雷州半島入侵植物互花米草的遙感監(jiān)測與分析*

黃煥林 李 智 金文云 譚 秋 趙 順

（廣州草木蕃環(huán)境科技有限公司，廣東 廣州 510520）

互花米草通常生長在河口、海灣等沿海灘涂的潮間帶及受潮汐影響的河灘上，具有很強的生命力，其可以生存的土壤pH 值范圍在4.5～8.5 之間，鹽度范圍在10‰～60‰之間，還可以忍受每天長達12 個小時的水淹[1]?；セ撞轂楦鶢钋o多年生植物，叢生，其無性系分株經(jīng)過三、四個月的營養(yǎng)生長之后就可以達到性成熟，并于秋天開花結實?；セ撞葜饕ㄟ^無性繁殖和有性繁殖兩種方式進行擴散和傳播，主要的途徑有克隆生長、斷裂的根狀莖繁殖以及種子繁殖等，其中無性繁殖的主要作用是維持已建立的種群，而有性繁殖的作用則主要體現(xiàn)在開拓新生境，實現(xiàn)遠距離的擴散[2]。

互花米草于2006 年前后擴散至雷州半島[3-5]。互花米草的生物學特性是：耐鹽、耐淹和耐掩埋。在生長過程中，互花米草能迅速占據(jù)沿海灘涂以及稀疏的紅樹林生境，對紅樹林的生長帶來不利影響。近海生物棲息環(huán)境極易遭受破壞，主要表現(xiàn)為：影響灘涂養(yǎng)殖、堵塞航道、影響船只出港等，嚴重者甚至會給雷州半島的海岸帶系統(tǒng)生態(tài)安全帶來重大威脅[6]。因此，加強對紅樹林濕地及周邊的互花米草的監(jiān)測、管理，有利于維護沿海生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展。

近年來，利用遙感數(shù)據(jù)提取和監(jiān)測互花米草已有大量研究。潘衛(wèi)華等[7]利用2000 年和2006年的Landsat TM/ETM+影像數(shù)據(jù)，對不同地物進行光譜分析，并結合影像的NDVI（歸一化植被指數(shù)）和纓帽變換處理方式，利用決策樹分類法對羅源灣互花米草進行提取。2016 年，陶艷成等[8]利用高分一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，通過運用遙感技術與野外勘查相結合的方法，對廣西互花米草生長擴散現(xiàn)狀進行監(jiān)測與分析，結果顯示：截至2016年7 月，廣西海岸潮間帶互花米草分布面積為686.43 hm2，互花米草斑塊數(shù)量達5 191 個，其中，互花米草的平均斑塊面積為0.13 hm2，最大斑塊面積達47.24 hm2。2018 年10 月，朱玉玲等[9]以黃河口入海兩側的Landsat-8 OLI 影像為數(shù)據(jù)源，提取NDVI 和纓帽變換分量等共9 維光譜特征，構建出了融合淺層特征的8 層深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡分類模型，明確了互花米草遙感監(jiān)測的研究方法，并從不同的淺層特征對互花米草的監(jiān)測結果進行了具體的分析。但目前，利用高分衛(wèi)星影像提取雷州半島互花米草則未見報道。鑒于雷州半島紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要性，因此有必要結合多光譜遙感影像和高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，利用面向?qū)ο蠓诸惣夹g和GIS 分析技術，對雷州半島紅樹林保護小區(qū)及周邊地區(qū)近3 年（2016 年、2017年與2018 年）的互花米草信息進行判讀、提取并分析，判斷保護區(qū)及周邊地區(qū)互花米草的分布范圍、面積及位置變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

雷州半島是中國的第三大半島，屬北熱帶季風氣候區(qū)，地形地勢比較平緩。其南隔瓊州海峽，與海南島相呼應，南北長約130 km，東西寬約40～70 km，全境面積約850.79 km2。

