東太湖圍網(wǎng)拆除前后水生植被群落遙感監(jiān)測及變化*

楊井志成，羅菊花，陸莉蓉，孫 喆，曹志剛，曾慶飛，毛志剛

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)(2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

以網(wǎng)圍養(yǎng)殖為主的養(yǎng)殖漁業(yè)是我國淡水漁業(yè)發(fā)展的一個重要生長點(diǎn)，自從1980s在淺水湖泊中普遍開展生產(chǎn)性網(wǎng)圍養(yǎng)殖以來，取得了極其顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]. 然而，由于社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水資源利用程度越來越高，圍網(wǎng)養(yǎng)殖規(guī)模逐漸增大，超密度圍網(wǎng)養(yǎng)殖成為湖泊水資源過度開發(fā)利用的主要方面[2]. 由于長期人工投喂餌藥，圍網(wǎng)內(nèi)殘餌和排泄物劇增，且圍網(wǎng)具有阻滯水流等物理障礙效應(yīng)及養(yǎng)殖污染的疊加效應(yīng)，長時間、超密度圍網(wǎng)養(yǎng)殖可能導(dǎo)致湖泊富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化以及沼澤化[2-3]. 因此，為了湖泊生態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)，有關(guān)部門逐步對多個湖泊實(shí)施圍網(wǎng)拆除行動，如蘇州市于2018年初開始對東太湖養(yǎng)殖圍網(wǎng)進(jìn)行拆除，至2018年底基本完成東太湖養(yǎng)殖圍網(wǎng)拆除工作.

圍網(wǎng)拆除行動實(shí)施后，學(xué)者們開始關(guān)注其對湖泊水環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的后續(xù)影響，如Luo等[4]通過布點(diǎn)取樣調(diào)查，對陽澄湖圍網(wǎng)拆除前后的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)圍網(wǎng)拆除后，陽澄湖水質(zhì)有了明顯的提升；薛俊增等[5]通過設(shè)置監(jiān)測斷面，對淀山湖圍網(wǎng)拆除前后的浮游生物開展了調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)圍網(wǎng)拆除后，淀山湖浮游生物優(yōu)勢種類呈現(xiàn)隱藻-藍(lán)藻型趨勢，表明水質(zhì)并未有明顯改善；袁林等[6]通過實(shí)地取樣，對陽澄湖圍網(wǎng)拆除前后浮游甲殼動物群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)圍網(wǎng)拆除后浮游甲殼動物群落結(jié)構(gòu)變化不大. 然而，目前大多研究主要關(guān)注圍網(wǎng)拆除前后浮游生物生態(tài)和水質(zhì)的變化情況，較少關(guān)注湖泊水生植被類群和種群的變化.

水生植被，尤其是沉水植被具有吸附凈化、阻滯水流、促進(jìn)沉降、澄清水質(zhì)、抑制藻類等生態(tài)功能，在維持湖泊生態(tài)系統(tǒng)平衡、物質(zhì)循環(huán)和水質(zhì)方面發(fā)揮著重要的作用[7]. 開展圍網(wǎng)拆除前后水生植被類群(挺水、浮葉和沉水植被)與沉水植被優(yōu)勢種群的調(diào)查與研究，對東太湖后期生態(tài)環(huán)境評估、管控和修復(fù)具有十分重要的意義. 傳統(tǒng)的水生植被監(jiān)測方法主要是人工調(diào)查法，該方法精度雖高，但費(fèi)時、費(fèi)力，監(jiān)測范圍小，時空連續(xù)性較差[8-10]. 遙感技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)性、時效性、綜合性、大面積同步觀測及歷史追溯性等特點(diǎn)，已成為淺水湖泊水生植被監(jiān)測的有效手段[8]. 在湖泊水生植被類群遙感監(jiān)測方面，國內(nèi)外學(xué)者構(gòu)建了一系列用于識別水生植被類群與藍(lán)藻水華的光譜指數(shù)，如歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)[9]、植被出現(xiàn)頻率指數(shù)(vegetation prescience frequency,VPF)[10]、浮葉植被敏感光譜指數(shù)(floating leaf vegetation sensitive index,FVSI)[11-12]、浮游藻類指數(shù)(floating algae index,FAI)[13]和沉水植被敏感光譜指數(shù)(submerged vegetation sensitive index,SVSI)[9]等. 而在沉水植被優(yōu)勢種群的遙感監(jiān)測方面，由于沉水植被生長在水面之下，其本身光譜信號較弱且不同優(yōu)勢種群間光譜差異相對較小，僅僅利用光譜信息很難對沉水植被不同優(yōu)勢種群進(jìn)一步識別和區(qū)分. 但由于沉水植被不同優(yōu)勢種群間的生活史存在差異，因此在一定時間段內(nèi)，遙感監(jiān)測到的沉水植被只能是某種或某幾種當(dāng)季優(yōu)勢種群，這就為沉水植被優(yōu)勢種群的時空分布監(jiān)測提供了新的可能.

