基于Landsat影像的黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時空變化研究

郭 賀，管青春，樊彥國

(中國石油大學(xué)(華東) 海洋與空間信息學(xué)院，山東 青島 266580)

1 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是連接人類與生態(tài)系統(tǒng)的紐帶[1]，與人類福祉密切相關(guān)。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具體指生態(tài)系統(tǒng)直接或間接地向人類提供各種產(chǎn)品和服務(wù)，用以維持人類正常生命活動的生態(tài)過程[2，3]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不僅直接關(guān)系生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，對實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境保護(hù)的雙贏和可持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。

早期對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估主要通過價值量和物質(zhì)量2種方法進(jìn)行測算[4]。在進(jìn)行價值量評估時，由于測算者的主觀干擾較強(qiáng)，評估標(biāo)準(zhǔn)不易做到統(tǒng)一，因此該方法的科學(xué)性低，且多適用于小尺度范圍的評估[4]。隨著研究的深入，通過生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程的機(jī)理進(jìn)行評估物的質(zhì)量法被提出，該方法可用于大尺度的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估。其中InVEST模型應(yīng)用較為普遍，該模型擁有不同的評估模塊，可從多角度出發(fā)評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。通過量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行直觀的呈現(xiàn)和合理的分析，從而深層次的了解生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀，提高土地利用效率，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體效益[5～7]。

黃河三角洲是我國暖溫帶地區(qū)最完整、最廣闊、最年輕的新生濕地生態(tài)系統(tǒng)[8]。近年來，黃河三角洲不僅受集約化圍海、灘涂開墾等活動破壞，同時又受到海水侵蝕等自然因素影響，致使該區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定性減弱。生態(tài)系統(tǒng)受損不僅會減緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步，也為人類生存埋下隱患。鑒于此，本文以黃河三角洲為研究對象，選擇碳存儲、生境質(zhì)量、水源涵養(yǎng)和水土保持4個方面，從時間和空間2個角度研究黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化，以期為黃河三角洲生態(tài)安全管理提供科學(xué)依據(jù)，從而為黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供保障。

2 研究區(qū)概況

黃河三角洲由河流入海時泥沙沉積形成，是我國目前最大的三角洲[9]。近代黃河三角洲以墾利寧海為頂點，套兒河口及支脈溝口為兩端構(gòu)成扇形區(qū)域，北毗鄰渤海灣，東接萊州灣[10]，是一個具有較高價值的陸海交錯帶[11]。該區(qū)域主要位于山東省東營市，包含河口區(qū)、利津縣及墾利區(qū)，地理位置為東經(jīng)118°06′～119°20′，北緯37°20′～38°10′，屬于溫暖帶半濕潤大陸季風(fēng)氣候，光照充足，冬寒夏熱，四季分明，年平均降水量為530～630 mm。

3 數(shù)據(jù)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)源與處理

數(shù)據(jù)源選取分辨率為30 m的1990年、2000年、2010年、2020年Landsat影像作為數(shù)據(jù)源，并通過Google Earth Engine軟件對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等處理后，結(jié)合黃河三角洲環(huán)境信息，運(yùn)用隨機(jī)森林的方法對遙感影像進(jìn)行解譯分類。本研究將研究區(qū)域的土地利用類型分為6大類，分別是：耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地。解譯精度通過Kappa系數(shù)以及總體精度進(jìn)行評價，其精度結(jié)果如表1所示。

表1 遙感影像精度評定

3.2 研究方法

3.2.1 土地利用類型變化

(1) 單一土地利用動態(tài)度。根據(jù)土地利用類型面積在某具體時間段內(nèi)的年變化率，可更好的分析土地利用的變化情況[12]。通過對各土地利用類型面積變化進(jìn)行分析，從而對某土地類型覆蓋度進(jìn)行定量分析，其計算公式如下：

(1)

