孔曉霞 李國慶 陳丙寅 史楚 呂婷

（魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺264025）

山東半島東部濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及比較研究

孔曉霞 李國慶 陳丙寅 史楚 呂婷

（魯東大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 煙臺264025）

以山東半島東部的煙臺市和威海市為例，利用層次分析和主成分分析方法對研究區(qū)各縣市濕地服務(wù)進行評價，采用自然間斷法的方式將各市縣濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級進行劃分。結(jié)果表明：兩種方法的評價原理和結(jié)果雖有差異，但都將煙臺市轄區(qū)、威海市轄區(qū)劃分為高生態(tài)服務(wù)地區(qū)，將棲霞市和招遠市劃分為低生態(tài)服務(wù)區(qū)。上述兩種方法雖然評價原理不一致，但通過互相驗證，更能真實地反映研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)。

濕地；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；AHP層次分析法；主成分分析法

濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價對濕地資源的保護和開發(fā)具有重大的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)外對濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價多局限于經(jīng)濟價值評估（Costanza，1997；陳仲新，2000）。服務(wù)價值貨幣化，雖然能夠直觀反映濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的貢獻大小，但并不能反映不同服務(wù)的需求程度與緊迫性和服務(wù)對區(qū)域發(fā)展的支撐作用，從而難以有效指導(dǎo)濕地生態(tài)系統(tǒng)管理，也就削弱了濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價對濕地保護和管理的理論支持作用（張文娟，2009）。因此，國內(nèi)部分學(xué)者將3S技術(shù)與AHP層次分析法及主成分分析方法相結(jié)合的方式對森林、城市濕地生態(tài)系統(tǒng)的功能進行評價，評價結(jié)果客觀地反映了研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的等級水平，進而提出相應(yīng)的保護措施。但目前主要集中在南京和北京等地（王妮，2011；苗李莉，2013），而對山東半島東部的研究還鮮見，因此，本文采用層次分析法和主成分分析法分別對山東半島東部地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行評估及分級。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)位于山東半島東部，在行政區(qū)劃上包含煙臺市和威海市。研究區(qū)三面環(huán)海，東望日韓，西接濰坊，西南與青島毗鄰，北瀕渤海、黃海，與遼東半島對峙，與大連隔海相望，轄屬10個縣級市。位于119°34′～122°42′E，36°16′～38°23′N之間，總面積19 542.95 km2，海岸線曲折，長達1 894.9 km。濕地資源是該區(qū)最豐富的自然資源之一，濕地面積占山東省濕地面積的32%，河流占山東省河流面積的60%（山東統(tǒng)計年鑒，2010）。河流絕大多數(shù)屬雨源型，河流徑流量年際變化較大，豐枯年相差可達10倍左右，許多河流為季節(jié)性或間歇型河流。

1.2 數(shù)據(jù)源及其處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源 遙感數(shù)據(jù)：從 美 國 地 質(zhì) 調(diào) 查（http：// earthexplorer.usgs.gov/）選擇了覆蓋研究區(qū)的2010或2011年6-10月 Landsat5-TM、Landsat7-ETM+遙感影像，空間分辨率均為30 m。氣象數(shù)據(jù)：來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：// cdc.cma.gov.cn）；人口、經(jīng)濟、自然數(shù)據(jù)：參考2010年和2011年《山東省統(tǒng)計年鑒》及相關(guān)統(tǒng)計網(wǎng)站。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 結(jié)合研究區(qū)的濕地特點，按照《濕地公約》中的濕地分類系統(tǒng)，將濕地分為自然濕地與人工濕地兩大類型，其中自然濕地分為海域濕地、河口濕地、河流濕地、湖泊濕地；人工濕地分為人工水面（主要指水庫坑塘）、養(yǎng)殖池、鹽田。借助ENVI4.8將影像數(shù)據(jù)進行波段組合、幾何糾正、密度分割、獨立成分分析等圖像增強處理，利用ArcGIS10.0，對照谷歌地球歷史影像，根據(jù)分類系統(tǒng)和解譯標志，解譯提取出2010、2011年的濕地矢量信息，用野外定點調(diào)查數(shù)據(jù)評價并校正解譯結(jié)果，分類精度可達87.4%，可滿足研究需要。

2 研究方法與技術(shù)路線

2.1 技術(shù)路線

在濕地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)的評價中，具體評價方法的選擇尤為重要，結(jié)合研究區(qū)濕地的特點及濕地評價方法的研究成果。本文通過使用層次分析法和主成分法相結(jié)合的評價方法分別對山東半島東部濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行分析，本文的技術(shù)路線圖如圖2所示。

