基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價

劉曉曼 ,王 橋 ,孫中平 ,候 鵬 ,莊大方 ,王昌佐 (1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101；.環境保護部衛星環境應用中心,北京 10009)

基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價

劉曉曼1,2,王 橋2,孫中平2,候 鵬2,莊大方1*,王昌佐2(1.中國科學院地理科學與資源研究所,北京100101；2.環境保護部衛星環境應用中心,北京 100029)

以生態系統健康及壓力－狀態響應模型作為研究方法,設計了一套基于環境一號衛星CCD數據的自然保護區生態系統健康評價評價方法、指標體系和技術流程.同時選擇向海濕地自然保護區為示范區,以環境一號衛星 CCD影像為數據源, 對指標, 對其生態系統健康現狀進行了評價.結果表明,向海濕地自然保護區生態系統相對不健康、中等健康、較健康和相對健康的區域面積分別占整個自然保護區總面積的 46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,整個自然保護區生態系統健康水平一般,人類干擾嚴重,組織結構不太合理.向海濕地自然保護區生態系統健康水平一般的主要原因是人類活動日益增強和年降水量明顯減少.

環境一號衛星影像；自然保護區；生態系統健康；評價

自然保護區能為人類提供生態系統的天然“本底”,是各類自然生態系統和野生生物物種的天然貯存庫[1],對維護國家生態環境安全和區域可持續發展具有重要意義.但當生態系統受各種自然或人為因素干擾,超過本身的適應能力時,必然會在某些方面出現不可逆轉的損傷或者退化、生產力下降、生物多樣性減少、對環境的調節能力下降等,具有脆弱性[2].近年來,隨著經濟利益的驅使,自然保護區經濟開發和農墾等人類活動日漸明顯,甚至有些自然保護區被滿負荷、超負荷的開發利用,出現生態系統不斷退化的嚴峻局面,也導致自然保護區生態系統功能嚴重受損,生態系統健康水平下降,直接威脅到保護區的可持續發展.生態系統健康評價是將功能完好與病態的生態系統區分開并對系統進行分析,從而診斷產生病態的原因,制定預防及恢復生態系統的方法[3].國內外已經有很多學者,從各個研究領域,對生態系統健康評價進行了研究[4－15].但將生態系統健康評價理論和方法應用于自然保護區的研究不多,總體上看,自然保護區生態系統健康研究仍處在初步階段,還沒有形成一套完整和系統的理論體系和可行的評價方法.

環境一號衛星是我國繼氣象、海洋、資源衛星系列之后發射的又一新型的民用衛星系統,它具有中高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、寬觀測帶寬性能,可對我國環境變化實施大范圍、全天候、全天時的動態監測,初步滿足我國大范圍、多目標、多專題的環境遙感業務化運行的實際需要.本研究針對2008年9月發射的環境一號衛星數據,以生態系統健康評價理論為依據,探討了一套基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價方法、指標體系和技術流程,并選擇向海濕地國家級自然保護區作為示范區進行了研究,以期為自然保護區的規劃、管理和保護提供決策依據.

1 自然保護區生態系統健康評價理論

選擇OECD(聯合國經濟合作開發署)建立的壓力—狀態—響應框架模型[16－17]作為國家級自然保護區生態健康評價的基礎.這一框架模型具有非常清晰的因果關系,即人類活動對環境施加了一定的壓力;因為這個原因,環境狀態發生了一定的變化;而人類社會應當對環境的變化作出響應,以恢復環境質量或防止環境退化.而這3個環節正是決策和制定對策措施的全過程.根據該模型,同時結合國家級自然保護區生態系統健康評估的需要, 設計了一個簡單的壓力－狀態－響應模型(圖1):錯誤！

圖1 壓力-狀態-反映概念框架模型Fig.1 Modle of P-S-R

壓力指標:主要描述人類干擾對自然保護區帶來的影響和脅迫,其中自然干擾無規則、不穩定、難以度量,人類干擾主要指以人類活動為主的生態動力源[18].

