湿地生态脆弱性评价研究

湿地生态脆弱性评价研究摘要：生态脆弱性是生态学研究的重点领域之一，而湿地是水陆交汇作用形成的典型脆弱生态系统，其评价研究已成为当前全球变化与可持续发展研究关注的热点问题。湿地脆弱性评价研究经历了从湿地脆弱性特征定性评价，到湿地脆弱性定量评价，再到气候变化下湿地脆弱性评价的发展历程。首先，分析了生态脆弱性及其评价的内涵；其次，介绍了国内外关于湿地脆弱性评价的研究成果及现状；然后，通过“构建指标体系确定评价单元确定评价方法划分湿地脆弱性等级综合分析”，分定性和定量来对湿地的生态脆弱性进行评价，并对不同的方法进行比较分析。同时，概述了湿地生态系统对气候变化的脆弱性研究。最后，就存在的问题和未来展望作了进一步的总结，指出了不足之处及未来需要研究的方向。关键词：湿地；生态脆弱性；评价湿地、森林、海洋并称为全球三大生态系统，它们在净化环境、调蓄洪水、抵御自然灾害、保护生物多样性、稳定海岸等方面发挥着重要作用1。湿地是水陆交互作用下的独特生态系统，是水陆之间的过渡地带，具有独特的生态结构与功能，被誉为“自然之肾” 2 。湿地生态系统对一个地区、一个国家乃至全球经济发展和人类生态的环境都有重要意义。20世纪，湿地减少速度很快，其面积和质量(指物种多样性等)都在降低。尤其在近几十年，湿地退化现象严重。湿地退化表明湿地生态系统脆弱性的存在3。近年来，湿地退化过程与机理、湿地生态脆弱性问题已经成为当前国际湿地科学研究的学科前沿领域的关键问题之一。本文将在湿地脆弱性评价发展历程基础上，就湿地脆弱性评价的基本理论和方法、存在的问题和进一步的研究方向等方面进行探讨。1 生态脆弱性及其评价的内涵生态脆弱性(EcologicalVulnerability)概念最早源于美国学者Clements提出的生态过渡带(E-cotone)概念。认为生态环境脆弱性主要是在特定地理背景和人类活动影响下，生态系统物质、能量分配不协调的产物，并由此提出了生态过渡带理论，之后关于生态环境脆弱性的研究便逐渐展开4。1.1生态脆弱性涵义对于生态脆弱性的定义，由于不同学者、研究人员的专业方向、理解程度、研究角度等存在差异，至今仍未形成统一的意见。但随着时代的发展，人们对于生态脆弱性的理解也有所加深5。任何生态环境经长期的演化发展，其人地关系都会逐渐稳定下来，只有大规模的人类经济开发活动或严重的自然灾害才会导致这种平衡状态的破坏，从而使生态环境处于脆弱状态，并不断朝生态环境退化甚至恶化的方向发展6。首先，生态脆弱性与生态环境的组成、结构等密切相关。生态脆弱性反映了生态环境对外界变化的响应程度，即生态系统在特定时空尺度相对于外界干扰所具有的敏感反映和自恢复能力，是自然属性和人类干扰行为共同作用的结果。其次，生态脆弱性是一个相对概念。任何一个生态环境都有脆弱性的一面，但具有脆弱性因子的生态系统不一定就脆弱，而相对稳定的生态系统也可能存在脆弱因子或者导致环境脆弱的因素7。此外，在一定条件下相对稳定的生态系统和相对脆弱的生态系统之间可以相互转化。由此可知，生态脆弱性是指生态环境对外界干扰抵抗力弱，在被干扰后恢复能力低，容易由一种状态转变为另一种状态，而且一经改变很难恢复到初始状态的性质。生态系统脆弱性来自两个方面:一是生态环境要素自身的脆弱，即由系统自身结构决定的，主要体现在系统自身的不稳定性和敏感性，是内因，可谓之为结构脆弱性;二是外界干扰下生态系产生的脆弱，即外部环境扰动对系统造成的不利影响。1.2生态脆弱性评价涵义生态脆弱性评价，是指在区域层次上对生态系统的脆弱程度做出定量或者半定量的分析、描绘和鉴定。其目的是为了明确生态系统的脆弱性特征，用以规范人类活动的方式和强度，维护区域社会经济发展下的生态安全8。”脆弱性评价”这一定义融合了”敏感性”和”脆弱性”两个概念。它是指对一个包含了某些环境特征要素的区域生态、环境进行易损性评价，其中的环境特征是指对其可能遇到的自然或人为压力产生敏感响应的特征，这些特征可以是生物性(如物种、群落)结构或变化过程，也可能非生物性的(如生境)变化。