李 營,陳云浩,陳 輝,肖如林,唐浩竣

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小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)遙感綜合評估方法構(gòu)建

李 營1,2,陳云浩1*,陳 輝2,肖如林2,唐浩竣3

(1.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2.環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094；3.中國人民大學(xué)環(huán)境學(xué)院,北京 100872)

基于遙感技術(shù),將生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量及服務(wù)功能等3方面集成起來,考慮尺度、受益者需求后,構(gòu)建了小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)遙感綜合評估方法,解決了生態(tài)系統(tǒng)評估尺度轉(zhuǎn)換及生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)性評估弱的問題.基于構(gòu)建的評估方法,以遼寧省雙臺子河口潮間帶生態(tài)系統(tǒng)為研究區(qū),定量評估了其在1990~2016年間的生態(tài)系統(tǒng)狀況及變化趨勢,結(jié)果表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合評估狀況以差等級和中等級為主,有13.1%的像元呈顯著減弱趨勢,6.9%的像元呈顯著增加趨勢.綜合評估結(jié)果能夠定量反映研究區(qū)各地物類型的生態(tài)系統(tǒng)時空差異,符合受益者感受,并與前人研究成果一致,表明構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法具有可行性與應(yīng)用潛力.

遙感技術(shù)；小尺度；潮間帶生態(tài)系統(tǒng)；綜合評估

世界主要國家已非常重視生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與研究,為監(jiān)測評估本國生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化,更好地保護(hù)與管理自然生態(tài)環(huán)境[1],切實(shí)需要全面開展生態(tài)系統(tǒng)綜合評估研究,以分析其內(nèi)在運(yùn)行機(jī)理并掌握時空動態(tài)變化規(guī)律,創(chuàng)造更多的生態(tài)效益.

從國家層面研究角度來看,世界主要國家或經(jīng)濟(jì)體均開展了生態(tài)系統(tǒng)綜合評估工作,具有代表性的工作包括:歐盟及英國的千年生態(tài)系統(tǒng)評估項目,美國的國家生態(tài)指標(biāo)研究及生態(tài)系統(tǒng)綜合評估項目[2-4],以及日本的生物多樣性綜合評價工作[5].迄今為止,我國開展了三次全國性的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估項目,分別是2000年的“中國西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀遙感調(diào)查”項目[6],2011年和2017年的“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000~2010年)遙感調(diào)查與評估項目”[7]和“全國生態(tài)狀況變化(2010~2015年)調(diào)查評估項目”.

對比國家層面的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估技術(shù)方法發(fā)現(xiàn),國外評估方法采用的指標(biāo)體系較為全面,涵蓋了動植物種類與數(shù)量、生態(tài)系統(tǒng)格局與功能、受益者訴求及管理者需求等指標(biāo),各指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)且形成系統(tǒng)性,并構(gòu)建了完整的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估指標(biāo)體系,而國內(nèi)評估體系主要圍繞生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量、功能、脅迫、問題等方面構(gòu)建,在動植物種類與數(shù)量、受益者訴求及管理者需求方面指標(biāo)匱乏,系統(tǒng)性相對較弱;在研究方法方面,國內(nèi)主要基于遙感技術(shù),獲取生態(tài)系統(tǒng)綜合評估指標(biāo)數(shù)據(jù),而國外采用地面調(diào)查、資料收集、遙感等多項技術(shù)方法,綜合性要高于國內(nèi).

