濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的思路

1、濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的思路 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(hù)聯(lián)盟(iucn)將濕地生態(tài)系統(tǒng)與森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)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(diào)節(jié)氣候、凈化環(huán)境、提供野生動(dòng)植物生境、提供資源和休閑觀光場(chǎng)所等生態(tài)環(huán)境與社會(huì)服務(wù)功能,是人類共同的財(cái)富1-3,被譽(yù)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(duì)象為天然濕地。中國(guó)濕地總面積為3848.55x104hm2(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

2、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(diǎn)。然而,由于人們對(duì)濕地認(rèn)識(shí)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(zhǎng)期的可持續(xù)性,單純地追求經(jīng)濟(jì)效益。長(zhǎng)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(shè)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(yán)重破壞,正以極快的速度退化和消失,濕地資源保護(hù)所面臨的任務(wù)非常艱巨5,實(shí)現(xiàn)濕地資源的可持續(xù)性管理和合理利用已成為當(dāng)務(wù)之急。濕地資源的持續(xù)利用管理就是指對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀測(cè)管理,這必須建立在濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的基礎(chǔ)上才能行之有效。這樣才能正確地評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況,

3、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其可能的趨勢(shì)和反映系統(tǒng)持續(xù)利用管理的效果,便于有關(guān)部門根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警信息及時(shí)采取管理措施,防患于未然,從而實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康運(yùn)行,促進(jìn)生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的整合與協(xié)調(diào)發(fā)展。 1濕地生態(tài)系統(tǒng)預(yù)警的必要性 濕地生態(tài)質(zhì)量是濕地環(huán)境質(zhì)量的核心。它是以生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ),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(guān)系,以及人為作用下結(jié)構(gòu)和功能的變化,從而評(píng)價(jià)濕地環(huán)境質(zhì)量,因此濕地生態(tài)質(zhì)量及其評(píng)價(jià)的綜合性極強(qiáng)。對(duì)濕地生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警,也就是對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)層面上的預(yù)警研究,具有重要的現(xiàn)實(shí)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

4、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(shí)還包括海洋邊緣、部分咸水和半咸水水域,主要受地形、地質(zhì)、土壤、水源、動(dòng)物、植物、人類等因素的影響,應(yīng)從整體上把握濕地結(jié)構(gòu)、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(zhì)量預(yù)警是對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成分進(jìn)行綜合考慮,從整體上把握濕地的生態(tài)質(zhì)量。 1.2濕地生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性 生態(tài)系統(tǒng)指物理、化學(xué)和生物學(xué)成分,如土壤、水、植物、動(dòng)物和營(yíng)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(fù)雜完備的動(dòng)植物群落,具有極其復(fù)雜的生物多樣性。濕地生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過程,其內(nèi)部各組成要素之間,以及各要素與外部環(huán)境之間

5、是相互制約、相互作用的8。濕地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成要素發(fā)生作用的時(shí)空序列、影響強(qiáng)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(gè)構(gòu)成要素的變化也會(huì)引起其它相關(guān)要素的變化,從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體的重大變動(dòng),這就使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)更具復(fù)雜性。濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)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(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息交換,從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定,使?jié)竦刭Y源的價(jià)值得以持久、充分的體現(xiàn),所以人們只有借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才能對(duì)其復(fù)雜性有一個(gè)科學(xué)直觀的認(rèn)識(shí)。 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(gè)因素的改變會(huì)

6、引起生態(tài)系統(tǒng)的變化,通常表現(xiàn)為對(duì)外界干擾的敏感性和受干擾后的不可恢復(fù)性,進(jìn)而影響生物群落結(jié)構(gòu),引起濕地生態(tài)質(zhì)量的變化。自然因素如洪水、干旱,以及人類活動(dòng)如河流及地下水過度提取、水污染等嚴(yán)重影響了區(qū)域水文狀況,進(jìn)而影響到土壤呼吸、有機(jī)質(zhì)和海洋濕地鹽度等生態(tài)系統(tǒng)中的非生物因子,同時(shí)影響到濕地種群的組成和豐度、初級(jí)生產(chǎn)力、有機(jī)質(zhì)累積以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán),改變濕地結(jié)構(gòu)和功能,導(dǎo)致生態(tài)質(zhì)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(zhì)量降低。因此,必須建立濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng),及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)其動(dòng)態(tài)變化,有效地維持濕地生態(tài)質(zhì)量,使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)得到健康運(yùn)行。 1.4濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控的滯后性 由于濕地生態(tài)系統(tǒng)

