淮河干流岸邊帶生態健康遙感評估

殷守敬,吳傳慶,王 晨,馬萬棟*,何游云(1.環境保護部衛星環境應用中心,北京 100094；2.國家環境保護衛星遙感重點實驗室,北京 100094；.北京林業大學,北京 10008)

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淮河干流岸邊帶生態健康遙感評估

殷守敬1,2,吳傳慶1,2,王 晨1,2,馬萬棟1,2*,何游云3(1.環境保護部衛星環境應用中心,北京 100094；2.國家環境保護衛星遙感重點實驗室,北京 100094；3.北京林業大學,北京 100083)

摘要：結合高分辨率遙感影像在岸邊帶范圍提取、生態系統高精度分類、生態結構特征提取方面的優勢,將景觀結構指數納入岸邊帶生態健康評估指標體系,從生態功能、生態結構和生態脅迫三個方面對淮河干流岸邊帶生態健康狀況進行全面調查評估.評價結果顯示,淮河干流岸邊帶生態健康指數低于0.3,生態健康狀況總體處于較差水平,并具有明顯的空間走向特征,從上游到中游呈現出生態環境狀況逐漸變差、再略有改善的趨勢.通過對淮河干流岸邊帶生態環境問題的分析,認為人類開發強度大、植被覆蓋率低、自然岸線保有率低、人為干擾強度大是造成淮河干流岸邊帶生態健康狀況較差的主要原因.

關鍵詞：生態健康；岸邊帶；遙感；評估；淮河干流

* 責任作者, 高級工程師, mawd@163.com

河岸帶是河流生態系統與陸地生態系統的過渡區域,也是水陸生態系統之間物質和能量交換的緩沖帶,在污染物截留、水源涵養、河岸穩固、生物多樣性維持和景觀改善等方面具有重要作用[1].近年來,在人們對物質生活條件提高和社會經濟發展的訴求下,城市化、工業化、農業生產以及水利工程建設不斷推進,對河流及其周邊土地資源的開發強度、范圍不斷擴大,使得岸邊帶結構發生了重大改變,河岸帶生態系統健康受損、生態功能退化,對區域生態安全和社會經濟的可持續發展帶來重大隱患.

目前,國內外針對河岸帶生態環境問題已經開展了廣泛研究,主要集中在河岸帶結構及其變化、河岸帶寬度、河岸帶功能和河岸帶修復及其維護管理等方面[2],尤其是在岸邊帶結構對污染物去除效果的影響研究方面[3],取得了重要成果.但是,目前的研究尺度大多在微觀與中觀水平上,缺少從景觀角度及流域尺度上對河岸帶的定量研究,河岸帶景觀格局動態及其影響因素工作不夠深入[4],對岸邊帶生態健康研究目前還處于探索階段[5].王文杰等[6]提出的流域生態健康評價框架中將岸邊帶作為一個單獨對象進行評價,并應用于環境保護部《流域生態健康評估技術指南》[7]和相關研究[8],一般情況下,將岸邊帶作為一個指標對流域生態健康進行總體評價[9-10].遙感的大范圍、瞬時成像等特點,使其成為流域和岸邊帶生態健康評價的重要數據源,而高空間分辨率、高光譜分辨率遙感技術的不斷發展,使遙感手段在岸邊帶范圍提取、精細化分類、結構分析及其對河流健康狀況的影響研究等方面取得重要成果[11],也為河岸帶生態健康評估提供了新的思路.

淮河是我國七大河之一,20世紀80年代以來,淮河流域經濟的快速發展導致區域用水量、排污量劇增,河流水質污染形勢逐年加重,污染事件頻發.到2000年以后,隨著國家投入巨額資金開展環境綜合整治,淮河水污染形勢才得到一定緩解[12-13].岸邊帶作為截留污染物入河的重要手段,對于河流水質改善作用明顯,但目前還未開展相關研究和工作全面了解淮河干流全河段河岸帶的建設狀況.本文結合高分遙感數據的特點,將景觀結構特征指標納入現有的生態健康評價指標體系,并結合地面調查數據,通過影像解譯和指標分析,對淮河干流河岸帶的生態環境狀況進行全面的摸底調查與評估,為淮河流域水污染防治和區域經濟可持續發展提供參考.

