哈尼梯田湿地生态系统健康评价指标体系构建

舒远琴,宋维峰,马建刚

西南林业大学,生态与环境学院, 昆明 650224

湿地是维持生物多样性,提供动植物资源生长的重要场所,是重要的遗传基因库[1]。按照《湿地公约》对湿地类型的划分，我国几乎拥有所有类型的湿地,是世界上湿地资源最丰富的国家之一,湿地面积位列世界第四[2]。由于城市化、工业化进程加剧和生态污染等问题导致我国湿地面积持续降低,湿地生态功遭受能破坏[3]。为保护湿地生态环境,自2017年《全国湿地保护“十三五”实施规划》提出以后,开展了一系列与湿地生态环境有关的保护与修复工作[4]。

我国的人工湿地主要包括城市湿地和水稻田湿地[5],其中西南山地梯田是特殊的人工稻田湿地。以云南红河哈尼梯田湿地为例,哈尼梯田是传承上千年的典型稻田人工湿地的代表,其作为生态农业不仅具有农业生产、民族文化价值还具有重要的湿地生态功能价值。然而,长期以来人们并未将其当做特殊的人工湿地进行管理研究,仅仅视其为一种农业耕地。如今,由于人口迅速增长,哈尼梯田湿地的开发需求越来越大。一方面湿地不合理开发利用,湿地景观格局破坏;另一方面,农业人口流失导致大量梯田弃耕,水田变旱地湿地面积锐减,区域生态环境面临的威胁增大[6]。在这样的背景下,评价哈尼梯田湿地生态系统健康现状,对保护哈尼梯田湿地的具有重要的意义。

目前,围绕哈尼梯田湿地生态系统开展的研究主要涉及了梯田文化、生态安全及景观旅游等方面[7],而对湿地系统健康评价的研究处于空白阶段。认识哈尼梯田湿地生态平衡的维持机制,构建科学的健康评价体系对湿地的可持续发展具有十分重要的意义。

1 哈尼梯田湿地概况

1.1 分布

哈尼梯田湿地位于云南省红河哈尼族彝族自治州南部(22°33′—23°08′N,101°48′0—103°38′E),行政区划包括红河州的红河、元阳、绿春、金平四个县,规模宏大,面积达到7×104hm2[8]。该区域地处北回归线以南,属于亚热带山地季风气候,干湿季分明,多雾多雨,年降水量800—1800mm,全年日照达2000h以上,具有良好的水热资源[9]。2007年被列入国家公园湿地名录,2013年被联合国教科文组织批准为世界文化遗产[10]。

1.2 维持机制

梯田湿地是指在水资源丰富的山区,由人工开垦修筑而成的梯级水平稻田,一般采用高山来水自流灌溉,是人工湿地中的重要类型。哈尼梯田湿地是由哈尼族为主在长期的耕作过程中构建的以种水稻为主的复合生态系统,包括水源、沟渠、鱼塘、蓄肥池、梯田和河流组成部分。哈尼梯田湿地生态系统为高山峡谷地貌所控制,沟渠和河流均呈狭长带状延伸,由“森林-村庄-梯田-河流”四位一体结合而成。其中,梯田湿地广泛分布于中下山,是梯田湿地生态系统的主要组成部分[11]。

哈尼梯田湿地具有明显的空间垂直结构特征,从山顶到河道,由森林生态、村寨生态、湿地生态和溪流(河流)生态四个生态子系统构成(图1)并各自发挥着重要作用。山顶的森林生态子系统作为天然的绿色水库涵养水源、积累养分,形成了“山有多高,水有多高”的自流灌溉水源体系,为其它子系统提供水分和营养元素;居民在地势平缓、气候适宜的山腰地带修建村寨,对其它子系统进行经营管理活动;村寨的下方开垦梯田,既方便引水灌溉,又便于村寨的人畜粪便运输。梯田湿地生态子系统提供了稳定的农业生产基础,并发挥着梯田人工湿地的生态功能。