7、處在動(dòng)態(tài)變化之中,人們開展了各種類型的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),但都是在濕地生態(tài)質(zhì)量退化發(fā)生之后才通過檢測(cè)結(jié)果得到認(rèn)識(shí)并采取相應(yīng)的治理措施,而此時(shí)的濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能已經(jīng)受到一定程度的破壞,利用效益降低,致使我國(guó)的濕地管理缺乏超前性和持久性。鑒于此,必須進(jìn)行濕地生態(tài)質(zhì)量的預(yù)警研究。通過研究掌握濕地生態(tài)質(zhì)量變化狀況及其規(guī)律,預(yù)測(cè)一定時(shí)期內(nèi)的變化方向與變化程度,采取適當(dāng)措施進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)濕地生態(tài)系統(tǒng)調(diào)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(zhì)量預(yù)警的意義 濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警就是在全面準(zhǔn)確地把握區(qū)域濕地生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上,對(duì)區(qū)域濕地生態(tài)質(zhì)量的現(xiàn)狀和未來進(jìn)行測(cè)度,預(yù)報(bào)不正常狀

8、態(tài)的時(shí)空范圍和危險(xiǎn)程度,提出防范措施。濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警理論闡明了濕地生態(tài)質(zhì)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(jù)。管理者利用預(yù)警的超前性,可以及時(shí)掌握濕地生態(tài)質(zhì)量的變化趨勢(shì),不至于在警情爆發(fā)的情況下才采取補(bǔ)救措施,改變了濕地生態(tài)質(zhì)量管理的滯后性。此外,濕地生態(tài)系統(tǒng)極其復(fù)雜,應(yīng)借用一定的理論和方法對(duì)濕地生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行全面的分析研究,把握濕地生態(tài)質(zhì)量變化規(guī)律,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行科學(xué)的調(diào)控決策和生態(tài)質(zhì)量預(yù)警,及時(shí)了解濕地生態(tài)質(zhì)量狀況,進(jìn)行科學(xué)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能的完整性。 3濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的基本內(nèi)容 3.1警義 警義即預(yù)警指標(biāo)。選取預(yù)警指標(biāo)時(shí),

9、既要結(jié)合我國(guó)不同區(qū)域的濕地狀況,同時(shí)也要考慮所選取指標(biāo)的全面性、主導(dǎo)性、易變性、科學(xué)性和可操作性。本文采用張崢等在有關(guān)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)評(píng)價(jià)理論的基礎(chǔ)上,建立了一套適合我國(guó)現(xiàn)狀的濕地生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。多樣性指標(biāo)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(duì)象;代表性指標(biāo)是度量濕地生態(tài)系統(tǒng)的生物區(qū)系,群落結(jié)構(gòu)與所在地理省或某一生態(tài)地理區(qū)域整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)相似程度的指標(biāo),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(biāo)主要指濕地物種或生境等在自然界的存在數(shù)量9,從而判斷其稀有程度;自然性指標(biāo)主要由人類對(duì)濕地的干擾程度來衡量;適宜性指標(biāo)主要由野生生物所生存和繁衍的濕

10、地環(huán)境中的濕地面積、水質(zhì)條件和植被覆蓋率等構(gòu)成;生存威脅指標(biāo)的穩(wěn)定性指標(biāo)反映了物種、群落、生態(tài)系統(tǒng)等對(duì)環(huán)境變化的內(nèi)在敏感程度;人類威脅是指人類活動(dòng)對(duì)濕地內(nèi)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(biāo)題#e# 3.2警情 警情是指事物發(fā)展過程中出現(xiàn)的極不正常的情況,也就是已經(jīng)出現(xiàn)或?qū)砜赡艹霈F(xiàn)的問題。警情是預(yù)警的前提。如濕地生態(tài)功能有較大幅度下降,就可認(rèn)為出現(xiàn)了警情;濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受自然和人類活動(dòng)的破壞,導(dǎo)致濕地生態(tài)質(zhì)量的下降,也可以認(rèn)為出現(xiàn)了警情。濕地生態(tài)質(zhì)量警情主要是指生態(tài)功能和利用效益的降低,也包括對(duì)濕地的盲目開墾和改造造成的我國(guó)天然濕地面積消減、功能

11、下降、泥沙淤積日益嚴(yán)重等。 3.3警源 警源是指產(chǎn)生濕地生態(tài)質(zhì)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(nèi)在警源11。自然警源是指各種可引發(fā)自然災(zāi)害從而對(duì)濕地生態(tài)質(zhì)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(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下不合理地開發(fā)利用濕地資源,導(dǎo)致濕地被破壞和退化的人類活動(dòng),過高的生產(chǎn)和生活資料價(jià)格會(huì)因人們的急功近利而加劇濕地退化;內(nèi)在警源則是濕地生態(tài)系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀況及機(jī)制,包括對(duì)濕地資源的開發(fā)利用行為、濕地管理行為、濕地資源保護(hù)制度、濕地資源產(chǎn)權(quán)制度等因素。如對(duì)濕地資源產(chǎn)權(quán)的界定不清,會(huì)引發(fā)人們的一些短期行為;我國(guó)濕地占用成本相

