小流域農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)健康影響的遙感監(jiān)測研究

摘 要：河流是連接陸地與水域生態(tài)系統(tǒng)的橋梁，采用高效、準(zhǔn)確的監(jiān)測手段，評估農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響顯得尤為重要?；诖?，介紹了河流生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測的相關(guān)理論基礎(chǔ)，闡述了遙感監(jiān)測的區(qū)域選擇與數(shù)據(jù)來源，以及遙感監(jiān)測的構(gòu)建方法，通過案例研究進(jìn)一步證明了遙感監(jiān)測的可靠性和準(zhǔn)確性，并提出了河流生態(tài)系統(tǒng)健康管理策略，為小流域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展策略的制定提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小流域；農(nóng)業(yè)活動；河流生態(tài)系統(tǒng)；健康評估；遙感監(jiān)測

中圖分類號：S127 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動在全球范圍內(nèi)迅速擴(kuò)張，尤其是在水資源相對豐富的中小流域區(qū)域。然而，過度的農(nóng)業(yè)開發(fā)往往伴隨著化肥、農(nóng)藥的大量使用及土地覆被的劇烈變化，這對河流生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。河流作為連接陸地與水域生態(tài)系統(tǒng)的橋梁，其健康狀況會直接影響生物多樣性的維持、水資源的可持續(xù)利用及人類社會福祉。因此，采用高效、準(zhǔn)確的監(jiān)測手段，評估農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響顯得尤為重要。對此，借助遙感技術(shù)的時空覆蓋優(yōu)勢，結(jié)合地面實(shí)測數(shù)據(jù)，旨在構(gòu)建一個綜合評估模型，為小流域農(nóng)業(yè)管理提供科學(xué)指導(dǎo)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的和諧共生。

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1.1 遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)展

作為現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測的重要工具，遙感技術(shù)近年來在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。高分辨率衛(wèi)星和無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得精確捕捉地表特征、水質(zhì)狀態(tài)及生物棲息地變化成為可能[1]。多光譜與高光譜遙感數(shù)據(jù)的應(yīng)用，不僅能夠識別不同植被類型和土地利用覆蓋變化，而且通過反射率、吸收特性的分析，間接評估水質(zhì)參數(shù)（如葉綠素-a濃度、懸浮物含量），從而反映水體富營養(yǎng)化程度。時序遙感數(shù)據(jù)的分析則為理解生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化提供了時間維度上的洞察，特別是在監(jiān)測農(nóng)業(yè)活動引起的土地利用變化、水體污染擴(kuò)散等方面展現(xiàn)出巨大潛力。

1.2 農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)影響的機(jī)制探討

農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的，主要包括化學(xué)物質(zhì)輸入、物理結(jié)構(gòu)改變及生物干擾?；逝c農(nóng)藥的過量使用，經(jīng)由地表徑流和滲透作用，將氮、磷等營養(yǎng)元素帶入水體，促進(jìn)藻類暴發(fā)，引發(fā)水體富營養(yǎng)化，降低水體透明度，影響水下光照條件，進(jìn)而危及水生生物的生存。同時，農(nóng)田擴(kuò)張和灌溉活動改變地表水流模式，可能導(dǎo)致河流流量減少或洪水頻發(fā)，破壞河岸帶穩(wěn)定性和生物棲息地。此外，農(nóng)業(yè)機(jī)械操作和不合理的土地管理措施也可能造成土壤侵蝕，加劇河流沉積物負(fù)載，影響水體自凈能力和生物多樣性。

1.3 小流域生態(tài)系統(tǒng)健康評估方法概述

小流域作為河流生態(tài)系統(tǒng)健康評估的基本單元，其健康狀態(tài)的評價(jià)需綜合考慮水質(zhì)、水量、生物群落結(jié)構(gòu)及生態(tài)服務(wù)功能等方面[2]。評估方法通常涵蓋以下步驟：首先，通過遙感數(shù)據(jù)確定土地利用（覆蓋）類型，結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，分析農(nóng)業(yè)活動的空間分布及強(qiáng)度；其次，選取反映生態(tài)系統(tǒng)健康的關(guān)鍵指標(biāo)，如生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、氨氮、總磷等水質(zhì)數(shù)，以及河岸植被覆蓋度、生物多樣性指數(shù)等；再次，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、主成分分析（Pri-ncipal Component Analysis，PCA）或構(gòu)建生態(tài)健康指數(shù)等多元統(tǒng)計(jì)方法，綜合各指標(biāo)進(jìn)行量化評估；最后，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）空間分析技術(shù)，進(jìn)行空間可視化表達(dá)，識別生態(tài)脆弱區(qū)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 遙感監(jiān)測的區(qū)域選擇與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)選擇與地理特征介紹

