城市湖泡濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

城市湖泡濕地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

自國(guó)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析研究所（iasa）于1989年首次提出生態(tài)安全概念以來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行了前所未有的研究。與生態(tài)系統(tǒng)健康研究所不同，生態(tài)安全研究不僅從生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展出發(fā)，而且從環(huán)境角度分析和評(píng)估自然生態(tài)系統(tǒng)或半自然生態(tài)系統(tǒng)。因此，這就要求對(duì)區(qū)域生態(tài)安全進(jìn)行評(píng)估，不僅要從生態(tài)安全本身出發(fā)，還要將生態(tài)安全系統(tǒng)的社會(huì)服務(wù)功能與能夠承受外部系統(tǒng)壓力的系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)估。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)方法多種多樣，如wataru等生態(tài)動(dòng)態(tài)模型應(yīng)用，對(duì)日本的湖生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合評(píng)估。毛峰等人根據(jù)psr（壓力狀態(tài)響應(yīng)）的一般概念模型，建立了許多指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了生態(tài)安全評(píng)價(jià)。同時(shí)，我們建議，要對(duì)流域生態(tài)進(jìn)行評(píng)估，必須注意流域生態(tài)的多尺度評(píng)價(jià)。不同的評(píng)價(jià)方法主要是通過(guò)建立大量的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、回歸模型、概念模型等方法對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。然而，考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、外部壓力因素與研究領(lǐng)域的結(jié)合，不同的指標(biāo)難以正確量化。因此，模型的建模過(guò)程中的不確定性和模擬精度已成為生態(tài)安全評(píng)價(jià)的瓶頸。此外，對(duì)于高度隔離和棲息地高度破碎的城市濕地，采用傳統(tǒng)的生態(tài)評(píng)估方法存在一些缺點(diǎn)。另一方面，傳統(tǒng)的生態(tài)評(píng)估主要是對(duì)生態(tài)安全的靜態(tài)評(píng)價(jià)，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈r(shí)間動(dòng)態(tài)評(píng)估。此外，如果空間上相互孤立，棲息地高度破碎，傳統(tǒng)的生態(tài)評(píng)價(jià)方法也存在一些缺點(diǎn)。另一方面，傳統(tǒng)的生態(tài)評(píng)估主要是對(duì)生態(tài)安全的靜態(tài)評(píng)價(jià)，因?yàn)樗鼈內(nèi)狈r(shí)間動(dòng)態(tài)評(píng)估。此外，城市濕地位于城市高度人類活動(dòng)的區(qū)域，有許多影響因素，生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展相對(duì)復(fù)雜。客觀上，必須通過(guò)多尺度、多尺度、多尺度的城市濕地進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)估。同時(shí)，該地區(qū)不同的地理位置、不同的功能區(qū)和小流域中的土地利用類型和土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)城市湖泡濕地的影響很大。同時(shí)，要客觀地進(jìn)行多尺度、多尺度的生態(tài)評(píng)價(jià)，必須能夠更好地解決點(diǎn)和表面結(jié)構(gòu)的結(jié)合，以全面考慮城市湖泡沫濕地的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育、濕地水質(zhì)指標(biāo)，以反映生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模的。1城市功能分區(qū)的確定南京仙林大學(xué)城位于江蘇省南京市仙林新市區(qū)仙鶴片區(qū)(圖1),西至寧蕪鐵路,東至公路二環(huán),北至寧鎮(zhèn)公路,南以靈山山脈為界,面積約為24km2,是仙林新市區(qū)的重要組成部分,南京仙林大學(xué)城主要職能為高等教育功能及居住功能,還有部分半自然的農(nóng)業(yè)棄墾區(qū),是以高等院校和居民住宅區(qū)有機(jī)融合的綜合性社區(qū).至2007年底,南京仙林大學(xué)城入駐院校15所,在校生突破12萬(wàn)人,地區(qū)總?cè)丝诮咏?7萬(wàn).