图1 哈尼梯田系统空间结构[11]Fig.1 The spatial structure of Hani terrace system

1.2.1森林生态子系统

哈尼梯田顺山势而建,主要分布在海拔144—2000m的群山中,海拔落差较大,河谷深切,山间河流难以用于梯田湿地的灌溉用水,顶部森林通过对水资源的分配调节作用,对梯田和人类生产生活用水进行补给。研究显示哈尼梯田湿地森林子系统的水源涵养能力高于其他地区,对该湿地适应极端干旱气候提供保障[12],森林储蓄量的不足会导致湿地水资源的欠缺。同时,森林子系统也是自然生物生存繁殖的场所,森林物种多样性与森林生态服务功能呈正相关性,能增加森林系统的稳定[13]。丰富的物种多样性通过森林生产力传导机制实现森林水源涵养、保育土壤、固氮释氧、积累营养物质等服务功能能力的提高[14]。

1.2.2湿地(梯田)生态子系统

空间结构上处于村寨下部的梯田湿地生态子系统除了净化水质等生态功能还兼具物质生产等经济功能。梯田的主要污染来自生活污水及农业面源污染。梯田湿地能够改变自然条件下水资源的空间分布格局、迁移速率和循环等过程通过氨化、反硝化作用等活动,截留水体中的氮磷物质,净化水质[15- 16],是整个系统健康的动力。有研究表示,哈尼梯田湿地在空间结构上对氮磷截留作用表现出“汇”的景观,输出为“亏”状态,梯田截留作用明显[17]。流经梯田湿地内部的污水被接纳,维持了山脚河流的河流生态子系统健康,对下游生活区用水安全具有重要的作用。田块间的引水渠是水流、营养元素、沉积物以及污染物质等的空间转移通道。引水渠系的连通性决定田间水分的运移量和均匀度,合理的渠系结构能满足梯田湿地的灌溉需求。作为一种廊道网络,水渠表现出对湿地生态系统的隔离作用[18]。然而,哈尼梯田湿地天然渠系的良好发展在为水资源分配提供了基本保障的同时并未割裂梯田景观,一定程度上减少了梯田湿地的破碎化。梯田连绵成片、自然灾害发生率低是保证景观优美、耕作安全便利的基础。其美学价值以及农业生产创造出来的旅游和物质产出经济价值不可忽视。值得注意的是,不科学的旅游发展模式也能导致景观格局的改变,破坏湿地自然生态环境,增加人地矛盾[19]。

1.2.3村寨生态子系统

哈尼族是哈尼梯田湿地文化的主要创造者[20]。人类的干扰活动对生态环境健康和景观结构变化起着主导作用。湿地农业人口流失造成梯田弃耕,农业文化失去传承[21]。引起农村劳动力转移现象的原因主要有两种,一是人口密度过大,耕地压力增加,人地矛盾突出。二是外界经济冲击,当地的农耕经济不能满足人们的物质生活质量需求。梯田弃耕或者水田变旱地用以种植外来经济作物等人类活动都会导致水田面积缩减,加剧湿地生态子系统的退化。相反,耕作管理、环保工作的开展、湿地保护意识和人口素质的提升、湿地相关保护政策法规制度的积极贯彻等积极的人类活动也能促进对哈尼梯田湿地的保护。

整体上,森林、村寨、湿地与河流四个生态子系统相辅相成,制约平衡,是维持哈尼梯田湿地系统健康和永续利用的根本,只有保证“四位一体”的维持机制健康才能保证哈尼梯湿地系统的健康。

2 生态系统健康评价理论基础

生态系统健康是生态系统一个重要的综合特性,是把生态系统作为生命有机体的一种隐喻。生态系统健康这一概念产生于20世纪70—80年代[22],Rapport首次全面论述了生态系统健康的内涵[23],将生态系统作为一个整体进行评估,提出了生态系统医学相当于人类、生物有机体的生态系统健康诊断[24]。Costanza[25]从生态系统特点出发,明确了生态系统健康是关于6个概念的综合：(1)健康是一种稳态;(2)健康是没有疾病的;(3)健康是系统多要素之间的平衡;(4)健康是多样性或复杂性;(5)健康是有活力和可增长空间的;(6)健康是具有稳定性或可恢复性的。生态系统健康的核心是生态系统结构与功能紊乱的辨识、诊断方案、健康的评价指标、体系和评价方法[26]。生态系统健康主要包括动态性、层级性、创造性、有限性、多样性以及人类是生态系统的组分等6个原理[27]。生态系统健康的评价主要包括生态系统本身和人类健康两个方面和多个层次。