生态环境脆弱性评价工作，一般包括准备、系统分析、设计、综合评价和调5个阶段：准备阶段主要收集相关资料;在系统分析阶段中确立评价指标体系，划分评价单元;设计阶段主要进行评价方法和加权方法的设计;然后在综合评论阶段中进行计算，得出评价结果；最后提出有关建议，调控资源开发与生态环境保护之间的矛盾。湿地脆弱生态环境的成因生态脆弱性是环境自然变化和人类活动影响的叠加结果，随着人类向自然环境索取能力增强，人类活动通过叠加在自然变化背景上的影响程度日趋增强，并已上升为生态环境脆弱演变的主导力量，成为湿地生态环境的病灶和决定性因子。这里将影响江汉平原湿地脆弱生态的因素分为自然因素和人为因素两大类9。2国内外研究现状2.1国外研究现状IPCCCZMS(1992)为各国进行脆弱性评估建立了通用方法，这一方法考虑了全球变化和海平面上升对人口、经济、生态、社会和粮食生产的潜在影响，共分7步进行10。Downing和Doherty在综合多种气候脆弱性和适应性评价方法后，建立了一个用于湿地的脆弱性评估框架。该框架中的步骤和方法可用于改善湿地生态环境和保持湿地生态特性。他们强调这种评估方法应被视为一种迭代过程。这种评估方法是一种概念研究，目的在于促使利益相关方加强合作，建立相应机制，更好的应对气候变化带来的影响。1971年2月，在伊朗的拉姆萨尔召开了“湿地及水禽保护国际会议”，会上通过了“国际重要湿地特别是水禽栖息地公约”(Conventionon Wetlands of Importance Especially as WaterfowlHabitat)，简称拉姆萨尔公约。在过去的40多年里，拉姆萨尔公约相关机构一直致力于研究关于湿地评估和监测的方法。湿地脆弱性评估作为湿地评估的重要一环，尤其是与全球气候变化之间存在着紧密的联系，逐渐成为了湿地研究的焦点问题。国外学者在对典型的湿地生态脆弱性评估方面也做了大量的研究。如CharlieStratford11等建立了用于评估喜马拉雅地区湿地生态脆弱性的方法，并在尼泊尔费瓦湖脆弱性评估中具体运用到此方法。Catherine E Lovelock和Joanna Ellison12分析了气候变化将对滨海湿地产生的影响，并具体评估了大堡礁的红树林和潮间湿地面对气候变化的脆弱性。MaiTrongNhuan13为越南春水国家湿地公园建立了地理信息系统数据库，采用空间多准则决策分析和双评价标准比较法分3个时候对该区湿地进行了脆弱性评价，并针对各区域的不同脆弱度，提出了相应的环境保护和恢复的对策。2.2国内研究现状根据中国湿地的现状以及湿地公约分类系统，可将我国湿地分为河流、湖泊、沼泽、滨海和人工湿地五大类。目前我国湿地脆弱性已有了不少示范性试点研究，国内学者对不同空间尺度上的不同类型湿地脆弱性进行了分析和评估。中国很多学者开展了湿地生态系统脆弱性的研究，这些研究多集中于通过分析湿地生态脆弱性的特征或其影响因子来评价湿地生态系统的生态脆弱性14。已有的研究主要有：陈久和等15（2003）对杭州西溪边缘湿地生态环境脆弱性进行了研究；万洪秀等16（2006）博斯腾湖湿地生态脆弱性进行评价研究；付博等17（2011）基于神经网络方法对湿地生态脆弱性评价；陈菲莉等18（2013）对1989年与2008年泉州湾河口湿地生态环境脆弱性变化进行评价研究；秦磊等19（2013）基于PSR模型对七里海湿地生态脆弱性评价进行了研究；崔利芳等20（2014）对海平面上升影响下长江口滨海湿地脆弱性进行了评价；张德君等21（2014）基于GIS对南四湖湿地生态脆弱性进行了评价等等。从以上一些文章中可以看出，对湿地生态脆弱性的研究已相当广泛，GIS和相关模型已经逐渐在湿地生态脆弱性研究中得到应用。