在大學(xué)城建設(shè)過(guò)程中,整個(gè)地區(qū)由原來(lái)的農(nóng)業(yè)用地逐漸改變成科教用地、住宅用地及商業(yè)服務(wù)用地,城市化進(jìn)程顯著.在城市化進(jìn)程中,城市湖泡濕地并未受到重視,往往被填埋、改造或者成為垃圾堆積場(chǎng),使城市湖泡濕地不僅喪失了其原有功能,而且成為蚊蠅、寄生蟲滋生之地.本文通過(guò)選取快速城市化區(qū)域典型湖泡濕地進(jìn)行多尺度生態(tài)安全評(píng)價(jià)來(lái)考察在城市化進(jìn)程中各湖泡濕地發(fā)揮與維持其各項(xiàng)功能的能力,為城市可持續(xù)性發(fā)展提供理論指導(dǎo).2生態(tài)安全評(píng)價(jià)本研究從評(píng)價(jià)對(duì)象的生態(tài)系統(tǒng)、所在集水區(qū)小流域及功能區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)生態(tài)安全評(píng)價(jià),分別得出生態(tài)系統(tǒng)尺度安全指數(shù)、集水區(qū)尺度安全指數(shù)及功能區(qū)尺度安全指數(shù),最后通過(guò)對(duì)三個(gè)指數(shù)綜合評(píng)價(jià)得到城市湖泡濕地生態(tài)安全綜合指數(shù).2.1方法的提出及評(píng)價(jià)對(duì)象的確定水質(zhì)作為制約濕地形成與發(fā)育的重要因素,其在維持濕地生態(tài)系統(tǒng)本身功能及指示濕地生態(tài)系統(tǒng)受外界壓力狀況時(shí)發(fā)揮著重要作用,因此在生態(tài)系統(tǒng)尺度上主要選取濕地水質(zhì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo).濕地水質(zhì)指標(biāo)主要考慮水體的營(yíng)養(yǎng)狀況、反映有機(jī)污染狀況及溶解無(wú)機(jī)離子狀況.因此本研究選取總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)作為營(yíng)養(yǎng)鹽指標(biāo),選擇溶解氧(DO)、化學(xué)耗氧量(CODMn)反映水體有機(jī)污染水平,而電導(dǎo)率(Cond)及總?cè)芙夤腆w(TDS)主要反映水體中無(wú)機(jī)離子狀況.通過(guò)2008年3月份到2009年2月份為期1年對(duì)仙林大學(xué)城內(nèi)10個(gè)典型湖泡濕地進(jìn)行野外采樣,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析,以每個(gè)季節(jié)3個(gè)月份水質(zhì)指標(biāo)的加和平均值來(lái)代替該季節(jié)湖泡濕地水質(zhì)狀況.集水區(qū)尺度城市湖泡濕地的生態(tài)安全評(píng)價(jià)主要是反映城市湖泡濕地對(duì)所在小流域的服務(wù)功能及流域內(nèi)土地利用結(jié)構(gòu)對(duì)湖泡濕地所產(chǎn)生的壓力.評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括:集水區(qū)面積、土地利用類型、土地利用結(jié)構(gòu)、水量.集水區(qū)面積對(duì)降水有著重分配過(guò)程,面積大小直接影響降雨對(duì)城市湖泡濕地水體補(bǔ)給情況,因此集水區(qū)面積是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中不可缺少的指標(biāo)之一.而不同土地利用類型、土地空間分配格局在雨水徑流過(guò)程中造成的土壤養(yǎng)分流失有所差異,因此在評(píng)價(jià)過(guò)程中選取土地利用類型及空間分配格局等指標(biāo)來(lái)反應(yīng)城市湖泡濕地在集水區(qū)流域尺度上的壓力強(qiáng)度.研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要有耕地、林地、草地、住宅用地、交通用地、科教用地、商服用地、湖泡及其他,選取經(jīng)典景觀空間格局指數(shù):斑塊密度、均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)及蔓延度指數(shù)來(lái)描述土地利用結(jié)構(gòu)狀況.功能區(qū)尺度的生態(tài)安全評(píng)價(jià)主要反映城市湖泡濕地在維持該功能區(qū)的主要生態(tài)功能,所有這種多功能景觀的可持續(xù)發(fā)展為人類提供諸多服務(wù)功能.由于研究區(qū)域較小且不是以行政單元為界,所以社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)不易獲得,因此綜合考慮最終評(píng)價(jià)對(duì)象為城市湖泡濕地和功能區(qū)內(nèi)各指標(biāo)的可獲得性,功能區(qū)尺度生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取:人口密度、道路密度、不透層面積比例.本區(qū)域主要是仙林大學(xué)城區(qū)域,道路密度可充分反映市民可達(dá)性及人類對(duì)湖泡濕地壓力;區(qū)域的發(fā)展程度一般使用不透層面積比例表達(dá).2.2生態(tài)安全指數(shù)各指標(biāo)權(quán)重的確定采用加權(quán)平均計(jì)算各尺度生態(tài)安全指數(shù)后,進(jìn)一步加權(quán)處理得到多尺度下城市湖泡濕地生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià)結(jié)果:S=∑i=1nWiXiS=∑i=1nWiXi,(1)式中S為生態(tài)安全指數(shù),Wi為權(quán)重,Xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值,算法為選取該指標(biāo)時(shí)間序列最優(yōu)值歸一化為1,其余值以其與最佳值的比值或者是比值的倒數(shù)作為歸一化后的值.