基于集對分析與三角模糊數的濱海濕地生態系統健康評價

彭濤 ，陳曉宏，王高旭，李英海，劉冀

1.三峽大學水利與環境學院，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.中山大學華南地區水循環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系統和過渡性景觀。濱海濕地是海陸相互作用下的具有典型生態“邊緣效應”的地帶，是自然界中生物多樣性最豐富、生產力最高的濕地生態系統之一，在調節區域氣候、養護漁業資源、凈化環境、防止海岸侵蝕和海水入侵、維持生物多樣性等方面發揮著十分重要的作用（何文珊，2008）。然而，隨著沿海社會經濟的迅速發展，快速城市化、大規模圍填海活動、港口碼頭的建設以及海洋環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，對濱海濕地生態健康進行診斷和評價，對于濕地生態系統的修復和可持續利用具有重要意義。

濕地生態系統健康已成為國內外濕地科學研究的前沿和熱點之一（江春波等，2007）。目前，生態系統健康評價方法主要有指示物種法和指標體系法。指示物種法根據生態系統關鍵物種、特有種的數量、生產力、結構功能指標等來描述濕地生態系統的健康狀況（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系統的健康程度。指示物種法簡便易行，是評價自然生態系統的較好方法，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，它根據生態系統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個指標在內的生態系統健康指數。澳大利亞學者選擇環境本底質量、環境變化趨勢和經濟變化趨勢等方面的指標對流域濕地生態系統健康狀況進行定量評價（Walker和Reuter，1996）。近10年來美國環保署（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，評價結果可以實現相互驗證（Breaux等，2005）。近年來國內學者在濕地生態系統健康評價指標體系的理論和方法方面取得了一些進展。針對濕地生態系統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系統健康定量評價研究中。但這些方法主要是基于線性加權平均而進行的綜合評判，使評價結果趨于均化，且對于相鄰指標存在的差異性不能很好地區分（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分析方法，但傳統的集對分析理論不能很好區分同一等級間的差異度系數，而三角模糊數定量表示差異度系數的連續變化過程具有優越性（汪明武等，2011）。因此，本文綜合運用集對分析與三角模糊數理論，采用分段三角模糊數定量描述評價等級標準的模糊性和聯系數的差異度分量系數的連續變化過程，以客觀真實反映濱海濕地健康狀況和退化機理。

1 濱海濕地生態系統健康評價指標體系的建立

1.1 評價指標體系構建

濱海濕地生態系統是涉及自然、經濟和社會等多方面相互聯系又彼此制約的復雜巨系統。20世紀80年代末，經濟合作與發展組織（OECD）和聯合國環境規劃署（UNEP）針對環境指標研究提出“壓力-狀態-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系和系統性，因此被認為是用于環境指標組織和環境現狀匯報最有效的框架。從PSR概念模型出發，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上，構建反映濱海濕地生態系統健康水平的壓力、狀態和響應指標體系，分為目標層、準則層和指標層，共17個評價指標（表1）。

1.2 指標權重及評價標準的確定

考慮到濱海濕地生態系統健康評價的復雜性和模糊性特點，運用定量與定性相結合的模糊綜合評判方法——層次分析法（AHP）計算指標權重，保證評價結果的準確性和有效性。根據AHP原理，通過特爾菲法（Delphi）構造各層判斷矩陣，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。

濱海濕地生態系統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（IV級）和疾病（Ⅴ級）5個等級。在參考國內外濕地生態健康評價標準的基礎上（崔保山和楊志峰，2002；蔣衛國等，2005；朱衛紅等，2012），通過實地考察和專家咨詢等方法，確定濱海濕地生態系統健康評價分級標準（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的分析方法，具有確定性和不確定性結合、定性與定量性結合的特點，應用廣泛。所謂集對就是具有一定聯系的兩個集合所組成的對子，聯系數則是集對分析理論中用來表達集對中具有一定關系的兩個集合的、不確定關系的函數。對于給定的 2個集合組成的集對H=（A，B），聯系數的基本表達式為：

表1 濱海濕地生態系統健康評價指標體系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，取值區間為[-1, 1]；j為對立度系數，取值規定為-1。

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

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；其他符號同上。

2.2 三角模糊數原理

定義1：設在實數域R上的一個模糊數，定義一個隸屬函數若隸屬函數()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難以表達清楚，故本文采用分段三角數模糊來表達實現。

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

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

2.3 基于集對分析與三角模糊數的濱海濕地生態健康評價模型

2.3.1 基于三角模糊數的聯系數

將濱海濕地生態系統健康評價指標實際值與評價等級標準構成一個集對，然后利用三角模糊數確定差異度系數和聯系數，最后根據評價指標權重綜合評價濱海濕地生態健康狀況。

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，表現為聯系數的表達形式也不相同。若指標類型為越小越優型指標（成本型指標），則評價樣本實際值對于Ⅰ級標準的聯系數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，可推得越大越優型指標的數學表達式類似式（5）。

