基于3S技術(shù)的圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警研究

朱衛(wèi)紅 ，苗承玉，鄭小軍，曹光蘭，王凡凡

(1.長(zhǎng)白山生物資源與功能分子教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，延吉 133002;2.延邊大學(xué)理學(xué)院地理系，延吉 133002;3.臨邑縣第一中學(xué)，臨邑 251500)

生態(tài)安全一般指一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)環(huán)境資源狀況能持續(xù)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不受或少受來(lái)自于資源和生態(tài)環(huán)境的制約與威脅的狀態(tài)［1］。近年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的背景下，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了深刻變化［2-3］。隨著近幾十年來(lái)更加劇烈的人類活動(dòng)影響，全球性和區(qū)域性的環(huán)境問(wèn)題日益突出，生態(tài)安全問(wèn)題頻頻發(fā)生。據(jù)調(diào)查，在我國(guó)由于生態(tài)災(zāi)害和環(huán)境污染每年造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的8.5%—10%，最高可占到當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 14%［4］。

最早將環(huán)境變化含義明確引入安全概念的是美國(guó)學(xué)者LESTER R.BROWN。1981年，他提出對(duì)安全的威脅，來(lái)自國(guó)與國(guó)間關(guān)系的較少，而來(lái)自人與自然間關(guān)系的可能較多［5］。濕地與森林、海洋并稱為全球三大生態(tài)系統(tǒng)。濕地不僅是一種重要的自然資源，也是人類賴以生存的最重要的環(huán)境之一，它具有穩(wěn)定環(huán)境、保護(hù)物種基因及資源利用等功能，被喻為“地球之腎”［6］。國(guó)外濕地生態(tài)安全研究較早，1996年英國(guó)、澳大利亞等國(guó)家相繼開展了“河流健康計(jì)劃”，并先后對(duì)河流濕地狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)［7-9］;崔保山等［10］2002年對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)體系進(jìn)行理論研究，奠定了我國(guó)濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)的基礎(chǔ);隨后，一些學(xué)者對(duì)遼西大凌河流域、遼河中下游流域，大包山濕地等進(jìn)行了生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究［11-13］。

區(qū)域生態(tài)安全是國(guó)家穩(wěn)定與發(fā)展的基礎(chǔ)，是國(guó)防安全的重要保障。區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但其相關(guān)理論研究還不夠成熟，開展圖們江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警研究，為該流域生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、水資源利用、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義［14］。

1 研究區(qū)概況及研究數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

圖們江流域主要位于吉林省東部的延邊朝鮮族自治州境內(nèi)(圖 1)，在北緯 41°59'47″至 44°30'42″，東經(jīng) 127°27'43″至 131°18'33″之間，地處中、俄、朝三國(guó)交界，東臨日本海。該地區(qū)屬于中溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，季風(fēng)明顯，年平均氣溫為攝氏2—6°之間。平均降水量一般為400—650mL，上游地區(qū)達(dá)1000—1500 mL，居流域之首;一年中，雨量多集在 6、7、8月3個(gè)月，占全年降水量的60%。圖們江兩岸濕地豐富、類型多樣，特別是圖們江上游長(zhǎng)白山地區(qū)分布著典型的高山苔原濕地和林下泥炭沼澤濕地，中下游分布著河流型、湖泊型和多種人工濕地。這對(duì)區(qū)域氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人類生存環(huán)境有著重要的影響，在維護(hù)圖們江區(qū)域生態(tài)安全、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用。由于近年來(lái)圖們江流域的開發(fā)，經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、人口增長(zhǎng)加快，城市化及交通設(shè)施的建設(shè)，使周圍的生態(tài)環(huán)境遭受破壞，圖們江、嘎呀河、布爾哈通河等重要河流受到污染，農(nóng)田、建設(shè)用地的大量增加，都使得本區(qū)域的濕地生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重的破壞，急需對(duì)本區(qū)域進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。因此，結(jié)合數(shù)據(jù)的可獲取性，本文選取圖們江流域中國(guó)一側(cè)為研究區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Scope of the study area

