濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用
——以天津?yàn)I海新區(qū)為例

呂金霞，王文杰，蔣衛(wèi)國(guó)，陳征，荔琢，鄧雅文

1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 2.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 3.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 4.生態(tài)環(huán)境部土壤與農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境監(jiān)管技術(shù)中心

隨著全球范圍內(nèi)生物多樣性保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，針對(duì)濕地退化的狀況，世界各國(guó)積極開(kāi)展?jié)竦鼗謴?fù)的理論和實(shí)踐研究?？苫謴?fù)性一詞來(lái)源于生態(tài)學(xué)并逐漸擴(kuò)展到多個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。生態(tài)系統(tǒng)可恢復(fù)性于1973年被正式提出，Holling[1]將可恢復(fù)性定義為“系統(tǒng)維持能力以及吸收變化和干擾后依然保持種群間或狀態(tài)變量間同樣關(guān)系的能力的一種度量”。Pimm[2]則認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)可恢復(fù)性是指系統(tǒng)受干擾后回到平衡狀態(tài)所需的時(shí)間。1975年題為“受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)”的會(huì)議在美國(guó)召開(kāi)，自此包括濕地恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)研究逐漸發(fā)展和興盛起來(lái)。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)對(duì)濕地恢復(fù)的研究，主要是在清潔湖泊項(xiàng)目中通過(guò)修復(fù)濕地對(duì)污水進(jìn)行凈化，為了重現(xiàn)濕地受損前的結(jié)構(gòu)、功能和理化性質(zhì)等狀態(tài)，研究人員采用了生態(tài)修復(fù)的技術(shù)和手段對(duì)受損濕地進(jìn)行修復(fù)[3- 4]。

國(guó)內(nèi)對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與重建的研究開(kāi)展得較晚。目前濕地修復(fù)主要集中在生態(tài)修復(fù)措施和技術(shù)研究，包括濕地基質(zhì)改造[5- 6]、水文恢復(fù)[7- 9]、水環(huán)境恢復(fù)[10- 11]和濕地生境恢復(fù)[12- 14]等方面，而對(duì)濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)研究較少，且缺乏在自然條件下濕地可恢復(fù)性的宏觀定量研究。張杰等[15]從水資源的角度，從水的自然和社會(huì)循環(huán)關(guān)系方面提出了水環(huán)境的可恢復(fù)性原理和方略；陳燕飛等[16]通過(guò)評(píng)價(jià)影響水環(huán)境可恢復(fù)性的5個(gè)驅(qū)動(dòng)因子，構(gòu)建了濕地可恢復(fù)性定量模型，研究了漢江中下游流域河流水環(huán)境的可恢復(fù)性；歐陽(yáng)寧雷[17]從流域尺度出發(fā)，通過(guò)提取濕地生態(tài)指標(biāo)參數(shù)，基于濕地最小需水量評(píng)價(jià)了2008年海河流域濕地可恢復(fù)性；胡文秋等[18- 19]從地形、水文、土壤、植被和社會(huì)經(jīng)濟(jì)5個(gè)方面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用Robert濕地恢復(fù)潛力估算模型，對(duì)黃河三角洲濕地恢復(fù)力進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。已有的濕地區(qū)域可恢復(fù)研究重點(diǎn)集中在濕地可恢復(fù)適宜性和濕地恢復(fù)潛力等方面，而鮮見(jiàn)對(duì)濕地恢復(fù)的難易程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。筆者探究了自然條件下濕地可恢復(fù)性，構(gòu)建了在濕地受損區(qū)和濕地所在區(qū)域2個(gè)尺度的濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)方法，并對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)濕地可恢復(fù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，以期為該區(qū)濕地修復(fù)提供理論支撐。

