基于Landsat影像的黄河三角洲生态系统服务功能时空变化研究

郭 贺，管青春，樊彦国

(中国石油大学(华东) 海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580)

1 引言

生态系统服务是连接人类与生态系统的纽带[1]，与人类福祉密切相关。生态系统服务具体指生态系统直接或间接地向人类提供各种产品和服务，用以维持人类正常生命活动的生态过程[2，3]。生态系统服务不仅直接关系生态系统健康状况，对实现区域经济与环境保护的双赢和可持续发展也具有重要意义。

早期对生态系统服务评估主要通过价值量和物质量2种方法进行测算[4]。在进行价值量评估时，由于测算者的主观干扰较强，评估标准不易做到统一，因此该方法的科学性低，且多适用于小尺度范围的评估[4]。随着研究的深入，通过生态系统运转过程的机理进行评估物的质量法被提出，该方法可用于大尺度的生态系统服务功能评估。其中InVEST模型应用较为普遍，该模型拥有不同的评估模块，可从多角度出发评估生态系统服务。通过量化生态系统服务，对生态系统状态进行直观的呈现和合理的分析，从而深层次的了解生态系统现状，提高土地利用效率，增强生态系统服务的整体效益[5～7]。

黄河三角洲是我国暖温带地区最完整、最广阔、最年轻的新生湿地生态系统[8]。近年来，黄河三角洲不仅受集约化围海、滩涂开垦等活动破坏，同时又受到海水侵蚀等自然因素影响，致使该区域生态稳定性减弱。生态系统受损不仅会减缓经济发展的脚步，也为人类生存埋下隐患。鉴于此，本文以黄河三角洲为研究对象，选择碳存储、生境质量、水源涵养和水土保持4个方面，从时间和空间2个角度研究黄河三角洲生态系统服务功能变化，以期为黄河三角洲生态安全管理提供科学依据，从而为黄河流域生态保护与高质量发展提供保障。

2 研究区概况

黄河三角洲由河流入海时泥沙沉积形成，是我国目前最大的三角洲[9]。近代黄河三角洲以垦利宁海为顶点，套儿河口及支脉沟口为两端构成扇形区域，北毗邻渤海湾，东接莱州湾[10]，是一个具有较高价值的陆海交错带[11]。该区域主要位于山东省东营市，包含河口区、利津县及垦利区，地理位置为东经118°06′～119°20′，北纬37°20′～38°10′，属于温暖带半湿润大陆季风气候，光照充足，冬寒夏热，四季分明，年平均降水量为530～630 mm。

3 数据源与研究方法

3.1 数据源与处理

数据源选取分辨率为30 m的1990年、2000年、2010年、2020年Landsat影像作为数据源，并通过Google Earth Engine软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、图像裁剪等处理后，结合黄河三角洲环境信息，运用随机森林的方法对遥感影像进行解译分类。本研究将研究区域的土地利用类型分为6大类，分别是：耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。解译精度通过Kappa系数以及总体精度进行评价，其精度结果如表1所示。

表1 遥感影像精度评定

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用类型变化

(1) 单一土地利用动态度。根据土地利用类型面积在某具体时间段内的年变化率，可更好的分析土地利用的变化情况[12]。通过对各土地利用类型面积变化进行分析，从而对某土地类型覆盖度进行定量分析，其计算公式如下：

(1)

式(1)中，Ua与Ub分别为开始和最后时期各土地利用类型面积，T为初末的时间间隔。

(2)综合土地利用动态度。单一土地利用动态变化仅代表一种土地在时间段内的变化，更好的反映研究区域整体土地利用变化趋势[13]，采用综合土地利用动态度分析，其计算公式如下：

(2)

式(2)中,ΔSj-i为时间段内某一土地利用类型转换的面积，T为初末的时间间隔，Si为初期某一土地利用类型面积。

3.2.2 土地利用程度

针对土地利用类型变化微小的情况，为更显著地表示该区域土地利用变化，可通过土地利用程度分级表(表4)加各土地利用类型之间的差距[14]，通过土地利用程度进行计算。计算公式如下：

