黃河三角洲灘涂貝類棲息地的時空動態(tài)遙感監(jiān)測*

牛明香王 俊① 王安東陳瑞盛張家旭趙亞杰

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實驗室 山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實驗室 山東 青島 266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實驗室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室 山東 青島 266071；3.山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)管理委員會 山東 東營 257091;4.中國海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院 山東 青島 266003)

灘涂是潮間帶以內(nèi)的區(qū)域，其生物多樣性豐富，生態(tài)服務(wù)價值較高，也是高度脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，易受氣候變化和人類活動的影響。灘涂為魚類提供了索餌、育幼和躲避捕食者的庇護(hù)所(Crinall et al, 2004; Platell et al,2009)，是貝類生長繁衍的天然場所(申保忠,2006; Harris et al, 2018)。同時，灘涂向外海輸出營養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)物和活的生物體，提高了沿岸生產(chǎn)力(Odum,2002; Kneib, 2003; Creighton et al, 2019)。

黃河三角洲是我國暖溫帶最廣闊、最完整和增長速度最快的河口新生濕地，沿岸灘涂屬淤積型泥砂質(zhì)，其地勢平坦、水質(zhì)肥沃、生物餌料豐富，是山東省主要的貝類生產(chǎn)區(qū)(劉強(qiáng)等, 2018)，同時，分布螺、蟹等底棲動物。目前，黃河三角洲灘涂養(yǎng)殖、構(gòu)筑物修建等活動及黃河改道、入海水沙減少、海水侵蝕等因素，使灘涂的自然狀況受到擾動，貝類棲息環(huán)境不斷變化。掌握灘涂貝類棲息地的動態(tài)變化，不僅有助于了解黃河三角洲貝類資源變動情況，也對該區(qū)域魚類資源的養(yǎng)護(hù)具有重要意義。

目前，對黃河三角洲灘涂變動的研究多集中在濕地景觀格局、土地利用、覆被變化等方面(肖艷芳等,2015;吳晶晶等, 2018;于小娟等, 2019)，該類研究將灘涂作為眾多土地利用類型之一進(jìn)行動態(tài)變化分析，分類標(biāo)準(zhǔn)基本為光灘。但灘涂貝類棲息地不僅包括光灘，還包括部分鹽生植被區(qū)域。灘涂泥濘，可達(dá)性差，難以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測量，而遙感技術(shù)成像受地面限制小且實時性強(qiáng)，易于監(jiān)測貝類棲息地的變化。遙感技術(shù)在海洋魚類棲息地研究中已得到應(yīng)用(丁琪等,2015;陸堯等, 2019)。本研究以遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，基于GIS (geographic information system)技術(shù)平臺，對黃河三角洲灘涂貝類棲息地的時空變化格局進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析變化原因，以期為貝類棲息地保護(hù)和魚類資源養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黃河三角洲位于黃河入海口，主要在山東省濱州市和東營市境內(nèi)，為國家級自然保護(hù)區(qū)。保護(hù)區(qū)由南、北兩部分組成，分別為現(xiàn)行黃河入海口兩側(cè)部分和1976年以前刁口河流路黃河入海口部分。本研究范圍為東營市的行政區(qū)劃范圍，北臨渤海灣，東靠萊州灣(圖 1)。

圖1 研究區(qū)域位置示意圖Fig.1Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

以Landsat TM/ETM+/OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源，篩選了1986—2017年期間潮位最低、無云或少云的影像6景，且保證6個時期的潮位基本相同，均位于平均潮位以下，數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m (表1)。所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行了大氣校正，利用ENVI軟件進(jìn)行了幾何精校正、增強(qiáng)處理以及研究區(qū)域提取等預(yù)處理。