目前,湿地生态系统健康的评价方法主要是生物法和指标体系法[28]。生态系统健康评价可以从生态系统的活力、组织结构和恢复力3个标准出发[29]。评价指标主要有活力、恢复力、组织结构、扩散力、服务功能、管理措施选择、对外部压力的响应以及人类健康影响等8个方面[30-31]。指标需要遵循整体性、考虑空间尺度和指标范畴、简明可操作性以及可规范化等选取原则[32- 33]。

本文选择以构建指标体系的方式评价哈尼梯田湿地系统的健康状态。在构建指标体系过程中,经济学、生态学、复合生态系统等学科的理论基础都有具体体现。经济学理论中提到土地经营集约度不能无限制地提高,要注重生产技术、科学管理和生产资料投入的应用以提高土地经营效益[34]。哈尼梯田湿地是山地农田集约经营的典范,在健康评价时,需要考虑土地集约经营的经济问题。研究区的人口素质、湿地管理水平以及生产资料的投入,例如,农林水等三个方面的投资等都与土地经营效益相关,是系统活力状态和管理措施的反映。景观生态学研究景观格局与其生态学过程的相互作用[35],其中的稳定性原则强调系统结构与功能之间长期演替发展的动态平衡[36]。根据维持机制的分析,哈尼梯田湿地的水文调节、物质生产、旅游观光等功能得以发挥都基于“四位一体”结构的稳定。在该湿地的健康评价时,考虑了梯田破碎度、梯田退化率及森林面积等影响生态系统结构稳定的指标。哈尼梯田湿地系统作为一个复杂的人居整体环境,人类是整个环境最主要的创造者,区域内的人类活动,尤其是耕作管理活动尤为重要,哈尼梯田湿地更好地发挥生态功能、物质生产功能都离不开人类的管理活动。复合生态系统理论强调整体观,要把人类看做生态系统的一个有机组分,综合考虑生态环境问题,才能达到人与自然的高度和谐[37]。

3 哈尼梯田湿地系统健康评价指标体系构建

3.1 评价指标选取

本研究基于对生态系统健康评价理论基础和哈尼梯田湿地维持机制的分析,选取了20单项指标构建了关于生态特征、功能整合、社会与政治等3方面的健康评价指标体系(表1)。

表1 哈尼梯田湿地生态系统健康评价指标体系

3.1.1生态特征指标

根据崔保山[38]的研究,生态特征指标主要涉及了水环境指标和生物安全指标等。哈尼梯田湿地作为人工型湿地,除了基本的指标,如水质、生物多样性指数和外来物种入侵度等指标外,还应该考虑湿地区域内的渠系连通性、林田比指数、自然灾害率、梯田破碎度和梯田退化率等特征指标,这些指标是根据哈尼梯田湿地的特殊性提出的指标,维持机制反映出湿地生态系统的健康状况与这一些指标紧密相关。

(1)水质

将国家《地表水环境质量标准》水质标准[39]的Ⅰ—Ⅱ类水、Ⅲ类水、Ⅳ类水、以及低于Ⅳ类水的类别将哈尼梯田湿地地表水质量划分为四大类,分别对应水质指标的优、良、中、差四个健康阈值。

(2)渠系连通性

合理的渠系结构布置是哈尼梯田灌溉农业可持续发展的保障。渠系连通性指标对哈尼梯田湿地系统的健康有重要意义。根据张兆豪[40]和王梅[41]等研究,哈尼梯田渠系结构数据可通过野外实地调查和快鸟影像图等方法获得。本文的渠系连通性可从以下几个方面评价：

