基于Sentinel-2影像的東寨港國家級自然保護區(qū)景觀格局變化及其驅(qū)動力研究李慶慶

關(guān)鍵詞：東寨港;自然保護區(qū);Sentinel-2影像;景觀格局;驅(qū)動力

中圖分類號：Q149;P7 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2024）03-0091-11

0 引言

紅樹林是典型海洋生態(tài)系統(tǒng)之一，具有護堤固灘、防風消浪、固碳儲碳、維持生物多樣性等重要生態(tài)系統(tǒng)服務功能[1-2]。受人類活動和自然因素的共同影響，在過去的50 年，全球紅樹林面積減少了20%～35%[3]。近40年來，我國紅樹林面積呈現(xiàn)先減少后增加的整體趨勢[4]。21世紀以來，通過嚴格保護和大規(guī)模生態(tài)修復，我國成為世界上紅樹林面積凈增加的少數(shù)國家之一[5]。為了更科學地實施保護管理，快速、準確掌握紅樹林面積的變化趨勢成為關(guān)鍵。由于紅樹林生長環(huán)境特殊，傳統(tǒng)的地面調(diào)查工作十分困難，且獲取的信息不夠全面、時效性不強。而遙感數(shù)據(jù)具有快速、宏觀、可重復、成本低、效率高、長時序、大范圍等優(yōu)勢[6]，近年來在我國廣西、廣東、海南等地區(qū)紅樹林面積、景觀格局變化研究中得到廣泛且成功的應用[7-9]。因此，采用遙感技術(shù)手段開展紅樹林的調(diào)查監(jiān)測研究，分析景觀格局變化及其主要驅(qū)動力，對于提高紅樹林的保護和修復水平具有重要現(xiàn)實意義。海南東寨港國家級自然保護區(qū)（以下簡稱東寨港保護區(qū)）是我國建立的第一個紅樹林濕地自然保護區(qū)，也是我國紅樹林樹種最豐富、資源最多、保育最好的自然保護區(qū)[10]。2000年以來，研究人員從不同角度對東寨港保護區(qū)紅樹林景觀格局變化展開研究，以期為紅樹林的保護和恢復提供決策參考。王胤等[11]結(jié)合早期地形圖和實地調(diào)查數(shù)據(jù)，利用專題制圖儀（TM）遙感圖片，計算出了1959年、1989年、1996年和2002年4個時期東寨港區(qū)域的紅樹林面積。辛琨等[12]利用遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和景觀指數(shù)分析了東寨港保護區(qū)紅樹林在不同時期的變化特征。羅丹等[13]選用陸地衛(wèi)星專題制圖儀（Landsat TM），陸地衛(wèi)星增強專題成像儀（LandsatETM+）和對地觀測衛(wèi)星（ALOS）衛(wèi)星遙感影像作為數(shù)據(jù)源，采用目視解譯和監(jiān)督分類以及實地調(diào)查相結(jié)合的方法對1988年、1999年、2010年東寨港的紅樹林面積變化進行了分析。黃星等[14]以東寨港保護區(qū)1988年、1998年、2009年3期的LandsatTM 遙感影像作為主要數(shù)據(jù)源，結(jié)合濕地實地調(diào)查開展了基于斑塊的東寨港紅樹林景觀格局變化及其原因的研究，發(fā)現(xiàn)紅樹林總面積呈遞減趨勢，并表明人為砍伐、圍海造田、開挖養(yǎng)殖塘等是造成紅樹林減少的主要原因。吳庭天等[15]使用中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心的數(shù)據(jù)，對地類變化形成的生態(tài)景觀變化進行了研究，從景觀格局和土地利用兩個方面描述了東寨港紅樹林濕地的動態(tài)變化特征，對紅樹林濕地景觀的破碎化情況進行了分析與討論。上述工作有力地推動了東寨港保護區(qū)紅樹林遙感監(jiān)測技術(shù)方法的研究，并分析了紅樹林面積、類型、人類活動的變化趨勢，但仍存在一定的不足。一是多采用空間分辨率為30m 的Landsat衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù);二是近年來的紅樹林面積變化情況分析較少;三是保護區(qū)內(nèi)部和外部紅樹林變化及其驅(qū)動力的對比分析較少。

為了更好地分析東寨港保護區(qū)近年來的紅樹林濕地保護成效，本研究采用空間分辨率為10 m的Sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)，分析2017—2021年保護區(qū)內(nèi)部和外圍地帶的景觀格局變化及其驅(qū)動力，以期為紅樹林的保護與管理、保護區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供決策參考。