1 技術(shù)路線

濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)的技術(shù)路線如圖1所示。

基于多期土地利用數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間序列Landsat影像，通過(guò)土地利用轉(zhuǎn)移矩陣方法，獲取濕地類(lèi)型完全轉(zhuǎn)化為其他土地利用類(lèi)型的區(qū)域，由于該區(qū)域濕地性質(zhì)發(fā)生改變，因此定義為濕地喪失區(qū)；通過(guò)濕地要素反演和趨勢(shì)分析方法，獲取濕地內(nèi)水體、植被和土壤受損區(qū)，即濕地要素受損區(qū)；利用濕地喪失區(qū)和濕地要素受損區(qū)的恢復(fù)性差異，構(gòu)建濕地受損區(qū)可恢復(fù)性評(píng)價(jià)方法，定量評(píng)價(jià)受損濕地的可恢復(fù)性。此外，為了揭示濕地所在區(qū)域的可恢復(fù)性，以縣或區(qū)尺度為區(qū)域范圍，選取地形條件、城鎮(zhèn)化影響和生態(tài)重要性指標(biāo)，利用源- 匯理論和最小累積阻力模型構(gòu)建濕地所在區(qū)域可恢復(fù)性方法，定量評(píng)價(jià)濕地所在區(qū)域尺度的可恢復(fù)性。從濕地受損區(qū)和濕地所在區(qū)域2個(gè)尺度定量評(píng)價(jià)濕地可恢復(fù)性，通過(guò)對(duì)比分析不同尺度濕地的可恢復(fù)性，以期為濕地修復(fù)工作的選址提供基礎(chǔ)。

2 評(píng)價(jià)方法

2.1 基于受損區(qū)的濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)

濕地受損區(qū)的可恢復(fù)性評(píng)價(jià)是利用空間疊置和綜合判別分析方法，基于濕地類(lèi)型喪失區(qū)和濕地要素受損區(qū)，通過(guò)分析濕地受損程度的差異，獲取濕地可恢復(fù)性?；陂L(zhǎng)時(shí)間序列的Landsat影像數(shù)據(jù)，分別選取水體、植被和土壤濕度來(lái)表征濕地，并利用歸一化水體指數(shù)(NDWI)[20]、歸一化植被指數(shù)(NDVI)[21]和土壤濕度指數(shù)(SMMI)[22]分別表示這3個(gè)濕地要素。

E=F(NDVI,NDWI,SMMI)

(1)

式中：E為濕地要素受損趨勢(shì)；F為表示濕地要素受損趨勢(shì)的函數(shù)。濕地要素受損趨勢(shì)按照受損程度分為顯著退化、顯著改善和不顯著3類(lèi)。其表達(dá)式為：

(2)

式中，f(E)為濕地要素受損程度賦值。根據(jù)濕地不同要素的受損趨勢(shì)，確定濕地綜合受損趨勢(shì)，以此定義濕地恢復(fù)的難易程度。濕地要素受損趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。濕地喪失區(qū)由于濕地性質(zhì)發(fā)生不可逆的受損，可恢復(fù)性最難。綜合濕地喪失區(qū)和濕地要素受損區(qū)的可恢復(fù)性評(píng)價(jià)，濕地受損區(qū)的可恢復(fù)性難易程度分為5級(jí)，依次為最難恢復(fù)區(qū)、較難恢復(fù)區(qū)、中等恢復(fù)區(qū)、較易恢復(fù)區(qū)和最易恢復(fù)區(qū)。

2.2 基于最小累積阻力模型的區(qū)域可恢復(fù)性評(píng)價(jià)

2.2.1源- 匯單元?jiǎng)澐?/p>

源- 匯理論是景觀生態(tài)學(xué)研究中的一項(xiàng)基本理論。陳利頂?shù)萚23]基于大氣污染中的源- 匯理論，發(fā)展并完善了景觀生態(tài)學(xué)的基本理論和概念。從源與匯的景觀類(lèi)型來(lái)看，源景觀是指在格局與過(guò)程研究中，那些能促進(jìn)生態(tài)過(guò)程發(fā)展的景觀類(lèi)型；匯景觀是那些能阻止或延緩生態(tài)過(guò)程發(fā)展的景觀類(lèi)型。

運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)的源- 匯理論將濕地可恢復(fù)性生態(tài)過(guò)程與格局相聯(lián)系。濕地在環(huán)境較為優(yōu)良的區(qū)域需克服的阻力最小，在環(huán)境較為脆弱的區(qū)域需克服的阻力最大，在環(huán)境較為敏感的區(qū)域需克服的阻力介于二者之間。結(jié)合濕地分布和開(kāi)發(fā)特征，將濕地保護(hù)源分為3個(gè)等級(jí)(表2)[24]。由表2可知，河流水面和沼澤區(qū)域受到人為開(kāi)發(fā)活動(dòng)有限，整體生態(tài)功能最高，可恢復(fù)性等級(jí)最高；水庫(kù)水面和坑塘水面可恢復(fù)性等級(jí)次之；溝渠、水田等水面受到人為開(kāi)發(fā)的程度較高，可恢復(fù)性等級(jí)較低。