水面率WP是水面积占区域总面积的比例,即：

WP=(AW/A)×100%

(1)

式中,WP为水面率;AW为灌区内水体总面积(km2);A为灌区总面积(km2)

渠网密度Rd是单位灌区面积内渠系长度,即：

Rd=L/A

(2)

式中,L为灌区内渠系总长度(km);A为灌区总面积(km2)

连接度γ指的是渠系网络的连接条数与最大可能连接条数之比,即：

(3)

式中,N代表渠网中渠系数量;V是渠系连接节点数,V≥3;Nmax为最大可能连接数。γ取值在0—1之间,0表示节点没有连线,1表示每个节点相互连通。对于渠系网络结构来说,γ取值多在1/3和1之间,当γ接近1/3时,网络呈树状,γ指数越大,网络连接度越好。

(3)自然灾害率

自然灾害率是湿地系统发生灾害的频率。主要涉及到的自然灾害有滑坡、崩塌、干旱以及病虫害等。通过统计年鉴数据获得自然灾害率,单位：次/a。

自然灾害率=灾害发生次数∕年

(4)

(4)林田比指数

在本文中,林田比指数指标反映森林子系统与湿地子系统之间的水资源量的相关关系,用湿地核心区森林水源涵养量与梯田灌区需水量的比值来表示,根据统计资料并利用宋维峰[42]、刘效东[43]和饶碧玉[44]等研究计算获得该指标,具体计算公式如下：

(5)

式中,As为核心区森林总面积;Iw单位面积森林水源涵养量;Pt为梯田总需水量。

(5)梯田破碎度

梯田破碎度指的是梯田斑块数量与梯田总面积的比值。梯田斑块数据主要来源于刘宗滨[45]及王妍[46]的研究,在外业调查的基础上,应用Google Earth平台,根据解译标志可对梯田斑块目视解译进行数字化处理以评价该湿地系统内梯田的斑块破碎度。

(6)

式中,PD梯田斑块破碎度,∑Ni为梯田斑块数量,∑Ai为梯田斑块总面积,单位：个/hm2。

(6)梯田退化率

在哈尼梯田湿地系统中,湿地的退化率主要指的是水梯田转换为其它利用类型土地面积占原始水梯田面积的比例。计算公式如下：

梯田退化率=(梯田转换面积∕原始梯田总面积)×100%

(7)

(7)生物多样性指数

根据统计资料并按照《区域生物多样性评价标准》对哈尼梯田湿地生态系统的生物多样性指数(Biodiversity Index,简称BI)进行评价[47]。

(8)外来物种入侵度

外来入侵物种包括外来入侵动物和外来入侵植物。哈尼梯田湿地的外来物种入侵度数据来源于红河州相关的生物资源监测报告,实地监测依据云南省地方标准《自然保护区与国家公园生物多样性监测技术规程》(DB53/T391—2012)执行。计算公式如下：

(8)

式中,EI为外来物种入侵度;NI为外来物种入侵种数;NV为评价区野生动物种数;NP为评价区野生植物种数。

3.1.2功能整合指标

哈尼梯田湿地系统在长期发展过程中已经与当地社会形成了紧密相联的关系,该湿地的功能整合指标除了主要的生态功能指标,如水源保证率、水文调节指数等,还包括了土地生产力水平、旅游观光和物质经济指数等经济生产功能指标。

(1)水源保证率

根据张齐立[48]对云南程海国家重要湿地的研究,本文选取了水源保证率指标用于表征湿地年水资源量的稳定性,具体计算公式如下：

水源保证率=(湿地年可供水资源量/湿地年需水量)×100%

(9)

(2)水文调节指数

水文调节即生态系统能对自然界水的运动变化所发挥作用,改变水在空间、时间、数量等方面的现象与过程,如调蓄洪水、消减洪峰等作用[49]。本文水文调节指数用湿地区域内能够进行水文调节的地类面积占湿地总面积的比例来表示[50]。

