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濕地(wetlands)是地球上水陸相互作用形成的一種重要的過渡生態(tài)系統(tǒng),是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀,也是人類最重要的生存環(huán)境之一。世界自然保護聯盟(IUCN)將濕地生態(tài)系統(tǒng)與森林生態(tài)系統(tǒng)、農田生態(tài)系統(tǒng)并稱為三大生態(tài)系統(tǒng),濕地具有涵養(yǎng)水源、均化混水、調節(jié)氣候、凈化環(huán)境、提供野生動植物生境、提供資源和休閑觀光場所等生態(tài)環(huán)境與社會服務功能,是人類共同的財富[1-3],被譽為“地球之腎”、“生命的搖籃”、“文明的發(fā)源地”和“物種的基因庫”。本文的研究對象為天然濕地。中國濕地總面積為3848.55×104hm2(指濕地斑塊面積在100hm2以上的總和),居亞洲第一位,世界第四位,具有濕地類型多[4](圖1)、分布廣、區(qū)域差異顯著,生物多樣性豐富等特點。然而,由于人們對濕地認識水平的局限性,在濕地開發(fā)利用中只注重短期效益,忽視長期的可持續(xù)性,單純地追求經濟效益。長期以來,在圍墾、基建占用、環(huán)境污染、過度捕獵、泥沙淤積、不合理水利工程建設等諸多因素的共同作用下[4](圖2),以及全球環(huán)境問題的影響下,濕地資源遭受了嚴重破壞,正以極快的速度退化和消失,濕地資源保護所面臨的任務非常艱巨[5],實現濕地資源的可持續(xù)性管理和合理利用已成為當務之急。濕地資源的持續(xù)利用管理就是指對濕地生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)進行觀測管理,這必須建立在濕地生態(tài)質量預警的基礎上才能行之有效。這樣才能正確地評價濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,準確預測其可能的趨勢和反映系統(tǒng)持續(xù)利用管理的效果,便于有關部門根據系統(tǒng)預警信息及時采取管理措施,防患于未然,從而實現濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康運行,促進生態(tài)、社會、經濟的整合與協(xié)調發(fā)展。

1濕地生態(tài)系統(tǒng)預警的必要性

濕地生態(tài)質量是濕地環(huán)境質量的核心。它是以生態(tài)學理論為基礎,從濕地生態(tài)系統(tǒng)層次上研究系統(tǒng)各組成、變化規(guī)律和相互間關系,以及人為作用下結構和功能的變化,從而評價濕地環(huán)境質量,因此濕地生態(tài)質量及其評價的綜合性極強。對濕地生態(tài)質量進行預警,也就是對濕地生態(tài)系統(tǒng)層面上的預警研究,具有重要的現實意義。

1.1濕地生態(tài)系統(tǒng)的整體性

濕地生態(tài)系統(tǒng)是陸地與水域之間相互作用形成的特殊綜合體,包括了所有的陸地淡水生態(tài)系統(tǒng),如河流、湖泊、沼澤,以及陸地和海洋過渡地帶的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng),同時還包括海洋邊緣、部分咸水和半咸水水域,主要受地形、地質、土壤、水源、動物、植物、人類等因素的影響,應從整體上把握濕地結構、功能和變化,不能孤立地分析或研究以上因素[6]。濕地生態(tài)質量預警是對濕地生態(tài)系統(tǒng)各個成分進行綜合考慮,從整體上把握濕地的生態(tài)質量。

