基于水文地貌法模型的城市濕地水環(huán)境功能評(píng)估
——以南京仙林典型濕地為例

孫一鳴，劉紅玉，李玉鳳，蔡春曉，李玉玲

南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京　210023

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基于水文地貌法模型的城市濕地水環(huán)境功能評(píng)估
——以南京仙林典型濕地為例

孫一鳴，劉紅玉*，李玉鳳，蔡春曉，李玉玲

南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，南京210023

摘要:我國(guó)正處于快速城市化發(fā)展過(guò)程中，許多濕地被改造利用成為城市濕地。如何科學(xué)評(píng)估城市濕地功能及其改變程度，是科學(xué)認(rèn)識(shí)城市濕地的重要內(nèi)容?；谒牡孛卜?，通過(guò)選取區(qū)域受城市化影響小、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能接近于自然濕地的濕地作為參考濕地，利用遙感和GIS的手段以及野外實(shí)地調(diào)查方法，從濕地水環(huán)境功能角度，對(duì)南京仙林區(qū)域內(nèi)典型城市濕地的水環(huán)境特征與功能進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明:(1)城市濕地水環(huán)境功能明顯降低，其蓄水功能、凈水功能、水文調(diào)節(jié)功能明顯低于參考濕地；(2)受城市化景觀復(fù)雜性影響，城市濕地水環(huán)境功能的改變程度呈現(xiàn)個(gè)性化特征，紀(jì)家邊、采月湖和西湖西這3個(gè)濕地可以作為城市化過(guò)程中濕地改造的典范。這一結(jié)論可為城市化區(qū)域內(nèi)濕地的合理開發(fā)利用以及濕地的保護(hù)、恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市濕地水環(huán)境；參考濕地；水文地貌法功能評(píng)估模型；南京仙林

城市濕地是指城市區(qū)域之內(nèi)的淺水湖沼和人工池塘等具有人工半人工性質(zhì)的生態(tài)系統(tǒng)[1- 2]，在城市污染物的遷移轉(zhuǎn)化、蓄水和改善城市水質(zhì)、調(diào)節(jié)城市微氣候等方面發(fā)揮著重要作用[2- 4]，因此被廣泛應(yīng)用于城市生態(tài)建設(shè)之中。然而，城市濕地往往是城市化影響下的產(chǎn)物，是對(duì)原有濕地進(jìn)行改造和利用的結(jié)果。由于城市建設(shè)需要，城市化不僅改變了原有濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且改變了濕地周邊景觀環(huán)境[5]，其結(jié)果必然對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生重要影響。如何科學(xué)認(rèn)識(shí)與評(píng)估城市濕地功能及其變化程度，對(duì)科學(xué)利用與保護(hù)濕地，指導(dǎo)城市規(guī)劃與建設(shè)顯得尤為重要。

