彭濤 ，陳曉宏，王高旭，李英海，劉冀

1.三峽大學水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；2.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.中山大學華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東 廣州 510275

濕地被譽為“地球之腎”，是地球表層最獨特的生態(tài)系統(tǒng)和過渡性景觀。濱海濕地是海陸相互作用下的具有典型生態(tài)“邊緣效應”的地帶，是自然界中生物多樣性最豐富、生產(chǎn)力最高的濕地生態(tài)系統(tǒng)之一，在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、養(yǎng)護漁業(yè)資源、凈化環(huán)境、防止海岸侵蝕和海水入侵、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著十分重要的作用（何文珊，2008）。然而，隨著沿海社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，快速城市化、大規(guī)模圍填?；顒印⒏劭诖a頭的建設(shè)以及海洋環(huán)境污染等人類不合理活動使得濱海濕地日益萎縮，濱海濕地健康嚴重受損。因此，對濱海濕地生態(tài)健康進行診斷和評價，對于濕地生態(tài)系統(tǒng)的修復和可持續(xù)利用具有重要意義。

濕地生態(tài)系統(tǒng)健康已成為國內(nèi)外濕地科學研究的前沿和熱點之一（江春波等，2007）。目前，生態(tài)系統(tǒng)健康評價方法主要有指示物種法和指標體系法。指示物種法根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵物種、特有種的數(shù)量、生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)功能指標等來描述濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況（孔紅梅等，2002）。魚類、海草、硅藻、大型無脊椎動物等常作為指示物種來評價濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康程度。指示物種法簡便易行，是評價自然生態(tài)系統(tǒng)的較好方法，但是指示物種的篩選標準和指示效果尚不明確（馬克明等，2001）。指標體系法克服了指示物種法的缺點，它根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的特征及其功能建立指標體系進行定量評價，近年來在國內(nèi)外濕地健康評價中得到廣泛應用。Costanza等（1992）提出了包括活力、恢復力和組織等3個指標在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)。澳大利亞學者選擇環(huán)境本底質(zhì)量、環(huán)境變化趨勢和經(jīng)濟變化趨勢等方面的指標對流域濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況進行定量評價（Walker和Reuter，1996）。近10年來美國環(huán)保署（EPA）提出了3個層次的濕地健康評價方法及相應的指標體系，即 LevelⅠ，Ⅱ，Ⅲ，評價結(jié)果可以實現(xiàn)相互驗證（Breaux等，2005）。近年來國內(nèi)學者在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的理論和方法方面取得了一些進展。針對濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價具有不確定性和模糊性特征，屬性理論法（鄧睿清，2011）、灰色聚類法（李晴新等，2010）、模糊綜合評價法（陳銘等，2007；李淑娟和孟芬芬，2011）等被廣泛應用到濕地生態(tài)系統(tǒng)健康定量評價研究中。但這些方法主要是基于線性加權(quán)平均而進行的綜合評判，使評價結(jié)果趨于均化，且對于相鄰指標存在的差異性不能很好地區(qū)分（陳守煜等，2011）。趙克勤（2000）提出的集對分析理論是處理不確定性問題的有效系統(tǒng)分析方法，但傳統(tǒng)的集對分析理論不能很好區(qū)分同一等級間的差異度系數(shù)，而三角模糊數(shù)定量表示差異度系數(shù)的連續(xù)變化過程具有優(yōu)越性（汪明武等，2011）。因此，本文綜合運用集對分析與三角模糊數(shù)理論，采用分段三角模糊數(shù)定量描述評價等級標準的模糊性和聯(lián)系數(shù)的差異度分量系數(shù)的連續(xù)變化過程，以客觀真實反映濱海濕地健康狀況和退化機理。

1 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系的建立

1.1 評價指標體系構(gòu)建

濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)是涉及自然、經(jīng)濟和社會等多方面相互聯(lián)系又彼此制約的復雜巨系統(tǒng)。20世紀80年代末，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）針對環(huán)境指標研究提出“壓力-狀態(tài)-響應”(Pressure-State-Response，PSR)模型（Rainer，2000）。由于 PSR模型具有較強的邏輯因果關(guān)系和系統(tǒng)性，因此被認為是用于環(huán)境指標組織和環(huán)境現(xiàn)狀匯報最有效的框架。從PSR概念模型出發(fā)，在遵循整體性、敏感性、科學性和可操作性等指標遴選原則的基礎(chǔ)上，構(gòu)建反映濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康水平的壓力、狀態(tài)和響應指標體系，分為目標層、準則層和指標層，共17個評價指標（表1）。