3研究方法3.1评价指标体系的建立一般地，评价指标的建立遵循四个基本原则：综合性原则：综合考虑各种影响因子和表现方式，建立多指标评价体系；主导性原则：突出湿地景观生态脆弱化过程中的主导因素；景观生态学原则：评价指标充分体现景观空间格局在生态脆弱化中的作用；可操作性原则：脆弱性定量评价是在定性评价基础上进行的。在评价中选取作用大、敏感性强、可测性好的具体要素为指标，做到简单实用。基于以上原则，由于评价目标的特殊性及复杂性，目前尚未形成一种普遍认可的评价方法，一般将定性分析与定量分析相结合，常用的有层次分析法（AHP）、定量分析法、综合指数法、模糊分析法、定性分析法、EFI法、PSR法等22许多研究人员对湿地生态脆弱性评价方法进行了研究，例如麦少芝等23应用PSR法进行湿地生态系统健康评价，提出了湿地生态系统健康评价指标体系;杨一鹏等24应用遥感技术，以PSR模型分析了松嫩平原西部湿地的生态环境状况;周亮进25采用AHP法从影响因素、表现因素、胁迫因素等方面选择了14个评价指标，对闽江河口湿地的生态脆弱性状况进行了评价；刘振乾等26利用AHP法及综合指数法，分析评价了三江平原湿地的生态脆弱性状况。2.2评价单元的确定评价单元主要有3种：一是基于面状的矢量评价单元，主要是行政单元、小流域和景观单元等，因其数据获取方便，尤其是县域行政单元，应用最广，但研究范围过大，说服力不强；二是基于点状的栅格评价单元，其基于GIS技术发展起来，直观性、准确性强，是未来发展的主要趋势，但其数据可获得性难度大；三是矢量评价单元和栅格评价单元相结合，指标因子载体和空间分析评价单元分别选取，保证了数据的可获得性和准确性，弥补了前两者的不足。2.3湿地脆弱性定性评价分析湿地脆弱性特征是湿地脆弱性评价和管理的基础，是湿地脆弱性表现的特殊形态。湿地脆弱性特征研究的切入角度多数侧重于其成因，少数则突出脆弱性评价结果。湿地脆弱性特征主要有：地貌基底成因的不稳定性、过渡带或边缘地区的突发性、旱涝与水土流失等灾害引起的波动性、水热分配不均或水资源紧缺的压力性、水体水质受到污染的介入性、生物多样性受到威胁的胁迫性、过多或不合理的人为活动的干扰性、湿地受到破坏的难恢复性、湿地退化的衰退性(强调的是系统中要素向不利于系统多样性和稳定性方向发展，导致湿地面积减少，生物多样性降低，湿地退化等)。总之，湿地脆弱性特征就是湿地脆弱性诱因的复杂性和综合性、表现的随机性和突变性。综合各种湿地脆弱性特征，可以将湿地脆弱性的特殊形态归纳为：依据成因划分的基底脆弱性、界面脆弱性、波动脆弱性；依据驱动力划分的自然(结构)脆弱性、人为(胁迫)脆弱性；依据生态环境要素状态划分的干扰脆弱性、压力脆弱性、灾变脆弱性和衰退脆弱性；依据湿地组成成分划分的湿地水系统的脆弱性、湿地生物群落脆弱性(鸟类或鱼类)。2.4湿地脆弱性定量评价分析脆弱性的定量评价是湿地脆弱性研究的核心内容。目前，这方面的研究可归纳为两种类型：一是脆弱性综合评价，二是脆弱性专项评价。脆弱性综合评价是集湿地生态系统自然环境敏感性、人类活动、社会经济等方面的评价，侧重于多种扰动产生的影响，目前该类研究较多；而脆弱性专项评价具有很强的针对性，着重于某一个扰动下的湿地脆弱性评价，重点集中在受气候变化影响的湿地脆弱性评价，其研究发展趋势迅猛，前景广阔。对湿地脆弱性度量和划分等级方法介绍如下：综合指数法通过对各指标加权平均，计算湿地脆弱性值，由于其简单、容易操作，是目前湿地脆弱性评价中最常用的一种方法；但是，脆弱性值与内涵缺乏相互对应关系，还忽视了脆弱性各构成要素的相互作用机制，同时也很难建立跨区域、跨时段的脆弱性评价指标体系。模糊评价法是依据指标的隶属度，利用其隶属上的亦此亦彼性，计算湿地脆弱度。该方法适合较大和较小尺度的脆弱性评价，缺点是隶属度函数主观性较强，对指标的脆弱度反映不很敏感。层次分析法对指标因子进行分级管理，各层指标分值与权重加权求和。该方法计算过程简单，适合湿地脆弱度比较，应用前景广阔。EFI评价法将指标因子的贡献度定量化，根据不同指标对脆弱性指数的贡献度，计算脆弱度。