基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价

刘晓曼 ,王 桥 ,孙中平 ,候 鹏 ,庄大方 ,王昌佐 (1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101；.环境保护部卫星环境应用中心,北京 10009)

基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价

刘晓曼1,2,王 桥2,孙中平2,候 鹏2,庄大方1*,王昌佐2(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101；2.环境保护部卫星环境应用中心,北京 100029)

以生态系统健康及压力－状态响应模型作为研究方法,设计了一套基于环境一号卫星CCD数据的自然保护区生态系统健康评价评价方法、指标体系和技术流程.同时选择向海湿地自然保护区为示范区,以环境一号卫星 CCD影像为数据源, 对指标, 对其生态系统健康现状进行了评价.结果表明,向海湿地自然保护区生态系统相对不健康、中等健康、较健康和相对健康的区域面积分别占整个自然保护区总面积的 46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,整个自然保护区生态系统健康水平一般,人类干扰严重,组织结构不太合理.向海湿地自然保护区生态系统健康水平一般的主要原因是人类活动日益增强和年降水量明显减少.

环境一号卫星影像；自然保护区；生态系统健康；评价

自然保护区能为人类提供生态系统的天然“本底”,是各类自然生态系统和野生生物物种的天然贮存库[1],对维护国家生态环境安全和区域可持续发展具有重要意义.但当生态系统受各种自然或人为因素干扰,超过本身的适应能力时,必然会在某些方面出现不可逆转的损伤或者退化、生产力下降、生物多样性减少、对环境的调节能力下降等,具有脆弱性[2].近年来,随着经济利益的驱使,自然保护区经济开发和农垦等人类活动日渐明显,甚至有些自然保护区被满负荷、超负荷的开发利用,出现生态系统不断退化的严峻局面,也导致自然保护区生态系统功能严重受损,生态系统健康水平下降,直接威胁到保护区的可持续发展.生态系统健康评价是将功能完好与病态的生态系统区分开并对系统进行分析,从而诊断产生病态的原因,制定预防及恢复生态系统的方法[3].国内外已经有很多学者,从各个研究领域,对生态系统健康评价进行了研究[4－15].但将生态系统健康评价理论和方法应用于自然保护区的研究不多,总体上看,自然保护区生态系统健康研究仍处在初步阶段,还没有形成一套完整和系统的理论体系和可行的评价方法.

环境一号卫星是我国继气象、海洋、资源卫星系列之后发射的又一新型的民用卫星系统,它具有中高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、宽观测带宽性能,可对我国环境变化实施大范围、全天候、全天时的动态监测,初步满足我国大范围、多目标、多专题的环境遥感业务化运行的实际需要.本研究针对2008年9月发射的环境一号卫星数据,以生态系统健康评价理论为依据,探讨了一套基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价方法、指标体系和技术流程,并选择向海湿地国家级自然保护区作为示范区进行了研究,以期为自然保护区的规划、管理和保护提供决策依据.

1 自然保护区生态系统健康评价理论

选择OECD(联合国经济合作开发署)建立的压力—状态—响应框架模型[16－17]作为国家级自然保护区生态健康评价的基础.这一框架模型具有非常清晰的因果关系,即人类活动对环境施加了一定的压力;因为这个原因,环境状态发生了一定的变化;而人类社会应当对环境的变化作出响应,以恢复环境质量或防止环境退化.而这3个环节正是决策和制定对策措施的全过程.根据该模型,同时结合国家级自然保护区生态系统健康评估的需要, 设计了一个简单的压力－状态－响应模型(图1):错误！

图1 压力-状态-反映概念框架模型Fig.1 Modle of P-S-R

压力指标:主要描述人类干扰对自然保护区带来的影响和胁迫,其中自然干扰无规则、不稳定、难以度量,人类干扰主要指以人类活动为主的生态动力源[18].

状态指标:反映自然保护区的结构和功能,具有活力、稳定和自调节的能力.评价生态系统是否健康可以从活力、组织结构和恢复力等3个主要特征来定义[19].活力表示自然保护区生态系统功能,可根据新陈代谢或初级生产力等测量;生态系统的组织是指系统的物种组成结构及其物种间的相互关系,反映生态系统的结构和功能;恢复力也称抵抗能力,根据胁迫出现时维持系统结构和功能的能力评价,当系统变化超过其恢复力时,系统立即“跳跃”到另一个状态,很多学者用弹性度来反映该指标[20].自然保护区生态状态指数表达式:

式中:NRSI为自然保护区生态系统状态指数;V为自然保护区生态活力指数;O为自然保护区生态组织指数,用0～1间的数值来表示; R为自然保护区生态弹性指数,用0～1间的数值表示.

