洞庭湖濕地生態系統評價

張 猛 秦建新

（湖南師范大學 資源與環境科學學院，湖南 長沙410081）

濕地是世界上具有獨特結構與功能的生態系統，有蓄洪防旱、降解污染、調節氣候等諸多生態功能，被譽為“地球之腎”、“人類基因庫”和“人類搖籃”，與森林、海洋一起并列為全球三大生態系統[7]。隨著世界范圍內的自然濕地生態退化問題日益突出，濕地的生態恢復、保護、評價與可持續利用已成為當今國際社會關注的熱點，使濕地生態健康評價的研究日益迫切。國外對生態系統健康評價方面的研究較早，以美國為代表的團隊開展了全國性的濕地生態系統健康評價。目前我國在濕地健康評價方面的研究工作還相對較少，主要是從生態特征、功能整合性及社會政治環境等方面構建指標，再運用模糊綜合評價法、單因子和多因子評價法等來進行濕地系統健康評價。其他學者基本都是在此基礎上圍繞物理、生物、化學和社會幾個方面建立一系列指標進行評價[10,11]。美國環保局（EPA）在濕地健康評級方面做了大量的研究工作，對美國國內的大量濕地進行了全面深入的健康評價和診斷，形成了一系列的評價方法。根據評價方法的強度和尺度，美國EPA提出了3個層次的濕地健康評價方法，通常稱為LevelⅠ，Ⅱ，Ⅲ[1]。

洞庭湖濕地是亞熱帶少有的資源豐富、類型多樣的大面積濕地之一，具有多種生態、社會、經濟功能和潛在價值。近年來，由于經濟的迅猛發展以及其它人為因素的影響，洞庭湖濕地遭受了嚴重的破壞，生物多樣性面臨著嚴重的威脅。為了定量分析洞庭湖濕地的健康狀況，提高濕地系統及其資源的監測和研究科學水平，也能夠為其規劃和發展提供可靠的科學依據，本文利用美國環保局提出3個層次的濕地健康評價法中的景觀發展強度法LDI（LevelⅠ）和快速評價法WRAP（LevelⅡ）來對洞庭湖濕地健康進行定量分析與評價，為湖區的可持續管理提供參考。

1 研究區概況

洞庭湖區地處長江中游荊江南岸，地跨湘、鄂兩省，占據長江中下游最敏感又最脆弱的生態區位，空間上介于長江東西不同景觀生態的過渡地帶，大部分地區的海拔高度不到50m。本研究選擇的范圍位于湖南省行政區內的洞庭湖區，為環繞洞庭湖水域的丘陵和沖擊平原地區，地處湖南省東北部（北緯 28°17′～29°57′，東經 111°32′～ 113°45′），涉及益陽市、岳陽市和常德市，共包括8個縣級單位、4個縣級市以及7個區。其中有益陽的赫山區、資陽區、沅江市和南縣；岳陽市的君山區、岳陽樓區、云溪區、汨羅市、華容縣、岳陽縣、臨湘市、湘陰縣；常德市的武陵區、鼎城區、臨澧縣、漢壽縣、澧縣、津市市、安鄉縣。湖區屬于典型的亞熱帶季風氣候，河網密布，湘、資、沅、澧四水流經，水土、生物等資源要素豐富。湖區產業基礎較好，內外交通便利，生態資源獨特，城鎮分布密集，具備潛在的發展空間。研究區域面積3.2萬km2，占湖南省面積的15%；研究區人口1147.72萬，占全省的16.05%；GDP總量為3858.34億元，占全省的比例為19.62%。