表2 濕地保護(hù)源劃分

2.2.2區(qū)域可恢復(fù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

區(qū)域可恢復(fù)性評(píng)價(jià)中，區(qū)域范圍一般設(shè)定為縣或區(qū)的尺度。由于可恢復(fù)性阻力評(píng)價(jià)體系具有明顯層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)影響濕地可恢復(fù)性阻力對(duì)象之間的相互關(guān)系，可構(gòu)筑基于最小累積阻力模型的區(qū)域可恢復(fù)性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)。阻力模型包括濕地所在區(qū)域的地形條件、城鎮(zhèn)化影響和生態(tài)重要性3個(gè)層次10個(gè)指標(biāo)。

根據(jù)區(qū)域可恢復(fù)性評(píng)價(jià)原理、指標(biāo)選取原則、評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法，分別確定每個(gè)層次中各指標(biāo)的權(quán)重，提出10個(gè)指標(biāo)的等級(jí)賦值，建立區(qū)域尺度濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[18](表3和圖2)。

表3 區(qū)域可恢復(fù)性阻力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系權(quán)重及等級(jí)賦值

圖2 基于最小累積阻力模型的區(qū)域可恢復(fù)性指標(biāo)體系Fig.2 Wetland restorability evaluation system based on minimum cumulative resistance model

為了確定源景觀在經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)克服的阻力，在GIS技術(shù)的支持下，通過(guò)利用最小累積阻力模型來(lái)表達(dá)景觀介質(zhì)對(duì)源景觀空間的影響，即景觀阻力面的建立，以此評(píng)價(jià)區(qū)域可恢復(fù)性阻力。最小累積阻力模型考慮源景觀、距離和景觀界面特征。

(3)

式中：MCR為區(qū)域可恢復(fù)性阻力；Dij為從源景觀j到空間某一個(gè)景觀單元i的實(shí)地距離；Kj為濕地源景觀j的保護(hù)優(yōu)先等級(jí)。

最小累積阻力模型實(shí)質(zhì)是對(duì)某景觀從源到空間某一點(diǎn)的某一路徑易達(dá)性的評(píng)估[24]。因此，阻力模型能夠反映景觀單元運(yùn)動(dòng)的潛在可能性及趨勢(shì)，阻力越大，濕地恢復(fù)的難度越大，濕地的可恢復(fù)性越小，反之越大。最后按照阻力標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)類(lèi)別與柵格數(shù)目的線性關(guān)系，利用其突變過(guò)程特征，將區(qū)域可恢復(fù)性的等級(jí)分為3級(jí)，包括較易恢復(fù)、中恢復(fù)和難恢復(fù)。利用該模型可以評(píng)價(jià)濕地恢復(fù)過(guò)程中的阻力，判斷濕地恢復(fù)的難易程度。

3 評(píng)價(jià)應(yīng)用

3.1 研究區(qū)概況

天津?yàn)I海新區(qū)位于天津市東部沿海地區(qū)、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，地處華北平原北部(117°20′E～118°00′E，38°40′N(xiāo)～39°00′N(xiāo))，屬暖溫帶季風(fēng)型大陸氣候，一年四季分明。濱海新區(qū)總面積為2 270 km2，包括北大港濕地自然保護(hù)區(qū)、天津市海洋牧場(chǎng)示范區(qū)、薊運(yùn)河營(yíng)城段蘆葦濕地、天然淤泥灘涂濕地，以及黃港一庫(kù)、黃港二庫(kù)、北塘水庫(kù)等濕地。

本文數(shù)據(jù)主要采用1984—2015年32景Landsat影像和1980s—2015年7期土地利用數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m)，以及分別來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)和中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所劉紀(jì)遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)的土地利用數(shù)據(jù)?；谶@2種數(shù)據(jù)分析了濕地要素和類(lèi)型的受損情況，進(jìn)而分析受損濕地的可恢復(fù)性。