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)源

圖們江流域地域遼闊，本文以覆蓋全區(qū)的Landsat MSS與TM影像為基本數(shù)據(jù)源，包括1976年的 Landsat MSS 影像(軌道號(hào) 123/30、124/30、124/31、125/30、125/31)，以及 1990 年、2000 年、2010 年的 LandsatTM 影像(軌道號(hào) 114/30、115/30、115/31、116/30、116/31)，為方便濕地信息的提取，影像時(shí)間均為6—10月之間。因?yàn)閳D們江流域地形復(fù)雜多樣，僅僅運(yùn)用遙感影像數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映濕地地物類型的分布，本研究引入了地形圖、土壤圖、水系圖、DEM圖等，以及實(shí)地野外考察記錄來(lái)輔助濕地類型的識(shí)別等綜合解譯工作。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

本文選取研究區(qū)范圍內(nèi)的1∶5萬(wàn)地形圖作為基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)，對(duì) Landsat MSS/TM遙感圖像作預(yù)處理:

(1)幾何校正 以經(jīng)過(guò)幾何校正的1∶5萬(wàn)地形圖為基準(zhǔn)圖件，通過(guò)控制點(diǎn)校正法對(duì)4個(gè)時(shí)期的遙感影像進(jìn)行幾何校正。具體為，在地形圖和影像上均勻選取了近50個(gè)地面控制點(diǎn)，如道路交叉點(diǎn)、大型建筑物角點(diǎn)、保護(hù)站等，以GCS_WGS_1984坐標(biāo)系為投影坐標(biāo)系，采用二次多項(xiàng)式校正法對(duì)影像進(jìn)行幾何校正，校正誤差在0.5個(gè)像元以內(nèi)。

(2)彩色合成 采用 Landsat(MSS)的 3、2、4(RGB)，Landsat(TM)的 5、4、3(RGB)的波段組合對(duì)遙感影像進(jìn)行彩色合成，合成后的影像將更加接近真實(shí)的地物顏色，便于較好地突出圖們江流域濕地的景觀斑塊、植被特征和水體特征。

(3)鑲嵌裁切處理 影像鑲嵌采用基于地理坐標(biāo)的鑲嵌，然后通過(guò)建立掩模對(duì)鑲嵌后的影像進(jìn)行裁切處理，掩模范圍是整個(gè)圖們江流域中國(guó)一側(cè)，將范圍矢量面文件導(dǎo)入到ENVI4.5并加載到鑲嵌好的影像上，以圖們江流域范圍矢量面文件為感興趣區(qū)將影像裁切出來(lái)，得到研究區(qū)1976年、1990年、2000年、2010年4個(gè)年代的遙感影像(圖2—圖5)。

按照?qǐng)D們江流域濕地所處的立地條件，本研究借鑒朱衛(wèi)紅［15］有關(guān)圖們江下游濕地分類體系及分布特征研究當(dāng)中的濕地分類體系，具體內(nèi)容為將研究區(qū)的濕地劃分為天然濕地和人工濕地2個(gè)二級(jí)類型，以及河流濕地、湖泊濕地、沼澤濕地、水田和其他人工濕地5個(gè)三級(jí)類型。結(jié)合野外濕地考察，根據(jù)地形圖、土壤圖、水系圖等非遙感數(shù)據(jù)資料，建立以色調(diào)、紋理、形態(tài)為基礎(chǔ)的解譯標(biāo)志，采用人機(jī)交互式解譯方法，運(yùn)用ArcGIS9.3軟件對(duì)校正好的影像進(jìn)行處理，最終得到4個(gè)時(shí)期圖們江流域中國(guó)一側(cè)的濕地信息(圖2—圖5);并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算得出4個(gè)年代的濕地相關(guān)數(shù)據(jù)(表1)。

圖2 1976年濕地分布圖Fig.2 Wetland maps of 1976

圖3 1990年濕地分布圖Fig.3 Wetland maps of 1990

2 圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

2.1 基于PSR模型的指標(biāo)體系構(gòu)建

圖4 2000年濕地分布圖Fig.4 Wetland maps of 200

圖5 2010年濕地分布圖Fig.5 Wetland maps of 2010

對(duì)于濕地生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)建立大都基于PSR模型［16-17］。在研究圖們江流域濕地生態(tài)系統(tǒng)自然特性的基礎(chǔ)上，借鑒相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯砍晒訮SR模型為主線，結(jié)合指標(biāo)選取的科學(xué)性、系統(tǒng)性、代表性和易操作性原則［18］，構(gòu)建了圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表2)。

