基于改進機會窗口理論的鹽城濕地互花米草前緣時空變化研究

羅 鋒,代建成,陳治澎,周光淮,周 曾,2,張義豐,3

(1.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098; 2.南通河海大學海洋與近海工程研究院,江蘇 南通 226004;3.海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098)

濱海濕地是海岸帶的重要組成部分,是陸海相互作用的關鍵區(qū)域,鹽沼作為濱海濕地的重要生態(tài)類型,具有提供初級生產(chǎn)力、維持生物多樣性、生物固碳及保灘護岸等重要生態(tài)和安全價值[1-2]。近年來,在濱海鹽沼植被修復的相關研究和工程實踐中,Balke等[3]提出的機會窗口(windows of opportunity,WoO)概念被用來解釋鹽沼植物幼苗定植擴張現(xiàn)象和機制,認為鹽沼植被幼苗定植初期需要一段不受潮水淹沒等外界干擾的“無干擾期”使幼苗扎根定植。無干擾期是幼苗定植成功的必要條件,換而言之,無干擾期為幼苗定植打開了一扇機會窗口[4-5]。Balke等[4]構建了考慮擾動頻率的機會窗口模型,模擬了鹽沼植被覆蓋范圍的時空變化,隨后有學者通過床面切應力和臨界干擾深度等進一步完善了機會窗口框架[6-7]。長江口崇明東灘的海三棱藨草修復試驗驗證了其在生態(tài)修復中的重要性,基于機會窗口選擇在高程為2.2～2.8 m的潮灘上進行種子播種試驗,結果表明修復區(qū)域植株密度達到478～611株/m2,遠高于基于球莖移栽的73～216株/m2。同時由于減少了移栽等人工成本且種子僅需300元/kg,修復成本降低至1～1.5元/m2,低于基于球莖或植株斑塊移栽修復方法的5～7 元/m2[8-10]。

機會窗口模型的關鍵在于確定植被幼苗定植所需無干擾期的最短時間,即最小無干擾時間,有學者通過水槽試驗和現(xiàn)場觀測等方法確定了鹽角草、海紫菀和紅樹林等植被幼苗定植所需的最小無干擾時間[11-13]。水槽試驗研究機理性問題更加直觀,但最小無干擾時間影響因素復雜,包括生物種類、非生物因素(如淹沒時間、潮流波浪、生長環(huán)境等)[6-7],因此水槽試驗做實際潮灘原型研究有局限。現(xiàn)場觀測優(yōu)勢在于其結果的精確性,但現(xiàn)場投入較大,無法范圍應用。因此,提出一種高效的反演最小無干擾時間的研究方法至關重要。遙感影像具有覆蓋范圍廣、信息豐富、處理方式高效簡單等特點[14-15],因此本文基于高精度遙感影像,提出了一種反演鹽沼植被幼苗定植所需最小無干擾時間的新方法,可以彌補水槽試驗和現(xiàn)場觀測的不足。

本文以鹽城自然保護區(qū)為研究區(qū)域,針對其潮灘典型分布的鹽沼類型互花米草,提出了一種基于互花米草繁殖方式和遙感反演最小無干擾時間的改進機會窗口模型,分析互花米草前緣的時空變化。以遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎,通過相關系數(shù)和平均絕對誤差探討改進機會窗口模型在江蘇潮灘運用的精度,以期能為后期鹽城自然保護區(qū)互花米草管控以及其他類型鹽沼生態(tài)修復工程的實施提供一種新途徑。

1 研究區(qū)概況

江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區(qū)核心區(qū)位于江蘇海岸中部(32°20′～34°37′N,119°29′～121°16′E),主要保護丹頂鶴等珍稀野生動物及其賴以生存的灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng),是拉姆薩爾公約中的重要濕地之一,于2019年被列為世界自然遺產(chǎn)。研究區(qū)域鹽沼濕地寬約6～9km,且具有明顯的鹽沼植被分帶性(圖1),由陸向海依次為蘆葦、鹽蒿、互花米草和光灘。其中,互花米草是一種多年生米草屬草本植物,具有發(fā)達的根系和抗沖促淤能力,是其原生地濱海鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢物種[16]。1979年被引入我國并率先在福建省羅源灣試種成功[17],1983年在江蘇沿海各市縣均試栽成功[18]。保護區(qū)是典型的淤泥質(zhì)潮灘濕地,受互花米草擴張影響嚴重,1993年之前尚未形成大面積的群落,無法在影像上觀測到;1993—1996年處于逐漸加快擴展階段,年平均擴展率為30%;1996—1999年處于快速擴展階段,年平均擴展率為43%;1999年之后年擴展率約為10%[19]。2006年保護區(qū)互花米草面積達到33.81km2,近些年擴展率進一步減小到不足4%,至2015年面積達到45.95km2[20]。