响应指标:自然保护区受到人类干扰时,会出现一系列的变化,包括人类社会经济活动的变化.反映可以通过以下指标来体现:一是与人类经济生产有关的指标,包括人均国内生产总值、财政收入、产业结构等;二是与人类健康有关的指标,包括各种污染物的排放等等[20].

2 基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价方法

2.1 环境一号卫星遥感影像特点

环境一号卫星是由2颗光学卫星和1颗雷达卫星组成的星座,2008年9月6日发射,已经发射在轨运行的2颗光学星拥有宽覆盖CCD相机、超光谱成像仪和红外相机等传感器.环境一号A、B星各自搭载了两个宽覆盖CCD相机(CCD1和CCD2),空间分辨率是 30m,幅宽分别是 360km,2个单景的CCD影像拼接后,可覆盖地面720km的空间范围,具有很好的宽覆盖特征,单景CCD影像覆盖区域接近于4幅TM影像的范围.CCD影像的重访周期设计为4d,环境一号A、B星协同,大约 2d即可全面覆盖地面,时间分辨率高,在获取CCD影像有效数据能力方面具有明显优势.主要地物覆盖类型在CCD影像上的光谱特征从色调、纹理、几何特征等方面看,与 TM影像接近,能够满足自然保护区主要地物类型的识别.

2.2 基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价指标体系

2.2.1 指标体系的建立 根据自然保护区生态系统健康评价理论,构建3个层次的自然保护区生态健康评价指标体系.第1层次是项目层,即压力、状态、响应3个项目;第2层次是评价因素层,即每一个评价准则具体通过哪些因素决定;第3层次是指标层,即每个评价因素有哪些具体指标来表达, 同时给出每个指标层的数据来源,构建了 3个层次的湿地生态系统健康评价指标体系,同时给出每个指标层的数据来源,见表1.

表1 自然保护区生态健康评价指标体系Table 1 Assessment indicators of ecosystem health of nature reverse

2.2.2 指标提取方法 土地利用程度:土地利用程度反映自然保护区土地利用的广度和深度,其定量表达式为[21]:

式中:L为自然保护区土地利用程度综合指数; Ai为自然保护区第i级土地利用程度分级指数; Ci为自然保护区内第i级土地利用程度面积百分比; n为自然保护区土地利用程度分级数.

人类干扰强度:人类干扰指数强度是将自然保护区土地覆盖中的耕地、建设用地和道路提取出来,计算这些人工景观在区域内所占的面积比,其计算公式为:

式中:HIS是人类干扰强度; Sc、Sa、Sr分别是建设用地、农业用地、道路用地的面积; S是研究区总面积.

归一化植被指数:该指数能反映自然保护区植被冠层的背景影响,且与植被覆盖度有关,可以用来监测植被生长活动的季节与年际变化.计算公式为[22]:

式中:ρNIR是环境一号卫星近红外波段反射率,ρRED为环境一号卫星红光波段反射率.

景观多样性指数:景观多样性指数是采用生态系统(或斑块)类型及其在景观中所占面积比例,其表达式为[23]:

式中:SHDI为多样性指数, Pk是景观类型k所占面积的比例;n为景观类型数目.在一个景观系统中,SHDI值越大,景观类型越丰富.

景观破碎度指数:景观破碎度指数用于描述整个景观或某一景观类型在给定时间和给定性质上的破碎化程度,计算公式如下[23]:

式中:FNi为景观破碎度指数,Ni为第 i类斑块个数,Ai第i类斑块的总面积.

生态弹性度指数:健康的生态系统具有弹性,当生态系统受压力胁迫后,有能力保持结构和功能的稳定.在评价过程中,根据不同地物覆盖对生态弹性度的贡献和作用不同,把不同土地覆盖进行生态弹性度分级用来反映生态系统的恢复力.生态弹性度指数(EEI)计算公式如下[20]:

式中:EEI为生态弹性度指数;Si为i类土地利用类型的面积;Fi为i类土地利用的弹性度分值;S为研究区总面积.

