（环境科学专业论文）基于遥感图像的湿地生态系统健康评价——以大沽河河口湿地为例.pdf

t h ea s s e s s m e n to fw e tia n de c o s y s t e mb a s e do nr sim a g e t a k i n gd a g ur iv e ta sa ne x a m p i e a b s tr a c t t h ea s s e s s m e n to fw e t l a n d e c o s y s t e mh e a l t hi san e wf i e l do fw e t l a n da s s e s s m e n t i ti s s y n t h e s i se v a l u a t i o nt ot h es i t u a t i o no fw e t l a n de c o s y s t e m t h ea s s e s s m e n to fw e t l a n d e c o s y s t e mh e a l t hm a k e su si nab e t t e rp o s i t i o nt ou n d e r s t a n dt h es i t u a t i o no fi t s e c o l o g i c a ls y s t e m a n d f u n c t i o n s ，t h ep r e s s u r et h es y s t e mc o n f r o n t sa n di t s c o r r e s p o n d i n gr e s p o n s es o a st op r o v i d ee v i d e n c ef o rt h ef o r m u l a t i o nm e a s u r e sw i t h r e g a r dt ot h ep r o t e c t i o na n dr e c o v e r yo fw e t l a n de c o l o g i c a ls y s t e m d a g ur i v e ri si m p o r t a n tw a t e rs o u r c ea r e a ，a sw e l la st h ee s t u a r yw e t l a n do fd a g u r i v e ri sh a b i t a tf o rl o t so fr a r ep r e c i o u sa n de n d a n g e r e db i r d s i ti sa b u n d a n ti n b i o d i v e r s i t y w i t ht h es p e e d yd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , t h ec o n t r a d i c t i o ni s m o r e a n dm o r ec o n s p i c u o u sb e t w e e nt h el i m i t e dl a n dr e s o u r c e sa n dt h es p r a w lo f p o p u l a t i o no a n du r b a n m o s to ft h ee s t u a r yw e t l a n di se x p l o i t e da n dt h ew e t l a n da r e a i sr e d u c e di n c r e a s i n g l y t h ee n v i r o n m e n to fw e t l a n di si n t e r f e r e do rb r o k e n s oi ti s e m e r g e n tt op r o t e c tw e t l a n dr e s o u r c e s f o rr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o na n dp r o t e c t i o nt h e w e t l a n d sr e s o u r c e s ，i ti s c l o s e l yr e l a t e dw i t hi m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d sa n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h er e s e a r c ho fw e t l a n de c o s y s t e mh e a l t he v a l u a t i o n a c h i e v e db ys c h o l a r sf r o mh o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rt a k e st h ee s t u a r yw e t l a n do f d a g ur i v e ra sac a s et oa s s e s st h ew e t