圖1 江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區(qū)核心區(qū)的鹽沼植被分布及測量斷面

2 研究數(shù)據(jù)和方法

改進的機會窗口模型計算流程主要分為4個步驟:①選取1998—2021年的24幅Landsat遙感影像,通過目視解譯分析互花米草前緣的時空變化趨勢。同時考慮到2002年前未形成完整的互花米草前緣線,且2020年后前緣線變化不大,所以選擇2002—2010年和2010—2020年作為研究時間段;②選取2020—2021年的4幅Sentinel-2遙感影像,以研究區(qū)域南部(圖1)為研究對象,用水邊線法構建潮灘的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM ),通過基于支持向量機的監(jiān)督分類方法確定研究區(qū)域南部互花米草定植范圍,反演互花米草在前緣光灘上定植所需的最小無干擾時間;③以最小無干擾時間和TPXO9.0預報潮位數(shù)據(jù)為輸入,通過改進的機會窗口模型模擬2002—2010年和2010—2020年2個時間段前緣線的變化趨勢;④通過相關系數(shù)r和平均絕對誤差(MAE)評估改進機會窗口模型的精度。

2.1 基礎數(shù)據(jù)及處理

2.1.1 遙感影像數(shù)據(jù)

為了研究1998—2021年互花米草前緣時空變化,選取了24幅Landsat遙感影像,包括Landsat4-5 TM、Landsat7 ETM和Landsat8 OLI圖像(分辨率30m),遙感影像下載自地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn),考慮到互花米草最佳監(jiān)測時間為生長季末期,選擇的遙感影像日期均為9—12月。利用ENVI5.3對Landsat遙感影像進行研究區(qū)域裁剪、輻射定標和大氣校正,并進行RGB假色彩波段組合,以突出植被的光譜特征。由于互花米草的地物特征比較明顯,與光灘的差別大,因此將合成的影像導入ArcMap10.8軟件,通過常規(guī)的目視解譯方法對前緣進行提取。同時,在研究區(qū)設置30條垂直于岸線的等間距觀測斷面用于測量斷面上相鄰年份的鹽沼前緣變化距離和速率。選取2020—2021年的4幅Sentinel-2遙感影像(分辨率為10m,下載自歐洲空間局官網(wǎng)(https://scihub.copernicus.eu/)),反演互花米草定植所需的最小無干擾時間。選取2007年的2幅Landsat7和2020年的1幅Landsat8、1幅Sentinel-2遙感影像,研究改進的機會窗口模型模擬前緣時空變化的精度。

2.1.2 潮位預報方法及精度評估

歷史潮位采用潮位數(shù)據(jù)模型TPXO9.0提供的M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4和MN4分潮的調(diào)和常數(shù)進行潮位預報,并且基于MATLAB的潮位提取工具TidalModelDriver(TMD)生成給定點的潮位時間序列數(shù)據(jù)?？紤]到潮汐在近岸淺水區(qū)域會變形,基于新洋港水文站實測潮位數(shù)據(jù),對潮位數(shù)據(jù)模型TPXO9.0在近岸區(qū)域預報潮位的可靠性和穩(wěn)定性進行誤差評估。實測潮位數(shù)據(jù)來源于江蘇省水文局在2006年12月21日、26日和31日對新洋港大潮、中潮、小潮的潮汐運動進行的監(jiān)測,測驗斷面位置設在新洋港下游離?？?～3km處,使用ADCP測流,全潮期平均2h監(jiān)測1次,遇漲、落急則1h監(jiān)測1次,節(jié)點位置增加測次。每閘共測12個潮次,白天和夜間潮形各半[21]。