從學(xué)者層面研究角度來看,國外學(xué)者在生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的研究深度與廣度以及研究成果等方面要領(lǐng)先于國內(nèi),且發(fā)揮著主導(dǎo)作用.而國內(nèi)研究則相對滯后,縱觀國內(nèi)學(xué)者生態(tài)系統(tǒng)綜合評估,可分為三個階段,一是“求索”階段,此時期開展的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估主要從概念與內(nèi)容介紹入手[8],概述生態(tài)系統(tǒng)綜合評估的理論框架與評估內(nèi)容;二是“學(xué)習(xí)借鑒”階段,隨著國內(nèi)外相關(guān)評估項目與研究的不斷推進(jìn),國內(nèi)學(xué)者通過模仿國外的評估體系與方法,在國內(nèi)開展相應(yīng)評估研究,主要基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”(PSR)模型及MA框架,通過模仿建立國內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的評估方法及框架[9];三是“自主創(chuàng)新”階段,國內(nèi)學(xué)者通過分析所研究生態(tài)系統(tǒng)的特征,篩選、提煉生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境、生物、能量等指標(biāo),有針對性地建立獨(dú)立的綜合評估指標(biāo)體系,為區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)變化監(jiān)測、生態(tài)保護(hù)提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持[10-11].

總結(jié)世界主要國家和學(xué)者的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法可知:各種評估項目或研究基本建立了生態(tài)系統(tǒng)評估技術(shù)體系,評估了生態(tài)系統(tǒng)時空動態(tài)變化特征,分析了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對人類福祉的影響.然而,由于生態(tài)系統(tǒng)過于復(fù)雜,難以全面考慮到技術(shù)方法同化、時空尺度轉(zhuǎn)換等問題[8,12].此外,國內(nèi)外針對小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的綜合評估研究相對較少,目前大部分生態(tài)系統(tǒng)綜合評估研究將生態(tài)系統(tǒng)分成多個方面分別進(jìn)行評估,并未將這些評估結(jié)果整合起來.同時,國內(nèi)針對生態(tài)系統(tǒng)各方面特征的集成評估也并不多見,生態(tài)系統(tǒng)綜合評估系統(tǒng)性較弱,因此,為拓展相關(guān)綜合評估技術(shù)方法,有效整合生態(tài)系統(tǒng)各方面特征的綜合評估,豐富國內(nèi)小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)評估研究,本文以小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,以遙感技術(shù)[13-15]為技術(shù)手段,在綜合考量區(qū)域、國家、全球等尺度不同受益者的需求后,通過整合生態(tài)系統(tǒng)格局、質(zhì)量及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等相關(guān)評價指標(biāo),構(gòu)建一套基于遙感技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法,并以雙臺子河口潮間帶生態(tài)系統(tǒng)為研究對象,評估、分析其在1990~2016年間的生態(tài)系統(tǒng)狀況及變化趨勢,以此驗(yàn)證所建立評估方法的可行性與應(yīng)用潛力.

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)

圖1 研究區(qū)示意

雙臺子河口潮間帶濕地位于遼寧省盤錦市遼河三角洲的最南端,遼東灣北部的雙臺子河入?？谔?南接渤海[16],是雙臺子河口濕地自然保護(hù)區(qū)的一部分.研究區(qū)(圖1黃框范圍內(nèi))屬于溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,年均降水611.6~640.1mm,年均氣溫8.3~8.4℃,年蒸發(fā)量1392~1705mm[17],年均結(jié)凍日為155d,地貌為沖海積平原,海岸地帶地勢低洼,潮溝發(fā)達(dá)[16].研究區(qū)內(nèi)蘆葦沼澤覆蓋面積大,潮灘長有翅堿蓬,此外,研究區(qū)具有河流、海水水域等多種濕地類型,這些濕地類型構(gòu)成了適宜生境,為大量的鳥類、兩棲類和魚類等動物提供了棲息場所[18].自上世紀(jì)80年代以來,該區(qū)域農(nóng)業(yè)開發(fā)與水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展迅速,致使區(qū)域景觀格局變得復(fù)雜而不穩(wěn)定[19].

