基于GIS和RS的郑州黄河湿地生态健康评价

       1 前言

       湿地是世界上具有独特结构与功能的生态系统，是支撑人类社会持续发展不可或缺的基础，由于自然湿地生态退化问题普遍存在，且湿地生态系统健康状况影响着与其相连的陆地生态系统和水域生态系统健康，因此，湿地的生态恢复、保护、评价与可持续利用已成为当今国际社会关注的热点[1~2]。科学、全面的进行湿地生态健康评价工作，不仅可以提高对湿地系统及其资源的监测，也能够为其规划和开发提供可靠地科学依据，从而确保湿地及其资源的可持续利用[3]。

       近年来，国内外湿地生态系统健康研究已取得广泛的进展，湿地健康评价由过去的单一指标研究转变为建立生态、社会、经济、文化等多要素相结合的生态系统健康评价模式。对于湿地生态健康评价模型，各学者提出了不同的方法，主要包括：美国环保署的Level（1,2,3）模型[4~5]，水文地貌评价（HGM）方法[6]，压力-状态-响应（PSR）模型[7]，HEC-5和WASP水质模型[8~9]，结构功能指标法[10]，模糊综合评判法[11~12]等多种方法。通过模型和评价体系的建立，对湿地的水、土及生态环境质量现状、发展趋势等进行定量分析评价。

       本研究以郑州黄河湿地为研究区，以GIS和RS为主要技术手段，利用Landsat卫星影像提取湿地景观类型，依据湿地生态健康的评价原则，基于状态指标模型，选取归一化植被指数、景观多样性指数、景观形状指数、斑块密度指数、聚合度指数、平均弹性度、水体面积等7个指标[12~14]，构建湿地生态系统健康评价体系，并基于多尺度评价单元，对研究区湿地生态健康状况进行研究和评价。

       2 研究区概况

       郑州黄河湿地自然保护区位于郑州市北部，属于黄河中、下游过渡地段，地理坐标在北纬34°48′～35°02′，东经112°48′～114°11′之间，研究数据南北以黄河大堤为界，东西以郑州市市界为限。湿地内水域辽阔，物种繁多，生态系统类型多样，是我国中部地区湿地生物多样性分布的重要地区和河流湿地中最具代表性的地区之一[15]。

       湿地在暖温带大陆性季风气候的控制下，四季分明，气候温和，雨热同期，光、热、水资源丰富，有利于多种植物生长，并且是我国鸟类重要的繁殖地、越冬地和候鸟迁徙的三大重要通道之一。湿地年平均气温14.2℃，年平均日照2366h，年平均降水量656mm，河道年径流量在3.0×1010～6.0×1010m3[16]。

       近年来，随着郑州市区的东移北扩，以及人类生产生活对湿地的开发和利用，植被退化情况日趋严重，绝大部分自然植被被农田、人工林及村落取代[17]。伴随人口增加、城市化进程加快以及人类旅游出行的增加，黄河滩区内各种生态游园、渔家乐等旅游项目相继开展，不断对湿地的人工开发使得湿地面积日益缩小，生活污水和垃圾也使得整个湿地的生态环境质量持续下降。

图1 研究区地理位置示意图

       3 数据来源

       研究采用的遥感数据为美国陆地卫星Landsat提供的ETM+遥感影像（拍摄日期2014年9月3日，轨道号为124/36），借鉴《湿地公约》[18]的分类系统，建立郑州黄河湿地景观类型遥感分类体系。其中，湿地类分为：水体、滩涂、苇草地、林地；非湿地类分为：农田、建设用地、人工库塘。

       对原始影像进行去条带、消除噪音和云层等增强处理，在分析郑州黄河湿地各景观类型和周边用地类型的光谱特征、内部结构和空间关系的基础上，依据遥感影像的颜色、纹理、位置等特征，采用最大似然法进行监督分类，将研究区景观分为水体、滩涂、苇草地、林地、农田、建设用地、人工库塘，生成景观分类图。

       4 研究方法

       4.1 指标体系

       状态指标模型受到生态系统内部的生产力、组织结构、弹性、功能4项因素的综合影响，分别反映湿地生态系统的新陈代谢能力与初级植被生产力、结构完整性和景观多样性、稳定性和自我调节能力、蓄水能力[19]。

       大量的遥感研究表明，植被的生产能力与归一化植被指数具有明显的正相关，因此，选择归一化植被指数作为衡量生产能力的主要指标。组织结构主要指系统的复杂性，常通过生物多样性和结构的复杂性来反映，在本文中通过景观多样性指数、景观形状指数、斑块密度指数和聚合度指数表示。健康的湿地生态系统在受到外界压力的情况下，有能力保持结构和功能的稳定，在评价过程中，平均弹性度可以反映湿地生态系统的恢复力。湿地的功能可以通过多个指标来反映，如水体面积、蓄水能力、污染物去除能力等，本文选取水体面积反映湿地功能。