1.2 數(shù)據(jù)源

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)有：Landsat 5 影像數(shù)據(jù)、高景一號衛(wèi)星影像（2016 年、2017 年與2018年）、現(xiàn)場航片。

1.3 研究方法

利用互花米草耐鹽、耐淹和耐掩埋的特性，其可以生長在海岸的潮間帶高潮帶—中潮帶下部，因此，互花米草生長區(qū)域濕度都比較大，而且近海一側的互花米草存在被海水淹沒或者半淹沒的現(xiàn)象[10]。

首先，應用ENVI5.3 軟件將Landsat 5 影像進行幾何精校正和大氣校正。對位于潮水高潮時獲取的Landsat 5 影像進行纓帽變換、濕度分量二值運算、低通濾波處理和拉普拉斯算子邊緣檢測等圖像處理方法，提取出雷州半島互花米草生長的“向陸邊界”。接著向海2 km 方向建立緩沖區(qū)，對高景一號衛(wèi)星影像的互花米草向陸生長區(qū)域進行掩膜。這樣不僅減少了工作量、提高了工作效率，還提高了互花米草提取的精度[11]。

最后基于掩膜后的高景一號，采用面向?qū)ο蠓诸惣夹g和GIS 分析技術，對雷州半島紅樹林保護小區(qū)及周邊地區(qū)的互花米草進行提取，再結合現(xiàn)場航片，剔除明顯非提取目標，最終得出互花米草的分布范圍、面積及擴散情況?；セ撞萏崛∵^程可詳見圖1。

面向?qū)ο蠓诸惣夹g是根據(jù)臨近像素亮度、紋理以及顏色等特征，對影像進行分割，它使用了一種基于邊緣的分割算法，此算法具有計算速度快、參數(shù)輸入簡便的優(yōu)點，其可以產(chǎn)生多尺度分割的結果[8]。經(jīng)過多次試驗，高景一號衛(wèi)星圖像分割采用基于邊緣檢測算法，分割閾值（Scale Level）設置為40 時，合并具有類似的顏色和邊界大小相鄰節(jié)段；合并閾值（Merge Level）設置為85，紋理內(nèi)核的大小設置為3，此時分割效果最好，適用于研究區(qū)域的地物提取，圖2 為影像圖上地物的分割效果示意。

由于研究區(qū)域范圍較大，可根據(jù)雷州半島各個保護小區(qū)的分布，對雷州半島的互花米草分布情況進行分區(qū)域判讀與提取，最后得出雷州半島互花米草的分布區(qū)域，詳見圖3。

圖3 雷州半島互花米草分布范圍示意Fig.3 Distribution range diagram of Spartina alterniflora in Leizhou Peninsula

2 結果與分析

通過2016 年、2017 年和2018 年這3 年雷州半島保護小區(qū)及周邊區(qū)域的遙感影像，將提取出的互花米草分布數(shù)據(jù)加載至ArcGIS10.5 進行疊加計算，得到2016—2018 年間雷州半島互花米草分布區(qū)域和面積變化，其分布范圍共有10 個區(qū)域，詳見下表1。

表1 2016—2018 年雷州半島的各區(qū)域互花米草分布面積 hm2Tab. 1 The distribution area of Spartina alterniflora in each region of Leizhou Peninsula from 2016 to 2018

根據(jù)表1 可知，2016 年、2017 年、2018 年雷州半島互花米草的面積分別為80.77、123.79、157.05 hm2。

截至2018 年，互花米草分布面積較大的區(qū)域由大至小依次為：麻章北山港—龜頭港（65.34 hm2）＞雷高北壇（23.67 hm2）＞附城北家（22.66 hm2）＞草潭舊廟—楊柑新埠—界炮北潭（18.68 hm2），其他區(qū)域互花米草分布相對分散且面積較小。