2 研究方法

美國環保局（EPA）從20世紀90年代開始進行了全國范圍的濕地調查和健康評價工作，也開發了許多實用的健康評價方法。其監測和評價策略可以簡述為“三級框架”，從區域、景觀尺度的LevelⅠ到快速的實地調查法LevelⅡ，再到強大的生物和物理化學方法。這三個層次的評價方法可以互相校正和檢驗。LevelⅠ，是利用地理信息系統和遙感技術的一種景觀尺度的評價方法。此方法的優點為可以用較少的資源來評價大面積或大量的濕地，但其對單個濕地的基本情況的評價精度相對較低。LevelⅡ評價方法是利用單個濕地簡單的觀測數據來快速評價，一般僅需要幾個工作日即可完成，并且評價精度適中。因此LevelⅡ評價方法是最普遍使用的方法。LevelⅢ評價方法是一種利用野外采樣定量進行場地評價的強度較大的方法，該方法精度最高，可以評價濕地的健康或生態完整性，但需耗費大量的人力、物力和財力。

2.1 景觀發展強度法（LDI）

LDI法是一種典型的LevelⅠ的評價方法，它通過GIS和遙感影像數據在大尺度的景觀乃至區域水平對濕地健康狀況作評價。LDI法的核心思想是人類活動同土地利用相聯系，對生態系統的功能、健康、整合性等產生影響。實際上是通過土地利用類型來評價人類干擾強度，進一步反映濕地的健康狀況。通過土地利用程度來量化人類發展強度是為了確定LDI系數。LDI系數是根據單位時間單位面積的能值（energy）來定量人類活動。對energy取自然對數并且將其標準化至1.0-10.0的范圍內，即得到LDI系數。不同的土地利用類型對應不同的LDI系數，完全自然的土地對應1.0，而受到高強度干擾的土地利用類型則對應10.0。已有的研究對不同的土地利用類型單位面積單位時間的耗能平均值進行了計算[3,4]，本文參考了Brown和Vivas提供的LDI系數。

LDI計算公式如下：

式中：LDItotal———某一景觀單元的LDI值；

%LUi———第i種土地利用類型面積占所有土地面積的百分比；

LDIi——— 第i種土地利用類型的景觀發展強度系數。

2.2 濕地快速評價法（WRAP）

快速評價方法是最早被用于濕地評價的方法，該類方法花費低廉，能在短時間內收集到所需的數據，主要用來評價單個濕地或數量較少的濕地。濕地快速評價法的核心思想可以用一個分級概括 （圖1）。它的實質是根據濕地的區域類型及相關特性（模型左邊部分），從眾多能體現濕地性質的指標中篩選出最能反映濕地系統健康狀況的精煉且有針對性的指標（模型右邊部分），并確定適合該濕地類型的評價方法。因此一個有效的濕地快速評價方法必須是基于快速評價指標的，而這些指標的選擇需要對區域中的濕地過程（濕地的產生、維持及退化）進行深入分析[5,6]。

圖1 濕地快速評價方法的概念模型

快速評價法的步驟包括：濕地的分類，確定評價范圍，選擇評價指標，確立賦值標準及指數模型，實地調查，結果分析。

3 數據來源及處理

空間數據包括shapefile格式的行政區矢量數據和覆蓋研究區范圍的遙感數據。其中，遙感數據為Landsat-7衛星遙感影像。主要的資源環境和社會經濟數據來自 《湖南省統計年鑒》、《中國湖泊志》等資料。外業調查數據包括：①利用GPS采集的地面控制點，對照遙感影像進行地物辨認以實現部分解譯，分析各地類在遙感影像上的成像規律和影響特征，為室內判讀分析建立解譯標志。②完成自然及人類干擾的調查，并填寫濕地快速評價打分表及人類干擾調查表。

以2008年Landsat TM遙感影響（分辨率30m）為數據源，依據我國現行的土地利用分類系統，同時結合洞庭湖濕地土地利用的特點，以及與LDI系數表中的土地利用類型分類想聯系，將該區分為城市，水體，空閑地，耕地，水生植被，林地等6類土地利用類型。利用遙感影像處理軟ENVI4.8，對遙感影像進行預處理和人機交互解譯，獲得2008年比例尺為1：50萬的 洞庭湖區土地利用/覆被類型圖（圖2），并通過GPS進行了野外抽樣驗證，土地利用數據分類總體精度達到90%。