2.2 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

權(quán)重表示在生態(tài)安全多指標(biāo)評(píng)價(jià)過(guò)程中，選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)在總體評(píng)價(jià)中相對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果的相對(duì)重要程度，通過(guò)一定方法，對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的設(shè)置。本文使用層次分析法［19］，在PSR概念模型的指導(dǎo)下，形成1個(gè)目標(biāo)，3個(gè)準(zhǔn)則，10個(gè)測(cè)度指標(biāo)的指標(biāo)體系［20］，有效地將指標(biāo)體系的層次結(jié)構(gòu)建立起來(lái)。通過(guò)建立遞階層次分析結(jié)構(gòu)，構(gòu)建兩兩比較各指標(biāo)層評(píng)價(jià)問(wèn)卷，通過(guò)專家問(wèn)卷法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較打分，逐漸分析評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性和重要程度，進(jìn)而將定性的問(wèn)題轉(zhuǎn)化變成定量計(jì)算問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值的確定。構(gòu)建的矩陣要進(jìn)一步檢驗(yàn)矩陣的一致性，當(dāng)一致性檢驗(yàn)結(jié)果≦0.1時(shí)，表明計(jì)算結(jié)果對(duì)原矩陣具有滿意的一致性。

表1 4個(gè)年代濕地信息統(tǒng)計(jì)表Table 1 4 decades statistics of wetlands information

表2 圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重Table 2 The wetland ecological safety evaluation assessment index system of the Tumen River basin and weight

為了獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，本文在景觀格局計(jì)算軟件Fragstats 3.3和SPSS軟件的支持下對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算:

(1)人口密度指數(shù)

人口密度指數(shù)=研究區(qū)人口數(shù)/研究區(qū)的面積

(2)人類干擾指數(shù)

城鎮(zhèn)建設(shè)所占面積，本文主要以建城區(qū)、居住區(qū)、公共設(shè)施用地、工業(yè)用地、倉(cāng)儲(chǔ)用地、對(duì)外交通用地、道路廣場(chǎng)用地、市政公共設(shè)施、綠地、特殊用地之和表示;

(3)景觀多樣性指數(shù)(SHDI)

景觀多樣性指數(shù)是指濕地景觀元素或濕地生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能以及隨時(shí)間變化方面的多樣性，它反映了濕地景觀類型的豐富度和復(fù)雜度，它的大小反映濕地景觀要素多少和各景觀要素所占比例的變化:

式中，PK為k種濕地景觀類型占總面積比例，m為研究區(qū)濕地景觀類型總數(shù)。

(4)平均斑塊面積(MPS)

平均斑塊面積既可用來(lái)對(duì)比不同濕地景觀的聚集度或者破碎度，也可用以指示各種濕地景觀類型之間的差異。

式中，Si是指第i種濕地景觀的面積，Ni是指第i種濕地景觀的斑塊個(gè)數(shù)。

(5)水文調(diào)節(jié)指數(shù)

(6)初級(jí)生產(chǎn)力指數(shù)

經(jīng)研究表明，初級(jí)生產(chǎn)力與NDVI具有明顯的正相關(guān)，因此，選用研究區(qū)內(nèi)的NDVI平均值作為衡量初級(jí)生產(chǎn)力的主要指標(biāo):

(7)彈性度指數(shù)

彈性度是度量生態(tài)系統(tǒng)健康的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，健康的濕地生態(tài)系統(tǒng)具有彈性，當(dāng)濕地生態(tài)系統(tǒng)受到壓力脅迫后，有能力保持結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性:

式中，Si為第i類濕地面積，F(xiàn)i為第i類濕地的彈性度分置，S為研究區(qū)總面積。

(8)均勻度指數(shù)(SHEI)

均勻度則反映濕地景觀中各斑塊在面積上分布的不均勻程度，其值越大，表明景觀各組成成分的分配越均勻:

式中，PK是斑塊類型K在濕地景觀中的比例，n為研究區(qū)中景觀類型的總數(shù)。

(9)斑塊破碎度指數(shù)

式中，∑Ni為濕地景觀斑塊總個(gè)數(shù);∑Ai為濕地景觀的總面積。

(10)濕地退化指數(shù)

