区域生态系统健康评价指标体系构架--以广东省生态系统健康评价为例

第17卷第1期　2006年1月　

水科学进展

ADVANCES I N W ATER SCIE NCE

V ol 117,N o 11　Jan. , 2006　

区域生态系统健康评价指标体系构架

———以广东省生态系统健康评价为例

宋兰兰, 陆桂华, 刘　凌, 贺瑞敏

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京　210098)

摘要:探讨了区域生态系统健康指标选择原则。从区域的河流和陆地两方面确定指标体系, 根据生态系统层次性, 采用多目标多层次模糊优选模型。以广东省为例, 在广东省分生态小区的基础上, 对各区的生态环境进行了评价与比较排序, 通过综合优属度给出了生态系统健康状态。

关　键　词:区域; 生态系统; 健康; 评价指标体系; 河流; 陆地

中图分类号:X 17111　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100126791(2006) 0120116206

“健康”这个词一直与生态系统发展理论联系在一起, 且往往与反映生态系统状态的定量指标相关。决定健康评价是否成功的关键是如何选择适宜的评价指标与评价标准。生态环境是人类生存的基础, 给人类全方

位, 综合性的服务。生态系统健康与生态环境的服务功能密切相关, 只有服务功能完善的生态系统才是健康的。因此生态系统健康必须基于生态服务功能来确定指标, 特别是评价其干扰后的恢复能力, 包括其完整性、适应性和效率。

1　区域生态环境健康评价指标

111　指标的选择原则

生态系统在人类的干扰和压力下表现出整体性、有限性、不可逆性、隐显性、持续性和灾害放大性等重要特征。生态系统健康指标体现生态系统的特征, 反映区域生态系统健康变化的总体趋势。指标选择的原则概括如下:

(1) 整体性　生态系统健康指标应能体现区域内社会、经济、资源、环境、生物等各个侧面的基本特征, 全面反映生态系统的服务功能。

(2) 空间性　生态系统健康问题必须在不同尺度的影响因素之间建立函数关系, 其指标特征要具有空间变化性。

(3) 前瞻性　评价指标既要反映目前的现状, 又要通过表述过去和现状资源、经济、社会和环境各要素之间的关系, 借以指示未来的发展趋向。(4) 可操作性　指标体系设计要建立在科学的基础上, 概念明确, 易测易得, 数据应便于统计和计算, 且有足够的数据量。

(5) 相关性　选取的指标在时间和空间上具有敏感性, 与生态环境的背景值存在相关性。

112　指标体系构成

借鉴专家的意见, 根据区域的生态现状, 提取区域生态弹性力、生物多样性、水土保持、资源环境等方面

收稿日期:2004208230; 修订日期:2005201230

作者简介:宋兰兰(1973-) , 女, 江苏南京人, 讲师, 主要从事水资源可持续利用、水环境、水生态等研究。

E 2mail :mailsll @1631com

特征构建指标体系[1]。由于河流生态系统与陆域生态系统存在差异, 两者之间又相互影响, 因此将整个区域依照生态系统的天然结构分为河流和陆域两个子系统, 针对这两个子系统分别提取指标体系(表1) 。

表1　区域生态系统健康指标体系(1) 河流生态环境健康指标　河

T able 1I ndicators system of regional ecosystem health 流是人类文明的发源地, 为人类提供

目标层准则层指　标　层指　　　标

清洁的水源和良好的生存环境, 具有3重要的生态服务功能。根据河流生态系统的服务功能从水质、水量、水资源利用、河流形态、生物等方面考虑河流生态系统健康。

水质　河流等水体的水质以《地

(G 面水环境质量标准》B383822002) 中Ⅲ类水域水质标准评定, 选取劣于Ⅲ

类水质河段占总评价河段的百分比来表征区域河流质量。

水量　河流的地表径流量表征区域内的水资源条件。水资源利用　包括地表水和地下水两方面, 可采用地下水开采率和需水与径流的比值表征水资源的开发利用程度和供需矛盾。实际应用中可根据区域供水的主要来源选取相应的指标。

河岸及河床边缘植被　主要研究河岸的自然化程度和植被受扰状态及盖度变化, 定性与定量相结合, 采用河岸植被覆盖度表征河岸开发利用程度。

河流形态　表征河道稳定状态及泥沙的淤积程度。采用河流淤积/冲刷长度与总河长的比值反映河流自然淤积程度; 河流弯曲系数变化率反映河流形态受人类活动影响的程度。

河流连续性　河流的连续性包括纵向连续、横向连续和垂直连续三方面。横向连续指河流的浅滩和深泓、浅滩与河岸植被之间存在联系; 纵向连续是指上下游之间的关系; 垂向联系是指河流与地下水之间的联系。本文中只考虑河流的纵向联系。由于水工建筑物割裂了河流的纵向连续性, 改变了河流的自然流量过程, 水温、营养物质, 迁移路径等, 引起河流形态的均一化及非连续化, 导致河流连续性降低, 可采用景观生态学中的连通性指数表征河流网络连通程度。网络的连通性就是系统中所有交点被廊道连接起来的程度, 是廊道网络复杂度的指标, 采用是网络中连接廊道数与最大可能连接廊道数之比的r 指数方法计算网络连通性。在实际运用中我们将河流上的水工建筑做为断点, 将水工建筑物建立前后的r 指数之比反映河流连通性的变化。

r =

L max

=

3(V -2) r

(1) (2)

