生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量變化遙感監(jiān)測研究

李　營　張　峰　楊海軍　殷守敬　洪運富　朱海濤　滕佳華　代宇庭

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京　100094；

2.中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京　100083；3.中國人民大學環(huán)境學院，北京　100872)

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生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量變化遙感監(jiān)測研究

李營1張峰1楊海軍1殷守敬1洪運富1朱海濤1滕佳華2代宇庭3

(1.環(huán)境保護部衛(wèi)星環(huán)境應用中心，北京100094；

2.中國礦業(yè)大學地球科學與測繪工程學院，北京100083；3.中國人民大學環(huán)境學院，北京100872)

【摘要】穩(wěn)定的生境質(zhì)量是維持生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要基礎，迄今為止，我國設立了多個生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，但有關其生態(tài)質(zhì)量狀況的研究較少，針對這一現(xiàn)象，選取秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)作為研究區(qū)，采用InVEST模型和Mann-Kendall趨勢檢驗方法，獲取了研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化趨勢，以此監(jiān)測研究區(qū)生境質(zhì)量在2000-2010年間的時空變化情況。結(jié)果表明，2000-2010年間，研究區(qū)生境質(zhì)量雖然略有小幅變化，但整體上基本保持穩(wěn)定，無明顯變化。

【關鍵詞】生物多樣性；生態(tài)功能區(qū)；生境質(zhì)量；遙感監(jiān)測

1引言

生境實際上是指生態(tài)系統(tǒng)能夠提供給物種生存繁衍所需條件的潛力[1]，是生物生存的本質(zhì)基礎，研究表明，生境特征與生物多樣性緊密相關[2]，生境質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了生物棲息地的適宜性高低。目前，國內(nèi)開展的生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量研究主要涉及河流[3-5]以及特定物種[6-7]，有關國家生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量的研究相對較少，同時，上述研究主要采用生態(tài)調(diào)查的方式，研究周期長且耗費了大量人力、物力。

遙感技術具有時效性強、監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)便于獲取等優(yōu)勢，目前，已被廣泛應用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中，并取得了顯著的成效。在生境質(zhì)量遙感評價中，生境質(zhì)量指數(shù)考慮了生態(tài)系統(tǒng)整個景觀類型敏感性和外界威脅程度，能夠監(jiān)測生境質(zhì)量分布狀況并評價其質(zhì)量優(yōu)劣[8]，是較為普遍的監(jiān)測指標。然而，生境質(zhì)量不完全由上述因素所決定，其自身的生產(chǎn)能力也是重要的衡量指標。植被凈初級生產(chǎn)力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量植物群落在自然環(huán)境條件下生產(chǎn)能力的重要指標[9]，生產(chǎn)力的高低直接決定生態(tài)系統(tǒng)的供給能力，關系到物種的豐富度[10]，從而與生境質(zhì)量間接關聯(lián)，因此，NPP的變化會對生境質(zhì)量產(chǎn)生影響。

秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)是我國設立的國家級重要生態(tài)功能區(qū)，屬于限制開發(fā)區(qū)域，保護該區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)，維持其生境質(zhì)量健康，對國家生態(tài)安全戰(zhàn)略具有重要作用[11-12]，而國內(nèi)有關生物多樣性生態(tài)功能區(qū)的生境質(zhì)量狀況的監(jiān)測相對較少。為了解我國生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量變化情況，更好地保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境，本文選取秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，基于遙感技術，采用生境質(zhì)量指數(shù)和NPP變化趨勢指標，分別從生態(tài)系統(tǒng)的敏感性、外界威脅程度及生產(chǎn)力角度，對該生態(tài)功能區(qū)在2000-2010年間的生境質(zhì)量進行動態(tài)監(jiān)測。

2監(jiān)測方法及數(shù)據(jù)