l a n de c o s y s t e mh e a l t hi nt h i sa r e a f i r s t ，t h i s p a p e ra n a l y z e st h ef e a t u r e so ft h en a t u r ee n v i r o n m e n t ，s o c i a le c o n o m i cc o n d i t i o n sa n d t h es i t u a t i o no fw e t l a n dr e s o u r c e so ft h ee s t u a r yo fd a g ur i v e r t h e nb ya p p l y i n gr s a n dg i s t e c h n o l o g y a n dm a t h e m a t i c sm e t h o d s ，t h ep a p e rd i s t i l l st h ew e t l a n d i n f o r m a t i o nf r o mt mi m a g ea n db u i l d sas e to fc o m p a r a t i v e l yc o m p l e t ew e t l a n d e c o s y s t e mh e a l t he v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mt oa s s e s st h ee s t u a r yw e t l a n de c o s y s t e m h e a l t ho fd a g ur i v e r f i n a l l yt h ep a p e ra n a l y z e st h er e s u l t so ft h ea s s e s s m e n ta n dp u t f o r w a r d ss o m e s t r a t e g i e s a n ds u g g e s t i o n st o p r o t e c ta n di m p r o v et h ew e t l a n d e n v i r o n m e n t k e yw o r d ：d a g ur i v e r , w e t l a n d ，e c o s y s t e mh e a l t h ，a s s e s s m e n t 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 1绪论 1 1湿地生态系统健康的研究进展 生态系统健康的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，此后在河流、湖泊和森林生态系 统健康评价等领域取得了进展，生态健康评价渐渐成为湿地评价研究的热点， a l d ol e o p o l d ，h o l l i n g ，k a r r ，h a s k e l l ，p a g e ，u l a n o w i e z ，m a g e a u 以及c o n s t a n z a 和r a p p o r t 等都提出了一些健康标准【2 1 。r a p p o r t 等( 1 9 9 8 ) 首次论述了生态系统健康 的内涵，认为生态系统健康是指一个生态系统所具有的稳定性和可持续性，即在 时间上具有维持其组织结构、自我调节和对胁迫的恢复能力，并认为生态系统健 康可以通过活力( v i g o r ) ，组织结构( o r g a n i z a t i o n ) 和恢复力( r e s i l i e n c e ) 3 个特征来定 义。活力表示生态系统的功能，可根据新陈代谢或初级生产力等来测度；组织结 构可根据生态系统组分间相互作用的多样性及其数量来评价；恢复力可根据结构 和功能的维持程度和时间来测度例。c o n s t a n z a 提出的生态系统健康概念共涵盖6 个 方面：自我平衡、没有病征、多样性、有恢复力、有活力和能够保持系统组分间 的平衡【钔崔保山、杨志峰认为湿地生态系统健康或湿地健康，是指系统内的关 键生态组分和有机组织保存完整，且缺乏疾病，在一定的时空尺度内对各种扰动 能保持着弹性和稳定性，整体功能表现出多样性、复杂性、活力和相应的生产率。 既可以自我持续发展，又具有提供特殊功能的能力。健康的湿地生态系统应表现 出功能整合性这里，整合性一方面强调了社会、生态、伦理道德的有机整体性， 另一方面也反映了健康的时空统一性【5 】。 湿地生态系统健康评价是湿地评价研究的新概念和新领域“7 1 ，侧重于湿地生 态系统健康概念、诊断指标、预警模型、健康恢复和研究尺度问题。生态系统健 康评价除了需要对其小尺度生态过程进行研究监测外，从景观尺度进行环境质量 监测也是必不可少的步骤。将遥感、地理信息系统和景观生态学原理等宏观技术 手段与地面研究紧密配合，通过景观结构变化了解其功能过程。例如，景观敏感 性与土地利用变化关系密切，因此可以通过土地利用变化评估环境质量变化引。 健康评价诊断指标在原有的化学和生物指标基础上，增加了物理指标和压力指标 l 州0 1 同时，湿地健康评价也由过去单一的属性研究，转变为建立生态、社会、 一l 一 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 经济、文化相整合的生态系统健康评价模式。