濕地功能評(píng)估是對(duì)某一目標(biāo)濕地內(nèi)的物理、化學(xué)和生物學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究，評(píng)估其是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常[6]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于這方面的研究走在前面，美國(guó)發(fā)展了一系列用于評(píng)估自然濕地、恢復(fù)重建濕地以及人工濕地功能的方法。這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，主要包括：專家意見法[7]，這種方法簡(jiǎn)單、快捷，但只能定性的描述不能量化，因而精度不高；生境評(píng)估規(guī)程[8]，該方法僅能反應(yīng)濕地承載某種物種的能力而不能反應(yīng)濕地的全面功能；濕地評(píng)價(jià)技術(shù)[9]，該方法只能預(yù)測(cè)濕地在景觀里所處的位置下發(fā)揮某項(xiàng)特定功能的可能性，不能對(duì)濕地功能做出定量評(píng)價(jià)；濕地快速評(píng)價(jià)法[10]，該方法只能說(shuō)明濕地是否具有某項(xiàng)功能，不能定量表示功能的大??；虛擬參照濕地法[11]，該方法重復(fù)性好、簡(jiǎn)單易行，但是不能比較物種的豐度。以上這些方法對(duì)于濕地功能只是定性的描述而很少有定量的評(píng)價(jià)，并且都側(cè)重從濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部評(píng)估濕地功能，沒有考慮到周邊景觀復(fù)雜性對(duì)濕地功能的影響。鑒于此Brinson和Smith建立了水文地貌法[12- 13]，用于評(píng)估不同水文條件與地貌部位的濕地生態(tài)系統(tǒng)功能。該方法不僅考慮生態(tài)系統(tǒng)尺度下濕地的結(jié)構(gòu)特征，而且考慮周邊景觀尺度環(huán)境影響。其主要特點(diǎn)是選取區(qū)域內(nèi)合適的濕地作為參考濕地，并以此為標(biāo)準(zhǔn)建立評(píng)估模型，測(cè)度待評(píng)價(jià)濕地功能[14]，因而可以快速的評(píng)價(jià)被改造濕地相對(duì)于參考濕地功能上的變化程度。水文地貌法從過(guò)去強(qiáng)調(diào)位于不同地貌部位的濕地到逐漸注重濕地周邊的景觀環(huán)境影響，有利于從對(duì)比角度揭示不同景觀環(huán)境下濕地功能上的差異性，已被廣泛用于各種類型濕地功能評(píng)估研究之中。城市濕地往往是被人為改造利用的濕地類型，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，又常常處于復(fù)雜的城市環(huán)境中，其生態(tài)系統(tǒng)功能易于發(fā)生改變，水文地貌評(píng)估的思路與方法值得借鑒[14- 15]。因此，在考慮城市濕地周邊景觀結(jié)構(gòu)與格局復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，建立城市濕地水文地貌評(píng)估方法，科學(xué)評(píng)估城市濕地生態(tài)系統(tǒng)功能的影響因素與變化程度，具有重要理論與現(xiàn)實(shí)意義。

本文以南京仙林新市區(qū)為研究區(qū)域，選取濕地生態(tài)系統(tǒng)功能中的水環(huán)境功能為代表，建立城市濕地水環(huán)境HGM評(píng)價(jià)指標(biāo)與模型，對(duì)濕地地表蓄水功能、凈水功能以及水文調(diào)節(jié)功能進(jìn)行評(píng)估，揭示城市化影響下濕地水環(huán)境的特征與變化，為城市濕地的保護(hù)、規(guī)劃和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域

本研究以快速城市化的南京仙林新市區(qū)為案例區(qū)域。該區(qū)域(32.059°—32.147°N，118.867°—119.013°E)位于南京東北部，紫金山東麓，面積大約為84.59km2。自2003年以來(lái)，南京市對(duì)該區(qū)進(jìn)行城市化拓展，土地利用發(fā)生巨大變化，建筑用地等人工景觀類型不斷增加，綠地、濕地、林地等自然景觀類型不斷減少。區(qū)域城市化導(dǎo)致大量濕地喪失，許多濕地被改造利用成為高校、商業(yè)區(qū)、高檔住宅區(qū)域內(nèi)重要景觀類型[16- 19]。但同時(shí)也有少量濕地殘留下來(lái)，這些濕地可以作為原來(lái)濕地的代表。

2數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

根據(jù)水文地貌法特點(diǎn)，一方面需要提取濕地水文集水單元(集水區(qū))邊界與其單元內(nèi)土地利用信息，以便分析景觀要素影響；另一方面需要選取標(biāo)準(zhǔn)濕地為參考濕地，選取典型濕地為待評(píng)估濕地，進(jìn)行評(píng)估指標(biāo)確定與模型建立。

2.1濕地集水區(qū)景觀信息提取

為了反映城市化影響下周邊景觀要素對(duì)濕地水環(huán)境功能的影響，需要確定濕地集水區(qū)域。首先，利用南京市5m分辨率數(shù)字高程模型 和ArcGIS 9.3軟件對(duì)不同地形地貌部位的濕地集水區(qū)界線進(jìn)行提取。對(duì)于地勢(shì)較為平坦的濕地集水區(qū)，根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，如道路及排水渠系對(duì)集水區(qū)邊界進(jìn)行修正。集水區(qū)內(nèi)土地利用信息提取是利用Google地圖遙感影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)校正和目視解譯獲得。參照全國(guó)土地利用分類方法，將區(qū)域內(nèi)土地利用類型劃分為濕地、林地、草地、建設(shè)用地、農(nóng)業(yè)用地以及未利用地。