本研究基于高時空分辨率的Sentinel-2系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析東太湖不同地物的光譜特征，篩選和構(gòu)建了東太湖挺水、浮葉和沉水植被和藍(lán)藻水華的敏感光譜指數(shù)，建立水生植被類群和藻華的分類決策樹；并結(jié)合不同沉水植被優(yōu)勢種群的生活史差異，提出基于生活史的沉水植被優(yōu)勢種群遙感監(jiān)測方法. 最后，對東太湖圍網(wǎng)拆除前后，水生植被類群和沉水植被優(yōu)勢種群的空間分布及變化進(jìn)行了監(jiān)測和分析，以期為東太湖后續(xù)的水生植被管控和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

東太湖位于太湖東南隅(30°58′～31°07′N，120°25′～120°35′E)，與西太湖之間以狹窄的湖面相通，總長度27.5 km，最大寬度9.0 km，總面積131 km2，年平均水深約1 m，根據(jù)中國科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站的長期定點(diǎn)觀測，東太湖年平均水位為(1.47±0.40)m，總磷、總氮指標(biāo)濃度為Ⅲ～Ⅳ類[1,14]. 圍網(wǎng)養(yǎng)殖區(qū)主要集中分布在東太湖的北部、東南角的新開路港附近和西南角的茭白港附近(圖1a).

根據(jù)近幾年野外調(diào)查和文獻(xiàn)記載，東太湖水生植被主要有三大類群：浮葉植被、挺水植被和沉水植被[15]. 其中，挺水植被主要分布在近岸區(qū)，優(yōu)勢種群為蘆葦(Phragmitescommunis)；浮葉植被優(yōu)勢種群為荇菜(Nymphoidespeltatum)和菱角(Trapabispinosa)等；沉水植被有七大優(yōu)勢種群，分別是：菹草(Potamogetoncrispus)、伊樂藻(Elodeanuttallii)、狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、微齒眼子菜(P.maackianus)、金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、苦草(Vallisneriaspiralis)和馬來眼子菜(P.malaianus)[15]. 研究區(qū)浮葉植被、藍(lán)藻水華和沉水植被的現(xiàn)場實(shí)拍圖見圖1b～d.

圖1 研究區(qū)Sentinel-2假彩色影像(a)；浮葉植被(b)、藍(lán)藻水華(c)和沉水植被(d)的現(xiàn)場實(shí)拍圖

1.2 遙感數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究選取Sentinel-2系列衛(wèi)星作為遙感數(shù)據(jù)源，該系列包含Sentinel-2A和Sentinel-2B兩顆衛(wèi)星，分別于2015年6月23日和2017年3月7日發(fā)射升空，一顆衛(wèi)星的重訪周期為10天，兩顆互補(bǔ)后重訪周期為5天[16]. Sentinel-2系列衛(wèi)星攜帶一枚多光譜儀器(MSI)，可覆蓋13個光譜波段，具有10、20和60 m三種空間分辨率(表1). Sentinel-2 MSI數(shù)據(jù)來源于歐空局(https://scihub.copernicus.eu/)，本研究共獲取東太湖2017和2019年質(zhì)量較高的16景L1C級影像(表1). 本研究采用Sen2cor模型對L1C級數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣校正，得到L2A級數(shù)據(jù)，并選取10 m和20 m的波段數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，在SNAP軟件中將分辨率為10 m和20 m的L2A級波段數(shù)據(jù)重采樣至10 m，最后對重采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行波段合成與裁剪.