评价生态系统健康首先要选用能够 表征生态系统主要特征的参数：其次要对这些特征进行归类区分，分析各个特征 的生态健康的意义；再次是对这些特征因子进行度量，确定每个特征因子在生态 系统健康中的权重系数，每类特征因子在生态系统健康中的比重；最后确定生态 系统健康的评价方法，建立生态系统健康的评价体系。针对不同区域范围的生态 系统、不同类型的生态系统，其特征因子、特征因子的权重、各类特征因子的比 重及评价指标体系是不一样的，依据生态系统的组织结构、演变规律、服务目标、 经营目的的不同而不同l 。 国内外在生态系统健康评价方面已有了探索，对几乎所有的生态系统类型都 进行过健康评价。郝敦元等【他】在草原生态系统健康评价的研究中，根据1 9 8 1 2 0 0 3 年对内蒙古锡林河流域典型草原的代表性植物群落：羊草+ 大针茅草原群落生产力 动态监测和退化草原恢复演替进程的监测数据，计算物种累积频率e 、累积相对生 物量m l 、累积植株相对高度h q i 。定义l i = 1 0 0 0 f m i h q j 为草原植物种群组织力参数， 全部种群的组织力参数可作为群落的组织力参数。组织力参数有显著的分异性， 按大小排序，可确定植物种在群落中的作用等级和互补效应。不同等级的物种占 用环境资源的能力不同是群落自组织的根源。种间互补作用是充分利用环境资源、 适应环境波动、维持群落生产力的自组织机制。用不同时段的短周期数据得到的 原生群落组织力参数与用长期监测数据得到的结果表现了相同的等级关系，而退 化草原群落的植物种群组织力参数则表现出等级关系的显著差异。可以认为物种 间的等级关系和互补功能体现了群落的组织力。故组织力参数可用于评定群落组 织力。赵臻彦等d 3 于2 0 0 5 年，提出了湖泊生态系统健康定量评价的一种新方法： 生态系统健康指数法。该方法首先设计了一个0 1 0 0 的生态系统健康指数作为定量 尺度，然后通过评价指标选择、各指标生态系统健康分指数计算、各指标权重计 算、生态系统健康综合指数计算等基本步骤，评价湖泊生态系统健康状态。胡会 峰等【1 4 j 利用x u 等( 1 9 9 9 ) 提出的指标体系对青海湖1 9 8 8 1 9 8 9 年的生态系统健康状 况进行评价。刘永【埒】等也提出了评价湖泊生态系统健康的方法体系、指标和综合 健康指数，评价指标包含外部指标、环境要素状态指标和生态指标。并以滇池为 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 例进行评价。肖风劲等【1 6 l 从森林生态系统的生态要素、森林生理要素、胁迫要素、 环境要素和气象要素等5 个方面来进行森林生态系统健康评价，评价要素包括生态 系统的活力、组织结构、抵抗力和恢复力。杨建强【1 7 1 等采用结构功能指标评价分 析方法，建立了由1 5 项评价因子组成健康评价指标体系，利用层次分析法确定了 评价因子的层次关系和重要度，建立了海洋生态系统健康综合评价指数模型，对 莱州湾两部海域进行了生态系统健康评价。蒋卫国1 1 8 】等以生态系统健康及压力一 状态一响应( p r e s s u r e s t a t e r e s p o n s e ) 模型作为研究方法，以遥感数据及统计监测数 据为基础，以小流域为评价单元，采用r s 和g i s 技术，对每个小流域湿地进行单 因子和综合评价，揭示盘锦市湿地生态系统健康状况的空间分布规律。崔保山1 1 9 】 等对三江平原挠力河域湿地生态系统健康进行了评价，确定了湿地生态特征指标， 功能整合性指标和社会环境指标三大类指标，又分别分出各自具有可操作性的亚 指标，根据模糊综合评判原理和方法，对挠力河流域进行湿地分区的基础上，对 各区的湿地进行了评价与比较，然后通过红绿灯信号系统对各区健康进行了预警。 生态系统健康评价研究是一个新领域。目前主要包括指示物种和指标体系两 种方法。指示物种的选择应该谨慎，要综合考虑到它们的敏感性和可靠性，即要 明确它们对生态系统健康指示作用的强弱。在水生态系统研究中，已被选择的指 示物种有，浮游生物、底栖无脊椎动物、鱼类和不同水平生物的综合建立生态 系统健康评价指标体系大致可以从两方面选择指标，即生态系统内部指标，包括 生态毒理学、流行病学、生态系统医学等方面和不同尺度指标的综合；以及生态 系统外部指标，比如社会经济指标。但是，其它指标可能也适于进行生态系统健 康评价，如景观格局、土地利用变化。 考虑人类胁迫指标与生态学、景观指标相结合的景观生态学方法( 压力一状态 一响应模式) 是目前应用非常广泛的一种方法，生态系统发生的变化是对外界压力 做出的响应，系统状态反映了人为干扰的程度，其指标体系应该将反映生态系统 各个层级和方面的复杂信息恰当的综合，涵盖物理的、化学的、生态的、及人类 活动和社会经济的等各方面对生态系统的指示作用。 一3 一 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 1 2 大沽河湿地生态健康评价研究目的、意义 湿地生态系统健康评价是湿地保护的基础。本研究的目的是通过建立一套科 学的湿地生态系统健康评价指标，对胶州湾大沽河河口湿地的生态系统条件、湿 地生态系统面临的压力以及湿地生态系统的反应做出分析，来揭示大沽河口区域 湿地生态系统的健康情况及其发展趋势，并提出有关湿地生态系统保护的若干建 议，为这一区域湿地生态系统保护和恢复提供理论依据。 