洞庭湖湿地生态系统评价

张 猛 秦建新

（湖南师范大学 资源与环境科学学院，湖南 长沙410081）

湿地是世界上具有独特结构与功能的生态系统，有蓄洪防旱、降解污染、调节气候等诸多生态功能，被誉为“地球之肾”、“人类基因库”和“人类摇篮”，与森林、海洋一起并列为全球三大生态系统[7]。随着世界范围内的自然湿地生态退化问题日益突出，湿地的生态恢复、保护、评价与可持续利用已成为当今国际社会关注的热点，使湿地生态健康评价的研究日益迫切。国外对生态系统健康评价方面的研究较早，以美国为代表的团队开展了全国性的湿地生态系统健康评价。目前我国在湿地健康评价方面的研究工作还相对较少，主要是从生态特征、功能整合性及社会政治环境等方面构建指标，再运用模糊综合评价法、单因子和多因子评价法等来进行湿地系统健康评价。其他学者基本都是在此基础上围绕物理、生物、化学和社会几个方面建立一系列指标进行评价[10,11]。美国环保局（EPA）在湿地健康评级方面做了大量的研究工作，对美国国内的大量湿地进行了全面深入的健康评价和诊断，形成了一系列的评价方法。根据评价方法的强度和尺度，美国EPA提出了3个层次的湿地健康评价方法，通常称为LevelⅠ，Ⅱ，Ⅲ[1]。

洞庭湖湿地是亚热带少有的资源丰富、类型多样的大面积湿地之一，具有多种生态、社会、经济功能和潜在价值。近年来，由于经济的迅猛发展以及其它人为因素的影响，洞庭湖湿地遭受了严重的破坏，生物多样性面临着严重的威胁。为了定量分析洞庭湖湿地的健康状况，提高湿地系统及其资源的监测和研究科学水平，也能够为其规划和发展提供可靠的科学依据，本文利用美国环保局提出3个层次的湿地健康评价法中的景观发展强度法LDI（LevelⅠ）和快速评价法WRAP（LevelⅡ）来对洞庭湖湿地健康进行定量分析与评价，为湖区的可持续管理提供参考。

1 研究区概况

洞庭湖区地处长江中游荆江南岸，地跨湘、鄂两省，占据长江中下游最敏感又最脆弱的生态区位，空间上介于长江东西不同景观生态的过渡地带，大部分地区的海拔高度不到50m。本研究选择的范围位于湖南省行政区内的洞庭湖区，为环绕洞庭湖水域的丘陵和冲击平原地区，地处湖南省东北部（北纬 28°17′～29°57′，东经 111°32′～ 113°45′），涉及益阳市、岳阳市和常德市，共包括8个县级单位、4个县级市以及7个区。其中有益阳的赫山区、资阳区、沅江市和南县；岳阳市的君山区、岳阳楼区、云溪区、汨罗市、华容县、岳阳县、临湘市、湘阴县；常德市的武陵区、鼎城区、临澧县、汉寿县、澧县、津市市、安乡县。湖区属于典型的亚热带季风气候，河网密布，湘、资、沅、澧四水流经，水土、生物等资源要素丰富。湖区产业基础较好，内外交通便利，生态资源独特，城镇分布密集，具备潜在的发展空间。研究区域面积3.2万km2，占湖南省面积的15%；研究区人口1147.72万，占全省的16.05%；GDP总量为3858.34亿元，占全省的比例为19.62%。

2 研究方法

美国环保局（EPA）从20世纪90年代开始进行了全国范围的湿地调查和健康评价工作，也开发了许多实用的健康评价方法。其监测和评价策略可以简述为“三级框架”，从区域、景观尺度的LevelⅠ到快速的实地调查法LevelⅡ，再到强大的生物和物理化学方法。这三个层次的评价方法可以互相校正和检验。LevelⅠ，是利用地理信息系统和遥感技术的一种景观尺度的评价方法。此方法的优点为可以用较少的资源来评价大面积或大量的湿地，但其对单个湿地的基本情况的评价精度相对较低。LevelⅡ评价方法是利用单个湿地简单的观测数据来快速评价，一般仅需要几个工作日即可完成，并且评价精度适中。因此LevelⅡ评价方法是最普遍使用的方法。LevelⅢ评价方法是一种利用野外采样定量进行场地评价的强度较大的方法，该方法精度最高，可以评价湿地的健康或生态完整性，但需耗费大量的人力、物力和财力。

