2019, Vol. 49
湿地是介于水体和陆地之间的生态过渡带[1]，具有独特的组织结构、生态功能和社会经济价值。作为一种重要的生态系统，湿地可以为人类提供多种生态系统服务，在调节气候、控制污染、蓄洪防旱、维持生物多样性等方面起着重要作用[2-3]，单位面积服务价值居各类生态系统之首[4-5]。
对湿地的生态健康进行有效评估是开展湿地生态系统保护的基础。现阶段，就评价对象而言，国内外湿地健康评价侧重于河流、湖泊、滨海湿地或沼泽等单一类型。其中，国外以河流评价最为成熟[6-7]，如美国“生物完整性指数(IBI)”、“快速生物评估草案(RBP)”等提供了基于水生动植物类群的河流健康评价方法[8-10]；澳大利亚“河流评价计划”(AusRivAS)、“河流状况指数”(ISC)分别在西澳大利亚州[11]和维多利亚州[10, 12]河流得到实践；瑞典“岸边与河道环境细则”(RCE)则被用于评估农业景观中小溪流健康[10, 13]。此外，相关学者还评价了北美五大湖湖泊湿地[14]、亚得里亚海湾、旧金山海湾等滨海湿地[15-16]，澳大利亚漫滩、英国泥炭等沼泽湿地[17-18]的健康状况。中国湿地评价研究集中在挠力河、蛟流河、图们江等多条河流湿地[19-21]，长江中下游洞庭湖、鄱阳湖等典型湖泊湿地[22-23]，辽河、黄河等环渤海河口三角洲、滨海湿地[2, 24-25]以及若尔盖高原沼泽、白洋淀、三江平原沼泽湿地[26-28]。总的来看，这些研究已针对单一类型湿地建立相应的湿地健康评价体系，但对有着多种湿地类型的复杂的流域系统研究较少，缺乏不同类型湿地的横向比较。
目前，3S技术在湿地资源调查、湿地分类、湿地景观格局变化以及未来湿地景观预测等[28-29]湿地景观空间化信息方面日趋成熟，并逐渐应用于湿地生态健康评价领域。不少学者[30-33]利用RS和GIS技术对landsat遥感影像进行图像处理与解译，并结合景观生态学理论，通过湿地景观参数反演获取获湿地景观指数；或集RS和GIS的数据获取、信息集成和空间分析功能为一体，评价诸如辽河三角洲[2]、洞庭湖区[22]、洪河保护区[28]等单个小尺度湿地的生态健康，探究其空间分布规律。从根本上讲，现有研究多把RS和GIS技术作为湿地景观指标数据的获取手段，或局限于小尺度湿地健康状况的空间可视化表达，难以进一步探究大尺度复杂湿地生态健康状况的空间特征和相关性。因此，将评价对象从单一湿地扩展到多类型复杂湿地生态系统，并运用3S技术，评价多类型、大尺度的流域湿地健康的空间特征是十分必要的。
海河流域作为华北平原最大的水系，以不足全国1.3%的水资源承担着全国10%的人口、13%的GDP用水[34-35]，社会经济战略地位重大。而子牙河流域作为海河流域的重度污染区，是河流、湖泊、滨海湿地、沼泽、水库等多种不同类型湿地的复杂综合体。长期以来，受城市化快速发展、水资源掠夺式开发以及水利工程大规模建设等的影响，流域内天然径流持续大面积断流，地下水位大幅下降，湿地生态退化和水质污染问题突出[34-36]，是典型的资源型和水质型缺水地区。水资源短缺、水质污染成为制约子牙河流域湿地生态系统健康的主要威胁，亟待开展湿地生态保护与修复工作。
本文选取具有多类型湿地的子牙河流域为研究区，以PSR模型为基础，结合湿地水资源短缺和水质污染等实际问题，从压力、状态、响应3个方面选取43个指标，构建具有针对性的流域湿地生态系统健康评价指标体系。通过计算湿地生态健康指数，并运用GIS空间分析技术，评价子牙河流域湿地生态健康状况，为该区域乃至整个海河流域的湿地保护与管理提供理论和技术支持。
1 研究区域与数据来源 1.1 研究区概况子牙河流域位于海河流域的中南部，跨越山西、河北、天津3省市，有滏阳河和滹沱河两个重要支流，自西南向东北呈倒“Y”型扇状分布。为了突出研究重点，本文划定研究区为113°56′E~117°33′E，36°23′N~38°57′N(见图 1)，西部以山西-河北省界为界线，南至漳河，在原子牙河流域基础上，增加了东北部由子牙河、独流减河、渤海湾和南排水河所围成的滨海区域，以及中部边界的衡水湖国家自然保护区，即将南大港、北大港、团泊洼、衡水湖等重点湿地纳入本次研究。