该方法将湿地脆弱性评价与湿地质量紧密结合在一起，最适合于某一评价区域的内部比较，但生态阈值的确定或选择是最大的难点，评价结果也是相的。PSR（即压力-状态-响应）模型中，压力指标主要选择反映人类干扰状况的人口密度和人类干扰指数；状态指标主要选用活力(初级生产力)、组织(分维数、破碎度、斑块形状指数)、弹性(湿地平均弹性度)、服务功能(湿地蓄水量)等指标；响应指标主要选择湿地面积变化比例。2.5生态特征进行定义依据以上一些方法，可将湿地生态脆弱性分为以下几个等级：一级代表潜在脆弱的湿地生态系统，结构合理，活力很强，功能水平正常，无生态异常，湿地无退化现象，系统稳定，恢复能力很强；二级代表轻度脆弱的湿地生态系统，结构比较合理，活力较强，功能水平正常，无生态异常，湿地有轻微退化现象，系统较稳定，恢复能力较强；三级代表重度脆弱湿地生态系统，结构基本完整，有一定活力，功能出现一定的退化，出现少量生态异常，湿地轻度退化，系统较不稳定，恢复能力减弱；四级代表重度脆弱的湿地生态系统，结构破碎，活力很差，功能水平出现很大退化，生态异常较多，湿地中度退化，系统较不稳定，对外界的干扰响应迅速；五级代表极度脆弱的湿地生态系统，结构十分破碎，活力极差，功能大部分丧失，大面积生态异常3湿地生态系统对气候变化的脆弱性研究近年来，自然生态系统响应气候变化的脆弱性研究成为近年来气候变化研究领域的热点问题，湿地对气候变化的脆弱性是其中的重要研究方向。湿地对气候变化的脆弱性研究的内容包括：湿地生态系统水文景观对气候变化的脆弱性、湿地生态系统位置及其对气候变化的脆弱性、湿地生态系统结构和功能对气候变化的脆弱性湿地生物群落对气候变化的脆弱性、特定湿地类型(滨海湿地)对气候变化的脆弱性。湿地对气候变化的脆弱性研究方法包括：湿地水文景观分类法、生物完整性指标法、模型法和空间分析法等。其中，空间分析法主要是依赖于3S技术，实现湿地脆弱性的定量化，该方法注重空间分布特征，是未来发展的主要趋势之一，但空间数据的质量影响着评价结果。4小结与研究展望对湿地生态系统进行科学客观的脆弱性研究和评价是人们深入了解湿地生态系统现状和发展趋势的基础，是提高湿地保护和管理水平、制定科学的环境规划的前提，具有重要的理论和现实意义。但不同类型、区域的湿地生态脆弱性评价涉及地质、水文、气象、社会经济多种类型数据和学科知识，具有综合性和跨学科性，因而是一项较为艰巨的工作。其存在的问题与研究展望如下：1） 缺乏可靠的长时间序列的数据支撑。在现有湿地生态脆弱性研究的的过程中，往往由于缺乏长时间序列数据支撑，而使得应该定量分析的环节被迫转向定性分析，导致得出的结果客观性和精确程度下降。在湿地脆弱性研究中，在分析湿地的自然制、面对过去和现在压力的敏感性、潜在的阈值以及惯性和滞后效应时，都需要准确的、长期的数据支撑，而在我国的大部分湿地，都缺乏长期的、科学的监测，所以在数据收集这个环节，工作显得尤为困难。所以建立湿地生态监测体系，开展范围、长时期的湿地生态监测是十分必要的，也是势在必行的。2） 对于湿地系统的脆弱性复杂性认识不足。任何一个湿地系统都有多重脆弱性，湿地系统中不同的子系统都有不同的脆弱性。在现有的脆弱性研究中，研究方法以模拟的方法居多，但受到模型自身特性的限制，使得模拟方法在生态脆弱性研究中的运用还存在较大的不确定性。湿地系统的复杂远比模型所能模拟的程度要高，所用模型对系统进行客观科学的模拟还存在疑问。脆弱性不同驱动因子之间往往相互关联、相互影响，而研究驱动因子之间的关系，尤其是非线性关系还有很大的困难。模型和模拟结果受到社会经济制度及其变化等因素制约，难以进行足够的实证分析，进一步加剧了研究中的不确定性。如何整合湿地系统的多重脆弱性是一个值得深入研究的向。3） 湿地脆弱性评价标准不一致，应完善其评价体系。“构建指标体系确定评价单元确定评价方法划分湿地脆弱性等级综合分析”的评价程序基本得到认可和统一，但是每一个步骤的施行，都还没有形成较完善的体系。