會仙巖溶濕地生態系統健康評價

汪海倫， 路明*， 鄒勝章， 申豪勇

(1.河北工程大學水利水電學院， 邯鄲 056001； 2.河北省智慧水利重點實驗室， 邯鄲 056001； 3.中國地質科學院巖溶地質研究所， 桂林 541004)

濕地是人類不可多得的寶貴財富，對環境的調控性非常大。作為地球上物種多樣性最為豐富的生態景觀之一，濕地生態系統是一個相對獨特的自然生態系統[1]。濕地生態系統功能繁多，如調節氣候變化，凈化水質，提供物種棲息地，保證水資源供給等，被人們廣泛看作“物種基因庫”和“生物超市”[2-3]，同時也被譽為“地球之腎”“人類文明的發源地”[4-6]，并與森林、海洋一起稱為全球的三大生態系統[7]。維護濕地生態系統健康對保障系統功能發揮和促進生態文明建設具有重要作用。

現今，已有學者嘗試從某些方面對會仙巖溶濕地風險評估做了相應的探討，如濕地豐平枯水期地表水污染及灌溉適用性評價[8]、典型的抗生素污染特點及生態風險評估[9]、生態系統服務功能價值動態評估[10]以及水體金屬元素分布與健康風險評價[11]等研究。然而，針對會仙巖溶濕地開展具有巖溶特征的評價指標體系構建并進行評價的研究相對較少。為此，應用“壓力-狀態-響應”模型，構建體現巖溶濕地特征、適于巖溶濕地生態系統健康評價的指標體系，并運用二元對比定權法確定各類指標權重，采用綜合評價指數的評價方法對會仙濕地進行評價，以期為會仙濕地生態系統的保護和治理工作提供科學依據。

1 研究區概況

會仙濕地位于廣西壯族自治區桂林市西南部，由臨桂區會仙鎮、四塘鄉和雁山區部分地區組成。距桂林市區約30 km，交通便利。其地理坐標為：東經110°08′15″～110°18′00″、北緯25°01′30″～25°11′15″。基于會仙濕地獨特的地域特性和環境調控優勢，會仙濕地于2012年正式被國家林業和草原局納入國家濕地公園試點。

會仙巖溶濕地是中國低緯度、低海拔亞熱帶喀斯特地區規模最大的自然濕地，也是中國乃至世界熱帶、亞熱帶巖溶峰林地貌中最具有研究價值的典型濕地。近年來，會仙濕地在各種自然因素和人為因素的影響下，面積日漸萎縮，生態環境日趨惡化，生態系統脆弱性加劇[12]，濕地面積也由20世紀70年代的120 km2退化萎縮至24 km2，常年水域面積不足6 km2，整體生態環境已處于瀕危狀態。基于會仙濕地面臨的問題，桂林市人民政府出臺了一系列政策，堅持優先考慮濕地的生態價值修復原則，促進濕地保護和綜合利用，修復濕地生態系統，會仙巖溶濕地自然景觀遭受破壞的趨勢得以基本遏制。

影響會仙濕地的擾動因素存在自然和人類兩個方面，而人類經濟活動在會仙濕地的加速退化和結構演變中起主導作用。

1.1 自然擾動

從自然情況來看，對會仙濕地的影響因素如下。

(1)氣候溫度。全球氣候溫度逐漸上升，年均氣溫從近60年升高了0.8 ℃[13]。氣溫升高造成了濕地環境干燥缺水、地下水位下降和水域面積減少，出現巖溶塌陷以及連續水體被分隔的現象，最終造成濕地萎縮。

(2)水文地質。由于會仙濕地特殊的水文地質結構，濕地內旱澇交替災害頻發，平均每年出現澇災次數達7.6次。

(3)外來物種入侵。水葫蘆和空心蓮子草等外來物種在富營養化的水體中瘋狂生長，導致河道堵塞；大量的福壽螺繁殖能力超強，對當地農田危害性較大。

1.2 人類擾動

(1)圍墾養殖。河湖圍墾、養殖過度等人類活動，加速了濕地面積的萎縮和濕地環境的退化，過度捕撈造成濕地主要魚類種群出現衰退甚至喪失。

(2)水土污染。人口的增多造成濕地內排污量增加，居民區周邊濕地受到了一定程度的污染，造成水體富營養化。此外，雖然水葫蘆在凈化水質方面有一定的作用，但其在生長過程中需要消耗大量的氧氣，促進厭氧微生物的繁殖和代謝，這一過程致使濕地出現大量水葫蘆腐爛現象，進一步加劇了水體富營養化。隨著大量使用農藥和化肥，會仙濕地受到嚴重污染，自然濕地面積減少，生態恢復能力逐漸退化，部分物種數量逐漸減少甚至消失。