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图 1 研究区范围及采样点分布 Fig. 1 The study area and sampling points |
作为流域尺度上的湿地生态系统，子牙河流域面积为39 853 km2，流域内的河流湿地将沿途各类湿地联系起来，并相互影响。其中，研究区上游建有东武仕水库、朱庄水库、临城水库、岗南水库和黄壁庄水库5个人工湿地，形成明显的山前水库带；中游平原区湿地类型最为丰富，包括邯郸、邢台、衡水境内的城市河流湿地、永年洼沼泽湿地以及邯郸南湖、邯郸北湖、衡水湖等湖泊湿地；而天津的团泊洼、北大港以及沧州南大港等则属于下游滨海湿地，其水质和水量与中上游湿地密切相关。
1.2 数据来源研究所需数据包括监测数据、遥感影像和统计数据等，具体如下：
(1) 水质和沉积物数据 水质和沉积物数据，来源于2014—2016年的实地监测数据，采样时间选择在河流汛期(2014-07、2015-08、2016-06)和非汛期(2014-10、2016-03、2016-05)，共6期；采样点位于研究区主要湿地的内部及外围水域，共106个(见图 1)。每个监测项目6期监测数据的算术平均值作为其现状值，具体测定方法见表 1。
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表 1 水质和沉积物数据测定方法 Table 1 The determination methods for water quality and sediment |
(2) 景观数据 景观数据是根据2014—2016年子牙河流域Landsat TM/ETM+/OLI遥感影像解译分析获得，其中每个年份均选择6景无云或少云影像拼接组合而成，影像收集时间集中在植被长势良好的8、9月份；主要是利用ENVI软件和ArcGIS软件对研究区土地利用类型进行分类，识别主要地物类型，并结合景观生态学理论，确定湿地演变特征及景观格局参数。
(3) 自然压力、社会压力和社会响应数据 以上三部分数据来源于海河水利委员会等水利部门提供的历史水文资料、《海河流域水资源公报》(2014—2016)、《海河流域重要水功能区达标评估通报》(2014—2016)，2014—2016年河北省《经济年鉴》、天津市《统计年鉴》、湿地各研究区内各市(区)《国民经济和社会发展统计公报》等社会统计数据。
2 研究方法 2.1 指标体系的构建PSR模型是环境和生态系统评价领域中常用的一个评价框架，以压力-状态-响应因果关系为基础[37]，将人类活动与自然环境、生态系统和人类活动有机统一起来。而湿地正是自然-经济-社会复合的生态系统[38]，脆弱性和敏感性极高，易受各类环境要素的影响。因此，从人与湿地相互影响、相互作用的角度出发，PSR模型可以系统地反应自然过程或人类活动给湿地生态造成的压力负荷，以及这些压力胁迫作用下湿地所表现出的生态特征和环境状况；人类又可通过一系列响应措施应对这些变化，以恢复湿地生态系统健康。此外，PSR模型具有易调整性，评价者可根据不同研究区的实际情况，因地制宜，选择合适的指标确定体系结构。
因此，本文基于上述PSR模型，根据湿地生态健康评价的目的，以及代表性、可比性、全面性和数据可获得性的指标选择原则，借鉴现有湿地健康评价研究成果[3, 21-22, 37-40]，并结合子牙河流域湿地水资源极度短缺、水质高度污染的生态环境特点及其成因，构建包括压力、状态、响应3个层次43个指标的子牙河流域湿地生态系统健康评价体系(见表 2)。
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表 2 子牙河流域湿地生态系统健康评价指标体系 Table 2 Assessment index system of wetland ecosystem health in Ziya River Basin |
压力层 下设自然压力和社会压力两大类，选取降雨量、河流年径流量等水文势态指标作为自然压力，描述自然气候下的水资源短缺压力；选取人口、经济、工农业强度等方面的指标作为社会压力，表征社会经济发展带来的水污染压力。
