基于生态系统的上海崇明东滩海岸带生态系统退化诊断*

袁　琳　张利权　翁骏超　葛振鸣

(华东师范大学　河口海岸学国家重点实验室　上海　200062)

海岸带是海洋系统与陆地系统相连接, 复合与交叉的地理单元, 既是地球表面最为活跃的自然区域, 也是资源与环境条件最为优越的区域, 与人类的生存发展的关系最为密切(范学忠等, 2010)。20世纪以来, 随着人类对自然环境的开发利用和影响的不断加强, 引发了一系列的海岸带生态环境问题, 海岸带正面临着全球气候变化、海平面上升、区域生态环境破坏、生物多样性减少、污染加重、渔业资源退化等巨大压力, 表现出逐步退化的趋势, 严重影响了海岸带的可持续发展, 使得海岸带生态系统成为全球性的高脆弱生态系统(Tumer, 2000; Dauvin, 2008; 张明明等, 2011)。因此, 对海岸带生态系统退化程度进行科学地诊断和评价, 可为进一步实现海岸带资源的可持续利用、制定合理有效的海岸带管理方案以及为实施海岸带生态化管理提供科学依据(苏纪兰, 2006; 叶属峰等, 2006; Crowderet al, 2008; Nobreet al, 2010)。

生态系统退化程度的诊断分析是从生态系统本身的结构和功能出发, 诊断由于人类活动和自然因素引起生态系统的破坏和退化所造成的生态系统结构紊乱和功能失调, 使生态系统丧失服务功能和价值的一种评估, 从而区分特定生态系统的胁迫状况,辨识出最危险的组分和最应该重视的问题, 并在此基础上制定出相应的管理对策(冯海云等, 2010)。生态系统的退化状况和退化程度可以通过多种途径进行诊断。早期研究中, 常选取一个或几个指标(如土壤重金属污染、初级生产力、水质参数等)进行单途径单因子或单途径多因子诊断(杜晓军等, 2001), 但对于受人类活动强烈干扰的自然-经济-社会复合的海岸带生态系统而言, 要识别系统现状及其动态演替的机制, 进行多途径多因子的综合诊断才是有效的途径(雷坤等, 2009)。因此如何筛选海岸带生态系统退化诊断指标、构建评价指标体系、选择合适的评价方法, 一直是海岸带保护与管理领域的研究热点(朱燕玲等, 2011; Yuanet al, 2014)。

上海崇明东滩位于我国经济最为发达区域之一的长江三角洲地区, 属于典型的高强度开发海岸带,在陆海统筹、海岸带资源可持续利用方面具有代表性。本研究选择上海崇明东滩海岸带生态系统为研究示范区, 在对崇明东滩海岸带生态系统结构分析的基础上, 基于“压力-状态-响应”(Pressure-State-Response,PSR)模型构建海岸带生态系统退化诊断指标体系,定量评估了崇明东滩海岸带生态系统退化状况, 以期为该地区海岸带生态系统保护和管理提供理论依据和案例研究。

1　研究区域

选择上海崇明岛陈家镇以东的区域为海岸带生态系统管理示范区(31°25′—31°38′N, 121°46′—122°06′E), 面积约为 476km2, 东面以崇明东滩鸟类自然保护区为界(图1)。示范区内有自然湿地生态系统、农业生态系统和城镇生态系统。研究区属北亚热带海洋性气候, 温和湿润, 四季分明。年均气温15.3°C, 最热时间为 7—8月, 月平均气温 26.8—26.9°C, 最冷时间为 1—2月, 月平均气温 3.0—3.9°C。全年平均无霜期为 320d左右, 年均降雨量1022mm, 相对湿度82% (Yuanet al, 2011)。

图1　上海崇明东滩海岸带位置图Fig.1　The location of the Chongming-Dongtan coastal zone, Shanghai, China

崇明东滩自然湿地位于亚太地区候鸟迁徙路线东线中段, 是国际迁徙鸟类必需的栖息地, 于 1992年列入《中国保护湿地名录》, 2001年正式列入“拉姆萨国际湿地公约”国际重要湿地名录(Yuanet al,2011)。主要盐沼植被为芦苇(Phragmites australis)、海三棱草(Scirpus mariqueter)和互花米草(Spartina alterniflora)三大植物群落。农业生态系统主要包括3个农场和农业园区。城镇生态系统以陈家镇为核心,包括周边21个村镇, 人口约6万人。