權(quán)重采用熵值法來(lái)確定,由各指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的熵值更具有客觀性.首先構(gòu)建n個(gè)樣本m個(gè)指標(biāo)的判斷矩陣A=(aij)n×m,采用功效系數(shù)法將判斷矩陣歸一化處理,得到歸一化判斷矩陣B,B中元素的表達(dá)式為B=(bij)n×m:包括正效指標(biāo)(2)及負(fù)效指標(biāo)(3),評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值計(jì)算見(jiàn)公式(4)、(5),最后由計(jì)算出來(lái)的熵值Hi通過(guò)公式(6)得到各指標(biāo)權(quán)重,然后通過(guò)公式(1)得到不同尺度下生態(tài)安全指數(shù)S.d(xij)=xij?min(xij)max(xij)?min(xij)d(xij)=xij-min(xij)max(xij)-min(xij),(2)d(xij)=max(xij)?xijmax(xij)?min(xij)d(xij)=max(xij)-xijmax(xij)-min(xij),(3)Hi=?1lnn(∑i=1nfijlnfij)Ηi=-1lnn(∑i=1nfijlnfij),(4)fij=1+bij∑i=1n(1+bij)fij=1+bij∑i=1n(1+bij),(5)Wi=1?Him?∑i=1mHiWi=1-Ηim-∑i=1mΗi.(6)3結(jié)果與討論3.1生態(tài)安全指數(shù)季節(jié)性變化特征運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)仙林大學(xué)城內(nèi)10個(gè)湖泡濕地選取9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)尺度上不同季節(jié)生態(tài)安全評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖2.從圖中可以看出,在生態(tài)系統(tǒng)尺度上各湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)均在0.55以上,平均分布在0.75左右.通過(guò)方差分析,在顯著性水平P=0.001時(shí)季節(jié)性變化顯著.總體變化趨勢(shì)為從2008年春季(3~5月)到冬季(12~2月),生態(tài)安全指數(shù)總體為上升趨勢(shì),由于每個(gè)湖泡濕地受外界影響因素不同,變化趨勢(shì)有所差異.季節(jié)性變化趨勢(shì)大體可分為三種:(1)從2008年春季到冬季生態(tài)安全指數(shù)持續(xù)升高,如2#、7#、8#樣點(diǎn).(2)從2008年春季到夏季生態(tài)安全指數(shù)呈降低趨勢(shì),而到秋冬季則持續(xù)升高,這類有3#、5#、6#樣點(diǎn).(3)夏秋季節(jié)生態(tài)安全指數(shù)持續(xù)降低,而到冬季生態(tài)安全指數(shù)又呈上升趨勢(shì),如4#、9#及10#樣點(diǎn).3.2集水區(qū)及功能區(qū)的生態(tài)安全評(píng)價(jià)3.2.1集水區(qū)生態(tài)安全指數(shù)由于集水區(qū)及功能區(qū)相對(duì)比較穩(wěn)定,較短時(shí)間尺度影響并不明顯,因此在集水區(qū)及功能區(qū)尺度上并沒(méi)有進(jìn)行時(shí)間動(dòng)態(tài)方面的評(píng)價(jià).首先通過(guò)fragstats3.3景觀生態(tài)學(xué)軟件對(duì)研究區(qū)內(nèi)10個(gè)集水區(qū)小流域面積、斑塊數(shù)密度、相對(duì)均勻度指數(shù)、多樣性指數(shù)、蔓延度指數(shù)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合該小流域水量等6個(gè)指標(biāo)對(duì)各個(gè)小流域進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià).從圖3可以看出在集水區(qū)尺度上,2#、3#樣點(diǎn)生態(tài)安全指數(shù)較低分別為0.23及0.30,主要是因?yàn)閮烧咚蛎娣e較小且周圍科教用地面積較大;1#、4#及7#樣點(diǎn)生態(tài)安全指數(shù)差異不大,均在0.4左右;9#、10#樣點(diǎn)生態(tài)安全指數(shù)較高,分別為0.79及0.73;5#、6#及8#樣點(diǎn)生態(tài)安全指數(shù)分別在0.60~0.67之間.3.2.2功能區(qū)尺度的生態(tài)安全評(píng)價(jià)在功能區(qū)尺度上選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要圍繞區(qū)域內(nèi)湖泡濕地生態(tài)安全的影響因素,因此本文主要選取區(qū)域面積、人口密度、道路密度及不滲層面積比例三個(gè)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行功能區(qū)尺度的生態(tài)安全評(píng)價(jià).