东居延海湿地生态系统健康评价

2019-07-18周润田王维邦董国涛

人民黄河 2019年7期

李凯，赵沛，周润田，王维邦，董国涛

（黑河水资源与生态保护研究中心，甘肃兰州730030）

“生态系统健康”这一概念在20世纪70年代末首次出现［1］，是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性［2］，同时也是湿地研究领域中的一个新概念，指系统内的物质循环和能量流动未受到损害，以及关键生态组分和有机组织保存完整并没有疾病［3］。国外对湿地生态健康的研究较早，湿地健康评价体系比较完善［4］。国内研究20世纪90年代才开始起步，最初主要是归纳国外理论和研究实例，如河口滨海湿地［5］、南四湖［6］、武汉市浅水湖［7］等典型生态系统健康评价；随着对生态系统结构、功能理解不断深入，我国学者认为湿地是一个自然-经济-社会复合生态系统，包括湿地生态特征、湿地功能和社会经济等3类指标［8］，并且逐步开展了考虑多因素生态系统健康评价等方面的研究，利用压力-状态-响应（PSR）模型构建健康评价指标体系就是其中的典型方法［9-13］。

东居延海位于内蒙古自治区额济纳旗境内，气候干旱，湿地需水完全由黑河水补给，是以遏制土壤沙化、调节局部小气候、保护生物多样性为主要功能，兼以提供水质净化、休闲旅游等功能的湿地［14］，是额济纳绿洲生态系统最重要的支撑点。随着气候变化和流域工农业用水增加，东居延海于1992年干涸［15］。自2000年实施黑河水资源统一调度，额济纳绿洲生态急剧恶化趋势得到有效遏制，东居延海逐步恢复湿地功能，极大改善了土壤水分条件，促进了绿洲植被生长，局部地区林草覆盖度逐年提高［16］。目前关于东居延海湿地的研究大多集中于湿地特征单一因素，如植被覆盖度［17］、生态系统服务功能［18］、生态需水［19］等，对于东居延海湿地生态系统健康状况方面的研究较少。因此，为了保护东居延海湿地生态系统、掌握其健康状况，明晰黑河水量调度效果、实现水资源效益最大化，开展其健康程度评价研究具有重要意义。

1 研究区概况

东居延海是我国第二大内陆河黑河的尾闾湖泊，位于内蒙古高原西部、巴丹吉林沙漠西北边缘、额济纳旗境内沙漠戈壁腹地，地理坐标为东经 101°12′—101°19′、北纬 42°10′—42°20′，属极端大陆性气候区，具有干旱少雨、蒸发量大、温差大、风沙天气发生频繁等气候特点，自然条件严酷，生态环境脆弱。年均降水量仅34.5 mm，且多集中在6—8月（占全年总量60%～70%）；年均水面蒸发量 1 444.0 mm［17］，为降水量的42倍。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

从生态系统组成、生态特征、经济社会的影响等方面筛选出13项指标，对东居延海生态系统健康状况进行评价。鉴于部分数据不是长系列资料，因此以黑河开始实施统一水量调度时间（2000年8月）为基准，选择1980年、1990年、2000年、2005年、2010年、2016年作为评价年份。PSR模型体系部分指标数据见表1。

表1 PSR模型体系部分指标数据

入湖水量：由于东居延海入湖水文巡测站设立于2003年，2000年以前入湖水量无法直接获取，因此根据1997—2016年正义峡站与狼心山站（狼心山水文站建站时间为1997年）年径流量进行线性拟合，计算得到1980年狼心山站来水量，同时查阅相关文献获取狼心山以下河道年蒸发、渗漏量，进而计算出1980年东居延海入湖水量；查阅相关文献可得1990年入湖水量；1992—2002年东居延海处于干涸状态，无入湖水量；2003年之后数据来源于东居延海入湖水文巡测站实测资料。

最大湖泊面积：1980年、1990年湖面面积通过查阅相关文献获取，再利用1980年1∶5万水文地质图量算对照验证；2000年东居延海干涸，湖面面积为0；2003年以后资料通过东居延海巡测站获取，再通过遥感影像解译对照验证。

矿化度：2016年9月对东居延海湖水进行采样测定。根据东居延海周围地形地貌与植被生长状况，设湖水采样点10个、地下水采样点10个。采样操作过程严格按照《环境水质检测质量保证手册》进行。采用日本多参数水质分析仪（U50，HORIBA）现场测定水样，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、、Cl-通过离子色谱仪（Dionex ICS3000）在实验室测定，采用滴定法测定。其他年份资料［20-21］通过查阅文献获得。

鸟类种数、野生鱼类种数：数据来源于前人研究文献［22-27］、居延海湿地保护管理站以及新华网报道。

年均气温、年均风速：数据来源于额济纳旗气象站。

年牲畜存栏数、年渔业产值、旅游收入：数据来源于1998年、2015年《额济纳旗志》、2016年《内蒙古统计年鉴》。

灌木林面积、芦苇面积：由1980年MSS假彩色合成图1景，1990年、2000年、2005年TM假彩色合成图3景，2010年SPOT和ETM+假彩色合成图2景，2016年ETM+假彩色合成图1景等遥感影像解译获得。以上影像时相皆为7—9月，轨道号为134/31。