2.2濕地選擇

水文地貌法需要選擇兩種濕地類型。一種是選擇區(qū)域內(nèi)具有代表性的自然或接近自然的濕地作為參考濕地[12,20]，其代表原有濕地應(yīng)有的結(jié)構(gòu)與功能特征。根據(jù)實(shí)地考察與水環(huán)境監(jiān)測(cè)，選擇：大浦塘、西橫山、大成東、大成南4塊濕地作為參考濕地。這4塊濕地受到城市化以及人類活動(dòng)的影響較小，周圍土地利用比較單一，以林地、草地等自然景觀類型為主。另一種選擇在城市化過(guò)程中被改造的濕地作為城市濕地代表，選擇：桂山咀、采月湖、西湖西、紀(jì)家邊、南郵、南財(cái)6塊濕地。這6塊濕地受城市化影響改變明顯，周圍土地利用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；其中，采月湖、紀(jì)家邊、南郵和南財(cái)濕地是高校內(nèi)的校園濕地，桂山咀是城市路網(wǎng)中的濕地，西湖西是位于濕地公園周邊的濕地。

表1　兩種類型濕地集水區(qū)土地利用狀況

2.3建立濕地水文地貌法功能評(píng)價(jià)模型

本文主要從蓄水功能、凈水功能以及水文調(diào)節(jié)功能3個(gè)方面反映城市濕地水環(huán)境功能。根據(jù)濕地水環(huán)境功能主要影響要素分析，選取具有代表性的11個(gè)功能評(píng)價(jià)變量，建立單項(xiàng)濕地水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型[21](表2)，以及綜合功能評(píng)價(jià)模型WEFI=(F1+F2+F3)/3。這11個(gè)變量是建立功能評(píng)價(jià)模型表達(dá)方式的基礎(chǔ)，其中每個(gè)變量代表不同的濕地特征而且每個(gè)變量都是由一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)組成[22]。對(duì)于每項(xiàng)評(píng)估功能每塊濕地樣點(diǎn)會(huì)有一個(gè)功能性涵容指數(shù)[12]，從功能涵容指數(shù)可以看出待評(píng)價(jià)的城市濕地相對(duì)于參考濕地功能上的變化。其中變量經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化之后再運(yùn)用于評(píng)價(jià)模型中，從而使功能涵容指數(shù)的分?jǐn)?shù)范圍都在0—1之間，具有可比性。

圖1　研究區(qū)示意圖以及濕地集水區(qū)Fig.1　Schematic of the study area and the wetland catchments

變量Variable定義Definition水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型WaterenvironmentfunctionalassessmentmodelVwd濕地水深F1:蓄水功能Vwlc濕地水位變化F1=0.30×Vwd+0.14×Vwlc+0.43×Vwa+0.08×Vwsa+0.05×VdivVwa濕地面積Vwsa集水區(qū)面積F2:凈水功能Vpwsa濕地占集水區(qū)面積比例F2=(F2TP+F2TN+F2COD)/3Vdiv景觀多樣性F2TP=0.56×VTP+0.26×Vwa+0.07×Vdiv+0.11×VwvcVcon景觀連接度F2TN=0.56×VTN+0.26×Vwa+0.07×Vdiv+0.11×VwvcVTP水質(zhì)總磷指標(biāo)的濃度F2COD=0.56×VCOD+0.26×Vwa+0.07×Vdiv+0.11×VwvcVTNVCODVwvc水質(zhì)總氮指標(biāo)的濃度水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)的濃度濕地植被蓋度F3:水文調(diào)節(jié)功能F3=0.4×Vwa+0.14×Vwlc+0.26×Vwd+0.04×Vpwsa+0.08×Vcon+0.08×Vdiv

