廖丹霞，謝 謙，楊 波

（湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康演變的研究

廖丹霞，謝 謙，楊 波

（湖南師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

基于Landsat遙感影像數(shù)據(jù)，以洞庭湖濕地為研究區(qū)，利用決策樹(shù)分類(lèi)模型提取洞庭湖濕地的景觀類(lèi)型。以壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合洞庭湖濕地的特點(diǎn)，綜合壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面來(lái)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型，利用GIS技術(shù)評(píng)價(jià)分析洞庭湖濕地在1987至2013年間6個(gè)不同時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)健康演變情況。結(jié)果表明：洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康在2003年以前處于下降趨勢(shì)，此后濕地健康狀況逐步回升；而外界壓力對(duì)濕地健康狀態(tài)的影響存在一定的時(shí)滯性。

洞庭湖濕地；生態(tài)系統(tǒng)健康；壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型

洞庭湖濕地是我國(guó)濕地自然保護(hù)和恢復(fù)的重點(diǎn)區(qū)域，湖區(qū)分別建立了西洞庭湖城市濕地公園、東洞庭湖國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、南洞庭湖國(guó)際濕地自然生態(tài)保護(hù)區(qū)，具有特殊的生態(tài)功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于人類(lèi)干擾、氣候變化等因素的影響，洞庭湖濕地面臨著水體污染嚴(yán)重、濕地面積減少、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被破壞、生物多樣性降低、生態(tài)調(diào)節(jié)功能減弱等一系列生態(tài)問(wèn)題[1-3]。隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，工業(yè)廢水和生活污水的排放量逐漸增大。污染物的排放和規(guī)模化養(yǎng)殖，將使湖泊污染和富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重[4]，洞庭湖濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康將受到極大威脅。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外濕地生態(tài)系統(tǒng)健康研究已取得廣泛進(jìn)展，濕地健康評(píng)價(jià)由過(guò)去的單一屬性研究，轉(zhuǎn)變?yōu)榻⑸鷳B(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化多要素相結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模式。不少評(píng)價(jià)模型也隨之更新，評(píng)價(jià)指標(biāo)不斷全面，以滿足不同時(shí)間和空間尺度下的濕地健康評(píng)價(jià)研究。當(dāng)前濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)主要有：P-S-R模型[5-6]，HEC-5和WASP水質(zhì)模型[7]，指示物種法[8]，結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法[9-10]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[11]，美國(guó)環(huán)保署的Level（1，2，3）模型[12-14]，模糊綜合評(píng)判法[15-16]等多種方法。這些評(píng)價(jià)體系和方法，通過(guò)建立評(píng)價(jià)模型，對(duì)濕地的水、土及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀或發(fā)展趨勢(shì)以及濕地水體富營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行定量化分析評(píng)價(jià)。

本研究以洞庭湖濕地為研究區(qū)，以GIS和RS為主要技術(shù)手段，利用Landsat衛(wèi)星影像提取洞庭湖濕地景觀類(lèi)型，依據(jù)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)原則，基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（P-S-R）模型，結(jié)合洞庭湖濕地的生態(tài)環(huán)境與自然景觀的具體特征，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面選取并優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，明確各指標(biāo)量化標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重賦值，建立濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型，對(duì)不同時(shí)期洞庭湖濕地的生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，從生產(chǎn)力、景觀格局、生物多樣性、濕地功能等多方面，探討洞庭湖濕地多年來(lái)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的演變過(guò)程。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

洞 庭 湖 地 處 28°30′～ 29°40′E， 111°40′～113°10′N(xiāo)之間，位于湖南省東北部，承納湘、資、沅、澧四水而吞吐長(zhǎng)江，是長(zhǎng)江流域極為重要的集水、蓄洪湖盆，為我國(guó)第二大淡水湖。湖區(qū)年內(nèi)徑流量分配不均，水位年內(nèi)變化大，豐水期（5～10月）徑流量占年均徑流量的75%，而枯水期（11月～翌年3月）水位下降，洲灘出露，河道縱橫，在水文特征上有“水漲為湖，水落為洲”的特殊景觀，是我國(guó)生物多樣性最豐富的地區(qū)之一。