水　质水　量　

河岸及河流边缘植被3

河道冲刷/淤积河流的连续性3

洪　灾污染负荷3水资源利用3

栖息地

区域

本地鱼种群密度

产水量3公　路3土地能力3人类干扰3酸　雨3自然保护区3生物损害

劣Ⅲ水质比率人均水资源量河岸植被覆盖率

冲刷淤积长度/总河长弯曲系数变化率

相对连通指数洪灾面积污水处理率地下水开采率需水/径流滩地扩展系数栖息地多样性指数丰富指数种群大小分布人均产水量公路密度

水土流失面积率

立地指数、土壤生产率指数

人类干扰指数酸雨频率自然保护区比例植物病虫害外来物种扩张力率景观破碎度指数景观多样性指数高生态斑块密度

优势度

河流

陆地

生态弹性力3

rx =1-

式中　L 为连接廊道数; V 为节点数; L max 为最大可能的连接廊道数; r ′为建立水工建筑后的连通指数; r 为河流连通指数。

栖息地　浅滩是幼鱼和亲水动物的主要生存环境, 保护浅滩也就保护了水生生物, 可采用滩地扩展系数和景观多样性指数表征河流栖息地质量。滩地扩展系数[1]可反映栖息地变化率; 根据河流流速形成不同生境, 采用景观多样性指数表征栖息地多样性。

本地鱼种群密度　表征本地鱼群在生态系统结构中的比例, 本地鱼种群密度指数高, 种群结构和分布合理则水生态系统具有较高完整性。

洪水灾害　反映自然灾害对生态系统的影响, 用洪水频率表征水安全状况。污水处理率　表征社会发展程度及人们的环保意识程度。(2) 陆地生态环境健康指标　陆地生态系统中, 植被作为第一生产者, 是生物生存的栖息地和食物来源。因此陆地生态系统指标的选取需针对植被生长状况, 从植被的生存压力、环境、生产力等方面评判生态系统健康程度。

生态弹性力是环境受干扰后生态系统的恢复能力, 表征系统的抗干扰性, 受气候、土地覆被、土壤、地形地貌、水文等多因子影响。在研究中可根据土地覆被计算景观多样性、高生态斑块密度, 采用景观多样性指数、优势度、高生态斑块密度等反映系统的生态弹性力。景观多样性指数高其生态弹性力也大, 抗干扰能力强。许多濒危物种需要大面积自然生境才能保证生存。自然生境的割裂使得生物生存环境破坏, 因此自然生境的破碎化程度反映了生态环境系统组织结构, 可采用景观生态学中的景观斑块破碎化指数来描述重要生态功能生境受干扰程度。景观多样性指数提取模型

S HDI =-k =1

6

m

Pk ln (Pk ) (3)

式中　SHDI 为Shannon 多样性指数; Pk 是缀块类型k 在景观中出现的概率。

优势度:

D =H max +

i =1

6

m

(Pk ) ×ln (Pk )

(4)

H max =ln (m

)

式中　D 为景观的优势度, 它与多样性指数成反比, 对于景观类型数目相同的不同景观, 多样性指数越大, 其优势度越小; m 为生态区域内所有景观类型的数目。

重要生态功能景观斑块的面积比例:

(5) 面积比例=重要生态功能景观斑块的面积/景观总面积。

重要生态功能景观斑块的破碎度指数:

(6) FI =(Nf -1) /Nc

式中　FI 为重要生态功能景观斑块的破碎度指数; Nf 是重要生态功能景观斑块的斑块数; Nc 是景观内斑块总数。景观破碎度越大, 破碎程度越高。

公路密度　单位面积的公路长度, 表征社会经济发展程度。公路对于生态系统具有潜在的破坏作用, 增加了土壤侵蚀速度, 同时也为外来物种的入侵提供了方便。据统计每新建1km 的公路, 其土壤侵蚀量为每年450～500t [2]。