1 研究區概況與數據準備

淮河發源于河南省南陽市,干流流經河南、安徽、江蘇三省,全長1000km,總落差200m,可分為上中下游三部分.洪河口以上部分為上游,長360km,地面落差178m;洪河口以下至洪澤湖出口中渡為中游,長490km;中渡以下至三江營為下游入江水道,長150km.整個淮河流域地跨河南、湖北、安徽、江蘇和山東五省,總面積約27萬km2,區域人口1.65億人,86%為農業人口.流域年均降水量約900mm,年均徑流量452億m3.研究顯示,淮河干流主要污染物為氨氮(NH3-N),干流水質在2000年后因淮河流域污染物入河總量的大幅度消減逐漸改善.

本研究采用的數據為成像時間在2013年5～9月之間的高分一號(GF-1)和資源三號(ZY-3)無云或少云(云覆蓋比例<1%)遙感影像,影像空間分辨率分別為8m/2m和6m/2m(多光譜/全色),輔助數據包括分辨率為30m的Aster GDEM高程數據、1:25萬比例尺國家基礎地理信息數據DLG河流數據.

由于淮河橫跨多個投影分帶,因此,首先選取橫跨中央經線條帶(WGS_1984_UTM_50N,中央經線117°E)中心線的全色影像,利用地面控制點進行幾何精校正,并以此為基準,對其他全色影像進行幾何精校正,然后對多光譜影像進行配準校正,在此基礎上利用DEM對影像進行正射校正.幾何校正誤差控制在0.5個像元以內.根據影像, 對DLG河流矢量線進行修正,然后以此為基準提取河岸帶緩沖區范圍,裁剪影像,通過影像融合獲得淮河干流岸邊帶2m分辨率的多光譜影像.最后依據地面采樣數據和構建的土地利用分類系統.分類系統包括林地、草地、農田、人工用地(居住地、建筑工礦用地和交通用地)、水體(河流和湖泊)、濕地、裸露地和其它用地等8種一級土地利用類型和在此基礎上細化的23個二級土地利用類型.基于易康8.7軟件,構建影像分類規則集,通過影像分割和面向對象方法,對遙感影像進行分類,并進行目視解譯和結果修正.最后,利用采樣數據進行精度驗證,總體分類精度高于95%.

表1 淮河干流9個分段情況Table 1 Information of the nine subsections of Huaihe River

河岸帶在狹義上是指水陸交界處至河水影響消失的地帶,廣義上是指江河或溪流的河道向外圍的擴展,包括可以被洪水泛濫淹沒的部分以及河水可以進入河岸植被冠層之下的陸地部分.研究人員針對不同的河岸帶功能目標給出了不同的河岸帶寬度推薦值[14],認為實現減少河岸侵蝕和污染消減功能需要河岸帶寬度達到5～65m,提供良好的生物棲息地需要達到10～500m.本研究予以折中,取200m作為河岸帶理想寬度.以糾正后的DLG矢量河岸線為界,向陸域做200m緩沖區作為河岸帶范圍.

根據流域重點斷面水質監測站點設置情況,將淮河干流分成9段,每個分段作為一個評估單元.

圖1 淮河干流及分段示意Fig.1 Location of the main stream and subsections of Huaihe River

2 淮河干流岸邊帶生態健康評估

2.1 指標體系

岸邊帶生態健康評價指標的選取,結合現有的研究成果和評價方法[6-9,15],在環境保護部生態司出臺的流域生態健康評估技術指南[7]的基礎上,從科學性、系統性和數據的可獲取性出發,充分發揮高分辨率衛星遙感數據在地表高精度分類和生態系統結構表達上的優勢,構建、優化二級指標體系,以全面反映河岸帶生態功能、生態結構特征和生態脅迫狀況.

岸邊帶在污染物截留、生物棲息地維持和水土保持等多方面具備重要生態功能,因此選擇污染阻滯功能指數和生物棲息地功能指數兩個二級指標.其中,污染阻滯功能指數=SUM(生態系統類型分值×類型面積比例)=自然植被或濕地面積比例×1.0+人工植被面積比例×0.6+農田面積比例×0.3+硬化人工表面面積比例×0.生物多樣性功能指數原指岸邊帶兩棲動物和鳥類的數量情況,該數據獲取較困難,在此特指生物棲息地維持功能指數,用灌木和林地面積比例表示.

在生態結構特征方面,除了考慮植被覆蓋比例和自然岸線比例兩個傳統指標作為二級指標外,引入表征景觀生態結構的景觀生態學參數––植被平均斑塊面積這一指標.斑塊面積越大,說明植被聚集度越高,生態功能效益越明顯.