狀態指標:反映自然保護區的結構和功能,具有活力、穩定和自調節的能力.評價生態系統是否健康可以從活力、組織結構和恢復力等3個主要特征來定義[19].活力表示自然保護區生態系統功能,可根據新陳代謝或初級生產力等測量;生態系統的組織是指系統的物種組成結構及其物種間的相互關系,反映生態系統的結構和功能;恢復力也稱抵抗能力,根據脅迫出現時維持系統結構和功能的能力評價,當系統變化超過其恢復力時,系統立即“跳躍”到另一個狀態,很多學者用彈性度來反映該指標[20].自然保護區生態狀態指數表達式:

式中:NRSI為自然保護區生態系統狀態指數;V為自然保護區生態活力指數;O為自然保護區生態組織指數,用0～1間的數值來表示; R為自然保護區生態彈性指數,用0～1間的數值表示.

響應指標:自然保護區受到人類干擾時,會出現一系列的變化,包括人類社會經濟活動的變化.反映可以通過以下指標來體現:一是與人類經濟生產有關的指標,包括人均國內生產總值、財政收入、產業結構等;二是與人類健康有關的指標,包括各種污染物的排放等等[20].

2 基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價方法

2.1 環境一號衛星遙感影像特點

環境一號衛星是由2顆光學衛星和1顆雷達衛星組成的星座,2008年9月6日發射,已經發射在軌運行的2顆光學星擁有寬覆蓋CCD相機、超光譜成像儀和紅外相機等傳感器.環境一號A、B星各自搭載了兩個寬覆蓋CCD相機(CCD1和CCD2),空間分辨率是 30m,幅寬分別是 360km,2個單景的CCD影像拼接后,可覆蓋地面720km的空間范圍,具有很好的寬覆蓋特征,單景CCD影像覆蓋區域接近于4幅TM影像的范圍.CCD影像的重訪周期設計為4d,環境一號A、B星協同,大約 2d即可全面覆蓋地面,時間分辨率高,在獲取CCD影像有效數據能力方面具有明顯優勢.主要地物覆蓋類型在CCD影像上的光譜特征從色調、紋理、幾何特征等方面看,與 TM影像接近,能夠滿足自然保護區主要地物類型的識別.

2.2 基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價指標體系

2.2.1 指標體系的建立 根據自然保護區生態系統健康評價理論,構建3個層次的自然保護區生態健康評價指標體系.第1層次是項目層,即壓力、狀態、響應3個項目;第2層次是評價因素層,即每一個評價準則具體通過哪些因素決定;第3層次是指標層,即每個評價因素有哪些具體指標來表達, 同時給出每個指標層的數據來源,構建了 3個層次的濕地生態系統健康評價指標體系,同時給出每個指標層的數據來源,見表1.

表1 自然保護區生態健康評價指標體系Table 1 Assessment indicators of ecosystem health of nature reverse

2.2.2 指標提取方法 土地利用程度:土地利用程度反映自然保護區土地利用的廣度和深度,其定量表達式為[21]:

式中:L為自然保護區土地利用程度綜合指數; Ai為自然保護區第i級土地利用程度分級指數; Ci為自然保護區內第i級土地利用程度面積百分比; n為自然保護區土地利用程度分級數.

人類干擾強度:人類干擾指數強度是將自然保護區土地覆蓋中的耕地、建設用地和道路提取出來,計算這些人工景觀在區域內所占的面積比,其計算公式為:

式中:HIS是人類干擾強度; Sc、Sa、Sr分別是建設用地、農業用地、道路用地的面積; S是研究區總面積.

歸一化植被指數:該指數能反映自然保護區植被冠層的背景影響,且與植被覆蓋度有關,可以用來監測植被生長活動的季節與年際變化.計算公式為[22]:

式中:ρNIR是環境一號衛星近紅外波段反射率,ρRED為環境一號衛星紅光波段反射率.

景觀多樣性指數:景觀多樣性指數是采用生態系統(或斑塊)類型及其在景觀中所占面積比例,其表達式為[23]:

式中:SHDI為多樣性指數, Pk是景觀類型k所占面積的比例;n為景觀類型數目.在一個景觀系統中,SHDI值越大,景觀類型越豐富.

景觀破碎度指數:景觀破碎度指數用于描述整個景觀或某一景觀類型在給定時間和給定性質上的破碎化程度,計算公式如下[23]:

式中:FNi為景觀破碎度指數,Ni為第 i類斑塊個數,Ai第i類斑塊的總面積.

生態彈性度指數:健康的生態系統具有彈性,當生態系統受壓力脅迫后,有能力保持結構和功能的穩定.在評價過程中,根據不同地物覆蓋對生態彈性度的貢獻和作用不同,把不同土地覆蓋進行生態彈性度分級用來反映生態系統的恢復力.生態彈性度指數(EEI)計算公式如下[20]:

式中:EEI為生態彈性度指數;Si為i類土地利用類型的面積;Fi為i類土地利用的彈性度分值;S為研究區總面積.