优势种高度：数据来源于2016年实地调研。

2.2 研究方法

按照整体性、可操作性、敏感性、生态脆弱性及主导因子等原则，选取PSR（压力-状态-响应）模型对东居延海湿地生态系统健康状况进行评价。PSR模型最初由Tony Friend和David Rapport提出，用于分析人与自然生态系统中各种因素间的因果关系。目前，PSR模型被广泛应用于区域环境、水文水资源及天然湿地等指标体系的研究中［28］。PSR模型求解步骤如下。

（1）评价指标体系构建。运用PSR模型，将筛选得到的13项指标分为压力指标、状态指标、响应指标3类，构建东居延海湿地生态系统健康评价指标体系（见图 1）。

（2）数据标准化。对数据进行标准化处理，以便在多指标综合评价中消除量纲对评价结果的影响。数据标准化要体现不同指标发展速度的差距，可以用不同指标标准化后的极差来反映：

式中：Yij为第i年评价对象j指标的标准化值；Xij为第i年评价对象j的指标值；Xj为评价对象j的指标序列；m为j指标的数量；n为选取的年数。

（3）权重确定。采用客观赋值的变异系数法确定生态系统健康评价中的各指标权重，计算公式为

图1 东居延海湿地生态系统健康评价指标体系

式中：Dj为j指标的权重系数；Vj为j指标的变异系数；σj为j指标的均方差；为j指标的均值。

（4）健康综合评价值确定。根据生态系统健康评价指标数据，可以判断湿地生态系统健康状况。采用评价对象的健康综合评价值衡量湿地生态系统健康状况，将每一项指标的权重乘以该指标标准化后的值，即可得到评价对象的健康综合评价值：

式中：Wi为第i年评价对象的健康综合评价值。

（5）湿地健康评价标准确定。借鉴国内外相关研究成果［29-31］，将健康状况评价等级分为5级（见表2），1表示生态系统健康状况最佳，0表示最差。

表2 东居延海湿地健康评价等级划分

利用SPSS 19.0统计软件进行分析，检验各分项指标与PSR指数间的相关性。本文采用双变量相关分析中Pearson系数来衡量定距变量间的线性关系，表达式为

式中：r为相关系数；x、y为两个数据集合；¯x、¯y分别为数据集平均值；a为样本数量。

r取值范围介于-1与1之间，如果|r|≈0，表明两个变量不相关；如果|r|≈1，则表示两个变量完全线性相关。线性相关方向通过相关系数的符号来表示，“+”表示正相关，“-”表示负相关。

3 结果分析

3.1 湿地生态系统健康评价结果分析

东居延海湿地生态系统健康评价结果见表3、表4。东居延海湿地2016年的综合健康指数为0.824，按照表2等级划分，属于很健康状态。

表3 东居延海湿地健康评价分项指标评价值

表4 东居延海湿地健康指数统计

压力分析：压力指数呈先下降后上升态势，从1980年的0.235下降至2000年0.177，之后一直上升至2016年0.313。通过各分项指数可以看出，年均气温、年均风速变化不大，年牲畜存栏数呈现下降趋势，入湖水量、年渔业产值呈现先下降后上升趋势，旅游收入自2000年以后一直呈现增长趋势。由此可知，自1992年东居延海干涸、天然湿地大面积减小之后，额济纳旗畜牧业逐渐萎缩，旅游业逐渐兴起。

状态分析：1990年与2000年东居延海处于濒临干涸与干涸状态，湖水矿化度较大；2000年以后开展黑河水量统一调度，东居延海面积逐渐增大并维持在稳定状态，湖水矿化度逐渐降低，说明东居延海湿地功能逐步恢复。

响应分析：响应指数总体上呈先减小后增大趋势，自2000年湿地功能逐步恢复，水禽栖息地面积逐渐扩大，水禽数量和种类增加，生物多样性增强。

压力指数、响应指数、综合健康指数都呈现先下降后上升的趋势，并且在2000年降至最低点，压力指数变化较其他两种指数平稳，综合健康指数与响应指数变化趋势一致；状态指数呈现波动起伏趋势，自2005年后逐渐平稳。

3.2 模型指标相关性检验

利用SPSS软件进行相关性检验，结果表明：综合健康指数与压力指数相关系数为0.846，两者在显著性水平0.05上存在显著正相关性；与状态指数相关系数为0.805，两者在显著性水平0.01和0.05上都不存在显著相关性；与响应指数相关系数为0.977，两者在显著性水平0.01上存在显著正相关性。分项指标相关性检验结果（见表5）表明，压力指数与旅游收入在显著性水平0.01上存在显著正相关性，与入湖水量在显著性水平0.05上存在显著正相关性，与其他分项指标在统计学意义上不存在显著相关性；响应指数与鸟类种数、野生鱼类种数在显著性水平0.05上存在显著正相关性，与其他分项指标不存在显著相关性。东居延海湿地生态系统健康状况主要与选取的压力指标、响应指标相关性较强，其中入湖水量、旅游收入与压力指数相关性最显著，动物种数与响应指数相关性最显著，说明东居延海湿地生态系统健康状况可以用入湖水量、旅游收入、动物种类来体现，与灌木林面积、优势种高度、芦苇面积存在一定的正相关性，主要外界压力来自于渔业、旅游等方面。