基于隨機(jī)抽樣方法對(duì)江蘇某丹頂鶴保護(hù)區(qū)互花米草擴(kuò)張的嚴(yán)重性研究

摘 要：江蘇省某丹頂鶴保護(hù)區(qū)互花米草大量繁殖，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的其他草本植物構(gòu)成嚴(yán)重威脅。保護(hù)區(qū)內(nèi)的堿蓬是丹頂鶴過(guò)冬的食物來(lái)源之一，但是堿蓬在互花米草擴(kuò)張的背景下，生存空間也在持續(xù)縮小。為研究互花米草侵占?jí)A蓬生存空間的嚴(yán)重程度，該文通過(guò)蒙特卡洛隨機(jī)抽樣方法，以1997—2021年的互花米草擴(kuò)張的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)2021年之后的11年間每一年堿蓬生長(zhǎng)的面積。研究結(jié)果表明，如果不對(duì)互花米草的擴(kuò)張進(jìn)行干預(yù)，在2029年堿蓬的生存空間就被完全蠶食。綜合遙感解譯與預(yù)測(cè)模型，作者提出一個(gè)科學(xué)治護(hù)互花米草的建議。

關(guān)鍵詞：互花米草；堿蓬；侵占；預(yù)測(cè)；隨機(jī)抽樣

中圖分類(lèi)號(hào)：Q948 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）28-0086-04

Abstract： Spartina alterniflora Loisel. reproduces in large numbers in a red-crowned crane reserve in Jiangsu Province， posing a serious threat to other herbs in the reserve. Suaeda salsa in the reserve is one of the food sources for red-crowned cranes during the winter， but its living space continues to shrink amid the expansion of Spartina alterniflora Loisel.. In order to study the severity of Spartina alterniflora Loisel.'s occupation of the living space of Suaeda salsa， this paper used the Monte Carlo random extraction method to predict the growth area of Suaeda salsa in each 11 years after 2021 based on the expansion data of Spartina alterniflora Loisel. from 1997 to 2021. The research results show that if the expansion of Spartina alterniflora Loisel. is not intervened， the living space of Suaeda salsa will be completely eroded in 2029. By integrating remote sensing interpretation and prediction models， a suggestion is put forward that advocates scientific management and conservation of Spartina alterniflora Loisel..

Keywords： Spartina alterniflora Loisel.; Suaeda salsa; encroachment; prediction; random sampling

互花米草[1-2]由南京大學(xué)仲崇信教授等于1979年引入中國(guó)，旨在彌補(bǔ)先前引進(jìn)的大米草植株較矮、產(chǎn)量低、不便收割等不足因素，其具有促淤造陸、保灘護(hù)岸、降澤改土等生態(tài)功能。但是互花米草擁有強(qiáng)大的繁殖能力，已經(jīng)遍布中國(guó)濱海濕地。中國(guó)沿海各省中，江蘇省的互花米草分布面積最大，截至2015年，分布面積就已達(dá)到18 362.9 hm2。位于江蘇省鹽城市的某丹頂鶴保護(hù)區(qū)內(nèi)的互花米草在近年來(lái)持續(xù)擴(kuò)張，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)的生態(tài)造成很大的負(fù)面影響。尤其是保護(hù)區(qū)內(nèi)的堿蓬生長(zhǎng)面積持續(xù)被互花米草侵占，而堿蓬是潮灘濕地的關(guān)鍵先鋒植物，對(duì)濕地的發(fā)育和演化具有重要作用，而且堿蓬能夠給丹頂鶴提供食物，但是受互花米草擴(kuò)張的影響，其物種面積正急劇減小。如果堿蓬[3]的生長(zhǎng)空間完全被破壞，那么勢(shì)必會(huì)影響到丹頂鶴的生存。

