基于PSR模型的甘南尕海湿地生态系统健康评价

徐国荣, 马维伟, 李 广, 张宏奎

(甘肃农业大学 林学院， 甘肃 兰州 730070)

湿地是一种不同于其他生态系统的具有调节气候、涵养水源等生态功能的一种自然生态系统[1]。随着社会经济不断发展，人类日益发展的活动需求同自然资源和环境的矛盾越发突出，导致湿地生态系统遭到严重干扰和破坏，进而引发一系列生态环境问题[2]。因此，湿地生态系统的健康状况的诊断和评价已成为当前研究的热点问题。湿地生态系统健康评价是对当前区域生态环境诊断的主要手段，能客观反映某一生态系统总体特征，表明生态系统各层次健康状况，从而为采取恰当的措施恢复和保护提供策略[3]，以促进湿地及其资源的可持续利用，对区域生态环境保护、经济发展具有重要意义[4]。近年来，国内外湿地生态系统健康评价体系逐步建立。其中湿地生态系统健康评价的方法有指示物种法、指标体系法、集对分析理论和人工神经网络方法等[5-6]。如Vassallo等[7]以河口低栖生物群落为指示物种，建立海岸带湿地生态系统健康评价体系；Karr和Brousseau[8]以鱼类群组成、多度以及物种数量种类的变化来评价水生态系统。这些研究均以单一指标对生态系统健康进行评价，难以准确、全面评价生态系统健康状况[9]。一些学者[10]以生态系统环境、生物群落指标和生态功能作为评价指标来构建生态系统健康评价体系；还有一些研究[11]也引入人口密度、文化素质和区域人均GDP等社会经济指标来评价区域生态系统健康评价体系，这些研究进一步丰富了湿地生态系统健康评价体系。对于土壤质量状态生化指标在评价中涉及较少，而土壤酶活性、氮、磷、有机碳等作为土壤有机体的代谢动力，其变化规律及其与生态因子的相互作用关系，在湿地生态系统中起着重要的作用，成为湿地土壤系统变化的预警指标[12]，对土壤质量状态好坏具有重要指示作用，但目前在湿地生态系统健康评价研究中很少涉及。因此，在区域湿地生态系统健康评价体系中，有必要引入土壤生化指标，以建立健全生态系统评价体系，实现对生态系统健康准确、全面的评价。

尕海湿地位于青藏高原的东部边缘，是我国青藏高原若尔盖湿地的重要组成部分，也是维系甘南高原生态安全的重要屏障。随着人口、经济和社会的迅速发展以及湿地长期超载过牧等不合理利用，致使湿地生态系统结构受到严重破坏，湿地出现了退化现象，影响着区域经济、社会与资源的可持续发展[13]。近年来，为保护和恢复尕海湿地生态系统，当地政府进行了大规模的封禁保护措施，但恢复效果如何，恢复后湿地生态系统健康状况如何仍不清楚。因此，本研究选择甘南尕海湿地生态系统为研究对象，基于压力—状态—响应(PSR)模型建立生态系统健康评价指标体系，综合研究环境、土壤生化指标和社会经济指标，对其进行健康状况综合评估，为尕海湿地科学管理和可持续发展提供依据。

1 研究区概况

尕海湿地位于青藏高原东北边缘甘肃省碌曲县尕海—则岔国家级自然保护区内(33°58′12″—34°32′16″N，102°05′00″—102°47′39″E)，海拔3 430～4 300 m，保护区内湿地面积5.79×104hm2，主要为河流湿地、沼泽草甸和泥炭湿地，其中沼泽化草甸5.12×104hm2，泥炭地1.04×104hm2。气候属于青藏高原带、高寒湿润气候区，年均气温1.2 ℃，无绝对无霜期，年均降水量781.8 mm，主要集中在7—9月，年蒸发量1 150.5 mm[14]。植物种类主要有乌拉苔草(Carexmeyeriana)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、线叶蒿(Artenisiasubulata)、萎陵菜(Potentillachinensis)、珠芽蓼(PolygonumviviparumL.)、蕨麻(PotentillaanserinaL.)等。

2 材料与方法

2.1 数据来源

结合相关研究成果及尕海湿地实际状况，选择18项指标，用于评价尕海湿地生态系统状态。其中社会经济指标数据(主要包括人口密度、人均GDP、旅游强度、人口受教育水平、环保投资指数、政策法规贯彻力度、湿地管理水平等数据)，主要来源于《碌曲县年鉴》(2017年)和政府工作报告；土壤质量状态生化指标、植被特征指标等来源于野外现场调查。

