Wetland Ecosystem Health Assessment in the Yellow River Delta Nature Reserve

LIU Hongyuan, ZHOU Zhihua, WANG Nana, WANG Yanjun

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (27) : 74-78. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-1004

Wetland Ecosystem Health Assessment in the Yellow River Delta Nature Reserve

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Abstract

In order to better evaluate the health of the wetland ecosystem in the Yellow River Delta Nature Reserve, according to its characteristics and the connotation of wetland ecosystem health, we used the Euclidean distance theory and selected 13 indicators from four aspects of water, soil, biology and society, to construct the assessment system of the wetland ecosystem and evaluate the ecosystem health. Then, we analyzed the existing problems of the reserve based on the index diagnosis method. The results showed that the ecosystem health index (A value) was 0.656. The water guarantee rate, soil pH, dynamic balance of plant community, dynamic balance of animal community, population density, ratio of water extraction to water storage, ratio of wetland output value to input capital contributed positively to A value. The contribution of soil available phosphorus, wetland capital input capacity and supply function type to A value was negative. The evaluation method adopted by this study on wetland ecosystem health based on Euclidean distance could accurately reflect the ecosystem health, the existing problems were analyzed, and some suggestions on further improvement of the natural reserve were put forward.

Key words

the Yellow River Delta area / natural reserve / Euclidean distance / wetland ecosystem / evaluation method

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LIU Hongyuan , ZHOU Zhihua , WANG Nana , WANG Yanjun. Wetland Ecosystem Health Assessment in the Yellow River Delta Nature Reserve. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2022, 38(27): 74-78 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-1004

0 引言

被誉为“地球之肾”的湿地与海洋、森林共同构成了地球三大生态系统,是维持全球可持续发展的重要载体,在生态、经济、科学和文化等方面具有不可替代的作用[1]。湿地具有极强的污染物降解功能、强大的储水功能以及生物多样性和生物链完整性的功能,在应对气候变化、孕育和传承人类文明中发挥着重要作用,并为人类生产和生活提供了多种资源[2⇓-4]。
黄河三角洲自然保护区（以下称“保护区”）由于泥沙的造陆作用使得该区处于极其珍贵的自然界“原始本底”状态。在无人为干扰下,保护区的地下水位自海向陆呈现出由高到低的梯度变化,而土壤盐分变化与之相反。保护区作为一个多功能的湿地生态系统,是生物多样性最为丰富的生态系统之一[5]。正是如此,保护区为许多野生动植物提供了栖息和繁殖的场所,也被誉为“天然物种库”[6]。保护区为人类社会提供了如此丰富的资源,如何合理利用保护区资源已经成为当前热点问题,对保护区湿地生态系统健康进行科学评价是解决这一问题的有效手段之一,也为其他湿地科学评价提供理论依据。
当前湿地生态系统健康的评价方法有很多,如层次分析法[7⇓-9]、熵权法[10]、Delphi法[11]、模糊综合评价法[12]、景观发展强度法[13]、快速评价法[14-15]、支持向量机[16]等。其中最常见的方法是层次分析法,但该方法在实际应用中最大的问题是指标权重。指标权重的分配往往受限于专家的个人兴趣和研究背景,其评价结果也往往具有一定局限性,即使一些权威部门的评价亦是如此[17]。例如生物多样性、环境状态、社会状态三种指标的重要性会因所在区域、湿地类型和人等因素的不同而不同[18-19]。基于此,本研究针对上述方法的不足和问题,提出了基于欧氏距离的湿地生态系统健康评价理论体系,该方法通过将所有指标量化,在有效避免人为因素前提下较真实地反应了湿地生态系统健康情况,在很多领域等到了广泛应用[20-21]。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

山东黄河三角洲国家级自然保护区(37°45′36″N,118°59′11″E)位于山东省东营市境内黄河入海口处,北临渤海,东靠莱州湾,是以保护新生湿地生态系统和珍稀濒危鸟类为主的保护区,同时也是中国暖温带保存最完整、最广阔、最年轻的湿地生态系统。保护区总面积15.3万hm2,各类湿地总面积11.31万hm2。保护区年降水量551.6 mm,年蒸发量1928.2 mm,气候为暖温带季风型大陆性气候。独特的生态环境、得天独厚的自然条件,造就了保护区“奇、特、旷、野、新”的美学特征,被评为中国“最美的六大湿地”之一。