2.3 基于環境一號衛星的國家級自然保護區生態系統健康評價方法及流程

確定評價單元:以網格作為評價單元,不同面積大小的自然保護區根據需要采用不同大小的網格.每個指標分別以單個格網為單元進行提取.

確定指標權重:根據文獻[5],同時結合自然保護區的實際情況,根據各評價指標對自然保護區生態健康的貢獻大小,對項目層和指標層的評價指標進行權重分配.

指標標準化:對指標因子值按該指標的最高值或最低值處理[24],如果某評價指標的量化值與保護區生態健康狀況呈正相關(如歸一化植被指數越大,生態健康水平越高),則該評價指標的賦值采用式(8);如果某評價指標的量化值與保護區生態健康狀況呈負相關(如人類干擾強度越大,生態健康水平越低),則該評價指標的賦值采用式(9).

或

式中:Ci為評價指標i因子的標準化值;Xmin、Xmax、Xi分別為評價指標最小值、最大值、該指標i因子的實際值.

確定自然保護區生態健康模型:用加權求和的方法來實現自然保護區生態健康評價,將評價單元各因子量化值與權重相乘并求和,獲得該評價單元的綜合評價指數值.即:

式中:RAEHI為生態健康指數;Wi為 i因子權重值;Ci為i因子無量綱量化值.

評價分級標準:依據計算出的自然保護區生態健康評價指數確定出健康級別,具體分級區間見表2[20].

表2 自然保護區生態系統健康指標分級Table 2 Level standard of ecosystem health index of nature reserve

建立了基于環境一號衛星的自然保護區生態系統健康評價流程,見圖2.

3 案例研究

3.1 研究區簡介

向海濕地國家級自然保護區位于吉林省西部 通 榆 縣 境 內 (44°51′N～45°17′N,122°04′E～22°42′E),面積 105400hm2,以保護世界珍稀瀕危水禽丹頂鶴等及濕地沼澤生態系統為主要任務,1992年被列入《國際重要濕地名錄》,同年又被世界野生生物基金會評為“具有國際意義的A級自然保護區”[25].本文以向海濕地自然保護區為研究區,以2008年9月23日的環境一號衛星HJ1A-CCD2-453-59影像為數據源,利用國家級自然保護區生態系統健康評價技術流程,對指標進行提取,對其生態系統健康現狀進行了評價.

圖2 基于環境一號衛星的國家級自然保護區生態系統健康評價技術流程Fig.2 Map of process of assessment of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 satellites斜框表示數據和成果,豎框表示數據處理和計算過程

3.2 評價單元

采用 500m的網格為評價單元,整個向海濕地國家級自然保護區共劃分為4350個評價單元.

3.3 數據來源和處理

對環境衛星CCD數據進行解壓縮、波段合成、幾何精糾正等圖像預處理.采用人工交互解譯的方法,對向海濕地自然保護區進行土地利用分類,對分類結果進行野外核查、室內糾正,精度達到 85%以上,分類精度符合使用要求.根據該保護區實際情況,土地利用類型分為如下幾類:耕地、林地、草地、湖泊、水庫、沼澤、鹽堿地、農村居民點.由于整個自然保護區全部位于吉林省通榆縣內,人均國內生產總值、COD、SO2濃度均相同,故在本評價中不予考慮.以網格為單位,對各項指標進行標準化和分級賦值處理.權重分配主要依據相關文獻[5],同時結合自然保護區的實際情況確定.由于響應指標相同,本研究不考慮,壓力和狀態指標權重分別為:0.3、0.7.其中壓力屬下2個指標權重為:土地利用程度(0.5)、人類干擾強度(0.5);狀態屬下 3個指標權重為:活力(0.2)、組織(0.5)、彈性(0.3);組織屬下2個指標權重為:景觀多樣性指數(0.4)、景觀破碎度指數(0.6).參考相關文獻[20],同時根據向海濕地自然保護區的實際情況,對其彈性度分值給予賦值,如表3所示.