由圖2可知,大、中、小潮潮位的模擬潮位與實測值總體吻合良好,僅部分時段有所偏差,比如中潮平均絕對誤差最大,達到0.23m。模擬值與實測值在振幅上比較吻合,僅在相位上有一定偏差,表現(xiàn)為模擬值漲潮和落潮出現(xiàn)滯后且漲潮歷時較長落潮歷時較短。這是因為河口水域比外海淺,潮差比外海大,使得潮波波形發(fā)生變化,導致漲潮歷時縮短落潮歷時延長。除此之外,大潮和小潮模擬值的平均絕對誤差均較小,分別為0.14m和0.08m,并且在振幅和相位上都比較吻合。由圖2(d)的相關性曲線可知,模擬值和實測值的相關系數(shù)達0.98,決定系數(shù)R2為0.96,平均絕對誤差為0.15m?？傮w而言,TPXO9.0潮位模型的精度較高,并且能較好預報近岸淺水區(qū)域的潮位。

圖2 預報潮位誤差驗證

2.2 水邊線法構建DEM

遙感水邊線是衛(wèi)星過境時獲取的瞬時水邊線[22],準確提取水邊線是潮灘DEM構建的關鍵。利用遙感影像提取水邊線,關鍵在于水陸分類,目前常用的方法主要有邊緣檢測算子法、閾值分割法、區(qū)域生長法、主動輪廓模型法、面向?qū)ο蠓诸惙ǖ萚23]。其中,改進歸一化差異水體指數(shù)(modified normalized difference water index,MNDWI)是在歸一化差異水體指數(shù)(normalized difference water index,NDWI)的基礎上改進的水體指數(shù),提取的水邊線位置偏移最小,效果也最理想[24]。采用基于MNDWI指數(shù)的閾值分割法輔以大津法(OTSU)進行水體提取,選擇Landsat影像和Sentinel-2影像的綠光波段和短波紅外波段2個波段,構建灰度影像,增強影像中的水體信息[24]。

采用邊緣檢測算子法從灰度影像中提取水邊線,通過中值濾波和低通濾波處理MNDWI灰度影像,在保留大于卷積核邊緣的同時平滑圖像,消除高頻噪聲。通過OTSU算法計算閾值,對MNDWI灰度影像進行二值化,該方法又稱作最大類間方差法,是一種按圖像灰度特性確定圖像二值化分割閾值的算法,具有計算簡單快速,不受圖像亮度和對比度影響等優(yōu)點[25]。通過數(shù)學形態(tài)學濾波,對二值圖做開運算處理和閉運算處理,去除潮灘上的潮溝和小區(qū)域水體,得到水邊線提取結果。利用研究區(qū)域的TPXO9.0預報潮位數(shù)據(jù)對獲取的水邊線賦以高程,從而由不同的水邊線產(chǎn)生一系列等高線,在ArcGIS中運用分析模塊中TIN插值功能構建研究區(qū)潮灘的數(shù)字高程模型DEM。值得注意的是,本文通過邊緣檢測算子法從灰度影像中自動提取水邊線,使得精度受限于Landsat遙感影像分辨率,所以構建的DEM精度為30m。

2.3 改進機會窗口模型

互花米草主要通過有性和無性2種繁殖方式在沿海濕地擴張,但是Balke等[4]的研究僅考慮了互花米草的有性繁殖,低估了其擴張速度。因此,本研究在機會窗口模型的基礎上考慮了無性繁殖,并且使用R語言構建一套改進的機會窗口模型,期望能完善模型對互花米草繁殖方式的刻畫。

改進的機會窗口模型原理如圖3所示。首先,互花米草通過實生苗的傳播(有性繁殖)在前緣光灘上定植,本文以最小無干擾時間和每年4月1日至10月1日的TPXO9.0預報潮位數(shù)據(jù)為輸入,通過機會窗口模型模擬出適合實生苗定植的范圍,即其前緣通過有性繁殖在光灘上擴張的距離X1。然后,互花米草會通過快速分蘗和根狀莖生長(無性繁殖)形成斑塊,擴張速度約為25m/a[26],據(jù)此算出其前緣通過無性繁殖在光灘上擴張的距離X2(式(1))。最后,得到互花米草前緣擴張總距離X=X1+X2,通過相關系數(shù)和平均絕對誤差對模型預測結果的準確性進行定量評估。因為2002年前研究區(qū)域未形成完整的互花米草前緣線,并且2020年后前緣線變化不大,所以選擇2002—2010年和2010—2020年2個時間段的前緣時空變化評估模型性能。