状态层 针对湿地水环境恶化、生态退化的现状，结合湿地监测数据和遥感影像，将其分为水质状态、沉积物状态和景观状态。其中，从有机污染、富营养化与盐渍化方面选取9个水质状态指标(DO、CODMn、CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、Chl-a、盐度)；从富营养化与重金属污染方面选取9个沉积物状态指标(TN、TP、As、Cu、Pb、Zn、Cd、Ni、Cr)；景观状态则包括湿地面积退化率、植被覆盖率、景观破碎度、景观均匀度指数和景观多样性指数。
响应层 鉴于数据可获得性和指标数量比例考虑，响应层只设置社会响应，用水利环境管理投资、建成区绿化覆盖率、水功能区达标率、城市污水处理率和纳污性能指数等指标来衡量人类社会对湿地生态的保护力度。
2.2 指标标准化为实现指标的无量纲化和可比性，本文采用分级量化的方法进行指标标准化，根据国家/行业/地方公布的标准、技术规范和相关研究成果[2, 19-22, 24, 39-40]，如《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)、《水资源评价导则》(SL/T238)、《地表水资源质量评价技术教程》(SL395-2007)、《全国水资源保护规划技术大纲》等，将评价指标划分为健康、亚健康、脆弱、疾病、恶劣5个等级，见表 3~5。
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表 3 湿地压力指标分级量化标准 Table 3 The standard classification of indicators from wetland pressure |
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表 4 湿地状态指标分级量化标准 Table 4 The standard classification of indicators from wetland state |
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表 5 湿地响应指标分级量化标准 Table 5 The standard classification of indicators from wetland response |
指标权重分配是在专家意见的基础上，利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)在yaahp10.3软件中计算完成。
由于不同类型湿地的压力来源和对外界胁迫因子的敏感性存在差异，如子牙河流域的河流湿地主要流经城市区域，社会压力偏大；而水库湿地位于人类活动程度低的上游山区，自然压力偏大；相对于前二者，湖泊、沼泽及滨海湿地多为重要的湿地保护区，保护管理力度较大，湿地外围受一定程度上人类活动的影响，但其内部以自然状态为主，自然压力和社会压力相当。因此，评价过程中，针对不同类型湿地，制定不同干扰梯度下的权重分配方案(见表 2)。
2.4 健康指数和健康等级的确定子牙河流域湿地生态系统健康评价采用综合指数法，逐级加权，综合评分，其公式为：
| $ \begin{array}{l} E = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}} \cdot {X_i},\\ R = \frac{{{E_i}}}{E} \cdot 100\% 。\end{array} $ |
式中：Wi为第i项指标的归一化权重；Xi为第i项指标的标准化值；R为单项指标对流域湿地生态系统健康的贡献率；E为湿地生态系统健康指数，在[0, 1]值域内，其值越大，表示湿地生态系统健康状况越差。
本文在已有研究成果的基础上[2, 20-21, 23, 38-41]，结合研究区湿地生态系统的实际情况，确定了湿地生态系统的健康划分标准(见表 6)，将湿地健康分为I~V级。