表1 獲取Sentinel-2影像基本信息

1.3 野外調(diào)查數(shù)據(jù)獲取

基于研究區(qū)水生植被的生長特性，并結(jié)合衛(wèi)星遙感影像過境時間，本研究于2017年和2019年3月、5月、7月、8月和9月分別對研究區(qū)水生植被開展野外調(diào)查，共獲取了354個調(diào)查樣區(qū)(2017年153個，2019年201個). 考慮到Sentinel-2影像的像元大小(10 m)及幾何畸變，每個水生植被調(diào)查樣區(qū)約15 m×15 m，調(diào)查內(nèi)容包括水生植被類群、種群、植被覆蓋度、經(jīng)緯度和現(xiàn)場照片等，用手持GPS接收機(jī)在樣區(qū)的中心位置記錄經(jīng)緯度，誤差約為3 m. 為使得樣區(qū)信息與遙感影像的解譯能力和空間分辨率相匹配，獲取野外信息后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，得到樣區(qū)的優(yōu)勢類群和種群，具體處理如下：當(dāng)樣區(qū)內(nèi)存在多個類群時，以覆蓋度最大的類群作為該樣區(qū)的優(yōu)勢類群；當(dāng)樣區(qū)水生植被優(yōu)勢類群為沉水植被時，以覆蓋度最大的沉水植被優(yōu)勢種群作為該樣區(qū)的優(yōu)勢種群.

1.4 水生植被類群和藻華提取方法

本研究基于分類決策樹(圖2a)對東太湖水生植被類群和藻華進(jìn)行提取，所用指數(shù)為：挺水植被敏感指數(shù)(emergent vegetation sensitive index,EVSI)、藻類指數(shù)(FAI)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和沉水植被敏感指數(shù)(SVSI).

表2 不同指數(shù)計算公式*

據(jù)圖2(b)所示，挺水植被在近紅外區(qū)間反射率遠(yuǎn)高于其它地物，且在B8a波段反射率最高，在B4波段反射率最低；浮葉植被具有典型的植被光譜特征，近紅外區(qū)間的反射率大于開闊水面；沉水植被整體反射率較低，植被光譜特征不明顯，但利用纓帽變換后的土壤亮度指數(shù)與綠度指數(shù)的差值能較好的識別沉水植被[15]. 藍(lán)藻水華和浮葉植被的光譜特征相似，但藍(lán)藻水華在B3波段處反射率更高，形成典型的葉綠素反射峰[17]. 因此，本研究基于上述敏感光譜特征，對B8a波段和B4波段進(jìn)行歸一化處理構(gòu)建了EVSI，用于提取挺水植被，并篩選了NDVI、SVSI和FAI分別用于提取浮葉植被、沉水植被和藍(lán)藻水華(表2).

挺水植被、浮葉植被、藍(lán)藻水華和開闊水面在不同的敏感指數(shù)上均有明顯的差異可分性.EVSI>0.5時，只存在挺水植被的頻率單峰(圖2c)；FAI>350時，只存在藍(lán)藻水華的頻率單峰(圖2d)；NDVI>0.4時，只存在浮葉植被的頻率單峰(圖2e)；SVSI<2400時，只存在沉水植被的頻率單峰(圖2f). 根據(jù)各類地物指數(shù)敏感閾值，建立并執(zhí)行分類決策樹(圖2a)，獲取水生植被類群和藻華的空間分布.

圖2 水生植被類群和藻華的分類決策樹(a)；分類地物平均光譜曲線(b)；EVSI(c)、FAI(d)、NDVI(e)和SVSI(f)指數(shù)的歸一化頻率直方圖

1.5 沉水植被優(yōu)勢種群提取方法

本研究利用基于生活史的沉水植被優(yōu)勢種群提取方法[15]，對東太湖沉水植被的7大優(yōu)勢種群進(jìn)行了空間分布監(jiān)測，具體提取原理及方法見表3.