對(duì)于反映濕地水環(huán)境的蓄水功能、凈水功能以及水文調(diào)節(jié)功能，從11個(gè)代表性的變量中選取對(duì)這三項(xiàng)水環(huán)境功能具有重要影響的5個(gè)或6個(gè)變量進(jìn)行組合，這些不同變量的共同作用會(huì)決定某一項(xiàng)功能，從而建立單項(xiàng)功能指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型。其中蓄水功能主要由濕地水深、水位變化、濕地面積、集水區(qū)面積以及景觀多樣性這5個(gè)變量決定。凈水功能主要由濕地水深、景觀多樣性、水質(zhì)指標(biāo)濃度、濕地植被蓋度這4個(gè)變量決定；而凈水功能根據(jù)水質(zhì)指標(biāo)差異性分為凈化磷、氮、化學(xué)需氧量這3個(gè)子功能。水文調(diào)節(jié)功能主要由濕地面積、景觀多樣性、濕地水深、濕地水位變化、濕地占集水區(qū)面積比例、景觀連接度這6個(gè)變量決定。各個(gè)功能評(píng)價(jià)模型中每個(gè)變量的權(quán)重通過(guò)層次分析法確定。

根據(jù)各功能評(píng)價(jià)模型公式可以求出濕地水環(huán)境功能指數(shù)的結(jié)果，參照國(guó)內(nèi)外的各種綜合指數(shù)的分組方法，對(duì)綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的確定[23- 24](表3)。

表 3　濕地水環(huán)境功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.4濕地水環(huán)境數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

從2010年5月份至2011年3月份對(duì)研究區(qū)內(nèi)10塊濕地進(jìn)行每月一次的監(jiān)測(cè)，每塊濕地內(nèi)用500mL聚乙烯瓶平行采集3個(gè)表層水樣，通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室分析的方法得到水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。城市濕地水質(zhì)狀況主要受到周圍人類活動(dòng)及土地利用的影響，相關(guān)研究表明氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)以及高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)這4個(gè)指標(biāo)能夠反映濕地周圍環(huán)境的主要污染物對(duì)濕地的水質(zhì)的影響[25- 27]。所以，本研究選取這4個(gè)化學(xué)指標(biāo)來(lái)反映研究區(qū)濕地的水質(zhì)狀況，其中高錳酸鹽指數(shù)采用酸性高錳酸鉀消解法、氨氮采用水楊酸分光光度法、總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、總磷采用鉬銻抗分光光度法，每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)平行，取其平均值。水位是反映濕地水文條件的重要指標(biāo)，通過(guò)樹立標(biāo)桿對(duì)濕地每月的水位變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)；水深的監(jiān)測(cè)則是每月在樹立標(biāo)桿處向水塘中心(0°)、偏左(-15°)、偏右約(+15°)方向同時(shí)保證水平距離為3.5m的情況下進(jìn)行鉛垂法測(cè)量，取最大值。

濕地內(nèi)植被覆蓋狀況主要是在生長(zhǎng)季節(jié)(5月份、8月份、11月份)對(duì)這10塊濕地內(nèi)的水生植被類型和植被蓋度進(jìn)行調(diào)查得到。具體方法是通過(guò)在濕生植物與陸生植物之間建立樣線，對(duì)濕生植物(水域內(nèi)及岸邊濕生植物)進(jìn)行植物類型及蓋度進(jìn)行測(cè)量。其中蓋度是植物地上部分垂直投影面積占樣地面積的百分比，即投影蓋度[28]。

3結(jié)果與分析

3.1水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型的建立過(guò)程

3.1.1水環(huán)境功能評(píng)價(jià)變量

表4是濕地中各項(xiàng)功能評(píng)價(jià)的變量值，Vwd、Vwlc、VTP、VTN、VCOD、Vwvc是通過(guò)采樣調(diào)查和實(shí)驗(yàn)得到，Vwa、Vwsa、Vpwsa、Vdiv、Vcon是利用景觀生態(tài)學(xué)計(jì)算方法得到。其中VTP、VTN、VCOD表示總氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)年平均值；Vdiv所代表的景觀多樣性通過(guò)香濃多樣性指數(shù)(SHDI)求得；Vcon所代表的景觀連通性通過(guò)連接度指數(shù)(CONHESION)求得。