1.2濕地生態(tài)系統(tǒng)的復雜性

生態(tài)系統(tǒng)指“物理、化學和生物學成分,如土壤、水、植物、動物和營養(yǎng)物,以及它們之間的相互作用”[7]。濕地生態(tài)系統(tǒng)提供了復雜完備的動植物群落,具有極其復雜的生物多樣性。濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個復雜的非線性動態(tài)過程,其內部各組成要素之間,以及各要素與外部環(huán)境之間是相互制約、相互作用的[8]。濕地生態(tài)系統(tǒng)構成要素發(fā)生作用的時空序列、影響強度和方向,以及它們之間的相互影響處于不斷變化之中,單個構成要素的變化也會引起其它相關要素的變化,從而導致系統(tǒng)整體的重大變動,這就使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)更具復雜性。濕地生態(tài)系統(tǒng)內部的陸地生態(tài)系統(tǒng)與水域生態(tài)系統(tǒng),以及濕地生態(tài)系統(tǒng)與其它生態(tài)系統(tǒng)之間持續(xù)不斷的進行著復雜的物質循環(huán)、能量流動和信息交換,從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定,使?jié)竦刭Y源的價值得以持久、充分的體現,所以人們只有借助計算機系統(tǒng)才能對其復雜性有一個科學直觀的認識。

1.3濕地生態(tài)系統(tǒng)的敏感性與生態(tài)脆弱性

濕地水文、土壤、氣候相互作用,形成了濕地生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的主要因素。單個因素的改變會引起生態(tài)系統(tǒng)的變化,通常表現為對外界干擾的敏感性和受干擾后的不可恢復性,進而影響生物群落結構,引起濕地生態(tài)質量的變化。自然因素如洪水、干旱,以及人類活動如河流及地下水過度提取、水污染等嚴重影響了區(qū)域水文狀況,進而影響到土壤呼吸、有機質和海洋濕地鹽度等生態(tài)系統(tǒng)中的非生物因子,同時影響到濕地種群的組成和豐度、初級生產力、有機質累積以及營養(yǎng)物質循環(huán),改變濕地結構和功能,導致生態(tài)質量下降。由于濕地生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性,極易造成濕地生態(tài)質量降低。因此,必須建立濕地生態(tài)質量預警系統(tǒng),及時預測和預報其動態(tài)變化,有效地維持濕地生態(tài)質量,使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)得到健康運行。

1.4濕地生態(tài)系統(tǒng)調控的滯后性

由于濕地生態(tài)系統(tǒng)處在動態(tài)變化之中,人們開展了各種類型的動態(tài)監(jiān)測,但都是在濕地生態(tài)質量退化發(fā)生之后才通過檢測結果得到認識并采取相應的治理措施,而此時的濕地生態(tài)系統(tǒng)結構和功能已經受到一定程度的破壞,利用效益降低,致使我國的濕地管理缺乏超前性和持久性。鑒于此,必須進行濕地生態(tài)質量的預警研究。通過研究掌握濕地生態(tài)質量變化狀況及其規(guī)律,預測一定時期內的變化方向與變化程度,采取適當措施進行調控,實現濕地生態(tài)系統(tǒng)調控的超前性,避免濕地退化,保障濕地資源的永續(xù)利用。

2濕地生態(tài)質量預警的意義

濕地生態(tài)質量預警就是在全面準確地把握區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)的運行狀況和變化規(guī)律的基礎上,對區(qū)域濕地生態(tài)質量的現狀和未來進行測度,預報不正常狀態(tài)的時空范圍和危險程度,提出防范措施。濕地生態(tài)質量預警理論闡明了濕地生態(tài)質量變化規(guī)律,為濕地資源的可持續(xù)利用與管理提供參考依據。管理者利用預警的超前性,可以及時掌握濕地生態(tài)質量的變化趨勢,不至于在警情爆發(fā)的情況下才采取補救措施,改變了濕地生態(tài)質量管理的滯后性。此外,濕地生態(tài)系統(tǒng)極其復雜,應借用一定的理論和方法對濕地生態(tài)質量進行全面的分析研究,把握濕地生態(tài)質量變化規(guī)律,以此為基礎進行科學的調控決策和生態(tài)質量預警,及時了解濕地生態(tài)質量狀況,進行科學管理,從而維持濕地生態(tài)過程的連續(xù)性、濕地生態(tài)系統(tǒng)結構的穩(wěn)定性和功能的完整性。