生態脅迫狀況方面,引入景觀生態學指標景觀破碎度指數.景觀破碎度指自然分割及人為切割的破碎化程度,是度量人為活動對生態環境影響的重要指標,同時考慮數據的可獲取性,用景觀破碎度代替濕地退化指數作為二級指標,并保留人為干擾指數指標.人為干擾指數用建設用地和農用地面積的百分比表示;景觀破碎度是表征景觀格局的生態指標,表征景觀被分割的破碎成果,反映人類對景觀的干擾程度,計算公式為:

式中:Ci為景觀i的破碎度;Ni為景觀i的斑塊數;Ai為景觀i的總面積.

表2 河岸帶生態健康評估指標體系Table 2 Assessment index system of riparian ecological health

2.2 評估指標標準化處理

對植被覆蓋比例、自然岸線比例、污染阻滯功能指數、生物多樣性功能指數、人為干擾指數等以百分比度量的指標,其值域范圍期望值為[0,1],取值大小具有比較明確的意義,不做標準化處理.其中,人為干擾指數為越小越優型,即負相關變量,用1減去該變量,便于后續計算.

對植被平均斑塊面積和景觀破碎度等指標,其值域期望值未知,度量單位不一致,含義各不相同,難以對其實際數值進行比較分析.因此,需要對其進行量綱統一的標準化處理.

首先,采用極差標準化處理方法進行歸一化處理.

對正相關變量,植被平均斑塊面積,按照式(2)處理.

對負相關變量,景觀破碎度,按照式(3)處理.

式中:xi、xmax、xmin、zi分別為第i個指標的原值、最大值、最小值、歸一化值.

歸一化的變量,值域范圍為[0,1].由于未經歸一化處理的變量,其實際數值的值域區間往往小于[0,1],如植被比例的實際值域范圍為[0.0018, 0.2932],歸一化后的變量在進行評價時導致權重過大.因此,選擇相同指標類型中的其它變量,參考其值域范圍,進行二次標準化處理.對植被斑塊平均面積指標,以權重相同的自然岸線比例為參考,對景觀破碎度指標,以人為干擾指數為參考,按照式(4)進行標準化處理.

式中:yi、ymax、ymin分別為參考指標的原值、最大值和最小值Zi′為標準化值.

2.3 生態健康狀況評估

河岸帶生態健康狀況的綜合評價采取各評估指標加權求和計算的方法獲得[式(5)].由于評估的各個指標大多數值域范圍為[0,1],預處理過程中僅對植被平均斑塊面積和景觀破碎度2個指標進行了歸一化標準化處理,所以評估指標的取值基本上可以直接反映生態環境狀況情況.評價指數分值的值域范圍為[0,1],值越接近1,表示生態健康狀況越好.

生態環境狀況指數(EI)=0.3×生態功能指數+0.4×生態結構指數+0.3×生態脅迫指數 (5)

2.4 生態健康評估指標分級

生態健康評估中的3個一級指標生態功能指數、生態結構指數和生態脅迫指數,以及生態健康綜合指數的值域范圍均為[0,1],各指標得分值的大小反映了生態健康狀況好壞.對各個指標從低到高分為5個等級,很差、較差、一般、良好和優秀5個等級,見表3.

表3 生態健康評估各評價指標分級Table 3 Evaluation standard of ecological health index evaluation

3 結果與分析

3.1 淮河干流土地利用類型及岸線類型情況

根據遙感影像解譯結果,將河流和湖泊水體、濕地等類型排除,統計岸邊帶各土地利用類型面積比例,結果如表4所示.結果顯示,淮河干流整體林地、草地等植被覆蓋率較低,僅有8.2%,農田和人工用地面積比例非常高,分別達到73.2%和18.1%,人類開發強度總體較大.

在各個分段上,農田也是面積比例最高的主導性土地利用類型.其中,最高的白馬湖段農田比例高達85%,最低的關甘岸橋段也超過50%.居民地和建筑用地等人工用地是除農田外的比例最高的土地利用地類型,在最高的東淝河段比例超過30%,最低的關甘岸橋段比例為11.2%.林地面積關甘岸橋段最高,為36.6%,其他分段均低于10%,白馬湖段等多個分段低于5%.圖2為盱眙淮河段典型區域影像與土地利用類型圖.