在濱海濕地生態健康評價的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，由五元聯系數定義，設將符合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、中差異度系數、偏反差異度系數（趙克勤，1989）。

差異度系數i的取值是確定聯系數的關鍵。考慮到相鄰等級之間的差異度系數存在極大的模糊性，本文利用分段三角模糊數來表示差異度系數的模糊性，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，即將評價等級界限值s2、s3、s4處的差異度系數分別取為i1= 0.5，i2= 0，i3=-0.5。若指標類型為越小越優型指標，則相應的數學表達式為：

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

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

式中符號同前說明。同理，也可推得越大越優型指標的數學表達式類似式（9）。

2.3.2 綜合評價模型

根據評價指標對等級標準的聯系數μl，結合指標權重向量wl，計算相應的綜合聯系數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 168 km2。地理位置為 37°56′—38°17′N，東經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%，多年平均蒸發量2096 mm，屬于暖溫帶濕潤季風氣候區。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）等名貴海產品的產卵、育幼場所。

20世紀80年代以來，隨著海水養殖業和海鹽業不斷發展，大面積的天然灘涂濕地被開發成為養殖池塘、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，現有自然濕地生態健康狀況堪憂，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健康評價，對于科學認識我國濱海濕地生態健康狀況具有重要現實意義。

3.2 數據來源

研究采用的植被、水質、土壤等自然地理狀況數據來源于海興濕地專題調查，社會經濟數據來源于2012年海興縣統計年鑒、2012年滄州市統計年鑒和 2012年海興縣國民經濟和社會發展報告。海興濕地生態健康評價指標現狀值見表2。

3.3 結果與分析

3.3.1 評價結果

根據海興濕地生態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系數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）求出海興濕地生態健康綜合聯系數為-0.380，相應的級別特征值為 3.760，說明海興濕地生態健康狀況整體處于 IV級水平（一般病態）。根據上述計算步驟，可得到海興濕地生態系統健康評價各子系統的綜合聯系數及評價等級（表3）。

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

3.3.2 結果分析與討論

從評價結果可以看出，海興濱海濕地生態系統綜合健康水平處于一般病態狀態，表明生態系統健康狀況不容樂觀。由表3可知，從子系統層面來看，壓力系統的級別特征值為3.580，屬于IV級（一般病態），說明海興濕地生態系統存在一定的潛在壓力，對生態系統健康存在較大的破壞，主要脅迫因子是農藥施用強度、水資源開發利用率、工業和生活廢水處理率等；狀態系統的級別特征值為3.976，屬于 IV級（一般病態），說明系統受到了一定的人為干擾和破壞，濕地生態系統服務功能已經出現明顯退化的征兆，其制約因素主要是濕地面積退化率、水體富營養化、優勢性植物覆蓋率、土壤有機質含量等；響應系統的特征值為2.948，屬于III級（亞健康），表明人類針對海興濕地生態系統的壓力和狀態采取了一定的響應措施，體現了一定的作用，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保投資占 GDP比重、濕地保護意識和物質生活指數等。

研究結果表明，海興濕地生態系統健康現狀堪憂。主要是由于濕地生態系統的自然狀態受到了人類活動過度干擾，外界脅迫引起濕地生態系統的結構失調和服務功能衰退。主要表現為：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為蝦塘、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，海興濕地周邊工業和城鎮生活污水的不達標排放，農藥和化肥的過量施用，濕地水質凈化功能退化，水體富營養化程度高，濕地保護與管理水平不高。由此來看，在海興濕地生態系統健康現狀條件下，如果再施與較強的不合理外部干擾，系統有可能滑向疾病狀態。因此，需要對海興濕地生態系統健康的壓力進行適時調控，建立濕地生態補償機制，健全濕地管理體系和法制體系，完善海興濕地自然保護區建設，增強公眾濕地保護意識，努力構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展。

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

4 結論

1）根據PSR概念模型，以壓力、狀態和響應3個層面表征濱海濕地生態系統內部作用的因果關系，構建濕地生態系統健康評價指標體系，可以更科學地揭示濱海濕地生態系統的退化機理。

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

3）實例研究結果表明，海興濕地生態健康綜合聯系數為-0.380，相應的級別特征值為3.760，系統現狀整體處于一般病態狀態，評價結果與實際情況較為吻合，說明其在具有模糊性、隨機性和數據信息不全等特點的濕地生態系統健康評價問題中具有較強的應用價值。

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