為了研究互花米草對(duì)堿蓬生存空間侵占的嚴(yán)重性，本文以1997—2021年間的Landsat影像為基礎(chǔ)，通過(guò)遙感解譯的方法提取了此期間歷年的堿蓬與互花米草的生長(zhǎng)面積數(shù)據(jù)，通過(guò)蒙特卡洛[4-5]隨機(jī)抽樣方法預(yù)測(cè)了2021年之后11年互花米草侵占?jí)A蓬的嚴(yán)重程度，以便有關(guān)部門(mén)能夠重視對(duì)互花米草的治理，并提出了互花米草的科學(xué)治護(hù)措施。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省鹽城市濱海濕地丹頂鶴保護(hù)區(qū)，處于我國(guó)亞熱帶向暖溫帶的過(guò)渡地帶，氣候溫和，四季分明，日照充足，季風(fēng)氣候顯著，受南北氣流和海洋、大陸雙重氣候的影響。區(qū)內(nèi)主要的草本植物為互花米草與堿蓬，有少量的蘆葦。區(qū)內(nèi)主體包括潮上帶、潮間帶、潮下帶。潮上帶區(qū)域大多被圍墾，不再受到潮汐的影響，而潮下帶區(qū)域長(zhǎng)期被潮水淹沒(méi)，高等植物難以存活。潮間帶的植被群落分布主要受潮侵頻率與土壤鹽度含量的影響，具有較為明顯的過(guò)渡性。區(qū)內(nèi)鳥(niǎo)類(lèi)資源豐富，其中國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)的野生鳥(niǎo)類(lèi)有丹頂鶴、白頭鶴、白鶴、東方白鸛、黑鸛、中華秋沙鴨、大鴇、白肩雕和白尾海雕等11種；國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)的野生動(dòng)物有河麂、黑臉琵鷺、大天鵝等67種。區(qū)內(nèi)潮水位、潮灘的發(fā)育時(shí)間、灘面坡度、灘面植被覆蓋情況都會(huì)直接影響潮灘的泥沙微積，形成高程差異。潮汐無(wú)法抵達(dá)的區(qū)域，潮灘高程基本保持不變。潮灘高程變動(dòng)對(duì)潮灘濕地生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，整體上，鹽城淤泥質(zhì)潮灘濕地的絕大多數(shù)植被都集中分布于高程0.9～2.7 m之間。

2 研究方法簡(jiǎn)介

2.1 互花米草與堿蓬生長(zhǎng)面積的提取方法

本文中筆者提取研究區(qū)互花米草與堿蓬的生長(zhǎng)面積數(shù)據(jù)采用遙感解譯方法為目視解譯的方法。互花米草屬于多年生草本植物，堿蓬屬于一年生草本植物，在進(jìn)入秋季后互花米草繼續(xù)表現(xiàn)為綠色，而堿蓬會(huì)慢慢凋零，表現(xiàn)為紅色[6]，那么根據(jù)其秋季的色澤差異即可建立遙感解譯標(biāo)志。因此，本次工作筆者選擇1997年、1999年、2002年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的Landsat影像作為數(shù)據(jù)源，成像時(shí)間皆選擇10月份，各年份的影像經(jīng)幾何校正、圖像配準(zhǔn)、波段融合等預(yù)處理工作后，建立起堿蓬與互花米草的解譯標(biāo)志。限于本文的篇幅，現(xiàn)僅將2010年的互花米草與堿蓬的解譯標(biāo)志列出，如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，在Landsat遙感影像上，互花米草與堿蓬表現(xiàn)出不同的色澤，能夠很好地進(jìn)行目視解譯。

2.2 互花米草侵蝕堿蓬生長(zhǎng)空間的預(yù)測(cè)方法

蒙特卡洛算法是一種通過(guò)抽樣調(diào)查法獲取統(tǒng)計(jì)值來(lái)推測(cè)未知量的一種計(jì)算方法，其被廣泛地應(yīng)用于金融學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域中，基本使用思想是利用隨機(jī)數(shù)（或偽隨機(jī)數(shù)）來(lái)解決多種復(fù)雜的計(jì)算問(wèn)題，即使用領(lǐng)域?yàn)椋核蠼獾哪硞€(gè)問(wèn)題具有隨機(jī)性，或者所求解的某個(gè)問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換成一種具有隨機(jī)分布特征的事件。

互花米草對(duì)堿蓬生長(zhǎng)空間的侵占在不同年份皆不相同，表現(xiàn)為隨機(jī)性，并不服從某個(gè)表達(dá)式，那么根據(jù)線性與非線性擬合就不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它們的走向。鑒于此，本次工作采用蒙特卡洛算法對(duì)它們將來(lái)的趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，具體步驟如下。

1）根據(jù)各研究對(duì)象的數(shù)據(jù)選取組標(biāo)，利用經(jīng)驗(yàn)概率[7]公式計(jì)算出各組標(biāo)的累積概率，經(jīng)驗(yàn)概率公式如公式（1）所示

P=M/（N+1）×100% ， （1）

式中：M為各組標(biāo)的排位數(shù)；N為樣本數(shù)量。

2）將各組標(biāo)按從小到大進(jìn)行排序，根據(jù)最小二乘法擬合各組標(biāo)與其對(duì)應(yīng)的累積概率，得到概率密度函數(shù)，y=f（x）。