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表 6 子牙河流域湿地生态系统健康等级划分标准 Table 6 The standard classification of wetland ecosystem health assessment in Ziya River Basin |
经计算，子牙河流域湿地生态系统健康指数为0.723 1，根据湿地生态系统健康等级划分标准(见表 5)可知，目前子牙河流域湿地生态系统健康为Ⅳ级，在[0, 1]健康指数范围内超过中等健康水平(健康指数≥0.5)，整体处于疾病状态。
3.1.1 准则层、因素层分析从压力、状态和响应3个准则层来看，子牙河流域湿地状态层(健康指数0.725 2)健康状况最差，压力层(健康指数0.735 5)次之，均属于IV级疾病状态，且有倾向恶劣状态的趋势。这说明子牙河流域湿地生态系统承受了一定程度的压力，正常组织结构和生态功能遭到破坏，湿地生态系统出现疾病反应，湿地的自然状态活力较低、异常明显；而响应层(健康指数0.642 7)健康状况略好于前二者，但仍处于疾病状态。可见，尽管相关部门对子牙河流域湿地采取了一定的保护应对措施，但效果尚不理想，仍需进一步加强管理。
就6个因素层指标健康指数而言，水质状态(0.793 0)>社会压力(0.746 0)>自然压力(0.704 4)>景观状态(0.673 3)>社会响应(0.642 7)>沉积物状态(0.514 5)(见图 2)，除沉积物状态(Ⅲ级、脆弱)外，其它指标均处于IV级、疾病水平，其中水质状态最差，接近恶劣水平；从图 2贡献率可以看出，因素层同样指向水质状态，其对子牙河流域湿地生态健康的贡献率高达43.87%，其次是社会压力(贡献率15.48%)和自然压力(贡献率14.61%)。即双重压力作用下，较差的水质状态成为子牙河流域湿地的关键性致病因子，威胁着流域湿地生态健康。由此可见，改善水质状态是子牙河流域湿地生态恢复的重要目标和首要任务。
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图 2 因素层各指标的健康指数及贡献率 Fig. 2 Health index and contribution rate of each ndicator in factor layer |
指标层是最终选取的基本评价对象，直接影响湿地生态系统健康。在子牙河流域湿地健康评价体系43个指标中，健康(4个)、亚健康(8个)、脆弱(11个)、疾病(9个)、恶劣(11个)的指标分别占9.30%、18.60%、25.58%、20.93%、25.58%。其中，水质TN、CODCr、NH3-N、TP、景观破碎度、河流断流几率、CODMn、河流连续性8个指标的健康状况为V级恶劣水平，对子牙河流域湿地健康的贡献率在4%以上，累计贡献率达53.16%(见图 3)。可以说，这些指标是子牙河流域湿地生态健康的主要控制因素，对流域湿地健康起着制约作用。
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图 3 主要控制因素的健康指数及贡献率 Fig. 3 Health index and contribution rate of the main controlling factors |
研究发现，子牙河流域湿地生态系统健康的主要控制因素中TN、CODCr、NH3-N、TP、CODMn等水质状态指标居多，其对湿地健康的贡献率依次为10.67%、9.32%、9.10%、5.49%、4.65%。这与研究区严重的水污染特点有关，湿地水质以Ⅴ类和劣Ⅴ类居多，TN、CODCr、NH3-N、TP、CODMn等水质指标超标严重，部分监测站点浓度最高超出19.49、6.32、10.63、22.78、4.19倍。而造成这种现象的主要原因是子牙河流域湿地周边资源能源消耗型重工业企业集中，流域内规模以上(废污水年排放量≥10万t)入河排污口有198个，污废水入河量高达6.26亿m3/a(2011年)，湿地成为污染物的主要承泄区，水体结构性污染突出。加之，企业偷排、漏排以及处理未达标排放现象时有发生，部分河流已演变成排污河道。