表3 基于生活史的沉水植被優(yōu)勢種群提取原理及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 水生植被類群和種群遙感監(jiān)測精度驗(yàn)證

利用2017年7月和2019年8月水生植被類群的實(shí)測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過混淆矩陣[9]，對2017年7月28日和2019年8月17日兩期影像的分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證(表4). 結(jié)果顯示，水生植被類群和藻華的分類總體精度達(dá)到82.66%，Kappa系數(shù)為0.77. 其中，挺水植被、浮葉植被、沉水植被和藍(lán)藻水華的生產(chǎn)者精度分別為87.32%、88.75%、82.35%和72.22%.

利用2017年和2019年沉水植被優(yōu)勢種群的實(shí)測樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過混淆矩陣[9]，對2017年和2019年沉水植被優(yōu)勢種群分布結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證(表5). 結(jié)果顯示，沉水植被優(yōu)勢種群的分類總體精度為62.08%，Kappa系數(shù)為0.56. 其中，菹草和伊樂藻的生活史和其他種群有明顯的區(qū)別，因此生產(chǎn)者精度最高，分別為71.42%和66.67%；由于微齒眼子菜與狐尾藻、馬來眼子菜與苦草的生活史相似，提取的狐尾藻與苦草圖層中可能混雜著少量微齒眼子菜與馬來眼子菜，因此微齒眼子菜和馬來眼子菜的生產(chǎn)者精度較低，分別為52.17%和54.17%.

表4 水生植被類群和藍(lán)藻水華的分類精度

2.2 圍網(wǎng)拆除前后水生植被類群變化分析

2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)同季節(jié)水生植被類群和藻華的空間分布如圖3，其面積統(tǒng)計如表6，分析結(jié)果顯示：(1)圍網(wǎng)拆除前后，挺水植被的面積分別為8.29和11.03 km2，占比分別為4.06%和5.41%. 這可能是由于挺水植被集中分布在近岸邊淺水區(qū)，且蘆葦對水環(huán)境有著較強(qiáng)的適應(yīng)能力[25]，因此圍網(wǎng)拆除行為對其影響較小(表6). (2)圍網(wǎng)拆除前，沉水植被為東太湖的優(yōu)勢類群，面積約為32.12 km2，占比為15.75%；浮葉植被面積為29.87 km2，占比為14.65%. 圍網(wǎng)拆除后，沉水植被分布面積減少至21.01 km2，占比為10.30%；浮葉植被分布面積增加至40.72 km2，占比為19.97%，成為分布面積最大的水生植被優(yōu)勢類群. 這可能是因?yàn)椋孩賴W(wǎng)拆除前，漁民為了河蟹的優(yōu)質(zhì)生長，會人為補(bǔ)充圍網(wǎng)中的沉水植被，并自發(fā)地對圍網(wǎng)區(qū)內(nèi)的浮葉植被進(jìn)行打撈調(diào)控[26-27]；圍網(wǎng)拆除后，漁民不再種植沉水植被，且不會對浮葉植被進(jìn)行打撈調(diào)控，而浮葉植被競爭能力大于沉水植被[28]；②圍網(wǎng)拆除后，原圍網(wǎng)區(qū)湖泊水動力加強(qiáng)，而浮葉植被抗風(fēng)浪能力比沉水植被更強(qiáng)[29]. (3)圍網(wǎng)拆除前，未在東太湖監(jiān)測到藍(lán)藻水華；圍網(wǎng)拆除后，在太浦閘口附近水域監(jiān)測到藍(lán)藻水華的存在，面積為8.79 km2，占比為4.31%(表6). 這可能是因?yàn)椋簢W(wǎng)養(yǎng)殖時期，漁民長期向養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)投放餌料和魚藥，圍網(wǎng)區(qū)富含營養(yǎng)鹽的底泥沉積物劇增、水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重[30]，但該區(qū)域水生植被茂盛，抑制了藍(lán)藻水華的暴發(fā)[31]. 圍網(wǎng)拆除后，沒有了圍網(wǎng)的阻隔，在水動力的作用下，原圍網(wǎng)區(qū)底泥沉積物釋放至太浦閘口附近水域，加重了該片水域的富營養(yǎng)化程度.