产水量　区域内人均产水量, 表征土地利用的变化所引起水文情况的改变。研究表明[3], 当人均产水量1700m 3/(人・a ) , 是人口增长的警戒线, 低于这个极限, 为水分的暂时匮缺; 低于人均产水量1000m 3/(人・a ) , 被认为长期缺水, 水将限制这个地区的经济发展、财富和健康; 当低于500m 3/(人・a ) , 被认为极度缺水。人类干扰指数　区域内农业用地与建设用地占土地总面积的百分比, 表征社会发展压力。

(7) 人类干扰指数=人类干扰景观斑块的面积/景观总面积

土地能力　包括土壤退化程度和土地生产潜力两个方面。采用立地指数或土壤生产率指数表征土壤生产能力。采用水土流失面积率表征土壤的退化程度。

酸雨　酸雨对于生态系统具有很大的破坏作用, 在酸雨区内, 湖泊酸化, 渔业减产, 森林衰退, 土壤贫

　第1期宋兰兰等:区域生态系统健康评价指标体系构架———以广东省生态系统健康评价为例119

瘠, 粮食减产, 可采用酸雨频率表征酸雨对环境的影响。

自然保护区比例　自然保护区面积/区域的总面积, 表征政府的管理程度。

生物损害　包括植物受病虫害面积和外来物种扩张率两方面, 可采用植物病虫害和外来物种经济损失表征植物防御能力。

2　实例研究———广东省生态环境健康评价

211　广东省生态分区

以广东河流的流域特征为主要划分依据, 兼顾地形、气候、植被、土壤等自然特征, 以及不同行政区经济特征, 按流域分为7个评价单元, 如图1所示

。

图1　广东省生态分区示意图

Fig 11Ecological zones in G uangdong

图2　广东省土地利用分类图

Fig 12Land use classes in G

uangdong

212　指标体系

由于缺少生物方面的资料, 无法考虑本地鱼种群密度、植物受病虫害、外来物种扩张力等指标; 针对广东省河流属于水质型缺水而非水量型缺水, 指标选取时没有考虑水量指标; 广东省地下水开采集中在粤西沿海地区, 在空间上不具备共性, 不考虑地下水开采率; 河岸植被覆盖和河道冲刷/淤积、栖息地、土壤生产率等均需要进行实地调查, 范围广、投入大、周期长, 因此笔者根据现有资料, 以石堤化比率代替河岸植被状况, 从侧面反映河岸现状。广东省采用的生态系统健康评价指标体系如表1中的3表示, 这些指标基本包括了广东省目前对生态系统健康的主要影响因子。

213　指标体系的数据提取

根据1km ×1km 的栅格土地利用数据作为景观类型分布数据源(图2) , 与广东的流域分区叠加, 形成新的具有景观类型属性的图层。在MapInfo 软件平台下, 通过更新列area , perimeter , count 命令实现景观数据的提取工作。根据统计资料和土地利用栅格数据获得景观指数值如表2所示, ()内的数值为权重。

由于各标准之间的量纲, 无法进行比较, 必须对各标准标准化, 消除量纲不同的影响, 采用以下两公式进行标准化:

　越大越优x i 　越小越优x ij

3

r ij =(5)

120水科学进展第17卷

式中　x ij 为j 生态区域评价指标i 的实测值; x i 3为评价指标i 的理想值。标准化时如果评价指标i 不存在理想值时, 可采用下式求得理想值:

max {x ij }　越大越优3

(6) x i =

min {x ij }　越小越优

表2　生态系统健康实测指标矩阵

T able 2H ealth indicators m atrices of ecosystem

实测指标值

水质(01060)

需水/径流(01392) 相对连通指数(01002) 石堤化比率(01050) 污水处理率(01496) 公路密度(01016) 人均产水量(01133)

陆地

0158

珠江三角州

[***********][***********][***********][**************]

粤东沿海

[***********][***********][***********][1**********]6

粤西沿海

[***********][***********][***********][1**********]8

韩江上中游

[***********][***********][***********][1**********]90

东江上中游

[***********][***********][***********]0041991176

北江上中游

[***********][***********][***********][1**********]61

西江中下游

[***********][***********][***********][1**********]

理想值

[***********][***********][1**********]15

河流0142

生态弹性力(01321) 景观多样性指数(01104)

优势度(01014)

高生态斑块密度(01812) 景观破碎度指数(01070)

人类干扰指数(01012) 酸雨频率(01043)

自然保护区比例(01204) 水土流失面积率(01271)

注:以上资料来源于文献[6～10]经处理后得到。　

指标体系标准化后, 可采用多目标多层次模糊优先模型[4]与改进的熵权系数法[5]相结合, 评价广东省整个区域生态环境健康。生态系统健康评价首先从指标层开始, 对指标层的评价指标利用熵值法求出各指标权重, 然后利用多目标模糊优选模型计算单元系统的决策优属度, 计算所得的优属度向量在下一个高层次中应用, 依次类推。计算得到的各层次的指标权重见表2, 各层次决策优属度见表3、表4, 最终的决策优属度向量见表5。