式(1)中，Ua與Ub分別為開始和最后時期各土地利用類型面積，T為初末的時間間隔。

(2)綜合土地利用動態(tài)度。單一土地利用動態(tài)變化僅代表一種土地在時間段內(nèi)的變化，更好的反映研究區(qū)域整體土地利用變化趨勢[13]，采用綜合土地利用動態(tài)度分析，其計算公式如下：

(2)

式(2)中,ΔSj-i為時間段內(nèi)某一土地利用類型轉(zhuǎn)換的面積，T為初末的時間間隔，Si為初期某一土地利用類型面積。

3.2.2 土地利用程度

針對土地利用類型變化微小的情況，為更顯著地表示該區(qū)域土地利用變化，可通過土地利用程度分級表(表4)加各土地利用類型之間的差距[14]，通過土地利用程度進(jìn)行計算。計算公式如下：

(3)

式(3)中，N為土地利用程度變化，Ai為土地利用類型面積所占的百分比，Ci為對應(yīng)的土地利用程度指數(shù)。

3.2.3 生態(tài)系統(tǒng)碳存儲估算

陸地生態(tài)系統(tǒng)中的儲碳量與全球碳循環(huán)和大氣中CO2濃度密切相關(guān)[15]，其主要來源包括地上碳庫、地下碳庫、土壤有機(jī)碳庫和枯落物的有機(jī)碳庫。碳存儲計算公式如下：

Ctotal=Cabove+Cbelow+Csoil+Cdead

(4)

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

(5)

式(4)、式(5)中，Cabove主要指土壤層以上植物中的碳儲量，Cbelow包括地上生物量活根系的碳儲量，Csoil指土壤有機(jī)碳庫中的碳儲量，Cdead主要指枯木及垃圾等的碳儲量，Cabove、Cbelow、Csoil、Cdead為對應(yīng)的碳密度，Ai為i類土地面積。

3.2.4 生態(tài)系統(tǒng)生境質(zhì)量估算

生境質(zhì)量指環(huán)境為生物生存發(fā)展提供適宜條件的能力[16]，也間接反映出該系統(tǒng)的生物多樣性。測算時需充分考慮土地類型和威脅因子之間的關(guān)系，通過測算結(jié)果來評估人類活動對生態(tài)環(huán)境的干預(yù)程度[17]。生境質(zhì)量計算公式如下：

(6)

式(6)中，Hj取值范圍0～1；Dxj為生境退化度指數(shù)；k常數(shù)為半飽和系數(shù)，一般取值為生境退化度的1/2；Z為歸一化常量，一般取值為2.5。

3.2.5 生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)估算

水源涵養(yǎng)通過水量平衡原理，是根據(jù)研究區(qū)域潛蒸散量、年均降雨量、根系深度等數(shù)據(jù)，將降水量和潛在蒸散量的差值作為當(dāng)年的實際產(chǎn)水量[18]。水源涵養(yǎng)計算公式如下：

(7)

式(7)中，Yxj表示在柵格x上土地類型j的年產(chǎn)水量;AETxj表示年均實際蒸散量;Pxj表示柵格x的年降均水量。

(8)

(9)

3.2.6 生態(tài)系統(tǒng)土壤保持估算

土壤保持指通過植被自身結(jié)構(gòu)減少水土流失的能力，在維持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和功能中扮演著重要角色[20]。測算時根據(jù)研究區(qū)域地形、降雨等因素，分別計算潛在土壤侵蝕量和產(chǎn)沙量與真實侵蝕量和產(chǎn)沙量，并將兩者測算的差值作為土壤保持量化值。土壤保持計算公式如下：

SEDRETx=RKLSx-USLEx+SEDRx

(10)

RKLSx=Rx×Kx×LSx

(11)

USLEx=Rx×Kx×LSx×Px×Cx

(12)

式(10)～式(12)中，SEDRETx為土壤保持量；RKLSx為潛在水土流失量；USLEx為實際水土流失量；SEDRx為泥沙持留量和實際侵蝕量；Rx為降雨侵蝕力因子；Kx為土壤可蝕性因子。