表4　水環(huán)境功能評(píng)價(jià)變量值

由于各項(xiàng)變量數(shù)據(jù)的性質(zhì)、量綱不同，首先要進(jìn)行量化處理[29]。對(duì)于變量指標(biāo)值越大，各水環(huán)境功能FCI分?jǐn)?shù)越大的情況，可采用公式(1)，反之則采用公式(2)來(lái)計(jì)算:

(1)

(2)

式中,Xij為實(shí)測(cè)值，rij為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值，Xmax、Xmin為最大值、最小值。

按照公式對(duì)各變量指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。而變量Vwvc代表的植被蓋度標(biāo)準(zhǔn)化則根據(jù)之前對(duì)此區(qū)域研究結(jié)果來(lái)確定分值依據(jù)[30]，之前研究表明：各富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)對(duì)濕地植被蓋度響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為無(wú)植物覆蓋及植被覆蓋較高濕地富營(yíng)養(yǎng)狀況較高，而對(duì)于有少量植被覆蓋或較少植被覆蓋水平濕地富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)相對(duì)較低。因此規(guī)定植被蓋度的標(biāo)準(zhǔn)化方式為：植被蓋度1%—10%最優(yōu)為1，11%—60%良好為0.75，超過(guò)60%較差為0.5，無(wú)植被覆蓋為0.25。

表5　水環(huán)境功能評(píng)價(jià)變量值標(biāo)準(zhǔn)化

3.1.2水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型

水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型通過(guò)功能評(píng)價(jià)變量建立，而每個(gè)模型中變量的權(quán)重則通過(guò)層次分析法進(jìn)行確定。首先建立層次分析法的判斷矩陣，為得到客觀性、綜合性結(jié)果，縮小人為因素造成的誤差，通過(guò)5名專家對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)變量的重要程度進(jìn)行判斷，構(gòu)建判斷矩陣。具體為：構(gòu)建最高層判斷矩陣，以蓄水功能為目標(biāo)層，分別來(lái)判斷變量Vwa、Vwsa、Vdiv、Vwd、Vwlc對(duì)于蓄水功能的重要性，如表6。判斷重要程度時(shí)分為9個(gè)等級(jí)，其中1為影響相同、3為影響稍強(qiáng)、5為影響更強(qiáng)、7為影響明顯地強(qiáng)、9為影響絕對(duì)地強(qiáng)，而2、4、6、8的影響則在上述兩個(gè)相鄰等級(jí)之間。

表6　目標(biāo)層判斷矩陣

在完成目標(biāo)層的判斷矩陣構(gòu)建后，對(duì)判斷矩陣的特征向量、最大特征根值(λmax)進(jìn)行計(jì)算。然后是對(duì)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CI。當(dāng)CI=0時(shí)，表示判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI越大判斷矩陣不一致性程度就越嚴(yán)重。一般通過(guò)與隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的比值進(jìn)行比較，其比值記為CR(一致性比例)，如果小于0.10則認(rèn)為判斷矩陣具有令人滿意的一致性。對(duì)于隨機(jī)一致性RI指標(biāo)見表7。

表7　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

最終通過(guò)計(jì)算得出CR為0.017小于0.10，滿足一致性檢驗(yàn)，即所求各評(píng)價(jià)變量的權(quán)重為(0.43，0.30，0.05，0.14，0.08)，最終所求的蓄水功能評(píng)價(jià)模型F1= 0.30×Vwd+0.14×Vwlc+0.43×Vwa+ 0.08×Vwsa+ 0.05×Vdiv。同理建立凈水功能以及水文調(diào)節(jié)功能的評(píng)價(jià)模型，計(jì)算得出CR分別為0.045、0.021，均小于0.10，滿足一致性檢驗(yàn)，最終得出的凈水功能評(píng)價(jià)模型F2和水文調(diào)節(jié)功能評(píng)價(jià)模型F3見表2。