本研究以各縣市行政區(qū)為研究單元，選取洞庭湖區(qū)15個(gè)縣市為研究區(qū)，總面積約25 800 km2，占湖南省總面積的12.2%（圖1）。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

圖1 洞庭湖濕地位置示意Fig.1 Location of Dongting Lake wetland

洞庭湖水位季節(jié)性漲落較大，濕地景觀因水位漲落而變化顯著。為獲取近25 a來(lái)洞庭湖濕地的景觀格局及其變化情況，本研究采用1987、1993、1998、2003、2008、2013六年洞庭湖區(qū)冬春季節(jié)枯水期（11月～翌年3月）的Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)提取方法

2.1 分類(lèi)體系

在充分分析洞庭湖濕地景觀類(lèi)型及周邊區(qū)域土地利用情況的基礎(chǔ)上，借鑒《濕地公約》的分類(lèi)系統(tǒng)，建立洞庭湖景觀類(lèi)型遙感分類(lèi)體系。其中，濕地類(lèi)分為：水體、泥沙灘地、苔草灘地、蘆葦灘地、防護(hù)林灘地；非濕地類(lèi)分為：農(nóng)田、建設(shè)用地、林地。

2.2 分類(lèi)方法

洞庭湖區(qū)各類(lèi)地物之間“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象較為嚴(yán)重。傳統(tǒng)的監(jiān)督分類(lèi)和非監(jiān)督分類(lèi)方法利用不同波段的光譜亮度值進(jìn)行單像元自動(dòng)分類(lèi)，難以解決上述問(wèn)題。而決策樹(shù)分類(lèi)法（Decision Tree Classif i cation）是以各像元的特征值為基準(zhǔn)值，利用多級(jí)二叉樹(shù)分層逐次進(jìn)行比較的分析方法，具有較強(qiáng)的靈活性、直觀性和較高的運(yùn)算效率。

本研究在分析洞庭湖濕地各景觀類(lèi)型和周邊各用地類(lèi)型的光譜特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和空間關(guān)系的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同景觀地物類(lèi)型在光譜亮度值和多波段閾值上的差異，以歸一化植被指數(shù)、纓帽變換后的綠度值、改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)、歸一化建筑指數(shù)、坡度值以及單波段亮度值為判斷依據(jù)，建立洞庭湖遙感影像決策樹(shù)分類(lèi)模型（圖2）。其中，各分類(lèi)指數(shù)的計(jì)算公式為：歸一化植被指數(shù)：NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)；改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)：MNDWI=（Green-MIR）/（Green+MIR）；歸一化建筑指數(shù)：NDBI=（MIR-NIR）/（MIR+NIR）。式中，NIR為近紅外波段的反射值，RED為紅光波段的反射值，Green為綠光波段反射值，MIR為中紅外波段反射值。

3 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)研究

3.1 評(píng)價(jià)模型

圖2 決策樹(shù)分類(lèi)模型Fig.2 Model of decision tree classif i cation

濕地生態(tài)系統(tǒng)不是獨(dú)立的系統(tǒng)，它受到人類(lèi)活動(dòng)和外界環(huán)境的影響，使其組織結(jié)構(gòu)、生態(tài)景觀、植被覆蓋等自然因素隨之發(fā)生改變，濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和自我恢復(fù)能力又會(huì)做出響應(yīng)。因而在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中要綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)、濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)變化3方面的內(nèi)容。

本研究選擇壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（P-S-R）模型（圖3）作為洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的評(píng)價(jià)模型。其中，壓力部分反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響；狀態(tài)部分受到生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的生產(chǎn)力、組織結(jié)構(gòu)、彈性、功能4項(xiàng)因素的綜合影響，分別反映濕地生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝能力與初級(jí)植被生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)完整性與景觀多樣性、穩(wěn)定性與自我調(diào)節(jié)能力、蓄水能力；響應(yīng)部分反映濕地生態(tài)系統(tǒng)的自然景觀與土地利用類(lèi)型的變化情況。

圖3 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型Fig.3 Assessment model of wetland ecosystem health

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

在選取評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，結(jié)合洞庭湖濕地生態(tài)環(huán)境的具體特征，綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)和濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表1）。