表3　指标层中生态弹性力决策优属度

T able 3Decision 2m aking index of ecosystem elastic force

生态区

生态弹性力(EI )

珠江三角州01298

粤东沿海01091

粤西沿海01027

韩江上中游01999

东江上中游01982

北江上中游01478

西江中下游01050

表4　准则层次决策优属度

T able 4Decision 2m aking index of principle class

生态区

河流(RI ) 陆地(LI )

珠江三角州0124301197

粤东沿海0119201087

粤西沿海0119001062

韩江上中游0126601687

东江上中游0136401665

北江上中游0195601655

西江中下游0139001399

表5　目标层次决策优属度

T able 5Decision 2m aking index of objective class

生态区

综合健康(ZI )

珠江三角州01068

粤东沿海01022

粤西沿海01018

韩江上中游01576

东江上中游01615

北江上中游01882

西江中下游01300

从各生态区的生态系统健康状态来看, 广东省生态系统健康有喜有忧, 存在两极分化状况, 见表4、表5所示。广东省生态系统健康最好的是北江上中游(01882) , 东江上中游(01615) 和韩江上中游(01576) ; 生态系统健康状况最劣的粤西沿海仅为01018; 整个广东省的生态系统健康上游和中游地区较好, 而下游地区的生态系统健康较差, 这与实际情况较为符合。

从河流和陆域两个子系统进行比较, 经济发达地区河流生态系统健康好于陆域生态系统健康, 这是由于人

　第1期宋兰兰等:区域生态系统健康评价指标体系构架———以广东省生态系统健康评价为例121

类活动使得高生态景观斑块破碎化程度高, 降低了陆地生态系统健康, 另一方面, 经济发达地区污水处理程度高, 改善了河流生态系统。而上游地区的河流生态系统健康劣于陆地生态系统健康, 这是由于上游地区高生态的景观密度大、破碎度小, 生态弹性力较高, 且陆地的开发利用对生态环境的影响最先是由河流体现出来的。从整体上看, 河流的生态系统健康整体劣于陆地生态系统健康, 这是由于河流开发较早, 陆域的开发也影响着河流生态系统, 导致河流生态的广泛退化和生物多样性受损, 使得河流的生态系统健康下降。

3　结　　论

由于不合理的人为活动, 使得区域的水文过程、生物栖息地发生了很大的改变。根据区域特点, 从河流和陆地两方面考虑整个区域的生态环境健康, 从河流的水量、水质、生物和陆地的水土流失、生物等目前主要的生态问题建立指标体系, 分析区域的总体质量、功能水平和环境质量变化趋势, 为生态环境建设和恢复提供依据。

在实际应用, 本文另辟蹊径采用景观生态学方面的指数(如景观多样性指数、相对连通指数等) 解决生物资料的欠缺问题。根据指标体系层次性特点, 采用多目标多层次模糊优选和改进的熵权系数相结合评价了广东省的生态系统健康状况, 结果表明广东目前的生态系统健康上游比下游好, 不发达地区好于发达地区。参考文献:

[1]宋兰兰, 陆桂华, 刘　凌1浅谈生态系统健康评价研究现状[J].河海大学学报(自然科学版) , 2004, 32(5) :539-541. [2]杨士弘, 等. 城市生态环境学[M].北京:科学出版社, 2001.

[3]GERT JAN B BEEK M AN 1Water C onservation , Recycling and Reuse[J]1Water Res ources Development , 1998, 14(3) :353-364. [4]陈守煜. 模糊水文学与水资源系统模糊优选原理[M].大连:大连理工大学出版社, 1990. 70-85. [5]郭显光. 改进的熵值法及其在经济效益评价中的应用[J].系统工程理论与实践, 1998, 12:98-102. [6]广东省地方史志编纂委员会. 广东省省志・水利续志[M].广州:广东省人民出版社, 2003. [7]广东省地方史志编纂委员会. 广东省省志・水利志[M].广州:广东省人民出版社, 1995. [8]广东省统计局. 广东统计年鉴2001[M].北京:中国统计出版社, 2001.

[9]广东省环境保护局. 2003广东省环境质量报告书(简本) [J/O L ].w w w 1gdepb 1g ov 1cn. [10]广东省水文局. 2000广东省水资源公报[J/O L ].w w w 1gds w 1g ov 1cn.