1 研究區(qū)域概況

東寨港保護區(qū)位于海南省東北部，總面積為3337.6hm2[16]。保護區(qū)所在區(qū)域氣候類型為熱帶季風性氣候，年平均氣溫在23.3℃～23.8℃，年平均降水量為1676.4mm[17]。保護區(qū)內(nèi)有大量的紅樹物種，包括欖李（Lumnitzera racemosa ）、水椰（Nypafruticanswurmb）、海桑（Sonneratiacaseolaris）、擬海桑（Sonneratiaparacaseolaris）等珍貴品種[18]，具有極高的保護價值。保護區(qū)是越冬水鳥數(shù)量最多、最豐富的區(qū)域之一，為許多鳥類、珍稀魚類和無脊椎動物提供了棲息和繁殖地[4，19]，具有重要的生物多樣性保護作用。

在過去的幾十年里，由于養(yǎng)殖活動、旅游、圍塘捕撈、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等人類活動和氣候變化等因素，保護區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了不同程度的破壞，景觀破碎化程度逐步增大[11，20]。近年來，地方政府和保護區(qū)管理機構(gòu)加強保護區(qū)的建設(shè)和管理，同時實施紅樹林保護修復工程，保護區(qū)生態(tài)環(huán)境得到改善。為了分析保護區(qū)的保護成效和人類活動壓力，本研究選取保護區(qū)內(nèi)部（包括核心區(qū)、緩沖區(qū)、實驗區(qū)）和外部（1km 的外圍地帶）作為研究區(qū)域。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究采用歐洲航天局（European Space Agency，ESA）的Sentinel-2遙感影像數(shù)據(jù)，影像幅寬為290km，影像云覆蓋率低于5%。遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率分別為10m，20m 和60m，本研究采用空間分辨率為10m的影像數(shù)據(jù)，并選取2017—2021年共5年的影像數(shù)據(jù)，以分析保護區(qū)景觀格局的年際動態(tài)變化。此外，為了更好地區(qū)分灘涂或者灘涂上的植被，本研究盡可能選取低潮時的遙感影像，數(shù)據(jù)列表如表1所示。

2.2 研究方法

本研究采用的技術(shù)路線如圖1 所示。① 下載符合研究要求的遙感影像數(shù)據(jù)，并進行波段合成、裁剪等處理（本研究采用的Sentinel-2L2A級數(shù)據(jù)已經(jīng)過大氣校正和輻射校正，且研究區(qū)域在一景影像上，故不需要圖像鑲嵌）。② 采用人機交互解譯方法對影像數(shù)據(jù)進行解譯，包括基于ArcGIS軟件利用聚類和最大似然法自動劃分景觀類型、采用歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、歸一化差異水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）等區(qū)別水體與植被，并通過監(jiān)督分類處理形成初步解譯結(jié)果。然后，采用人工目視解譯方法，對監(jiān)督分類結(jié)果進行修訂完善，結(jié)合天地圖等高清影像對解譯結(jié)果進行精度驗證。③ 將重分類之后的柵格數(shù)據(jù)導入Fragstats4.2軟件，計算景觀格局指數(shù)，分析景觀格局變化。④ 根據(jù)2017—2021年的景觀類型和景觀指數(shù)變化情況，分析其主要驅(qū)動力。

2.2.1 景觀類型解譯及結(jié)果驗證

（1）景觀分類。通過參考相關(guān)研究報道[14-15]和借鑒《濕地分類》（GB/T24708-2009），將東寨港保護區(qū)劃分為6種景觀類型：①紅樹林濕地;②林地（有林地、荒地）;③水域（包括東寨港海域、河流湖泊等）;④耕地;⑤養(yǎng)殖水面;⑥建筑用地。

（2）機器解譯。①利用ArcGIS對Sentinel-2遙感影像的B2、B3、B4、B8波段進行波段合成。②根據(jù)前述確定的研究范圍（東寨港保護區(qū)和1km 的外圍地帶）進行裁剪。③利用聚類、最大似然法進行監(jiān)督分類，形成初步的機器解譯結(jié)果。④通過計算NDVI和NDWI來修正初步的機器解譯結(jié)果。其中，NDVI植被指數(shù)主要用于監(jiān)測植被生長狀態(tài)、植被覆蓋度和消除部分誤差，可利用該指數(shù)更正植物分布;NDWI水體指數(shù)可有效區(qū)分水體和紅樹林[21]。計算公式如下：