小流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域應(yīng)擁有豐富的水資源和活躍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。具體來說，依據(jù)我國農(nóng)作物種植現(xiàn)狀，該區(qū)域地形以低山丘陵和平原為主，河網(wǎng)密布，具有典型的小流域水文及生態(tài)特征。此外，還應(yīng)考慮到其農(nóng)業(yè)活動的多樣性和代表性，這有利于全面評估不同農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐對環(huán)境的綜合效應(yīng)。

2.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

為了全面而準(zhǔn)確地監(jiān)測農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，研究要整合多種遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)源（如衛(wèi)星影像，利用Landsat 8和Sentinel-2等中高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)），獲取研究區(qū)的多時相地表覆蓋信息和水質(zhì)參數(shù)的近似值，這些數(shù)據(jù)覆蓋廣、周期性強(qiáng)，適合監(jiān)測長時間序列的土地利用變化及水體顏色變化，從而間接推斷水質(zhì)狀況；無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，針對局部關(guān)鍵區(qū)域，如農(nóng)田密集帶、河口交匯處等，利用無人機(jī)搭載的多光譜相機(jī)進(jìn)行高分辨率拍攝，獲取更為精細(xì)的地表特征和河岸帶生態(tài)結(jié)構(gòu)信息，有助于深入分析農(nóng)業(yè)活動的具體影響；地面固定監(jiān)測站點(diǎn)，定期采集水質(zhì)樣本和氣象數(shù)據(jù)，以校驗(yàn)遙感數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并補(bǔ)充遙感難以直接獲取的信息。

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括輻射校正、幾何校正、大氣校正等步驟，確保不同來源數(shù)據(jù)的一致性和可比性。同時，應(yīng)用圖像分類算法（如監(jiān)督分類、對象分類法）對衛(wèi)星和無人機(jī)影像進(jìn)行解譯，劃分出農(nóng)田、林地、水域等不同地類，為后續(xù)分析奠定基礎(chǔ)。

3 遙感監(jiān)測的研究方法論構(gòu)建

3.1 評價(jià)指標(biāo)體系建立

構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系旨在全面反映農(nóng)業(yè)活動對小流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響。具體應(yīng)涵蓋以下幾個方面：水質(zhì)參數(shù)，包括但不限于溶解氧、化學(xué)需氧量、氨氮、總磷和總氮，用以評估農(nóng)業(yè)污染導(dǎo)致的水質(zhì)惡化程度；河岸帶完整性，通過分析河岸植被覆蓋率、河岸線的直線化程度及河岸帶寬度變化，來衡量農(nóng)業(yè)擴(kuò)張對自然河岸生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響；生物多樣性指數(shù)，包括物種豐富度、均勻度和多樣性指數(shù)，結(jié)合遙感影像和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，評估農(nóng)業(yè)活動對水生和河岸生物多樣性的影響。

3.2 遙感數(shù)據(jù)分析方法

為實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)的有效監(jiān)測與評估，可研究采用一系列先進(jìn)的遙感數(shù)據(jù)分析技術(shù)：光譜分析用于提取水體和地表覆蓋的特定波段信息，特別是利用高光譜數(shù)據(jù)解析水質(zhì)參數(shù)和植被健康狀況[3]；圖像分類技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如隨機(jī)森林、支持向量機(jī)），對衛(wèi)星和無人機(jī)影像進(jìn)行細(xì)致的地類劃分，區(qū)分不同類型的農(nóng)田、自然植被和水體，以及識別河岸帶生態(tài)狀態(tài)；時空序列分析，利用多時相遙感數(shù)據(jù)追蹤農(nóng)業(yè)活動隨時間的變化趨勢，以及這種變化對河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)的動態(tài)影響，通過時間序列分析和趨勢預(yù)測模型，揭示農(nóng)業(yè)活動與生態(tài)響應(yīng)間的因果聯(lián)系。

3.3 綜合評估模型設(shè)計(jì)