2.3 基于环境一号卫星的国家级自然保护区生态系统健康评价方法及流程

确定评价单元:以网格作为评价单元,不同面积大小的自然保护区根据需要采用不同大小的网格.每个指标分别以单个格网为单元进行提取.

确定指标权重:根据文献[5],同时结合自然保护区的实际情况,根据各评价指标对自然保护区生态健康的贡献大小,对项目层和指标层的评价指标进行权重分配.

指标标准化:对指标因子值按该指标的最高值或最低值处理[24],如果某评价指标的量化值与保护区生态健康状况呈正相关(如归一化植被指数越大,生态健康水平越高),则该评价指标的赋值采用式(8);如果某评价指标的量化值与保护区生态健康状况呈负相关(如人类干扰强度越大,生态健康水平越低),则该评价指标的赋值采用式(9).

或

式中:Ci为评价指标i因子的标准化值;Xmin、Xmax、Xi分别为评价指标最小值、最大值、该指标i因子的实际值.

确定自然保护区生态健康模型:用加权求和的方法来实现自然保护区生态健康评价,将评价单元各因子量化值与权重相乘并求和,获得该评价单元的综合评价指数值.即:

式中:RAEHI为生态健康指数;Wi为 i因子权重值;Ci为i因子无量纲量化值.

评价分级标准:依据计算出的自然保护区生态健康评价指数确定出健康级别,具体分级区间见表2[20].

表2 自然保护区生态系统健康指标分级Table 2 Level standard of ecosystem health index of nature reserve

建立了基于环境一号卫星的自然保护区生态系统健康评价流程,见图2.

3 案例研究

3.1 研究区简介

向海湿地国家级自然保护区位于吉林省西部 通 榆 县 境 内 (44°51′N～45°17′N,122°04′E～22°42′E),面积 105400hm2,以保护世界珍稀濒危水禽丹顶鹤等及湿地沼泽生态系统为主要任务,1992年被列入《国际重要湿地名录》,同年又被世界野生生物基金会评为“具有国际意义的A级自然保护区”[25].本文以向海湿地自然保护区为研究区,以2008年9月23日的环境一号卫星HJ1A-CCD2-453-59影像为数据源,利用国家级自然保护区生态系统健康评价技术流程,对指标进行提取,对其生态系统健康现状进行了评价.

图2 基于环境一号卫星的国家级自然保护区生态系统健康评价技术流程Fig.2 Map of process of assessment of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 satellites斜框表示数据和成果,竖框表示数据处理和计算过程

3.2 评价单元

采用 500m的网格为评价单元,整个向海湿地国家级自然保护区共划分为4350个评价单元.

3.3 数据来源和处理

对环境卫星CCD数据进行解压缩、波段合成、几何精纠正等图像预处理.采用人工交互解译的方法,对向海湿地自然保护区进行土地利用分类,对分类结果进行野外核查、室内纠正,精度达到 85%以上,分类精度符合使用要求.根据该保护区实际情况,土地利用类型分为如下几类:耕地、林地、草地、湖泊、水库、沼泽、盐碱地、农村居民点.由于整个自然保护区全部位于吉林省通榆县内,人均国内生产总值、COD、SO2浓度均相同,故在本评价中不予考虑.以网格为单位,对各项指标进行标准化和分级赋值处理.权重分配主要依据相关文献[5],同时结合自然保护区的实际情况确定.由于响应指标相同,本研究不考虑,压力和状态指标权重分别为:0.3、0.7.其中压力属下2个指标权重为:土地利用程度(0.5)、人类干扰强度(0.5);状态属下 3个指标权重为:活力(0.2)、组织(0.5)、弹性(0.3);组织属下2个指标权重为:景观多样性指数(0.4)、景观破碎度指数(0.6).参考相关文献[20],同时根据向海湿地自然保护区的实际情况,对其弹性度分值给予赋值,如表3所示.

