全 文 ：第 34卷 第 3期 生 态 科 学 34(3): 133138
2015 年 5 月 Ecological Science May 2015

收稿日期: 2015-01-12; 修订日期: 2015-02-24
基金项目: 亚行贷款甘肃(张掖)城市基础设施建设及湿地保护项目(201122)
作者简介: 王荣军(1986—), 男, 贵州省兴义市人, 硕士, 工程师, 主要从事环境影响评价、环境规划与管理, E-mail: wangrj09@lzu.edu.cn

王荣军, 谢余初, 张影, 等. 基于 PSR 模型的旱区城市湿地生态安全评估[J]. 生态科学, 2015, 34(3): 133138.
WANG Rongjun, XIE Yuchu, ZHANG Ying, et al. Ecological security evaluation of urban wetland in arid China based on PSR model
[J]. Ecological Science, 2015, 34(3): 133138.

基于 PSR 模型的旱区城市湿地生态安全评估
王荣军 1,*, 谢余初 2, 张影 2, 潘峰 3, 王颖 3, 巩杰 2
1. 贵州省煤矿设计研究院, 贵阳 550025
2. 兰州大学西部环境教育部重点实验室, 兰州 730000
3. 兰州大学环境影响评价中心, 兰州 730000

【摘要】 湿地是世界上具有独特结构与功能的生态系统, 黑河流域湿地生态系统健康与安全对我国西北干旱区生态网
络建设具有重要意义。选取黑河中游典型的城市湿地——张掖北郊湿地为研究区 , 以 Quick Bird(2009)影像、Google
Earth 遥感影像(2012)、地形图(1︰50000)、张掖市土地利用总体规划、环境保护规划以及环境监测等为数据源 , 基
于“压力-状态-响应”框架模型 , 构建湿地生态安全评价指标体系 , 并运用层次分析法确定各指标权重 , 以综合指数
法对湿地生态安全性进行了综合评价。研究结果表明: 张掖北郊湿地面积增加明显, 年增长率达 0.17 km2·a 1, 湿地生
态安全综合指数为 0.580, 处于中度安全状态; 生态系统的主要服务功能尚能发挥 , 但个别生态压力已超出生态系统
的承载能力, 应加强张掖湿地的保护和管理。

关键词：湿地; 生态安全评价; PSR 模型; 张掖; 干旱区
doi:10.14108/j.cnki.1008-8873.2015.03.023 中图分类号：X826 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2015)03-133-06
Ecological security evaluation of urban wetland in arid China based on PSR
model
WANG Rongjun1,*, XIE Yuchu2, ZHANG Ying2, PAN Feng3, WANG Ying3, Gong Jie2
1. Coal Mine Design Institute in Guizhou Province, Guiyang 550025, China
2. Key Laboratory of Western China’s Environmental Systems (Ministry of Education), Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
3. Research Center for Environmental Quality Assessment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract: Wetlands were the natural integration of aquatic and semi-aquatic organisms in a wet environment, and had the
unique structure and function. Ecological security and health of Zhangye wetland in the Heihe Basin had played an important
role not only in guiding how to improve the management level of wetland ecological environment, but also in constructing
the ecological network in arid China. In this study, the wetland in the northern part of the Zhangye City was selected. Based
on the remote sensing images of Quickbird of 2009 a and Google Earth of 2012 a, topographical map (1﹕50000), map of
general land use planning of Zhangye, map for environmental protection planning and the related environmental monitoring
data, we built the wetland ecological security evaluation framework and evaluation indicators under the Pressure-Status-
Response Model. The AHP was used to determine the weight of each indicator, and the synthetic index method was used to
conduct a comprehensive evaluation for the wetland eco-security. The result showed that wetland area increased obviously with
the growth rate of 0.17 km2·a1, and the ecological safety index of wetland was 0.580 during the period of 2009-2012,
suggesting that its ecological safety state was medium currently. Although the main service function of wetland ecosystem could
still work, the individual ecological pressure of wetland ecosystem had exceeded the carrying capacity of the ecosystem. Thus,
proper management and conservation of Zhangye’s northern wetland are still needed to be improved in the future.
Key words: wetland ; ecological security evaluation; PSR Model ; Zhangye City; arid area of china
134 生 态 科 学 34 卷