圖3 改進的機會窗口模型原理示意圖

X2=25(T3-T2)

(1)

式中:T2為實生苗傳播在前緣光灘上定植的最遠距離出現(xiàn)的年份;T3為擴張結束年份。

2.4 最小無干擾時間確定

為了確定定植需要的最小無干擾時間,提出一種基于遙感反演的新方法。以2020—2021年研究區(qū)域南部的互花米草為研究對象,基于支持向量機的監(jiān)督分類確定互花米草定植范圍。假設定植所需的最小無干擾時間為3d、4d、5d、6d,通過2021年4—10月水位數(shù)據(jù)和改進的機會窗口模型計算對應高程,分別記為h3、h4、h5、h6,根據(jù)DEM得到對應等高線,確定最小無干擾時間。

3 結果與分析

3.1 通過遙感影像觀測互花米草前緣時空變化

保護區(qū)互花米草前緣時空變化可分為3個階段,每個階段變化距離見圖4,變化速率見圖5。1998—2010年,由于豐富的沉積物來源[27]和互花米草的保灘促淤功能[28],研究區(qū)域互花米草全面向海推進,與其他學者遙感觀測的現(xiàn)象一致[29]。通過量測,平均推進距離為561m,平均推進速率為47m/a,其中19號斷面推進距離最大,向海推進距離為1259m,推進速率為105m/a,而12號和13號斷面推進距離最小,向海推進距離分別為72m和65m,推進速率為6m/a和5m/a。2010—2020年,前緣出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象,其中3號斷面侵蝕最嚴重,侵退距離為405m,侵退速率為41m/a,可能與射陽河口雙導堤的建設導致下游沉積物來源減少有關[30]?？傮w來說,前緣自北向南基本呈現(xiàn)淤-蝕-淤-蝕-淤的W形變化趨勢,1號、28號、29號和30號斷面仍處于向海擴張狀態(tài),可能是受到新洋港和斗龍港入海泥沙河口淤積的影響。2020—2021年,研究區(qū)域北部繼續(xù)侵蝕后退,平均侵退距離為84m,核心區(qū)中部鹽沼前緣的位置相對穩(wěn)定,研究區(qū)域南部鹽沼大面積向海推進,平均推進距離可達319m。

圖4 互花米草前沿線的變化距離

圖5 互花米草前沿線的變化速率

3.2 互花米草定植所需的最小無干擾時間

通過水邊線法構建的潮灘DEM(圖6(a))和改進的機會窗口模型,確定了最小無干擾時間為3d、4d、5d、6d對應的最低高程h3、h4、h5、h6分別為0.74m、0.91m、0.93m、1.05m(圖6(b))。由圖6(b)可知互花米草定植區(qū)域高程均大于0.93m,可以認為互花米草定植所需的最小無干擾時間為5d。類似無干擾時間的確定,許多學者通過水槽試驗和現(xiàn)場監(jiān)測等方法得到鹽角草最小無干擾時間為2～3d[11],海紫菀最小無干擾時間為5d[12],紅樹林最小無干擾時間為5d[13]。

圖6 水邊線法反演的潮灘高程及互花米草定植所需的最低高程

3.3 通過改進的機會窗口模型模擬互花米草前緣時空變化

2002—2010年和2010—2020年2個時間段滿足互花米草定植所需的最低高程分別為0.9301m和0.9470m,出現(xiàn)的時間分別為2007年5月25日和2020年6月14日。因此,在2007年和2020年各選擇2幅遙感影像通過ArcGIS中的TIN插值功能得出模擬的前緣線(圖7),從而模擬2個時間段內(nèi)前緣的變化趨勢。

圖7 通過改進的機會窗口模型模擬互花米草前緣時空變化

由圖7可知,2007年研究區(qū)域互花米草前緣的光灘上存在大量的機會窗口,2020年前緣光灘上機會窗口缺失,因此2002—2010年研究區(qū)域互花米草將大面積向海擴張推進,2010—2020年前緣將后退。上述定性分析結果與第3.1節(jié)中通過遙感影像觀測的前緣時空變化的結果一致。

