沂沭河流域生態(tài)系統(tǒng)變化監(jiān)測與分析

臨沂大學(xué) 張雨晴，王玉萍，孫源遠(yuǎn)，吳曉，韓飛揚(yáng)，李凱

傳統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測方法以地面監(jiān)測調(diào)查記錄為主，不但時(shí)效性差，而且監(jiān)測范圍小、人力物力消耗巨大，已經(jīng)無法適應(yīng)人類社會(huì)快速發(fā)展的需求。遙感技術(shù)的誕生為生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測提供了捷徑，其優(yōu)勢在于監(jiān)測范圍廣、時(shí)間和空間分辨率高、成本低廉以及可達(dá)性好等。

目前針對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的遙感監(jiān)測主要通過監(jiān)測土地覆蓋，尤其是植被的變化來衡量其退化程度，常見的監(jiān)測方法包括土地覆蓋變化法（鄭丙輝等，2005；王剛等，2013）、植被指標(biāo)法（文星，2012；馬琳雅，2014）、指標(biāo)體系法（杜子濤，2012；Symeonakis，2004）等。其中，指標(biāo)體系法考慮全面，應(yīng)用較為廣泛，但由于影響生態(tài)系統(tǒng)變化的因子很多，所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)也各不相同，這在一定程度上影響了生態(tài)系統(tǒng)變化監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

如何合理構(gòu)建科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測指標(biāo)體系，是今后需要解決的問題。

一、研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

本文研究區(qū)為沂沭河流域，地處山東東南部，總面積17191平方公里。流域內(nèi)有沂河和沭河兩條干流，自北部有沂蒙等山脈延伸，控制著河流上游流向，向南沖積出臨郯蒼平原。該研究涉及的數(shù)據(jù)資料有：（1）1985、1990、1996、2000、2004、2007、2009、2015、2019 年的Landsat影像；（2）沂沭河流域DEM圖像。數(shù)據(jù)均來自地理空間數(shù)據(jù)云。

二、研究方法

（一）指標(biāo)體系的構(gòu)建

對(duì)于人類而言，生態(tài)系統(tǒng)的意義在于其可以提供各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)（MA,2005；謝高地等，2015；榮月靜等，2019）。因此，本研究選取可以反映不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的生態(tài)因子，構(gòu)建一套基于遙感的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測綜合指標(biāo)體系（表1）。

表1 生態(tài)系統(tǒng)遙感監(jiān)測指標(biāo)體系

（二）指標(biāo)的計(jì)算

1.NPP

參考根據(jù)LandSat8 OLI數(shù)據(jù)構(gòu)建的以NDVI(歸一化植被指數(shù))為驅(qū)動(dòng)因子的NPP遙感估算模型（李成秀等，2016），該模型可以用于地形起伏較大區(qū)域的NPP估算。

2.生態(tài)承載力

生態(tài)承載力計(jì)算方法如下（岳東霞等，2009）：

ecc為生態(tài)承載力 ；ai為第i類生物生產(chǎn)土地的面積 ；ri為均衡因子 ；yi為產(chǎn)量因子。

其中，均衡因子和產(chǎn)量因子是統(tǒng)一采用《中國生態(tài)足跡》報(bào)告中公布的數(shù)值。土地利用圖在ArcGIS中采用影像監(jiān)督分類的方法，創(chuàng)建訓(xùn)練樣本，將不同的土地利用類型進(jìn)行分類，創(chuàng)建特征文件，使用最大似然法，最后成圖。

3.水體密度

針對(duì)2000年前的Landsat5衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用歸一化云指數(shù)（INDC）、改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)（IMNDW）和歸一化植被指數(shù)（INDV）進(jìn)行水域提取（權(quán)維俊等，2007）。針對(duì)2000年 后 的Landsat5、Landsat7和Landsat8數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)踐，采用效果更好的改進(jìn)型歸一化水體指數(shù)（MNDWI）進(jìn)行提取。計(jì)算方法如下

MNDWI=(G-MIR))/(G+MIR)

其中，G和MIR分別表示綠光和中紅外波段。

4.土壤含水量

土壤含水量數(shù)據(jù)使用歐空局CCI項(xiàng)目發(fā)布的全球土壤濕度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)分辨率為0.25°，使用ArcGIS空間插值成30m分辨率。

5.地表溫度

地表溫度使用張兆明等（2020）發(fā)布的60m分辨率中國區(qū)域Landsat地表溫度產(chǎn)品。

6.土壤侵蝕程度

根據(jù)DEM、土地利用圖、NDVI，使用ArcGIS相應(yīng)工具，制作耕地分布圖、植被覆蓋度圖、坡度圖，然后進(jìn)行疊加分析并重分類生成沂沭河流域土壤侵蝕程度圖，分級(jí)方法參照朱洪芬等（2014）。

7.景觀破碎度

景觀破碎度通過下面的指標(biāo)衡量（張榮,2010）:

PD =NP/A

其中，PD表示景觀破碎度，NP表示地類斑塊數(shù)量，A表示區(qū)域總面積。

（三）權(quán)重的計(jì)算

熵值法常用來確定指標(biāo)權(quán)重，可以避免主觀賦權(quán)重帶來的臆斷問題。本研究采用熵值法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算方法參照王富喜等（2013），計(jì)算結(jié)果見表2：

表2 各指標(biāo)權(quán)重表

三、結(jié)果分析

通過分析沂沭河流域近35年的生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)（圖1）可知，流域東南部的主要平原地區(qū)生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)在1985至2000年一直呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢，但在2000至2019年平原生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)逐年下降；流域北部的主要山地地區(qū)生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)于1985至2000年持續(xù)下降，在2000至2004年有所改善，但在2004至2009年繼續(xù)下降，直到2015年生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)才有所上升。流域區(qū)近幾十年經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人口基數(shù)龐大，加快了推進(jìn)城鎮(zhèn)化的速度，居住用地和工業(yè)用地的增加降低了植被覆蓋率，整個(gè)城市的生態(tài)多樣性被削弱，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)城市的生態(tài)承載力隨之下降。在城市規(guī)劃和建設(shè)過程中，需要認(rèn)真評(píng)估對(duì)生態(tài)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的影響，城市的發(fā)展不應(yīng)該以損害巨大的生態(tài)環(huán)境為代價(jià)，而應(yīng)當(dāng)尋求一條生態(tài)和諧、可持續(xù)發(fā)展的道路。

圖1 沂沭河流域1985-2019年綜合評(píng)價(jià)指數(shù)專題圖