3.2 濕地受損區(qū)可恢復(fù)性分析

根據(jù)濕地受損區(qū)的受損類(lèi)型和濕地要素受損程度[25]，獲取了濕地喪失區(qū)的空間分布如圖3所示。

圖3 1980s—2015年天津?yàn)I海新區(qū)濕地喪失區(qū)Fig.3 Loss area of wetland in Tianjin Binhai New Area from 1980s to 2015

按照濕地受損區(qū)可恢復(fù)性評(píng)價(jià)方法，通過(guò)判別和綜合疊加分析了不同濕地類(lèi)型可恢復(fù)的容易程度，按照可恢復(fù)性等級(jí)劃分，得到濱海新區(qū)濕地受損區(qū)可恢復(fù)性空間分布，結(jié)果如圖4所示。

圖4 基于受損區(qū)的天津?yàn)I海新區(qū)濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)Fig.4 Restorability evaluation of wetland damaged area in Tianjin Binhai New Area

由圖4可知，在濱海新區(qū)面積占比最大的是穩(wěn)定濕地區(qū)，面積為640.30 km2，占比為37.15%；其次是最難恢復(fù)區(qū)，面積為381.85 km2，占比為22.15%，主要是水田被侵占和城市擴(kuò)張引起的；較難恢復(fù)區(qū)面積為348.32 km2，占比為20.21%。最難恢復(fù)區(qū)和較難恢復(fù)區(qū)占比合計(jì)約42.36%，說(shuō)明整個(gè)區(qū)域的可恢復(fù)性程度較低。中等恢復(fù)區(qū)、較易恢復(fù)區(qū)和最易恢復(fù)區(qū)面積分別為201.86、109.09和42.26 km2，占比分別為11.71%、6.33%和2.45%。

3.3 濕地所在區(qū)域可恢復(fù)性分析

利用標(biāo)準(zhǔn)分差的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)阻力進(jìn)行分類(lèi)，共有8個(gè)類(lèi)別，每類(lèi)之間間隔1/2方差，如表4所示。 濱海新區(qū)濕地恢復(fù)阻力的空間格局如圖5所示。由圖5可知，濱海新區(qū)濕地恢復(fù)阻力的空間格局呈中間小、周?chē)蟮姆植继卣鳎瑓^(qū)域可恢復(fù)性阻力較小，周?chē)某鞘薪ㄔO(shè)用地聚居區(qū)域呈現(xiàn)高阻力分布，反映了集中的人口和生產(chǎn)行為對(duì)濕地恢復(fù)顯著的阻力效應(yīng)。

表4 最小阻力標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)(12方差間隔)

Table 4 The minimum resistance value standard deviation classification table (1/2 interval size)

表4 最小阻力標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)(12方差間隔)

阻力分類(lèi)類(lèi)別方差區(qū)間柵格數(shù)目∕個(gè)0～6711x+2.25s60629

注：x為阻力值平均數(shù)；s為標(biāo)準(zhǔn)差。

阻力的標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)類(lèi)別與柵格數(shù)目的關(guān)系如圖6所示。由圖6結(jié)合圖3可以看出，分類(lèi)類(lèi)別2、3呈現(xiàn)突變過(guò)程，從類(lèi)別4開(kāi)始逐漸趨于穩(wěn)定。較易恢復(fù)區(qū)定義為分類(lèi)類(lèi)別1、2的區(qū)域，區(qū)域阻力閾值為2 546，較易恢復(fù)區(qū)閾值代表濕地核心區(qū)的最小阻力，即濕地的最大恢復(fù)范圍。同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)方差為依據(jù)，選取了2種安全水平的恢復(fù)區(qū)閾值：中等安全水平的恢復(fù)區(qū)阻力閾值為10 047，分類(lèi)類(lèi)別為3、4、5、6；高等安全水平的恢復(fù)區(qū)阻力閾值為6 297，分類(lèi)類(lèi)別為3、4。

在設(shè)定的中等和高等安全水平2種情境下，將濱海新區(qū)濕地可恢復(fù)性等級(jí)分為3級(jí)，包括較易恢復(fù)、中等恢復(fù)和難恢復(fù)，其基于最小累積阻力模型的濕地可恢復(fù)性分區(qū)如圖7所示。由圖7可知，中等和高等安全水平下，濱海新區(qū)較易恢復(fù)區(qū)面積均為1 695.65 km2，占比為82.02%；中等安全水平下，中等恢復(fù)區(qū)和難恢復(fù)區(qū)面積分別為304.25和67.55 km2，占比分別為14.71%和3.27%；高等安全水平下，中等恢復(fù)區(qū)和難恢復(fù)區(qū)面積分別為242.75和129.05 km2，占比分別為11.74%和6.24%。

