地中海西北海岸线生态系统研究：多维遥感反演土地利用时空演化规律

钱丽源 （西班牙）恩瑞克·巴特约·杜朗尼 周斯翔

1 全球海岸线现状

1.1 全球海岸线

过去一个世纪以来，欧美以及亚洲各大沿海城市迅速扩张，资源过度开采，自然与人为灾害频发，这对海岸线自然缓冲区的生态系统造成了不可逆的摧毁，特别是在海岸线上过度的旅游开发，以及城市垃圾填埋场、郊区铁路和高速公路的建设等[1]。因此，过去半个多世纪以来，很多沿海城市在海岸线自然缓冲区破碎化异常严重的区域陆续地展开了生态修复[2]。通过对全球海岸线修复代表性案例进行分析，可发现其主要分为2种修复方向。

一种是修复成原始自然状态。如西班牙菲格拉斯市（Figueras）的地中海俱乐部被拆除后修复成原始地质自然公园[3]——德克雷乌斯角（Cap De Creus）自然公园；美国华盛顿州奥林匹克半岛的埃尔瓦河（Elwha River）上的两座水坝被拆除，使该河恢复自然状态，这是美国历史上最大的大坝拆除工程[4]；新西兰的奥隆戈湾（Orogo Bay）采煤厂被恢复成鸟类栖息地；荷兰入海口农田被修复为洪泛区；美国圣巴勃罗湾入口的纳帕·索诺玛（Napa Sonoma）沼泽地的盐田计划停止后被修复还原成滨海湿地[5]。另一种是建造新的自然环境。如西班牙加拉夫（Garraf）垃圾填埋场被修复成梯田式的自然公园[6]；美国钱伯斯湾皮尔斯县（Pierce County, Chambers Bay）政府将采煤厂修复成公共高尔夫球场；西班牙瓦伦西亚市的塞勒（Saler）海滩上的酒店被清理，场地经修复后建造了一条新的沙丘廊道以抵御风暴的侵蚀[7]；菲律宾海啸重灾区按照红树林模块进行再生修复；美国新泽西垃圾填埋场被改造修复成滨海湿地公园[8]。

1.2 地中海西北海岸线

地中海西北海岸线因其宜人的气候、丰富的历史和多样的文化吸引了大约1/3的国际游客，成为世界上最受欢迎的旅游目的地之一。20世纪50年代开始，为了承载每年访问该区域的大量游客，地中海西北海岸线城市大力发展旅游业。但新增的旅游业项目往往集中在城市的自然缓冲区，这对濒危的地中海物种（如海龟、海豹等）的生境构成了严重威胁，对沿岸海洋生境造成了较严重的干扰,如海岸侵蚀和污染等[9]。从1960年起，西班牙政府陆续展开一系列生态修复工程，如德克雷乌斯角自然公园修复、加拉夫垃圾填埋场修复、瓦伦西亚市海岸线塞勒海滩修复等。

1）德克雷乌斯角自然公园。位于西班牙菲格拉斯市域的布拉瓦海岸（Costa Brava），是全球十大黄金海岸之一，距巴塞罗那仅60 km，是欧洲北部居民的度假胜地。1961年，地中海俱乐部在此建成，俱乐部拥有430栋建筑，每年夏季接待约900名游客。该项目被公认是地中海现代主义运动（Mediterranean Modernism movement）①中对环境影响最为严重的案例之一[10]。2003年夏天，地中海俱乐部停止营业，并于2008—2010年被拆除，地中海沿岸城市有史以来最大的修复项目由此开始，其生态恢复进程正式拉开序幕。巴塞罗那加泰罗尼亚（Catalonia）自治区政府宣布地中海俱乐部更名为德克雷乌斯角自然公园（图1），并因其所拥有的珍贵地质和植物学价值被定为国家级保护区。

1 德克雷乌斯角自然公园Cap de Creus Natural Park1-1 修复前实景（2008年）Real scene before restoration (2008)1-2 修复后实景（2012年）Real scene after restoration (2012)