式中：NIR 為近紅外波段;R 為紅光波段;LG 和LNIR分別為綠光波段（對應于Sentinel-2影像的B3波段）和近紅外波段（對應于Sentinel-2影像的B8波段）像元亮度值。

（3）目視解譯。①將機器分類結(jié)果轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。②利用高清的天地圖歷史影像和WorldImagery歷史影像進行人工目視解譯，根據(jù)地物的形狀、大小、陰影、位置、布局等空間特征進行判斷，并對錯分、漏分的部分進行修正。③解譯完成后，將各景觀類型面積進行統(tǒng)計匯總，并導出柵格數(shù)據(jù)，方便作為下一步景觀格局指數(shù)分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（4）結(jié)果驗證。為定量分析所得解譯結(jié)果的可靠性和有效性，本研究依據(jù)遙感影像對所提取的景觀類型進行精度評價[22]：在研究區(qū)域范圍內(nèi)，利用ArcGIS軟件的采樣設(shè)計工具隨機選取200個驗證點，參照谷歌地球影像進行景觀類型驗證，其中174個驗證點正確，26個出現(xiàn)偏差，總體精度可達87%。2023年1月前往研究區(qū)域進行野外調(diào)查，對機器解譯和目視解譯時存疑的點位進行實地驗證，確保解譯結(jié)果的準確性。

2.2.2 景觀格局指數(shù)計算

景觀格局指數(shù)是目前景觀格局研究中比較成熟和常用的方法[23]，它能夠從多方面呈現(xiàn)地區(qū)景觀空間格局水平和動態(tài)變化[24]。通過對景觀格局指數(shù)進行定量和定性統(tǒng)計分析，可以針對不同空間尺度和時間尺度的景觀格局特征進行橫向的比較。

本研究采用Fragstats4.2軟件對東寨港保護區(qū)2017—2021年5期數(shù)據(jù)進行分析。共選取4個景觀指標：斑塊密度（patch density，PD）可用來分析景觀破碎化程度;蔓延度指數(shù)（Contagion Index，CONTAG）可說明各景觀類型聚散程度和延伸趨勢;Shannon 多樣性指數(shù)（Shannon's" diversity index，SHDI）和Shannon 均勻度指數(shù)（Shannon's evenness index，SHEI）來分析景觀多樣性變化。

斑塊密度（PD）：

式中：NP為斑塊數(shù)量，單位為個;A 為景觀或斑塊的總面積，單位為hm²;CONTAG 值越小斑塊團聚度和延伸性越低。m 為景觀中斑塊類型的總數(shù)，單位為個;pi為斑塊類型i 占整個景觀的面積比，單位為%;gik指景觀類型i 與k 斑塊相鄰的格網(wǎng)數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 景觀類型變化分析

3.1.1 保護區(qū)內(nèi)部變化情況

由保護區(qū)2017—2021年的景觀類型變化情況（表2）可知，紅樹林濕地面積增加了70.68hm²，這得益于國家退耕還濕和退林還濕工作的有效開展。在自然景觀類型方面，林地和水域景觀面積呈減少狀態(tài)，但變化量不大。在人工景觀方面，養(yǎng)殖水面和耕地面積大幅度減少，建筑用地面積變化不明顯，僅減少了0.18hm²。

3.1.2 外圍地帶變化情況

由保護區(qū)外圍地帶2017—2021年的景觀類型變化情況（表3）可知，在自然景觀類型方面，林地面積減少了37.15hm²，變化率為-2.38%;水域面積變化不明顯，減少了1.96hm²;紅樹林濕地面積增加了11.23hm²。在保護區(qū)外圍地帶人工景觀方面，養(yǎng)殖水面減少了19.73hm²;耕地面積增長較為顯著，變化量為58.30hm²;建筑用地面積減少了10.68hm²。