2　研究方法

2.1　崇明东滩海岸带生态系统结构分析

利用 2000、2003、2005和 2008年研究区的Landsat TM遥感影像, 在Erdas Imagine 8.7的支持下进行遥感影像的几何校正和投影变换等图像处理。依据课题组历史野外实地调查记录和崇明东滩海岸带实际情况, 将崇明东滩海岸带划分为3个生态系统类型(自然湿地生态系统、农业生态系统和城镇生态系统)和9类土地利用类型(城镇、农田、养殖塘、林地、未利用土地、芦苇群落群落、海三棱草群落、互花米草群落和光滩与海水), 并建立训练样区和分类模板, 以最大似然法实施监督分类。基于ArcGIS 9.2平台, 计算各类地物的空间数据和面积变化情况。

2.2　崇明东滩海岸带生态系退化诊断

2.2.1构建退化诊断指标体系在崇明东滩海岸带生态系统结构分析的基础上, 以“压力-状态-响应”(pressure-state-response, PSR)概念模型为基础, 从压力、状态和响应三个方面选取能够反映海岸带生态系统退化状态的指标, 构建退化诊断指标库。然后, 从指标库中筛选出24个指标用于构建适用于崇明东滩自然湿地生态系统、农业生态系统和城镇生态系统的3层退化诊断指标体系(表1)。该指标体系以海岸带生态系统类型作为目标层, 用以描述退化评价的目标;第2层次为项目层, 包括压力(pressure, P)、状态(state,S)、响应(response, R) 3个项目; 第3层次为指标层,包含24个直接用于崇明东滩海岸带生态系统退化诊断的指标。其中15个指标来自于国际经合组织提出的环境绩效考核核心指标(Organization for Economic Cooperation and Development, 1993); 另外9个指标是本文在全面了解崇明东滩海岸带社会、经济和生态系统历史与现状的基础上, 结合专家打分结果, 根据崇明东滩海岸带自身特点所选取的。例如, 外来物种入侵(P12)和环境污染(P11)是崇明东滩自然湿地生态系统所面临的自然过程和人类活动带来的主要压力;植被覆盖(S11)、水鸟数量(S12)和底栖动物密度(S13)可以反映自然湿地生态系统结构和功能的健康状态;生态系统服务功能(R11)和珍稀鸟类种类数(R12)则可体现社会对保护生态系统多样性和服务功能的响应。

2.2.2退化诊断指标处理为了保证指标权重的客观有效, 本文采用层次分析法(AHP)确定指标权重(表1)。基于ArcGIS平台, 实现崇明东滩海岸带生态系统退化诊断各评价指标的空间化。

在退化诊断指标体系中, 由于各评价指标类型复杂, 不同指标量纲不同, 且与海岸带生态系统退化程度相关性也有差异, 因此需要对各评价指标的原始数据进行标准化处理。依据指标特点, 根据公式(1)和(2)对评价指标进行标准化处理, 将原始数据变换为[0, 1] (熊鹰等, 2007), 并将崇明东滩海岸带生态系统退化评价结果划化为健康[0, 0.25]、轻微退化[0.25,0.5]、退化[0.5, 0.75]和严重退化[0.75, 1]四个等级。其中, 健康描述海岸带生态系统稳定、可持续、具有活力, 能维持其组织且保持自我运作能力, 对外界压力有一定弹性; 轻微退化描述海岸带生态系统没有表现出明显的结构破坏和功能受损, 但生态系统活力、恢复力和组织力下降; 退化描述海岸带生态系统的正常状态在干扰的作用下失衡, 生态系统的结构发生负向变化, 生态系统功能受损; 严重退化描述海岸带生态系统的某些要素或系统整体发生不利于生物和人类生存要求的量变和质变, 生态系统的结构和功能严重破坏或丧失。在实现指标分级过程中, 将满足或优于《崇明生态岛建设纲要(2010—2020)》管理目标(上海市发展和改革委员会, 2011)的区间设为健康。划分轻微退化、退化和严重退化等级对应的上限和下限时, 有国家标准的指标按国家标准划分等级上下限, 如“内河水系水质综合指数”、“饮用水水源达标率”参考《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》,“土壤污染指数”参考《中华人民共和国国家标准土壤环境质量标准(GB15618-19950)》; 没有国家标准的指标, 则根据本文提出的轻微退化、退化和严重退化的内涵, 参考专家打分结果和数据实际值确定轻微退化、退化和严重退化等级区间上下限, 使其能够客观、准确反映崇明东滩海岸带自然湿地、农业和城镇生态系统退化状况。