1.2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星影像和地表參數(shù)等,其中,衛(wèi)星影像包括1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2016年的9~10月期間的共6景數(shù)據(jù),其中,2016影像為GF-1數(shù)據(jù),其空間分辨率為16m,其余時期的影像均為Landsat TM數(shù)據(jù),其空間分辨率為30m,1995年影像處于高潮期,而剩余影像處于低潮期;遼河口最大潮差約4m[20],通過對比6個時期衛(wèi)星影像潮位,發(fā)現(xiàn)高潮期與低潮期的淹沒范圍差異并不太大,同時,淹沒的地物類型主要為光灘,對于研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估影響并不大;地表參數(shù)包括6個時期的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和凈初級生產(chǎn)力(NPP)數(shù)據(jù),研究區(qū)地物類型以非植被為主,且翅堿蓬、蘆葦?shù)戎脖桓采w密度不高,因此,NDVI不存在飽和問題.衛(wèi)星影像用于提取6個時期的土地利用數(shù)據(jù),影像經(jīng)輻射校正、幾何精校正、影像匹配等處理;影像匹配以1990年影像為基準(zhǔn),通過尋找道路交叉點(diǎn)、建筑等相對固定的控制點(diǎn)進(jìn)行匹配.之后,采用監(jiān)督分類方法,結(jié)合研究區(qū)土地利用特點(diǎn),將研究區(qū)分為蘆葦、翅堿蓬、裸土、水體、道路、光灘、人工設(shè)施、潮溝等8類,采用同時期高空間分辨率影像(SPOT和Quickbird影像)結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)對分類結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,經(jīng)過多次修改,確保土地利用分類精度優(yōu)于90%;NDVI和NPP[21]通過6個時期6~9月的多光譜數(shù)據(jù)反演而來,通過最大值合成法,獲取6個時期NDVI和NPP的年最大合成值,并經(jīng)重采樣處理后,使其與土地利用數(shù)據(jù)空間分辨率一致.最大值合成法能夠有效減小云、大氣、太陽高度角對地表參數(shù)的影響,并能很好地反映植被狀況[22],其計算公式如下:

VI

i

= Max [VI

i

] (1)

式中:VI代表NDVI或NPP;表示VI在6~9月間的所對應(yīng)的數(shù)據(jù).

2 研究方法

構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法如下:首先,選取小尺度的潮間帶生態(tài)系統(tǒng)作為研究區(qū),明確評估尺度,以解決尺度轉(zhuǎn)換問題;之后,選取基于遙感技術(shù)的評估指標(biāo)并將其進(jìn)行歸一化處理,分別評估生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能;最終,將三者評估結(jié)果集成起來,建立生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法.基于該評估方法,計算研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合評估值(IEA值),分析6個時期生態(tài)系統(tǒng)綜合狀況,并借助Man-Kendall趨勢檢驗(yàn)方法,研究1990~2016年間的變化趨勢.具體方法如下:

2.1 生態(tài)系統(tǒng)格局綜合評估指數(shù)

景觀格局是由自然或人為形成的一系列大小、形狀各異,排列不同的景觀要素共同作用的結(jié)果,也是各種復(fù)雜的物理、生物和社會因子相互作用的結(jié)果[23-24].景觀格局指數(shù)是描述景觀格局特征的主要方法之一,研究表明幾個景觀指數(shù)的組合能夠描述景觀格局[25].因此,選取景觀格局指數(shù)用來評估生態(tài)系統(tǒng)格局.通過文獻(xiàn)分析[26]并結(jié)合景觀格局指數(shù)評估目的,最終選取景觀破碎度(C)、Shannon多樣性指數(shù)(SD)、Shannon均勻度指數(shù)()、聚集度指數(shù)(RC)等4個指標(biāo).

景觀破碎度指數(shù)(C),用來表述整個景觀或某一景觀類型在給定時間和綜合性上的破碎化程度,即在自然或人類干擾作用下,景觀由單一均質(zhì)和連續(xù)的整體趨向于復(fù)雜、異質(zhì)和不連續(xù)的斑塊鑲嵌過程,此值越大,表明景觀單元內(nèi)部穩(wěn)定性越低,對應(yīng)的景觀生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性就越低[27].景觀破碎度指數(shù)值域?yàn)閇0,1],為獲取正向結(jié)果,用1減去計算后的景觀破碎度值.