2.2 指標因子的選擇

基于山東省東部地區(qū)濕地資源狀況，參照 MA 研究報告Ecosystem and Human Wellbeing： Wetlands and Water Synthesis（Millennium Ecosystem Assessment（MA），2005）中的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的分類和性質(zhì)，并結(jié)合國家海洋局 908 專項“海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值評估”關(guān)于海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類的結(jié)果（陳尚，2007），山東半島東部濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)歸納為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)、支持服務(wù)共4大類14 項服務(wù)。在該指標體系中把濕地生態(tài)服務(wù)評價分為3個層次，每一個層次又分別選擇反映其主要特征的要素作為評價指標，建立科學(xué)性、動態(tài)性、可行性原則指導(dǎo)下的生態(tài)服務(wù)評價指標體系，如圖3所示。

2.3 濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的劃分

本文召集相關(guān)專家針對山東半島東部地區(qū)特有環(huán)境下的服務(wù)進行劃分，得到山東半島東部地區(qū)濕地生態(tài)類型與生態(tài)服務(wù)的對應(yīng)關(guān)系（表1）。

圖1 研究區(qū)所在位置

圖 2 技術(shù)路線圖

2.4 層次分析法指標體系的構(gòu)建與排序計算

2.4.1 指標體系的構(gòu)建 AHP層次分析法能對人的主觀感覺進行客觀描述，對非定量事件做定量分析，其中最關(guān)鍵的是以一定的標度把人的主觀感覺數(shù)量化，一般要求以Saaty專門設(shè)計的1-9的比例標度作為比較的標準，通過構(gòu)造兩兩比較的判斷矩陣來計算被比較元素的相對權(quán)重，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。按照層次分析法，將研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價指標體系歸納為如表2所示的3個層次指標結(jié)構(gòu)體系，權(quán)重系數(shù)的計算過程參見夏萍（2011）。

表 1 山東半島東部地區(qū)濕地生態(tài)類型與生態(tài)服務(wù)的對應(yīng)關(guān)系

2.4.2 生態(tài)服務(wù)排序的計算 本文采用公式（1）計算出山東省東部各縣級區(qū)劃濕地生態(tài)服務(wù)的排序（朱衛(wèi)紅， 2011）：

其中，I為各縣級區(qū)劃濕地生態(tài)服務(wù)，Wi為第i個指標在指標體系中的權(quán)重（各類型濕地所具有的服務(wù)權(quán)重），Xi為單因子指標的得分（縣級區(qū)劃內(nèi)各類型濕地面積占縣級區(qū)劃內(nèi)濕地總面積的比重），n為濕地服務(wù)指標數(shù)。

2.5 主成分分析法

主成分分析是把多個指標化為少數(shù)幾個綜合指標的統(tǒng)計分析方法。它采取一種數(shù)學(xué)降維的方法找出幾個綜合因子（主成分）來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)，有利于避免主觀隨意性。利用公式（2）計算各服務(wù)的主成分：

Fi代表第i個分量主成分，Ui和Zi分別對應(yīng)各服務(wù)的特征向量與主成分載荷矩陣，n為特征值個數(shù)。利用公式（3）計算各分量主成分的加權(quán)和，用以確定研究區(qū)各縣級行政區(qū)劃服務(wù)的排序：

上式中n為特征值個數(shù)，p為原始數(shù)據(jù)變量個數(shù)，λi為特征值；F為主成分，各參數(shù)的計算方法參見（傅湘， 1999）。

2.6 濕地生態(tài)服務(wù)等級的劃分

在GIS空間分析方法中，常用的等級劃分方法有自然斷點分級法，等間距分級法以及自定義間距分級法等。這些方法各有特點及其適用條件，考慮到自然斷點分級法適用于非均勻的屬性值分級，類內(nèi)差異最小，類間差異最大（苗李莉等，2013）。同時根據(jù)山東半島東部濕地功能綜合評價值的數(shù)理統(tǒng)計分析獲取的數(shù)學(xué)特征，本研究采用自然斷點分級法對山東半島東部濕地功能的綜合評價值進行分級評定。