3.2.7 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能針對具體某一角度進(jìn)行估算，無法從整體角度展現(xiàn)黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)綜合狀態(tài)，因此建立綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析。綜合生態(tài)系統(tǒng)評估模型通常采用賦予不同生態(tài)系統(tǒng)功能對應(yīng)概率的方式進(jìn)行評估，人為主觀性較強(qiáng)。因此，本文基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)均衡性的角度，引入離散系數(shù)，通過個柵格單元的標(biāo)準(zhǔn)差和算術(shù)平均值進(jìn)一步評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體離散程度，通過相對離散度來表明生態(tài)系統(tǒng)整體狀況，即離散度越小，則表明生態(tài)系統(tǒng)各項服務(wù)更加均衡[21]。首先，由于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能單位以及取值范圍不統(tǒng)一，需要將其標(biāo)準(zhǔn)化(范圍為0～1)，而后采用離散系數(shù)法評估生態(tài)系統(tǒng)綜合狀態(tài)。綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的計算公式如下：

(13)

4 結(jié)果與分析

4.1 黃河三角洲土地利用時空演變

從空間看，黃河三角洲近30年土地利用變化較明顯區(qū)域主要在沿海地區(qū)，草地等植被覆蓋區(qū)域轉(zhuǎn)換為水域。其中，1990年黃河三角洲區(qū)域人口數(shù)量相對較少并且人類活動范圍有限，當(dāng)年的草地占比高達(dá)24.02%，2000年相比1990年各土地利用類型分布變化較小。在此后10年，該區(qū)域石油等化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，到2010年草地面積僅占0.45%，而建設(shè)用地迅速擴(kuò)張。到2020年海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展繁榮，黃河三角洲沿海區(qū)域修建水庫坑塘等使得水域面積增加明顯。自1990年以來，該區(qū)域部分未利用地和草地逐漸轉(zhuǎn)換成建設(shè)用地和水域。

整體來看，1990～2000年，黃河三角洲區(qū)域的綜合土地動態(tài)度變化較小，變化速度較快的土地利用類型有林地、草地、水域，2000～2010年，土地利用動態(tài)度變化比較大的是耕地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地，2010～2020年土地利用類型變化比較明顯的是水域和建設(shè)用地，由圖1可以看出：黃河三角洲區(qū)域耕地面積占了絕大部分，近30年耕地面積相比之前有了明顯的增加，隨著黃河三角洲區(qū)域人口的不斷增加以及海洋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，水域面積有明顯的增多，未利用地明顯減少，2種土地類型的轉(zhuǎn)變大多分布在沿海地區(qū)，將沿海部分的未利用地部分轉(zhuǎn)為魚塘。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和開發(fā)力度的增加，使黃河三角洲土地利用程度呈現(xiàn)增長趨勢，土地的充分利用雖對東營市GDP的增長提供了幫助，同時加重生態(tài)恢復(fù)的重?fù)?dān)，生態(tài)系統(tǒng)整體受人類干擾程度逐年加重(表2～4，圖2)。

圖1 黃河三角洲土地利用類型分類

圖2 黃河三角洲土地利用程度

表2 1990～2000年黃河三角洲土地利用類型面積及其百分比

表3 1990～2000年黃河三角洲土地利用類型面積變化

表4 土地利用程度分級

4.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能時空變化分析

黃河三角洲區(qū)域碳存儲的空間分布如圖3所示。從時間角度看，1990～2020年該區(qū)域儲碳量整體呈現(xiàn)下降的趨勢，1990、2000、2010和2020年平均碳密度分別為12.87、12.76、10.86和10.26 t/hm2。其中，1900～2000年碳存儲量分布變化較小，2000～2010年碳存儲量變化顯著，2010～2020年碳儲量仍處于減少狀態(tài)。從空間角度看，該區(qū)域整體呈現(xiàn)內(nèi)陸高沿海低的空間格局，高值區(qū)主要分布在研究區(qū)域內(nèi)部，低值區(qū)主要分布在沿海部分地區(qū)，其中低值區(qū)域有向內(nèi)擴(kuò)張的趨勢。