表1 選用的遙感影像數(shù)據(jù)Tab.1Remote sensing data used for the study

1.3 研究方法

研究區(qū)海岸包括淤泥質(zhì)海岸和人工構(gòu)筑物海岸。未開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸生長著數(shù)量繁多的耐鹽植被，且近陸側(cè)植被生長茂密，近海側(cè)植被生長稀疏，形成明顯的耐鹽植被生長過渡帶。由于潮汐的沖刷作用，潮灘物質(zhì)成分差異及暴露水上時間長短不同而導(dǎo)致含水量不同，光譜特征差異顯著，在Landsat影像上形成清晰的邊界線，可用于平均高潮線的提取(劉雪等,2013;賈明明等, 2013;仇傳銀等, 2019)。已開發(fā)的淤泥質(zhì)海岸，養(yǎng)殖池塘、圍墾大堤等人工構(gòu)筑物可作為高潮線指標(biāo)。本研究區(qū)域較大，不易進(jìn)行精確的潮位校正，以瞬時水邊線作為下邊界進(jìn)行提取。

黃河三角洲潮間帶的高、中、低潮區(qū)是大型底棲動物的分布區(qū)域(董貫倉等, 2012;李玄等, 2020)，貝類在潮間帶各潮區(qū)均有分布，數(shù)量較大(劉強(qiáng)等,2018)，米草入侵改變了底棲無脊椎動物的群落結(jié)構(gòu)(申保忠,2006)。根據(jù)貝類的棲息環(huán)境，同時，考慮集中成片分布的米草區(qū)域無法利用。因此，本研究將潮間帶內(nèi)的光灘和稀疏鹽生植被定義為貝類棲息地。以圍墾大堤、養(yǎng)殖池塘、平均高潮線結(jié)合植被線作為上邊界(近陸地邊界)，以每年最低潮位影像的瞬時水邊線作為下邊界(近海邊界)進(jìn)行貝類棲息地的提取。盡管不同年份的影像存在潮位差異，但能夠反映長期的演變規(guī)律，且該方法在類似研究中已成功應(yīng)用(Kuenzeret al, 2015; Behlinget al, 2018)。

針對研究區(qū)的特點(diǎn)，對多種指數(shù)(王志輝等,2007)進(jìn)行比較，改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)[MNDWI=(GREENSWIR)/(GREEN+SWIR)]和歸一化植被指數(shù)[NDVI=(NIR-Red)/(NIR+Red)]分別適用于OLI和 TM/ETM+數(shù)據(jù)的灘涂信息提取。因此，本研究基于MNDWI和NDVI，利用閾值法提取瞬時水邊線、植被線和人工構(gòu)筑物邊界線；并根據(jù)研究范圍內(nèi)不同區(qū)域的水體環(huán)境，選擇合適的閾值以提高提取精度。最后，對獲取的邊界參照假彩色合成影像，進(jìn)行目視解譯加以修正。在ArcGIS中對不同年份的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加計算，分析1986—2017年貝類棲息地的時空變化。

式(1)中，b3為 OLI數(shù)據(jù)第3波段綠波段，b6為OLI數(shù)據(jù)第6波段短紅外波段。式(2)中，b4為TM/ETM+數(shù)據(jù)第4波段近紅外波段，b3為TM/ETM+數(shù)據(jù)第3波段紅光波段。

2 結(jié)果

2.1 貝類棲息地總體變化情況

結(jié)果顯示，1986年以來，研究區(qū)貝類棲息地面積呈連續(xù)下降趨勢(表2)。1986—2017年貝類棲息地面積減少了791.79 km2，減少約66.65%，降低速率約為25.54 km2/a。其中，1986—1993年呈顯著下降趨勢，平均下降速率約為26.29km2/a；1993—2001年變化劇烈，降低速率上升為34.25km2/a；2001—2008年，貝類棲息地面積基本穩(wěn)定；2008—2013年面積減少了170.788 km2，平均每年減少 34.15 km2；2013—2017年，平均減少速率為27.95 km2/a。

表2 黃河三角洲灘涂貝類棲息地面積變化Tab.2Habitat area changes of mudflat shellfish in the Yellow River Delta