2）瓦伦西亚市海岸线塞勒海滩修复项目。瓦伦西亚市海岸线长11 km，由一条带状的沙滩和潟湖围合而成。人们在塞勒海滩集中建设了大规模酒店（图2-1），而该开发区域正位于濒危的布哈伊拉生态系统（Buhâira ecosystem）中，建设开发活动对这一古老的生态系统造成了毁灭性破坏。由于大规模的开发，海滩范围缩小，沙丘被夷为平地，而这些沙丘带原本遏制了海滩后方灌木和树林的沙化趋势[10]。考虑到塞勒海滩受到了严重侵蚀，1973年，在西班牙生态学家的抗议下，旅游开发商停止了该区域内有关破坏自然环境的建设项目。1986年此区域被命名为阿勒布菲雅（Albufera）自然公园[11]。1990年，瓦伦西亚市政府开始了此海滩区域的修复计划，拆除了码头、学校等部分建筑物，并建造了一条新的沙丘廊道（图2-2）。它以新月形沙丘（crescentshaped dune）②为模块（图3），由典型的灌木丛编织出沙丘的基本支撑结构。为了抵御强力的海风以及强日晒，植被均选择了低矮耐旱的攀爬类灌木[12]。

2 塞勒海滩Saler Beach2-1 旅游业开发时期的塞勒海滩（1977年）Saler Beach site during the period of tourism development (1977)2-2 生态修复10年后的塞勒海滩（2014年）Saler Beach site, 10 years after ecological restoration (2014)

3 塞勒海滩修复后的新月形沙丘（2000年）Crescent-shaped dunes on Saler Beach after restoration (2000)

2 研究方法

为了更科学、高效地揭示一个区域海岸线生态系统承载力的变化规律，本研究将以地中海西北海岸线为研究对象，以景观格局为理论支撑，从时间和技术等多维度出发，通过遥感技术对研究地块过去60年的地表森林生物质③以及景观生态指数进行反演，实现对大、中、小尺度海岸线生态安全现状的科学、精准的时空演化模拟，进而为高效、科学地修复破碎化的沿海城市生态系统提供多维尺度的数据与技术支撑。

2.1 支撑理论

海岸线生态系统承载力最有力的衡量标杆是区域生态系统的自然复原力[13]。通过对其自然复原力进行科学的监控，实现对生态系统连通性规律的探索。生态系统、景观生态学和栖息地之间存在着不可分割的关系，生态系统的连通性由景观格局支撑，景观格局由不同土地性质的斑块、廊道、基质构成，是衡量生态系统连通性现状的重要元素[14]。沿海区域的任一景观格局要素遭到破坏，均可引发生态系统中能量循环的断裂，直接导致城市生态系统破碎化，丧失自然复原力[15]。

2.2 技术路线

在过去的一个世纪中，地中海西北海岸线区域用地性质发生变化的主要原因在于基础设施建设扩张，这些建设工程直接导致了林地面积骤减、湿地灌木区域萎缩、土地沙化等严重后果。因此选择以代表海岸线林地现状的森林生物质、基础设施面积、归一化植被指数（normalized difference vegetation index, NDVI）④、侵蚀区域面积作为本研究的生态因子[16]，通过对1972—2022年的生态因子进行提取，构建生态系统连通性监控与规律探索的动态模型（图4）。1）通过遥感技术对全球海岸线60年森林生物质进行监测，对大尺度全球海岸线森林碳储量生态安全现状基质进行监控比对。2）通过仿真生态建模软件（如Envi、HEC-RAS、QGIS、Cyclone等），采用高分辨率微型载人飞机进行实地数据采集，对Landsat 8卫星陆地成像仪（operational land imager, OLI）和Landsat 7、Landsat 5、哥白尼Sentinel卫星雷达的原始数据第1～7波段进行大气校正，并提取NDVI。其计算方式是利用红光与近红外光的反射，获得城市沿海岸线区域的植被基质模型，该模型用以监控绿色植被的生长状况。3）通过植被生态指数模型推演，实现对地中海西北海岸线上2个核心海岸生态修复点位（德克雷乌斯角自然公园、瓦伦西亚市塞勒海滩）的高精度小尺度监控，通过模型构建，对其自然复原力进行解析，从而判定海岸线缓冲区修复案例在修复后的生态系统连通性状态，发现干扰因子。在此基础上，提出增强沿海城市缓冲区的自然复原力、构建海岸线生态安全屏障、优化沿海城市生态系统的策略[17]。