1.2 指標權(quán)重及評價標準的確定

考慮到濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價的復雜性和模糊性特點，運用定量與定性相結(jié)合的模糊綜合評判方法——層次分析法（AHP）計算指標權(quán)重，保證評價結(jié)果的準確性和有效性。根據(jù)AHP原理，通過特爾菲法（Delphi）構(gòu)造各層判斷矩陣，進行層次單排序和層次總排序及其一致性檢驗（趙煥臣，1986）。經(jīng)檢驗，一致性比率CR全部小于0.1，表明所有判斷矩陣具有令人滿意的一致性。

濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康等級劃分為很健康（Ⅰ級）、健康（II級）、亞健康（III級）、一般病態(tài)（IV級）和疾?。á跫墸?個等級。在參考國內(nèi)外濕地生態(tài)健康評價標準的基礎(chǔ)上（崔保山和楊志峰，2002；蔣衛(wèi)國等，2005；朱衛(wèi)紅等，2012），通過實地考察和專家咨詢等方法，確定濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價分級標準（表1）。

2 研究方法

2.1 集對分析原理

集對分析（Set Pair Analysis，SPA）是我國學者趙克勤在 1989年提出的一種新的處理不確定性系統(tǒng)的分析方法，具有確定性和不確定性結(jié)合、定性與定量性結(jié)合的特點，應用廣泛。所謂集對就是具有一定聯(lián)系的兩個集合所組成的對子，聯(lián)系數(shù)則是集對分析理論中用來表達集對中具有一定關(guān)系的兩個集合的、不確定關(guān)系的函數(shù)。對于給定的 2個集合組成的集對H=（A，B），聯(lián)系數(shù)的基本表達式為：

表1 濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系Table 1 Assessment index system of coastal wetland ecosystem health

式中：a、b、c分別表示集對的同一度、差異度和對立度，a、b、c∈[0, 1]，且a+b+c =1；i為差異度系數(shù)，取值區(qū)間為[-1, 1]；j為對立度系數(shù)，取值規(guī)定為-1。

式（1）就是常用的三元聯(lián)系數(shù)。根據(jù)不同的研究對象將式（1）作不同層次的展開，可得到多元聯(lián)系數(shù)的表達式。如常用的五元聯(lián)系數(shù)表達式為：

式中：a、b1、b2、b3、c∈[0, 1]，且a+b1+b2+b3+c=1；b1、b2、b3為差異度分量；i1、i2、i3為差異度分量系數(shù)；其他符號同上。

2.2 三角模糊數(shù)原理

定義1：設(shè)在實數(shù)域R上的一個模糊數(shù)，定義一個隸屬函數(shù)若隸屬函數(shù)()xμ%A表示為（Ronald和Robert，1997）：

在實際應用中，各評價指標用單一三角模糊數(shù)難以表達清楚，故本文采用分段三角數(shù)模糊來表達實現(xiàn)。

定義2：設(shè)在實數(shù)域R上的一個模糊數(shù)，定義一個隸屬函數(shù)若隸屬函數(shù)()xμ%A表示為（葛康等，2011）：

三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)值域在[0, 1]之間，而集對分析中差異度系數(shù)的取值范圍為[-1, 1]，為了使兩者在值域范圍上具有一致性，將三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)值域從[0, 1]拓展到[-1, 1]。

2.3 基于集對分析與三角模糊數(shù)的濱海濕地生態(tài)健康評價模型

2.3.1 基于三角模糊數(shù)的聯(lián)系數(shù)

將濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標實際值與評價等級標準構(gòu)成一個集對，然后利用三角模糊數(shù)確定差異度系數(shù)和聯(lián)系數(shù)，最后根據(jù)評價指標權(quán)重綜合評價濱海濕地生態(tài)健康狀況。

在等級標準評價中，不同的標準等級對“同、異、反”的隸屬程度存在差異，表現(xiàn)為聯(lián)系數(shù)的表達形式也不相同。若指標類型為越小越優(yōu)型指標（成本型指標），則評價樣本實際值對于Ⅰ級標準的聯(lián)系數(shù)μl為（王文圣等，2009）：

式中：l為第l個評價指標；x為評價指標的實際值；s1、s2、s3、s4為Ⅰ～Ⅴ級界限值。同理，可推得越大越優(yōu)型指標的數(shù)學表達式類似式（5）。

在濱海濕地生態(tài)健康評價的5個等級標準中，將評價指標值符合Ⅰ級標準的定義為同一度a，相應的同一度系數(shù)看作是 1，符合Ⅴ級標準的定義為對立度c，相應的對一度系數(shù)取值為-1，而將符合II、III、IV級標準定義為差異度。進一步細化，由五元聯(lián)系數(shù)定義，設(shè)將符合II級標準定義為偏同差異性，符合III級標準定義為中差異性，符合IV級標準定義為偏反差異性，相應地i1、i2、i3分別稱為偏同差異度系數(shù)、中差異度系數(shù)、偏反差異度系數(shù)（趙克勤，1989）。