大沽河河1 2 1 湿地是胶州湾沿岸最大的天然湿地，湿地上芦苇等植被丰富，生 物多样性高，作为滨海湿地，对于保护海岸具有不可替代的作用，鉴于河1 2 1 湿地 生态系统复杂的环境因素及重要的生态服务功能，建立湿地生态系统健康评价指 标体系，对该地区湿地健康进行评价，提出生态保护政策，对保护湿地生物多样 性，保护湿地生态功能具有重要意义。 1 3 研究内容 本文以大沽河下游的河口区湿地为研究对象，针对该区域的自然环境和社会 经济特征，应用景观生态学原理、遥感技术分析了人类活动影响下的湿地生态系 统特征，主要研究的内容包括： 1 大沽河口区湿地生态系统遥感数据信息提取与分析 先对获取的遥感数据进行各种处理，然后结合地形图等资料进行湿地类型提 取、湿地景观格局信息提取和湿地初级生产力等信息提取，为湿地生态系统健康 评价提供基础的信息。 2 大沽河口区湿地生态系统健康评价 以整个大沽河口区为评价单元，基于湿地生态系统的压力一状态一响应模型， 选取人口密度、人类干扰指数、初级生产力、弹性度指数、景观多样性指数、平 均斑块面积指数、水文调节指数、湿地退化指数、斑块破碎度指数等指标进行湿 地生态系统健康评价，分析该区域生态系统健康水平及发展趋势。 1 4 技术路线 本文研究的主要技术路线包括：研究区湿地资料的收集、处理，遥感图像信 - 4 - 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 息提取，评价指标体系及评价模型的建立，评价结果分析及研究展望( 见图l i ) 。 本文收集的资料主要分为三大类：空间数据，包括地形等高线图、行政区划 图以及两个年份的遥感图像图；二是环境数据，包括动植物调查数据、水质监测 数据等；三是社会经济统计数据，包括该研究区的人口、国民生产总值信息等。 图1 - 1大沽河口区湿地生态系统健康评价技术路线示意图 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 2 基于景观生态学及r s 、g ls 理论的湿地生态系统健康评价模型 2 1 基于景观生态学理论的湿地评价 2 1 1以景观生态学相关理论为基础 景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其生态学过程相互作用 的综合性学科。它主要来源于地理学上的景观和生物学中的生态，它把地理学对 地理现象的空间相互作用的横向研究和生态学对生态系统机能相互作用的纵向研 究结合为一体，以景观为对象，通过物质流、能量流、信息流和物种流在地球表 层的迁移与交换，研究景观的空间结构、功能及各部分之间的相互关系，研究景 观的动态变化及景观优化利用和保护的原理和途径2 们。 无论是景观生态学还是景观生态规划中，斑块一廊道一基质模式都是构成并 用来描述景观空间格局的一个基本模式。由于景观生态学的的兴起和广泛应用， 人们可以从景观层次对湿地生态系统进行评价，将眼界从湿地生态系统内部的指 标体系扩展到系统之外的更大的人类整体生态系统( t o t a lh u m a ne c o s y s t e m ， t h e ) ，充分考虑人类对湿地生态系统的作用关系( 利用、影响、干扰、改良、保护 等) ，联系人类社会经济活动和社会发展的需要，从湿地对满足人类社会可持续发 展的需求所表现出的社会价值来对湿地生态系统健康进行评价，更有实际的指导 意义和作用。一个实用的综合性生态健康评价要结合生态系统学、生态健康科学 和社会科学，他们三者都扮演着重要的角色：生态系统学提供了从生态系统在胁 迫和干扰情况下的复杂动态信息和系统弹性方面的对湿地系统的评价；生态健康 科学提供了从生态系统病理的诊断、疾病分类以及防止和恢复的方法等方面的对 湿地系统的评价；社会科学则从健康湿地生态系统对人类社会重要价值性方面对 湿地进行生态评价。 2 1 2 湿地生态系统健康研究尺度 尺度的确定是景观生态学研究的前提要求，景观在不同尺度的视角下，表现 出不同的生态格局、生态过程、生态功能及演化趋势。因而不同尺度下的景观生 态学指标也是有差异的。因此，尺度问题的研究也是湿地生态系统评价的关注的 一6 一 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 要点之一。尺度一般指观察或研究对象( 物体或过程) 的空间分辨率和时间单位， 它标志着对所研究对象细节的了解水平。在生态学中，尺度是指所研究生态系统 的面积大小( 空间尺度) 或其动态变化的时间间隔( 时间尺度) 【2 1 ，2 2 1 。生态系统是有 一定大小范围的功能单元，通常在研究陆地生态系统的生产力、生物地球化学上 的元素循环和脆弱性等问题时，把生态系统作为一个小尺度( 1 0 l o o m 2 ) 来考虑， 景观生态学则考虑的是中尺度范围( 几平方千米到几百平方千米，几年到几百年) 。 而区域生态学研究的是大尺度范围。 湿地生态系统健康的概念具有模糊性，不同的时间尺度，其表现行为也不同。 湿地生态系统的健康发展也是经历着不同的阶段，每个阶段的结构和功能并不相 同，各成分之间的能量流动和物质循环在不同的阶段保持着各自相对稳定的动态 平衡，并随着环境的变化而发展变化。