1.2 湿地生态系统健康评价理论体系

湿地生态系统现状是反映湿地生态系统健康与否以及能否发挥湿地生态系统功能的重要依据。通过选取一些既定的指标并将这些指标数据化后对湿地生态系统健康进行评价,如湿地密度、水质级别等。基于现有研究基础,可以确定各指标的理想值并将这一系列指标值构成的系统称之为目标系统（G系统）,即系统的最理想状态。与此同时还需设置零系统（Z系统）,即目标系统的对立值。这样目标系统和零系统就组成了一把“标尺”来衡量被评价系统的现状。基于上述基本理论,结合欧氏距离(Euclidean Distance)的概念,用dIG来代表I系统与目标系统的加权欧氏距离,见式(1)。
dIG=∑k=1xik-xGksk2
(1)
式中,xik代表被评价系统的第k个评价指标值,xGk代表目标系统的第k个评价指标值。sk代表第k个指标值的标准差。由于各评价指标值的量纲不同,先对各指标值进行标准化处理,见式(2)。
xik=x-ms
(2)
式中,x、m和s分别代表原始值、均值和标准差。
由此,可以建立湿地生态系统健康评价的公式,用A表示湿地生态系统健康指数,见式(3)。
A=1-dIGdZG
(3)
式中,dIG代表被评价系统与目标系统的距离,dZG代表零系统与目标系统的距离。为了符合通常的认知习惯,引入“1”,即实现了统计学和实际应用的对接。如此,A值就处在[0,1]之间,且A值越大,被评价系统越接近目标系统。将A值划分4个区间来表示湿地生态系统不同等级健康状况,分别为[0,0.25]表示差,[0.25,0.50]表示较差,[0.50,0.75]表示中,[0.75,1]表示优。

1.3 基于欧氏距离的湿地生态系统健康评价方法的优点

欧氏距离法已经被广泛应用于评价农村可持续发展和土壤氮素管理水平等方面的研究[22-23],但在湿地生态系统评价方面的研究未见报道。该方法具有成熟的理论基础,评价结果也具有很高的可靠性。其次,引入了零系统和目标系统的概念,使得被评价系统处于两者之间,这使得评价结果便于理解、直观可控。再次,模型构建中包含了指标权重的概念,避免专家打分法存在的主观性问题,也避免了某一指标尺度变化引起的指标权重不得不重新赋值的问题,这大大降低了评价过程中的工作量,这也是本方法与主流的层次分析法最大的不同[24]。最后,结果处于[0,1]之间,使得结果更易被接受和理解,便于评价结果的推广应用。

1.4 湿地生态系统健康评价指标体系构建

常用的湿地生态系统健康评价指标包括面积、水位、水体氮磷、初级生产力、次级生产力、入侵植物数量、空间变异度等。由于大多数指标可能只能获取单个点位的数据,故无法客观评价湿地生态系统健康状况。本研究在文献综述的基础上,确定湿地水环境、土壤、生物、面积、社会、供给与价值等13个评价指标（见表1）。
表1 湿地生态系统健康评价指标框架及Z系统和G系统指标参考值
一级指标 二级指标 Z系统的指标参考值 G系统的指标参考值 备注
水资源指标 水质级别/类 1 6 按照六类水质级别划分
水源保证率 0 1
土壤资源指标 土壤全氮/(g/kg) 0 1.25 第二次全国土壤普查数据及标准得出
土壤有效磷/(mg/kg) 0 22.5
土壤pH 7 0 被评价湿地土壤pH与7作差的绝对值
湿地密度 0 1
生物资源指标 植物群落动态平衡 0 1
动物群落动态平衡 0 1
社会指标 人口密度/（人/hm2） 1000 100
湿地资金投入能力/（元/m2） 0 30 参考文献[25]
供给功能种类/类 7 0 根据七种湿地供给功能划分
取水量与储水量比值 1 0
湿地产出价值与投入资金比 0 2 当产出价值是投入资金的2倍以上时,就直接取值2
其中,生物指标包括植物指标和动物指标,找到二者合理的表达方式是本评价方法的关键之一。湿地的物种群落遵循着下面3个规律：（1）不同湿地的物种数会随着纬度的增加而减少;（2）物种数随着地形变异程度增加而增加;（3）少数种（优势种）占据了大多数区域[26]。因此,如何公平地比较群落丰度差异较大的湿地生态系统健康情况成为了难点之一。在对比这样两个物种差异较大的湿地时并不能随意认为群落丰度高的湿地一定好于群落丰度低的湿地,所以本评价方法选择群落动态平衡的方式来表达这一指标,即用10年前物种数与被调查年物种数作差。结果有如下可能,即10年前物种数低于被调查年物种数,此时认为该湿地物种动态平衡合理,即目标系统,并直接赋值为1;或10年前物种数高于被调查年物种数,此时按照公式(4)处理：
P=1-YT-YAYT
(4)
式中P为群落动态平衡结果,YT为10年前物种数,YA为被调查年物种数。当YA=0时,被调查年该湿地无物种生存为最差结果,即零系统,这样也就使得群落动态平衡的结果处于[0,1]。