2.1 景观发展强度法（LDI）

LDI法是一种典型的LevelⅠ的评价方法，它通过GIS和遥感影像数据在大尺度的景观乃至区域水平对湿地健康状况作评价。LDI法的核心思想是人类活动同土地利用相联系，对生态系统的功能、健康、整合性等产生影响。实际上是通过土地利用类型来评价人类干扰强度，进一步反映湿地的健康状况。通过土地利用程度来量化人类发展强度是为了确定LDI系数。LDI系数是根据单位时间单位面积的能值（energy）来定量人类活动。对energy取自然对数并且将其标准化至1.0-10.0的范围内，即得到LDI系数。不同的土地利用类型对应不同的LDI系数，完全自然的土地对应1.0，而受到高强度干扰的土地利用类型则对应10.0。已有的研究对不同的土地利用类型单位面积单位时间的耗能平均值进行了计算[3,4]，本文参考了Brown和Vivas提供的LDI系数。

LDI计算公式如下：

式中：LDItotal———某一景观单元的LDI值；

%LUi———第i种土地利用类型面积占所有土地面积的百分比；

LDIi——— 第i种土地利用类型的景观发展强度系数。

2.2 湿地快速评价法（WRAP）

快速评价方法是最早被用于湿地评价的方法，该类方法花费低廉，能在短时间内收集到所需的数据，主要用来评价单个湿地或数量较少的湿地。湿地快速评价法的核心思想可以用一个分级概括 （图1）。它的实质是根据湿地的区域类型及相关特性（模型左边部分），从众多能体现湿地性质的指标中筛选出最能反映湿地系统健康状况的精炼且有针对性的指标（模型右边部分），并确定适合该湿地类型的评价方法。因此一个有效的湿地快速评价方法必须是基于快速评价指标的，而这些指标的选择需要对区域中的湿地过程（湿地的产生、维持及退化）进行深入分析[5,6]。

图1 湿地快速评价方法的概念模型

快速评价法的步骤包括：湿地的分类，确定评价范围，选择评价指标，确立赋值标准及指数模型，实地调查，结果分析。

3 数据来源及处理

空间数据包括shapefile格式的行政区矢量数据和覆盖研究区范围的遥感数据。其中，遥感数据为Landsat-7卫星遥感影像。主要的资源环境和社会经济数据来自 《湖南省统计年鉴》、《中国湖泊志》等资料。外业调查数据包括：①利用GPS采集的地面控制点，对照遥感影像进行地物辨认以实现部分解译，分析各地类在遥感影像上的成像规律和影响特征，为室内判读分析建立解译标志。②完成自然及人类干扰的调查，并填写湿地快速评价打分表及人类干扰调查表。

以2008年Landsat TM遥感影响（分辨率30m）为数据源，依据我国现行的土地利用分类系统，同时结合洞庭湖湿地土地利用的特点，以及与LDI系数表中的土地利用类型分类想联系，将该区分为城市，水体，空闲地，耕地，水生植被，林地等6类土地利用类型。利用遥感影像处理软ENVI4.8，对遥感影像进行预处理和人机交互解译，获得2008年比例尺为1：50万的 洞庭湖区土地利用/覆被类型图（图2），并通过GPS进行了野外抽样验证，土地利用数据分类总体精度达到90%。

图2 洞庭湖区土地利用及覆盖

4 洞庭湖湿地生态系统健康评价

4.1 景观发展强度法（LDI）

LDI实际是通过土地利用方式的改变来量化人类干扰强度，主要考虑研究区范围内能够对湿地生态过程形成直接影响的单元。为了提高评价精度，需确定边界之外的最佳缓冲区宽度。根据已有的研究经验，在所考虑的缓冲区之外没有特别的景观特征会对湿地的健康构成影响，100m缓冲区足以抓住影响湿地健康的主要干扰[2]。为了验证LDI方法的灵敏度，将洞庭湖区15个县、市作为研究区域，结合野外调查的经验，将这15个区域划分为三个先验分类：自然、农业、城镇。其中自然湿地人类干扰相对较小，而城镇湿地的湿地景观特征破环最为严重。根据实地考察，将15个研究区域进行先验分类。其中，临湘市和岳阳县为自然湿地，其它分区均为农业湿地。据Brown和Vivas的研究经验，LDI值介于1.0-2.0之间的可被认为是自然湿地，2.0-5.0为农业湿地，大于5.0为城镇湿地。