圖2 洞庭湖區土地利用及覆蓋

4 洞庭湖濕地生態系統健康評價

4.1 景觀發展強度法（LDI）

LDI實際是通過土地利用方式的改變來量化人類干擾強度，主要考慮研究區范圍內能夠對濕地生態過程形成直接影響的單元。為了提高評價精度，需確定邊界之外的最佳緩沖區寬度。根據已有的研究經驗，在所考慮的緩沖區之外沒有特別的景觀特征會對濕地的健康構成影響，100m緩沖區足以抓住影響濕地健康的主要干擾[2]。為了驗證LDI方法的靈敏度，將洞庭湖區15個縣、市作為研究區域，結合野外調查的經驗，將這15個區域劃分為三個先驗分類：自然、農業、城鎮。其中自然濕地人類干擾相對較小，而城鎮濕地的濕地景觀特征破環最為嚴重。根據實地考察，將15個研究區域進行先驗分類。其中，臨湘市和岳陽縣為自然濕地，其它分區均為農業濕地。據Brown和Vivas的研究經驗，LDI值介于1.0-2.0之間的可被認為是自然濕地，2.0-5.0為農業濕地，大于5.0為城鎮濕地。

利用Arcgis9.3對遙感影像的分類結果進行統計分析，得到15個縣、市的土地利用類型分布面積，結合公式（1）計算各自的LDI值（如圖 3）。

圖3 洞庭湖15個研究區域LDI值

從先驗分類來看，洞庭湖濕地15個研究區域已經沒有自然濕地，LDI值全部介于2.0-5.0之間，屬于農業濕地范疇。這顯示，洞庭湖濕地正在退化，濕地的自然狀態已經被破壞。

4.2 快速評價法（WRAP）

4.2.1 濕地類型、評價范圍及評價指標

整個洞庭湖濕地特征較為一致，屬湖泊沼澤濕地。為了跟LDI法的評價結果做比較，濕地的評價范圍及分區跟前者保持一致。快速評價指標的選擇一方面需符合快速評價法的四個標準，同時還應適用于所研究的濕地區域，所確立的各個指標必須獨立[8,9]。通過比較，認為佛羅里達州濕地快速評價法的評價指標比較合適洞庭湖濕地。共選了六個相互獨立的評價指標：野生動物利用；濕地冠層植被；濕地底層植被覆蓋；相鄰地域支撐和緩沖區；濕地水文；輸入水質和預處理系統。

4.2.2 賦值指標及指數模型

將每個評價指標的得分分為四級：0，1，2，3。其中3分代表相對受人類干擾較少的狀態，而0分則說明濕地已經嚴重受損。每個指標可以打0.5分，將六個指標的得分和除以它們的可能最大得分值即得到評價的總得分，總得分介于0-1之間，代表了濕地的健康狀況。

4.2.3 實地調查及結果

由于工作量較大，本研究只對8個縣、市研究區進行了實地考察，并做快速評價。記錄濕地快速評價得分，并且作了相應的人類干擾調查，結果如下表。

表1 各分區濕地的WRAP值

4.3 討論

4.3.1 LDI和WRAP間的相關性分析

根據這8個區域的LDI值和WRAP值作相關分析（spearman'rank correlation），結果顯示LDI同WRAP間的相關系數絕對值達到了0.833（p＝0.0108），兩者間存在較為明顯的相關性（圖 4）。LDI法在景觀尺度對濕地內的人類干擾強度作定量評價，反映濕地健康狀況。濕地快速評價結果基本上是基于快速的野外濕地調查獲取相關數據而得到的，它同LDI是兩種獨立的評價方法。但LDI和WRAP評價結果間顯著的相關性，說明LevelⅠ的LDI法能夠被LevelⅡ的快速評價法所驗證。所以在洞庭湖區濕地生態系統健康的LDI評價方法是適宜的。