12、對(duì)較低,一定程度上導(dǎo)致濕地遭遇危機(jī)。對(duì)警源加以區(qū)分,可使人們?cè)谶M(jìn)行濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的過程中,對(duì)自然警源和內(nèi)在警源進(jìn)行預(yù)測(cè),而對(duì)外在警源只能從宏觀上加以把握,結(jié)合其發(fā)展規(guī)律,對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做一個(gè)趨勢(shì)上的修正11。 3.4警兆 警兆是指警情爆發(fā)之前的一種預(yù)兆,是警源過渡到警情的中間狀態(tài)。濕地生態(tài)質(zhì)量系統(tǒng)警兆包括景氣警兆和動(dòng)向警兆。景氣警兆一般以實(shí)物運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ),表示濕地生態(tài)質(zhì)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(zhì)條件等均屬景氣警兆;而濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)動(dòng)植物資源的市場(chǎng)價(jià)格,人們的收入水平等這些并不直接表示濕地生態(tài)質(zhì)量景氣程度的指標(biāo),均屬動(dòng)向警兆。景氣警兆屬于內(nèi)生變量,是濕

13、地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警所能選取的指標(biāo);動(dòng)向警兆屬外生變量,與濕地生態(tài)質(zhì)量無直接關(guān)系,定性分析時(shí)可作為預(yù)測(cè)依據(jù),定量分析時(shí)不作為預(yù)警指標(biāo)。 3.5警度 警度是衡量濕地生態(tài)質(zhì)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(biāo)的警度值域可能不一樣,或者同樣的值域、不同指標(biāo)的警度則不一樣12。如對(duì)濕地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的魚類總量來說,減少幅度在5%10%為輕警;而對(duì)于濕地總面積來說,則可能為中警乃至重警。 3.6確定預(yù)測(cè)模型 在濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警指標(biāo)體系中,對(duì)部分難以直接預(yù)測(cè)的指標(biāo),在保證其客觀性的基礎(chǔ)上,可通過調(diào)查和專家模糊評(píng)價(jià)法獲得,而對(duì)于可以直接預(yù)測(cè)的預(yù)警指標(biāo),可以通過統(tǒng)計(jì)分析法中時(shí)間序列分析模

14、型和回歸模型,以及灰色系統(tǒng)方法中的灰色預(yù)測(cè)模型來預(yù)測(cè)。時(shí)間序列分析法:該方法可采用下述指數(shù)平滑模型求得序列的平滑預(yù)測(cè)值:yt+1=yt+α(yt-yt)(1)式中,yt+1、yt為預(yù)測(cè)值,yt為實(shí)際值,α稱為平滑常數(shù)。此式的物理意義在于預(yù)測(cè)值是前期實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的加權(quán)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(jì)算預(yù)測(cè)值序列,以實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的差的平方和最小為準(zhǔn)則,確定α值?；貧w分析法:此法是基于多年的實(shí)測(cè)資料,運(yùn)用最小二乘法原理建立由相關(guān)因素求得預(yù)警指標(biāo)預(yù)測(cè)值的一類方法。回歸模型可用下式表示:y=a+σbi

15、xi(2)式中,y為預(yù)警指標(biāo)的預(yù)測(cè)值,a為常數(shù),bi為回歸系數(shù),xi為自變量的實(shí)測(cè)值。根據(jù)xi性質(zhì)的不同和數(shù)量的多少,回歸分析模型可分成多項(xiàng)式回歸模型、數(shù)量化理論模型等?；疑A(yù)測(cè)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(yù)警指標(biāo)的預(yù)測(cè)值;x(1)(t+1)為t+1年預(yù)警指標(biāo)的累加生成模擬,x(1)(t)為t年預(yù)警指標(biāo)的預(yù)測(cè)值。 4濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的基本思路及主要方法 濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警一般要經(jīng)過確定警情、尋找警源、分析警兆、預(yù)報(bào)警度4個(gè)邏輯過程。濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的技術(shù)流程見圖3。依據(jù)濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警機(jī)制及預(yù)警對(duì)象與方法相匹配原則,濕地生態(tài)質(zhì)量預(yù)警的基本方法有:黑色預(yù)警,即根據(jù)警情的時(shí)間序列波動(dòng)規(guī)律進(jìn)行直接預(yù)警。黃色預(yù)警,即根據(jù)警兆進(jìn)行預(yù)警。此預(yù)警方法結(jié)合濕地生態(tài)質(zhì)量的自身特性和系統(tǒng)的要求進(jìn)行預(yù)警,根據(jù)警兆的警級(jí)預(yù)報(bào)警度進(jìn)行分析,是一種由內(nèi)因或外因到結(jié)果的分析,是最常用的預(yù)警方法。紅色預(yù)警,是依據(jù)警兆以及各種環(huán)境、人類活動(dòng)因素進(jìn)行估計(jì)。即在黃色預(yù)警的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)測(cè),做到定量分析與定性分析相結(jié)合。綠色預(yù)警,是借助于遙感技術(shù),依據(jù)警情指標(biāo)的態(tài)勢(shì),特別是植被生長(zhǎng)的綠色程度進(jìn)行估