3濕地生態(tài)質量預警的基本內容

3.1警義

警義即預警指標。選取預警指標時,既要結合我國不同區(qū)域的濕地狀況,同時也要考慮所選取指標的全面性、主導性、易變性、科學性和可操作性。本文采用張崢等在有關自然保護區(qū)生態(tài)評價理論的基礎上,建立了一套適合我國現狀的濕地生態(tài)質量評價指標體系(表1)。多樣性指標包括物種多樣性和生境類型多樣性[10],一般將鳥類作為濕地物種多樣性的考察對象;代表性指標是度量濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物區(qū)系,群落結構與所在地理省或某一生態(tài)地理區(qū)域整個生態(tài)系統(tǒng)相似程度的指標,生態(tài)系統(tǒng)的代表性狀況需要全體物種加以反映;稀有性指標主要指濕地物種或生境等在自然界的存在數量[9],從而判斷其稀有程度;自然性指標主要由人類對濕地的干擾程度來衡量;適宜性指標主要由野生生物所生存和繁衍的濕地環(huán)境中的濕地面積、水質條件和植被覆蓋率等構成;生存威脅指標的穩(wěn)定性指標反映了物種、群落、生態(tài)系統(tǒng)等對環(huán)境變化的內在敏感程度;人類威脅是指人類活動對濕地內生物、土壤、景觀等自然資源造成的危害情況,分為直接威脅和間接威脅[10]。#p#分頁標題#e#

3.2警情

警情是指事物發(fā)展過程中出現的極不正常的情況,也就是已經出現或將來可能出現的問題。警情是預警的前提。如濕地生態(tài)功能有較大幅度下降,就可認為出現了警情;濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受自然和人類活動的破壞,導致濕地生態(tài)質量的下降,也可以認為出現了警情。濕地生態(tài)質量警情主要是指生態(tài)功能和利用效益的降低,也包括對濕地的盲目開墾和改造造成的我國天然濕地面積消減、功能下降、泥沙淤積日益嚴重等。

3.3警源

警源是指產生濕地生態(tài)質量系統(tǒng)警情的根源或源頭,可分為自然警源、外在警源和內在警源[11]。自然警源是指各種可引發(fā)自然災害從而對濕地生態(tài)質量造成破壞的自然因素,如洪澇、干旱、海水入侵等;外在警源是由濕地生態(tài)系統(tǒng)外輸入的警源,主要指在經濟利益驅使下不合理地開發(fā)利用濕地資源,導致濕地被破壞和退化的人類活動,過高的生產和生活資料價格會因人們的急功近利而加劇濕地退化;內在警源則是濕地生態(tài)系統(tǒng)自身的運行狀況及機制,包括對濕地資源的開發(fā)利用行為、濕地管理行為、濕地資源保護制度、濕地資源產權制度等因素。如對濕地資源產權的界定不清,會引發(fā)人們的一些短期行為;我國濕地占用成本相對較低,一定程度上導致濕地遭遇危機。對警源加以區(qū)分,可使人們在進行濕地生態(tài)質量預警的過程中,對自然警源和內在警源進行預測,而對外在警源只能從宏觀上加以把握,結合其發(fā)展規(guī)律,對預測結果做一個趨勢上的修正[11]。

3.4警兆

警兆是指警情爆發(fā)之前的一種預兆,是警源過渡到警情的中間狀態(tài)。濕地生態(tài)質量系統(tǒng)警兆包括景氣警兆和動向警兆。景氣警兆一般以實物運動為基礎,表示濕地生態(tài)質量某一方面的景氣程度[12]。如濕地生態(tài)系統(tǒng)中物種多樣性程度、植被覆蓋率、水質條件等均屬景氣警兆;而濕地生態(tài)系統(tǒng)內動植物資源的市場價格,人們的收入水平等這些并不直接表示濕地生態(tài)質量景氣程度的指標,均屬動向警兆。景氣警兆屬于內生變量,是濕地生態(tài)質量預警所能選取的指標;動向警兆屬外生變量,與濕地生態(tài)質量無直接關系,定性分析時可作為預測依據,定量分析時不作為預警指標。