4 多维遥感分析技术路线Technical route for multidimensional remote sensing analysis

3 大尺度：解析全球海岸线森林碳储量现状

基于ORNL DAAC提供的全球森林生物质分布图（分辨率100 km×100 km），通过SNAP和ARCMAP软件构建出1950年和2010年全球海岸线森林生物质模型，对比1950年与2010年的模型（图5），结果显示：过去60年间，不同区域和国家海岸线的破坏直接威胁着沿海人类栖息地——城市的生存与安全。生物质明显减少的区域主要分布在南美西部海岸线，以及中国东部海岸线和东南亚岛屿国家海岸线，这些区域由于旅游开发、矿产开发过度，森林砍伐严重，导致土壤沙化，生态系统破碎化严重；生物质增加明显的区域主要集中在美国东北部和西部海岸线、地中海海域海岸线、新西兰主岛海岸线。从大尺度生物质时空演化比对模型可以解析出全球海岸线历经半个世纪的修复，生态系统总体呈现出积极修复的状态，但也有部分海岸线在修复后，仍然受城市扩张、环境污染等干扰，其生态现状依然持续退化。

5 1950年（5-1）、2010年（5-2）全球海岸线森林生物质分布Global distribution of coastline forest biomass in 1950 (5-1) and 2010 (5-2)

基于1950年全球森林生物质模型（分辨率100 km×100 km），提取1950年西班牙东北部海岸森林生物质分布（图5）。模型解析显示，西班牙西北部海岸线北部区域森林生物质更高，因为北部区域紧邻阿尔卑斯山脉，而南部沿海因城市扩张以及旅游业的过度开发，森林生物质低。其历史原因主要是地中海沿岸大部分原生植被已经被数千年的人类活动所改变，几乎不存在相对完整的自然区域[18-19]。西班牙三大城市中就有两座城市（巴塞罗那和瓦伦西亚）位于地中海西北海岸线上，大规模的旅游开发对其城市海岸线区域的干扰尤为严重[13]。

4 中尺度：地中海西北海岸线用地性质时空演化

在本研究中，地中海西北海岸线的研究区域面积控制在11 541 653 hm2。1975—2022年土地用地性质时空演化遥感模型显示，海岸线上的主要城镇处于持续扩张中，植被区域破碎化趋势日渐加剧。笔者根据遥感影像（图6）反演出用地性质的具体数值，发现基础设施用地面积从1975年至今一直处于持续增长中，特别在1992—2013年增长幅度最大。城市的扩张导致卫星城镇的出现，进而导致基础设施的增加主要集中在海岸线城镇与内陆城镇之间。遥感模型显示，此阶段城市扩张、旅游发展速度加快，与此同时农田面积也大幅增加。而在此期间植被区域的面积减少最多，主要集中在城市郊区。然而到了2013年，此区域显示出微小但关键的变化：基础设施建设面积与农业受干扰面积均缓慢减少，而植被区域大幅增加（表1）。笔者将此演化规律与地中海海岸线现状进行时空比对，发现地中海西北海岸线在2014年之后，受欧洲经济危机影响城市基础设施建设处于停滞阶段，同时一些国家从20世纪七八十年代对海岸线采取的一系列修复措施也在逐渐显现出生态系统的修复效应。

6 1975—2022年地中海西北海岸线用地性质分类Classification of land use types along the northwestern Mediterranean coastline during the period from 1975 to 2022

表1 1976—2022年地中海西北部海岸线土地类型面积Tab. 1 The area of land type along the northwestern Mediterranean coastline from 1976 to 2022

5 小尺度：海岸线区域生态连通性监控

通过大、中尺度维度的解析可知，全球沿海城市的建设活动以及自然灾害对海岸线自然缓冲区的生态系统具有切割、隔离、阻碍或扰动作用，直接导致生态系统连通性被打断，不可避免地会对景观格局造成严重破坏。在过去60年中，特别在美国西北海岸线、新西兰的东北海岸线，以及地中海西北海岸线，生态修复方式主要是本土植被的培育以及硬质地表构筑物的拆除等。因此，在监控以上区域海岸线现状时，主要检测的生态因子是沿海岸线区域的植被用地性质。通过植被生态指数模型推演，对地中海西北海岸线上2个核心海岸生态缓冲区修复点位（菲格拉斯市德克雷乌斯角自然公园、瓦伦西亚市塞勒海滩），进行小尺度生态系统连通性监测，并提出城市生态系统优化策略。