2 保护区湿地生态系统健康评价结果

案例数据来源于东营市黄河三角洲国家级自然保护区管理局、文献和年鉴检索。由表2可知,保护区的A值为0.656,处于中等水平。
表2 山东黄河三角洲自然保护区生态系统评价结果
一级指标 二级指标 原始数据 Z系统 保护区 G系统 欧氏距离计算结果
水环境指标 水质级别类 3 -1.060 0.132 0.927 0.600
水源保证率 0.75 -1.121 0.320 0.801 0.750
土壤指标 土壤全氮/(g/kg) 0.53 -0.946 -0.101 1.047 0.424
土壤有效磷/(mg/kg) 5.4 -0.792 -0.332 1.124 0.240
土壤pH 0.8 -1.148 0.470 0.679 0.886
湿地密度 0.74 -1.118 0.308 0.809 0.740
生物指标 植物群落动态平衡 1 -1.155 0.577 0.577 1.000
动物群落动态平衡 1 -1.155 0.577 0.577 1.000
社会指标 人口密度/（人/hm2） 264.4 -1.138 0.397 0.740 0.817
湿地资金投入能力/（元/m2） 5.22 -0.732 -0.407 1.139 0.174
供给功能种类/类 6 -0.704 -0.440 1.145 0.143
取水量与储水量比值 0.086 -1.151 0.498 0.653 0.914
湿地产出价值与投入资金比 2 -1.155 0.577 0.577 1.000
A值 - - - - 0.656
采用雷达图能够更加直观分析保护区、零系统和目标系统之间的关系（图1）,开展相应指标诊断,分析A值结果原因。结果表明水源保证率、土壤pH、植物和动物群落动态平衡、人口密度、取水量与储水量比值、湿地产出价值与投入资金比等7个指标对A值的贡献为正。尤其是植物和动物群落动态平衡、湿地产出价值与投入资金比等3个指标已经达到目标系统状态,各项指标评价结果为1。土壤有效磷、湿地资金投入能力和供给功能种类等3个指标对A值的贡献为负,各项指标评价结果均小于0.25,属于极低状态。水质级别、土壤全氮和湿地密度等3个指标对A值的贡献处于中间水平,各项指标健康水平有待提高。
图1 山东黄河三角洲自然保护区生态系统指标诊断雷达图

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3 结论

本研究基于欧氏距离评价方法对黄河三角洲自然保护区湿地生态系统健康进行评价,结果表明保护区在土壤有效磷、湿地资金投入能力和供给功能种类等3个方面有待改善。
与前人研究相比,本评价过程中大大降低了人为因素的影响。
基于欧氏距离的湿地生态系统评价方法操作简易、便于理解,能为其他类似研究提供参考和借鉴。

4 讨论

从评价结果来看,保护区湿地生态系统健康情况处于中等水平,与实际情况相符,也证明了该方法的可行性和适用性,可以为其他类似研究提供借鉴。与前期保护区相关评价研究相比[27],本评价方法受人为因素的影响大大减弱。
保护区不仅具有人口密度低、水源保证率高、生态服务功能价值高等天然优势,而且保护区还有政策支持和科学管理体系。保护区于1992年10月由国务院批准建立,有良好的政策和财政支持;保护区每年定期参加培训,如湿地监测培训班、保护区建设管理培训班、国际重要湿地管理培训班等,干部职工整体素质得到大大提升;保护区多方筹措资金,高标准、高质量加大保护区基础设施建设,确保保护区顺利运行,这些因素都为保护区湿地生态系统健康做出正贡献。
但保护区农业垦殖、石油开采等生产活动频繁,在一定程度上破坏了湿地生态环境,如湿地生态系统破碎化、岛屿化现象加剧以及水质级别波动较大;保护区管理水平还有待提高,虽然2014年颁布了《山东黄河三角洲国家级自然保护区管理办法》,但仅属于地方规章,未达到国家级自然保护区“一区一法”的要求,监督检查力量薄弱;黄河水流量减少,部分湿地退化,需要额外资金投入来维持群落平衡;保护区自我造血能力不足,旅游资源利用方面没有发挥出优势,这些因素都为保护区湿地生态系统健康做出负贡献。
针对上述问题,建议保护区加强对生产活动的控制,如分生态保护区、生态旅游区、林地管理区、湿地恢复区、农田生产区和生产控制区等,制定分区政策和管理措施;加强对重点区域湿地的保护力度,设定核心区和缓冲区,同时针对已经退化的湿地开展修复工作;结合信息技术,开展人与自然和谐发展的低碳智能管理,实现对保护区的可视化和智能化管理,更快捷、准确地收集保护区的基础数据;建立健全保护区科研、巡护和监测体系;加强宣传教育工作,开发保护区旅游价值,开展保护区芦苇资源、湿地药用植物的研发,增强保护区自我造血能力。

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湿地是介于陆地与水体之间的过渡地带,是陆地上最大的碳储库和陆地生态系统循环的重要组成部分。但是,由于对湿地资源的严重破坏和不合理利用,湿地面积急剧减少。近年来,湿地资源评价已经倍受关注,湿地资源评价为实现湿地资源可持续利用,保持湿地功能持久性提供科学依据。本文通过对湿地生态系统的研究,从生态效益、社会效益、经济效益角度出发,构建东洞庭湖自然保护区湿地资源生态健康和合理利用评价体系,并使用德尔菲法(Delphi method)和层次分析法(AHP)结合PSR模型对东洞庭湖湿地资源的生态健康、合理利用进行评价。东洞庭湖湿地资源生态健康评价得分为1.09分,健康状态为较健康,东洞庭湖湿地资源合理利用评价得分为0.64分,合理利用状态为基本合理。最后,通过对评价结果进行分析,提出了保护利用的建议。
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