1 前言
湿地是地表水陆生态系统相互作用形成的最富
生物多样性及多功能的独特生态系统, 且在涵养水
源、调节气候、均化洪水、控制污染、降解污染物、
美化环境和维护区域生态平衡等方面有着其它生态
系统所不能替代的作用, 被誉为“地球之肾”[1–3]。然
而, 随着工业化和城市化进程的加快, 人类活动的
不断增强以及人们对湿地功能与价值认识的不足,
不合理的开发与利用时有发生, 湿地资源正受到严
重破坏[3–4]。在我国, 高达 95.2%的重点湿地受到人
类生产活动的威胁, 其中受开垦、改造土地和环境
污染等威胁的重点湿地占 56.1%以上[4–5]。如何维持
和保护湿地生态安全和可持续发展, 不仅是学者们
关注的热点问题, 而且被各国政府提高到国家战略
高度, 以保持区域生态可持续发展[5–7]。毛义伟[8]基
于“压力-状态-响应”框架下, 对比分析了长江口沿
海各湿地生态系统健康状况及其分布规律。朱卫红
等[4]以图们江流域湿地生态安全为出发点, 在 PSR
模型下定量分析了湿地生态安全。高兴国等[9]以大
山包湿地为研究对象, 分析和评价了亚高山沼泽化
草甸湿地生态安全性。然而, 这些研究大多以湿润
或半湿润地区的湿地为研究对象, 对干旱区湿地生
态系统健康及其生态安全研究相对较少, 尤其对旱
区城市湿地研究就更少[10–11]。黑河流域地处西北内
陆干旱区, 其生态环境十分脆弱以及近几十年来绿
洲水土资源的开发和社会经济的发展, 使得流域内
产水量不断减少、环境日趋恶化, 湿地生态安全正
面临着巨大威胁, 亟需对现存湿地生态安全展开
调查、监测和评估[11]。本文拟以黑河中游张掖市
北郊湿地为研究区, 从“压力—状态—响应(Pressure-
State-Response, PSR)”的动力学过程构建区域湿地生
态安全评价指标体系, 探究张掖城市北郊湿地生态
安全的状况及特征, 旨在为旱区城市湿地的保护与
管理及区域生态环境保护政策的合理制定提供科学
依据。
2 研究区概况
张掖黑河湿地自然保护区位于甘肃河西走廊中
段黑河中游绿洲区, 总面积达411.65 km2, 其核心区
约为 136.40 km2, 是全球八条候鸟迁徙通道之一的
“中亚-印度通道”中转站。保护区于 2010 年底晋升
为国家级重点自然保护区。张掖北郊湿地 (100°06′
—1100°54′ E, 38°32′—139°24′ N) 位于张掖市甘州
区内, 是张掖黑河国家级湿地自然保护区的重要
组成部分, 也是保护区内唯一的城市湿地。张掖北
郊湿地地势平坦, 平均海拔 1474 m, 属温带大陆
荒漠气候, 一月平均气温为–9.2 ℃, 七月平均气温
为 21.5 ℃, 年降水量约为 198 mm, 年日照时数约
3085 小时, 无霜期 153 天。保护区内有白鹭、黑鹳、
白琵鹭、大天鹅、大雁等 126 种鸟类, 是我国候鸟
重要的栖息地之一[10–11]。
3 研究方法与数据来源
3.1 数据来源与处理
数据来源主要包括 Quick Bird(2009 年)和 Digital-
Globe 的 Google Earth 遥感影像(2012)、地形图(1︰
50000)、张掖市土地利用总体规划、环境保护规划
以及环境监测数据等相关资料。其中, 土地利用信
息主要是采用监督分类方法分类对影像进行目视解
译获得, 并结合我国土地利用分类的标准和湿地保
护区的实际情况, 将研究区土地利用类型划分 21 类,
其中将河流水面(含沟渠)、湖泊、沼泽(含盐沼)、内
陆滩涂、坑塘(含水产池塘、蓄水区等)、水田等归为
湿地资源范畴。同时, 利用 GPS 土地利用解译结果
和植被覆盖情况进行野外选点验证并收集相关资料,
利用分类后对比方法在同一个比例尺下对误提或漏
提的绿洲进行目视判读修改与验证[12], 经统计各土
地利用与覆被的解译精度均在 84.7%以上。
3.2 基于 PSR 模型的指标体系构建
PSR 模型是联合国经济合作开发署建立的“压
力-状态-响应”框架模型, 其中压力是指描述人类或
自然因素直接或者间接给环境带来的负担(压力);
状态是反映环境质量、自然资源与生态系统的现状,
以及资源环境随时间的变化状态; 响应是描述生态
系统本身对环境变化响应及人类社会做所采取的相
关对策与措施[7–8,13–14]。根据模型指标体系的系统性、
实用性以及数据获取可能性等原则, 结合研究区的
实际特征, 利用层次分析法细化湿地生态安全评价
指标体系, 并根据各指标对湿地生态安全影响程度
的差异构建比较矩阵, 对比较矩阵进行计算得到最
大特征值及所对应的归一化特征向量, 确定各评价
指标权重值(表 1), CR=0.061<0.1 通过一致性检验。
3 期 王荣军, 等. 基于 PSR 模型的旱区城市湿地生态安全评估 135