根據遙感影像解譯結果,淮河干流總體自然岸線率非常低,僅為6.82%,反映其岸線污染截留等功能喪失嚴重.并且在各個分段上分布(表5)不均衡,最高的關甘岸橋段僅為21.44%,最低的淮濱、洪澤湖、大埠口和沫河等分段,自然岸線比例不到1%.

表4 淮河干流土地利用類型面積比例(%)Table 4 Area ratio of different land use along Huaihe river (%)

圖2 盱眙淮河段區域遙感影像及土地利用類型Fig.2 ZY-3Image and Land use map of Xuyi section of Huaihe river

表5 淮河干流各分段自然岸線率Table 5 Natural shoreline ratio of different sections along Huaihe river

表6 淮河干流岸邊帶生態健康狀況評估標準化指標Table 6 Standard index of riparian ecological health evaluation of different sections along Huaihe River

3.2 各分段生態環境狀況總體情況

表2中涉及的各項評價指標中,植被斑塊面積和景觀破碎度指標利用景觀分析軟件Fragstat 4.0計算獲得,其它指標均基于土地利用分類結果計算獲得.各項指標標準化結果如表6所示.根據各指標權重,計算生態健康評估指標,結果見表7.

表7 淮河干流岸邊帶生態健康評估指標得分情況Table 7 Scores of riparian ecosystem health assessment index of different sections along Huaihe River

從生態功能評估結果來看,淮河干流岸邊帶生態功能指數總體平均值僅為0.24,且分段最大值不超過0.4,說明淮河干流岸邊帶生態功能總體處于較差水平.其中,關甘岸橋段和大埠口段情況相對較好,得分超過0.3;沫河段、東淝河段和洪澤湖段最差,得分在0.15左右;其它分段差別不大,得分值在0.2～0.26之間.在空間分布上沿河流走向有比較明顯的變化趨勢,從上游源頭關甘岸橋段順流而下至中游洪澤湖段,除盱眙淮河段略好外,生態功能總體上呈現出由好變差的趨勢.

從生態結構評估結果來看,淮河干流岸邊帶生態結構總體不理想,生態結構指數均值不到0.1,各分段得分值多數在0.15以下,且差別較大,從高到低呈階梯狀均勻分布.其中,關甘岸橋段情況相對較好,大埠口段、盱眙淮河段、王家壩段、淮濱段、和東淝河段依次變差,至白馬湖段、洪澤湖段和沫河段情況最差,得分值在0.06以下.在空間分布趨勢上,與生態功能類似,從上游關甘岸橋段到中游沫河段逐漸變差,中下游盱眙淮河段、洪澤湖段和白馬湖段略有改善.

從生態脅迫來看,淮河干流總體生態脅迫指數平均值約為0.2,多數分段處于較差狀態,但總體差別不明顯.其中,沫河段所受的生態壓力最大,生態脅迫指數得分小于0.05,與其它分段差距明顯;洪澤湖和白馬湖段生態脅迫也很大,得分值小于0.2;相對最好的大埠口段生態脅迫指數在0.26左右,其它分段略差.在空間分布上趨勢與生態功能和生態結構相似,但是趨勢并不明顯.

從生態健康綜合評估情況來看,淮河干流岸邊帶生態健康綜合指數均值約為0.17,且最大值不超過0.3,僅有關甘岸橋段和大埠口段得分在0.2以上,最差的沫河段得分低于0.1,表明淮河干流岸邊帶生態環境狀況總體很差.在空間分布上,也呈現出從上游向中游逐漸變差、至下游又略有改善的趨勢.上游關甘岸橋段和大埠口段情況最好,中下游洪澤湖段和沫河段最差.

3.3 各分段生態健康狀況及問題分析

關甘岸橋段林地覆蓋率為29.32%,居各分段之首,生態功能指數最高,并且自然岸線保有率最高,生態結構相對最為合理,盡管整體景觀破碎度較大,受到的生態脅迫較大,其生態健康狀況為較差等級,但在所有各分段中總體最優.

大埠口段由于植被覆蓋率較高,達到22.06%,且植被斑塊較完整,生態功能和生態結構指數得分相對較高,其生態脅迫雖然排名較低,但是與最好的分段白馬湖段絕對數值差別不大,其生態健康狀況較差,與其它分段相比總體相對較好.

淮濱段植被覆蓋率為14.42%,但植被斑塊較完整,分布較為集中,生態結構較合理,除了自然岸線保有率很低之外,其它指標都比較均衡,生態脅迫和生態功能指數相對較高,生態健康綜合指數為0.1795.