野外调查及采样于2018年8月在研究区内进行。根据尕海湿地周边环境，按照代表性原则，设置植物群落样地(10 m×10 m)45个，在样地内随机选取3个小样方(0.5×0.5 m)取样[13]。调查植物盖度、高度及株数等参数，并采集地上部分带回实验室于80 ℃烘干至恒重，测得地上生物量。用土钻在每个样方中采集0—20 cm层土壤样品，带回实验室进行理化指标测定，用pH计测定土壤pH值，烘干法测定土壤含水量，重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳，凯氏定氮法测定总氮，钼锑抗比色法测定总磷，3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤酶。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标体系 构建湿地生态系统健康评价是一个复杂的、没有明确界限划分的、很难用精确尺度来刻画的指标[15]，目前被广泛应用于区域生态系统健康评价的“P-S-R”模型由联合国OECD和UNEP提出，主要用来衡量人类活动对区域生态环境造成的压力、生态系统的变化以及人类对生态系统状态变化的响应[16]。综合分析研究区生态环境特征与生态系统健康影响因素，基于P-S-R模型，将尕海湿地健康评价体系分为3个准则层，依据相对应的指标将准则层划分为18项指标，构建尕海湿地生态系统健康评价指标体系(表1)。

2.2.2 数据标准化 为了消除评价指标的类型，数据性质和量纲，对各个指标值进行无量纲化处理，统一在[0，1][17]。本文对状态层指标数据采用极差法进行标准处理，将压力层和响应层指标根据实际状况与评价指标标准进行分级类比，得出对应的标准化值(表1)。

表1 尕海湿地生态系统健康评价指标体系

注：“+”表示该指标为正向指标，值越大，生态系统越健康；“-”表示该指标为负向指标，值越小，生态系统越健康。

2.2.3 评价方法 本文参考相关研究成果[18-19]及专家意见构造判断矩阵，采用层次分析法确定各指标主观权重，在此基础上，引入熵权法对主观权重进行修正，弥补了层次分析法主观性过强的缺点[20]。判断矩阵一致性比例(CR)是关键，具体计算公式为：

式中：CI——矩阵一致性指标，CI=(I)；λmax——判断矩阵的最大特征根；n——矩阵阶数； RI——矩阵随机一致性指标，通过查表获得不同阶数矩阵的随机一致性数值。当CR<0.1时，判断矩阵通过一致性检验，否则需要重新构造矩阵[21]。

2.2.4 生态系统健康指数 计算生态系统健康指数采用以下公式计算：

式中：EHI——生态系统健康指数取值范围为0～1；Ei——第i个评价指标标准化后的值；Wi——第i个评价指标的权重；n——评价指标个数。

各评价指标无量纲化标准值与相应权重进行加权求和计算得到上一层指标健康指数，依次计算，分别得到尕海湿地生态系统压力层、状态层和响应层健康指数，最终获得研究区的生态系统健康评价综合指数。

2.2.5 评价等级的确定 生态系统健康状况的划分尚无统一的标准，本研究参考牛明香、王薇等相关研究资料[1,19]，将尕海湿地生态系统健康状况划分为5个等级(表2)。

表2 尕海湿地生态系统健康评价等级

3 结果与分析

3.1 评价结果

由表3可知，准则层各因素的相对重要性排序为：状态B2(0.536 9)>压力B1(0.379 7)>响应B3(0.083 4)。尕海湿地压力、状态和响应子系统CR<0.1，均通过一致性检验(表4)。各评价指标综合权重由各准则层指标权重与各指标层权重相乘而得，各指标层综合权重详见表5。按照权重大小各指标排序为：年平均气温(0.172 2)>土壤含水量(0.152 2)>土壤酶活性(0.123 9)>年降水量(0.105 0)。这4项指标之和(0.553 3)大于0.5，是影响目标层最重要的指标。尕海湿地生态系统健康评价综合指数为0.588 1(表5)，位于湿地生态系统健康状况评价标准(0.4，0.6]，属于亚健康状态(表2)。压力指标指数为0.732 2，属于健康状态；状态指标指数为0.489 3，处在亚健康和不健康的临界状态；响应指标指数为0.567 9，属于亚健康状态。

表3 准则层指标权重

表4 各判断矩阵一致性检验

表5 尕海湿地生态系统健康综合评价计算结果

3.2 压力分析

根据综合评价计算结果(表5)，压力层健康指数为0.732 2，属于健康状态。在压力层指标中，尕海湿地自然过程对生态系统压力状况影响较大(表6)，年平均气温和年降水量对压力层的权重为0.453 6，0.276 7，2项指标之和(0.730 3)大于0.5，即压力层5项指标中年平均气温和年降水量为重要影响因素；其次是人口密度和人为活动干扰，人口密度、人均GDP和旅游活动强度对压力层的权重为0.196 0，0.052 8，0.020 9。