表征自然水文状态的河流断流几率与河流连续性对子牙河流域湿地生态健康的贡献率分别为4.89%、4.14%。其中，河流断流几率反映了水资源短缺对子牙河流域湿地的负面影响。子牙河流域湿地处于华北平原的缺水地区，多年持续性干旱，自然水量得不到保障，多地长期依靠开采地下水或跨流域引水来维持社会经济的持续发展。随着水资源供需矛盾以及城市群掠夺式水资源利用方式的日益加剧，湿地水体产汇流机制发生变化，河川径流和地表水资源明显减少，河流断流天数在280天以上，断流长度比例达65%；而河流连续性主要体现水利工程的修建对流域水流纵向连通性的阻碍作用。子牙河流域现存闸坝438座，约3.7个/百km，这些水利工程打破了正常的湿地环境流，在削减下游水量的同时，也干扰了污染物的迁移扩散过程，降低了湿地水体的自净能力。
此外，景观破碎度也对子牙河流域湿地产生一定的影响，贡献率为4.90%，仅次于TN、CODCr、NH3-N、TP。这表明子牙河流域湿地生态健康还与土地利用方式有关，不断扩大的围垦、养殖以及建设用地侵占湿地，致使下垫面硬化，引发沼泽陆地化或斑块割裂，加剧湿地的景观破碎化和面积退化。
3.2 子牙河流域湿地生态系统健康分类评价按类型将子牙河流域湿地划分为河流湿地、湖泊湿地、滨海湿地、水库湿地和沼泽湿地五大类，不同类型湿地生态健康指数对比发现，河流湿地(0.788 1)>沼泽湿地(0.734 3)>滨海湿地(0.650 4)>湖泊湿地(0.625 5)>水库湿地(0.560 4)，健康指数均在0.5以上，超过中等健康水平(见表 7)。
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表 7 子牙河流域不同类型湿地生态系统健康情况 Table 7 Ecosystem health of different types of wetlands in Ziya River Basin |
河流湿地和沼泽湿地生态健康状况劣于流域整体水平(健康指数0.723 1)。其中，河流湿地健康状况最差，属于Ⅳ级、疾病状态，这与研究区“有河皆干、有水皆污”水环境特点密切相关。河流湿地主要分布在河北省人类活动影响程度较高的市区，覆盖石家庄、邢台、邯郸、衡水等重工业发达的城市群，河流沿岸各种生产生活行为产生的绝大部分污废水，会通过管道排放、地表或地下径流汇入河流；与此同时，河流的断流和连通性受阻问题严重，自然流量不足，水体自净能力差，纳污能力不足，难以承担高浓度的污染负荷，从而导致河流湿地生态健康不断恶化。以永年洼为代表的内陆沼泽湿地，健康等级为Ⅳ级，疾病程度仅次于河流湿地。由于其承担着城市滞洪排涝、滏阳河缓洪削峰的功能，接收和富集大量来自上游水体的污染物。加上雨季降水积存，常年积水，湿地水体流动性差，污染降解能力弱，湿地生态健康威胁较大。
而滨海湿地、湖泊湿地和水库湿地这三类湿地多为重点保护区域，环境压力明显较河流类型等湿地轻，健康状况也就优于流域整体水平。滨海湿地与湖泊湿地相差不大，处于Ⅳ级健康水平，呈现疾病状态；水库湿地的健康状况相对较好，达到Ⅲ级脆弱水平。
3.3 子牙河流域湿地生态系统健康分区评价针对研究区17个典型湿地子单元，基于ArcGIS空间分析平台，执行各指标栅格数据图层的叠加运算，输出子牙河流域湿地生态系统健康空间分布图(见图 4)。经统计，17个湿地子单元的生态健康等级分布在Ⅲ~V级(健康指数0.5~0.8)，脆弱、疾病和恶劣状态的湿地分别占35%、53%和12%，也就是说，子牙河流域大部分湿地的自然状态受到了破坏，健康状况不容乐观。同时，这些湿地的健康状况还体现出明显的空间分布规律，即研究区中游平原湿地健康状况最差，下游滨海湿地次之，而上游山区湿地相对较好。出现这种区域分布格局主要是由于研究区内人类干扰和保护强度、污染源状况以及流域水资源量等方面存在空间异质性。
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图 4 子牙河流域湿地生态系统健康空间分布图 Fig. 4 Distribution of wetland ecosystem health in Ziya River Basin |