式中:n為景觀類型的斑塊數(shù);A為景觀類型的總面積.

Shannon多樣性指數(shù)(SD)是一種與信息理論相關(guān)的測量指數(shù),能夠反映景觀異質(zhì)性,特別對景觀中各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感[28].

式中:SD為Shannon多樣性指數(shù);P為第個生態(tài)系統(tǒng)類型出現(xiàn)的頻率.因SD30,無上限,故參考文獻(xiàn)將其進(jìn)行歸一化處理[27].

均勻度指數(shù)選取Shannon均勻度指數(shù)(),該指數(shù)描述景觀中不同景觀類型分配的均勻程度,其值越大,表明景觀各組成成分分配越均勻[29].均勻度指數(shù)值域?yàn)閇0,1].

式中:P個生態(tài)系統(tǒng)類型出現(xiàn)的頻率;為景觀類型的總數(shù).

聚集度(RC)描述景觀里不同生態(tài)系統(tǒng)的團(tuán)聚程度,反映景觀中不同斑塊類型的聚集程度和延展趨勢,也能反映景觀組分的空間配置特征[30].聚集度指數(shù)值域?yàn)閇0,1].

式中:RC為聚集度指數(shù);為斑塊類型總數(shù);P為隨機(jī)選擇的兩相鄰像元屬于景觀類型與的概率.

綜合4個景觀格局指數(shù),形成生態(tài)系統(tǒng)景觀格局評估指數(shù)(ECS),因每個指標(biāo)均能單獨(dú)反映生態(tài)系統(tǒng)格局的構(gòu)成特征,所以將每個指標(biāo)的權(quán)重均設(shè)定為0.25,因此,生態(tài)系統(tǒng)景觀格局評估結(jié)果取值為[0,1].生態(tài)系統(tǒng)格局綜合評估公式如下:

ECS=

Ci

′

0.25+SD

′

0.25+

E

′

0.25+RC

′

0.25 (6)

2.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估指數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是指在一定時間、空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的整體或部分組分的質(zhì)量,具體表現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力大小、受外界干擾后的演化,以及對人類生存和經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)發(fā)展所造成的影響[31].植被作為表征生態(tài)系統(tǒng)變化的綜合指示器,對評價陸地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、調(diào)節(jié)生態(tài)過程具有重要的理論和生態(tài)意義,因此,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估主要采用與植被因子相關(guān)的指數(shù)[32].在眾多植被指數(shù)當(dāng)中,NDVI是目前應(yīng)用最為成熟也最為廣泛的指數(shù),其與植被生產(chǎn)力、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)等指標(biāo)具有較高的相關(guān)性[33],能夠表征植被的生長狀況與質(zhì)量.因此,選取NDVI作為生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合評估的指標(biāo)(EQS).NDVI值域?yàn)閇-1,1],因生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量不為負(fù)數(shù),因此將小于-1的NDVI設(shè)定為0,因此EQS值域?yàn)閇0,1].

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估指數(shù)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成的及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[34].基于現(xiàn)有研究成果可知,生態(tài)系統(tǒng)具有多種多樣的服務(wù)功能,但歸根結(jié)底,這些服務(wù)功能主要以人類為核心,并關(guān)系到人類福祉,而不同類型、不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)提供的服務(wù)功能也不盡相同,且不同受益者所注重的服務(wù)功能也存在差別.因此,依據(jù)孫寶娣[35]等不同尺度下受益者的研究,結(jié)合雙臺子河口潮間帶生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能特征,選取物質(zhì)生產(chǎn)、消浪護(hù)岸、休閑旅游、固碳等4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能開展評估.這4種功能涵蓋了研究區(qū)在區(qū)域、國家、全球等層次受益者的需求.