表 1 湿地生态安全评价指标体系
Tab. 1 Index system of ecological security assessment of Wetland
目标层 准则层 指标层 权重 指标特征
人口密度指数 C11 0.098 值越小表示生态安全程度越好 压力指标层
污染指数 C12 0.198 值越小表示生态安全程度越好
景观多样性指数 C21 0.039 值越大表示生态安全程度越好
组织
平均斑块面积指数 C22 0.020 值越大表示生态安全程度越好
水文调节指数 C23 0.135 值越大表示生态安全程度越好
功能
栖息地指数 C24 0.196 值越大表示生态安全程度越好
弹性 弹性度指数 C25 0.042 值越大表示生态安全程度越好
状态指标
活力 植被覆盖率指数 C26 0.102 值越大表示生态安全程度越好
斑块破碎度指数 C31 0.040 值越小表示生态安全程度越好
湿地生态安全
评价指数
响应指标
湿地退化指数 C32 0.130 值越大表示生态安全程度越好

3.2.1 压力指标: 湿地生态安全的压力主要来自外
界人类干扰的影响和系统内在自身的维持能力和抵
抗力的强弱。据调查, 张掖北郊区湿地生态环境质
量主要是受到人类活动的强烈影响, 如人类增长压
力使得湿地受到破坏、环境遭到污染, 进而导致湿
地生态环境质量下降等[11,13]。因此, 选取人口密度指
数和污染指数指标来反映湿地生态系统所面临的压
力, 具体如下:
人口密度指数=研究区人口数/研究区的面积
污染指数=0.4×(100–ASO2×SO2 排放量/研究区的
面积)+0.2×(100–Asol×固体废弃物排放量)/研究区的
面积+0.4×(100–ACOD×COD 排放量/研究区年均降
水量)
式中: ASO2、ACOD、ASol 分别为 SO2、COD、固体废
物的归一化系数。
3.2.2 状态指标: 是生态系统特性和生态系统功能
的最直接的体现, 具体可体现在生态系统的组织结
构、功能、活力和弹性等指标[15–17]。
A. 组织: 主要是指湿地生态系统的复杂性, 在
景观尺度上常用景观生物多样性(SHDI)和平均斑块
面积变化(MPS)来综合反映区域生态系统的复杂性,
具体计算公式如下:
H=    2
1
log
m
k k
i
P P