(3)

式(3)中，N为土地利用程度变化，Ai为土地利用类型面积所占的百分比，Ci为对应的土地利用程度指数。

3.2.3 生态系统碳存储估算

陆地生态系统中的储碳量与全球碳循环和大气中CO2浓度密切相关[15]，其主要来源包括地上碳库、地下碳库、土壤有机碳库和枯落物的有机碳库。碳存储计算公式如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(4)

Ctotali=(Cabovei+Cbelowi+Csoili+Cdeadi)×Ai

(5)

式(4)、式(5)中，Cabove主要指土壤层以上植物中的碳储量，Cbelow包括地上生物量活根系的碳储量，Csoil指土壤有机碳库中的碳储量，Cdead主要指枯木及垃圾等的碳储量，Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead为对应的碳密度，Ai为i类土地面积。

3.2.4 生态系统生境质量估算

生境质量指环境为生物生存发展提供适宜条件的能力[16]，也间接反映出该系统的生物多样性。测算时需充分考虑土地类型和威胁因子之间的关系，通过测算结果来评估人类活动对生态环境的干预程度[17]。生境质量计算公式如下：

(6)

式(6)中，Hj取值范围0～1；Dxj为生境退化度指数；k常数为半饱和系数，一般取值为生境退化度的1/2；Z为归一化常量，一般取值为2.5。

3.2.5 生态系统水源涵养估算

水源涵养通过水量平衡原理，是根据研究区域潜蒸散量、年均降雨量、根系深度等数据，将降水量和潜在蒸散量的差值作为当年的实际产水量[18]。水源涵养计算公式如下：

(7)

式(7)中，Yxj表示在栅格x上土地类型j的年产水量;AETxj表示年均实际蒸散量;Pxj表示栅格x的年降均水量。

(8)

(9)

3.2.6 生态系统土壤保持估算

土壤保持指通过植被自身结构减少水土流失的能力，在维持生态系统服务和功能中扮演着重要角色[20]。测算时根据研究区域地形、降雨等因素，分别计算潜在土壤侵蚀量和产沙量与真实侵蚀量和产沙量，并将两者测算的差值作为土壤保持量化值。土壤保持计算公式如下：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(10)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(11)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Px×Cx

(12)

式(10)～式(12)中，SEDRETx为土壤保持量；RKLSx为潜在水土流失量；USLEx为实际水土流失量；SEDRx为泥沙持留量和实际侵蚀量；Rx为降雨侵蚀力因子；Kx为土壤可蚀性因子。

3.2.7 综合生态系统服务评估

各项生态系统服务功能针对具体某一角度进行估算，无法从整体角度展现黄河三角洲生态系统综合状态，因此建立综合生态系统服务评估模型进行进一步的分析。综合生态系统评估模型通常采用赋予不同生态系统功能对应概率的方式进行评估，人为主观性较强。因此，本文基于生态系统服务均衡性的角度，引入离散系数，通过个栅格单元的标准差和算术平均值进一步评估生态系统服务的整体离散程度，通过相对离散度来表明生态系统整体状况，即离散度越小，则表明生态系统各项服务更加均衡[21]。首先，由于各生态系统服务功能单位以及取值范围不统一，需要将其标准化(范围为0～1)，而后采用离散系数法评估生态系统综合状态。综合生态系统服务评估的计算公式如下：

(13)

4 结果与分析

4.1 黄河三角洲土地利用时空演变

从空间看，黄河三角洲近30年土地利用变化较明显区域主要在沿海地区，草地等植被覆盖区域转换为水域。其中，1990年黄河三角洲区域人口数量相对较少并且人类活动范围有限，当年的草地占比高达24.02%，2000年相比1990年各土地利用类型分布变化较小。在此后10年，该区域石油等化工产业发展迅猛，到2010年草地面积仅占0.45%，而建设用地迅速扩张。到2020年海洋产业发展繁荣，黄河三角洲沿海区域修建水库坑塘等使得水域面积增加明显。自1990年以来，该区域部分未利用地和草地逐渐转换成建设用地和水域。