將6個不同時段的遙感提取結(jié)果疊加在一起，得到研究區(qū)1986—2017年黃河三角洲灘涂貝類棲息地分布圖(圖2)。由圖2可見，研究區(qū)內(nèi)貝類棲息地變化較大的區(qū)域為刁口段和河口段2個區(qū)域；刁口段區(qū)域內(nèi)，灘涂貝類棲息地分布的上邊界逐漸向海推進(jìn)，下邊界劇烈蝕退，寬度變窄；河口段區(qū)域內(nèi)，上邊界基本穩(wěn)定，各年份間下邊界不斷變化。東營港及鄰近段，1986年灘涂貝類分布面積較大，1993和2008年零星分布，其他年份無分布。萊州灣段貝類棲息地上邊界1986、1993年向內(nèi)陸延伸，其他年份固定不變，下邊界逐漸向陸地蝕退。

2.2 貝類棲息地的時空變動

利用ArcGIS將提取結(jié)果進(jìn)行疊加分析，獲得不同年份灘涂貝類棲息地的時空變動(圖3)，各段的劃分與圖2一致。

圖2 1986—2017年黃河三角洲灘涂貝類棲息地分布(遙感數(shù)據(jù)提取結(jié)果)Fig.2Habitat distribution of mudflat shellfish in the Yellow River Delta during 1986—2017(Results derived from remote sensing data)

1986—1993年(圖3a)，刁口段、河口段貝類棲息地向海略有擴(kuò)張，東營港及鄰近段貝類棲息地大幅度減少，萊州灣段棲息地下邊界出現(xiàn)一定退縮。兩年份的重合分布面積為779 km2，1986年獨(dú)有面積為409 km2，1993年獨(dú)有面積為225 km2。

1993—2001年(圖3b)，刁口段貝類棲息地面積大幅減少，河口段棲息地未出現(xiàn)向海延伸，但入海口改道淤積成新的貝類棲息地(北部入海口)，東營港及鄰近段略有減少，萊州灣段雖然整體面積減少，但下邊界向海略有延伸。兩年份的重合分布面積為520 km2，1993年獨(dú)有面積為484km2，2001年獨(dú)有面積為176 km2。

2001—2008年(圖3c)，刁口段下邊界輕微蝕退，面積縮小；河口段新河口不斷向外淤積，形成新的灘涂貝類棲息地，改道前的河口(南部入海口)由于缺少水沙來源，下邊界輕微蝕退；東營港及鄰近段基本無變化；萊州灣段上邊界穩(wěn)定，下邊界略向海延伸。兩年份的重合分布面積為519 km2，2001年獨(dú)有面積為177 km2，2008年獨(dú)有面積為160 km2。

2008—2013年(圖3d)，刁口段面積大幅減少，上邊界向海推進(jìn)，寬度變窄；河口段下邊界向海延伸和向陸地蝕退相結(jié)合；2013年，東營港及鄰近段不再有灘涂貝類棲息地分布；萊州灣段上邊界穩(wěn)定，下邊界向陸地推進(jìn)。重合面積為438 km2，2008年獨(dú)有面積241 km2，2013年獨(dú)有面積僅為70 km2。

2013—2017年(圖3e)，刁口段和河口段面積均進(jìn)一步減少；東營港及鄰近段無灘涂貝類分布；萊州灣段上邊界一致，下邊界向陸地蝕退。兩年份間重合面積為370 km2，2013年獨(dú)有面積為138 km2，2017年獨(dú)有面積減少到26 km2。

1986—2017年(圖 3f)，30年間，灘涂貝類棲息地分布變化劇烈。刁口段的變化最為顯著，上邊界向海推進(jìn)，下邊界向陸地推進(jìn)，由1986年的大面積分布演變?yōu)?017年的零星分布；河口段的上邊界和下邊界均向海推進(jìn)；東營港及鄰近段，1986年灘涂貝類廣泛分布，2017年已全部開發(fā)，無貝類棲息地存在；萊州灣段，灘涂貝類棲息地變窄，上邊界向海推進(jìn)，下邊界蝕退，向陸地推進(jìn)。30年來，灘涂貝類重合分布區(qū)域僅為308km2，1986年的獨(dú)有面積為880 km2，2017年的獨(dú)有面積為88 km2。