利用Arcgis9.3对遥感影像的分类结果进行统计分析，得到15个县、市的土地利用类型分布面积，结合公式（1）计算各自的LDI值（如图 3）。

图3 洞庭湖15个研究区域LDI值

从先验分类来看，洞庭湖湿地15个研究区域已经没有自然湿地，LDI值全部介于2.0-5.0之间，属于农业湿地范畴。这显示，洞庭湖湿地正在退化，湿地的自然状态已经被破坏。

4.2 快速评价法（WRAP）

4.2.1 湿地类型、评价范围及评价指标

整个洞庭湖湿地特征较为一致，属湖泊沼泽湿地。为了跟LDI法的评价结果做比较，湿地的评价范围及分区跟前者保持一致。快速评价指标的选择一方面需符合快速评价法的四个标准，同时还应适用于所研究的湿地区域，所确立的各个指标必须独立[8,9]。通过比较，认为佛罗里达州湿地快速评价法的评价指标比较合适洞庭湖湿地。共选了六个相互独立的评价指标：野生动物利用；湿地冠层植被；湿地底层植被覆盖；相邻地域支撑和缓冲区；湿地水文；输入水质和预处理系统。

4.2.2 赋值指标及指数模型

将每个评价指标的得分分为四级：0，1，2，3。其中3分代表相对受人类干扰较少的状态，而0分则说明湿地已经严重受损。每个指标可以打0.5分，将六个指标的得分和除以它们的可能最大得分值即得到评价的总得分，总得分介于0-1之间，代表了湿地的健康状况。

4.2.3 实地调查及结果

由于工作量较大，本研究只对8个县、市研究区进行了实地考察，并做快速评价。记录湿地快速评价得分，并且作了相应的人类干扰调查，结果如下表。

表1 各分区湿地的WRAP值

4.3 讨论

4.3.1 LDI和WRAP间的相关性分析

根据这8个区域的LDI值和WRAP值作相关分析（spearman'rank correlation），结果显示LDI同WRAP间的相关系数绝对值达到了0.833（p＝0.0108），两者间存在较为明显的相关性（图 4）。LDI法在景观尺度对湿地内的人类干扰强度作定量评价，反映湿地健康状况。湿地快速评价结果基本上是基于快速的野外湿地调查获取相关数据而得到的，它同LDI是两种独立的评价方法。但LDI和WRAP评价结果间显著的相关性，说明LevelⅠ的LDI法能够被LevelⅡ的快速评价法所验证。所以在洞庭湖区湿地生态系统健康的LDI评价方法是适宜的。

图4LDI和WRAP的相关性

4.3.2 先验分类间的比较

分析结果显示一十五个研究区域的LDI值都处在2.0-5.0之间，根据Brown等的研究经验，证明本研究的先验分类是合理的。但是两个先验的自然湿地（临湘市和岳阳县）的LDI值都已经大于2，落入农业湿地的范畴，说明洞庭湖区的湿地已全面收到了人类干扰，难以再找到完全自然的湿地区域。而方差分析的结果也显示参考湿地和农业湿地类型间 LDI值和 WRAP 值差异不显著 （LDI，p＝0.056；WRAP，p＝0.164），说明我们认为的自然湿地也正在向农业湿地类型转化，其生态健康状况正在降低。实地考察结果印证了这一结论，在研究区内，岳阳市，华容县，常德市，安乡县，南县等其主要景观类型已经变成耕地及城市，这几个区域（常德市除外）的LDI值都在4左右。而且大多数研究区域的水域也受到了旅游，围栏养鱼等高强度人类的干扰。LDI值得分最低的区域是临湘市地处整个湖区的东北部，离洞庭湖相对较远，受人类干扰相对较小，湿地生态状态较为接近自然状态。