具体来说，研究区上游山区的5座大型水库多为饮用水或农业灌溉水源地，水质状况较好，水量相对充足；且周边城市化程度低，人类活动干扰较小，故湿地生态系统的健康状况无明显异常。但这些水库却形成了明显的山前水库带，作为区域内重要的水文节点，可通过影响系统的连通性进而干扰流域的自然水文过程。
中游平原区湿地生态健康状况较差，邢台、衡水城市河流湿地生态健康已达到恶劣水平，永年洼、衡水湖等也呈现疾病状态。这是因为子牙河中游多为河北省重要的工农业用水区，流域社会经济较为发达，受当地医药、化工、皮革、造纸、印染、冶金等主导产业影响，社会生产需水量和污水排放量大。尤其是子牙河南部支流滏阳河流域，铭河、七里河、牛尾河、北澧河、午河、汪洋沟等20余条大小河流汇入其中，湿地水体污染负荷严重；同时，上游水利设施对下泄水的拦截作用，使得湿地水资源不足加剧水质污染。
于下游湿地而言，受上游高浓度来水的影响，独流减河、捷地减河等滨海河流湿地生态健康也出现污染问题，呈疾病状态，难以满足补充水源的要求；加之连续性干旱和海岸地貌导致的水库盐碱化，现状条件下无天然来水可供调用，不少滨海湿地面临“旱洼”的困境。此外，像南大港等湿地其外围还受渔业养殖等的显著影响。但该部分湿地主要涉及南大港、北大港、团泊洼等国家重要湿地保护区，湿地保护制度较完善，环境执法力度较大，部分湿地的核心区自然生态尚完整，故其整体健康状况稍优于中游平原湿地。
4 结论面对复杂的湿地生态系统，当前人类在湿地开发利用中过分追求经济利益而忽视可持续发展，给湿地生态健康及其管理带来了诸多不利影响。基于流域大尺度评价多类型湿地的生态健康状况，重视不同类型湿地的差异性和流域上-中-下游湿地系统的联结性，有助于管理者制定系统性和战略性的管理策略。针对子牙河流域水资源短缺、水污染严重的特点，本文基于PSR模型构建多类型流域大尺度湿地生态系统健康评价指标体系，并利用GIS空间分析技术，对子牙河流域湿地健康进行综合、分类和分区评价。主要结论如下：
(1) 总体上讲，子牙河流域湿地生态系统健康受到了一定的威胁，并呈现疾病状态(健康指数0.723 1，健康等级Ⅳ级)，主要表现为湿地水质状态恶劣，TN、CODCr、NH3-N、TP、CODMn等明显超标，河流断流几率高，河流连续性差，景观破碎化严重。
(2) 就湿地类型而言，不同类型湿地生态健康指数大小为：河流湿地(0.788 1)>沼泽湿地(0.734 3)>滨海湿地(0.650 4)>湖泊湿地(0.625 5)>水库湿地(0.560 4)。其中，河流湿地健康状况最差，这与研究区“有河皆干、有水皆污”水环境特点密切相关。
(3) 就空间尺度而言，受人类干扰和保护强度、污染源状况以及流域水资源量等空间异质性的影响，子牙河流域中游平原湿地健康状况最差，下游滨海湿地次之，而上游山区湿地相对较好。
由于子牙河流域湿地生态健康主要受水质状态影响，且其空间变化特征与当地主导产业的分布呈现显著的相关性，重工业发达的中游城市河流湿地健康状况最差。因此，要想从根本上提高湿地健康水平，应从以下几点着手：一、加强入河排污口整治，严格监管污染物入河量，控制湿地水质恶化趋势；二、增强河湖水体的流动性，增加湿地生态水量，提高水体自净能力和纳污能力；三、有效规划管理湿地周边城市的产业发展规模和模式，实现经济效益、社会效益和环境效益的统一。通过制定分类、分区湿地生态修复措施，短期内集中解决河流湿地和沼泽湿地，突出治理中游平原湿地污染问题。以保障正常水源供给能力为目标，考虑生态和地貌的连通性，合理规划建设、调整或拆除上游的闸坝等水利工程；以维持湿地景观生态用水量为目标，依托现有骨干供水工程网络，对中下游缺水湿地实施跨流域调水；以恢复湿地原始状态为目标，统筹土地利用规划管理，有计划地进行退耕还湿、退养还湿等。总之，湿地生态恢复应致力于保障湿地的生态完整性和功能可持续性，并使其朝着良性方向发展，以一种与生态系统可持续能力相协调的方式让当代和后代人连续不断地收益。
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