1) 当评价指标为正指标(与海岸带生态系统退化程度呈正相关)时:

2) 当评价指标为负指标(与海岸带生态系统退化程度呈负相关)时:

式中,Pij为各指标标准化赋值结果;xij为指标实际值;xu和xv分别为指标实际值xij所对应分级区间的上限和下限;cu和cv分别为xij所对应等级的标准化分值区间的上限和下限。

通过计算生态系统退化指数(Ecosystem degradation index, EDI) (公式(3)), 综合评价自然湿地生态系统、农业生态系统和城镇生态系统及崇明东滩海岸带生态系统整体的退化状况。

式中, EDI为第j类生态系统退化指数,ωi第i个指标的权重,Pij为第j类生态系统第i个指标的标准值,n为评价指标个数。

3　结果与分析

3.1　崇明东滩海岸带生态系统结构分析

图2和表2显示了2000—2008年崇明东滩海岸带生态系统主要地物类型的时空动态变化。伴随着自然滩涂的发育, 自然湿地生态系统内盐沼植被的面积从 2000年的 33.36km2(占自然湿地总面积的12.9%), 增加到2008年的44.00km2(占自然湿地总面积的17.4%)。然而, 由于 2001年崇明东滩南部团结沙高潮滩的围垦工程, 自然湿地生态系统总面积从2000年的258.77km2(占总面积的54.4%)减少到2008年的 252.95km2(占总面积的 53.1%)。围垦的自然湿地转化为农业生态系统, 农业生态系统的面积从2000年的 215.35km2(占总面积的 45.2%), 增加到2008年的218.52km2(占总面积的45.9%) (表2)。随着人口增长和城市化进程的推进, 崇明东滩海岸带城镇生态系统面积逐年增加, 从2000年1.96km2(占总面积的0.4 %)增加到了2008年的4.62km2(占总面积的1.0%)。

表1　崇明东滩海岸带生态系统退化评价指标体系Tab.1　The ecosystem degradation index system for the coastal zone

自然湿地生态系统是研究区内最主要的亚生态系统类型, 主要的盐沼植被为芦苇、海三棱草和互花米草, 在盐沼植被外缘还有大面积的光滩和海水。其中水域和光滩所占面积最大, 约占自然湿地生态系统总面积的 83.7%—87.1%。随着外来物种互花米草在自然湿地生态系统的快速扩散, 其分布面积从2000年的 1.87km2迅速增加至 2008年的 17.13km2,占盐沼植被总面积的38.9%。由于互花米草入侵, 本地物种芦苇和海三棱藨草面积表现为下降趋势, 芦苇和海三棱草群落面积从 2000年的 10.34km2和21.15km2下降到 2008年的 7.71km2和 19.16km2(图2, 表2)。

农业生态系统是崇明东滩海岸带陆域最主要的生态系统类型, 主要地物类型包括农田、养殖塘、林地和未利用的撂荒地。农田的面积从 2000年的 158.01km2(占农业生态系统总面积 73.4%)增加到了 2008年的164.74km2(占农业生态系统总面积75.4%)。养殖塘是我国沿海城市海岸带农业生态系统中典型的一种土地利用方式, 在崇明东滩海岸带区域, 养殖塘面积在24.63km2到 52.10km2范围内呈波动状变化。研究区域内林地的比例较低, 其总面积从2000年的2.68km2缓慢增加到了2008年的9.22km2。未利用地主要是围垦后尚未利用或废弃的养殖塘, 其总面积从 1990年的 12.72km2(占总面积的 5.9%)增加到了 2008年的19.93km2(占总面积的 9.1%) (图2, 表2)。

崇明东滩海岸带生态系统内城镇生态系统的比例最低, 主要以陈家镇为中心,包含八镇、裕安镇和前哨农场等几个村镇。作为上海市郊县的城镇,崇明东滩海岸带城镇生态系统 2000年总面积仅为1.96km2。随着城市发展和人口增加, 到 2008年, 崇明东滩城镇生态系统面积已增加到 4.62km2, 但与上海这个大都市的发展相比仍表现为缓慢发展(图2, 表2)。随着上海长江隧桥的建成, 陈家镇作为长江隧桥崇明岛登陆点, 长江入海口的第一镇, 联动周边城镇的发展, 其面积势必会表现出增加的趋势。

图2　2000—2008年崇明东滩海岸带各主要生态系统类型时空动态Fig.2　The spatial-temporal dynamic of the ecosystems in 2000—2008 in the coastal zone