Evaluation indicators system for regional ecosystem health

S ONGLan 2lan , LU G ui 2hua , LI U Ling , HE Rui 2min

(11State K ey Laboratory o f Hydrology 2Water Resource and Hydraulic Engineering , Hohai Univer sity , Nanjing 210098, China )

Abstract :The selection principles for regional ecosystem health index are discussed 1Based on the regional rivers and the landscape , the indicators are established 1According to the ecosystem hierarchy , the multi 2objective and multilevel fuzzy opti 2mization m odel is selected to evaluate the ecosystem health 1F or instance , in G uangdong province , the ecological zone are par 2titioned , assessed and s orted based on the synthesized attributes 1

K ey w ords :region ; eco 2environmental ; health ; evaluation indicators system ; rivers ; landscape

欢迎对本刊论文进行讨论, 讨论稿请寄本刊编辑部。

第17卷第1期　2006年1月　

水科学进展

ADVANCES I N W ATER SCIE NCE

V ol 117,N o 11　Jan. , 2006　

区域生态系统健康评价指标体系构架

———以广东省生态系统健康评价为例

宋兰兰, 陆桂华, 刘　凌, 贺瑞敏

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏南京　210098)

摘要:探讨了区域生态系统健康指标选择原则。从区域的河流和陆地两方面确定指标体系, 根据生态系统层次性, 采用多目标多层次模糊优选模型。以广东省为例, 在广东省分生态小区的基础上, 对各区的生态环境进行了评价与比较排序, 通过综合优属度给出了生态系统健康状态。

关　键　词:区域; 生态系统; 健康; 评价指标体系; 河流; 陆地

中图分类号:X 17111　　　文献标识码:A 　　　文章编号:100126791(2006) 0120116206

“健康”这个词一直与生态系统发展理论联系在一起, 且往往与反映生态系统状态的定量指标相关。决定健康评价是否成功的关键是如何选择适宜的评价指标与评价标准。生态环境是人类生存的基础, 给人类全方

位, 综合性的服务。生态系统健康与生态环境的服务功能密切相关, 只有服务功能完善的生态系统才是健康的。因此生态系统健康必须基于生态服务功能来确定指标, 特别是评价其干扰后的恢复能力, 包括其完整性、适应性和效率。

1　区域生态环境健康评价指标

111　指标的选择原则

生态系统在人类的干扰和压力下表现出整体性、有限性、不可逆性、隐显性、持续性和灾害放大性等重要特征。生态系统健康指标体现生态系统的特征, 反映区域生态系统健康变化的总体趋势。指标选择的原则概括如下:

(1) 整体性　生态系统健康指标应能体现区域内社会、经济、资源、环境、生物等各个侧面的基本特征, 全面反映生态系统的服务功能。

(2) 空间性　生态系统健康问题必须在不同尺度的影响因素之间建立函数关系, 其指标特征要具有空间变化性。

(3) 前瞻性　评价指标既要反映目前的现状, 又要通过表述过去和现状资源、经济、社会和环境各要素之间的关系, 借以指示未来的发展趋向。(4) 可操作性　指标体系设计要建立在科学的基础上, 概念明确, 易测易得, 数据应便于统计和计算, 且有足够的数据量。

(5) 相关性　选取的指标在时间和空间上具有敏感性, 与生态环境的背景值存在相关性。

112　指标体系构成

借鉴专家的意见, 根据区域的生态现状, 提取区域生态弹性力、生物多样性、水土保持、资源环境等方面

收稿日期:2004208230; 修订日期:2005201230

作者简介:宋兰兰(1973-) , 女, 江苏南京人, 讲师, 主要从事水资源可持续利用、水环境、水生态等研究。

E 2mail :mailsll @1631com

特征构建指标体系[1]。由于河流生态系统与陆域生态系统存在差异, 两者之间又相互影响, 因此将整个区域依照生态系统的天然结构分为河流和陆域两个子系统, 针对这两个子系统分别提取指标体系(表1) 。

表1　区域生态系统健康指标体系(1) 河流生态环境健康指标　河

T able 1I ndicators system of regional ecosystem health 流是人类文明的发源地, 为人类提供

目标层准则层指　标　层指　　　标

清洁的水源和良好的生存环境, 具有3重要的生态服务功能。根据河流生态系统的服务功能从水质、水量、水资源利用、河流形态、生物等方面考虑河流生态系统健康。

水质　河流等水体的水质以《地

(G 面水环境质量标准》B383822002) 中Ⅲ类水域水质标准评定, 选取劣于Ⅲ

类水质河段占总评价河段的百分比来表征区域河流质量。

水量　河流的地表径流量表征区域内的水资源条件。水资源利用　包括地表水和地下水两方面, 可采用地下水开采率和需水与径流的比值表征水资源的开发利用程度和供需矛盾。实际应用中可根据区域供水的主要来源选取相应的指标。