3.2 城市濕地水環(huán)境基本特征分析

3.2.1 濕地水文特征

水深和水位波動(dòng)對(duì)反映濕地水文特征具有直接性和敏感性。從水深特征來(lái)看，參考濕地平均水深為133.4cm，城市濕地的6個(gè)濕地平均水深為122cm，說(shuō)明參考濕地較城市濕地蓄水能力更強(qiáng)。從水位波動(dòng)來(lái)看(圖2,圖3)，參考濕地水位波動(dòng)變化比較規(guī)律，春夏季水位呈上升趨勢(shì)，其中夏季平均水位在基礎(chǔ)水位以上20cm左右；秋冬季水位呈下降趨勢(shì)，冬季平均水位在基礎(chǔ)水位以下10cm左右。相比之下，城市濕地的水位波動(dòng)變化不規(guī)律，各濕地水位出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，說(shuō)明城市化影響下濕地水文調(diào)節(jié)功能比較紊亂。

圖2　參考濕地水位波動(dòng)變化規(guī)律Fig.2　The seasonal variation of reference wetland water level

圖3　城市濕地水位波動(dòng)變化規(guī)律Fig.3　The seasonal variation of urban wetland water level

3.2.2 濕地水質(zhì)特征

表8結(jié)果顯示：參考濕地水質(zhì)總體較好，而每塊城市濕地水質(zhì)都很差。根據(jù)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838—2002)，參考濕地年均各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)基本維持在地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)左右，其中氨氮平均值為0.08mg/L，達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)水平；總磷平均濃度0.09 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；總氮、高錳酸鹽指數(shù)平均濃度0.51、5.62 mg/L，都處于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，城市濕地年平均各水質(zhì)指標(biāo)基本處于地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以上，其中氨氮平均濃度1.24 mg/L、高錳酸鹽指數(shù)平均濃度6.75 mg/L，均達(dá)到Ⅳ類水平，總氮、總磷指標(biāo)平均濃度2.63 mg/L、0.31 mg/L，均達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表8　濕地集水區(qū)水質(zhì)分異特征

3.3濕地水環(huán)境功能評(píng)估

根據(jù)水環(huán)境功能評(píng)價(jià)模型以及標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果，得到各個(gè)濕地的功能涵容指數(shù)和水環(huán)境綜合功能指數(shù)(表9)。從表9可以看出，參考濕地各項(xiàng)水環(huán)境功能的得分較高，可取其各項(xiàng)功能平均值作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表9　不同濕地水環(huán)境功能的差異

表9表明，受城市化影響，城市濕地水環(huán)境綜合功能指數(shù)WEFI值相對(duì)于參考濕地下降了24%，從“良好”下降到“一般”等級(jí)。城市濕地水環(huán)境各項(xiàng)功能指標(biāo)FCI值都有不同程度的下降。其中，凈水功能下降了33%，蓄水功能下降了22%，水文調(diào)節(jié)功能下降了17%。并且，各個(gè)城市濕地水環(huán)境功能變化規(guī)律性不明顯。南財(cái)和南郵濕地水環(huán)境功能處于“很差”級(jí)別，分別下降了48%、41%；桂山咀濕地水環(huán)境功能處于“一般”級(jí)別，下降了25%。西湖西、采月湖以及紀(jì)家邊濕地的水環(huán)境功能處于“較好”級(jí)別，其中西湖西、采月湖濕地水環(huán)境功能分別下降了14%和15%，而紀(jì)家邊濕地水環(huán)境功能則接近參考濕地，只下降了3%；西湖西、采月湖以及紀(jì)家邊濕地WEFI值為0.48、0.49、0.59，甚至高于參考濕地中西橫山濕地的指數(shù)值0.44，說(shuō)明其水環(huán)境功能保持得較好，可以作為城市化過(guò)程中濕地改造的典范。

從單項(xiàng)水環(huán)境功能指標(biāo)來(lái)看，每塊城市濕地之間存在著較大差異性。蓄水功能方面，紀(jì)家邊濕地最優(yōu)，采月湖、西湖西和桂山咀濕地也比較好，而南郵和南財(cái)濕地蓄水功能最差，和參考濕地相比分別下降了46%、36%；水文調(diào)節(jié)功能中也有相同的變化趨勢(shì)，紀(jì)家邊濕地水文調(diào)節(jié)功能處于“較好”級(jí)別，而南郵和南財(cái)濕地和參考濕地相比分別下降了42%、35%，處于“很差”級(jí)別。主要原因是南財(cái)和南郵濕地集水區(qū)面積較大，濕地面積卻很小；濕地水深較淺，并且水位變化比較小，從而使得其蓄水功能以及水文調(diào)節(jié)功能很差。

