吉林省湿地生态安全评价

闫欣 王峥羽 牛振国 孔庆凡 陈雷

（1 中国科学院空天信息创新研究院，北京100094；2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京100049；3 重庆交通大学土木工程学院，四川 重庆 400000；4 北京国遥新天地信息技术有限公司，北京 100101）

湿地生态系统发挥着生产、调节、文化、支持等多种功能，我国湿地保护取得了一定成效，但由于管理制度不完善、经济发展压力等原因，湿地自然保护区的保护效果并不理想（鲍达明, 2016）。部分自然保护区的湿地生态退化严重，威胁保护区生物物种的生存，也使地方经济与社会发展遭受损失(臧正等,2014)。吉林省湿地资源丰富，在全国湿地生态系统中占有重要地位，但从2015年开始，极端天气和气候事件频发，严重威胁其湿地安全与健康，吉林省湿地生态安全评价与预警研究具有重要意义。

湿地生态安全评价方法主要有生物法和指标体系法两种（周静等, 2018）。其中，PSR 模型是以环境压力、系统状态、人类响应为核心来建立指标体系的一种生态安全评价方法，是目前应用最为广泛和有效的生态安全评价方法。湿地作为一种独特的自然景观，也可利用景观生态学原理进行分析。景观格局的分析主要采用数量研究方法，其定量分析可以从景观指数的变化上反映出来(陈慧中, 2009)。

本文采用随机森林算法，对吉林省18 个自然保护区2015-2017年的景观变化进行监测，通过景观格局指数与“压力-状态-响应”（PSR）模型相结合的方式，构建了吉林省湿地自然保护区生态安全评价体系，以寻找高生态保护价值区域、压力显著影响区域，并进行湿地生态安全预警。

1 研究区概况及数据收集

1.1 研究区概况

吉林省地处中国东北地区腹地，吉林省湿地总面积1.32万km2，占全省土地面积的7%左右，面积大于1 km2的湿地有122 处。吉林省的湿地类型主要为滨海湿地、沼泽湿地、河流湿地、湖泊湿地和人工湿地5 种类型，且湿地空间分布不均匀，东部湿地以河流、沼泽湿地为主；中部以人工湿地为主；西部以沼泽化草甸、湖泊湿地为主，其中西部湿地占全省湿地面积的68.9%（图1）。

图 1 监测区位置和范围Fig.1 Location and scope ofmonitoring area

1.2 数据收集

本研究所用的湿地遥感影像数据为2015年和2017年全省30m 分辨率Landsat 影像数据，同时收集了吉林省第一次地理国情普查的精细化DEM数据、2015年吉林省第一次地理国情普查数据、2017年吉林省基础性地理国情监测数据等基础地理信息数据。结合吉林省2017年地形图及湿地中国公布的湿地名录，辅助开展湿地范围、地表覆盖分类数据的提取工作。根据2015年和2017年吉林省年鉴，1992-2013年吉林省1 000m 分辨率灯光数据，利用灯光数据与GDP 之间存在的显著正相关关系，间接获取人口和经济数据。

2 研究方法

2.1 湿地面积变化

采取随机森林算法对吉林省湿地保护区进行湿地遥感分类，结合研究区实地情况将吉林省湿地保护区划分为种植用地、城镇用地、湿地、林地、草地6 种类型。随机森林算法具有分类精度优、运算速度快和算法稳定等优点，被广泛应用在湿地分类领域，具有很好的分类精度与应用潜力（Gislason et al, 2006）。

计算研究区的归一化植被指数（NDVI）值并估算初级生产力。

式中：NIR 表示近红外波段，R 表示红外波段。

获得湿地分类结果后进行面积统计，结合研究区两期的湿地面积，以湿地退化指数反映湿地面积的退化程度（式2）。退化指数为正值表示湿地减少，退化指数为负值表示湿地有所增加，其数值为增加或减少的比例。

2.2 景观指数选取

运用景观指数方法对湿地景观格局进行研究，可以较好地把握景观的功能与过程（郑彩红, 2006）。本文结合Fragstats 4.2 软件，选取平均斑块面积、最大斑块指数、斑块数量、面积加权平均形状指数、斑块密度、面积加权平均分维指数、蔓延度指数、散布与并列指数，计算吉林省湿地保护区的景观变化情况。

2.3 PSR 模型构建

运用PSR 模型分析提取具有高生态保护价值区域、压力显著影响区域进行湿地健康评估。指标选取以科学性、系统性、代表性和易操作性为原则，选取10 个指标进行生态安全评价（表1）。利用单因子评价法对湿地生态安全各指标水平进行评估，再将评估结果乘以对应权重得到综合得分，权重通过专家问卷打分获得。湿地生态系统整体的胁迫程度/生态安全度可以分为以下5 个等级：安全(0.8 ≤I ＜1.0)、相对安全(0.6 ≤I ＜0.8)、中度胁迫(0.4 ≤I ＜0.6)、预警(0.2 ≤I ＜0.4)、严重预警(0 ≤I ＜0.2)。