整体来看，1990～2000年，黄河三角洲区域的综合土地动态度变化较小，变化速度较快的土地利用类型有林地、草地、水域，2000～2010年，土地利用动态度变化比较大的是耕地、草地、水域、建设用地和未利用地，2010～2020年土地利用类型变化比较明显的是水域和建设用地，由图1可以看出：黄河三角洲区域耕地面积占了绝大部分，近30年耕地面积相比之前有了明显的增加，随着黄河三角洲区域人口的不断增加以及海洋产业的发展，水域面积有明显的增多，未利用地明显减少，2种土地类型的转变大多分布在沿海地区，将沿海部分的未利用地部分转为鱼塘。经济的发展和开发力度的增加，使黄河三角洲土地利用程度呈现增长趋势，土地的充分利用虽对东营市GDP的增长提供了帮助，同时加重生态恢复的重担，生态系统整体受人类干扰程度逐年加重(表2～4，图2)。

图1 黄河三角洲土地利用类型分类

图2 黄河三角洲土地利用程度

表2 1990～2000年黄河三角洲土地利用类型面积及其百分比

表3 1990～2000年黄河三角洲土地利用类型面积变化

表4 土地利用程度分级

4.2 生态系统服务功能时空变化分析

黄河三角洲区域碳存储的空间分布如图3所示。从时间角度看，1990～2020年该区域储碳量整体呈现下降的趋势，1990、2000、2010和2020年平均碳密度分别为12.87、12.76、10.86和10.26 t/hm2。其中，1900～2000年碳存储量分布变化较小，2000～2010年碳存储量变化显著，2010～2020年碳储量仍处于减少状态。从空间角度看，该区域整体呈现内陆高沿海低的空间格局，高值区主要分布在研究区域内部，低值区主要分布在沿海部分地区，其中低值区域有向内扩张的趋势。

图3 黄河三角洲碳储量空间分布

黄河三角洲区域生境质量空间分布如图4所示。从时间角度看，1990～2020年该区域的低质量生境逐渐扩大，整体呈下降趋势，1990、2000、2010和2020年生境质量平均值分别为0.520、0.521、0.336和0.445。其中，1990～2000年黄河三角洲生态状况保持稳定，2000～2010年该区域生境质量差异扩大，2010～2020年该区域整体生境质量上升趋势。从空间角度看，生境质量内部变化较小，沿海区域变化明显。高值区主要分布在东南方向以及沿海区域，低值区主要分布在北部区域，其中低值区域有向内扩张的趋势。

图4 黄河三角洲生境质量空间分布

黄河三角洲区域水源涵养空间分布如图5所示。从时间角度看，1990～2020年该区域产水能力呈现先降后升的变化，1990、2000、2010和2020年产水量对应平均值为394.39、168.88、223.23、235.27 mm，产水量在2000年处于最低，在1990年产水量最高。从空间角度看，黄河三角洲区域水源涵养呈现出“中间高、沿海低”的空间格局，低值区由黄河口区域沿海区扩散，高值区主要集中在研究区域中部，这主要和黄河三角洲区域的年均降雨量有关，其中1990年降水量为767.5 mm，2000年降水仅为476 mm，比常年同期偏少。

图5 黄河三角洲水源涵养空间分布

黄河三角洲区域土壤保持空间分布如图6所示。从时间角度看，1990～2020年该区域土壤保持能力变弱，1990、2000、2010和2020年土壤保持对应平均值为8067.1、3088.6、5321.8、5691.28 t/(hm2·a)。其中，1990～2000年研究区域土壤保持能力直线下降，土壤保持能力在2000年达到最低。2000～2010年，该区域土壤保持能力得到增强，在2010～2020年土壤保持量的平均值虽有所增加，但土壤保持最高值反而降低。从空间角度看，研究区近30年土壤保持在空间分布格局上基本一致，中部地区相较于沿海地区土壤保持能力更好，建设用地及水域区域能力最弱。