物質(zhì)生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(MP)主要由植被通過光合作用提供,因凈初級生產(chǎn)力(NPP)反映了生產(chǎn)者的生產(chǎn)能力,故選取NPP作為該功能的評估指標(biāo).由于研究區(qū)植被NPP值基本大于1g/(m2·a),為有效體現(xiàn)不同年份NPP的差異,因此,基于林毅等[36]研究成果,將NPP進(jìn)行歸一化處理.

消浪護(hù)岸生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(WP)主要由潮間帶濕地植被提供,離海岸越近,發(fā)揮消浪護(hù)岸生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的效果就越強(qiáng).研究區(qū)內(nèi)翅堿蓬離河口最近,蘆葦其次,這兩種植被在消浪護(hù)岸功能中發(fā)揮重要作用,因此,根據(jù)其與河口的距離,設(shè)定翅堿蓬消浪護(hù)岸功能為1,蘆葦為0.5,其它地物設(shè)定為0.

休閑旅游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(LT)主要由紅色的翅堿蓬提供,而其它地物難以吸引游客到來,因此,設(shè)定翅堿蓬休閑旅游功能為1,其它地物設(shè)定為0.

固碳生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能(CS)是潮間帶濕地生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢所在,其系統(tǒng)內(nèi)各種地物類型均能提供固碳功能,結(jié)合索安寧[37]等固碳能力研究成果,對研究區(qū)8種地物類型固碳能力賦值并進(jìn)行歸一化處理.

通過比較4種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,考慮各功能對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度,并結(jié)合權(quán)重確定法的適用性,通過綜合考慮4種生態(tài)功能的重要性,設(shè)定物質(zhì)生產(chǎn)功能權(quán)重為0.3,消浪護(hù)岸功能為0.25,固碳功能為0.3,休閑旅游功能為0.15,因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合評估指數(shù)(EFS)計算公式為:

ECS=MP

′

0.3+WP

′

0.25+LT

′

0.3+CS

′

0.15 (7)

2.4 生態(tài)系統(tǒng)綜合評估

整合生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能等評估結(jié)果,將3個方面結(jié)果相加,獲得研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的綜合評估值(IEA值),值域?yàn)閇0,3].生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法如圖2所示:

為有效開展對比分析,按照IEA值大小將生態(tài)系統(tǒng)綜合評估結(jié)果分為5個級別,分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示:

圖2 生態(tài)系統(tǒng)綜合評估技術(shù)方法流程

表1 IEA值分級標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與討論

3.1 IEA值評估等級時空變化分析

采用構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估技術(shù)方法,計算1990~2016年間6個時期研究區(qū)IEA值,根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)綜合評估結(jié)果進(jìn)行成圖(圖3),并統(tǒng)計各評估等級所占研究區(qū)面積比例(表2).

結(jié)合統(tǒng)計結(jié)果,從評估等級空間分布角度來看,各時期的差等級(橘黃色)覆蓋了研究區(qū)大部分面積,所占研究區(qū)比例最大,主要分布于研究區(qū)的中部與南部地區(qū),比例最大時為2010年(80.1%),最小時為1990年(65.2%),中(淺綠色)與良(深綠色)等級面積相對較小,以條帶或塊狀分布于研究區(qū)東部與西部,破碎程度較大,而研究區(qū)未出現(xiàn)劣和優(yōu)等級;從評估等級時空變化角度來看,1990~2016年間,差等級始終占據(jù)絕對優(yōu)勢,奠定了研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)狀況的基調(diào),而中等級雖然變化面積不大,但形態(tài)上變化劇烈,分布呈現(xiàn)分散化,良等級在時間尺度上變化明顯,僅在1990年、1995年、2005年覆蓋研究區(qū)北部的小部分區(qū)域,其它時期卻并未出現(xiàn),表明其穩(wěn)定性較差.