2.3 單因子評(píng)價(jià)

邏輯斯蒂增長(zhǎng)曲線模型又稱自我抑制型曲線，是20世紀(jì)20年代Lotka和Volterra在種群生態(tài)學(xué)中的總?cè)簲?shù)量增長(zhǎng)過(guò)程的研究中提出的，至今應(yīng)用仍比較廣泛。因?yàn)闈竦厣鷳B(tài)安全評(píng)價(jià)中各個(gè)指標(biāo)的測(cè)試值并不是線性的反映出濕地生態(tài)安全中各個(gè)方面和層次狀態(tài)的水平，林茂昌、李永健［21-22］使用此模型分別對(duì)閩江河口區(qū)濕地、拉魯濕地生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行了單因子評(píng)價(jià):

式中，P表示單項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)值，R表示單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)度值。a、b均為常數(shù)，確定方法為:當(dāng)R=0.01時(shí)，P的值近似取0.001;當(dāng)R=0.99時(shí)，P的值近似取0.999，則此時(shí)方程中的a和b的值求解分別為4.595和9.19，因此，單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型最終為:

通過(guò)對(duì)研究區(qū)2000年、2010年遙感影像的解譯以及2001年、2011年延邊統(tǒng)計(jì)年鑒信息的提取，得到2000年、2010年2個(gè)年份的圖們江流域濕地10個(gè)單因子指標(biāo)數(shù)據(jù)，如表3所示。

在單因子評(píng)價(jià)中，對(duì)于指標(biāo)量值增加與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的增加方向相同時(shí)的單項(xiàng)指標(biāo)采用公式2來(lái)求得單因子指標(biāo)評(píng)價(jià)值;當(dāng)單項(xiàng)指標(biāo)量值的增加方向與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量增加方向相反時(shí)，采用公式3進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出各單項(xiàng)指標(biāo)的生態(tài)安全指數(shù)評(píng)價(jià)值(表4)

2.4 生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述計(jì)算所得到的指標(biāo)權(quán)重及單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)值，本文采用綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算圖們江流域濕地生態(tài)安全度的等級(jí)。公式如下:

式中，I為研究區(qū)濕地生態(tài)安全最終得分，Xi為單因子指標(biāo)得分，Wi為各因子指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)相關(guān)研究［23］，研究區(qū)濕地生態(tài)系統(tǒng)整體的生態(tài)安全度依次劃分為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別是安全(0.8≤I＜1.0)、比較安全(0.6≤I＜0.8)、預(yù)警(0.4≤I＜0.6)、中度預(yù)警(0.2≤I＜0.4)、嚴(yán)重預(yù)警(0≤I＜0.2)5個(gè)等級(jí)。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算出研究區(qū)濕地生態(tài)安全值，從而得到了圖們江流域濕地生態(tài)安全定量化評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表3 2000年和2010年單項(xiàng)指標(biāo)測(cè)度值Table 3 Single measure values in 2000 and 2010

表4 2010年濕地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4 Comprehensive evaluation result of the wetland ecological safety evaluation in 2010