表2　2000—2008年崇明东滩海岸带各主要生态系统类型的面积变化(km2)Tab.2　The areal changes (km2) of the ecosystems in 2000—2008 in the coastal zone

3.2　崇明东滩海岸带生态系统退化诊断

从2000年至2008年, 崇明东滩海岸带生态系统整体上表现为健康, 局部区域表现为轻微退化, 轻微退化的面积分别为25.71km2(2000)、16.66km2(2003)、18.16km2(2005)和40.46km2(2008), 占崇明东滩海岸带总面积的 5.4% (2000)、3.1% (2003)、3.8% (2005)、8.5% (2008) (图3, 图4)。EDI从 2000 年到 2005 年表现为逐年上升, 在2005年达到0.249, 接近轻微退化临界值。但随后, 随着崇明生态岛建设的推进, 海岸带生态系统整体退化趋势有所改善, 到 2008年 EDI下降到0.235(图4)。

崇明东滩自然湿地生态系统作为国家级自然保护区, 受到围垦、捕鱼、污水排放等人类活动的影响较小, 从 2000年至 2008年, 自然湿地生态系统大部分区域保持在健康的状态, 但随着外来物种互花米草在东滩的快速扩散, 轻微退化面积也逐年上升, 分别为 1.72km2(2000)、6.42km2(2003)、8.83km2(2005)和 16.13km2(2008), 占自然湿地总面积的0.7% (2000)、2.5% (2003)、3.5% (2005)、6.4% (2008)(图3)。轻微退化区域主要出现在崇明东滩鸟类国家级自然保护区(自然湿地生态系统)东旺沙水闸以南的互花米草入侵区域。从退化诊断指标的结果来看, 自然湿地生态系统各项退化诊断指标的平均值均低于 0.25轻微退化临界值(图4)。EDI也均低于0.25轻微退化临界值, 但表现出逐年恶化的趋势(图4)。

图3　2000—2008年崇明东滩海岸带生态系统退化诊断结果Fig.3　The spatio-temporal assessment of ecosystem degradation in 2000—2008 in the coastal zone

2000年至2008年, 崇明东滩海岸带农业生态系统整体上表现为健康状态, 轻微退化区域主要在前哨农场东部的废弃鱼塘形成的撂荒地, 轻微退化区域面积呈现先下降后升高的趋势, 分别为 23.83km2(2000)、10.04km2(2003)、5.52km2(2005)和 19.94km2(2008), 占崇明东滩海岸带总面积的 11.3% (2000)、4.6% (2003)、2.5% (2005)、9.1% (2008) (图3)。尽管崇明东滩农业生态系统在整体上处于未退化的状态,EDI均低于 0.25轻微退化临界值, 但个别指标表现为轻微退化仍然面临严峻的考验(图4)。例如, 农药和化肥的大量使用造成土壤污染和水质恶化, 有机、绿色和无公害农产品种植面积和单位面积产量偏低, 远低于环保部《国家生态县建设指标》, 亟需采取必要的技术、措施或政策实现该区域的农业产业结构调整、产业形态完善和劳动效率提高。

图4　崇明东滩海岸带生态系统退化诊断指标及EDI结果Fig.4　Results of the coastal ecosystem degradation diagnosis by each indicator and EDI

城镇生态系统EDI从2000年到2005年表现为逐年上升, 在2005年达到0.298, 高于0.25轻微退化临界值, 表现为轻微退化。主要是因为城镇人口的快速增长、饮用水达标率下降和污水处理率下降, 使得城镇生态系统表现为轻微退化。但随后, 伴随着崇明生态岛建设的推进, 城镇生态系统健康状况有一定的改善, “饮用水达标率”、“人均绿地面积”、“单位GDP能耗”、“人均纯收入”、“污水处理率”和“空气优良天数”等评价指标都表现出改善的趋势, EDI指数也在2008年下降到 0.236(图4)。以“人均绿地面积”为例,2000年(9.05m2/人)诊断结果为 0.496, 表现为轻微退化, 已接近退化水平临界值, 到 2008年人均绿地面积已增加到11.3m2/人, 恢复到健康状态(图4)。

4　讨论

生态系统退化是指生态系统在自然或人为干扰下形成的偏离自然状态的系统(任海等, 2004)。生态系统的退化是复杂的, 既有系统本身的自然属性决定的内在原因, 更重要的是人为的外部干扰体系的驱动。而退化过程因外部干扰体系展现出多元化, 退化的关键是系统中的能动因子生物及其多样性的不良变化或丧失, 其本质是系统的结构被破坏后失衡,导致功能衰弱。因此, 必须首先诊断生态系统的退化过程及退化程度, 合理判定当前退化状态在该系统正向演替中的地位和阶段, 才可能顺应自然正向演替规律进行有效的退化生态系统的恢复重建(包维楷,1999)。