特别是随着人类行为作用的不断加强，对 湿地造成的胁迫也越来越大，对湿地健康的衡量指标也会发生相应的改变，无论 怎样，湿地生态系统的功能整合性是必须要考虑的。人类影响较大的是在较短的 时间尺度，讨论短时间尺度内湿地生态系统的健康问题分两种情况来探讨。一种 情况是时间“点”的湿地健康问题，另一种情况是时间“段”的湿地健康表现。 近几十年或近百年来，人类以空前的规模威胁着湿地，便湿地不断退化或消失， 人们的直接和间接的活动在不断地改变着湿地变化的速度虽然在建造人工湿地， 如建水库、运河和蓄洪区，然而丧失的数量大大超过新建造的数量。我国三江平 原经过4 0 余年的开发，湿地面积减少了3 3 6 8 1 0 6 h m 2 ，湿地垦殖率达6 4 因此， 对这一时段内湿地生态系统健康进行研究，有助于湿地的可持续利用和保护，防 止有害于湿地的各种变化。 就湿地而言，生态系统侧重于比较均一的湿地地区，景观侧重于中尺度内的 空间格局，流域则是从生态、社会、经济多方面考虑湿地问题2 3 嗡】。在进行湿地 长期定位监测中，一般研究小尺度( 1 0 l o o m ) 的对象，常常把湿地斑块看作成一个 均质体，研究其生态系统的生产力，生物地球化学上的元素循环，系统结构和功 能，敏感性和脆弱性等由于生态系统在小尺度上表现出非平衡性特征或“瞬变 态特征”，所以对湿地生态系统的健康研究现在多倾向于景观或流域水平，因为 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 大尺度的自然调节过程可使湿地表现出一定的稳定性，更能表征生态系统的发生、 发展规律，体现自然与社会的相互作用和联系。 在景观水平上对湿地的研究主要关注的是湿地景观系统对环境背景值的影响 和响应、嵌块的动态变化及空间格局、湿地系统景观的结构功能及变化，社会一 经济一自然复合系统的整合性。 2 2 基于r s 、g i s 的湿地生态系统健康评价 遥感技术的运用，解决了湿地信息提取难的问题，它能提供某区域不同空间 平台、不同空间分辨率、不同时间分辨率、不同光谱分辨率的数据源，可以满足 不同用户的需求，为湿地生态系统监测和管理提供经济、快捷、实时的数据来源。 现在遥感在湿地生态系统健康研究中，特别是在湿地面积动态变化、湿地植被动 态监测、湿地野生动物生存环境监测方面起到积极作用。 随着遥感和计算机技术的迅速发展，地理信息系统技术正日趋成熟与实用化， 它在资源管理、区域发展决策、环境管理、环境演变等许多方面取得了实际效益。 利用g i s 可以高效管理各种空间信息和属性信思，包括数据查询、调用和更新， 还可以对各种数据进行统计分析、空间分析和多要素综合分析。 湿地生态系统健康评价的对象往往是尺度较大的区域，采用传统方法进行生 态调查需要动用大量的人力物力，耗时短则3 5 年，长则更多年，而且存在时段 参差不齐、资料年限不一致等缺点，很难从总体上反映其湿地生态状况。同时由 于不能进行实时监测，所得结论反映的是3 5 年的状况，不能及时了解当前的湿 地环境状况，不能真正给管理和决策起到参谋作用。而现代遥感技术则克服以上 缺点，可以准确及时地了解在区域湿地环境变化状况，分析湿地生态系统变化的 原因和发展趋势，定期报告区域湿地生态系统健康状况、变化和发展趋势，以便 及时预警并提供决策意见。因此本研究采用的指标体系基本是可以通过遥感技术 获取的指标。 ， 总之，湿地生态系统健康评价正在不断的争论中走向成熟。特别是随着景观 生态学和景观尺度上对生态系统的结构和功能的深入理解，人们越来越将注意力 集中于湿地生态系统的结构和功能对外来压力( 胁迫) 的反应，努力寻找生态系统健 一r 一 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 康受损退化的症状和早期预警，从这些指标的角度人们更容易理解湿地生态系统 的健康状况。湿地生态系统健康概念中，有三个备受关注的方面：自然的纯洁性( 景 观未受到干扰破坏的程度) 、生态系统的整合性( 景观结构、生态过程、生态功能的 匹配程度) 、环境的舒适性( 景观美学价值性) ，其未来发展方向是结合经济学、社 会学、健康科学、景观生态学和3 s 技术的定量化途径。 2 3 湿地生态系统健康评价的模型及方法 2 3 1 评价模型 近年来，多位学者设计了很多湿地评价指标体系的概念框架，其中o e c d ( 联 合国经济合作开发署) 建立的压力一状态一响应( p r e s s u r e s t a t e r e s p o n s e 简称p s r ) 模型( 图2 1 ) 被广泛应用于湿地评价p s r 模型可理解为人类活动给湿地生态系统 造成了一定的压力，使其生态系统的结构和功能发生了一定的变化，这种变化正 是外界人为干扰的反映，而湿地生态系统结构和功能状态则反映了人类活动干扰 的程度。本文采用p s r 模型对大沽河河口湿地进行生态系统健康评价。 困 图2 - ! 压力状态响应概念框架模型 2 3 2 评价指标体系的建立 1 选取原则 指标是评价的基本尺度和度量标准，指标体系是生态系统健康评价的根本条 一9 - 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 件和理论基础。评价指标必须达到如下目标：指标体系能完整准确地反映生态系 统健康状况，能够提供现状的代表性图案；对各类生态系统的生物物理状况和人 类胁迫进行监测，寻求自然、人为压力与生态系统健康变化之间的联系，并探求 生态系统健康衰退的原因；定期地为政府决策、科研及公众要求等提供生态系统 健康现状、变化及趋势的统计总结。