2.5 上、中、下游對(duì)比分析

以圖們江沿岸南坪鎮(zhèn)、甩彎子為圖們江上、中、下游的分界點(diǎn)，根據(jù)圖們江流域水系分布圖、土壤圖以及高程圖的綜合分析，將圖們江流域劃分為上游地區(qū)、中游地區(qū)和下游地區(qū)，分別對(duì)上、中、下游濕地進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)，并進(jìn)行對(duì)比分析，可以更加客觀的揭示圖們江流域的濕地生態(tài)安全狀況。根據(jù)上文對(duì)于圖們江流域濕地綜合評(píng)價(jià)方法，依次對(duì)上、中、下游進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)。通過(guò)計(jì)算得到，2010年圖們江流域上游地區(qū)、中游地區(qū)、下游地區(qū)的濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)值分別為 0.525、0.333、0.449(表 5)。其中，上游地區(qū)、下游地區(qū)處于預(yù)警狀態(tài)，中游地區(qū)處于中度預(yù)警狀態(tài)，從地區(qū)濕地生態(tài)安全狀況來(lái)看，上游地區(qū)﹥下游地區(qū)﹥中游地區(qū)。圖們江流域上游地區(qū)主要位于延邊朝鮮族自治州和龍市境內(nèi)，濕地生態(tài)安全值為0.525，處于預(yù)警狀態(tài)，且比較接近比較安全狀態(tài)，由于距離長(zhǎng)白山較近，地勢(shì)相對(duì)較高，而且落差較大，該區(qū)人口密度相對(duì)較小，濕地生態(tài)系統(tǒng)受人類的干擾較小，自然景觀保存相對(duì)比較完整，濕地生態(tài)功能相對(duì)比較完善，生態(tài)系統(tǒng)雖也遭受一定的破壞，但是生態(tài)系統(tǒng)尚可以維持。圖們江流域中游地區(qū)主要位于延邊朝鮮族自治州內(nèi)的延吉市、龍井市、圖們市和汪清縣境內(nèi)，濕地生態(tài)安全值為0.333，處于中度預(yù)警狀態(tài)，由于延吉市一直以來(lái)是延邊州的經(jīng)濟(jì)、政治和文化中心，人口壓力較大，土地開發(fā)利用較多，使得本地區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)受到相當(dāng)嚴(yán)重的破壞，景觀破碎，濕地生態(tài)功能退化，對(duì)外界的干擾反應(yīng)比較敏感，是圖們江流域濕地生態(tài)安全值最低的地區(qū)。圖們江下游地區(qū)主要位于延邊朝鮮族自治州琿春市內(nèi)，濕地生態(tài)安全值為0.449，處于預(yù)警狀態(tài)，且接近于中度預(yù)警狀態(tài)，由于下游地區(qū)敬信鎮(zhèn)防川村特殊的自然地理位置，該區(qū)旅游業(yè)發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與農(nóng)業(yè)開發(fā)使得本地區(qū)濕地自然景觀受到一定的破壞，生態(tài)系統(tǒng)活力表現(xiàn)衰退，濕地生態(tài)功能有一定的退化，但生態(tài)系統(tǒng)尚可維持。

表5 2010年圖們江上、中、下游濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5 Evaluation results of wetland ecological safety in the tumen river upstream，midwstream，downstream in 2010

2.6 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)本文的研究方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)2010年圖們江流域濕地生態(tài)安全現(xiàn)狀進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為0.454，處于預(yù)警狀態(tài)，即濕地生態(tài)系統(tǒng)自然狀態(tài)受到一定的影響，結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的變化，受人類活動(dòng)影響較大，接近濕地生態(tài)闕值，系統(tǒng)尚穩(wěn)定，但敏感性強(qiáng)，濕地生態(tài)系統(tǒng)可維持，但已有少量的生態(tài)異常出現(xiàn)，主要表現(xiàn)為:污水處理率低，水質(zhì)差、富營(yíng)養(yǎng)化程度嚴(yán)重，自然濕地面積退化，生物多樣性下降，水禽棲息地破壞，景觀多樣性差，斑塊破碎化嚴(yán)重，系統(tǒng)的外部脅迫力較大，功能有所下降，濕地不合理的開發(fā)，濕地受保護(hù)水平較低。由此可見影響濕地生態(tài)健康的因子既有濕地自身生態(tài)過(guò)程，也有人類活動(dòng)作用。

2.6.1 自然因素

濕地動(dòng)態(tài)變化與氣候的變化有緊密聯(lián)系。據(jù)2011年延邊統(tǒng)計(jì)年鑒資料統(tǒng)計(jì)，1960年以來(lái)圖們江地區(qū)氣溫總體趨勢(shì)是逐漸升高的，近50年來(lái)年均氣溫增長(zhǎng)2.27℃，氣溫的變化會(huì)影響水面的蒸發(fā)過(guò)程;大氣降水是濕地的主要補(bǔ)給水源，然而近50a來(lái)該地區(qū)降水量減少127.4 mm。總之，近50年來(lái)，圖們江地區(qū)年平均氣溫呈升高趨勢(shì)，年平均降水量呈降低趨勢(shì)，氣候在總體上從“冷濕”向“暖干”過(guò)渡。氣溫和降水共同制約著濕地植物的生長(zhǎng)狀況及初級(jí)生產(chǎn)力水平;在多雨期容易出現(xiàn)時(shí)間短、雨量大，從而造成洪澇災(zāi)害，通過(guò)破壞濕地的水文、土壤、生物等因素，對(duì)濕地系統(tǒng)產(chǎn)生較大脅迫壓力，最終導(dǎo)致部分濕地退化，濕地系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性及功能的穩(wěn)定性受到破壞，極大地制約著整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)的安全。