3 結(jié)果與分析

圖3 山東半島東部濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指標

3.1 基于AHP層次法的結(jié)果分析

基于AHP層次法的分析，按照2.4的方法，對研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指數(shù)進行排序：威海市轄區(qū)＞煙臺市轄區(qū)＞龍口市＞榮成市＞蓬萊市＞乳山市＞萊州市＞海陽市＞牟平區(qū)＞招遠市文登市＞萊陽市＞棲霞市。利用自然間斷法，將濕地生態(tài)系統(tǒng)整體的服務(wù)水平依次劃分為高、中、低3個等級，劃分結(jié)果見表4。研究結(jié)果表明：

表2 各指標的系統(tǒng)服務(wù)評價指標體系與權(quán)重系數(shù)

就各市區(qū)濕地綜合服務(wù)等級而論，威海市轄區(qū)、煙臺市轄區(qū)、龍口市、榮成市、蓬萊市屬于服務(wù)高的地區(qū)，乳山市、萊州市、海陽市屬于服務(wù)中等的地區(qū)；牟平區(qū)、招遠市、文登市、萊陽市、棲霞市屬于生態(tài)服務(wù)低的地區(qū)。由公式1可知，這一排名主要受各類型濕地所具有的服務(wù)權(quán)重和各類型濕地面積占縣級區(qū)劃內(nèi)濕地總面積比重的影響。產(chǎn)生上述結(jié)果的主要原因：①由表1可知海域濕地具有最為全面的生態(tài)服務(wù)，有利于城市生活水平和質(zhì)量的提高，煙臺市轄區(qū)、威海市轄區(qū)內(nèi)海域濕地面積占該行政區(qū)內(nèi)濕地總面積的比重相對于其他各市的大；②由表2可知物種多樣性維持、水質(zhì)凈化、基因資源提供的權(quán)重較高。煙臺及威海市轄區(qū)位于經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)且是政府所在地，交通發(fā)達，以高新技術(shù)、旅游業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，對環(huán)境要求高，廢水治理及環(huán)保措施相對其它縣市會更加到位（耿晶，2010），市政設(shè)施較為完善；③上述兩市分布大量自然保護區(qū)和以桑溝灣為代表的30余處海灣，物種數(shù)量豐富（劉康， 2006），長島國家級自然保護區(qū)，保護區(qū)位于煙臺市長島縣由長山列島的大小32個島嶼組成，為候鳥遷徙的重要通道和停歇地（隋群， 2014），上述原因共同造成了煙臺及威海市轄區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高；④而以萊陽市、棲霞市為代表的低功能區(qū)，或地處山東半島東部的腹部，海域濕地面積較少，平原以農(nóng)田為主，山地以果園為主，灌溉用水量較大，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不發(fā)達。或其它類型濕地面積占該行政區(qū)濕地面積比重較小，以河流濕地為主，且上述區(qū)域交通相對不便，旅游外匯收入較少（張緒良， 2006），造成物種多樣性維持、基因資源提供、水質(zhì)凈化的變量偏低，最終濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)處于低水平區(qū)域。