圖3 黃河三角洲碳儲量空間分布

黃河三角洲區(qū)域生境質(zhì)量空間分布如圖4所示。從時間角度看，1990～2020年該區(qū)域的低質(zhì)量生境逐漸擴(kuò)大，整體呈下降趨勢，1990、2000、2010和2020年生境質(zhì)量平均值分別為0.520、0.521、0.336和0.445。其中，1990～2000年黃河三角洲生態(tài)狀況保持穩(wěn)定，2000～2010年該區(qū)域生境質(zhì)量差異擴(kuò)大，2010～2020年該區(qū)域整體生境質(zhì)量上升趨勢。從空間角度看，生境質(zhì)量內(nèi)部變化較小，沿海區(qū)域變化明顯。高值區(qū)主要分布在東南方向以及沿海區(qū)域，低值區(qū)主要分布在北部區(qū)域，其中低值區(qū)域有向內(nèi)擴(kuò)張的趨勢。

圖4 黃河三角洲生境質(zhì)量空間分布

黃河三角洲區(qū)域水源涵養(yǎng)空間分布如圖5所示。從時間角度看，1990～2020年該區(qū)域產(chǎn)水能力呈現(xiàn)先降后升的變化，1990、2000、2010和2020年產(chǎn)水量對應(yīng)平均值為394.39、168.88、223.23、235.27 mm，產(chǎn)水量在2000年處于最低，在1990年產(chǎn)水量最高。從空間角度看，黃河三角洲區(qū)域水源涵養(yǎng)呈現(xiàn)出“中間高、沿海低”的空間格局，低值區(qū)由黃河口區(qū)域沿海區(qū)擴(kuò)散，高值區(qū)主要集中在研究區(qū)域中部，這主要和黃河三角洲區(qū)域的年均降雨量有關(guān)，其中1990年降水量為767.5 mm，2000年降水僅為476 mm，比常年同期偏少。

圖5 黃河三角洲水源涵養(yǎng)空間分布

黃河三角洲區(qū)域土壤保持空間分布如圖6所示。從時間角度看，1990～2020年該區(qū)域土壤保持能力變?nèi)酰?990、2000、2010和2020年土壤保持對應(yīng)平均值為8067.1、3088.6、5321.8、5691.28 t/(hm2·a)。其中，1990～2000年研究區(qū)域土壤保持能力直線下降，土壤保持能力在2000年達(dá)到最低。2000～2010年，該區(qū)域土壤保持能力得到增強(qiáng)，在2010～2020年土壤保持量的平均值雖有所增加，但土壤保持最高值反而降低。從空間角度看，研究區(qū)近30年土壤保持在空間分布格局上基本一致，中部地區(qū)相較于沿海地區(qū)土壤保持能力更好，建設(shè)用地及水域區(qū)域能力最弱。

圖6 黃河三角洲土壤保持空間分布

整體看，黃河三角洲區(qū)域內(nèi)部碳分布較穩(wěn)定，但沿海部分改變明顯，碳儲量降低不利于生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)。近年來隨著生態(tài)治理問題被重視，黃河三角洲區(qū)域生境質(zhì)量得到改善，但該區(qū)域生境質(zhì)量整體呈下降趨勢，而生境質(zhì)量的降低嚴(yán)重影響生物的棲息環(huán)境，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性隨生物多樣性的縮減而變?nèi)?。由于降雨量的減少，黃河三角洲區(qū)域的產(chǎn)水量和水土保持能力整體有所下降，其中土壤保持在中部地區(qū)土壤保持能力較好。