圖3 1986—2017年期間灘涂貝類棲息地時空變動Fig.3Spatio-temporal variations of mudflat shellfish habitat during 1986—2017

2.3 重點(diǎn)變化區(qū)域分析

灘涂貝類棲息地變化較大的為刁口段和河口段(表 3)。刁口段整體上呈銳減趨勢，30年間減少約85%，速率約為12.77 km2/a；其中，1986—1993年呈增長趨勢，1993年達(dá)到最大值(509 km2)，之后急劇減少。河口段面積整體呈先增加后減少的趨勢，且變化幅度相對較小，2008年達(dá)到最大值(314 km2)，之后逐年遞減。河口段處于自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，由圖 2可見，河口段貝類棲息地的變化主要是入海口改道擺動淤積造成。圖4為1986—2017年刁口段的遙感解譯結(jié)果。2001年以來，養(yǎng)殖池塘和鹽田規(guī)模不斷擴(kuò)大，大量占用灘涂貝類棲息地，致使棲息地面積不斷減少；同時，海水侵蝕使棲息地下邊界不斷向陸地蝕退，是造成棲息地面積減少的另一個原因。

圖4 刁口段灘涂貝類棲息地變化Fig.4Habitat change of mudflat shellfish in Diaokou section

表3 刁口段、河口段灘涂貝類棲息地面積Tab.3Habitat area of mudflat shellfish in Diaokou and Estuary sections/km2

3 討論

3.1 棲息地上部變化分析

經(jīng)分析，研究區(qū)內(nèi)的刁口段和萊州灣段灘涂貝類棲息地上邊界變化的原因，主要是灘涂鹽田、水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘和工程建設(shè)對棲息地的占用。20世紀(jì)90年代初開始，沿海產(chǎn)鹽業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)不斷發(fā)展壯大，1986—2001年，刁口段和萊州灣段的鹽田和水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘面積大幅增加，大量占用灘涂，貝類棲息地上邊界迅速向海推進(jìn)，棲息地變窄，面積急劇減少，這與徐振田等(2020)的研究結(jié)果一致。2001—2017年，鹽田和水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘繼續(xù)穩(wěn)步增長，面積逐年增加，棲息地上邊界繼續(xù)向海推進(jìn)，面積進(jìn)一步減少(郭宇等, 2018;劉海紅等, 2018)。萊州灣段上邊界于2008年已修建為人工堤壩，自2008年開始，上邊界固定。河口段處于黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，該區(qū)域灘涂貝類棲息地變化不受人為因素的影響，其變化主要與灘涂自然發(fā)育及植被分布有關(guān)，上邊界由平均高潮線和鹽生植被的分布決定。

3.2 棲息地下部變化分析

灘涂貝類棲息地下邊界為瞬時水邊線。隨著油田和港口建設(shè)，東營港及鄰近段下邊界1993年已基本固化為人工構(gòu)筑物。自然岸段主要由潮灘沖淤決定，刁口段、河口段和萊州灣段的水動力條件、沉積物來源及地質(zhì)構(gòu)造等各不相同，其下邊界的變化也各有特點(diǎn)。

1976年黃河改道清水溝流路后，刁口段失去水沙來源的有效補(bǔ)給，加之沉積物以粉砂為主，穩(wěn)定性差(楊中華等,2006)，海洋動力的侵蝕導(dǎo)致貝類棲息地下邊界蝕退。本研究表明，1986—2017年該區(qū)域貝類棲息地大幅度向陸地蝕退，30余年間，僅1993年略有淤積。自2010年開始，黃河三角洲實施“生態(tài)補(bǔ)水”戰(zhàn)略，刁口河流路恢復(fù)過水，同時帶來一定的泥沙淤積，這也使得該區(qū)域蝕退變慢，甚至出現(xiàn)輕微淤積的年份，2008—2013年，該段雖然總面積減少，但部分區(qū)域下邊界呈向海淤積態(tài)勢。另一方面，隨著鹽田和人工養(yǎng)殖業(yè)的大力發(fā)展，鹽田和水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘不斷向海推進(jìn)，該段西部區(qū)域的貝類棲息地幾乎消失，如2013年和 2017年(圖 3e、圖 4)，其下邊界基本為養(yǎng)殖池塘邊界。