3.2 基于主成分分析的結(jié)果分析

利用2.6所示的方法，得到研究區(qū)各縣市主成分分析結(jié)果的排序，如表3所示。同時按照自然間斷法對綜合主成分得分進行分級，見表4。

表3 山東東部各縣市濕地生態(tài)服務(wù)排序結(jié)果

表4 不同分析方法下各市的服務(wù)等級

濕地生態(tài)服務(wù)等級高的區(qū)域有煙臺市轄區(qū)、威海市轄區(qū)、牟平區(qū)、萊州市、海陽市，濕地生態(tài)服務(wù)等級低的區(qū)域有龍口市、榮成市、蓬萊市等6個市。從公式（2）可以看出，對各縣市濕地生態(tài)服務(wù)排序產(chǎn)生重大影響的是各服務(wù)的特征向量Ui與主成分載荷矩陣Zi，通過筆者的計算發(fā)現(xiàn)特征向量Ui的變化相對穩(wěn)定，而主成分載荷矩陣Zi變化較大，尤其在干擾調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、物種多樣性維持等指標上有較大的載荷，因此如果某區(qū)域的生態(tài)服務(wù)包含更多的上述指標，會使得該區(qū)域的生態(tài)服務(wù)等級排名靠前。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，逐漸改變完全依靠資源野外調(diào)查的方式，結(jié)合相關(guān)數(shù)學(xué)分析理論基礎(chǔ)，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)的研究將定性化和定量化發(fā)展相結(jié)合，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)及綜合評價提供了依據(jù)。本文分別利用層次分析和主成分分析方法對山東半島東部各縣市濕地服務(wù)進行評價，然后采用自然間斷法的方式將各市縣濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等級進行劃分。上述兩種方法作為典型的主觀與客觀評價方法代表，評價結(jié)果具有共性與差異性共存的特點，主要體現(xiàn)在：（1）層次分析法通過專家打分的形式，建立了基于空間的濕地生態(tài)服務(wù)綜合評價指標體系，各指標意義明確，能夠集中反映山東半島東部這一特定地區(qū)的生態(tài)服務(wù)水平。但由于使用專家打分確定權(quán)重，受主觀因素影響明顯。（2）主成分分析法排序結(jié)果充分利用原始數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)直觀計算簡便，不受主觀因素影響。但主成分分析法是一種降維分析法，主成分的解釋及含義具有一定的模糊性，不如原始變量的含義確切，這是變量在降維過程中的弊端（劉臣輝， 2006）。（3）兩種方法的評價原理和結(jié)果雖有差異，但都將煙臺市轄區(qū)、威海市轄區(qū)劃分為高生態(tài)服務(wù)地區(qū)，將棲霞市和招遠市劃分為低生態(tài)服務(wù)區(qū)。這表明上述兩種方法雖然評價原理不一致，但通過互相驗證，更能真實地反映研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對區(qū)域發(fā)展的支撐作用。提高了分析效率和準確度，節(jié)省了人力與物力。（4）濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對煙臺和威海市轄區(qū)具有更大的支撐作用，在濕地資源典型區(qū)選擇、保護規(guī)劃與政策的制定時，應(yīng)重點考慮上述兩個地區(qū)。

4.2 討論

本研究中所采用的30 m分辨率的遙感數(shù)據(jù)，基本能滿足對山東半島東部地區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體狀況作出分析研究的要求，但濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價過程還涉及濕地破碎度、季節(jié)性變化等相關(guān)因素，在進一步研究中可利用更高分辨率遙感數(shù)據(jù)進行處理分析，功能性指標變量的選擇對評價結(jié)果會有重大影響。受數(shù)據(jù)可獲取性的影響，本研究所選擇的指標變量雖具有代表性（表2），但并不能充分地反映指標層的真實情況，在指標獲取足量的情況下，應(yīng)進一步提取代表性的指標。計算公式均參照相關(guān)文獻研究結(jié)果，在實際研究中，應(yīng)結(jié)合評價需求及研究區(qū)狀況，因地制宜地選擇合適的評價方法，以便能更真實地反映研究區(qū)的現(xiàn)狀，且有助于評價結(jié)果更具科學(xué)性。每種模型都有其適宜性，且濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，僅依靠模型或變量不可以完全描述，還需建立和健全濕地生態(tài)安全評價方法體系。由于山東半島東部濕地生態(tài)系統(tǒng)非常復(fù)雜，涉及到自然、社會、經(jīng)濟等各個方面的內(nèi)容，今后的研究要從多層次、多角度開展該區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及研究。

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Evaluation and Comparative Study of Ecosystem Services of Wetlands in Eastern Part of Shandong Peninsula

KONG Xiao-Xia LI Guo-Qing CHEN Bing-Yin SHI Chu Lü Ting
（School of Resources and Environmental Engineering， Ludong University， Yantai 264025， Shandong ）

Yantai and Weihai located in the eastern part of Shandong Peninsula were taken as an example， AHP method and principal component analysis method were used to evaluate wetland ecosystem services in the study area， and natural discontinuity method was used to grade the wetland ecosystem services. Although the two evaluation methods were different in evaluation principles and results， the two cities of Yantai and Weihai were graded into high value of ecological service， and the cities of Qixia and Zhaoyuan were graded into low value of ecological services. This indicates that though these two methods are not consistent， they can more realistically reflect the status of wetland ecosystem services in the study area by verification with each other.

Wetland； Ecosystem service； Analytic hierarchy process；Principal component analysis

10.3969/j.issn.1673-3290.2016.03.05

2016-05-09

煙臺市科技項目2013ZH094作者簡介：孔曉霞（1994-），女，漢，山西大同人，本科生。主要研究方向為：資源環(huán)境遙感。E-mail：kxx0917 @163.com

李國慶（1982-），男，漢，黑龍江巴彥人，講師。主要研究方向為草原生態(tài)遙感，濕地環(huán)境遙感。E-mail：ligqing@foxmail.com