2.3 圍網(wǎng)拆除前后沉水植被優(yōu)勢種變化分析

2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)不同月份的沉水植被空間分布如圖4，其面積變化如圖5. 分析結(jié)果顯示：由于不同沉水植被種群的生活史不同，沉水植被的空間分布和面積隨著時間發(fā)生變化；圍網(wǎng)拆除后，除1月份，其余月份沉水植被面積均小于圍網(wǎng)拆除前的面積.

圖3 2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)同季節(jié)水生植被類群和藍(lán)藻水華的遙感監(jiān)測圖

2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)沉水植被優(yōu)勢種群的空間分布如圖6. 結(jié)果顯示：圍網(wǎng)拆除前，除微齒眼子菜優(yōu)勢度較低，分布面積占比僅為3%，其它種群如菹草、伊樂藻、金魚藻、苦草、馬來眼子菜和狐尾藻的優(yōu)勢度均較高，面積占比分別為27%、24%、17%、10%、10%和9%；圍網(wǎng)拆除后，除菹草、伊樂藻與狐尾藻的優(yōu)勢度較高，面積占比分別為47%、22%和16%，其它種群分布面積占比之和僅為15%. 這可能是因?yàn)椋孩賴W(wǎng)拆除前，水流被圍網(wǎng)阻隔，水動力擾動較弱；圍網(wǎng)拆除后，原圍網(wǎng)區(qū)湖泊水動力作用加強(qiáng)，對苦草、金魚藻等種群的生長產(chǎn)生了不利的影響[32]. 而菹草、伊樂藻與狐尾藻能較好的適應(yīng)風(fēng)浪擾動的水動力環(huán)境[33-35]，因此三者的優(yōu)勢度較高；②圍網(wǎng)拆除后，浮葉植被在夏季大量繁殖，分布面積上升. 因此生長時期與其相近的苦草、金魚藻、馬來眼子菜等種群優(yōu)勢度降低. 而菹草和伊樂藻能在冬季存活[18-19]，且夏季生長的狐尾藻分布在浮葉植被較少的區(qū)域，因此三者的優(yōu)勢度較高.

表6 2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)同季節(jié)水生植被類群分類面積統(tǒng)計

圖4 2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)不同月份沉水植被遙感監(jiān)測圖

圖5 2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)不同月份沉水植被面積動態(tài)變化

圖6 2017年(圍網(wǎng)拆除前)和2019年(圍網(wǎng)拆除后)沉水植被優(yōu)勢種群分布遙感監(jiān)測圖

3 結(jié)論

本研究基于Sentinel-2系列影像，利用決策樹遙感分類方法，對東太湖圍網(wǎng)拆除前后水生植被類群的變化進(jìn)行了監(jiān)測和變化分析，結(jié)論為：圍網(wǎng)拆除后，東太湖水生植被優(yōu)勢類群由圍網(wǎng)拆除前的沉水植被轉(zhuǎn)變?yōu)楦∪~植被；同時，結(jié)合東太湖沉水植被七大優(yōu)勢種群的生活史差異，構(gòu)建了沉水植被優(yōu)勢種群的提取方法，對東太湖圍網(wǎng)拆除前后沉水植被優(yōu)勢種群進(jìn)行了監(jiān)測和變化分析，結(jié)果顯示：圍網(wǎng)拆除后，沉水植被分布面積減少，且種群由優(yōu)勢度相差不大的七大優(yōu)勢種群逐步向菹草和伊樂藻占據(jù)絕對優(yōu)勢發(fā)展，逐漸趨于單一化. 從水生植被群落生態(tài)作用的角度來看，這種變化顯示圍網(wǎng)拆除行動對東太湖生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展是不利的，但其對水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)的綜合影響仍需一個更長時間才能進(jìn)行全面評估.