總體來看,研究區(qū)IEA值基本處于差和中等級,這主要與IEA值計算方法相關(guān),因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與服務(wù)功能是IEA值的重要組成部分,同時,研究區(qū)潮間帶濕地主要以光灘和水體為主,這兩種土地利用類型生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)服務(wù)功能均較低,由此拉低了研究區(qū)IEA值.

基于各等級面積比例統(tǒng)計結(jié)果(表2)可知,在1990~2005年間,研究區(qū)IEA差等級基本呈現(xiàn)上升趨勢,而中等級呈現(xiàn)下降趨勢,說明這一時期研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化;在2005~2016年間,IEA差等級面積整體上比例降低,而中等級面積比例上升,說明這一時期研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)好轉(zhuǎn).造成這一變化的原因是2005年之前的海洋經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,大面積濱海濕地被農(nóng)田、油田及海洋填海造地侵占,致使蘆葦和翅堿蓬遭受嚴(yán)重萎縮,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降[18];之后,當(dāng)?shù)卣J(rèn)識到翅堿蓬嚴(yán)重退化,并意識到翅堿蓬的旅游作用,由此開始制定措施恢復(fù)翅堿蓬與雙臺子河口潮間帶濕地,在這些治理恢復(fù)措施的作用下,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)逐漸好轉(zhuǎn).

圖3 1990~2016年間IEA值等級空間分布

表2 IEA值等級面積比例(%)

3.2 IEA均值分析差異分析

表3 基于土地利用類型的IEA均值統(tǒng)計

圖4 基于土地利用類型的IEA均值變化曲線

以各土地利用類型為統(tǒng)計單元,統(tǒng)計6個時期每種土地利用類型內(nèi)所有像元的IEA均值(表3),并將結(jié)果成圖(圖4).可以看出,在IEA均值大小方面,1990~2016年間,蘆葦IEA均值最大,翅堿蓬其次,兩者IEA均值明顯大于其它土地利用類型,其它土地利用類型IEA均值較小,基本不超過0.8;在IEA均值年際波動方面,26a間蘆葦與翅堿蓬I(lǐng)EA均值波動幅度較大,表明其生態(tài)系統(tǒng)脆弱性較強(qiáng),而其它地物類型波動幅度相對較小,說明其系統(tǒng)狀況相對穩(wěn)定.

總結(jié)上述結(jié)果可知,各土地利用類型的IEA均值差異性大,植被(蘆葦與翅堿蓬)IEA均值明顯高于非植被,這與受益者的主觀感受相一致.究其原因,植被較高的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量與多樣化的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,促進(jìn)了較高的植被IEA均值.

3.3 IEA值變化趨勢分析

為分析研究區(qū)每個像元IEA值動態(tài)變化情況,采用Mann-Kendall趨勢分析法分析其變化趨勢.相對于參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)法,Mann-Kendall分析方法更適用于非正態(tài)分布、不完整或有少數(shù)異常值的資料[18].在驗(yàn)證Mann-Kendall趨勢分析顯著性時,設(shè)置置信度為95%,α=0.05為趨勢檢驗(yàn)的顯著水平.

統(tǒng)計所有像元變化趨勢發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)13.1%的像元生態(tài)系統(tǒng)綜合狀況呈現(xiàn)顯著的減弱趨勢,主要為蘆葦與翅堿蓬等植被,6.9%的像元呈現(xiàn)顯著的增加趨勢,主要為光灘與人工設(shè)施,而剩余像元變化趨勢不明顯,說明研究區(qū)在1990~2016年間,生態(tài)系統(tǒng)綜合狀況以減弱趨勢為主,可能與近年來加劇的人類干擾活動有關(guān).