菲格拉斯市的德克雷乌斯角自然公园修复工程于2010年完工，瓦伦西亚市塞勒海滩修复工程于1996年完工。2个项目从完工至今，分别经历了10年和近25年的自然演替。由于经费不足，以及面积过大、风沙等恶劣天气过多，自然保护区的工作人员对于这2个项目的后期维护，主要限于植被的季节性灌溉和修剪。除此之外，项目均处于自然复原力演替的状态下。考虑到夏季雨水充足，风力偏弱，植被生长茂盛，数据分析结果更易于解析，故选择2009年8月16日和2018年8月20日（德克雷乌斯角自然公园修复工程），1994年8月25日和2018年8月2日（塞勒海滩修复工程）进行数据提取，对4组原始卫星数据进行地表NDVI的提取，并针对性地对修复范围内的NDVI自然演替趋势进行统计对比分析，从而对其自然复原力进行判定。在NDVI提取形成的时空演化模型中，德克雷乌斯角自然公园修复项目在2009年8月16日—2018年8月20日这10年的自然复原力演替过程中，NDVI＜0的区域从95%成功演替到0.5%，这意味着本土植被的生长完全适应了修复后的新的自然保护区（图7）；而塞勒海滩修复项目自1994年8月25日—2018年8月2日，在经过了近25年的自然复原力演替过程后，NDVI模型数据表明NDVI＜0的区域从10%演替到85%，表明大部分区域目前位于NDVI＜0的状态，并且NDVI＞0.5的区域在显著缩减中，可见植被的生长状况并没有恢复，甚至有持续退化的趋势（图8）。因此判定，德克雷乌斯角自然公园的生态连通性与自然复原力大大强于瓦伦西亚塞勒海滩[20]。

7 德克雷乌斯角自然公园修复后的自然复原力演替过程Self-resilience succession process of the Mediterranean Cap de Creus Natural Park after restoration7-1 卫星图像Satellite image7-2 NDVI模型提取NDVI model extraction7-3 NDVI统计NDVI statistics

8 塞勒海滩修复后的自然复原力演替过程Self-resilience succession process of the Saler Beach after restoration8-1 卫星图像Satellite image8-2 NDVI模型提取NDVI model extraction8-3 NDVI统计NDVI statistics

是什么因素导致塞勒海滩的生态连通性呈现出退化的趋势，而修复后的德克雷乌斯角自然公园生态连通性与自然复原力呈现出阶段性成果？在研究初期的文献查找过程中，笔者发现塞勒海滩修复过程中商业开发问题已显露端倪，很多土地权属问题没有彻底解决。比如修复前建设的酒店、高尔夫球场、赛马场、大型停车场均未拆除，并至今依然在保护区范围内正常营业。笔者将2个项目的NDVI演化模型提取及解析区域扩大到周边城镇以及农田范围，尝试通过对修复区及相邻城市的发展轨迹对比解析其相邻区域的自然演替是否存在影响关系。德克雷乌斯角自然公园距离菲格拉斯主城区约40 km，塞勒海滩距离巴伦西亚主城区约10 km；菲格拉斯主城区面积约500 hm2，而瓦伦西亚主城区面积约10 000 hm2。对其复原力变化趋势进行解析，结果发现：德克雷乌斯角自然公园与菲格拉斯主城区在2009年8月16日—2018年8月20日这10年的自然演替过程中，NDVI>0的区域处于稳定增长的趋势，并且周边未出现卫星城镇的扩张现象，这意味着德克雷乌斯角自然公园项目保护区外部的城镇扩张处于有效的控制之下，为缓冲区内部的生态恢复与良性自然演替提供了稳定的平台（图9）；而塞勒海滩及瓦伦西亚主城区在1994年8月25日—2018年8月2日的近25年的自然演替过程中，不仅NDVI＜0的区域处于持续增长的趋势，而且其周边卫星城镇也处于同步扩张中，这意味着瓦伦西亚主城区的扩张直接干扰了塞勒海滩的恢复与自然演替。通过对比分析发现，地中海西北沿海城市规模越大，自然缓冲区越小，其自然复原力越弱，生态系统连通性越差，修复的难度也越大（图10）。最终判定，制约瓦伦西亚城市沿海岸线区域生态连通性的干扰因子有：城市本身的规模、城市扩张的速度、周边卫星城镇的扩张以及城市自然缓冲区的规模。以上干扰因子数值越大，意味着这座城市的海岸线生态连通性越小，生态系统破碎化越严重，修复难度也越大。

9 德克雷乌斯角自然公园自然演替过程的NDVI模型（2009年8月16日、2018年8月20日）NDVI model for the self-resilience succession process of the Mediterranean Cap de Creus Natural Park (August 16,2009 and August 20, 2018)