水文调节指数=(森林面积+梯田面积+河流面积∕研究区总面积)×100%

(10)

(3)土地生产力水平

从农业生产年收获量的情况来衡量[51],单位：kg/km2。

(4)旅游观光指数

旅游观光指数即旅游强度,用于反映湿地的旅游发展状况。单位：万人次/a。

(5)物质经济指数

物质经济指数用来评价湿地经济生产功能水平及社会经济发展程度[52],计算公式如下：

物质经济指数=湿地区所在的最小行政单元年总收入∕总人口

(11)

3.1.3社会与政治指标

社会与政治指标对哈尼梯田湿地的健康发展有着重要的意义。人类决策对湿地的健康状况具有极大的影响,参考崔保山[53]、朱锦[54]及高静湉[55]等的研究,提出如下社会与政治的相关指标,如人口密度、湿地管理水平、农药、化肥使用强度等。此外,政治经济政策也是维持本地区湿地系统健康和有效保护湿地资源利用的关键,如环保投资指数、对湿地保护出台的相关法律法规及贯彻度等指标。

(1)人口密度

人口密度用单位土地面积人口数量来表示,单位：人/m2。人口密度的健康等级阈值通过土地承载力指数来反映,具体计算如下,等级划分见表2：

表2 土地资源承载力分级标准

(12)

式中,LCC为土地承载力(人);P为粮食总产量(kg);GP为人均粮食消费标准(中国人均粮食消费标准为400kg/a);LCCI为土地承载力指数;Pa为实际人口数量[56-57]。

(2)农业人口流失率

农业人口是哈尼梯田湿地管理队伍最主要的构成,农业人口流失会造成湿地耕作管理活动缺失,引起湿地生态安全。因此本文选取农业人口流失率作为湿地系统健康评价的指标之一。用从事农业耕作活动的人口流失数量所占的比例表示,计算公式如下：

农业人口流失率=(流失的农业人口数量∕农业人口总数量)×100%

(13)

(3)农药、化肥使用强度

哈尼梯田湿地系统的主要污染来自于农业面源,根据陈凤[58]等选择农药、化肥使用强度作为系统环境污染的评价指标,单位kg/hm2。

(4)湿地人口素质

湿地人口素质包括了湿地周边人口和湿地旅游人口对湿地的保护意识以及文化程度。通过统计数据了解湿地周边人口的文化程度占比以及发放问卷调查的形式了解湿地区有湿地保护意识的人口占比来表示湿地人口素质的高低程度。

(5)湿地管理水平

湿地管理水平对哈尼梯田湿地的生态系统健康发挥着比较重要的作用,体现在管理队伍(即从事耕作的农民、湿地管理的决策人员等)的整体水平上。

(6)环保投资指数

环保投资指数为当地政府财政支出中环保类财政支出的占比。该指标侧面反映了湿地生态环境得到当地政府的重视程度,包括污水处理设施建设投资、水利设施建设投资、农民耕地补贴等。徐国荣[59]等利用该指标评价了甘南尕海湿地的生态系统健康,计算方式如下：

环保投资指数=(环保投资方面的财政支出∕湿地区生产总值)×100%

(14)

(7)政策法规贯彻

以当地政府出台的与湿地保护相关的政策法规条例数量及与湿地保护管理相关的政府部门数量来表示政策法规的贯彻力度。

在所构建的哈尼梯田湿地生态系统健康评价指标体系中,渠系连通性、林田比指数、梯田破碎度、农业人口流失率等指标是根据梯田湿地的特殊性提出的特征评价指标。

3.2 哈尼梯田湿地指标健康阈值划分

参考国内湿地生态系统健康评价的相关标准[60- 61]和部分指标现有的国家标准等,根据哈尼梯田湿地现状的实际情况,结合相关统计资料的分析对筛选出来的指标进行健康阈值标准分级计算(表3—5)。