3.1.3 保護區(qū)內(nèi)外對比分析

對比表2、表3的變化量和變化率可知，在自然景觀類型方面，林地面積在保護區(qū)內(nèi)和外圍地帶均出現(xiàn)減少趨勢，外圍地帶的林地面積減少幅度較大，變化量約為保護區(qū)內(nèi)的15倍;保護區(qū)內(nèi)和外圍地帶紅樹林濕地面積均呈現(xiàn)增加趨勢，保護區(qū)內(nèi)部的增加量更為顯著。在人工景觀方面，保護區(qū)內(nèi)的養(yǎng)殖水面面積減少了53.71hm²，而外圍地帶僅減少了19.73hm²;耕地面積在保護區(qū)內(nèi)減少，而外圍地帶增加;保護區(qū)和外圍地帶的建筑用地面積均減少，保護區(qū)內(nèi)部的變化量較小。2017—2021年研究區(qū)域（保護區(qū)和外圍地帶）的景觀類型空間分布如圖2所示。

3.2 景觀指數(shù)變化分析

3.2.1 斑塊密度指數(shù)和蔓延度指數(shù)

圖3給出了保護區(qū)和外圍地帶的斑塊密度指數(shù)計算結(jié)果。外圍地帶的斑塊密度值盡管在2018年有所增加，但總體上呈現(xiàn)下降趨勢，其中2021年降至最小值12.7105。保護區(qū)內(nèi)的斑塊密度的變化趨勢總體上與外圍地帶相似，但是數(shù)值低很多，2021年為8.6729。其中，2018年保護區(qū)的斑塊密度指數(shù)值相對較高的原因是坑塘面積和淡水養(yǎng)殖場面積較大，人類活動較頻繁。對比可知，外圍地帶的斑塊密度值顯著高于保護區(qū)，這表明外圍地帶的景觀破碎化程度一直較高。

圖4給出了保護區(qū)和外圍地帶的蔓延度指數(shù)計算結(jié)果。外圍地帶蔓延度指數(shù)值在2019年達到了最大值35.99%，之后處于總體穩(wěn)定的狀態(tài);保護區(qū)內(nèi)蔓延度指數(shù)值除2018年有輕微下降，總體處于穩(wěn)定和略為上升趨勢，這是由于2018年受人工干擾較大，之后通過生態(tài)修復，紅樹林連片面積增加。對比可知，保護區(qū)內(nèi)的蔓延度指數(shù)值明顯高于外圍地帶，約為外圍地帶的兩倍，表明保護區(qū)內(nèi)的景觀延伸性與團聚性上升，連接度與整體性比外圍地帶更好。

3.2.2 多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)

圖5給出了的SHDI的計算結(jié)果。外圍地帶的SHDI值，波動較小，5 年間變化不明顯;保護區(qū)SHDI值先上升后下降，從2017年的0.8463上升至2018年的0.8582再下降至2021年的0.7678;SHDI值可以反映景觀的異質(zhì)性，其中2018年后保護區(qū)SHDI值下降，可說明斑塊類型減少或各斑塊類型分布更加不均衡。這是因為生態(tài)修復工作導致大量養(yǎng)殖水面被拆除轉(zhuǎn)換為紅樹林濕地，紅樹林面積所占比例增大。通過對比發(fā)現(xiàn)，外圍地帶SHDI值高于保護區(qū)內(nèi)部且趨向于1，說明外圍地帶土地利用更豐富，景觀多樣性水平更高，破碎化程度也越高，這與斑塊密度分析結(jié)果相一致。

圖6給出了SHEI的計算結(jié)果。保護區(qū)和外圍地帶的SHEI值變化情況與SHDI值變化情況相似。對比可得出，外圍地帶的SHEI值更接近于1，說明景觀類型分布較均勻，優(yōu)勢度較低;而保護區(qū)內(nèi)各景觀類型在2018年之后所占比例差異增大，分配更加不均勻，景觀優(yōu)勢度明顯，紅樹林濕地和水域發(fā)展成為優(yōu)勢景觀。

3.3 景觀變化驅(qū)動力分析

綜合文獻研究報道和本研究結(jié)果，對比分析了東寨港保護區(qū)及外圍地帶過去30余年的景觀變化驅(qū)動力。圖7給出了2017年前后的景觀類型面積變化分析結(jié)果。