3）生成n組{ξ1，ξ2，…，ξi}，隨機(jī)數(shù)ξi∈（0，1）。

4）統(tǒng)計(jì)各組隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)落入哪個(gè)概率區(qū)間就取對(duì)應(yīng)區(qū)間的組標(biāo)，并帶入概率密度函數(shù)計(jì)算相應(yīng)的概率值。

5）計(jì)算各個(gè)概率值的數(shù)學(xué)期望En。

6）生成（n-100）組{ξ1，ξ2，…，ξi}，隨機(jī)數(shù)ξi∈（０，１），各組隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)根據(jù)概率密度函數(shù)選取，根據(jù)3）、4）、5）步驟的方法得出數(shù)學(xué)期望E。

7）誤差統(tǒng)計(jì)[6，8]方法如公式（2）所示

δ=（En-En-100）/En×100% 。 （2）

8）若δ≤5%，則預(yù)測(cè)結(jié)果滿(mǎn)足精度，否則增加n的值，重復(fù)3）、4）、5）、6）、7）的步驟，直到結(jié)果滿(mǎn)足精度為止。

3 模型的建立與計(jì)算結(jié)果

3.1 模型的建立

根據(jù)建立的互花米草與堿蓬的解譯標(biāo)志，分別解譯出1997年、1999年、2002年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2019年和2021年研究區(qū)的互花米草與堿蓬，根據(jù)Arcgis的計(jì)算幾何工具，獲取1997—2021年間互花米草侵占?jí)A蓬的生存空間面積數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

本文以互花米草侵占?jí)A蓬生存空間的年均面積為組標(biāo)，通過(guò)上一節(jié)所述方法求出各組標(biāo)的累積概率，見(jiàn)表2。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法擬合得到概率密度曲線，如圖2所示。

根據(jù)圖2與表2的結(jié)果，可得互花米草侵占?jí)A蓬的年均面積的概率密度函數(shù)表達(dá)式如式（3）所示

3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果

基于前文所述的研究方法及建立的模型，預(yù)測(cè)了如果不存在人為干涉的情況下2022—2032年間的11個(gè)年份的互花米草侵占?jí)A蓬生存空間的數(shù)據(jù)，分別生成1 000 000組與1 000 100組隨機(jī)數(shù)，每組隨機(jī)數(shù)的個(gè)數(shù)為11，即對(duì)應(yīng)2022—2032年的11個(gè)年份。1 000 000組與1 000 100組隨機(jī)數(shù)分別計(jì)算的數(shù)學(xué)期望值的相對(duì)誤差皆小于5%，滿(mǎn)足精度要求，具體見(jiàn)表3。

根據(jù)表3可知，預(yù)測(cè)的結(jié)果顯示，如若不考慮人為因素的影響，2022年到2028年，即7年的時(shí)間內(nèi)，堿蓬的生長(zhǎng)面積僅剩下0.35 km2，2029年堿蓬的生長(zhǎng)空間就被互花米草完全蠶食。

4 結(jié)論

綜合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與遙感解譯獲取的數(shù)據(jù)，本文可以得出如下結(jié)論與建議。

1）根據(jù)隨機(jī)抽樣對(duì)每年堿蓬生長(zhǎng)空間被蠶食的面積的預(yù)測(cè)，從2022年開(kāi)始，互花米草對(duì)堿蓬生長(zhǎng)空間的擠壓就變得越來(lái)越嚴(yán)重，在短短的7年時(shí)間，堿蓬的生長(zhǎng)空間將被蠶食殆盡，這反映出了互花米草擴(kuò)張?jiān)斐傻纳鷳B(tài)影響的嚴(yán)重性是不可估量的。

2）若不對(duì)互花米草擴(kuò)張采取措施，研究區(qū)隨著堿蓬生存空間的減少而使丹頂鶴的食物來(lái)源隨之減少。如若不對(duì)互花米草的擴(kuò)張加強(qiáng)管制，那么將直接對(duì)丹頂鶴的生存造成嚴(yán)重影響。

3）治理互花米草顯得刻不容緩，有關(guān)部門(mén)應(yīng)采取措施使互花米草與堿蓬保持一定的距離，防止堿蓬生長(zhǎng)空間被互花米草侵占，但是互花米草也有著促淤造陸、保灘護(hù)岸、降澤改土等生態(tài)功能，因此，也不能完全鏟除。根據(jù)前文表1中互花米草向堿蓬推進(jìn)的各年份區(qū)間內(nèi)的年平均距離，可知互花米草在1997—2021年間的年均推進(jìn)距離約為59 m，最大推進(jìn)距離達(dá)到111 m，因此，筆者建議每年在鏟除互花米草時(shí)，至少要鏟出59 m的通道作為互花米草與堿蓬的安全距離。

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