(3)石漠化。不合理的開發加劇了石漠化惡化程度，1973—2018年，石漠化面積增加了3.49 km2，造成水土流失，進而致使濕地淤積、調蓄功能降低。

2 會仙濕地生態系統健康評價指標體系構建

2.1 評價指標的選取原則

從眾多擾動因素中分析能夠準確反映生態系統健康狀況的關鍵指標，篩選指標原則如下。

(1)整體性。任何生態和環境問題都是互相依存的，兩者互相作用、共同影響，不可能獨立存在。會仙濕地生態系統作為自然-經濟-社會復合型生態系統，需要從綜合性的角度出發進行考慮。

(2)代表性。所選指標要結合會仙濕地的實際情況，能夠客觀、全面地反映濕地生態系統健康狀況。

(3)地域性。所選指標要因地制宜，能體現出巖溶地區地域特色。

(4)可操作性。所選指標計算簡單，數據容易獲取。

(5)科學性。所選指標要能體現會仙濕地生態系統結構的發展，且各指標概念清晰，計算方法具有科學性。

2.2 評價指標系統的建立

依據上述指標篩選原則，結合會仙濕地人與環境之間的相互作用關系，從生態系統的基本組成、生態特征、經濟社會影響等多方面進行篩選，建立了三層遞階結構會仙濕地生態系統健康評價指標體系，如表1所示。

(1)壓力指標：表征自然和人類活動對會仙濕地生態系統健康影響的外界因素。上述因素中，人類活動對濕地干預最大，如濕地蠶食圍墾、過度養殖和捕撈、污水肆意排放等。選取人口密度、年均降雨量、年均氣溫和土地利用率4項指標做為會仙濕地生態系統健康評價的壓力指標。

表1 會仙濕地生態系統健康評價指標體系Table 1 The ecological health assessment index system of Huixian wetland

(2)狀態指標：表征會仙濕地生態系統與健康環境現狀等狀態。選取指標時主要考慮環境或生態系統的生物、物理化學特征及生態功能[14]。從水質、生物、生態和巖溶特征等多個角度選取了9項指標。

(3)響應指標：表征意識和行為的變化對不利于生態環境健康做出的反應。隨著人類活動的加劇，濕地生態系統內部調控結構和功能受到破壞，濕地生態環境越來越惡劣。因此，本文從濕地現狀及社會響應兩方面選取了濕地退化指數、斑塊破碎化指數、濕地保護管理級別、政策支持4項指標。

2.3 評價指標等級劃分標準

指標評估標準要綜合性考慮和衡量，否則將直接影響評估結果的精度和準確性[15]。根據會仙濕地特性，并結合《國家濕地公園評估評分標準》(LY/T 1754—2008)及相關文獻等資料[13,16-20]，對會仙濕地生態系統健康評價各指標進行等級劃分，如表2所示。

表2 會仙巖溶濕地生態系統健康評價指標分級標準Table 2 Classification standard for health assessment index of Huixian karst wetland ecosystem

3 會仙濕地生態系統健康評價分析

3.1 二元對比定權法確定指標權重

濕地生態系統健康狀況的合理評價是濕地管理決策的基礎，而濕地健康評價結果通常取決于確定的指標權重是否合理，因此指標權重的確定是濕地健康評價中的一個關鍵步驟[21]。目前，確定指標權重的方法主要有兩大類，一類是主觀賦權法，一類是客觀賦權法[22]。主觀法較為成熟，如層次分析法、Delphi法[23]和環比評分法等。客觀法多采用熵值法、多目標規劃法和主成分分析法(principal component analysis，PCA)等[24]。前者主觀性太強，應用中也具有很大的局限性，后者雖然客觀，但對于功能整合性指標中的定性部分則無法實現權重的確定[7]，或者確定的權重與實際情況并非完全一致。在充分考慮主客觀賦權法的優缺點基礎上，采用定性排序和定量標度相結合的二元對比定權法，其基本原理和求解步驟如下[25-28]。

(1)建立重要性排序一致性標度矩陣E：對含有n個指標的指標集D={d1,d2,…,dn}中每個指標按其重要性分別進行二元對比：若di比dj重要，則排序標度eij=1，eji=0；否則eij=0，eji=1；若兩者同等重要，則eij=eji=0.5；i=1,2,…,n；j=1,2,…,n。根據比較結果構建二元對比定性排序標度矩陣E為

(1)