3.4 生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法驗(yàn)證

在評估結(jié)果定性驗(yàn)證方面,檢索雙臺子河口濕地生態(tài)系統(tǒng)評估文獻(xiàn)[38-40]發(fā)現(xiàn),上述研究采用“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型或間接指標(biāo)評估方法,對研究區(qū)近20a或30a間的生態(tài)系統(tǒng)變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)蘆葦、翅堿蓬及濕地面積減少,生態(tài)景觀破碎化及生態(tài)系統(tǒng)退化等狀況,與本文監(jiān)測結(jié)果一致.

在評估結(jié)果定量分析方面,本文構(gòu)建的潮間帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法計算得出的IEA值,國內(nèi)外沒有相關(guān)的研究用以借鑒,因此,只能通過類似的研究結(jié)論輔以定量驗(yàn)證.馬睿[39]等利用遙感技術(shù)對雙臺子河口濕地景觀生態(tài)健康進(jìn)行研究,分析了該地區(qū)1987~2014年的濕地健康退化情況,其研究區(qū)范圍與本文研究區(qū)的自然濕地范圍基本一致,因此,用其研究成果進(jìn)行定量驗(yàn)證具有可行性.馬睿等的研究發(fā)現(xiàn),雙臺子河口在30a間有16.32%的自然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地,而本文通過趨勢分析得出研究區(qū)有13.1%的像元呈顯著減弱趨勢,這些像元主要為蘆葦和翅堿蓬,是自然濕地的重要組成部分.通過對比兩項研究結(jié)果,本文精度達(dá)到80.27%,說明本文構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)綜合評估方法結(jié)果精度較高,表明其具有可行性與應(yīng)用潛力.

4 結(jié)論

4.1 通過整合生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,構(gòu)建了基于遙感技術(shù)的小尺度潮間帶生態(tài)系統(tǒng)綜合評價方法,解決了生態(tài)系統(tǒng)評估中尺度轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)整合性弱的問題.

4.2 雙臺子河口潮間帶濕地生態(tài)系統(tǒng)中,植被對生態(tài)系統(tǒng)綜合評估狀況貢獻(xiàn)最大,非植被貢獻(xiàn)較小;1990~2016年間, 雙臺子河口潮間帶濕地生態(tài)系統(tǒng)綜合評估狀況波動較為明顯,IEA值呈減弱趨勢的像元數(shù)量明顯高于增加趨勢,表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生一定程度的退化.

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Construction of integrated ecosystem assessment method at the small-scale intertidal ecosystem based on remote sensing.

LI Ying1,2, CHEN Yun-hao1*, CHEN Hui2, XIAO Ru-lin2, TANG Hao-jun3

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China；2.Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection of P. R. China, Beijing 100094, China；3.School of Environment & Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)., 2018,38(12)：4661~4668

An integrated ecosystem assessment method based on remote sensing technology at the small-scale intertidal ecosystem was proposed by integrating the ecosystem structure, quality and service function. The method solved the problem of scale conversion and weak systematic in ecosystem assessment. Taking Shuangtaizi estuary of Liaoning Province as the study area, the proposed method was used to assess the status and changing trend from 1990 to 2016. The results showed that the study area was dominated by poor and intermediate grade, 13.1% of pixels showed the significant weakening trend while 6.9% showed the significant growth trend. As a result, the assessment can reflect the spatial and temporal differences of the various land cover types quantitatively, which met beneficiary's experience and consistent with the previous research results. Therefore, the above conclusion showed that the constructed integrated ecosystem assessment method had the feasibility and application potential.

remote sensing；small-scale；intertidal ecosystem；integrated assessment

X87

A

1000-6923(2018)12-4661-08

李 營(1985-),男,北京通州人,工程師,碩士,主要從事生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評估研究.發(fā)表論文20余篇.

2018-05-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃重大自然災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與防范重點(diǎn)專項(2017YFC1502406);國家自然科學(xué)基金資助項目(41501116;41401413; 51761135022)

* 責(zé)任作者, 教授, cyh@bnu.edu.cn