10 塞勒海滩自然演替过程的NDVI模型（1994年8月25日、2018年8月2日）NDVI model for the self-resilience succession process of the Saler Beach (August 25, 1994 and August 2, 2018)

6 结论与启示

本研究通过遥感技术精准且高效地揭示了多维时间以及地域尺度下的地中海西北海岸线生态系统土地利用演化规律，从技术层面实现了多维度联动解析的突破性创新。同时通过应用景观生态学理论，对海岸线生态系统监控新的理论体系进行探索[21]。经过对全球海岸线以及地中海西北海岸线用地性质时空演化模型规律的推演，总结出针对海岸线生态连通性的相关结论与启示。

1）通过对大尺度下全球海岸线森林碳储量演化规律的解析，揭示了沿海城市基础设施建设规模的缩减对于海岸线生态系统恢复意义重大，并直接影响着城市的生态安全及其生态系统的变化趋势。在中小尺度下，对地中海西北海岸线上的代表城市菲格拉斯市和瓦伦西亚市海岸线2个时间跨度的NDVI模型进行对比，发现当被修复的海岸线进入自然演替进程中时，自然连通性的复原对于周边环境的依赖性极大。其制约因子不仅仅局限于沿海城市的扩张速度和范围，气候变化、产业带来的污染等都将会成为未来沿海城市海岸线修复与演替的关键性干扰因子，这些已成为海岸线生态系统面临的新的挑战。

2）从景观生态学景观格局视角出发，发现：地中海西北海岸线几个项目点位的成功修复意味着海岸线斑块实现了自然复原力的恢复。然而斑块的成功修复并不意味着整条海岸线生态系统的恢复。在此问题上，可以借鉴美国的海岸线修复项目，该项目对全美海岸线上（包括钱伯斯湾、弗拉姆博矿、纳帕·索诺玛沼泽、班顿沼泽等）的近16 hm2湿地进行修复。这些案例不仅仅是独立的修复案例，事实上，这些修复项目形成了一个生态恢复系统，将斑块、廊道、基质连接在一起，实现真正意义上的生态连通性的修复。

对全球海岸线现状的分析，启示我们必须加强海岸线生态系统连通性的监控，对优化沿海城市生态系统联通性提出准确科学的可量化评判参数和改进措施，从而实现真正意义上的海岸线生态系统修复，构建可持续的沿海城市生态安全屏障。

注释(Notes)：

① 地中海现代主义运动是建筑学专有名词，发源于地中海地区的乡土传统建筑，盛行于20世纪初整个欧洲，多出现于现代主义建筑与私有领地中。

② 根据Landsat卫星获取的遥感图像，在全球范围内将沙丘分为5种基本类型：新月形、线性、星形、圆顶形和抛物线形。新月形是地球和火星上最常见的沙丘形式，通常沙丘滑动面位于沙丘的凹面。该类型沙丘是由从一个方向吹来的风形成的，相比其他类型的沙丘，风在新月形沙丘表面上的移动速度最快。

③ 森林生物质是森林生态系统生产与代谢过程长期积累的结果，是森林生态系统运转的能量基础和物质来源，包括林木的生物量（根、茎、叶、花果、种子和凋落物等的总重量）和林下植被层的生物量。森林生物质的定量估算为全球碳储量、碳循环研究提供了重要的参考。

④ NDVI是一个数值指标，用于分析遥感观测所得到的信息。NDVI通常是用卫星遥感数据计算，用来评估目标地区绿色植被的生长状况。NDVI之值介于-1～1：负值表示地面覆盖为云、水、雪等，对可见光高反射；0表示有岩石或裸土等；正值表示有植被覆盖，且数值随覆盖度增大而增大。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

图1由EMF事务所提供；图2由Ministerio para la Transición Ecológica提 供；图3由Alfredo Fernández de la Reguera提供；图4由作者绘制；图5由作者通过对ORNLDAAC机构提供的基础卫星数据源进行遥感反演模型构建绘制；图6～9由作者通过对Landsat 8、Landsat 7以及Landsat 5卫星、哥白尼sentinel卫星雷达的原始数据第1～7波段进行环境数据提取并构建模型绘制；图10、11根据Landsat5、Landsat 7、Landsat 8卫星数据进行提取、建模并绘制；表1由作者绘制。