圖5 基于最小累積阻力模型的天津?yàn)I海新區(qū)濕地可恢復(fù)性阻力Fig.5 Restorability resistance value of wetland in Tianjin Binhai New Area based on minimum cumulative resistance model

圖7 基于最小累積阻力模型的天津?yàn)I海新區(qū)濕地可恢復(fù)性分區(qū)Fig.7 Wetland restorability partition in Tianjin Binhai New Area based on minimum cumulative resistance model

圖6 天津?yàn)I海新區(qū)標(biāo)準(zhǔn)方差分類(lèi)類(lèi)別與柵格數(shù)目的關(guān)系Fig.6 Relationship between standard variance classification categories and number of grids in TianjinBinhai New Area

3.4 2個(gè)尺度濕地可恢復(fù)性對(duì)比

為了分析在受損區(qū)尺度和所在區(qū)域尺度下，濕地可恢復(fù)性大小的相互關(guān)系，將受損區(qū)可恢復(fù)性等級(jí)圖與區(qū)域可恢復(fù)性等級(jí)圖進(jìn)行疊置，得到濱海新區(qū)濕地可恢復(fù)性對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，濱海新區(qū)受損濕地可恢復(fù)性中較易恢復(fù)區(qū)面積為1 432.39 km2，占比為83.05%。說(shuō)明區(qū)域尺度上，在濕地覆蓋的區(qū)域及周邊區(qū)域，濕地恢復(fù)的難度系數(shù)較非濕地區(qū)域小，較易恢復(fù)。在濕地受損區(qū)尺度內(nèi)，由于濕地類(lèi)型發(fā)生轉(zhuǎn)換和濕地要素受損導(dǎo)致的濕地區(qū)域的消失或受損，濕地可恢復(fù)性劃分較細(xì)，可以在實(shí)際操作中更好地確定濕地修復(fù)的位置、順序和方案。

圖8 2個(gè)尺度濕地可恢復(fù)性對(duì)比Fig.8 The comparison chart of wetland restorability

通過(guò)2種可恢復(fù)性評(píng)價(jià)方法的比較可知，在區(qū)域尺度上，維護(hù)濕地面積的穩(wěn)定是濕地恢復(fù)工作的重點(diǎn)，其有利于減少局部區(qū)域濕地恢復(fù)的難度。在受損區(qū)尺度內(nèi)，可針對(duì)濕地喪失區(qū)，采取引水調(diào)水等修復(fù)手段，同時(shí)修復(fù)濕地水體、植被和土壤濕度要素受損區(qū)，也是保證濕地重建、維護(hù)濕地功能的根本。因此在今后的濕地修復(fù)工作中，做好濕地在不同尺度的評(píng)估工作對(duì)于濕地修復(fù)的設(shè)計(jì)、管理和維護(hù)至關(guān)重要，也是濕地修復(fù)的重要保障。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)濕地受損區(qū)的受損類(lèi)型和濕地要素受損程度，獲取了天津?yàn)I海新區(qū)受損濕地可恢復(fù)性。濱海新區(qū)濕地處于最難和較難恢復(fù)區(qū)的面積較大，分別為381.85和348.32 km2，總占比達(dá)42.36%，且該區(qū)域受到城市擴(kuò)張的影響較大，恢復(fù)難度較大。

(2)基于最小累積阻力模型的天津?yàn)I海新區(qū)濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在中等和高等安全水平2種情境下，濱海新區(qū)濕地較易恢復(fù)區(qū)面積最大，為1 695.65 km2，占比為82.02%。

濕地可恢復(fù)性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在區(qū)域尺度上，保持濕地面積的穩(wěn)定，是濕地可恢復(fù)性的根本，也是實(shí)現(xiàn)濕地修復(fù)的重要保障。同時(shí)因地制宜采取生態(tài)修復(fù)措施，重點(diǎn)修復(fù)現(xiàn)有濕地區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)濕地環(huán)境與城市發(fā)展的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。