濱海濕地環(huán)境評價方法研究

姜晟，彭露露，李俊龍，李旭文，牛志春，陳成，侍昊，蔡琨

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；3.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

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濱海濕地環(huán)境評價方法研究

姜晟1，彭露露1，李俊龍2，李旭文1，牛志春1，陳成3，侍昊1，蔡琨1

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210036；2.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；3.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013)

為研究我國典型濱海濕地環(huán)境評價方法，利用衛(wèi)星遙感技術，結合地面生態(tài)調查，構建了以自然濕地面積比例、人工岸線比例等8項因子共同組成的指標體系，通過層次分析法和專家打分法進行權重賦值后，闡述了數據處理和計算的主要流程，提出了濱海濕地環(huán)境指數CWEI的概念和表征意義。應用上述方法對江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區(qū)進行了典型示范評價，結果表明該方法能夠較好地反映濱海濕地環(huán)境狀況與變化趨勢。

濱海濕地，環(huán)境評價，遙感

濕地與森林、海洋并稱全球三大生態(tài)系統(tǒng)[1]，濱海濕地作為濕地的一種重要類型，是陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系統(tǒng)的交錯過渡帶，自然作用強烈、人類活動頻繁、生態(tài)系統(tǒng)多樣、景觀結構復雜，具有非常重要的研究價值[2]。1971年《濕地公約》[3]正式簽訂以后，西方國家對于濱海濕地環(huán)境保護的關注程度與日俱增，濕地評價研究成為前沿熱點[4-5]。我國濱海濕地保護工作起步相對較晚[6]，國家海洋局、林業(yè)局分別在70年代末和90年代中期先后開展了全國范圍內的海岸帶灘涂資源綜合調查和濕地資源調查，取得了許多重要成果[7-9]；同時又劃定了一系列濱海濕地自然保護區(qū)，有效遏制了人類活動的影響和破壞。

隨著濱海濕地研究水平的不斷提高，濕地評價方法在定性評價的基礎上迅速發(fā)展[10-14]，3S技術和數學方法得到了廣泛應用[15-19]。以美國環(huán)保署(EPA)為代表，建立了一套較為完善的方法體系，劃分為3個層次[20]，針對不同需求可以選用最適合的評價模式：第一層次以遙感和地理信息技術為主導，通過土地利用/土地覆蓋以及景觀數據對大量或大面積濕地進行評價；第二層次以現場調查為主要方法，通過少量人員對濕地主要指標進行考察和分析快速獲取單個或少量濕地的調查評價結果；第三層次通過大量實地調查獲取濕地各方面詳盡數據的基礎上，建立復雜的評價模型，從不同角度對濕地環(huán)境質量和退化狀況進行綜合評價。

現借鑒美國EPA第一層次的思路方法，將遙感和地理信息技術用于濱海濕地環(huán)境評價工作，在生態(tài)系統(tǒng)格局和景觀層面研究人類干擾，同時適當結合地面水質、生物監(jiān)測數據評估區(qū)域內濱海濕地環(huán)境狀況。

1 研究方法

1.1 指標選擇與權重賦值

在指標體系構建方面，選用了聯合國經濟合作開發(fā)署(OECD)提出的壓力-狀態(tài)-響應(PSR)框架模型。在指標的獲取方式上，為了更好地實現濱海濕地環(huán)境的動態(tài)監(jiān)測與評價，側重選擇了可以通過遙感手段獲取的指標因子。

選擇自然濕地面積比例、人工岸線比例、建設用地比例、自然植被覆蓋率、植被指數、景觀破碎度、海水水質類別、底棲生物多樣性指數共8個指標作為濱海濕地環(huán)境評價因子。其中，壓力類指標共3個，分別是人工岸線比例、建設用地比例、景觀破碎度；狀態(tài)類指標共4個，兼顧水域和陸域生態(tài)狀況，分別是海水水質類別、底棲生物多樣性指數、自然植被覆蓋率、植被指數；響應類指標1個，為自然濕地面積比例。

1.1.1 自然濕地面積比例

濱海濕地范圍內，海灘、濱海沼澤、淺海水域、沙洲等不同類型自然濕地面積占區(qū)域總面積的比例，反映濱海濕地環(huán)境總體狀況，由遙感影像解譯結果計算得到。