根據(jù)上表1 計算可得出2016—2018 年雷州半島互花米草的增長率和漲幅，相關數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 2016—2018 年雷州半島互花米草的擴散趨勢%Tab. 2 The growth of Spartina alterniflora in Leizhou Peninsula from 2016 to 2018

從2016—2017 年互花米草的增長率來看，雷高北壇互花米草的增長率最高，其擴散趨勢最大，根據(jù)圖4 2016 年和2017 年的該區(qū)域高清衛(wèi)星影像圖對比分析可知，2016 年該區(qū)域的農(nóng)田基本上無互花米草分布，2017 年互花米草則遍布農(nóng)田區(qū)域，分布范圍達23.26 hm2。

此外，附城北家和民安西灣村周邊區(qū)域的米草的面積在2016 和2017 年這兩年間也呈快速擴散的趨勢。

根據(jù)前文圖表可知，雷高北壇、附城北家、民安西灣村、和安公港—金雞等4 個分布區(qū)域漲幅回落，即互花米草擴散速度減緩，其中，雷高北壇互花米草擴散速度減緩最快，后者依次為附城北家、民安西灣村、和安公港—金雞，導致互花米草擴散速度下降的原因可能是互花米草生長環(huán)境變化或者受到外界干擾，如人為清理、生長環(huán)境由灘涂、農(nóng)田、鹽堿地變?yōu)轲B(yǎng)殖塘或者港灣碼頭等。

3 結論與討論

在2016 年—2018 年間，雷州半島的互花米草生長擴散整體呈遞增趨勢。2016 年—2017 年間，互花米草增加44.02 hm2，2017 年—2018 年間增加34.26 hm2，擴散速度整體有所下降。總體而言，雷州半島的互花米草分布及擴散主要呈現(xiàn)以下特點。

（1）互花米草生長多分布于沿海紅樹林靠海一側或稀疏紅樹林內(nèi)部，植被外貌呈圓餅狀或扁長圓形。

（2）互花米草主要分布于雷州半島東海岸，以雷州灣、新寮南灣為主要分布中心；在西海岸則未見分布；在雷州半島北面廉江高橋、楊柑新埠和草潭舊廟等紅樹林保護小區(qū)均有分布，預計將進一步持續(xù)擴散。

圖4 2016 年和2017 年雷高北壇區(qū)域互花米草擴散分布Fig. 4 The current situation of Spartina alterniflora diffusion in Leigao Beitan region in 2016 and 2017

（3）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和分析，沿海陸域存在大面積曬鹽場的沿海灘涂區(qū)域，一般互花米草分布較廣，擴散范圍大，如麻章北山港、草潭舊廟、楊柑新埠、和安公港和新寮南灣等紅樹林保護小區(qū)及附近，這些區(qū)域周邊皆存在著曬鹽場，其周邊的灘涂鹽度較大，互花米草作為典型耐鹽植物能正常生長并迅速擴散、占領整個灘涂，導致一般鹽沼植物無法生長，破壞近海生物棲息環(huán)境、堵塞航道，影響船只出港甚至會給雷州半島的海岸帶系統(tǒng)生態(tài)安全帶來嚴重威脅。

因此，加強對雷州半島互花米草擴散規(guī)律和動態(tài)監(jiān)測將是未來工作中的重點，故筆者建議如下。

（1）可充分利用無人機航拍技術，有針對性、分區(qū)、大面積地開展雷州半島的互花米草監(jiān)測工作，及時掌握互花米草擴散情況以及發(fā)現(xiàn)互花米草新擴散區(qū)域，進而及時有效控制互花米草的擴散速度。

（2）定量化評估互花米草入侵風險，對其進行生態(tài)風險防控分區(qū)，從而有針對性的進行防治工作。

（3）加強互花米草綜合防控技術研究，盡早開展沿海生態(tài)治理工作，讓荒廢的灘涂除草（互花米草）造林（紅樹林），構建沿海防護林第一道綠色屏障，恢復沿海濕地生態(tài)。