3.4 改進的機會窗口模型精度評估和相關性分析

對于研究區(qū)域互花米草前緣時空變化的第一階段(2002—2010年),互花米草通過實生苗傳播在前緣光灘上定植的最遠距離出現(xiàn)在2007年,之后3a時間里通過無性繁殖擴張距離為75m。采用Balke等[4]的機會窗口模型模擬值的平均絕對誤差為66.67m(圖8),而本文改進的機會窗口模型的平均絕對誤差為28.83m,降低了37.84m,顯著減小了誤差并提高了機會窗口模型的精度。需要說明的是,平均絕對誤差小于Landsat影像的一個像素格尺寸(分辨率均為30m),是因為本文通過目視解譯得到觀測的互花米草前緣線。

圖8 改進前和改進后機會的窗口模型模擬值與觀測值之間的平均絕對誤差和相關性分析

用遙感影像的觀測值,對改進的機會窗口模型的模擬值進行相關性分析,模擬值與觀測值的相關系數(shù)具有統(tǒng)計學意義(p<0.05),相關系數(shù)均達到0.99,平均絕對誤差分別為28.83m和17.00m,總體上的平均絕對誤差為22.92m,小于Landsat影像的一個像素格尺寸(分辨率均為30m)。綜上,改進后的機會窗口模型有效減少了平均絕對誤差,是一種可行的研究互花米草前緣時空變化的方法。

3.5 互花米草入侵的管控建議

近年來,互花米草的治理工作已在我國各地開展,但由于其強大的生長繁殖能力及治理措施的局限性,加大了入侵風險評估和管控的難度?；セ撞萑肭殖跗谥饕蕾嚪N子和實生苗的擴散和定植,定植成功后的零星互花米草能以無性繁殖的方式充分占領光灘,從而實現(xiàn)入侵。實生苗定植的成功率主要取決于潮灘高程和潮侵頻率[7],這意味著考慮高程、潮侵頻率并且量化實生苗定植能力對于控制互花米草擴散和評估入侵風險有重要意義。

本文改進的機會窗口模型主要考慮了高程、潮侵頻率和最小無干擾時間,并成功模擬了互花米草前緣時空演變。在互花米草前緣光灘上,高程較高、潮侵頻率較低的地點有利于互花米草擴張。此外,最小無干擾時間也直接決定了實生苗在潮灘上的定植能力,從而影響互花米草通過有性繁殖擴張的距離?？傮w而言,高程越高、潮侵頻率越低且最小無干擾時間越長的區(qū)域應被視為互花米草管控的重點區(qū)域,需加強觀測、管控與風險評估,以防互花米草肆意蔓延。因此,可通過本文的方法反演最小無干擾時間并且模擬互花米草前緣線時空變化,從而為互花米草管控以及入侵風險評估提供參考。

4 結 論

a.通過對江蘇鹽城濕地珍禽國家級保護區(qū)互花米草前緣的時空變化進行觀測,前緣時空變化分為3個階段:第一階段(1998—2010年),互花米草全面向海推進,平均推進速率為47m/a;第二階段(2010—2020年),研究區(qū)域北部和南部出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象,前緣自北向南呈現(xiàn)淤-蝕-淤-蝕-淤的W形變化趨勢;第三階段(2020—2021年),研究區(qū)域北部繼續(xù)侵蝕后退,核心區(qū)中部鹽沼前緣的位置相對穩(wěn)定,研究區(qū)域南部鹽沼大面積向海推進,平均推進距離可達319m。

b.互花米草定植所需的最小無干擾時間是運用改進的機會窗口模型模擬前緣時空變化的關鍵,本文通過水邊線法構建潮灘數(shù)字高程模型DEM,結合2020—2021年研究區(qū)域南部的互花米草定植范圍,反演其定植所需的最小無干擾時間為5d。

c.本文針對互花米草有性繁殖和無性繁殖結合的繁殖方式,提出了一種改進的機會窗口模型,模擬2002—2010年和2010—2020年2個時間段前緣的時空變化,并且通過相關系數(shù)和平均絕對誤差對改進機會窗口模型預測結果的準確性進行定量評估。結果顯示,改進后的機會窗口模型對2002—2010年前緣擴張的模擬值的平均絕對誤差為28.83m,比改進前降低了37.84m。對2010—2020年前緣后退模擬值的平均絕對誤差為17.00m,總體上的平均絕對誤差為22.92m,小于一個像素格的尺寸。改進的機會窗口模型顯著提高了模擬精度,是一種可行的研究互花米草前緣時空變化的方法。