表1 吉林省湿地生态安全PSR 评价指标Table 1 PSR evaluation indicators of ecological security assessment in Jilin Province

表2 吉林省湿地自然保护区面积Table 2 Area of wetland nature reserve in Jilin Province

PSR 评价指标包括：人口密度指数为研究区人口数除以研究区的面积；人类干扰指数指城镇建设用地所占研究区面积的比值；景观多样性指数、平均斑块面积、弹性度、均匀度和斑块破碎度指数可由景观指数计算获得；水文调节指数表示为河流、滩地面积之和占湿地总面积的比例；选用研究区内的NDVI 平均值作为衡量初级生产力的主要指标。

3 结果与分析

3.1 湿地面积变化分析

湿地分类精度均在80%以上，具有较好的精度。基于2015年和2017年湿地遥感监测结果，利用地理信息系统技术，得到18 个湿地自然保护区、湿地公园面积15 395.7 km2。从表2 可以看出，松花江三湖保护区面积最大，为9 202.27 km2，榆树老干江国家湿地公园和东辽鴜鹭湖国家湿地公园面积最小，不足10 km2。湿地面积最大的为吉林莫莫格自然保护区，为358 km2。白城市、松原市的湿地数量占吉林省湿地数量的一半以上。总体来看，湿地保护区湿地面积变化幅度不大，18 个保护区中共有8 个保护区的湿地面积发生了少量减少的现象。圆池湿地保护区退化程度最高，由于其湿地面积较小，退化幅度变化较大，退化指数高达90.53%。相反，雁鸣湖自然保护区面积增加了近5%。

3.2 景观格局指数变化

计算了18 个湿地保护区的景观指数，对比了保护区年际间景观格局指数变化，也比较了不同保护区的景观格局指数。

以长春北湖为例，该保护区从2015年至2017年斑块数量增加了10%左右，斑块平均面积减小，斑块密度增加，可看出其破碎化程度增加,反映了人为干扰程度的增加（表3）。蔓延度指数与景观中的优势斑块类型与湿地是否形成了很好的连接有关，散布与并列指数计算了各个斑块类型间的总体散布与并列状况，能够量度斑块间的连接性和分布格局。长春北湖这两个指数均不同程度的降低，表明该景观的连通度降低，斑块间的相邻程度减小。

在18 个湿地自然保护区中，长春北湖的平均斑块密度最高（51.48 个/100hm2）、平均斑块面积最低（1.95hm2），而月亮湖湿地的平均斑块密度最低（4.99 个/100hm2）、平均斑块面积最大（20.04hm2）、最大斑块指数最高（95.38%），扶余洪泛湿地省级保护区最大斑块指数最低（7.36%）。 雁鸣湖国家自然保护区的斑块形状最为复杂，表现为最高的形状指数（15.32%）与分维指数（1.30%）；月亮湖湿地的斑块形状最为简单，其形状指数与分维指数分别为3.16%和1.13%；长春北湖的散布与并列指数最高（87.74%）、蔓延度指数最低（42.27%）。由此可以看出，月亮湖湿地的破碎化程度在加重，但它的斑块分布与连接状态仍然要优于其他保护区。

表3 2015年、2017年长春北湖国家湿地公园景观格局指数Table 3 Landscape pattern index of North Lake National Wetland Nature Park in 2015 and 2017

表4 吉林省湿地自然保护区生态安全综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of ecological security of wetland nature reserve in Jilin Province

景观破碎化将会导致生物栖息地丧失，严重影响保护区的生物多样性（赵文武等, 2014）。18 个湿地中破碎化程度加剧的有长春北湖湿地公园、牛心套保湿地公园、园池湿地保护区、梅河口磨盘湖湿地公园及月亮湖湿地，这5 个湿地的生态安全问题值得管理部门关注。

3.3 PSR 指标变化

根据上述综合评价方法对吉林省18 个湿地自然保护区进行综合评价（表4），结果显示月亮湖湿地的综合评价结果最低（0.42），吉林雁鸣湖自然保护区、吉林圆池湿地保护区、长春北湖湿地公园的PSR 值处于0.5～0.6 之间，以上4 个湿地达到中度胁迫状态，其余14 个湿地处于相对安全状态，其值处于0.6～0.7 之间。

4 结论

通过景观格局指数与PSR 模型对吉林省18 个湿地自然保护区现状进行生态安全评价。结果表明：多数湿地保护区情况较好，但部分湿地保护区生态安全状况堪忧，如月亮湖湿地的生态安全问题最为严重；长春北湖湿地公园、吉林园池湿地和吉林雁鸣湖处于生态安全预警状态。牛心套保湿地公园和梅河口磨盘湖湿地公园的生态安全达标，但湿地破碎化现象进一步加剧，需要引起湿地管理部门的关注，建议加强管理和开展定期监测。