圖4LDI和WRAP的相關性

4.3.2 先驗分類間的比較

分析結果顯示一十五個研究區域的LDI值都處在2.0-5.0之間，根據Brown等的研究經驗，證明本研究的先驗分類是合理的。但是兩個先驗的自然濕地（臨湘市和岳陽縣）的LDI值都已經大于2，落入農業濕地的范疇，說明洞庭湖區的濕地已全面收到了人類干擾，難以再找到完全自然的濕地區域。而方差分析的結果也顯示參考濕地和農業濕地類型間 LDI值和 WRAP 值差異不顯著 （LDI，p＝0.056；WRAP，p＝0.164），說明我們認為的自然濕地也正在向農業濕地類型轉化，其生態健康狀況正在降低。實地考察結果印證了這一結論，在研究區內，岳陽市，華容縣，常德市，安鄉縣，南縣等其主要景觀類型已經變成耕地及城市，這幾個區域（常德市除外）的LDI值都在4左右。而且大多數研究區域的水域也受到了旅游，圍欄養魚等高強度人類的干擾。LDI值得分最低的區域是臨湘市地處整個湖區的東北部，離洞庭湖相對較遠，受人類干擾相對較小，濕地生態狀態較為接近自然狀態。

4.3.3 洞庭湖濕地生態系統健康狀況

整個洞庭湖區濕地的LDI值為3.70，屬于農業濕地LDI值的經驗范疇。但是這個結果已經較為接近城鎮濕地的LDI值，說明整個洞庭湖濕地的退化較為嚴重，這與湖區內的旅游開發、圍湖開墾、圍欄養殖等直接的人類干擾有關。與此同時，湖區濕地面積的不斷變化破壞了濕地的生態平衡，長江泄洪、旱澇等自然災害也導致了濕地生態系統發生演變。還有湖區濕地資源不合理的開發導致的濕地生物產量銳減和生態系統失衡，環境污染的加劇使濕地環境質量嚴重退化，生物多樣性招到破壞。三峽工程的運行，對長江干流水量與泥沙的調蓄，將會引起湖區濕地水文和泥沙的顯著變化，從而進一步影響濕地生態系統健康。

WRAP值雖未能給出整個洞庭湖濕地的一個平均值，但是它與LDI結果同時反映了洞庭湖濕地生態系統健康的地區差異（圖5）。從圖5中可以看出：研究區北部和中部的健康程度相對較低，尤其是岳陽市、安鄉縣、南縣三個區域最低；而臨湘市、常德市、漢壽縣的健康程度相對較高。

圖5 洞庭湖濕地健康狀況區域差異

4.3.4 洞庭湖濕地生態系統健康管理措施

洞庭湖濕地的退化是自然和人為因素共同作用的結果。為了湖區的可持續發展，提出以下濕地管理及修復措施：（1）開展洞庭湖資源調查，建立綜合性濕地自然保護區和濕地生態定位站，保護和監測濕地生態環境，為洞庭湖的保護與可持續發展提供科學依據。（2）在社會經濟發展中考慮洞庭湖濕地環境容量，在生態承載力范圍內合理利用濕地資源。（3）開展濕地生態修復和重建技術研究。依據洞庭湖濕地自然環境和生態特征，選擇合適的濕地開展濕地修復和重建工作，建立洞庭湖濕地修復和保護示范工程。（4）建立健全的洞庭湖濕地保護政策和制度，提高人們的環保意識。

5 結論

本文在總結國內外濕地生態系統健康研究成果的基礎上，重點對美國濕地三級評價體系中的LevelⅠ和LevelⅡ方法進行了介紹，并將之應用到洞庭湖濕地的健康評價研究中，并探討這兩種方法的效度。通過研究發現：研究區內已經沒有完全的自然濕地存在，全部屬于農業濕地范疇，濕地退化較為明顯。隨著人口的增長、生活水平的提高及消費結構的變化，湖區人口對各類土地的需求也會發生變化，這必然會引起湖區景觀類型的變化，進而會影響湖區濕地的生態系統健康。因此各級政府應出臺應對政策和措施，以確保湖區的可持續發展。

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