圖3 向海濕地保護區人類干擾強度、土地利用程度、植被指數、景觀多樣性、景觀破碎度、強度性及生態系統健康評價Fig.3 Map of human interference strength, land utilization degree, NDVI, landscape diversity index, landscape fragmentation index, flexibility index and ecosystem health status

表3 向海濕地彈性指數表Table 3 Index of ecological flexibility index of wetland

3.4 向海濕地國家級自然保護區生態系統健康評價結果

由圖3可見,向海濕地國家級自然保護區生態系統相對不健康的區域面積為 479.70km2,中等健康的區域面積為 185.89km2,較健康的區域面積為 218.55km2,相對健康的區域面積為147.59km2,分別占整個自然保護區總面積的46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,整個自然保護區生態系統健康一般,人類活動明顯,組織結構不太合理,濕地生態系統已經開始退化.該保護區人類干擾強度和土地利用程度較高,人類干擾強度高的區域占整個保護區總面積的31.93%,土地利用程度高的區域占整個保護區總面積的42.67%.活力指數不高,NDVI較低的區域面積占整個自然保護區面積的26.15%,NDVI中等的區域占整個自然保護區總面積的41.26%.多樣性指數、破碎度指數和生態彈性度指數均較低,這主要是由于該保護區耕地面積不斷擴大,在空間上日益連片,不斷侵占濕地造成.

3.5 向海濕地國家級自然保護區生態系統健康水平下降原因

通過應用環境衛星CCD數據對向海濕地國家級自然保護區生態系統健康水平進行分析,結果表明,該自然保護區生態系統健康水平一般,這是人類活動和自然等眾多因素共同作用的結果.

人類活動日益增強,隨著人口數量的持續增加,以農牧業為主要產業的通榆縣(保護區位于該縣),農耕強度和放牧強度不斷增加,一方面不斷侵占濕地,導致濕地面積下降,另一方面,導致一些湖邊的草灘、沼澤地出現過度開發現象,許多濕地發生鹽沼化.

年降雨量明顯減少,有學者研究表明[25],向海地區的年降雨量呈現出減少趨勢,且降雨量的多少與濕地總面積存在著同步關系.由于降雨量的減少,而與此同時人口數量持續增加,導致用水量越來越大,濕地自身的環境越來越惡化,該保護區鹽堿化現象嚴重.

4 結論

4.1 以生態系統健康理論為基礎,以壓力－狀態－響應模型為主線,建立了自然保護區生態系統健康評價的方法.設計了一套基于環境一號衛星CCD數據的自然保護區生態系統健康評價評價方法、指標體系和技術流程.

4.2 選擇向海濕地自然保護區為示范,以環境衛星CCD為數據源,對向海濕地自然保護區生態系統健康現狀進行了評價,結果表明,相對不健康的區域面積為 479.70km2,中等健康的區域面積為 185.89km2,較健康的區域面積為 218.55km2,相對健康的區域面積為 147.59km2,分別占整個自然保護區總面積的46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,該保護區生態系統健康一般.

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Assessment of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 remote sensing imagery.

LIU Xiao-man1,2, WANG Qiao2, SUN Zhong-ping2, HOU Peng2, ZHUANG Da-fang1*, WANG Chang-zuo2(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；2.Environment Satellite Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, China ). China Environmental Science, 2011,31(5)：863～870

According to the theories and approaches of the ecosystem health and the press-state-response model, the indicators, assessment method and technological process of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 CCD remote sensing imagery were built in this study. Meanwhile, by using HJ-1 CCD remote sensing imagery, according to the assessment cell of grid, the study assessed the present situation of ecosystem health and explores the spatial distributing rules of Xianghai wetland nature reserve. The following results were obtained: In the structure of wetland ecosystem health of Xianghai wetland nature reserve, not-healthy area 46.49%, medium-healthy area18.02%, less-healthy area 21.18%, healthy area 14.31%. The wetland ecosystem heath was ordinary. The human interference strength was very strong. The organization and structure was irrational. The main reasons were attributed to the increasing human activity and the decrease of precipitation per-year.

HJ-1 remote sensing imagery；nature reserve；ecosystem health；assessment

X820

A

1000-6923(2011)05-0863-08

2010-09-06

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2006BAC08B02, 2008BAC34B06)

* 責任作者, 研究員, zhuangdf@igsnrr.ac.cn

劉曉曼(1979-),女,湖北宜昌人,中國科學院地理科學與資源研究所博士研究生,主要從事自然保護區監測與評價以及生態遙感應用方面的研究.發表論文近10篇.