差異度系數(shù)i的取值是確定聯(lián)系數(shù)的關(guān)鍵?？紤]到相鄰等級之間的差異度系數(shù)存在極大的模糊性，本文利用分段三角模糊數(shù)來表示差異度系數(shù)的模糊性，即采用分析取值法確定標準等級分割點處的差異度分量系數(shù)，即將評價等級界限值s2、s3、s4處的差異度系數(shù)分別取為i1= 0.5，i2= 0，i3=-0.5。若指標類型為越小越優(yōu)型指標，則相應的數(shù)學表達式為：

式中符號同前說明。同理，可推得越大越優(yōu)型指標的數(shù)學表達式類似式（6）～（8）。

若指標類型為越小越優(yōu)型，由式（5）～（8）可得基于分段三角模糊數(shù)的聯(lián)系數(shù)μl的表達式為：

式中符號同前說明。同理，也可推得越大越優(yōu)型指標的數(shù)學表達式類似式（9）。

2.3.2 綜合評價模型

根據(jù)評價指標對等級標準的聯(lián)系數(shù)μl，結(jié)合指標權(quán)重向量wl，計算相應的綜合聯(lián)系數(shù)μ和級別特征值z，其計算公式為（汪明武等，2011）：

3 實例分析

3.1 研究區(qū)概況

海興濕地位于河北省海興縣東部，渤海灣西岸，總面積260 km2，其中濕地和鳥類省級自然保護區(qū) 168 km2。地理位置為 37°56′—38°17′N，東經(jīng)117°20′—117°58′E，是在河流動力、海洋動力以及人類活動綜合作用下形成的河流、淺灘溝槽、沼澤、鹽田和積水洼地等組合而成的復合型濱海鹽生濕地，因臨近渤海，受海洋的影響較明顯，年平均氣溫為14 ℃，多年平均降水量558 mm，年平均相對濕度63%，多年平均蒸發(fā)量2096 mm，屬于暖溫帶濕潤季風氣候區(qū)。海興濕地地勢低洼，平均坡降極小，河渠、洼淀縱橫交錯，較大的河渠有漳衛(wèi)新河、宣惠河、淤泥河、大浪淀排水渠和 66排干渠等。海興濕地動植物資源十分豐富，其中野生植物 47科146種，魚類28科59種，鳥類51科237種。潮間帶的蘆葦沼澤是東方白鸛（Ciconia boyciana）、黑鸛（Ciconia nigra）、中華秋沙鴨（Mergus squamatus）、黃腹山雀（Parus venustulus）、丹頂鶴（Grus japonensis）、震旦鴉雀（Paradoxornis heudei）等瀕危珍稀鳥類的越冬棲息地和繁殖地，潮下帶淺海還是三疣梭子蟹（Portuns trituberculatus）、對蝦（Penacus orientalis）、毛蝦（Acetes chinensis）、梭魚（Sphyraenus）、海蜇（Esculentum）等名貴海產(chǎn)品的產(chǎn)卵、育幼場所。

20世紀80年代以來，隨著海水養(yǎng)殖業(yè)和海鹽業(yè)不斷發(fā)展，大面積的天然灘涂濕地被開發(fā)成為養(yǎng)殖池塘、鹽田等人工濕地，自然濕地退化嚴重，濕地生境趨單一化，生物多樣性衰減，現(xiàn)有自然濕地生態(tài)健康狀況堪憂，是我國東部濱海濕地變遷與退化的“縮影”。因此，選取海興濕地進行生態(tài)健康評價，對于科學認識我國濱海濕地生態(tài)健康狀況具有重要現(xiàn)實意義。

3.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用的植被、水質(zhì)、土壤等自然地理狀況數(shù)據(jù)來源于海興濕地專題調(diào)查，社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)來源于2012年海興縣統(tǒng)計年鑒、2012年滄州市統(tǒng)計年鑒和 2012年海興縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展報告。海興濕地生態(tài)健康評價指標現(xiàn)狀值見表2。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 評價結(jié)果