河口段為現(xiàn)行水流路的入海口段，黃河入海帶來大量泥沙，泥沙淤積和海洋動力侵蝕共同作用，使該區(qū)域貝類棲息地下邊界不斷變化。1976年黃河人工改道清水溝以來，利津站多年平均徑流量和年輸沙量與1950—1975年相比均有較大幅度的減少；其中，以1986年為界，后期的來水和來沙量遠(yuǎn)小于前期；20世紀(jì)90年代中后期，黃河下游河段斷流嚴(yán)重，入海泥沙進(jìn)一步減少(常軍等,2004)；1999年，黃河水資源實施統(tǒng)一管理和調(diào)度政策，2003年小浪底水庫正式調(diào)水調(diào)沙，入海水沙明顯增加，是近十幾年來的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(徐美等, 2007;牛明香等, 2020)。在入海泥沙變動的影響下，1986—1993年，入海口門繼續(xù)向海延伸，但沙嘴兩側(cè)區(qū)域受到海洋動力作用，發(fā)生蝕退(圖3a)；1996年黃河入海口向北改道后，形成新的沙嘴，原入海口因失去水沙供應(yīng)，海洋動力作用使其持續(xù)受到侵蝕，1993—2001年原入海口區(qū)域蝕退，新入海口區(qū)域淤積(圖3b)；2001—2008年，調(diào)水調(diào)沙政策的實施，使新入海口明顯向海淤積，老入海口繼續(xù)蝕退(圖3c)；2008—2013年黃河入海水沙量減少，新入海口淤積緩慢，老入海口繼續(xù)蝕退(圖3d)；2013—2017年棲息地輕微蝕退(圖3e)。

萊州灣段貝類棲息地下邊界總體向陸地蝕退，該區(qū)域淤積的泥沙主要來自于黃河入海口泥沙，隨著黃河入海水沙減少和黃河向北改道，輸送到該段的泥沙減少，在海洋動力作用下不斷蝕退。

4 結(jié)論

本研究選取 1986—2017年期間黃河三角洲每年潮位最低的Landsat遙感影像6幅，構(gòu)建模型，提取平均高潮線和低潮線，并基于GIS技術(shù)進(jìn)行空間分析，獲得了1986—2017年研究區(qū)的貝類棲息地數(shù)據(jù)及時空演變規(guī)律，結(jié)果如下：

1)選取每年最低潮位的遙感影像，通過構(gòu)建模型并選取合適的閾值，提取貝類棲息地數(shù)據(jù)，研究其時空演變規(guī)律具有一定的可行性，可作為簡單易行的手段，初步解決大尺度灘涂貝類棲息地信息提取及動態(tài)監(jiān)測問題。

2)1986—2017年，黃河三角洲灘涂貝類棲息地面積不斷減少，由1986年的1188 km2減少為2017年的396 km2，減少了近67%。其中，刁口段面積減少最為顯著，1986—2017年減少了約396 km2。由于入海口改道、泥沙淤積和海水侵蝕的多重作用，河口段棲息地面積先增加后減少。1993年開始，東營港及鄰近段貝類棲息地基本消失，萊州灣段棲息地面積大幅減少。

3)養(yǎng)殖池塘和人工堤壩建設(shè)是貝類棲息地上邊界的主要控制因素，下邊界主要受黃河入海水沙減少和海水侵蝕的雙重影響。

需要說明的是，研究中灘涂貝類棲息地下邊界為瞬時水邊線，區(qū)域范圍大，黃河入海口以北和以南的潮位會有差別，盡管在數(shù)據(jù)的挑選中保持入海口區(qū)域潮位一致，但其他區(qū)域會略有差別，對貝類棲息地下邊界的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提取有一定影響，后續(xù)研究中會加入潮位校正等資料，進(jìn)一步提高精度。