3.3.1 2017年以前的景觀變化驅(qū)動力

2017年之前，保護區(qū)景觀類型變化的驅(qū)動機制主要包括人為因素和自然因素。

（1）人為因素。據(jù)相關(guān)研究報道，1988—2016年，景觀類型的破碎化程度逐漸加大，這主要由于東寨港地區(qū)在20世紀80年代后將毀林建造的鹽場以及無法使用的農(nóng)田改造成了養(yǎng)殖池塘[25];2000年在經(jīng)濟利益的推動下，為發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)、旅游業(yè)以及城鎮(zhèn)建設(shè)，大面積的林地和耕地轉(zhuǎn)化為建筑用地，導致建筑和養(yǎng)殖池塘面積快速增長，這也是圖7（a）和圖7（c）中數(shù)據(jù)變化的原因。據(jù)統(tǒng)計，1995—2005年保護區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖池塘面積凈增到146.10hm2[26-27]，紅樹林和耕地面積急劇下降，這也導致景觀破碎化程度的進一步加重。

（2）自然因素。2012年，由于蝦塘排污致東寨港水域水體富營養(yǎng)化嚴重，暴發(fā)了團水虱，導致東寨港紅樹林大面積退化甚至死亡，直到2015年這種現(xiàn)象仍然沒有得到遏制[28]。2014 年，臺風“威爾遜”襲擊海南，對東寨港紅樹林生態(tài)系統(tǒng)造成了極大的破壞，進一步加劇了紅樹林的退化。

由于海南省對水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)加大了整治力度，以及退耕還濕和退耕還林工作的有效推進，使得保護區(qū)內(nèi)紅樹林面積在2005—2016年未有大的波動。

3.3.2 2017年以來的景觀變化驅(qū)動力

2017—2021年，保護區(qū)變化受自然因素影響較小，主要受人為因素的影響。圖7（b）和圖7（d）可看出，5年期間，在紅樹林生態(tài)修復工作的推進下，紅樹林濕地面積占比有所增加，受人類活動干擾的影響降低。2017年以來，國家對紅樹林濕地保護日益重視，加大了對紅樹林保護區(qū)生態(tài)脆弱、退化地帶的修復力度。2017年海南東寨港國家級自然保護區(qū)管理局分別在連理枝段開展沿線沿岸修復，在長寧頭村開展災后紅樹修復，在塔市片區(qū)倉頭村和調(diào)圮村種植修復紅樹[29]。2020年以來，?？谑薪Y(jié)合東寨港保護區(qū)濕地生態(tài)修復工程、生態(tài)修復和資源保護等項目，在江東新區(qū)附近新造紅樹林130hm²，修復紅樹林180hm²[30]。這些生態(tài)修復工作進一步恢復紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的完整性，提升了東寨港的防洪減災能力和紅樹林生態(tài)系統(tǒng)服務功能，擴大了候鳥的越冬棲息生境與停歇地。

4 結(jié)語

本研究以東寨港保護區(qū)及1km 的外圍地帶為研究區(qū)域，基于2017—2021年的Sentinel-2遙感影像，通過ArcGIS采用人機交互解譯方法對影像數(shù)據(jù)進行解譯，再利用Fragstats4.2計算景觀格局指數(shù)，分析了保護區(qū)內(nèi)外的景觀格局變化及主要驅(qū)動力。結(jié)果顯示，保護區(qū)內(nèi)破碎化程度較低，各景觀的延伸性與團聚性上升，連接度與整體性較好，景觀類型所占比例差異較大，優(yōu)勢度明顯，紅樹林濕地和水域已發(fā)展成景觀優(yōu)勢類型。外圍地帶的景觀破碎化程度比保護區(qū)內(nèi)部的更為顯著，各景觀延伸性與連接性不如保護區(qū)，但景觀類型分布更均勻，土地利用較豐富，景觀多樣性水平較高。保護區(qū)景觀格局變化的驅(qū)動力主要來自于退耕還濕、退林還濕以及紅樹林資源保護和生態(tài)修復等工作。相比之下，由于人類活動強度和頻率高，外圍地帶景觀格局指數(shù)變化較為波動。綜上所述，保護區(qū)外圍地帶的人類開發(fā)利用活動頻繁，對保護區(qū)的紅樹林、鳥類棲息地等主要保護對象造成較大的壓力。這就意味著，今后地方要持續(xù)加強保護區(qū)的建設(shè)管理工作，強化生態(tài)保護修復，同時因勢利導做好外圍地帶的經(jīng)濟社會可持續(xù)規(guī)劃，減輕對紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的破壞，充分發(fā)揮保護區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務功能。

需要指出的是，本研究主要聚焦于研究區(qū)域的景觀格局變化及驅(qū)動力，尚需結(jié)合地面調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步研究分析不同種類紅樹的時空分布變化趨勢，以期為科學精準的保護管理工作提供決策參考。