表1 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 Assessment index system of wetland ecosystem health

3.2.1 濕地壓力指標(biāo)表征

濕地壓力評(píng)價(jià)選用人類(lèi)干擾度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)表征。根據(jù)不同土地利用類(lèi)型對(duì)濕地健康的干擾程度，對(duì)地物的干擾度進(jìn)行賦值（表2）。

表2 不同土地利用類(lèi)型的干擾度Table 2 Interference degree of different land use types

3.2.2 濕地狀態(tài)指標(biāo)表征

濕地狀態(tài)評(píng)價(jià)以洞庭湖區(qū)各縣市為評(píng)價(jià)單元，包括生產(chǎn)力、結(jié)構(gòu)、彈性、功能4個(gè)要素。

3.2.2.1 生產(chǎn)力要素

歸一化植被指數(shù)：NDVI=(NIR-RED)/(NIR+ RED)。

式中，N為近紅外波段，R為紅光波段。

3.2.2.2 結(jié)構(gòu)要素

PDI=N/A。式中，N為斑塊數(shù)量，A為單位區(qū)域面積。

3.2.2.3 彈性要素

根據(jù)不同濕地景觀類(lèi)型在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、保持濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力與恢復(fù)能力等方面的作用，對(duì)不同濕地景觀類(lèi)型的彈性度進(jìn)行賦值（表3）。

表3 不同景觀類(lèi)型的彈性度Table 3 Elasticity degree of different landscape types

3.2.2.4 功能要素

本研究采用洞庭湖區(qū)濕地湖泊水體面積作為表征其蓄水功能的指標(biāo)。

3.2.3 濕地響應(yīng)指標(biāo)表征

濕地響應(yīng)指標(biāo)包括：土地利用變化和濕地面積變化。土地利用變化指標(biāo)采用地物轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)衡量相鄰兩個(gè)時(shí)期土地利用類(lèi)型的轉(zhuǎn)變；濕地面積變化指標(biāo)采用兩個(gè)時(shí)期間濕地面積的差值來(lái)表示。

3.3 指標(biāo)權(quán)重

不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)濕地生態(tài)環(huán)境的影響程度不同、重要性不同，而反映其影響程度高低的衡量尺度就是各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)中的權(quán)重值。本研究采用層次分析法，利用判斷矩陣計(jì)算各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值（表4）。其中，人類(lèi)干擾度對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康為負(fù)影響，故取其理論權(quán)重的相反數(shù)為實(shí)際權(quán)重值，其余各評(píng)價(jià)指標(biāo)皆為正影響。

表4 濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weight of evaluation indicators for wetland ecosystem health

基于評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值，結(jié)合指標(biāo)權(quán)重值，對(duì)10個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算研究區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)值：。式中，X為研究區(qū)的綜合評(píng)價(jià)值，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)，Pi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

4 結(jié)果分析

基于洞庭湖區(qū)遙感影像分類(lèi)結(jié)果，結(jié)合GIS和RS技術(shù)，利于ENVI、ArcGIS、Fragstats等處理分析軟件提取1987至2013年間6個(gè)不同時(shí)期的洞庭湖濕地生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)。為了提高綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算的準(zhǔn)確度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化分析將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算值轉(zhuǎn)換為0～1的標(biāo)準(zhǔn)化值，結(jié)合各指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)求和計(jì)算，最終得到1987至2013年間6個(gè)不同時(shí)期洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合評(píng)價(jià)值（表5）。