因此大沽河口湿地生态系统健康评价指标体 系确定的原则如下： ( 1 ) 系统性原则 所选指标必须形成一个完整体系，全面地反映出湿地生态系统的本质特征。 ( 2 ) 空间尺度原则 空间尺度涉及特定考虑研究地区或生态系统的空间大小，评价指标应该定向 于合适的空间尺度。 ( 3 ) 代表性原则 为使评价结果更加科学，选取评价的指标应该最能代表湿地生态系统本身固 有的自然属性及其受干扰和破坏的程度，选取的指标能够敏感地响应湿地生态的 变化情况。 ( 4 ) 可操作性原则 所选指标，其原始数据容易通过调查、统计、遥感等手段获得，易于定量计 算，现实意义明确，复合行业规范，便于环境管理。 2 具体指标体系的建立 从湿地生态系统健康的概念、服务功能、健康度量标准以及大中尺度湿地生 态系统健康研究的内容可以看出湿地生态系统健康与人类活动密切相关，在评价 生态系统健康状况时，湿地自身状况、人类活动与生态系统所提供的服务之间的 层面，都要作为评价的因素考虑。 结合研究区的实际情况，应用p s r 模型，本文建立了大沽河口湿地生态系统 健康评价的指标体系如表2 - 1 。 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 表2 1大沽河口湿地生态系统健康评价的指标体系 湿地生态系统 健康度量 评价指标指标来源和获取方式 人口密度统计数据和土地利用数据 压力指标 人类干扰指数t m 解译的土地利用数据 活力初级生产力t m 的遥感数据 景观多样性指数t m 解译的湿地数据派生 组织 平均斑块面积指数t m 解译的湿地数据派生 状态指标弹性 平均弹性度根据t m 解译的湿地数据推算 水文调解指数文献资料和湿地数据计算 服务功能水禽栖息地指数统计资料和实地数据计算 污染负荷指数统计资料和实地数据计算 斑块破碎度指数t m 的遥感数据推算 响应指标 湿地退化指数t m 的遥感数据推算 ( 1 ) 压力指标 在无外力干扰的情况下，湿地生态系统的演替方向一般是顺应自然的、正向 的演替，但是由于强大的外界干扰包括自然的和人为的，会促进或者抑制演替的 过程，因此湿地生态系统的退化既决定于它内在的因素即系统的自维持能力和抵 抗力的强弱，也决定于外在的驱动力干扰。从湿地生态系统健康研究的时间 尺度来看，几年或者几十年，人类的活动对湿地的影响是主要的，所以选择反映 人类干扰状况的人口密度和人类干扰指数作为压力指标。 人口密度指数= 研究区人口数研究区面积 人类干扰指数= 城镇建设和旱田占用的湿地面积原始湿地总面积 ( 2 ) 状态指标 本文选取组织、活力、功能和弹性指标构成湿地生态系统的状态指标，来反 映湿地自身的结构和功能。 a 组织 组织主要是指湿地生态系统的复杂性，用生物多样性和结构复杂性来反映 景观多样性与生物多样性具有密切的联系，景观生态系统不仅为不同的生物提供 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 繁衍生息的场所，而且还为生物进化及生物多样性的产生和形成提供了条件。在 景观中，类型多样性和物种多样性的关系一般呈正态分布，在景观类型少，大的 均匀斑块，小的边缘生境条件下，物种多样性也低；随着类型多样性和边缘物种 增加，物种多样性也增加，当景观类型增多、斑块数目与边缘生境达到最佳比率 时，物种多样性最高，随着景观类型增多、斑块数目增多，景观破碎化，致使斑 块内部物种迁移出去，物种多样性降低【2 6 1 。因此选取了景观多样性、平均斑块面 积指数来反映湿地生态系统的复杂性，构成了湿地生态系统的组织指标，定义如 下： 景观多样性指数= p 。x l o g ：只 f = - 式中：尸景观类型f 所占面积的比例；万景观类型的数目。 平均斑块面积= 各景观总面积景观中斑块的总数 b 活力 活力主要是指湿地生态系统的基础生物物质的生产能力，它是湿地景观中各 种生物过程和大部分生态过程的基础物质保证。大量的遥感研究表明，植被的生 产能力与n d v i 具有明显的的正相关，因此，选用年均n d v i 值作为衡量生产能 力的主要指标。 t m 4 - t m 3 n d v i = ： t m 4 + t m 3 c 功能 湿地最主要的是服务功能体现在其具有重要的水文调解功能，如调蓄洪水、 提供水源，众多的水禽的栖息地和迁徙的中转站、以及净化水质三大功能。因此 本文选取了水文调解指数、水禽栖息地指数、污染负荷指数3 个指数进行评价。 水文调节指数= ( 河流+ 滩地面积) 湿地总面积 水禽栖息地指数= 水禽栖息数量湿地总面积 污染负荷指数= 污染物监测浓度 d 弹性 弹性指标是度量生态系统健康的一个标准，健康的湿地生态系统具有弹性， 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 当湿地生态系统受到压力胁迫后，有能力保持结构和功能的稳定。因此，湿地的 弹性度越大，其生态系统就越健康。 弹性度指数： f = 杰单 式中：s 第f 类湿地的面积； f 第i 类湿地的弹性度分值； s 一一研究区湿地面积。 