2.6.2 人文因素

(1)人口壓力

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，隨著圖們江流域相對(duì)安定的環(huán)境和豐富的土地資源，大量的人口涌向延邊州，導(dǎo)致本地區(qū)人口的快速增加。據(jù)延邊州統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)，1978年近 176萬(wàn)，1990年近 207萬(wàn)，2000年218.4多，2009年約219萬(wàn)。特別是圖們江中游延龍圖城市一體化的建立，以及琿春市將發(fā)展成為東北亞核心區(qū)域城市，加大對(duì)外開放的力度，吸引國(guó)內(nèi)及俄羅斯、韓國(guó)等周邊國(guó)家居民對(duì)該地區(qū)的建設(shè)和發(fā)展。圖們江地區(qū)的城市化進(jìn)程大大加快，人口大量增加，給該地區(qū)的土地利用和濕地生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力。

(2)水利工程修建

據(jù)延吉市志和琿春市志介紹，2003年，在圖們江中游延吉市郊區(qū)的海蘭江建立民俗文化村和高爾夫球場(chǎng)，把海蘭江下游人為的攔截，形成海蘭湖。在朝陽(yáng)河、海蘭江上游分別建設(shè)五道水庫(kù)和大新水庫(kù)，使河流的流量減少;1982年，在圖們江下游敬信鎮(zhèn)人為的建設(shè)龍山水庫(kù)，攔截水源使得圈河下游及周圍的水利聯(lián)系減少乃至被切斷，切斷了內(nèi)流區(qū)的外泄通道，導(dǎo)致原先湖泊萎縮、沼澤化，而沼澤濕地則變干，加劇了天然濕地的破壞。

(3)經(jīng)濟(jì)因素

20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，圖們江地區(qū)濕地變化受經(jīng)濟(jì)因素影響比較突出，在該地區(qū)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中，種植業(yè)的收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于畜牧業(yè)和林業(yè)，加上由于90年代糧食價(jià)格上漲，一些天然的濕地被迅速開墾為農(nóng)田。農(nóng)業(yè)活動(dòng)是該地區(qū)天然濕地減少的主要因素。過(guò)度開墾排干沼澤，圖們江下游敬信地區(qū)的幾個(gè)泡子遭到當(dāng)?shù)鼐用竦膰鷫ǎ瑢?dǎo)致潛水泡沼消失和當(dāng)?shù)貪竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)退化。

3 圖們江流域濕地生態(tài)安全預(yù)警研究

依據(jù)上文所述圖們江流域2010年濕地生態(tài)安全計(jì)算方法，分別計(jì)算出1976年、1990年、2000年的生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，分別為 0.650、0.620、0.536，由此可見，圖們江流域濕地生態(tài)安全有由預(yù)警狀態(tài)向中度預(yù)警發(fā)展的趨勢(shì)。利用1976年—2010年的圖們江流域濕地生態(tài)安全綜合指數(shù)，采用灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建GM(1，1)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖們江流域濕地生態(tài)安全狀態(tài)的預(yù)測(cè)。

3.1 預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

數(shù)列預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)，是基于累加生成的數(shù)列的GM(1，1)模型。根據(jù)鄧聚龍［24］有關(guān)灰色預(yù)測(cè)的介紹，及以上對(duì)各個(gè)時(shí)期濕地生態(tài)安全的計(jì)算，得到原始數(shù)列:

其時(shí)間響應(yīng)式為:

3.2 預(yù)測(cè)模型精度檢驗(yàn)

模型的選擇不是一成不變的。一個(gè)模型要經(jīng)過(guò)多種檢驗(yàn)才能判定其是否合理，是否有效。只有通過(guò)檢驗(yàn)的模型才能用作預(yù)測(cè)模型。

3.2.1 相對(duì)誤差

由預(yù)測(cè)模型得原始數(shù)列的模擬序列:

平均相對(duì)誤差:

