浙江濕地類型變化局地溫室效應(yīng)遙感評估

摘" 要：素有“地球之腎”之稱的濕地生態(tài)系統(tǒng)，是地球上關(guān)鍵的碳匯存儲地，其在氣候調(diào)節(jié)方面有著重要的作用，但現(xiàn)在面臨濕地面積減少和功能退化的問題。而濕地的變化進(jìn)一步導(dǎo)致溫室氣體排放增加，加劇局地溫室效應(yīng)。以浙江省為研究區(qū)，使用Landsat OLI和OLI-2系列影像，進(jìn)行濕地監(jiān)督分類，提取濕地類型變化結(jié)果，并定量評價濕地生態(tài)系統(tǒng)演變過程中主要溫室氣體（包括甲烷、二氧化碳和氧化亞氮）的排放特征和變化。發(fā)現(xiàn)天然濕地轉(zhuǎn)化為人工濕地后，其固碳能力明顯下降，溫室氣體排放增加。結(jié)果表明，濕地類型改變與溫室氣體排放有緊密關(guān)聯(lián)，進(jìn)而導(dǎo)致局部溫室效應(yīng)的增強(qiáng)，再進(jìn)一步對氣候變化造成影響。該研究的發(fā)現(xiàn)為濕地保護(hù)、土地利用規(guī)劃和溫室氣體排放控制提供一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遙感；濕地；變化檢測；浙江?。或?qū)動力分析；溫室氣體；溫室效應(yīng)

中圖分類號：X87" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0071-06

濕地是一種特殊的生態(tài)系統(tǒng)，介于陸地與水域之間，擁有獨(dú)特的土壤、水分管理、植被和生物多樣性。濕地的分類廣泛，自然形成的濕地可以細(xì)分為沼澤、湖泊、河流和沿海濕地等；而由人類活動產(chǎn)生的則有水庫、池塘，以及包括稻田和養(yǎng)殖水塘的人工濕地。浙江省的濕地資源十分寶貴，其形成、分布和類型特征具有地域特色，對于全球濕地生態(tài)平衡和保護(hù)生物多樣性具有重要的作用。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對濕地信息分類提取和濕地變化與溫室效應(yīng)展開了諸多相關(guān)的研究。為了更精準(zhǔn)地獲取濕地信息，相較于傳統(tǒng)分類手段，越來越多的研究傾向于采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。面向?qū)ο蠓ǎ∣bject-oriented Classification）和支持向量機(jī)法（Support Vector Machine，SVM）出現(xiàn)，新的提取方法也逐漸成為主流，如決策樹法（Decision Tree）、隨機(jī)森林法（Random Forest）等。衣偉宏等[1]以扎龍濕地Landsat-5 TM圖像為例，通過對計算機(jī)自動化分類算法的研究，嘗試探索進(jìn)一步提高濕地遙感分類準(zhǔn)確率的渠道和辦法；張友水等[2]利用科霍寧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Kohonen neural method）來劃分濕地；夏雙等[3]在TM遙感圖像上，應(yīng)用混合分類法，對江蘇洪澤湖濕地進(jìn)行了分類，并將遙感圖像中的光譜信息與紋理信息相結(jié)合，使用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的規(guī)則推斷算法，實現(xiàn)了對濕地的分類，從而提高了分類準(zhǔn)確率。肖錦成等[4]以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，建立了鹽城沿海濕地三級分類模型，并將其與人工視覺判譯、最小距離法和最大似然法相比較，結(jié)果表明，該方法的分類準(zhǔn)確率顯著提高，但其應(yīng)用范圍有限。

在濕地變化與溫室效應(yīng)上，關(guān)守政等[5]在研究中發(fā)現(xiàn)，中國三江平原內(nèi)的濕地面積減少，削弱了濕地的平衡溫度和濕度的調(diào)節(jié)能力，使得局地范圍內(nèi)的最高溫和最低溫差值變大，降水量在一定程度上也會受到影響。王明星等[6]基于CH4產(chǎn)生、輸送和排放機(jī)制的研究，估算了中國自然濕地CH4的排放量。王德宣等[7]在對中國三江平原和若爾蓋高原天然濕地甲烷排放對比研究中發(fā)現(xiàn)，三江平原常年積水的沼澤甲烷排放總量是若爾蓋高原沼澤的4倍左右，說明溫度也是其排放的重要驅(qū)動因子。根據(jù)劉子剛等[8]的研究，1950—2000年，中國大氣中碳的累積，其中30%是由土地利用的改變引起的。王琦等[9]在查閱國內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，以濕地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、碳收支及土地利用對溫室氣體排放的影響為切入點(diǎn)，提出濕地向耕地、林地和城市轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致碳排放的顯著增加，并提出“濕地向農(nóng)田—森林—城市—濕地轉(zhuǎn)化”的研究結(jié)果。