河岸及河床边缘植被　主要研究河岸的自然化程度和植被受扰状态及盖度变化, 定性与定量相结合, 采用河岸植被覆盖度表征河岸开发利用程度。

河流形态　表征河道稳定状态及泥沙的淤积程度。采用河流淤积/冲刷长度与总河长的比值反映河流自然淤积程度; 河流弯曲系数变化率反映河流形态受人类活动影响的程度。

河流连续性　河流的连续性包括纵向连续、横向连续和垂直连续三方面。横向连续指河流的浅滩和深泓、浅滩与河岸植被之间存在联系; 纵向连续是指上下游之间的关系; 垂向联系是指河流与地下水之间的联系。本文中只考虑河流的纵向联系。由于水工建筑物割裂了河流的纵向连续性, 改变了河流的自然流量过程, 水温、营养物质, 迁移路径等, 引起河流形态的均一化及非连续化, 导致河流连续性降低, 可采用景观生态学中的连通性指数表征河流网络连通程度。网络的连通性就是系统中所有交点被廊道连接起来的程度, 是廊道网络复杂度的指标, 采用是网络中连接廊道数与最大可能连接廊道数之比的r 指数方法计算网络连通性。在实际运用中我们将河流上的水工建筑做为断点, 将水工建筑物建立前后的r 指数之比反映河流连通性的变化。

r =

L max

=

3(V -2) r

(1) (2)

水　质水　量　

河岸及河流边缘植被3

河道冲刷/淤积河流的连续性3

洪　灾污染负荷3水资源利用3

栖息地

区域

本地鱼种群密度

产水量3公　路3土地能力3人类干扰3酸　雨3自然保护区3生物损害

劣Ⅲ水质比率人均水资源量河岸植被覆盖率

冲刷淤积长度/总河长弯曲系数变化率

相对连通指数洪灾面积污水处理率地下水开采率需水/径流滩地扩展系数栖息地多样性指数丰富指数种群大小分布人均产水量公路密度

水土流失面积率

立地指数、土壤生产率指数

人类干扰指数酸雨频率自然保护区比例植物病虫害外来物种扩张力率景观破碎度指数景观多样性指数高生态斑块密度

优势度

河流

陆地

生态弹性力3

rx =1-

式中　L 为连接廊道数; V 为节点数; L max 为最大可能的连接廊道数; r ′为建立水工建筑后的连通指数; r 为河流连通指数。

栖息地　浅滩是幼鱼和亲水动物的主要生存环境, 保护浅滩也就保护了水生生物, 可采用滩地扩展系数和景观多样性指数表征河流栖息地质量。滩地扩展系数[1]可反映栖息地变化率; 根据河流流速形成不同生境, 采用景观多样性指数表征栖息地多样性。

本地鱼种群密度　表征本地鱼群在生态系统结构中的比例, 本地鱼种群密度指数高, 种群结构和分布合理则水生态系统具有较高完整性。

洪水灾害　反映自然灾害对生态系统的影响, 用洪水频率表征水安全状况。污水处理率　表征社会发展程度及人们的环保意识程度。(2) 陆地生态环境健康指标　陆地生态系统中, 植被作为第一生产者, 是生物生存的栖息地和食物来源。因此陆地生态系统指标的选取需针对植被生长状况, 从植被的生存压力、环境、生产力等方面评判生态系统健康程度。

生态弹性力是环境受干扰后生态系统的恢复能力, 表征系统的抗干扰性, 受气候、土地覆被、土壤、地形地貌、水文等多因子影响。在研究中可根据土地覆被计算景观多样性、高生态斑块密度, 采用景观多样性指数、优势度、高生态斑块密度等反映系统的生态弹性力。景观多样性指数高其生态弹性力也大, 抗干扰能力强。许多濒危物种需要大面积自然生境才能保证生存。自然生境的割裂使得生物生存环境破坏, 因此自然生境的破碎化程度反映了生态环境系统组织结构, 可采用景观生态学中的景观斑块破碎化指数来描述重要生态功能生境受干扰程度。景观多样性指数提取模型

S HDI =-k =1

6

m

Pk ln (Pk ) (3)

式中　SHDI 为Shannon 多样性指数; Pk 是缀块类型k 在景观中出现的概率。

优势度:

D =H max +

i =1

6

m

(Pk ) ×ln (Pk )

(4)

H max =ln (m

)

式中　D 为景观的优势度, 它与多样性指数成反比, 对于景观类型数目相同的不同景观, 多样性指数越大, 其优势度越小; m 为生态区域内所有景观类型的数目。

重要生态功能景观斑块的面积比例:

(5) 面积比例=重要生态功能景观斑块的面积/景观总面积。

重要生态功能景观斑块的破碎度指数:

(6) FI =(Nf -1) /Nc

式中　FI 为重要生态功能景观斑块的破碎度指数; Nf 是重要生态功能景观斑块的斑块数; Nc 是景观内斑块总数。景观破碎度越大, 破碎程度越高。

公路密度　单位面积的公路长度, 表征社会经济发展程度。公路对于生态系统具有潜在的破坏作用, 增加了土壤侵蚀速度, 同时也为外来物种的入侵提供了方便。据统计每新建1km 的公路, 其土壤侵蚀量为每年450～500t [2]。

产水量　区域内人均产水量, 表征土地利用的变化所引起水文情况的改变。研究表明[3], 当人均产水量1700m 3/(人・a ) , 是人口增长的警戒线, 低于这个极限, 为水分的暂时匮缺; 低于人均产水量1000m 3/(人・a ) , 被认为长期缺水, 水将限制这个地区的经济发展、财富和健康; 当低于500m 3/(人・a ) , 被认为极度缺水。人类干扰指数　区域内农业用地与建设用地占土地总面积的百分比, 表征社会发展压力。

(7) 人类干扰指数=人类干扰景观斑块的面积/景观总面积

土地能力　包括土壤退化程度和土地生产潜力两个方面。采用立地指数或土壤生产率指数表征土壤生产能力。采用水土流失面积率表征土壤的退化程度。

酸雨　酸雨对于生态系统具有很大的破坏作用, 在酸雨区内, 湖泊酸化, 渔业减产, 森林衰退, 土壤贫

　第1期宋兰兰等:区域生态系统健康评价指标体系构架———以广东省生态系统健康评价为例119

瘠, 粮食减产, 可采用酸雨频率表征酸雨对环境的影响。

自然保护区比例　自然保护区面积/区域的总面积, 表征政府的管理程度。

生物损害　包括植物受病虫害面积和外来物种扩张率两方面, 可采用植物病虫害和外来物种经济损失表征植物防御能力。

2　实例研究———广东省生态环境健康评价

211　广东省生态分区

以广东河流的流域特征为主要划分依据, 兼顾地形、气候、植被、土壤等自然特征, 以及不同行政区经济特征, 按流域分为7个评价单元, 如图1所示

。

图1　广东省生态分区示意图

Fig 11Ecological zones in G uangdong

图2　广东省土地利用分类图

Fig 12Land use classes in G

uangdong

212　指标体系

由于缺少生物方面的资料, 无法考虑本地鱼种群密度、植物受病虫害、外来物种扩张力等指标; 针对广东省河流属于水质型缺水而非水量型缺水, 指标选取时没有考虑水量指标; 广东省地下水开采集中在粤西沿海地区, 在空间上不具备共性, 不考虑地下水开采率; 河岸植被覆盖和河道冲刷/淤积、栖息地、土壤生产率等均需要进行实地调查, 范围广、投入大、周期长, 因此笔者根据现有资料, 以石堤化比率代替河岸植被状况, 从侧面反映河岸现状。广东省采用的生态系统健康评价指标体系如表1中的3表示, 这些指标基本包括了广东省目前对生态系统健康的主要影响因子。

213　指标体系的数据提取

根据1km ×1km 的栅格土地利用数据作为景观类型分布数据源(图2) , 与广东的流域分区叠加, 形成新的具有景观类型属性的图层。在MapInfo 软件平台下, 通过更新列area , perimeter , count 命令实现景观数据的提取工作。根据统计资料和土地利用栅格数据获得景观指数值如表2所示, ()内的数值为权重。

由于各标准之间的量纲, 无法进行比较, 必须对各标准标准化, 消除量纲不同的影响, 采用以下两公式进行标准化:

　越大越优x i 　越小越优x ij

3

r ij =(5)

120水科学进展第17卷

式中　x ij 为j 生态区域评价指标i 的实测值; x i 3为评价指标i 的理想值。标准化时如果评价指标i 不存在理想值时, 可采用下式求得理想值:

max {x ij }　越大越优3

(6) x i =

min {x ij }　越小越优

表2　生态系统健康实测指标矩阵

T able 2H ealth indicators m atrices of ecosystem

实测指标值

水质(01060)

需水/径流(01392) 相对连通指数(01002) 石堤化比率(01050) 污水处理率(01496) 公路密度(01016) 人均产水量(01133)

陆地

0158

珠江三角州

[***********][***********][***********][**************]

粤东沿海

[***********][***********][***********][1**********]6

粤西沿海

[***********][***********][***********][1**********]8

韩江上中游

[***********][***********][***********][1**********]90

东江上中游

[***********][***********][***********]0041991176

北江上中游

[***********][***********][***********][1**********]61

西江中下游

[***********][***********][***********][1**********]

理想值

[***********][***********][1**********]15

河流0142

生态弹性力(01321) 景观多样性指数(01104)

优势度(01014)

高生态斑块密度(01812) 景观破碎度指数(01070)