根據(jù)研究區(qū)功能性質(zhì),本研究主要把城市湖泡濕地所在功能區(qū)分成三類,分別為科教園區(qū)、商業(yè)服務(wù)區(qū)及生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)(圖4).三個(gè)功能區(qū)尺度上生態(tài)安全指數(shù)分別為科教園區(qū)(0.71)、商業(yè)服務(wù)區(qū)(0.31)、生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)(0.99).從圖4可以看出,商業(yè)服務(wù)區(qū)面積較小,但是其道路卻比較集中,而科教園區(qū)與生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)面積較大,道路密度較小,這是造成商業(yè)服務(wù)區(qū)生態(tài)安全指數(shù)較低的原因.3.3湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)季節(jié)性變化通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)尺度、集水區(qū)尺度及功能區(qū)尺度三個(gè)空間尺度,及一年內(nèi)季節(jié)性變化這一時(shí)間尺度對(duì)研究區(qū)內(nèi)10個(gè)典型的湖泡濕地進(jìn)行生態(tài)安全綜合評(píng)價(jià).評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖5,從圖5可以看出10個(gè)湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)差異明顯,每個(gè)湖泡濕地的平均值基本在0.70以上,從數(shù)值評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,評(píng)價(jià)數(shù)值基本處于兩種水平:7#、8#、9#及10#樣點(diǎn)較高,平均值達(dá)到0.90以上;其余各湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)彼此差異不大,從圖4中可以看出生態(tài)安全指數(shù)較高的湖泡濕地都處于生態(tài)農(nóng)業(yè)區(qū)內(nèi),而科教園區(qū)及商業(yè)服務(wù)區(qū)內(nèi)的湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)季節(jié)性變化趨勢(shì)相似.從季節(jié)性變化來(lái)看,從2008年春季(3~5月)到冬季(2009年12~2月)變化趨勢(shì)基本上是春冬季節(jié)生態(tài)安全指數(shù)較高,而夏秋生態(tài)安全指數(shù)較低.這與生態(tài)系統(tǒng)尺度上生態(tài)安全指數(shù)變化趨勢(shì)應(yīng)該是一致的,因?yàn)樵谏鷳B(tài)系統(tǒng)尺度的生態(tài)安全評(píng)價(jià)權(quán)重最大,也是整個(gè)評(píng)價(jià)的核心.8#在春季生態(tài)安全指數(shù)較低,而到夏秋季節(jié)持續(xù)升高,這主要是因?yàn)樵?007年11月之前受到周圍生活污水的影響,而當(dāng)年11月份竣工的污水改道工程使得該區(qū)水質(zhì)有所改善.在夏秋季節(jié)特別是夏季雨水較多,研究期間區(qū)域內(nèi)總降水量為1044mm,其中夏季降雨量占到全年的52.5%,而城市暴雨徑流影響成為威脅到城市湖泡濕地生態(tài)安全的主要因素.TitusSSeilheimer等在研究城市化地區(qū)水質(zhì)狀況時(shí)結(jié)果也表明在6~8月份大部分水質(zhì)指標(biāo)較差.Willey等人也得出近年來(lái)雨水中的氨氮濃度有所上升.為了揭示這一變化規(guī)律,本研究在考慮湖泡濕地周圍景觀結(jié)構(gòu)、土地利用類型的基礎(chǔ)上,對(duì)2008年6月份一次降水(降水量為2mm)進(jìn)行了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)此次降水中總氮、氨氮、總磷分別是所有研究湖泡濕地水質(zhì)平均值的2.89、4.62及1.24倍,因此可以推測(cè)導(dǎo)致夏秋季城市湖泡濕地生態(tài)安全指數(shù)較高的主要因素是降水中的污染物質(zhì)及來(lái)自城市雨水徑流的影響.4生態(tài)安全評(píng)價(jià)從不同尺度對(duì)城市湖泡濕地進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)可以全面地對(duì)城市湖泡濕地進(jìn)行生態(tài)安全定位,評(píng)價(jià)結(jié)果具有綜合性、客觀性.同時(shí)湖泡濕地生態(tài)安全度對(duì)于不同季節(jié)的響應(yīng)狀況及變化規(guī)律更能體現(xiàn)城市濕地健康狀況.評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)城市水資源合理開(kāi)發(fā)與保護(hù)起到指導(dǎo)作用.通過(guò)熵權(quán)法對(duì)各個(gè)湖泡濕地進(jìn)行生態(tài)安全評(píng)價(jià)結(jié)果未進(jìn)一步分級(jí),主要是因?yàn)槟壳皩?duì)生態(tài)安全等級(jí)的確定往往從計(jì)算結(jié)果中進(jìn)行重分類,主觀性較強(qiáng),而生