濕地凈水功能中，采月湖和紀(jì)家邊濕地表現(xiàn)最優(yōu)，其次是西湖西、南郵和桂山咀，而南財(cái)濕地凈水功能最差，和參考濕地相比下降了73%。凈水功能3個(gè)子功能中，采月湖濕地凈化磷的功能最好，西湖西和紀(jì)家邊濕地凈化磷的功能也比較好，其次是桂山咀和南郵濕地，而南財(cái)濕地凈化磷的功能最差，與參考濕地相比下降了75%；凈化氮的功能方面，紀(jì)家邊濕地最好，其次是采月湖、西湖西和南郵濕地，而桂山咀和南財(cái)濕地與參考濕地相比分別下降了68%、75%；凈化化學(xué)需氧量的功能方面，采月湖和紀(jì)家邊濕地最好，桂山咀、西湖西和南郵濕地凈化化學(xué)需氧量的功能也比較好，而南財(cái)濕地最差，與參考濕地相比下降了68%。南財(cái)濕地的凈水功能及其子功能在城市濕地中都屬最差，主要在于其濕地面積較小凈水能力有限，而且其濕地表層水質(zhì)受到周圍人類活動(dòng)排放的污染比較嚴(yán)重；濕地內(nèi)為開闊水域無(wú)植被覆蓋，對(duì)于匯入濕地的水缺乏應(yīng)有的凈化作用。

城市濕地水環(huán)境功能之間的差異性不僅受到濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部變量指標(biāo)的影響，也受到周圍景觀變量指標(biāo)差異性的影響。蓄水功能方面，南財(cái)和南郵濕地周圍以建筑用地為主，不透水用地面積增加不利于濕地對(duì)水流進(jìn)行匯集；南財(cái)和南郵濕地的多樣性指數(shù)2.40、2.26，在城市濕地中指數(shù)值最大(表4)，而蓄水功能最差，說(shuō)明較高的景觀多樣性對(duì)濕地蓄水功能有著不利影響。同樣，凈水功能中南財(cái)濕地的景觀多樣性指數(shù)最大，而其凈水功能最差，說(shuō)明濕地周圍較復(fù)雜的景觀格局使得凈水功能變差。水文調(diào)節(jié)功能中功能最差的南郵和南財(cái)濕地，其景觀多樣性指數(shù)值最大并且景觀連接度指數(shù)值較低，說(shuō)明復(fù)雜多樣的景觀類型以及較低的景觀連通性不利于濕地水文調(diào)節(jié)功能的發(fā)揮。所以在城市濕地的改造過(guò)程中不僅要關(guān)注濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特征，也要關(guān)注周圍景觀類型及其景觀格局對(duì)濕地的影響。

4結(jié)論

城市濕地是城市區(qū)域重要的生態(tài)系統(tǒng)和景觀類型，在維持城市生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面具有不可替代的作用。如何科學(xué)認(rèn)識(shí)與評(píng)估城市濕地功能對(duì)于城市濕地的保護(hù)和管理具有重要的指導(dǎo)意義。本研究借鑒水文地貌法思路與方法，構(gòu)建城市濕地水環(huán)境功能模型，評(píng)估城市濕地水環(huán)境功能特征與變化程度，得出基本結(jié)論如下：

(1)參考濕地水位波動(dòng)變化比較規(guī)律，而城市濕地的水位波動(dòng)變化沒有規(guī)律性；參考濕地比城市濕地有著更深的水位和較好的水質(zhì)。參考濕地水質(zhì)指標(biāo)基本維持在地表水Ⅱ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而城市濕地水質(zhì)指標(biāo)處于地表水Ⅳ類水平之上。

(2)城市化影響下，城市濕地的水環(huán)境功能明顯下降。相對(duì)于參考濕地，城市濕地水環(huán)境功能下降了24%。其中凈水功能下降了33%，蓄水功能下降了22%，水文調(diào)節(jié)功能下降了17%。