2.1監(jiān)測方法

生境質(zhì)量監(jiān)測采用生境質(zhì)量指數(shù)和NPP變化趨勢等兩個指標進行監(jiān)測分析，其中，生境質(zhì)量指數(shù)采用InVEST模型基于土地利用數(shù)據(jù)獲取，用于分析生態(tài)系統(tǒng)敏感性及外界威脅程度。

NPP變化趨勢利用Mann-Kendall檢驗趨勢方法[13]計算，設置置信度為95%，α=0.05為趨勢檢驗的顯著水平。Mann-Kendall檢驗的統(tǒng)計S，利用下式計算：

(1)

式中：xj和xk分別為第j年和第k年的數(shù)值，j>k，n為系列的記錄長度(個數(shù))，sgn(xj-xk)為表征函數(shù)：

(2)

隨機序列Si(i=1，2，…，n)近似地服從正態(tài)分布，則Sj的均值和方差為：

(3)

利用下式計算統(tǒng)計檢驗值Zs：

(4)

利用Zs的值進行趨勢統(tǒng)計的顯著性檢驗。Zs值為正，表明2000-2010年間NPP有上升趨勢，Zs值為負，表明有下降趨勢。

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)源

監(jiān)測數(shù)據(jù)采用土地利用和NPP數(shù)據(jù)，其中，土地利用數(shù)據(jù)時間為2000年和2010年，NPP為2000-2010年的旬數(shù)據(jù)。

3結(jié)果與分析

3.1生境質(zhì)量指數(shù)變化監(jiān)測分析

參考鄭丙輝等[14]王建華等[15]關于生境質(zhì)量分級的方法，將生境質(zhì)量指數(shù)分為很差、較差、一般、較好、良好等五級(表1)。

表1　生境質(zhì)量指數(shù)分級標準

為分析研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)變化狀況，分別統(tǒng)計生境質(zhì)量等級在2000年、2010年的面積百分比(表2)。由表可知，在面積百分比數(shù)值分布方面，研究生境質(zhì)量指數(shù)等級面積百分比最大的為良好等級，之后為很差、較好、一般、較差等級。2000年、2010年的良好等級面積百分比分別為77.9023%和78.6209%，很差等級分別為22.0906%和21.3718%，較好和一般等級均不超過0.1%，而較差等級均為0，說明研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)良好，較差等級面積百分比不大；在生境質(zhì)量指數(shù)變化方面，2000-2010年間，研究區(qū)良好等級面積百分比增加0.7186%，很差等級減少0.7188%，較好等級增加0.0003%，一般等級減少0.0001%，說明在等級方面研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)稍微增強。

為進一步定量分析研究區(qū)生境質(zhì)量變化情況，對研究區(qū)2000年和2010年生境質(zhì)量指數(shù)進行差運算，統(tǒng)計2000-2010年間生境質(zhì)量指數(shù)在像元尺度的變化情況，并將變化分為變好、不變、變差等三個等級。對生境質(zhì)量指數(shù)變好、不變、變差的面積百分比進行統(tǒng)計(表3)，獲取變好、不變、變差區(qū)域占研究區(qū)總面積的百分比分別為53.424%、33.065%和13.510%，從數(shù)值上可以看出，研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)以變好為主，變差區(qū)域不超過14%，說明2000-2010年間，生境質(zhì)量指數(shù)總體上有所增強。

表2　生境質(zhì)量指數(shù)等級面積百分比及其變化(%)

表3　生境質(zhì)量指數(shù)變化統(tǒng)計(%)

分析研究區(qū)2000-2010年間生境質(zhì)量指數(shù)的分級、變化及相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以看出，研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)總體上稍微變好但有限，生境質(zhì)量指數(shù)較差的區(qū)域并未明顯擴張，說明這一時期內(nèi)，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的敏感性及其受到外界的威脅程度并未明顯變化，生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量保持良好、較為穩(wěn)定。