 , /i iMPS S N
式中: PK为 k 种湿地景观类型占总面积比例, m 为研
究区湿地景观类型总数; iS 为第 i 类湿地景观的面积,
iN 为第 i 类湿地景观的斑块个数。
B. 功能: 张掖湿地不仅是黑河中游绿洲水文调
节的重要功能区, 而且是白鹭、天鹅、大雁等国家
珍稀鸟类的栖息地[8,11]。因此, 本文选取水文调节指
数、栖息地指数 2 个指标因子对其功能进行评价:
水文调节指数=(河流面积+滩地面积)/湿地总面积
栖息地指数=栖息地面积/湿地总面积
C. 弹性: 健康的湿地生态系统具有弹性, 当湿
地生态系统受到压力胁迫后, 有能力恢复和保持结
构和功能的稳定; 其生态系统的弹性度越大, 湿地
生态环境质量越好[3–4,8–9,11]。
1
·n
i
Si FiF
S
 
其中 S 为第 i 类湿地的面积; F 为第 i 类湿地的弹性
度分值; S 为研究区湿地总面积。
D. 活力: 是指湿地生态系统生物物质的生产能
力, 以植被净初生产力指数来表示。初级生产力与
NDVI 具有明显的正相关, 因此, 选用研究区内的
NDVI 平均值作为衡量初级生产力的主要指标[3,11]。
4 3
4 3
 
TM TMNDVI
TM TM

3.2.3 响应指标: 景观破碎化程度和湿地退化指数
是湿地生态系统在人类活动影响下自身反应的具体
体现。
i
i
NC A
  , i 1
n
i iBI A A

  
式中: Ni 为湿地景观斑块总个数, Ai 为第 i 类湿
地减少的面积, 1iA 为研究初期湿地景观总面积。
3.3 单因子评价
基于前人的研究基础上, 并充分考虑到各指标
并不是线性地反应湿地生态安全各个方面和层次状
态水平的, 选用逻辑斯蒂增长曲线模型来对湿地的
136 生 态 科 学 34 卷

生态安全进行了单项指标因子评价:
1
W Pn i iiCEI   (1)
式中, P 表示单项指标的生态安全指数评价值(无量
纲), R 表示单项指标测度值(%); a、b 为常数, 确定
方法为: 当 R=0.01 时, P 的值近似取 0.001; 当 R=
0.99 时, P 的值近似取 0.99, 则此时方程中的 a 和 b
的值求解分别为 4.595 和 9.19[3,15–17]。因此, 单项指
标评价模型最终为:
Re
P  19.9959.41
1
(2)
Re
P  19.9959.41
11 (3)
在单因子评价中, 对于指标量值增加与生态
安全的增加方向相同时的单项指标采用公式(2)来
求得单因子指标评价值; 当单项指标量值的增加
方向与生态安全增加方向相反时, 采用公式(3)进
行评价。
3.4 生态安全综合评价
根据上述计算所得到的指标权重及单项指标评
价值, 本文采用综合评价法计算张掖北郊湿地生态
安全度的等级。公式如下:
1W P
n
i iiCEI   (4)
式中, CEI 为某时段内区域综合生态安全度, 其值越大
则该时期内区域生态系统越健康。P 为第 i 个单项指
标的评价值, W 为第 i 个指标的权重。根据相关研
究[3,4,8–9], 将研究区湿地生态安全度划分为 5 级, 即:
高度安全(CEI>0.9)、较高安全(0.9≥CEI>0.7)、中度安
全(0.7≥CEI>0.5)、低度安全(0.5≥CEI>0.3)、弱安全
(0.3≥CEI)。通过综合评价法计算出研究区湿地生态安
全值, 从而得到了张掖北郊湿地生态安全定量化评价
结果。
4 结果与分析
4.1 湿地生态安全压力分析
由图 1 可知, 研究区的人口密度从 2009 年
118 人·km2 增加到 2012 年 123 人·km2, 住宅与工
业用地也由 3.215 km2 增至 3.943 km2, 净增加量高
的 0.728 km2。同时, SO2 年排放量、COD 年排放量
和固体废弃物年排放量持续增加, 其污染指数从
2009 年 90.85%升至 2012 年 97.90%。这些现象表明