图3 向海湿地保护区人类干扰强度、土地利用程度、植被指数、景观多样性、景观破碎度、强度性及生态系统健康评价Fig.3 Map of human interference strength, land utilization degree, NDVI, landscape diversity index, landscape fragmentation index, flexibility index and ecosystem health status

表3 向海湿地弹性指数表Table 3 Index of ecological flexibility index of wetland

3.4 向海湿地国家级自然保护区生态系统健康评价结果

由图3可见,向海湿地国家级自然保护区生态系统相对不健康的区域面积为 479.70km2,中等健康的区域面积为 185.89km2,较健康的区域面积为 218.55km2,相对健康的区域面积为147.59km2,分别占整个自然保护区总面积的46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,整个自然保护区生态系统健康一般,人类活动明显,组织结构不太合理,湿地生态系统已经开始退化.该保护区人类干扰强度和土地利用程度较高,人类干扰强度高的区域占整个保护区总面积的31.93%,土地利用程度高的区域占整个保护区总面积的42.67%.活力指数不高,NDVI较低的区域面积占整个自然保护区面积的26.15%,NDVI中等的区域占整个自然保护区总面积的41.26%.多样性指数、破碎度指数和生态弹性度指数均较低,这主要是由于该保护区耕地面积不断扩大,在空间上日益连片,不断侵占湿地造成.

3.5 向海湿地国家级自然保护区生态系统健康水平下降原因

通过应用环境卫星CCD数据对向海湿地国家级自然保护区生态系统健康水平进行分析,结果表明,该自然保护区生态系统健康水平一般,这是人类活动和自然等众多因素共同作用的结果.

人类活动日益增强,随着人口数量的持续增加,以农牧业为主要产业的通榆县(保护区位于该县),农耕强度和放牧强度不断增加,一方面不断侵占湿地,导致湿地面积下降,另一方面,导致一些湖边的草滩、沼泽地出现过度开发现象,许多湿地发生盐沼化.

年降雨量明显减少,有学者研究表明[25],向海地区的年降雨量呈现出减少趋势,且降雨量的多少与湿地总面积存在着同步关系.由于降雨量的减少,而与此同时人口数量持续增加,导致用水量越来越大,湿地自身的环境越来越恶化,该保护区盐碱化现象严重.

4 结论

4.1 以生态系统健康理论为基础,以压力－状态－响应模型为主线,建立了自然保护区生态系统健康评价的方法.设计了一套基于环境一号卫星CCD数据的自然保护区生态系统健康评价评价方法、指标体系和技术流程.

4.2 选择向海湿地自然保护区为示范,以环境卫星CCD为数据源,对向海湿地自然保护区生态系统健康现状进行了评价,结果表明,相对不健康的区域面积为 479.70km2,中等健康的区域面积为 185.89km2,较健康的区域面积为 218.55km2,相对健康的区域面积为 147.59km2,分别占整个自然保护区总面积的46.49%、18.02%、21.18%、14.31%,该保护区生态系统健康一般.

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Assessment of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 remote sensing imagery.

LIU Xiao-man1,2, WANG Qiao2, SUN Zhong-ping2, HOU Peng2, ZHUANG Da-fang1*, WANG Chang-zuo2(1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China；2.Environment Satellite Center, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100029, China ). China Environmental Science, 2011,31(5)：863～870

According to the theories and approaches of the ecosystem health and the press-state-response model, the indicators, assessment method and technological process of ecosystem health of nature reserve based on HJ-1 CCD remote sensing imagery were built in this study. Meanwhile, by using HJ-1 CCD remote sensing imagery, according to the assessment cell of grid, the study assessed the present situation of ecosystem health and explores the spatial distributing rules of Xianghai wetland nature reserve. The following results were obtained: In the structure of wetland ecosystem health of Xianghai wetland nature reserve, not-healthy area 46.49%, medium-healthy area18.02%, less-healthy area 21.18%, healthy area 14.31%. The wetland ecosystem heath was ordinary. The human interference strength was very strong. The organization and structure was irrational. The main reasons were attributed to the increasing human activity and the decrease of precipitation per-year.

HJ-1 remote sensing imagery；nature reserve；ecosystem health；assessment

X820

A

1000-6923(2011)05-0863-08

2010-09-06

“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAC08B02, 2008BAC34B06)

* 责任作者, 研究员, zhuangdf@igsnrr.ac.cn

刘晓曼(1979-),女,湖北宜昌人,中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生,主要从事自然保护区监测与评价以及生态遥感应用方面的研究.发表论文近10篇.