3.2生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化趨勢分析

通過Mann-Kendall趨勢分析，獲取研究區(qū)NPP各像元在2000-2010年間的上升、下降及不變等三個變化趨勢，對三種變化趨勢進行統(tǒng)計，獲取其面積百分比(表4)，由表可知，研究區(qū)在2000-2010年間，NPP變化趨勢主要以不變?yōu)橹?，面積占研究區(qū)的89.306%，呈下降趨勢的面積百分比為7.752%，呈上升趨勢的面積百分比為2.942%。

表4　NPP變化趨勢狀況統(tǒng)計(%)

通過以上分析可知，研究區(qū)NPP呈上升趨勢的區(qū)域面積要多于下降趨勢，但相對于不變的區(qū)域，其所占比例較小，對整個研究區(qū)作用影響并不是很大，說明2000-2010年間，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力在局部有略微下降，而在整體上相對趨于穩(wěn)定，其對生境質(zhì)量影響并不明顯，進而表明，在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力評價方面，研究區(qū)生境質(zhì)量也相對穩(wěn)定。

4結(jié)論

穩(wěn)定的生境質(zhì)量是維持生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的重要基礎，迄今為止，我國設立了多個生物多樣性生態(tài)功能區(qū)，但有關其生態(tài)質(zhì)量狀況的研究較少，針對這一現(xiàn)象，本文選取秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)作為研究區(qū)，采用InVEST模型和Mann-Kendall趨勢檢驗方法，獲取了研究區(qū)生境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力變化趨勢，以此監(jiān)測研究區(qū)生境質(zhì)量在2000-2010年間的時空變化情況。結(jié)果表明：

(1)基于秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量變化遙感監(jiān)測分析可知，秦巴生物多樣性生態(tài)功能區(qū)在2000-2010年間，生境質(zhì)量指數(shù)和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力基本穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變化，結(jié)合研究區(qū)土地利用及氣象指標等驅(qū)動因素分析發(fā)現(xiàn)，土地利用、降水及氣溫等因素變化較小，未對生境質(zhì)量造成較大影響，這與研究區(qū)生境質(zhì)量基本保持穩(wěn)定相一致。

(2)生態(tài)質(zhì)量變化對生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)造成的影響具有滯后性，理論上的研究時間尺度應維持在幾十年，因受數(shù)據(jù)因素限制，本文的時間尺度為11年，在條件允許的情況下，今后的研究應適當延長。

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On Habitat Quality Change Monitoring by Remote Sensing in Eco-functional Area of Biological Diversity

LI Ying1ZHANG Feng1YANG Hai-jun1YIN Shou-jing1HONG Yun-fu1ZHU Hai-tao1TENG Jia-hua2DAI Yu-ting3

(1.Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China；2.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；3.School of Environment and Natural Resources，RENMIN University of China，Beijing 100872，China )

Abstract：The stable ecological quality plays an important role in sustaining the biodiversity，China has established several eco-functional areas of biological diversity，however，the study on the ecological quality is less. Therefore，we took Qinba eco-functional area of biological diversity as the study area，used InVEST model and Mann-Kendall trend test method，obtain the habitat quality index and changing trend of ecosystem productivity to monitor the temporal and spatial variation of the habitat quality from 2000 to 2010. The result showed that the habitat quality remained stable overall in the study area，despite some fluctuation.

Keywords：biodiversity；eco-functional area；habitat quality；remote sensing monitoring

中圖分類號：X835

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0046-03

通訊作者：殷守敬，博士，高級工程師，主要從事環(huán)境遙感監(jiān)測與評價研究

作者簡介：李營，博士，工程師，研究方向為無人機遙感環(huán)境監(jiān)測

資助項目：國家生態(tài)功能區(qū)生態(tài)狀況考核與評價

引用文獻格式：李營等.生物多樣性生態(tài)功能區(qū)生境質(zhì)量變化遙感監(jiān)測研究[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(2)：46-48.