参考有关学者的研究，对大沽河口不同类型的湿地弹性度进行具体划分，结 果如表2 2 e ”1 表2 - 2 大沽河口不同湿地类型的生态弹性度指数 湿地类型 分值备注 河流 0 9 水库 0 8 对维持湿地生态系统弹性度，维持区域 坑塘o 7 的稳定性和保持区域的调解能力方面有 极其重要的作用 养殖场 o 6 水田 0 5 盐田o 4 对维持湿地生态系统的弹性度有重要的 泥滩 o 3 作用，但利用不好，容易退化而导致湿 地生态弹性度下降 、 沙滩 o 3 ( 3 ) 响应指标 人类活动的压力使湿地生态系统景观发生了变化，由于人类活动使原来完整 的景观被分割成大小不同的许多斑块，形成破碎化的景观，而景观破碎化是生物 多样性丧失的一个最主要原因【2 6 l 。本文选取了湿地退化指数和斑块破碎化指数来 体现在人类压力下的大沽河口湿地生态系统健康的响应指标。这两个指标的定义 如下： 湿地退化指数= 湿地减少面积原始湿地总面积 碎= 器 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 式中：i 湿地景观斑块总个数； 4 湿地景观的总面积 2 3 3 评价方法及标准 大沽河口湿地生态系统健康评价方法分为各单项指标因子评价和湿地生态系 统健康综合评价两部分。 l 岸因子评价模型 生态系统是一个远离平衡态的耗散结构，系统内通过各种各样的反馈机制的 非线性相互作用，在与外界的开放式的物质能量交换过程中维持着系统的有序机 构。系统内各种过程和作用是非线性的，选取的湿地生态系统健康评价指标体系 中各个指标的测度值并不是线性地反应出湿地生态系统各个方面和层次状态水 平，因而用简单的比例关系来揭示湿地生态系统状态的方法显然不合理而且结构 粗糙。所以我们选择了广泛应用于生态学和环境科学的逻辑斯缔增长模型，这一 模型在研究生物种群数量增长过程中，充分考虑了环境资源的约束条件，引入了 生物种群的环境容量( 或环境负荷量) k ，这一参数的意义是明显的，因为某种生物 种群的发展壮大过程中，不可能无限制的扩张，终究会遇到食物、水分、空气或 空间的制约，环境容量是有限的，在理想的状态下，生物种群自身c n ) 只会无限的 接近环境的允许容量值k 。初始时，生物种群的数量是近似于指数增长的。所以， 种群数量增长的过程中在坐标上表现为一条s 型的曲线： 图2 2 逻辑斯缔增长曲线 f 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 曲线的方程为： d n d t = r n ( k n ) k( 2 3 1 ) ( r 为种群的内禀增长率) 方程的解析解为：n = k ( 1 + e 扣“)( 2 3 2 ) ( a = l n ( k n o ) n o ，n o 为初使种群数量) 相类似的，其他的像岛屿面积与维持的物种数量之间的关系、生态系统中生 物量的累积过程、有毒物质的含量和毒性之间的关系、污染物浓度和水体功能损 害程度之间的关系、一条河流洪水的流速与流量的关系等、单位投资的效益与投 资规模等生态的、环境的及社会经济的很多方面的现象都具有这种变化关系。这 种数量关系反映了研究系统内的非线性作用特征因此，在对生态系统( 如湿地) 的生态系统健康评价的过程中，也应该充分考虑到这种非线性过程和作用，而不 是用简单的线性比例关系将指标与生态状态对等起来。为此，本论文借鉴李永建【2 8 1 在对拉鲁湿地生态环境进行评价选用的逻辑斯蒂增长曲线模型来对生态系统健康 评价的各个单项指标进行评价： 1 尸= 南(231 3 ) + 矿卜肌j 、 式中：p 表示单项指标的生态系统状态指标评价值( 无量纲值) ； r 表示单项指标测度值，。 对于常数a 、b ，采用下面的方法确定：设当r = 0 0 1 时，p 的值近似到o 0 0 1 ： 设当r = 0 9 9 时，p 的值近似到o 9 9 9 ，则此时方程中的a 、b 的值求解分别为4 5 9 5 和9 1 9 ，因此，拟选的单项指标评价模型最终为： 1 p 2 瓦方亡丽 ( 2 3 4 ) 1 户= 1 一瓦罗1 而丽 ( 2 3 5 ) 1 + 矿”卜”1 张“ 、 对于指标量值增加与生态系统健康的增加方向相同时的单项指标采用方程 ( 2 3 4 ) ，当单项指标量值的增加方向与生态系统健康的增加方向相反时，则采用 ( 2 3 5 ) 进行评价 另外，他还选取了直线( 尸= r ) 、曲线口( p = e x p ( - 4 6 0 5 x r 2 ) ) 、曲线 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 c ( p = i 五击习f ) 这3 条曲线及本次选择的评价曲线d 进行对比，如图2 2 结果表明，除开线性评价模式曲线a ，相对其它曲线而言，在同等测度值条 件下，逻辑斯蒂曲线能够较理想的评价各单项指标的生态退化程度，对湿地状态 变化敏感，因此，本文参照上面的公式对大沽河口湿地生态系统健康进行单因子 评价。 图2 - 3 单项指标评价模式比较图示 2 多因子综合评价模型 得到各个单项指标评价值之后，就要对湿地的生态系统健康进行综合评价， 这里采用各单项指标的加权平均法来求湿地生态系统健康综合评价指数( c e i ) 。对 各项指标的权重的确定，采用a h p 法，湿地生态生态系统健康综合评价指数用以 下公式求得： c e i = 形b f - t 式中：第f 个单项指标的评价值； 形第f 个指标的权重值。 