人类干扰指数(01012) 酸雨频率(01043)

自然保护区比例(01204) 水土流失面积率(01271)

注:以上资料来源于文献[6～10]经处理后得到。　

指标体系标准化后, 可采用多目标多层次模糊优先模型[4]与改进的熵权系数法[5]相结合, 评价广东省整个区域生态环境健康。生态系统健康评价首先从指标层开始, 对指标层的评价指标利用熵值法求出各指标权重, 然后利用多目标模糊优选模型计算单元系统的决策优属度, 计算所得的优属度向量在下一个高层次中应用, 依次类推。计算得到的各层次的指标权重见表2, 各层次决策优属度见表3、表4, 最终的决策优属度向量见表5。

表3　指标层中生态弹性力决策优属度

T able 3Decision 2m aking index of ecosystem elastic force

生态区

生态弹性力(EI )

珠江三角州01298

粤东沿海01091

粤西沿海01027

韩江上中游01999

东江上中游01982

北江上中游01478

西江中下游01050

表4　准则层次决策优属度

T able 4Decision 2m aking index of principle class

生态区

河流(RI ) 陆地(LI )

珠江三角州0124301197

粤东沿海0119201087

粤西沿海0119001062

韩江上中游0126601687

东江上中游0136401665

北江上中游0195601655

西江中下游0139001399

表5　目标层次决策优属度

T able 5Decision 2m aking index of objective class

生态区

综合健康(ZI )

珠江三角州01068

粤东沿海01022

粤西沿海01018

韩江上中游01576

东江上中游01615

北江上中游01882

西江中下游01300

从各生态区的生态系统健康状态来看, 广东省生态系统健康有喜有忧, 存在两极分化状况, 见表4、表5所示。广东省生态系统健康最好的是北江上中游(01882) , 东江上中游(01615) 和韩江上中游(01576) ; 生态系统健康状况最劣的粤西沿海仅为01018; 整个广东省的生态系统健康上游和中游地区较好, 而下游地区的生态系统健康较差, 这与实际情况较为符合。

从河流和陆域两个子系统进行比较, 经济发达地区河流生态系统健康好于陆域生态系统健康, 这是由于人

　第1期宋兰兰等:区域生态系统健康评价指标体系构架———以广东省生态系统健康评价为例121

类活动使得高生态景观斑块破碎化程度高, 降低了陆地生态系统健康, 另一方面, 经济发达地区污水处理程度高, 改善了河流生态系统。而上游地区的河流生态系统健康劣于陆地生态系统健康, 这是由于上游地区高生态的景观密度大、破碎度小, 生态弹性力较高, 且陆地的开发利用对生态环境的影响最先是由河流体现出来的。从整体上看, 河流的生态系统健康整体劣于陆地生态系统健康, 这是由于河流开发较早, 陆域的开发也影响着河流生态系统, 导致河流生态的广泛退化和生物多样性受损, 使得河流的生态系统健康下降。

3　结　　论

由于不合理的人为活动, 使得区域的水文过程、生物栖息地发生了很大的改变。根据区域特点, 从河流和陆地两方面考虑整个区域的生态环境健康, 从河流的水量、水质、生物和陆地的水土流失、生物等目前主要的生态问题建立指标体系, 分析区域的总体质量、功能水平和环境质量变化趋势, 为生态环境建设和恢复提供依据。

在实际应用, 本文另辟蹊径采用景观生态学方面的指数(如景观多样性指数、相对连通指数等) 解决生物资料的欠缺问题。根据指标体系层次性特点, 采用多目标多层次模糊优选和改进的熵权系数相结合评价了广东省的生态系统健康状况, 结果表明广东目前的生态系统健康上游比下游好, 不发达地区好于发达地区。参考文献:

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[9]广东省环境保护局. 2003广东省环境质量报告书(简本) [J/O L ].w w w 1gdepb 1g ov 1cn. [10]广东省水文局. 2000广东省水资源公报[J/O L ].w w w 1gds w 1g ov 1cn.

Evaluation indicators system for regional ecosystem health

S ONGLan 2lan , LU G ui 2hua , LI U Ling , HE Rui 2min

(11State K ey Laboratory o f Hydrology 2Water Resource and Hydraulic Engineering , Hohai Univer sity , Nanjing 210098, China )

Abstract :The selection principles for regional ecosystem health index are discussed 1Based on the regional rivers and the landscape , the indicators are established 1According to the ecosystem hierarchy , the multi 2objective and multilevel fuzzy opti 2mization m odel is selected to evaluate the ecosystem health 1F or instance , in G uangdong province , the ecological zone are par 2titioned , assessed and s orted based on the synthesized attributes 1

K ey w ords :region ; eco 2environmental ; health ; evaluation indicators system ; rivers ; landscape

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