根據(jù)海興濕地生態(tài)健康評價標準及指標的實測值，由式（9）計算得到各個評價指標的聯(lián)系數(shù)μl=[0.663, 0.558, -1.000, 0.780, -1.000, -0.214, -0.258,-0.125, -1.000, -0.275, -0.500, -0.220, -0.350，1.000,-0.500, 0.500, -0.235]，然后利用式（10）求出海興濕地生態(tài)健康綜合聯(lián)系數(shù)為-0.380，相應的級別特征值為 3.760，說明海興濕地生態(tài)健康狀況整體處于 IV級水平（一般病態(tài)）。根據(jù)上述計算步驟，可得到海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價各子系統(tǒng)的綜合聯(lián)系數(shù)及評價等級（表3）。

表2 海興濕地生態(tài)健康評價指標現(xiàn)狀值Table 2 Assessment index status value of ecosystem health in Haixing wetland

3.3.2 結(jié)果分析與討論

從評價結(jié)果可以看出，海興濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合健康水平處于一般病態(tài)狀態(tài)，表明生態(tài)系統(tǒng)健康狀況不容樂觀。由表3可知，從子系統(tǒng)層面來看，壓力系統(tǒng)的級別特征值為3.580，屬于IV級（一般病態(tài)），說明海興濕地生態(tài)系統(tǒng)存在一定的潛在壓力，對生態(tài)系統(tǒng)健康存在較大的破壞，主要脅迫因子是農(nóng)藥施用強度、水資源開發(fā)利用率、工業(yè)和生活廢水處理率等；狀態(tài)系統(tǒng)的級別特征值為3.976，屬于 IV級（一般病態(tài)），說明系統(tǒng)受到了一定的人為干擾和破壞，濕地生態(tài)系統(tǒng)服務功能已經(jīng)出現(xiàn)明顯退化的征兆，其制約因素主要是濕地面積退化率、水體富營養(yǎng)化、優(yōu)勢性植物覆蓋率、土壤有機質(zhì)含量等；響應系統(tǒng)的特征值為2.948，屬于III級（亞健康），表明人類針對海興濕地生態(tài)系統(tǒng)的壓力和狀態(tài)采取了一定的響應措施，體現(xiàn)了一定的作用，但還需要進一步提高濕地保護管理水平，其限制因素主要是環(huán)保投資占 GDP比重、濕地保護意識和物質(zhì)生活指數(shù)等。

研究結(jié)果表明，海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀堪憂。主要是由于濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)受到了人類活動過度干擾，外界脅迫引起濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)失調(diào)和服務功能衰退。主要表現(xiàn)為：近年來，由于圍海造田、圍灘造塘、修建堤圍等因素，海興原有大量的原生灘涂濕地演變?yōu)槲r塘、鹽田等人工濕地，自然濕地大量喪失，生物棲息地遭到破壞，生物多樣性下降，海興濕地周邊工業(yè)和城鎮(zhèn)生活污水的不達標排放，農(nóng)藥和化肥的過量施用，濕地水質(zhì)凈化功能退化，水體富營養(yǎng)化程度高，濕地保護與管理水平不高。由此來看，在海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康現(xiàn)狀條件下，如果再施與較強的不合理外部干擾，系統(tǒng)有可能滑向疾病狀態(tài)。因此，需要對海興濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的壓力進行適時調(diào)控，建立濕地生態(tài)補償機制，健全濕地管理體系和法制體系，完善海興濕地自然保護區(qū)建設(shè)，增強公眾濕地保護意識，努力構(gòu)建濕地保護管理長效機制，全面提升濕地保護管理水平，使其朝著健康的方向發(fā)展。

表3 子系統(tǒng)綜合聯(lián)系數(shù)、級別特征值及健康等級Table 3 Comprehensive connection number, characteristic value and health level of sub-systems

4 結(jié)論

1）根據(jù)PSR概念模型，以壓力、狀態(tài)和響應3個層面表征濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部作用的因果關(guān)系，構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系，可以更科學地揭示濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化機理。

2）建立集對分析與三角模糊數(shù)耦合的綜合評價模型，利用分段三角模糊數(shù)充分體現(xiàn)集對分析的差異度分量系數(shù)的連續(xù)變化過程和不確定性，以及濱海濕地生態(tài)健康等級標準的模糊性，為濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價研究提供了一種直觀、有效的方法。

3）實例研究結(jié)果表明，海興濕地生態(tài)健康綜合聯(lián)系數(shù)為-0.380，相應的級別特征值為3.760，系統(tǒng)現(xiàn)狀整體處于一般病態(tài)狀態(tài)，評價結(jié)果與實際情況較為吻合，說明其在具有模糊性、隨機性和數(shù)據(jù)信息不全等特點的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評價問題中具有較強的應用價值。

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