尤其是脆弱性划分的等级及阈值层次比较多，等次层次包含3等级、4等级和5等级，阈值划分有平均分配、GIS的NaturalBreaks和经验判断等，不同研究结果的可比性难度加大。因此，在确定评价指标体系、指标权重、分析模型等方面都需要进一步完善湿地脆弱性评价体系，统一评价标准，整合已有研究结果，整体上把握大范围湿地脆弱性状态。4） 评价指标范围较狭窄，需发展新的指标遴选方法。除气候和地形等自然环境指标、人为活动指标、社会经济指标外，对湿地生物组分(湿地鸟类和鱼类等)指标的研究还不够深入。生物资源是直接可获取和利用的利益，对其深层次的研究有重要的现实意义。为了使得指标选取更加合理和全面，有必要发展新的指标遴选方法，如“自上而下”和“自下而上”相结合的指标遴选体系27，构建符合实情的湿地脆弱性评价指标体系。5） 湿地脆弱性的定量评价存在不确定性，应加强不确定性原因的分析。不确定性存在于湿地脆弱性评价整个过程中，包括研究资料、研究方法或技术手段、评价对象的时空尺度、尺度推移和外推(较小尺度到较大尺度、实验室向野外情况外推等)的不确定性；湿地生态系统的复杂性；自然、人文及耦合系统等影响因素的不确定性，以及两者的相互作用及影响因素之间的相互作用等造成的湿地脆弱性不确定性。现有研究对这种不确定性原因分析还较欠缺，尤其是在为决策提供依据时，就更需要进行不确定性原因分析。因此，有必要加强这方面的研究，并通过改进研究方法或技术手段28逐步减少评价结果的不确定性，为决策者提供决策依据。6） 湿地对气候变化的脆弱性研究集中于国外，应加强国内相关研究。国内的湿地对气候变化的脆弱性研究相对薄弱，缺乏定量评价湿地对气候变化脆弱性的方法、模型、指标体系和“气候阈值”，迫切需要加强相关基础研究工作。通过湿地区域的气候要素及生态环境指标的动态监测和诊断分析、气候变化对湿地水文资源及水文情势的影响、气候变化背景下碳循环过程和生物响应过程对湿地影响的机理等基础研究，定量评价湿地脆弱性的状态。参考文献1崔保山,杨志峰.湿地生态系统健康评价指标体系.方法与案例J.生态学报,2002,22(8):1231-1239.2叶正伟.淮河流域湿地的生态脆弱性特征研究J.水土保持研究,2007,04:24-29.3张晓龙,李培英.湿地退化标准的探讨J.湿地科学,2004(2):36-40.4王让会,樊自立.干旱区内陆河流域生态脆弱环境评价J.生态学杂志,2001,(3):63-68.5周嘉慧,黄晓霞.生态脆弱性评价方法评述J.云南地理环境研究,2008,20(1):55-59.6田亚平,邓运员.概念辨析与实证:脆弱生态环境与退化生态环境J.经济地理,2006,26(5):846-860.7姚健,艾南山,丁晶.中国生态环境脆弱性及其评价研究J.兰州大学学报:自然科学版,2003,39(3):77-80.8乔青,高吉喜.生态脆弱性综合评价方法与应用J.环境科学研究,2008,21(5):117-123.9王学雷.江汉平原湿地生态脆弱性评估与生态恢复J.华中师范大学学报(自然科学版),2001,35(2):237-240.10李恒鹏,杨桂山.全球环境变化海岸易损性研究综述J.地球科学进展,2002,(1):104-109.11Charlie S,Mike A,Gwyn R,etal.Avulnerability assessment method for wetlands In theHimalayan RegionR.Centre for Ecology and Hydrology,2008.12Catherine E L,Joanna E.Vulnerability of mangroves and tidal wetlands of the Great Barrier Reef to climate changeR.13Mai T N.Assessment of Vietnam 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