       4.2 评价方法

       本文对单指标的分析采用相对评价方法，根据各区域的相对优劣程度，确定单指标权重值，再加权求和，得到综合评价值：

       式中，X为被评价对象的综合评价值，取值范围为0到1，n为评价指标个数，Wi为第i个评价指标的权重，Pi为第i个指标标准化后的值，并根据综合评价值确定湿地生态健康水平。

       湿地生态系统评价的7个指标，采用层次分析法及专家判断进行确定，权重值如表2。

       为便于更直观的表现研究区湿地生态健康状况，根据研究区综合指数的统计特征，并经大量研究表明，使用自然分类方法将生态健康评价综合指数分为5级，使类内差异最小、类间差异最大，从而明确湿地生态健康状况和更好的体现评价价值。指数数值从高到低依次分为：生态健康状况健康（0.8＜X≤1）、生态健康状况亚健康（0.6＜X≤0.8）、生态健康状况中等（0.4＜X≤0.6）、生态健康状况亚病态（0.2＜X≤0.4）和生态健康状况病态（0＜X≤0.2）[20-22]。这可以作为判断湿地生态健康现状的依据。

       4.3 技术路线

       以Landsat遥感影像数据、基础地理数据及湿地监测数据为基础，分别进行影像预处理、地理数据转换和监测数据可视化，对预处理的数据，通过监督分类，反演及提取水体、滩涂、苇草地、林地、农田、建设用地、人工库塘参数，建立状态指标模型的体系，并根据层次分析法确定评价方法。利用地理信息系统技术，建立湿地生态系统健康评价模型，对其评价结果进行综合分析。具体技术路线图如图2。

图2 技术路线图

       5 结果分析

       基于郑州黄河湿地遥感影像，结合GIS和RS技术，应用ENVI、ArcGIS、Fragstats等处理分析软件，对研究区进行分类（图3），建立指标体系，并计算评价指标的标准化值（表4）。

图3 郑州黄河湿地分类结果图

       采用格网分析，从空间分布格局来看，郑州黄河湿地生态系统水体所占面积最低，农田和林地不断扩张，建设用地也不断侵蚀湿地，导致湿地面积日益减小。同时，由于黄河断流和泥沙淤积，导致滩涂面积所占比例略高，抑制芦苇、柳树等植物的生长。而滩涂的不断开发和围垦，致使人工库塘面积的增加，加快了湿地的退化速率，对生态格局的改变造成较大影响。

       根据各项生态健康评价指标的标准化值和综合评价值，依据评价原则，X=0.5742，在0.4＜X≤0.6范围内，反映出郑州黄河湿地生态健康状况处于中等状态，说明湿地生态系统有一定活力，外界压力大，生态格局基本完好，生态系统较稳定，有少量的生态异常现象出现。

       不同生态健康指标来看，景观多样性指数（LDI）和平均弹性度（AE）较高，反映出湿地生态系统不同类型的景观空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化和变异性，且湿地恢复能力较强，受到外业压力后可迅速恢复。聚合度指数（AI）反映同类斑块的离散程度，指标值表明研究区同类斑块处于比较聚集的状态，各自呈现为结构紧凑的斑块结构。归一化植被指数（NDVI）反映植被覆盖率较高，指标值说明湿地的生态环境状况较好，但从景观格局分布图上看，植被主要由林地和农田组成，亦说明开垦造田活动对湿地的侵蚀影响较大。斑块密度指数（PDI）反映土地利用景观斑块空间分布的均匀程度，指标值表明景观类型斑块少、面积大、景观类型的连片化程度高、景观破碎程度低，与聚合度（AI）反映的情况一致。景观形状指数（LSI）反映一定尺度上的景观复杂程度，指标值较低，说明斑块形状规则、简单。

       6 结论

       湿地生态健康评价是湿地保护和管理工作的基础，本文基于GIS和RS技术，从郑州黄河湿地的景观格局特征着手，结合研究区实际情况建立湿地生态系统健康评价指标体系，对郑州黄河湿地进行生态健康评价与分析，得出以下结论：

       （1）农田和林地的面积不断扩大以及人类活动的频繁，对湿地景观格局造成较大影响，湿地结构不均，水体、滩涂和苇草地等主要湿地景观特征所占比例过低。

       （2）生态健康综合评价和指标计算结果显示，郑州黄河湿地生态健康状况处于中等状态，说明湿地格局基本完整，受到外界压力后具有一定恢复能力。指标值显示景观类型斑块少、面积大、景观类型的连片化程度高、景观破碎程度低，景观格局处于比较聚集的状态。

       以湿地生态健康为基础理论，以栅格为单元进行评价，以状态指标模型为评价体系，综合利用遥感影像、地理数据和监测数据，能够有效的反映湿地景观格局和生态健康状况，为湿地资源保护与利用提供一定的科学依据。结合实地调查和实时监测，采用高分辨率的遥感影像、科学的分类方法以及更全面的指标体系，综合分析郑州黄河湿地自然保护区历年来的生态健康状况，可更好的研究湿地生态健康状况，这将在今后的研究中进一步完善。