图 1 张掖北郊湿地人口密度指数和污染指数变化
Fig. 1 The changes of population density and pollution
index

图 2 张掖北郊各类湿地面积变化
Fig. 2 The area change of different wetland type of Zhangye’s
north wetland
研究区城市化进程不断发展, 人类活动逐渐加剧,
湿地面临的压力不断增大。
4.2 湿地生态安全状态分析
由表 2 可知, 研究区湿地景观多样性指数和
平均斑块面积均均有所增加, 分别从 2009 年的
2.490 和 0.048 增加到 2012 年的 2.660 和 0.052。
水文调节能力也略有增加, 增幅为 14.8%。湿地
内栖息地面积增长迅速, 其生态系统弹力明显上
升。保护区升级前后, 湿地面积总体呈增长趋势,
从 2009年的 5.63 km2增加到 2012的 6.01 km2, 其
中, 沼泽面积变化最大, 约为 0.573 km2。然而,
研究区湿地生态系统活力呈现下降的趋势, 其植
被覆盖率指数从 2009 年 0.2147 降至 2012 年的
0.2109, 从土地利用类型上牧草地下降最为明显,
约为 0.521 km2。
4.3 湿地生态安全响应及环境质量综合评价
近几年来, 研究区内湿地面积总体呈现增长的
趋势, 其面积增幅达 9.22%, 以沼泽湿地面积增长
最为显著。湿地景观破碎度数则表现出下降的趋势,
3 期 王荣军, 等. 基于 PSR 模型的旱区城市湿地生态安全评估 137

表 2 张掖北郊湿地生态安全状态指标测度值
Tab. 2 The measure valuation of Zhangye’s north wetland about the status indicators of ecological security
指标因子 2009 2012 测度值 备注
景观多样性指数 2.490 2.664 0.068 景观多样性增加了 6.8%
平均斑块面积指数 0.048 0.052 0.088 平均斑块面积增加了 8.8%
水文调节指数 0.123 0.141 0.148 水文调节面积增加了 14.8%
栖息地 1200 1500 0.250 栖息地面积增加了 25.0%
弹性度指数 1.162 1.381 0.188 湿地弹性度增加了 18.8%
植被覆盖率指数 0.215 0.211 0.018 植被覆盖率下降了 1.8%

