景观格局发生变化，这必然影响到了区域的生态系统健康。人类活动对生态系统的健康也尤为重要，人类活动会威胁生态系统健康，导致生态系统结构发生变化，从而影响生态系统的服务功能。因此，本次评估采用系统本身的生态指标和区域的社会、经济、人类活动等方面的指标进行评价。生态学指标与经济学指标相结合使指标系统更为全面，评价结果更可靠。

2.3 生态系统评价指标体系

在综合考虑了国内外有关流域生态系统健康评价指标体系的基础上，以景观生态学、生态系统健康理论为基础，结合程海流域当地的实际情况，从流域景观格局、自然生态系统和人类活动干扰3个方面，共选取了10项指标来评价，如图1。

(1)多样性指数

景观多样性指数是借用生物多样性提出的用来描述和评价景观异质性水平的一个概念，有多种不同的测度指标。本次评估采用Shannon－Weaner指数。

式中:H是景观多样性指数，APi是第i类景观要素面积占景观总面积的比例，M指景观要素类型个数。各类景观要素面积相等时的景观多样性指数最大，用Hmax表示:

(2)景观均匀度指数

景观均匀度指数指实际多样性和最大多样性之比，是景观多样性的相对值。其计算公式为:

景观多样性可以定量地描述为景观中景观要素斑块的不确定性，可以反映景观异质性和景观中不同景观类型分布的均匀化和复杂程度。由其计算公式可见，影响景观多样性指数大小的因素一是景观中景观要素类型的数量，这决定研究对象的生态学尺度和空间分辨率;二是各景观要素类型间的面积分配关系。

(3)斑块密度指数

斑块密度包括景观斑块密度和景观要素斑块密度。景观斑块密度是指景观中所有异质性景观要素中斑块的单位面积斑块数;景观要素斑块面积则是指景观要素中某类景观要素的单位面积斑块数。斑块密度反映景观的破碎化程度与景观空间异质性程度。斑块密度越大，破碎化程度越大，空间异质性程度也愈大，反之亦然。

式中:PD为景观斑块密度;m为景观要素类型总数;A为研究地区景观总面积。

(4)土壤垦殖指数

土壤垦殖指数即耕地面积占区域总面积的百分比，表示土地持续提供人类生存资源的能力。该指数越大，土地的利用潜力越弱，可开发余地越小。

(5)土壤侵蚀指数

土壤侵蚀指数指轻度以上侵蚀面积占区域总面积的百分比。该指数越大，说明被破坏的土地面积越大，土地保水保肥能力差。

(6)森林覆盖率

森林覆盖率指林地占区域总面积的百分比。

3 综合参数评价模型

为了避免人为主观判断的片面性，本评估选用客观赋权法来进行评价。客观赋权法中的熵值法是在客观条件下，由评估指标值构成的判断矩阵来确定指标权重的一种方法，它能尽量消除各因素权重的主观性，使评估结果更符合实际。

在信息论中，熵是无系统无序程度的度量，它还可以度量数据所提供的有效信息。信息熵越小，系统无序度越小，信息的效用值越大;信息熵越大，系统无序度越高，其信息的效用值越小。其计算步骤如下:

(1)构建n个样本m个评估指标的判断矩阵。

(2)将判断矩阵归一化处理，得到归一化判断矩阵B。

在实际决策中，评估指标通常分为越大越优型和越小越优型两类，各类指标对优的相对隶属度计算公式分别如下:

越大越优型:

越小越优型:

式中:xmax，xmin—同指标下不同样本中最满意或最不满意者 (越小越满意或越大越满意)。

根据式①和式②可将评估指标特征值矩阵转换为其对优的相对隶属度矩阵:

R=rij

式中:rij—方案j指标i的特征值对优的相对隶属度。

(3)根据熵的定义，对于n个样本m个评估指标，可确定评估指标的熵为:

式中:0≤Hi≤1，为使LNfij有意义，假定fij=0，fijLNfij=0，i=1，2，3……m，j=1，2，3……n。

(4)利用熵值计算评估指数的熵权:

(5)生态系统健康综合指数:

式中:EHCI—生态系统健康综合指数，其值在0与1之间;

Wi—评估指标在综合评估指标体系中的权重值，其值在0与1之间;

Ii—评估指标的归一化值，其值在0与1之间。

4 生态系统健康等级划分

本研究参考了国内外相关研究的有关标准，结合程海流域的实际情况，提出生态系统健康评估标准，把生态系统健康状态分为5个等级，取值范围分别为很健康 (80～100)、健康 (60～80)、亚健康 (40～60)、不健康 (20～40)、病态 (0～20)。各级具体含义见表1。

5 结果与分析

本评估选取1989年、2000年、2012年的结合度指数、多样性指数、均匀度指数、斑块密度指数、人口密度、人均GDP、城镇化水平、土壤垦殖水平、土壤侵蚀指数、森林覆盖率10个指标进行客观评估。结合度指数、多样性指数、均匀度指数、斑块密度指数采用景观生态学的方法，在Arcview3.3和Fragstat3.3的结合下完成了研究区景观格局的分析，得出相关指数值。人口密度、人均GDP、城镇化水平、土壤垦殖水平、土壤侵蚀指数、森林覆盖率参考研究年年鉴及土地利用现状数据得出。各指标具体数值见表2。

表1 综合生态系统健康等级划分

表2 程海陆生生态系统健康综合评估指标体系

(1)首先构建程海陆生生态系统健康评估3个样本9个指标的判断矩阵R:

(2)对判断矩阵R进行归一化处理，得到归一化判断矩阵B:

(3)根据熵的定义，可确定评估指标的熵:

(4)计算评估指标的熵权:

(5)计算程海陆生生态系统健康综合指数

将表3评估指标的归一化值及熵权代入式⑤，可得程海陆生生态系统的健康综合指数，见表4。

表3 程海陆生生态系统健康综合评估指标归一化值

表4 程海陆生生态系统健康综合指数

表5 程海陆生生态系统健康评估结果

从评价结果可以看出，1989年、2000年、2012年的陆生生态系统健康状态都为不健康状态。陆生生态系统景观被破坏，系统结构出现缺陷，活力较低，外界压力大，不能满足生态系统功能正常发挥的需要。究其原因，主要是由于一直以来程海流域森林覆盖率偏低，远低于云南省森林覆盖率(52.93%)的平均水平;另一方面，程海流域位于金沙江干热河谷地带，属中亚热带高原季风气候，全年受热带大陆性气团和海洋东南季风影响，降雨不丰富，加上当地的成母质主要为玄武岩、石灰岩风化土，雨热条件和土壤结构造成了程海流域植被类型少。流域主要乔木植被为云南松林和华山松林，而广泛分布的是灌草丛和中山湿性常绿栎类灌丛，树种结构不合理，群落结构简单，生物多样性降低，保水保土能力差，不利于生态系统的良好发展;第三，程海流域长期以来社会经济发展以传统农业为主，由于当地水利设施不健全，降雨偏少，使靠天吃饭成为当地主要的生产方式，粗放的生产生活方式给生态环境带来了人为压力和胁迫;第四，从土地利用景观格局动态变化来看，20年来，在政府针对林业“宜封则封，宜造则造，封山育林与人工造林相结合”的强有力政策下，森林覆盖率有所提高，同时区域内的景观结合度越来越好，有利于生物物质的交流，但是总体水平不高，影响整个生态系统物质和能量的交流。虽然程海流域三个时段的生态系统健康状态都为不健康，但是2012年的健康指数比2000年和1989年都高，说明生态系统健康状态有所改善，森林覆盖率的提高、水土流失面积的减少对其也起到了印证作用。