本文利用Landsat系列數(shù)據(jù)以及溫室氣體格點(diǎn)數(shù)據(jù)對浙江省地區(qū)濕地進(jìn)行變化檢測及溫室效應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上，對浙江省的濕地演變特征進(jìn)行了深入研究，得到了在研究時間段內(nèi)的浙江省濕地的分布狀況，并以濕地的變化為依據(jù)，提出了一些改進(jìn)措施和保護(hù)區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境的建議，作為浙江省可持續(xù)發(fā)展的依據(jù)和參考。

1" 數(shù)據(jù)與方法

1.1" 數(shù)據(jù)

濕地分類數(shù)據(jù)選用了空間分辨率設(shè)定為30 m×30 m的Landsat-8 OLI及Landsat-9 OLI-2遙感圖像作為數(shù)據(jù)來源，均取自美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的官方網(wǎng)站（https：//www.usgs.gov/），總共選取了以2013年為基準(zhǔn)年的遙感影像數(shù)據(jù)8景和以2023年為基準(zhǔn)年的遙感影像數(shù)據(jù)8景，共16景。浙江省土地利用類型數(shù)據(jù)來自浙江省統(tǒng)計局（http：//tjj.zj.gov.cn/col）、《2023年浙江統(tǒng)計年鑒》和《2013年浙江統(tǒng)計年鑒》等。

溫室氣體樣點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于歐盟的聯(lián)合研究中心的EDGAR數(shù)據(jù)庫中的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用了疊加分析的方法來進(jìn)行樣點(diǎn)的篩選。從ArcMap軟件中導(dǎo)入2012年和2021年的濕地圖斑專題圖，該專題圖是依據(jù)第二次全國濕地資源調(diào)查與第三次全國濕地資源調(diào)查得到的浙江省濕地分布和濕地數(shù)據(jù)所制成的。對樣點(diǎn)進(jìn)行逐一篩選和提取，構(gòu)建一個包含313個研究樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)集合，選擇了其中具有典型性的192個。完成樣點(diǎn)初步篩選之后，通過樣點(diǎn)屬性表分析，可以獲得甲烷、二氧化碳和氧化亞氮等溫室氣體的排放量數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入的溫室氣體年際變化分析提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，從而對浙江省的局地溫室效應(yīng)進(jìn)行評估。

1.2" 方法

1.2.1" 濕地分類提取方法

針對遙感影像中的不同地物特性，其光譜曲線與紋理特性存在的差異性，對比浙江省的真實地物狀況，利用2013—2023年10年期間各自選取的8景Landsat衛(wèi)星遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在ENVI軟件平臺上展開了預(yù)處理工作，并確立了解譯標(biāo)識體系，見表1。隨后，選取無監(jiān)督分類的K均值算法與ISODATA算法，以及監(jiān)督分類中的最小距離法、最大似然比法和支持向量機(jī)分類方法，通過這5種方法來執(zhí)行自動分類。選擇其中精度最高的方法獲得2013年和2023年2個時期的浙江省濕地信息，具體濕地分類研究路線如圖1所示。

1.2.2" 濕地變化評估溫室氣體分析方法

CO2、CH4和N2O是3種主要的溫室氣體，其對氣候變化的貢獻(xiàn)也不盡相同。在同一體系或地區(qū)同時釋放3種氣體時，需通過對其復(fù)合效應(yīng)進(jìn)行評估，以明確其對環(huán)境的影響程度。根據(jù)IPCC的報告，以100年影響尺度為計，1 kg的CH4的增溫效應(yīng)是1 kg的CO2的21倍，而1 kg的N2O的增溫效應(yīng)是1 kg的CO2的310倍，用全球增溫潛勢（global warming potential，GWP）來表示3種溫室氣體的聯(lián)合作用[10]。GWP的計算公式如下

式中：fCO2（kg）、fCH4（kg）、fN2O（kg）為二氧化碳、甲烷、氧化亞氮的凈排放量。

在濕地類型變化的背景下，利用溫室氣體的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析濕地類型變化與溫室氣體排放通量的內(nèi)在聯(lián)系。本文共選取了濕地類型變化的192個樣點(diǎn)，對樣點(diǎn)的溫室氣體排放量進(jìn)行統(tǒng)計分析，得出各個變化類型的逐年變化，并分析產(chǎn)生變化的原因。將主要溫室氣體排放通量代入公式計算得到全球增溫潛勢（GWP），并得到浙江省局地的溫室效用評估結(jié)果，具體流程如圖2所示。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 不同分類方法比較

