沂沭河流域生态系统变化监测与分析

临沂大学 张雨晴，王玉萍，孙源远，吴晓，韩飞扬，李凯

传统的生态系统监测方法以地面监测调查记录为主，不但时效性差，而且监测范围小、人力物力消耗巨大，已经无法适应人类社会快速发展的需求。遥感技术的诞生为生态系统监测提供了捷径，其优势在于监测范围广、时间和空间分辨率高、成本低廉以及可达性好等。

目前针对生态系统的遥感监测主要通过监测土地覆盖，尤其是植被的变化来衡量其退化程度，常见的监测方法包括土地覆盖变化法（郑丙辉等，2005；王刚等，2013）、植被指标法（文星，2012；马琳雅，2014）、指标体系法（杜子涛，2012；Symeonakis，2004）等。其中，指标体系法考虑全面，应用较为广泛，但由于影响生态系统变化的因子很多，所选取的评价指标也各不相同，这在一定程度上影响了生态系统变化监测的准确性。

如何合理构建科学的生态系统遥感监测指标体系，是今后需要解决的问题。

一、研究区概况与数据源

本文研究区为沂沭河流域，地处山东东南部，总面积17191平方公里。流域内有沂河和沭河两条干流，自北部有沂蒙等山脉延伸，控制着河流上游流向，向南冲积出临郯苍平原。该研究涉及的数据资料有：（1）1985、1990、1996、2000、2004、2007、2009、2015、2019 年的Landsat影像；（2）沂沭河流域DEM图像。数据均来自地理空间数据云。

二、研究方法

（一）指标体系的构建

对于人类而言，生态系统的意义在于其可以提供各种生态系统服务，而生态系统服务可分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务（MA,2005；谢高地等，2015；荣月静等，2019）。因此，本研究选取可以反映不同生态系统服务类型的生态因子，构建一套基于遥感的生态系统监测综合指标体系（表1）。

表1 生态系统遥感监测指标体系

（二）指标的计算

1.NPP

参考根据LandSat8 OLI数据构建的以NDVI(归一化植被指数)为驱动因子的NPP遥感估算模型（李成秀等，2016），该模型可以用于地形起伏较大区域的NPP估算。

2.生态承载力

生态承载力计算方法如下（岳东霞等，2009）：

ecc为生态承载力 ；ai为第i类生物生产土地的面积 ；ri为均衡因子 ；yi为产量因子。

其中，均衡因子和产量因子是统一采用《中国生态足迹》报告中公布的数值。土地利用图在ArcGIS中采用影像监督分类的方法，创建训练样本，将不同的土地利用类型进行分类，创建特征文件，使用最大似然法，最后成图。

3.水体密度

针对2000年前的Landsat5卫星数据，利用归一化云指数（INDC）、改进型归一化水体指数（IMNDW）和归一化植被指数（INDV）进行水域提取（权维俊等，2007）。针对2000年 后 的Landsat5、Landsat7和Landsat8数据。经实践，采用效果更好的改进型归一化水体指数（MNDWI）进行提取。计算方法如下

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

其中，G和MIR分别表示绿光和中红外波段。

4.土壤含水量

土壤含水量数据使用欧空局CCI项目发布的全球土壤湿度数据，该数据分辨率为0.25°，使用ArcGIS空间插值成30m分辨率。

5.地表温度

地表温度使用张兆明等（2020）发布的60m分辨率中国区域Landsat地表温度产品。

6.土壤侵蚀程度

根据DEM、土地利用图、NDVI，使用ArcGIS相应工具，制作耕地分布图、植被覆盖度图、坡度图，然后进行叠加分析并重分类生成沂沭河流域土壤侵蚀程度图，分级方法参照朱洪芬等（2014）。

7.景观破碎度

景观破碎度通过下面的指标衡量（张荣,2010）:

PD =NP/A

其中，PD表示景观破碎度，NP表示地类斑块数量，A表示区域总面积。

（三）权重的计算

熵值法常用来确定指标权重，可以避免主观赋权重带来的臆断问题。本研究采用熵值法计算指标权重，计算方法参照王富喜等（2013），计算结果见表2：

表2 各指标权重表

三、结果分析

通过分析沂沭河流域近35年的生态综合评价指数（图1）可知，流域东南部的主要平原地区生态综合评价指数在1985至2000年一直呈现稳定上升的趋势，但在2000至2019年平原生态环境逐渐恶化，生态综合评价指数逐年下降；流域北部的主要山地地区生态综合评价指数于1985至2000年持续下降，在2000至2004年有所改善，但在2004至2009年继续下降，直到2015年生态综合评价指数才有所上升。流域区近几十年经济发展迅速，人口基数庞大，加快了推进城镇化的速度，居住用地和工业用地的增加降低了植被覆盖率，整个城市的生态多样性被削弱，进而导致整个城市的生态承载力随之下降。在城市规划和建设过程中，需要认真评估对生态综合评价指数的影响，城市的发展不应该以损害巨大的生态环境为代价，而应当寻求一条生态和谐、可持续发展的道路。

图1 沂沭河流域1985-2019年综合评价指数专题图