值得注意的是eij與eji僅在0、0.5、1之中取值。

(2)標度矩陣E的一致性檢驗：指標重要性排序一致性檢驗條件為：若排序標度ehi>ehj，有eji>eij；若ehi

(3)定性判斷目標函數重要性等級：通過一致性檢驗后，標度矩陣E中各行和數從大到小的排列順序即可確立指標集的重要性定性排序。

(4)根據語氣算子與模糊標度、隸屬度關系定量確定指標權重：指標定性排序后，進行二元對比，確定各種語氣算子的隸屬度值和對應隸屬度，如表3所示，將指標非歸一化權重數值歸一化后即可得到權向量W，如表4～表7所示。

表3 語氣算子與模糊標度、隸屬度的對應關系Table 3 Relationship of mood operator, fuzzy scale and membership degree

表4 各子系統權重Table 4 Weight of each subsystem

表5 壓力指標B1權重Table 5 Pressure index weight B1

表6 狀態指標B2權重Table 6 State index weight B2

表7 響應指標B3權重Table 7 Response index weight B3

根據表4～表7中的數據，得到壓力指標B1、狀態指標B2和響應指標B3在目標層中的同級權重分別為0.18、0.753、0.067。

3.2 評價方法

3.2.1 評價模型選擇

壓力-狀態-響應模型(pressure-state-response, PSR)是一種典型的生態系統健康評價模型，能夠清楚地反映人類活動對濕地生態環境所產生的壓力、生態系統結構和功能的變化以及人類應對生態環境的惡劣變化做出的反映之間的因果關系[29]。PSR模型包括壓力、狀態和響應三類指標，目前被廣泛運用于濕地生態系統健康評價[30-31]。PSR模型的主要優點是濕地生態系統的復雜性與各種環境影響因素間的邏輯關系清晰，充分考慮了外界壓力干擾、濕地生態系統的狀態變化和人類社會的應對措施。通過PSR模型分析后往往更容易得出一個客觀的結果。因此，本研究以此模型為框架，結合會仙濕地的具體情況，對會仙濕地的生態系統健康狀況進行評價。

3.2.2 綜合評價

采用綜合評價指數法(comprehensive evaluation index, CEI)[32]，綜合多項指標對會仙濕地生態系統的健康狀況進行評價，定量得出濕地整體健康狀況。根據各個單項指標的評價值，采用前述所確定的各指標權重，再用多目標線性加權函數進行計算，計算公式為

(2)

式(2)中：Wi為第i個單項指標的權重值；Pi為第i個單項指標的評價等級。

3.2.3 評價標準

綜合中外學者對濕地生態系統健康評估的相關研究成果和本地區會仙濕地的實際情況，考慮到濕地生態系統的綜合性，對其健康程度進行等級劃分，并確定會仙濕地的健康評估分類標準[33-35]，如表8所示。

表8 濕地生態系統健康程度分級標準Table 8 Classification standards of wetland ecosystem health

3.3 綜合評價結果分析

3.3.1 壓力分析

從PSR模型壓力層的角度來看，會仙巖溶濕地生態系統健康程度主要受人口制約。隨著會仙濕地內人類活動的加劇，濕地面積不斷萎縮，生態恢復能力逐漸退化，部分物種數量逐漸減少甚至消失。

3.3.2 狀態分析

巖溶石漠化易于造成水土流失，致使濕地淤積、調蓄功能降低。從狀態層中的狀態指標來看，石漠化程度C11、地下巖溶管道發育形態C13是壓力指標中影響濕地生態健康的關鍵因素。此外，濕地自然災害C9和巖溶地下水位變幅C12也對濕地生態系統健康構成了重要威脅。

3.3.3 響應分析

在響應層中，濕地退化指數C14權重最大，通過采取相應的保護措施減小濕地退化指數對改善會仙濕地生態功能和結構、抵御外界壓力干擾和維持濕地生態系統穩定性具有顯著作用。

3.3.4 綜合評價

通過綜合指數評價法計算，得出會仙巖溶濕地健康指數為2.992。據表8可知，健康狀況屬于第Ⅲ等級(亞健康)。研究結果表明，在自然和人類活動的持續干擾下，會仙濕地的生態系統受到一定程度的破壞，生態環境日趨惡化，功能水平退化。

4 結論

以會仙巖溶濕地生態健康保護為目標，從會仙濕地生態系統開發綜合利用和可持續發展理念出發，對會仙巖溶濕地生態系統健康狀況進行評價，得出以下結論。

(1)基于PSR模型理論框架，結合巖溶地區濕地特征，構建了會仙巖溶濕地生態系統健康評價指標體系。

(2)在充分考慮主客觀賦權法的優缺點基礎上，運用定性排序和定量標度相結合的二元對比定權法確定了各指標權重，并采用綜合評價指數法對會仙濕地生態系統的健康狀況進行了評價。

(3)從綜合評價結果得出，會仙濕地生態系統健康指數為2.992，健康狀況為亞健康，濕地生態系統受到一定的脅迫。