本文以崇明东滩海岸带生态系统为例, 将海岸带生态系统按照类型划分为自然湿地生态系统、农业生态系统和城镇生态系统, 基于对崇明东滩海岸带生态系统结构的分析, 从“压力-状态-响应”三个方面构建海岸带生态系统退化诊断指标体系, 诊断由于人类活动和自然因素引起崇明东滩海岸带生态系统结构和功能退化的影响因素, 定量评估了崇明东滩海岸带特定生态系统退化状况, 辨识出最危险的组分和最应该重视的问题。从结果可以看出, 自然湿地生态系统是崇明东滩海岸带中一个重要的生态系统类型, 对于维持生物多样性和和生物栖息地发挥着重要的作用。然而, 由于大规模围垦工程造成“自然湿地保有率” 指标逐年降低, “外来物种互花米草入侵”指标也表现出逐年恶化的趋势, 影响了“自然湿地水鸟数量”、“珍惜鸟类种类”等指标的变化, 对湿地生物多样性和生态系统健康也产生了一定程度的威胁,急需采取适当的管理措施促进自然湿地生态系统的可持续发展。例如: (1)加强对滩涂湿地生态系统的保护, 科学合理利用滩涂资源; (2)通过开展互花米草控制和土著植被恢复工作, 对退化的自然湿地进行生态修复, 为鸟类提供良好的栖息地; (3)进一步完善湿地管理制度, 提高公众自觉保护湿地资源的意识和参与自然湿地保护和管理的热情。随着崇明生态岛建设的推进, 农村“再生能源使用比例”和“内河水系水质综合指数”明显得到改善, 崇明东滩海岸带区域的农业发展也得到了长足进步。但与国内农业发达地区相比, 还存在生产效率偏低, 农业产业布局不合理(存在部分撂荒地)、农业产业结构不合理(有机、绿色和无污染农产品比例偏低)的情况, 同时由于化肥、农药使用造成的“土壤污染指数”逐年升高, 环境恶化现象明显, 造成崇明东滩海岸带农业生态系统局部区域发生退化。因此, 在今后的农业发展过程中, 应围绕发展生态农业这一目标, (1)提高农业生产效率, 优化产业结构, 提高有机、绿色、无公害农产品种植面积比重, 发展绿色、高效农业; (2)合理控制无机化肥和农药的施用强度, 改善环境质量, 加强环境保护,保障环境质量的可持续性; (3)优化农业生态系统内各类用地的空间配置和布局, 提高土地利用率。

随着崇明生态岛环保和生态化建设的推进, 城镇“单位GDP能耗”、“空气质量优良天数”和“人均绿地”等指标都有明显改善, 但人口增长和经济发展引起的现有资源的过度使用和环境恶化等问题仍是影响城镇生态系统健康发展的主要原因, 对今后城镇可持续发展和人居环境建设都提出了极大的挑战。在今后的海岸带城镇生态系统管理中, 应结合综合评估结果, (1)加强城区绿地建设, 提高公共绿地面积比例; (2)优化产业和能源结构, 降低污染排放强度, 引导生态化的产业发展模式; (3)增设或改进污水与固体废物处理设施, 利用多种生态工程与技术手段提高环境净化能力。

可见, 通过开展海岸带生态系统退化诊断, 可以更加深入地了解海岸带生态系统存在的问题及现状,从而更加有针对性的提出如何合理调整生态系统结构, 减缓生态系统退化, 维持生态系统功能的可持续发展的管理策略。在未来制定具体的管理方案时, 还可基于综合评价结果, 利用情景分析的方法, 预测不同的管理方案在多大程度上可以改善不同类型生态系统的退化状况, 实现管理目标, 从而制定出一整套科学、具体、切实可行的海岸带生态系统管理方案(Katieet al, 2006; Heatheret al, 2007; Yuanet al,2014)。实施过程中还应适时地对海岸带生态系统管理效果进行监测与评价, 提出适应性调整方案, 形成海岸带生态系统管理优化方案。文中提出的研究思路和综合评估研究方法可灵活的应用到其它沿海地区或类似的生态系统, 为我国海岸带管理提供了可行的技术方法和示范案例。

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