3.5警度

警度是衡量濕地生態(tài)質量系統(tǒng)警情的大小程度。一般分為無警、輕警、中警、重警和巨警。不同指標的警度值域可能不一樣,或者同樣的值域、不同指標的警度則不一樣[12]。如對濕地生態(tài)系統(tǒng)內的魚類總量來說,減少幅度在5%—10%為輕警;而對于濕地總面積來說,則可能為中警乃至重警。

3.6確定預測模型

在濕地生態(tài)質量預警指標體系中,對部分難以直接預測的指標,在保證其客觀性的基礎上,可通過調查和專家模糊評價法獲得,而對于可以直接預測的預警指標,可以通過統(tǒng)計分析法中時間序列分析模型和回歸模型,以及灰色系統(tǒng)方法中的灰色預測模型來預測。時間序列分析法:該方法可采用下述指數平滑模型求得序列的平滑預測值:^yt+1=^yt+α(yt-^yt)(1)…………………………式中,^yt+1、^yt為預測值,yt為實際值,α稱為平滑常數。此式的物理意義在于預測值是前期實際值和預測值的加權和。其中,α的確定是按照優(yōu)選法的規(guī)則,選擇不同的α代入模型計算預測值序列,以實際值和預測值的差的平方和最小為準則,確定α值。回歸分析法:此法是基于多年的實測資料,運用最小二乘法原理建立由相關因素求得預警指標預測值的一類方法。回歸模型可用下式表示:y=a+Σbixi(2)…………………………………式中,y為預警指標的預測值,a為常數,bi為回歸系數,xi為自變量的實測值。根據xi性質的不同和數量的多少,回歸分析模型可分成多項式回歸模型、數量化理論模型等。灰色預測法:GM(1,1)模型為該方法的基本算法,該類模型可用下式表示:^x(0)(t+1)=^x(1)(t+1)-^x(1)(t)(3)……………式中,^x(0)(t+1)為t+1年預警指標的預測值;^x(1)(t+1)為t+1年預警指標的累加生成模擬,^x(1)(t)為t年預警指標的預測值。

4濕地生態(tài)質量預警的基本思路及主要方法

濕地生態(tài)質量預警一般要經過確定警情、尋找警源、分析警兆、預報警度4個邏輯過程。濕地生態(tài)質量預警的技術流程見圖3。依據濕地生態(tài)質量預警機制及預警對象與方法相匹配原則,濕地生態(tài)質量預警的基本方法有:①黑色預警,即根據警情的時間序列波動規(guī)律進行直接預警。②黃色預警,即根據警兆進行預警。此預警方法結合濕地生態(tài)質量的自身特性和系統(tǒng)的要求進行預警,根據警兆的警級預報警度進行分析,是一種由內因或外因到結果的分析,是最常用的預警方法。③紅色預警,是依據警兆以及各種環(huán)境、人類活動因素進行估計。即在黃色預警的基礎上,結合實際情況進行預測,做到定量分析與定性分析相結合。④綠色預警,是借助于遙感技術,依據警情指標的態(tài)勢,特別是植被生長的綠色程度進行估計。⑤白色預警,是指基本掌握警因的條件下用計量技術進行預測[13]。此方法還不成熟,處于探索階段。

5建立預警信息系統(tǒng)

濕地生態(tài)質量預警是一項復雜的系統(tǒng)工程,涉及大量數據的收集、匯總與精確運算,在具體操作方面還面臨著許多問題。為了高效準確地進行濕地生態(tài)質量預警,可借助于地理信息系統(tǒng)平臺,開發(fā)濕地生態(tài)質量預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)將是一個以濕地生態(tài)質量為分析對象的專題地理信息系統(tǒng),應包括基礎數據庫和數據庫管理子系統(tǒng)、專家子系統(tǒng)和決策支持子系統(tǒng),具備綜合分析、動態(tài)模擬、預警以及決策規(guī)律等功能。