基于構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系和遙感數(shù)據(jù)分析，可研究設(shè)計(jì)一種綜合評估模型，集成GIS空間分析與統(tǒng)計(jì)建模技術(shù)：一是利用GIS平臺進(jìn)行空間疊加分析，明確農(nóng)業(yè)活動與河流生態(tài)系統(tǒng)健康指標(biāo)的空間關(guān)聯(lián)性，如污染物排放源與水質(zhì)惡化區(qū)的對應(yīng)關(guān)系；二是通過多元回歸分析、主成分分析等統(tǒng)計(jì)方法，量化各指標(biāo)對生態(tài)系統(tǒng)健康的整體貢獻(xiàn)度，建立生態(tài)健康指數(shù)模型；三是結(jié)合專家打分和公眾參與，調(diào)整權(quán)重，使模型更貼合實(shí)際生態(tài)狀況。模型要不僅能夠評估當(dāng)前的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)，還能預(yù)測未來農(nóng)業(yè)活動變化對河流生態(tài)的潛在影響，為制定針對性的環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)管理策略提供科學(xué)依據(jù)。

4 遙感監(jiān)測的結(jié)果與分析

4.1 河流域農(nóng)業(yè)活動特征

通過遙感數(shù)據(jù)分析，揭示出研究區(qū)域農(nóng)業(yè)活動的空間分布特征及其變化趨勢。農(nóng)業(yè)用地主要集中在流域中下游平原地帶，且在過去十年間，隨著農(nóng)業(yè)集約化的推進(jìn)，耕地面積呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，其中稻田和玉米地?cái)U(kuò)張尤為明顯。同時，化肥和農(nóng)藥的使用強(qiáng)度在主要種植區(qū)顯著上升，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)增加。時空序列分析顯示，春播和秋收季節(jié)，農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)度達(dá)到峰值，與之相應(yīng)的是，河流生態(tài)系統(tǒng)承受的壓力亦隨之增大。

4.2 河流水質(zhì)響應(yīng)分析

遙感與地面監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合分析表明，農(nóng)業(yè)活動對河流水質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。氮磷負(fù)荷（以總氮和總磷為代表）在雨季期間因農(nóng)田徑流增加而急劇升高，導(dǎo)致河流出現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化跡象，表現(xiàn)為水體渾濁度增加，藻類暴發(fā)頻率上升。此外，部分河段在農(nóng)業(yè)活動高峰期的需氧量濃度異常，反映了有機(jī)污染物的輸入。這些變化對水生生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，影響了水體的自凈能力。

4.3 河岸帶生態(tài)影響

遙感圖像分類結(jié)果可知，自然植被覆蓋率下降最為顯著，取代的是農(nóng)田和人工林地的擴(kuò)展，導(dǎo)致河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性和完整性受損。生境破碎度指數(shù)升高，意味著生物遷徙路徑受限，河岸帶作為重要的生態(tài)過渡帶的功能減弱，其生物多樣性面臨壓力。

4.4 生物多樣性評估

生物多樣性評估結(jié)合了遙感和地面調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動密集區(qū)域的物種豐富度和均勻度均有所下降[4]。尤其是底棲生物和水鳥種類數(shù)量減少，反映了河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的惡化。物種分布模式分析顯示，受保護(hù)較好的河段仍能維持較高的生物多樣性水平，而農(nóng)業(yè)活動干擾嚴(yán)重的區(qū)域呈現(xiàn)出生物種類單一化趨勢。

4.5 時空動態(tài)分析

時空動態(tài)分析揭示了農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)健康影響的季節(jié)性和長期趨勢。短期內(nèi)，春季耕作和秋季收獲時節(jié)，由于化肥農(nóng)藥使用量大增，河流水質(zhì)和河岸帶生態(tài)遭受最直接且強(qiáng)烈的沖擊；長期來看，農(nóng)業(yè)集約化趨勢與土地利用變化的累積效應(yīng)，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)下降，表現(xiàn)為水質(zhì)惡化、河岸帶退化和生物多樣性喪失。此外，氣候變化因素如降水模式的改變也在一定限度上加劇了農(nóng)業(yè)活動的負(fù)面影響，強(qiáng)調(diào)了綜合管理策略應(yīng)對農(nóng)業(yè)—生態(tài)耦合系統(tǒng)變化的重要性[5]。

5 案例研究

5.1 案例背景

以我國華中地區(qū)的“包河”小流域作為案例研究對象，該流域總面積約300 km2，主要經(jīng)濟(jì)作物有冬小麥、玉米、蔬菜、花卉、葡萄、水產(chǎn)養(yǎng)殖六大類，農(nóng)業(yè)活動密集。近年來，隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的提高，河流生態(tài)系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，表現(xiàn)為水質(zhì)惡化、生物多樣性下降等問題。