模擬誤差Δ4=0.003525＜0.01，根據(jù)表4可知，精度為一級(jí)。

3.2.2 關(guān)聯(lián)度

所以關(guān)聯(lián)度為一級(jí)。

3.2.3 均方差比

均方差比C:

均方差比值為一級(jí)。

3.2.4 小誤差概率

小誤差概率:

小誤差概率為一級(jí)。

故可用:

進(jìn)行預(yù)測(cè)。這里給出4個(gè)預(yù)測(cè)值如下:

4 結(jié)論與展望

本研究以圖們江流域濕地生態(tài)安全為出發(fā)點(diǎn)，基于PSR模型構(gòu)建了適合該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在3S技術(shù)和統(tǒng)計(jì)年鑒的支持下，獲取了1976年、1990年、2000年、2010年4個(gè)年份的景觀格局指標(biāo)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重;在使用邏輯斯蒂增長(zhǎng)曲線模型對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，使用綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各個(gè)時(shí)期的圖們江流域濕地生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終得到1976年、1990年生態(tài)安全值分別為0.650、0.620，等級(jí)為比較安全，2000年、2010年生態(tài)安全值分別為0.536、0.454，為預(yù)警狀態(tài)，應(yīng)及時(shí)對(duì)該區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

表6 灰色預(yù)測(cè)精度檢驗(yàn)等級(jí)表Table 6 Grey forecasting precision inspection level

在獲取4個(gè)年份濕地生態(tài)安全值的基礎(chǔ)上，本研究基于灰色預(yù)測(cè)GM(1，1)模型構(gòu)建濕地生態(tài)安全預(yù)測(cè)模型為

并進(jìn)行模型精度檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，模擬誤差為0.003525﹤0.01，精度為一級(jí);關(guān)聯(lián)度為0.995626﹥0.90，關(guān)聯(lián)度為一級(jí);均方差比為0.03383﹤0.35，均方差比為一級(jí);小誤差概率為1﹥0.95，小誤差概率為一級(jí)。由此可見，模型精度較高，可以作為圖們江流域濕地生態(tài)安全的預(yù)測(cè)模型。本研究做出了圖們江流域未來(lái)40a的濕地生態(tài)安全預(yù)測(cè)，分別為2020年為 0.3903，2030年為 0.3345，2040年為0.2866，2050年為 0.2456(圖 6)，均為中度預(yù)警狀態(tài)，并有向重度預(yù)警發(fā)展的趨勢(shì)，生態(tài)安全面臨的威脅越來(lái)越嚴(yán)重。

圖6 圖們江流域濕地生態(tài)安全值模擬及預(yù)測(cè)Fig.6 The predictive value of tumen river watershed wetland ecological safety

在圖們江地區(qū)大開發(fā)的背景下，為了能使?jié)竦厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)協(xié)調(diào)發(fā)展，政府應(yīng)健全相應(yīng)的法律法規(guī)，保證濕地生態(tài)保護(hù)有法可依;及時(shí)治理水污染，限制排污企業(yè)的日排水量;設(shè)立濕地保護(hù)區(qū)，保護(hù)現(xiàn)有濕地不受破壞;積極修復(fù)輕微受損的濕地，改善生態(tài)環(huán)境;加強(qiáng)科技、資金投入，引導(dǎo)高等院校、科技部門進(jìn)行濕地生態(tài)系統(tǒng)安全研究;大力宣傳教育，提高民眾保護(hù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的自覺性。

本研究在項(xiàng)目組大量前期工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合PSR模型和灰色預(yù)測(cè)模型對(duì)圖們江流域濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)和預(yù)警進(jìn)行了深入研究。但是，因?yàn)槊糠N模型都有自己的缺陷，濕地生態(tài)系統(tǒng)更是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不可能僅僅依靠幾個(gè)模型就可以完全描述，加上研究數(shù)據(jù)的可獲取性、研究方法的制約等，還需建立和健全濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)和預(yù)警的方法體系。圖們江流域這種大尺度的研究區(qū)域，生態(tài)系統(tǒng)非常復(fù)雜，涉及到自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)方面的內(nèi)容，單靠一個(gè)學(xué)科的知識(shí)很難全面描述其特點(diǎn)和規(guī)律。因此，今后的研究要從多層次、多角度方面開展?jié)竦厣鷳B(tài)安全評(píng)價(jià)與預(yù)警研究。

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