根據(jù)不同時(shí)期各項(xiàng)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值和洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)值，可以得到洞庭湖濕地在1987至2013年間的生態(tài)系統(tǒng)健康演變趨勢(shì)（圖4）。從演變趨勢(shì)可知：（1）濕地壓力指標(biāo)的變化幅度較大，自1987年快速上升，到1998年達(dá)到最大值，說(shuō)明此時(shí)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的干擾度很高，此后人類(lèi)活動(dòng)對(duì)濕地的干擾逐步減少，壓力指標(biāo)逐漸降低。（2）濕地狀態(tài)指標(biāo)自1987年開(kāi)始下降，在2003年達(dá)到狀態(tài)的最低值，說(shuō)明此時(shí)洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的植被生產(chǎn)力、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、彈性和功能受到很大影響，2003年后狀態(tài)指標(biāo)逐步回升。（3）濕地響應(yīng)指標(biāo)變化比較平緩，說(shuō)明洞庭湖濕地本身的自我調(diào)節(jié)不明顯，相關(guān)部門(mén)對(duì)生態(tài)環(huán)境變化所做出土地利用調(diào)整也相對(duì)較少。（4）洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評(píng)價(jià)值在1987至2003年間處于下降趨勢(shì)，2003年后逐步回升；且與濕地狀態(tài)指標(biāo)呈正相關(guān)，相關(guān)性較大。（5）洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的變化一定程度上受到壓力指標(biāo)的影響，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但壓力指標(biāo)最高時(shí)狀態(tài)指標(biāo)并非最低，濕地所受壓力對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的影響存在一定的時(shí)滯性。

表5 洞庭湖濕地1987-2013年生態(tài)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值Table 5 Standardized values of ecological indicators of Dongting Lake Wetland since 1987 to 2013

圖4 生態(tài)系統(tǒng)健康演變趨勢(shì)Fig.4 Evolution trend of ecosystem health

5 結(jié) 論

本研究利用決策樹(shù)分類(lèi)法，從1987至2013年間6個(gè)不同時(shí)期的洞庭湖濕地遙感影像數(shù)據(jù)中獲取洞庭湖濕地景觀類(lèi)型，并基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)模型，結(jié)合洞庭湖濕地的功能結(jié)構(gòu)、景觀特征，來(lái)構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，對(duì)不同時(shí)期的洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的變化趨勢(shì)。研究表明：

（1）根據(jù)洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以湖泊濕地為研究側(cè)重點(diǎn)，綜合壓力、狀態(tài)、響應(yīng)3個(gè)方面的影響因子，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建濕地生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型，能有效對(duì)洞庭湖濕地的生態(tài)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)時(shí)間序列分析研究其演變趨勢(shì)。

（2）自1987至2003年間，由于人類(lèi)對(duì)濕地資源的不合理利用，對(duì)洞庭湖濕地生態(tài)健康的干擾度很大，使得洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度處于下降趨勢(shì)；2003年后，隨著土地利用的規(guī)范化與合理化，及人類(lèi)生態(tài)保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康程度逐步回升。

（3）濕地所受壓力直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)，但人類(lèi)活動(dòng)等外界壓力對(duì)洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)健康的影響存在一定的時(shí)滯性，外界干擾度的變化需要一定時(shí)間才能在濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)上得以反應(yīng)。而洞庭湖濕地對(duì)這種變化所做出的響應(yīng)則相對(duì)較少。

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Study on evolution of ecosystem health of Dongting Lake wetland

LIAO Dan-xia, XIE Qian, YANG Bo
(College of Resource and Environment Science, Hunan Normal University, Changsha 410081, Hunan, China)

∶ By taking Dongting Lake Wetland as the researched region, the model of decision tree classif i cation was set up and was used to extract the distribution regions with different features in Dongting Lake Wetland based on Landsat remotely sensed images. According to the pressure, state and response model, taking into account the features in Dongting Lake Wetland, the evaluation indicators of the system were chosen, thus the Dongting Lake wetland ecosystem health assessment model was established. Further, the evolution situations of ecosystem health of Dongting Lake wetland in six periods from 1987 to 2013 were analyzed by adopting GIS technology.The results show that the ecosystem health of Dongting Lake Wetland was in a downward trend before 2003 and after that the health state rose again gradually, and there was a time lag between outside pressure and wetland health state.

∶ Dongting Lake wetland; ecosystem health; pressure, state and response model

S718.55+7；X171.1

A

1673-923X(2014)06-0112-05

2014-01-13

湖南省自然科學(xué)基金（10JJ3022）；杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（PDKF2010YG08）

廖丹霞（1989-），女，湖南吉首人，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境遙感與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究

楊 波（1974-），男，湖南張家界人，博士，副教授，主要從事資源環(huán)境遙感研究；Email：yb@hunnu.edu.cn

[本文編校：文鳳鳴]