表3 生态特征指标健康阈值分级

表4 功能整合指标健康阈值分级

表5 社会与政治指标健康阈值分级

3.3 哈尼梯田湿地生态系统健康评价

3.3.1指标权重的确定

本文利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,简称AHP)确定指标的权重。其中,各个指标的相对重要性通过发放问卷调查的方式,咨询20位专家意见获得。此20位专家由国家高原湿地研究中心、西南林业大学生态与环境学院、湿地学院、林学院的相关教授、副教授组成,涉及了生态学、环境科学、林学和水土保持学等学科。将同一层指标两两比较可判断指标相对重要性并用数值形式表现出来(表6)。利用软件YAAHP 10.3构建判断矩阵(表7—10),确定各指标的权重(表11)[62-65]。

表6 判断矩阵标度及含义

表7 准则层B对目标层A的判断矩阵

表8 指标层C准则层B1的判断矩阵

表9 指标层C准则层B2的判断矩阵

表10 指标层C准则层B3的判断矩阵

表11 哈尼梯田湿地生态系统健康评价指标的权重

3.3.2指标健康等级划分及阈值赋分

在查阅相关文献评价标准并结合实际情况的基础上,将哈尼梯田湿地生态系统健康评价标准分为4个等级,对每个等级区间赋分,每个指标总分值满分为5分,分别为优(4.25—5)、良(3.50—4.25)、中(3.00—3.50)、差(0.00—3.00),能根据算术平均法在各区间内依据指标现状进行评分[66]。

3.3.3综合评价

将20个指标现状所得分值乘以各指标权重,所有项之和乘以20即是哈尼梯田湿地的健康评价综合得分,具体计算公式如下：

(12)

式中,R表示评价的综合得分;Wi表示第i项指标的权重;Fi表示第i项指标评分。依据R的得分将哈尼梯田湿地生态系统的健康状况分为健康、亚健康、一般、脆弱、病态五个等级(表12)。

表12 哈尼梯田湿地健康等级划分标准

4 讨论与结论

(1)湿地生态系统是一个复杂的非线性系统[67],不同类型湿地的健康评价在选取关键指标和标准时具有差异。哈尼梯田湿地作为一种特殊的人工稻田湿地,其独特的立体空间结构是它与平原稻田湿地区别的根本。系统结构与功能相互依存,结构是功能的基础,功能是结构的表现。哈尼梯田湿地系统的健康是“四素同构”整体结构的健康表现,四个子生态系统之间的相互作用关系复杂,各部分独立但不可分割,具有整体性。此时的哈尼梯田湿地系统健康评价不仅仅是对梯田湿地生态子系统的健康评价而是对整个森林-村寨-梯田-河流的健康评价,缺一不可。

(2)与其它湿地系统的健康评价[68- 70]研究相比较(表13),哈尼梯田湿地系统的健康是垂直空间结构上四个生态子系统健康的反映,因此,该湿地系统的评价是二维立体的,需要从纵向与横向开展研究。纵向考虑各子系统的相互影响联系,例如,森林子系统水源涵养能力与湿地子系统水文的联系,村寨子系统的耕作管理活动对湿地子系统的影响等。横向则考虑各子系统健康的基本要素,例如,渠系连通性对于梯田灌区内部水资源分布的影响等。只有结合纵横两个方向选取指标,构建评价体系才能保证哈尼梯田湿地系统健康评价的科学完整。

表13 不同湿地生态系统健康评价对比

(3)本研究计算出各个指标的健康阈值,并将阈值分为优、良、中、差4个等级,每个指标赋分5分。各个单项指标的健康阈值为湿地系统的健康评价时对指标现状评价打分提供了依据。获得了各个指标的评分后可利用综合评价法计算出哈尼梯田湿地系统健康的总体得分。依据总得分情况可以将哈尼梯田湿地生态系统健康分为健康、亚健康、一般、脆弱和病态5个等级,获得湿地系统健康评价最终结果。

(4)哈尼梯田湿地生态系统的结构及地理位置的特殊性,决定了该指标体系的构建具有针对性,适用于山地梯田湿地。因此,在实践应用中可根据评价对象适当调整部分指标及其健康阈值再加以运用。