图6 黄河三角洲土壤保持空间分布

整体看，黄河三角洲区域内部碳分布较稳定，但沿海部分改变明显，碳储量降低不利于生态系统中碳循环和气候调节。近年来随着生态治理问题被重视，黄河三角洲区域生境质量得到改善，但该区域生境质量整体呈下降趋势，而生境质量的降低严重影响生物的栖息环境，导致生态系统稳定性随生物多样性的缩减而变弱。由于降雨量的减少，黄河三角洲区域的产水量和水土保持能力整体有所下降，其中土壤保持在中部地区土壤保持能力较好。

4.3 综合生态系统服务评估

黄河三角洲综合生态系统服务评估空间分布如图7所示。从事时间角度上看，将耕地作为相对指标可以看到，1990年和2000年耕地处于整体生态系统中质量较低的状态，2010年和2020年耕地处于质量相对较高的区域。从空间角度看，生态系统整体属于沿海部分质量低，内部地区质量高的分布格局。1990年的综合生态系统状态在林草地处较高，在建设用地以及未利用地处较低。相比于1990年，2000年的耕地处综合生态系统质量降低，仅在研究区域东南处的质量较高。2010年与2020年的综合生态系统质量在空间分布上大致相似，其中耕地均属于高质量区域，而沿海区域质量与内部产生明显区别。耕地处综合生态系统质量的改变，明显表明该区域整体生态系统质量下降，相比于1990年林草地的高质量区域，后二十年的高质量区域明显减少，生态环境整体下降。

图7 黄河三角洲综合生态系统评估空间分布

4.4 空间自相关性分析

在相同状态时，为更好地描述研究区域地理要素之间在空间分布上的特征关系，引用全局空间自相关来分析某一单元区域与周围单元格的关系。从图8可以看出，1990～2020年的Moran’s I指数分别为0.575、0.619、0.525、0.535，4个时期均高于0.5，呈现增长趋势，综合生态系统服务的空间聚类关系随时间的变化较大。散点分布主要以一三象限为主，表明综合生态系统服务空间具有正相关关系，4个时期的空间聚集性明显，但相关程度有所浮动，其中， 2000年该区域空间聚集性达到最高，由于石油化工产业的发展，区域生态环境造成污染，进而导致2010年空间聚集行急剧下降，从而引起指数的浮动，但研究区域整体生态系统服务呈现的空间正相关。由图9可知，正-正集聚型主要分布在研究区域中部，低-低集聚型主要分布在研究区域的沿海边缘地带。

图8 研究区域全局Moran’s I指数散点

图9 研究区域TES Lisa

5 结论

土地类型转变打破黄河三角洲生态系统的平衡状态和调节能力[22]，不利于生态环境的可持续发展。本研究将黄河三角洲作为研究区域，选择碳存储、生境质量、土壤保持和水源涵养4个方面对黄河三角洲1990～2020年的生态系统功能变化进行研究，并引入离散指数，对综合生态系统进行时空格局演变特征分析。主要结论如下:

(1)4个时间段黄河三角洲区域生态系统服务变化趋势均不相同，其中碳储量呈现整体下降的趋势；生境质量空间波动范围增大，总体质量降低；水源涵养呈现出“中间高、沿海低”的空间格局；土壤保持空间格局变化虽然不显著，但受多种因素影响导致土壤保持能力减弱，生态安全受到威胁。

(2)综合生态系统服务指数代表着生态系统4个方面的整体状况，从其分布可知耕地均属于高质量区域，而沿海区域质量与内部产生明显区别，沿海区域应注意保护，方式过度开发。

(3)1990～2020年该区域的Moran’s I指数呈现上升趋势，Lisa图的空间分布大致相同，2方面均表明4个时期黄河三角洲区域的空间较聚集，空间自相关性较高。