1.1.2 人工岸線比例

濱海濕地范圍內，堤壩、碼頭或其他類型的人工岸線占海岸線總長度的比例，反映人類活動對濱海濕地自然岸線的侵占程度，由遙感影像解譯結果計算得到。

1.1.3 建設用地比例

濱海濕地范圍內，人工建設用地面積占區(qū)域總面積的比例，反映人類活動對濱海濕地的占用和影響程度，由遙感影像解譯結果計算得到。

1.1.4 自然植被覆蓋率

濱海濕地范圍內，地表有自然植被覆蓋面積占區(qū)域總面積的比例，反映濱海濕地水平空間上的自然植被覆蓋狀況，由遙感影像解譯結果計算得到。

1.1.5 植被指數

利用衛(wèi)星近紅外和紅光波段光譜數據來反映植物的特征信息，可以在一定程度上反映濱海濕地范圍內水平和垂直空間上的植被生長狀況，在本文中具體采用歸一化植被指數(NDVI)，指數數值越高則植被生長狀況越好，由遙感影像波段運算得到。

1.1.6 景觀破碎度

表征濱海濕地范圍內景觀被分割的破碎程度，反映景觀空間結構的復雜性，在一定程度上反映了人類對景觀的干擾程度。景觀破碎化是生物多樣性喪失的重要原因之一，它與自然資源保護密切相關。在本文中具體采用平均斑塊面積(MPS)來指示景觀破碎度，用于衡量景觀總體完整性和破碎化程度，平均斑塊面積越大說明景觀完整性越好，破碎化程度越低，由遙感影像解譯結果計算得到。

1.1.7 海水水質類別

濱海濕地范圍內或毗鄰近岸海域的海水水質類別，反映濱海濕地水質的優(yōu)劣程度，由單個或多個測點當年海水水質監(jiān)測結果計算年均值后根據《海水水質標準》(GB 3097-1997)評價得到，具體可分為一至四類和劣四類。

1.1.8 底棲生物多樣性指數

應用數理統(tǒng)計方法對底棲生物群落種類和各種類生物體的數量進行計算，用以評價濱海濕地范圍內水生生物的環(huán)境質量狀況。采用香農-威納指數(Shannon Wiener index)來指示底棲生物多樣性，指數數值越大表明生物多樣性越好，由單個或多個測點采集底棲生物樣品后分析計算得到。

根據研究內容，綜合運用層次分析法結合專家打分，將濱海濕地環(huán)境評價指標體系劃分為3個層次并計算求取各指標權重，見表1。

1.2 數據源與研究區(qū)

濱海濕地環(huán)境評價共涉及8項指標，其中有6項通過遙感方法獲得，在實際研究過程中選擇法國SPOT-4、國產ZY-3以及美國EOS-MODIS衛(wèi)星作為主要數據源，一是考慮了中高分辨率衛(wèi)星數據在遙感分類解譯方面的優(yōu)勢，二是選擇了較為成熟的MODIS植被指數產品，2者可以有效提高評價結果的精度；海水水質類別、底棲生物多樣性指數2項指標則利用地面常規(guī)水質、生物監(jiān)測方法結合文獻資料查閱獲得，見表2。

表1 濱海濕地環(huán)境質量指標體系權重計算結果

表2 濱海濕地環(huán)境質量評價指標數據來源①

①時相為2002年，2013年。

1.3 數據處理與指數計算

所選6項可遙感指標中，自然濕地面積比例、人工岸線比例、建設用地比例以及自然植被覆蓋率4個指標通過ENVI、eCognition和ArcGIS軟件對SPOT-4、ZY-3衛(wèi)星遙感數據人工交互解譯結果計算后得到，景觀破碎度指標是在遙感解譯結果基礎上利用Fragstates軟件計算得到，植被指數指標是由MODIS衛(wèi)星產品數據利用ArcGIS軟件計算后處理得到。其中，SPOT-4和ZY-3衛(wèi)星數據的處理流程是首先對2期遙感影像分別進行幾何糾正、融合、鑲嵌等預處理工作；其次進行影像分割與分類解譯，依次劃分為相應的類別并賦予代碼；在分類完成后進行成果踏勘與野外核查，對解譯錯誤進行修正；最后在分類解譯結果基礎上，計算自然濕地面積比例等5項指標。MODIS衛(wèi)星數據處理流程是首先提取SPOT-4和ZY-3衛(wèi)星解譯數據中的濱海濕地陸域圖層，其次利用該圖層的矢量邊界對NDVI產品數據進行裁剪切割，最后對多時相NDVI產品數據進行柵格計算求取均值。

另外2項非遙感指標，海水水質類別和底棲生物多樣性則參照《近岸海域環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》(HJ 442-2008)進行樣品采集、分析和計算。其中，海水水質類別指標選擇濱海濕地研究區(qū)內現有測點數據進行計算，依據《海水水質標準》(GB 3097-1997)對年均值進行評價，全項目參評；底棲生物多樣性指標選擇濱海濕地研究區(qū)內的潮間帶進行樣品采集和分類鑒定，采用香農-威納指數對結果進行評價。對上述8項指標分別處理并得到相應結果后，再進行無量綱歸一化計算，見表3。