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 3 评价标准 参照已有的研究成果1 2 8 3 们，本文把大沽河湿地生态系统健康分为5 级，分类 结果及各级的含义如表2 - 3 。 表2 - 3 湿地生态系统健康状况分级 c e i等级生态系统健康状况 湿地景观保持良好的自然状态，结构合理、系统活力极 0 9 i ( 良好) 强，外界压力小，功能完善，系统极稳定 湿地景观较好的保持自然状态，结构比较合理，系统活 0 7 0 9u ( 较好) 力较强，外界压力小，功能较完善，系统尚稳定 湿地景观自然状态受到一定的改变，结构合理，活力表 o 5 o 7 m ( 一般)现衰退、外界压力较大，功能水平有一定的退化，生态 系统尚可维持 湿地景观的自然状态受到相当的破坏，结构破碎，活力 o 3 加5 i v ( 较差) 较低，功能水平很大的退化，对外界的干扰响应迅速 湿地景观的自然状态已受到彻底破坏，结构破碎，活力 o 3 v ( 极差) 极低，功能大部分丧失，生态系统已经严重恶化 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 3 研究区域概况 3 1研究范围 、 大沽河口湿地区域位于青岛市西北部，大沽河流域的中下游，所选取研究区 域西起地理坐标为东经1 2 0 。27 3 9 ， 1 2 0 。1 37 4 3 ”、北纬3 6 。57 4 7 ， 3 6 。1 5 4 3 ”，湿 地主要分布在这一范围内的大沽河河口段沿岸，如图3 - 1 ，面积约为3 8 0 k m 2 ，研 究区涉及的行政区包括分属胶州市、城阳区，海拔高程o 4 0 m 。 图3 1 大沽河河口湿地研究区 研究区内的沙州，大沽河及其支流水域、沿河滩洲、沿海滩涂和浅海区、湖 泊、近郊的坑塘、盐田、养殖区等人工湿地均属于本文研究对象，本文将大沽河 口区湿地分成河流、滩涂、养殖区、盐田共4 个类型。 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 3 2 自然环境概况 3 2 1 地质条件 1 地形、地貌 大沽河流域在大的地貌单元中属鲁东低山丘陵区的一部分。地形变化的总趋 势是北高南低，古岘以北为构造剥蚀低山丘陵地形，主要由花岗岩和变质岩组成， 地形标高一般5 0 2 0 0 m ，大泽山主峰7 3 6 7 m ，是区内最高点。古岘以南为构造剥 蚀平原，主要是有碎屑岩和火山岩组成，是胶莱盆地的组成部分，地形起伏平缓， 标高一般2 0 - 5 0 m ，沿大沽河中下游河床两侧为河谷冲击平原，由北向南呈不规则 的带状分布、古岘一店埠以南河谷开阔，地形平坦，地形标高4 , - , 4 0 m ，微向南倾 斜，斜坡2 o 7 。流域下游河谷宽度一般6 k m ，最宽处在1 0 k m 以上古河谷被 埋于地下，现代河床上叠在古河谷堆积物之上，河床深度一般2 m 左右，两岸筑 有人工堤坝，高度3 - 5 m 。河谷两侧为剥蚀一堆积准平原，基底岩石为白垩系王氏 组砂页岩( 局部为青山组中基性火山岩) ，上覆较薄的残破积层，有的基岩直接出露 地表。从地表看，地形也很平坦，与古河谷地形之间无明显界线 2 地层 大沽河流域位于中朝准地台鲁东迭台隆中部，跨胶北台拱和胶莱中台陷两个 三级构造单元，北部胶北台拱出露地层为太古界一元古界胶东群及元古界粉子山 群前者以黑云斜昌片麻岩、黑云变粒岩等为主，后者主要岩性是黑云片岩、麻 片岩、黑云变粒岩石、不纯大理岩及长石石英等。经多期构造变动，古老变质岩 系褶皱强烈。燕山运动在本区表现出强烈的活动性，其特点是：断裂构造极为发 育，并伴有强烈的火山喷溢和酸性岩浆侵入胶莱坳陷即是燕山运动的产物。在 坳陷带内沉积了巨厚的白垩系青山组( k 1 q ) 和王氏组( k 2 w ) 。前者主要岩性为凝灰 质岩、砾岩、长石砂岩夹粉砂质页岩、安山岩、玄武岩及火山碎屑岩等，分布不 广，一般多靠近粉子山群；后者为砂岩、粉砂岩、粉砂质粘土岩为主，局部夹安 山岩或玄武岩，出露广泛，占据大沽河流域中下游的大部分地区由于褶皱构造 不强烈，青山组和王氏组呈现平缓开阔的褶曲，走向北西，倾觉为1 0 - 2 5 。 燕山期花岗岩侵入体( r | ) 分布在流域的西北部即河流上源的大泽山至道头一 基于遥感图像的湿地生态系统健康评价 带，岩性为花岗岩、二长花岗、岩花岗闪长岩等。燕山运动不仅产生了许多新的 断裂，而且使老断裂恢复活动。一般认为北东向断裂多数继承性活动断裂，为压 扭性，规模较大但导水性差，入招一平断裂；北西向断裂形成较晚，属张性或张 扭性，为导水构造。 进入新生代以后，本区地壳活动的特点是在总体上升的同时，局部地区相对 坳陷，在山前及河谷平原沉积了第四系松散堆积物。由于坳陷幅度不大，第四系 松散堆积物的厚度较薄。第四系沉积物的成因类型比较齐全，但主要的、最有意 义的是冲积( q 甜) 和冲洪积层( q “+ p 。) 。 冲积和冲洪积层主要发育地段在大、小沽河的中下游，其分布受古河口形态 的严格控制，一般宽度5 - 7 k m ，最宽处l o k m 以上。厚度一般在l o 2 0 m ，多为双 层结构，上部为粘质砂土或砂质粘土，下部为砂及沙砾石层，河谷边缘常有坡积 物楔入，土层增多变厚，结构趋于复杂。 残破积层( q d + d 1 ) 主要分布在坡麓地带，厚度变化较大，但多数较薄。岩性以 粘性土夹碎石为主，常含铁锰结核。 海积层( q ) 分布在大沽河入海1 2 1 附近，岩性为淤泥或淤泥