表6 压力层指标权重

3.3 状态分析

尕海湿地系统状态层健康指数为0.489 3，整体处于亚健康状态。

从状态指标来看(表7)，各指标中土壤含水量和土壤酶活性对状态层的影响较大，权重为0.283 5和0.230 7，2项指标权重之和(0.514 2)大于0.5；其次是土壤养分总磷、总氮和有机碳权重分别为0.157 0，0.112 1，0.061 1；土壤pH值对维持生态系统稳定性具有重要作用，相对状态层权重为0.077 8；而植物生物量和植物多样性指标分别对状态层的权重为0.047 6和0.022 4。

3.4 响应分析

响应层健康指数为0.567 9，属于亚健康状态。从响应指标来看(表8)，湿地周边人口素质是湿地生态系统健康发展的重要因素，其次环保投资指数和湿地管理水平是维持生态系统健康的重要指标，政策法规贯彻力度对生态系统健康状况影响较小；人口受教育水平、环保投资指数、政策法规贯彻力度和湿地管理水平依权重排序为：人口受教育水平(0.386 2)>环保投资指数(0.340 2)>湿地管理水平(0.249 3)>政策法规贯彻力度(0.024 3)。

表7 状态层指标权重

表8 响应层指标权重

4 讨 论

湿地生态系统是一个复杂的生态系统，其生态系统健康评价尚未建立一套严格标准[22]，同时没有全面、准确地规定生态系统健康状况评价需要的指标[23]。本研究研究区位于保护区中，生态系统演替较为稳定，用以研究尕海湿地健康状况特征具有很好的代表性，通过PSR关系模型，将湿地生态系统看作一个有机整体，全面分析尕海湿地生态系统的“压力”、“状态”和“响应”，充分理解影响尕海湿地生态系统中各指标间的相互关系，避免了单因素评价湿地生态系统的片面性[1]。本模型与VOR模型和VCOR模型不同的是在生理指标和生态指标的基础上引入了社会经济指标[24]，使该评价体系将实测数据、统计数据和前人研究成果相结合，建立起尕海湿地更全面、更综合的评价指标体系。

压力指数主要体现自然和人为活动对湿地生态系统的干扰和胁迫，在一定程度上表征生态系统自我调节和应对人类活动干扰的能力。目前的生态系统评价体系中，压力层指标选择更多的以人口分布密度和经济发展总量，在压力层指标中赋以较高的权重，但是人类活动对生态系统的影响不仅仅是对生态系统的破坏，也有积极作用。在本研究中，尕海湿地压力层指标属于健康状态，生态系统所受的人口密度、人类活动和人均GDP等压力较小，这与何彦龙等人对影响生态系统压力指标因素的研究结果一致[25]。年平均气温和年降水量等自然压力对生态系统健康状态影响较大，可能是由于在全球气候变暖的背景下，温度升高将引起蒸发速度的增大，同时也会引起降雨量的变化和季节性分配不均，从而影响湿地生态系统健康状况[26]，但该压力仍处在环境允许范围内，生态系统尚能维持其稳定性。

同时在生态系统健康评价中最重要的指标是状态指数，是生态系统健康与否的预警，不仅能及时反映自然和人为活动对生态系统的影响，也体现了生态系统自身结构和功能的变化，是生态系统应对人类压力和自然压力所响应的结果[1]。在本研究中，状态指标包括了尕海湿地生态系统的土壤和植被物理化学指标，状态子系统评价得分最低，整体上处在亚健康状态。导致状态子系统得分较低可能是近年来全球气候变暖、过度放牧和湿地排水疏干等作用下，尕海湿地出现了植被退化现象[27]，过度的利用植被致使生态系统地上生产力降低乃至丧失，这一过程使得土壤板结，物质循环变慢，土壤持水能力降低，土壤含水量减小，土壤酶活性受到不同程度的抑制，使土壤环境恶化，土壤肥力状况显著降低，植被与土壤形成一个相互影响、相互作用的耦合作用系统[19]。随着尕海湿地退化程度加剧，植被盖度和生物量随之下降，其变化也影响生态系统结构和功能的改变。

响应指数是人类为防止生态系统破坏，保护和恢复生态系统所做出的积极响应，主要说明为预防和修复生态系统破坏而做出的改变，响应层主要包括政策贯彻力度、环保投资指数、人口素质和湿地管理水平等指标。本研究中响应子系统综合健康指数处于亚健康状态，其中人口受教育水平和环保投资指数是较为重要的指标，这和地区经济发展有关，随着甘南经济的逐步发展，湿地保护投资力度将逐步加大[28]。同时需要加强执法队伍建设，提升人员执法业务素质，完善管理体制，促进生态系统稳定发展。

5 结 论

尕海湿地生态系统健康状况为亚健康状态。其中，压力子系统为健康状态，状态和响应子系统健康状况都为亚健康状态。因此，急需控制人类压力和生态威胁对湿地生态系统健康的影响，采取科学的保护和修复措施，加强政策落实和加大资金投入，提高人民群众环保意识，将社会、经济和生态效益相结合，使尕海湿地生态系统趋向健康发展。