實驗結(jié)果表明，最大似然分類方法在面積較小的濕地提取方面存在一定誤差，最小距離分類方法在形狀差異較大的濕地提取方面存在一定誤差；IOSDATA分類和K均值分類較不合理，許多地塊存在漏分現(xiàn)象；而支持向量機(jī)分類提取完整，小面積濕地如運(yùn)河濕地的提取也滿足精準(zhǔn)度要求，較少出現(xiàn)漏分和混淆情況。整體看來，支持向量機(jī)分類方法對浙江省濕地提取較為適用，分類效果好，符合精度要求，可以進(jìn)行濕地提取及分類對比。

分別將這5種分類方法的分類精度進(jìn)行比較，見表2。最終選用分類精度最高的SVM方法對浙江省進(jìn)行濕地提取。

2.2" 浙江省2013—2023年濕地時空變化

根據(jù)濕地分類體系將浙江省濕地類型數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，選擇水產(chǎn)養(yǎng)殖場、運(yùn)河、岸塘、永久性淡水湖、河流和近海與海岸濕地6種濕地為研究對象，基于ArcGIS10.2軟件，對2013年和2023年的6類濕地類型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

由分類結(jié)果可知，近海與海岸濕地和永久性淡水湖在研究區(qū)濕地類型中占據(jù)主要地位，面積占比較大，而永久性淡水湖在研究區(qū)各部分均有一定分布，空間上較為分散。其中較為突出的錢塘江河流位于研究區(qū)北部，河流呈東北向西南走向，河流寬度和面積較大；研究區(qū)域的東南部被甌江與飛云江這2條大型河流貫穿，相對面積較大。水產(chǎn)養(yǎng)殖場濕地在浙江省北部分布，且在重要水體附近分布多，面積大，較為密集；較小水體附近也存在零星分布。運(yùn)河總體分布較為廣泛，面積較大?？偲饋砜凑憬儆跐竦剌^多的省份。

根據(jù)浙江省官網(wǎng)土地利用統(tǒng)計年鑒中土地利用類型，將其分為城鎮(zhèn)用地、林草地、旱地、園地、水田和濕地6種。其中濕地又詳細(xì)分為6種。從圖3的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，與10年前相比較，各類濕地面積有較大變化，永久性淡水湖、河流、岸塘濕地的面積有所下降，水產(chǎn)養(yǎng)殖場的面積大大減少；近海與海岸濕地也有所下降?？偟膩碚f，浙江省的濕地變化中，增長的濕地面積大部分歸因于人為建造的濕地（如水田和運(yùn)河）擴(kuò)展，而縮減的部分則主要是自然濕地的退化。

2.3" 濕地變化與溫室氣體關(guān)聯(lián)分析

2.3.1" 主要溫室氣體年際變化分析

通過對3種溫室氣體的統(tǒng)計分析如圖4所示，可以看出2012年到2021年，圖4（a）中浙江省土地類型變化造成的甲烷排放通量漲幅明顯，其中河流水面轉(zhuǎn)變?yōu)樗镌斐傻募淄榕欧帕康脑黾臃蕊@著大于其他類型變化，其他類型變化呈現(xiàn)出相較穩(wěn)定的增長趨勢；圖4（b）中土地類型變化所產(chǎn)生的二氧化碳排放通量大致呈上升趨勢，由淺海海域轉(zhuǎn)變?yōu)闉┩康亩趸寂欧帕孔兓顬閯×遥渌愋屯恋氐奶寂欧徘闆r則顯示出不同程度的趨勢性波動，波動范圍較為穩(wěn)定，起伏不大；圖4（c）中土地類型變化產(chǎn)生的氧化亞氮只有當(dāng)河流水面轉(zhuǎn)變?yōu)樗飼r，排放通量呈現(xiàn)出快速增長的狀態(tài)且幅度較大，其他濕地類型的變化所引起的氧化亞氮的增加則顯得相對穩(wěn)定。由圖5與圖6可知，對甲烷與二氧化碳中變化明顯的兩類濕地類型轉(zhuǎn)化進(jìn)行典型站點(diǎn)的選取，可以發(fā)現(xiàn)變化趨勢與整體的變化趨勢一致。自然濕地和非濕地轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯竦?，?dǎo)致了濕地生態(tài)系統(tǒng)對溫室氣體的吸收能力下降，使溫室氣體的排放量增加。