(3)城市濕地水環(huán)境功能差異明顯，表現(xiàn)出個(gè)性化特征，反映了城市化影響的復(fù)雜性。但有些濕地，如紀(jì)家邊、采月湖和西湖西濕地水環(huán)境功能處于“較好”水平，是由于城市化建設(shè)中對(duì)濕地面積、水文條件和周邊景觀要素配置較為科學(xué)，可以作為城市化過(guò)程中濕地改造的典范。

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Assessment of water environment functions in urban wetlands by using the hydrogeomorphic model: A case study of Nanjing Xianlin

SUN Yiming, LIU Hongyu*, LI Yufeng, CAI Chunxiao, LI Yuling

CollegeofGeographyScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China

Abstract：Wetlands have the richest biodiversity on the Earth′s ecological landscape and are one of the most important environments inhabited by humans; they are one of the world′s three major ecosystems (the other two are forests and oceans). Wetlands are regarded as “the Earth′s filtration system”. China is in the process of rapid urbanization, and many wetlands have been transformed into urban wetlands. Urban wetlands are often the product of urbanized process, which plays an important role in the transformation and migration of pollutants, surface water storage, improving urban water quality and adjusting urban microclimate. Therefore, urban wetlands are widely used in urban ecological construction. Because the urbanized process has a significant impact on the structure and catchment of wetland, the ecological functions of wetlands have changed dramatically. Evaluation of an urban wetland′s ecological functions is important to scientifically understand urban wetlands and reasonably utilize and protect urban wetlands. Reference wetlands are specific wetland sites within a region,and they are less disturbed and close to natural wetlands. Taking the typical wetlands in Xian Lin Nanjing as examples, we selected appropriate reference wetlands to evaluate the characteristics and functions of the water environment in urban wetlands by using the hydrogeomorphic method. We used RS(Remote Sensing)、GIS(Geographic Information System) and field investigation to develop a functional index and model for the wetlands. The results showed that：Compared with reference wetlands, the seasonal water level changes of urban wetlands have no regularity. The average annual water quality indicators for the reference wetlands mainly remained at Class Ⅱ water quality standards, and those for the urban wetlands mainly remained at Class Ⅳ water quality standards. The water environment functions of the urban wetlands showed obvious degradation due to urbanization. The WEFI(Water Environment Function Index) score for the urban wetlands declined by 24%. In the sub-index of WEFI, the FCI(Functional Capacity Index) score of the water storage function for the urban wetlands declined by 22%, the FCI score of the water purification function declined by 33%, and the FCI score of the hydrological adjustment function declined by 17%. In addition, the water environment functions of different urban wetlands showed obvious differences because of the impact of the complex urbanized landscape. The quality of water environmental functions of Ji jiabian Wetland is the best, followed by those of Cai yuehu Wetland and Xi huxi Wetland. There has been some degradation of water environment functions in Gui shanju Wetland and Nanyou Wetland. The quality of water environment functions of Nancai Wetland was the worst. Therefore, we can conclude that Ji jiabian Wetland, Cai yuehu Wetland and Xi huxi Wetland, which have good water environment functions, can be regarded as models for reforming wetlands during urbanization. By revealing the differences in water environment functions between the six urban wetlands, not only can we provide a scientific basis for wetland resource conservation and scientific management of urban wetlands but also achieve social, economic, and sustainable development in the city.

Key Words:water environment of urban wetland; reference wetland; hydrogeomorphic functional assessment model; Xianlin Nanjing

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401205)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140921)；江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目；江蘇優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

收稿日期:2014- 11- 12; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: liuhongyu@njnu.edu.cn

DOI:10.5846/stxb201411122241

孫一鳴，劉紅玉，李玉鳳，蔡春曉，李玉玲.基于水文地貌法模型的城市濕地水環(huán)境功能評(píng)估——以南京仙林典型濕地為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(10):3032- 3041.

Sun Y M, Liu H Y, Li Y F, Cai C X, Li Y L.Assessment of water environment functions in urban wetlands by using the hydrogeomorphic model: A case study of Nanjing Xianlin.Acta Ecologica Sinica,2016,36(10):3032- 3041.