4.3 綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

黃河三角洲綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估空間分布如圖7所示。從事時間角度上看，將耕地作為相對指標(biāo)可以看到，1990年和2000年耕地處于整體生態(tài)系統(tǒng)中質(zhì)量較低的狀態(tài)，2010年和2020年耕地處于質(zhì)量相對較高的區(qū)域。從空間角度看，生態(tài)系統(tǒng)整體屬于沿海部分質(zhì)量低，內(nèi)部地區(qū)質(zhì)量高的分布格局。1990年的綜合生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)在林草地處較高，在建設(shè)用地以及未利用地處較低。相比于1990年，2000年的耕地處綜合生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量降低，僅在研究區(qū)域東南處的質(zhì)量較高。2010年與2020年的綜合生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在空間分布上大致相似，其中耕地均屬于高質(zhì)量區(qū)域，而沿海區(qū)域質(zhì)量與內(nèi)部產(chǎn)生明顯區(qū)別。耕地處綜合生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的改變，明顯表明該區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量下降，相比于1990年林草地的高質(zhì)量區(qū)域，后二十年的高質(zhì)量區(qū)域明顯減少，生態(tài)環(huán)境整體下降。

圖7 黃河三角洲綜合生態(tài)系統(tǒng)評估空間分布

4.4 空間自相關(guān)性分析

在相同狀態(tài)時，為更好地描述研究區(qū)域地理要素之間在空間分布上的特征關(guān)系，引用全局空間自相關(guān)來分析某一單元區(qū)域與周圍單元格的關(guān)系。從圖8可以看出，1990～2020年的Moran’s I指數(shù)分別為0.575、0.619、0.525、0.535，4個時期均高于0.5，呈現(xiàn)增長趨勢，綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的空間聚類關(guān)系隨時間的變化較大。散點分布主要以一三象限為主，表明綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間具有正相關(guān)關(guān)系，4個時期的空間聚集性明顯，但相關(guān)程度有所浮動，其中， 2000年該區(qū)域空間聚集性達(dá)到最高，由于石油化工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成污染，進(jìn)而導(dǎo)致2010年空間聚集行急劇下降，從而引起指數(shù)的浮動，但研究區(qū)域整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)呈現(xiàn)的空間正相關(guān)。由圖9可知，正-正集聚型主要分布在研究區(qū)域中部，低-低集聚型主要分布在研究區(qū)域的沿海邊緣地帶。

圖8 研究區(qū)域全局Moran’s I指數(shù)散點

圖9 研究區(qū)域TES Lisa

5 結(jié)論

土地類型轉(zhuǎn)變打破黃河三角洲生態(tài)系統(tǒng)的平衡狀態(tài)和調(diào)節(jié)能力[22]，不利于生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。本研究將黃河三角洲作為研究區(qū)域，選擇碳存儲、生境質(zhì)量、土壤保持和水源涵養(yǎng)4個方面對黃河三角洲1990～2020年的生態(tài)系統(tǒng)功能變化進(jìn)行研究，并引入離散指數(shù)，對綜合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行時空格局演變特征分析。主要結(jié)論如下:

(1)4個時間段黃河三角洲區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化趨勢均不相同，其中碳儲量呈現(xiàn)整體下降的趨勢；生境質(zhì)量空間波動范圍增大，總體質(zhì)量降低；水源涵養(yǎng)呈現(xiàn)出“中間高、沿海低”的空間格局；土壤保持空間格局變化雖然不顯著，但受多種因素影響導(dǎo)致土壤保持能力減弱，生態(tài)安全受到威脅。

(2)綜合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指數(shù)代表著生態(tài)系統(tǒng)4個方面的整體狀況，從其分布可知耕地均屬于高質(zhì)量區(qū)域，而沿海區(qū)域質(zhì)量與內(nèi)部產(chǎn)生明顯區(qū)別，沿海區(qū)域應(yīng)注意保護(hù)，方式過度開發(fā)。

(3)1990～2020年該區(qū)域的Moran’s I指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，Lisa圖的空間分布大致相同，2方面均表明4個時期黃河三角洲區(qū)域的空間較聚集，空間自相關(guān)性較高。