表3 評價指標歸一化賦值

對無量綱歸一化處理后的指標值結合權重進行加權求和，最終計算得到濱海濕地環(huán)境指數CWEI(Coastal Wetland Environmental Index)，用以表征研究區(qū)域的濱海濕地環(huán)境狀況。

式中：ai——第i項指標權重值；xi——第i項指標歸一化結果值。

根據CWEI指數結果將濱海濕地環(huán)境狀況分為五級，依次為優(yōu)秀、良好、一般、較差、差。在此基礎上，通過計算不同年份CWEI指數的差值ΔCWEI可以進一步評價同一區(qū)域濱海濕地環(huán)境的變化趨勢及程度，見表4。

表4 濱海濕地環(huán)境狀況分級

2 結果分析

依照研究方法，利用衛(wèi)星遙感影像、地面實測數據并查閱部分文獻資料，對典型研究區(qū)江蘇鹽城濕地珍禽自然保護區(qū)進行了濱海濕地環(huán)境評價，見表5。

表5 江蘇鹽城濕地珍禽自然保護區(qū)濱海濕地環(huán)境評價結果

(1)壓力類指標方面，研究區(qū)人類干擾強度有所增加，景觀趨于破碎化，濱海濕地環(huán)境壓力進一步增大，變化區(qū)域主要集中在南北兩端。

(2)狀態(tài)類指標方面，海水水質類別未發(fā)生變化；自然植被覆蓋率略有降低；表明研究區(qū)濱海濕地水環(huán)境質量基本穩(wěn)定，底棲生物多樣性略有升高，植被覆蓋狀況存在一定變化。其中，北部濱海濕地自然植被覆蓋狀況趨好，南部區(qū)域則有所退化。

(3)響應類指標方面，表明研究區(qū)在人類活動影響下自然濕地面積有所萎縮，需要加強保護和修復力度，變化區(qū)域主要集中在研究區(qū)南部。

(4)雖然海水水質類別和底棲生物多樣性未發(fā)生明顯變化，但自然濕地面積比例有所降低，自然植被覆蓋率略有下滑，人工岸線和建設用地比例則相應增加，景觀破碎度小幅提升，表明該區(qū)域濱海濕地陸上生境人類干擾程度較往年有所增加，應當引起地方主管部門關注。

3 結語

為研究我國典型濱海濕地環(huán)境評價方法，利用衛(wèi)星遙感技術，結合地面生態(tài)調查，構建了以自然濕地面積比例、人工岸線比例等8項因子共同組成的指標體系。通過層次分析法和專家打分法進行權重賦值后，進一步闡述了數據處理和計算的主要流程，提出了濱海濕地環(huán)境指數CWEI的概念和表征意義，并應用上述方法對江蘇鹽城濕地珍禽國家級自然保護區(qū)進行了典型示范評價，結果表明,該方法能夠較好地反映濱海濕地環(huán)境狀況與變化趨勢，對于全面開展我國濱海濕地環(huán)境評價與保護工作具有良好的技術支撐作用。

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Investigation on an Environmental Assessment Method of Coastal Wetlands

JIANG Sheng1,PENG Lu-lu1,LI Jun-long2,LI Xu-wen1,NIU Zhi-chun1,CHEN Cheng3,SHI Hao1,CAI Kun1

(1.JiangsuEnvironmentalMonitoringCenter,Nanjing,Jiangsu210036,China; 2.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter,Beijing100012,China; 3.JiangsuProvinceSurveyingandMappingEngineeringInstitute,Nanjing,Jiangsu210013,China)

This paper studies the environmental assessment method of typical coastal wetlands in our country based on satellite remote sensing technology and ecological survey.An index system was built containing eight factors including natural wetland area ratio,artificial shoreline and so on.After weight assigment by the hierarchy analysis and expert evaluation,the main procedure of data processing and computing was described,and the concept and meaning of Coastal Wetlands Environment Index(CWEI) was put forward.This method was then applied to a typical evaluation in Yanchen Wetland National Nature Reserve.The results showed that this method reflected the state and trend of the environment of coastal wetlands,and has a certain significance for the environmental assessment and protection of coastal wetlands.

Coastal wetlands; Environmental assessment； Remote sensing

2015-04-17；

2015-05-30

2013年度環(huán)保公益性行業(yè)科研專項基金資助項目(201309008)

姜晟(1983—)，男，工程師，碩士，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。

X832

A

1674-6732(2015)05-0052-05