表明随着社会的发展, 当地人们越来越重视环境保
护, 退耕还湿、疏浚补水工程、重点区域围栏封护
工程等社会响应工程成效明显。在空间上, 以河漫
滩、湿地公园和湿地保护核心区响应程度相对较高。
2009—2012 年间 , 张掖北郊湿地综合生态
安全值为 (CEI)为 0.580, 属于第三级(0.5—0.7),
处于中度安全状态 , 且比较接近低度安全状态 ,
属亚健康的状态。近年来, 基础设施建设与社会经
济的发展使得本地区湿地自然景观受到一定的破
坏 , 湿地结构发生一定程度的变化, 受人类活动
影响较大 , 但张掖湿地保护区的成立在一定程
度上保障了湿地的安全。尽管当前湿地生态系统活
力略有衰退、外界压力有增强的趋势, 但生态系统
尚可维持。未来政府应重视湿地生态环境和经济建
设协调发展, 健全相应的法律法规, 并积极修复轻
微受损的湿地和实施相关的恢复工程 , 同时大力
宣传教育, 提高民众保护湿地生态系统的自觉性。
5 结论
本研究以旱区城市湿地生态安全为出发点 ,
表 3 2009—2012 年湿地生态安全综合评价结果
Tab. 3 Results of comprehensive evaluation of the wetland
ecological security form 2009 to 2012
指标因子 指标测度值 单项评价值 综合评价值
人口密度指数 0.042 0.990
污染指数 0.078 0.986
景观多样性指数 0.068 0.013
平均斑块面积指数 0.088 0.016
水文调节指数 0.148 0.027
栖息地指数 0.250 0.065
弹性度指数 0.188 0.038
植被覆盖率指数 0.018 0.990
斑块破碎度指数 0.051 0.989
湿地变化指数 0.092 0.984
0.580
基于 PSR 模型构建区域城市湿地生态安全评价指
标体系, 在 3S 技术支持下, 获取了张掖北郊湿地
保护区成立前后两个时期(即 2009 和 2012 年)的景
观格局指标数据, 并运用层次分析法和逻辑斯蒂
增长曲线模型对张掖北郊湿地生态安全进行综合
评估, 最终得到 2009—2012 年间湿地综合生态安全
值为 0.58, 属于中度安全。这表明在张掖黑河湿地自
然保护区晋升国家级湿地重点保护区的影响下, 张
掖城市北郊湿地也得到了一定的保护和恢复, 尤其
是其晋升后所实施的相关保护政府和恢复工程, 研
究区湿地面积增长明显, 其增速约为 0.17 km2·a1。但
保护区面临的压力仍很严峻, 如湿地水体污染、人口
密度增长等, 如何有效地对湿地生态系统进行保护
和管理还有待进一步的研究和探讨。
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1.2 研究报告应论点鲜明, 文字简练, 数据翔实, 结论可靠。评述和综述性论文, 应综合国内外有关重要文献,
论述系统、扼要, 富有启迪性; 论文应包括: 题目, 言简意赅, 不用副标题, 一般不超过 20 个字, 中英文题
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结果, 提供观察和实验证据, 力求简明扼要。讨论, 实验结果所论证的原理、相互关系; 阐明研究结果与前
人的研究是否一致, 有无创新; 指出本实验的不足之处及未能解决的问题。
1.3 本刊采用国际标准开本 (A4, 210 mm  285 mm)。研究论文篇幅以不超过 5 个印刷页版面(8000 字以内)为
宜, 研究简报以 3 个版面(5000 字以内)为宜。若论文篇幅超过上述版面限定, 对于超出部分将加收 50%的
超版面费。来稿请注明科研项目来源, 并附课题编号。
1.4 计量单位和单位符号按国家计量局颁布的《中华人民共和国法定计量单位》使用。国外地名以《世界地名
手册》为准, 国际标准组织名称以《联合国及有关组织机构译名手册》为准。
1.5 文中图表应力求精简。图表标题须用中、英双语表述, 纵横坐标的刻度线和标值清楚。文字部分应避免罗
列与图、表重复的数字。照片要求清晰, 表格一律采用“三线表”。
1.6 请按照国家标准"GB/T 7714－2005"《文后参考文献著录规则》著录参考文献。本刊采用“著者-出版年制”格式,
文献以其在文中出现的先后顺序依次排列。作者为 3 人或少于 3 人应全部写出, 之间用“, ”分隔; 3 人以上只列
前 3 人, 后加“, 等”或“, et al”; 作者姓名要姓在前, 名在后; 外国人的姓字母全大写, 名缩写为大写首字母。用
汉语拼音书写的中国著者姓名不缩写。英文文献题名的首字母大写, 外文期刊刊名要写全称。书写格式如下:
期刊 [序号] 作者. 题名[J]. 刊名, 出版年, 卷号(期号): 起止页码.
专著 [序号] 作者. 书名[M]. 版次(首版不写). 出版地: 出版者, 出版年: 引文页码.
学位论文 [序号] 作者. 题名[D]. 论文保存地: 论文保存单位, 论文完成年.
论文集 [序号] 作者. 题名[C]//文集编者. 文集名. 版本. 出版地: 出版者, 出版年: 页码.
2 本刊严格执行“编辑部初审―同行专家评审―主编终审”的审稿制度, 整个审稿的流程周期为 1—2 个月。
作者在此期间请勿一稿多投。超过 2 个月未得到回复者, 可知会编辑部后将稿件投向其他刊物。
3 编辑部保留对录用稿件作必要修改的权利。论文一经刊出, 作者要文责自负。论文一旦在本刊发表, 即
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4 本刊发表论文将按有关规定标准收取版面费和审稿费, 必须按本刊收取费用通知通过银行如数交纳。汇款
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