2.3.2" 溫室氣體與溫室效應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換分析

全球增暖潛勢（GWP）是估算溫室氣體排放對氣候變化影響的重要參數(shù)，并且GWP的值是相對的，所以，其具體數(shù)值可能會因為不同的研究和方法產(chǎn)生差異。在圖7中，清晰地展現(xiàn)了甲烷、二氧化碳和氧化亞氮3種關(guān)鍵溫室氣體通過其排放通量對全球變暖潛力（GWP）的貢獻(xiàn)。在2012—2021年這10年間，浙江省在GWP值上呈現(xiàn)出一種明顯的上升趨勢，這種增長趨勢直觀地表明了溫室效應(yīng)正逐漸變得更加強(qiáng)烈。在2014—2017年，因為濕地保護(hù)的各種條款的發(fā)布，濕地保護(hù)的目標(biāo)和任務(wù)逐漸明確，使得溫室效應(yīng)加劇的趨勢得到第一次緩解。在2018—2020年，浙江省的能源結(jié)構(gòu)得到逐步調(diào)整，加大了清潔能源和可再生能源的利用，減少了對煤炭等化石燃料的依賴。與此同時，產(chǎn)業(yè)的升級和公民綠色環(huán)保意識的提升都讓溫室效應(yīng)得到第二次緩解。2020年之后，極端天氣事件加劇了溫室效應(yīng)的影響，浙江省平均氣溫創(chuàng)下歷史新高，這表明全球變暖的趨勢在浙江省表現(xiàn)尤為明顯。

3" 結(jié)論

本文使用Landsat系列影像以及溫室氣體格點(diǎn)數(shù)據(jù)，使用SVM分類對浙江省地區(qū)濕地信息進(jìn)行提取，獲得浙江省2013年和2023年濕地變化數(shù)據(jù)，分析浙江省濕地演變特征，對相應(yīng)濕地類型變化導(dǎo)致的溫室氣體排放量變化進(jìn)行了統(tǒng)計分析。利用目視解譯結(jié)合實地調(diào)查繪制的濕地專題圖得出濕地類型的變化，包括自然濕地之間的變化、自然濕地到人工濕地的變化，以及非濕地到濕地的變化。再結(jié)合溫室氣體排放量經(jīng)過遙感反演得出的格點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行樣點(diǎn)的選取和統(tǒng)計分析，總結(jié)出3種主要的溫室氣體的年際變化。最后通過排放量與溫室效應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換得出溫室效應(yīng)的評估結(jié)果。研究結(jié)論如下。

1）浙江省濕地分布變化。浙江省濕地景觀類型在10年間發(fā)生了較大變化，通過濕地變化增減圖能夠看出，10年來浙江省地區(qū)的濕地類型總體變化趨勢為增多，主要表現(xiàn)為近海與海岸濕地、湖泊和河流濕地等自然濕地減少，其中水廠養(yǎng)殖場面積和運(yùn)河等人工濕地增加。

2）浙江省濕地變化與溫室氣體內(nèi)在關(guān)聯(lián)。由于濕地類型變化，大多是由自然濕地轉(zhuǎn)變?yōu)橐运餅橹鞯娜斯竦兀斐傻募淄?、二氧化碳、氧化亞氮的總體趨勢上升，從而導(dǎo)致濕地生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放量的增加，增加了浙江省的溫室氣體濃度，使得浙江省局地的溫室效應(yīng)加劇。

因此，增強(qiáng)環(huán)境保護(hù)意識至關(guān)重要，我們必須致力于濕地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，加強(qiáng)其維護(hù)與管理，以確保濕地安全。平衡生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，推動浙江省向可持續(xù)發(fā)展模式邁進(jìn)，尋求經(jīng)濟(jì)增長與生態(tài)保護(hù)之間的和諧共生，實現(xiàn)雙贏局面。

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Abstract： The wetland ecosystem， known as the \"kidney of the earth\"， is a key carbon sink storage site on the earth and plays an important role in climate regulation. However， it is now facing the problem of reduced wetland area and functional degradation. Changes in wetlands have further led to an increase in greenhouse gas emissions and intensified the local greenhouse effect. Taking Zhejiang Province as the study area， Landsat OLI and OLI-2 series images were used to conduct wetland supervision and classification， extract wetland type change results， and quantitatively evaluate the emission characteristics and changes of major greenhouse gases （including methane， carbon dioxide and nitrous oxide） during the evolution of wetland ecosystems. It was found that after natural wetlands were transformed into artificial wetlands， their carbon sequestration capacity significantly decreased and greenhouse gas emissions increased. The results show that changes in wetland types are closely related to greenhouse gas emissions， which in turn leads to an enhancement of the local greenhouse effect， which in turn further affects climate change. The findings of this study provide certain scientific basis for wetland protection， land use planning and greenhouse gas emission control.

基金項目：國家自然科學(xué)基金（42107004）；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃自然科學(xué)基金-碳達(dá)峰碳中和科技創(chuàng)新專項（BK20220021）

第一作者簡介：曾媛（2002-），女，碩士研究生。研究方向為濕地與溫室效應(yīng)。

*通信作者：張小偉（1984-），男，農(nóng)學(xué)碩士，副高級工程師。研究方向為森林與濕地監(jiān)測。