盱眙淮河段總體景觀完整性較好,生態結構略差于關甘岸橋段和大埠口段,面臨的生態脅迫較小;但是該段自然岸線率最低,僅1.29%,其總體生態環境狀況略差于淮濱段.

王家壩段與淮濱段相比,自然岸線保有率較高,但是植被斑塊完整性相對較低,其它指標相對均衡,生態健康狀況略差于淮濱段和盱眙淮河段.

白馬湖段雖然因濕地較多使得污染阻滯指數較高,但因周邊植被覆蓋率極低,僅0.18%,并且植被斑塊非常破碎,生態結構很不合理,岸帶生態功能較差,總體生態健康狀況很差.

洪澤湖段同樣植被覆蓋率很低,僅3.19%,在所有分段中生態功能最差,自然岸線率很低,人類開發力度最大,盡管其植被和總體景觀完整性較好,其生態結構和生態脅迫情況都相對較差,整體生態健康狀況很差.

東淝河段植被覆蓋率僅為5.14%,自然岸線率也僅有1.3%,人類開發利用度較大,生態功能很差、生態結構不合理,面臨生態脅迫較大,總體生態健康況很差,僅優于沫河段.

沫河段植被覆蓋率只有5.15%,自然岸線率不到1%,人類開發力度很大,并且景觀比較破碎,受到的生態脅迫最高,生態結構最不合理,生態功能很差,生態健康綜合指數0.0789,總體排名最低.

3.4 討論

總體來說,淮河干流各分段存在的環境問題各有側重或程度不一,植被覆蓋率低、自然岸線保有率低、人類開發強度很大、人為干擾強度大是造成淮河干流岸邊帶生態健康狀況較差的主要原因.

淮河從上游至下游,海拔落差逐漸減小,地勢逐漸平緩,沿河區域農業耕作和居民地建設等人工開發活動逐漸增多,生態環境保護意識淡薄,植被保有率降低,是造成淮河干流不同分段上生態健康狀況存在差別的內在原因.

4 結論

高空間分辨率遙感數據源的出現,為河岸線的高精度提取、岸邊帶生態系統精細化分類和景觀格局分析提供了便利,也為河岸帶生態健康評估提供了新的思路.結合已有的生態環境狀況評估體系,針對河岸帶的生態系統特點,從生態功能、生態結構和生態脅迫三個方面出發,利用高分遙感影像提供的精細化解譯成果,將植被斑塊面積、景觀破碎度等生態景觀結構指數納入岸邊帶生態環境狀況評估指標體系,對2013年淮河干流岸邊帶生態環境狀況進行評估.評估結果顯示,淮河干流岸邊帶生態健康狀況總體較差,健康指數在0.3以下;并且具有明顯的空間走向特征,從上游到中游呈現出生態環境狀況逐漸變差、再略有改善的趨勢.

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YIN Shou-Jing1,2, WU Chuan-Qing1,2, WANG Chen1,2, MA Wan-Dong1,2*, HE You-Yun3(1.Satellite Environment Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100094, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Satellite Remote Sensing, Beijing 100094, China；3.Beijing Forestry University, Beijing 100083, China) China Environmental Science, 2016,36(1)：299～306

Abstract：This study introduces landscape structure indices into the ecological assessment system of riparian health, taking advantage of remote sensing capabilities in the derivation of riparian zone, feature extraction of ecological structure, and high-precision classification of ecological system.An overall ecological investigation and assessment of riparian health along Huaihe River was carried out from the aspects of ecological function, ecosystem structure and ecological stress.The results showed that the health of riparian ecology along Huaihe River was generally poor, with an ecological health index less than 0.3.A significant spatial characteristic was shown that the ecological environment gradually became worse from upstream to midstream and then slightly improved.Intensive human development, low vegetation coverage, low natural shoreline rate and high human disturbance were identified as the main cause of the bad ecological condition of the riparian zone along Huaihe River, according to the analysis of ecological and environmental problems.

Key words：ecological health；riparian；remote sensing；assessment；Huaihe River

中圖分類號：X171

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0299-08

收稿日期：2015-06-05

基金項目：水體污染控制與治理重大專項(2014ZX07508-001);國家自然科學基金項目(41401413)

作者簡介：殷守敬(1982-),男,山東鄆城人,高級工程師,博士,主要從事流域水生態環境遙感研究.發表論文20余篇.