5.2 實(shí)證分析

5.2.1 遙感監(jiān)測應(yīng)用

采用2010年與2020年兩期Landsat衛(wèi)星影像，通過監(jiān)督分類方法識別土地利用類型變化。結(jié)果顯示，2020年農(nóng)田面積比2010年增加了10%，而2020年自然濕地和林地面積分別減少了5%和3%。這證實(shí)了農(nóng)業(yè)擴(kuò)張對原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈影響。

利用Sentinel-2衛(wèi)星的多光譜數(shù)據(jù)，通過歸一化植被指數(shù)和水面反射率的變化，估算出河流氮磷負(fù)荷的變化趨勢。與地面水質(zhì)站的月均值相比，遙感估測結(jié)果的誤差在±10%以內(nèi)。這驗(yàn)證了遙感技術(shù)在大尺度水質(zhì)監(jiān)測中的有效性和準(zhǔn)確性。

通過無人機(jī)航拍圖像，結(jié)合對象分類法對圖像進(jìn)行分類，分析河岸植被覆蓋度的年度變化。結(jié)果顯示，近5年來河岸帶植被覆蓋率平均每年減少約2%，表明農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致的土壤侵蝕和人為干預(yù)是河岸生態(tài)退化的主要原因。

5.2.2 地面實(shí)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證

為驗(yàn)證遙感分析的準(zhǔn)確性，選取了10個代表性樣點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，包括水質(zhì)取樣分析、河岸帶生物多樣性調(diào)查等。地面實(shí)測數(shù)據(jù)與遙感監(jiān)測結(jié)果的對比顯示，水質(zhì)參數(shù)（如總磷、渾濁度）的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85以上，河岸帶植被覆蓋率的吻合度超過0.9。這進(jìn)一步證明了遙感監(jiān)測在本案例中的可靠性和實(shí)用性。

6 河流生態(tài)系統(tǒng)健康管理策略

6.1 基于遙感監(jiān)測的河流生態(tài)系統(tǒng)健康管理框架

首先，以遙感監(jiān)測為核心的河流生態(tài)系統(tǒng)健康管理框架應(yīng)通過遙感技術(shù)收集河流水質(zhì)、流域土地利用和生物多樣性等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建河流健康指標(biāo)體系。該體系涵蓋水體富營養(yǎng)化指數(shù)、生物多樣性指數(shù)和生態(tài)服務(wù)價(jià)值等維度，為河流健康狀況的定量分析提供科學(xué)依據(jù)。其次，框架還應(yīng)包括風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)，通過實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，并為政策制定提供決策支持。最后，框架應(yīng)強(qiáng)調(diào)公眾參與和教育的重要性，通過提高公眾意識和參與度，形成全社會共同保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)的良好氛圍。

6.2 農(nóng)業(yè)活動的優(yōu)化調(diào)整建議

農(nóng)業(yè)活動優(yōu)化調(diào)整建議包括推廣精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，根據(jù)作物需求和土壤條件合理施用化肥和農(nóng)藥，減少農(nóng)業(yè)面源污染；鼓勵農(nóng)民采用生態(tài)農(nóng)業(yè)方法，如輪作、間作和有機(jī)耕作，以提高土壤質(zhì)量和生物多樣性；實(shí)施水土保持措施，如植被恢復(fù)和梯田建設(shè)，減少水土流失；推動農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，減少對河流的污染。

同時，政府應(yīng)制定流域綜合管理規(guī)劃，協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)活動，實(shí)現(xiàn)水資源的合理分配和河流生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同保護(hù)。此外，還應(yīng)出臺激勵政策，對采取環(huán)保措施的農(nóng)民給予經(jīng)濟(jì)支持，并完善相關(guān)法律法規(guī)，杜絕有害農(nóng)業(yè)行為，以促進(jìn)農(nóng)業(yè)與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

7 結(jié)束語

通過綜合運(yùn)用遙感技術(shù)和地學(xué)分析方法，系統(tǒng)評估了小流域農(nóng)業(yè)活動對河流生態(tài)系統(tǒng)健康的影響，揭示了農(nóng)業(yè)活動變化與河流生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)之間的復(fù)雜關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，合理調(diào)控農(nóng)業(yè)活動對于維護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要。在未來，相關(guān)部門及技術(shù)人員應(yīng)進(jìn)一步探索遙感技術(shù)在監(jiān)測農(nóng)業(yè)面源污染精細(xì)化管理中的應(yīng)用潛力，以及氣候變化背景下農(nóng)業(yè)活動與河流生態(tài)相互作用的新機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)保護(hù)雙贏目標(biāo)提供更加堅(jiān)實(shí)的科學(xué)支撐。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡介：蔣興田（1995—），男，安徽濉溪人，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測與保護(hù)。