4.3.3 洞庭湖湿地生态系统健康状况

整个洞庭湖区湿地的LDI值为3.70，属于农业湿地LDI值的经验范畴。但是这个结果已经较为接近城镇湿地的LDI值，说明整个洞庭湖湿地的退化较为严重，这与湖区内的旅游开发、围湖开垦、围栏养殖等直接的人类干扰有关。与此同时，湖区湿地面积的不断变化破坏了湿地的生态平衡，长江泄洪、旱涝等自然灾害也导致了湿地生态系统发生演变。还有湖区湿地资源不合理的开发导致的湿地生物产量锐减和生态系统失衡，环境污染的加剧使湿地环境质量严重退化，生物多样性招到破坏。三峡工程的运行，对长江干流水量与泥沙的调蓄，将会引起湖区湿地水文和泥沙的显著变化，从而进一步影响湿地生态系统健康。

WRAP值虽未能给出整个洞庭湖湿地的一个平均值，但是它与LDI结果同时反映了洞庭湖湿地生态系统健康的地区差异（图5）。从图5中可以看出：研究区北部和中部的健康程度相对较低，尤其是岳阳市、安乡县、南县三个区域最低；而临湘市、常德市、汉寿县的健康程度相对较高。

图5 洞庭湖湿地健康状况区域差异

4.3.4 洞庭湖湿地生态系统健康管理措施

洞庭湖湿地的退化是自然和人为因素共同作用的结果。为了湖区的可持续发展，提出以下湿地管理及修复措施：（1）开展洞庭湖资源调查，建立综合性湿地自然保护区和湿地生态定位站，保护和监测湿地生态环境，为洞庭湖的保护与可持续发展提供科学依据。（2）在社会经济发展中考虑洞庭湖湿地环境容量，在生态承载力范围内合理利用湿地资源。（3）开展湿地生态修复和重建技术研究。依据洞庭湖湿地自然环境和生态特征，选择合适的湿地开展湿地修复和重建工作，建立洞庭湖湿地修复和保护示范工程。（4）建立健全的洞庭湖湿地保护政策和制度，提高人们的环保意识。

5 结论

本文在总结国内外湿地生态系统健康研究成果的基础上，重点对美国湿地三级评价体系中的LevelⅠ和LevelⅡ方法进行了介绍，并将之应用到洞庭湖湿地的健康评价研究中，并探讨这两种方法的效度。通过研究发现：研究区内已经没有完全的自然湿地存在，全部属于农业湿地范畴，湿地退化较为明显。随着人口的增长、生活水平的提高及消费结构的变化，湖区人口对各类土地的需求也会发生变化，这必然会引起湖区景观类型的变化，进而会影响湖区湿地的生态系统健康。因此各级政府应出台应对政策和措施，以确保湖区的可持续发展。

［1］U.S Environmental Protection Agency Application of elements of state water monitoring and assessment program for wetlands Wetland Division,USEPA,Washington,D.C Washington State Department of Ecology 1993.Washington State Wetlands Rating System：Western Washing Second Edition Publication#93-74.Washington State Department of Ecology,Olympia,WA,2006[Z].

［2］Brown M T,Vivas M B.Landscape development intensity index Environmental Monitoring and assessment[J].2005,101：289-309.

［3］Whitfield D F. ‘Energy Basis for Urban Land Use Patterns in Jacksonville,FL[D].Department of Landscape Architecture,University of Florida Gainesville,1994,259.

［4］Brandt-Williams S Energy Of Florida Agriculture,Folio#4,Handbook of Energy Evaluation：A compendium of data for energy computation issued in a series of folios [Z].Center for Environmental Policy,Department of Environmental Engineering Sciences,University of Florida,Gainesville,Florida,2002,40.

［5］崔保山，杨志峰.湿地生态系统健康评价指标体系Ⅰ.理论 [J].生态学报，2002，22（7）：1005-1011.

［6］崔保山，杨志峰.湿地生态系统健康评价指标体系Ⅱ.方法与案例[J].生态学报，2002，22（8）：1231-1239

［7］蒋卫国，潘英姿，郑建蕊,等.洞庭湖区湿地生态系统健康综合评价[J].地理研究，2009，28（6）：1665-1672.

［8］陈展,尚鹤,姚斌.美国湿地健康评价方法[J].生态学报,2009,29（9）：5015-5022.

［9］林波，尚鹤，陈展，等.湿地生态健康快速评价法简介：以 WRAP为例[J].湿地科学与管理，2009，5（4）：11-14.

［10］崔保山，杨志峰.湿地生态系统健康研究进展[J].生态学杂志，2001，20（3）：31-36.

［11］申德轶，衷平.生态健康评价在湿地管理中的应用[J].湿地科学与管理，2008，4（3）：30-33.