流域植被緩沖帶分析及其生態(tài)評價

林 怡，季昊巍

(同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

流域植被緩沖帶分析及其生態(tài)評價

林 怡，季昊巍

(同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院，上海 200092)

在現(xiàn)有流域緩沖帶研究的基礎(chǔ)上，以環(huán)巢湖流域為研究區(qū)域，利用Landsat TM/ETM+衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，首先對研究區(qū)的影像進行土地利用分類，在此基礎(chǔ)上提取各匯水區(qū)的地形特征，然后對各匯水區(qū)進行緩沖區(qū)寬度設(shè)置分析，最后對環(huán)巢湖流域的生態(tài)環(huán)境敏感性進行評價。研究成果可為環(huán)巢湖流域的土地利用規(guī)劃、生態(tài)治理、環(huán)境保護和旅游資源開發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。

植被緩沖帶；生態(tài)健康；環(huán)巢湖

緩沖帶作為流域的重要組成部分，是位于水生與陸生生態(tài)系統(tǒng)之間的連接帶，能夠為生物提供棲息場地，并且由于其阻斷了地表污染，因此能夠維持生物多樣性、水體的整體性和河岸的穩(wěn)定性[1-2]。近年來，河岸植被緩沖帶的保護和管理成為國內(nèi)外研究的熱點問題。Darveau等[3]在加拿大魁北克以北處的勞倫山脈中研究小型哺乳動物在森林河岸植被緩沖帶中的生物多樣性維持；Cianfrani等[4]在賓夕法尼亞州東南處的特拉華河岸帶調(diào)查河岸植被緩沖帶的物理、化學(xué)、生態(tài)指標，以評估城市區(qū)域內(nèi)重建森林河岸植被緩沖帶的生態(tài)效益；郭會哲[5]分析黃河下游河南段河岸植被緩沖帶內(nèi)林分個體的分化程度，并在人為干擾條件下對比不同植被形式維持的物種多樣性；鄧紅兵等[6]分析了長白山二道白河上游河岸植被緩沖帶周邊稀有動植物的生存現(xiàn)狀，并提出了關(guān)于河岸植被緩沖帶生物多樣性保護的相關(guān)理論。但已有的研究大多僅對緩沖帶的設(shè)置進行了分析，且針對的主要是河岸區(qū)域，缺乏對流域及其周邊生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)分析，無法為流域周邊自然資源的合理利用及土地利用提供科學(xué)依據(jù)。

隨著安徽省城市化進程的加快，政府對巢湖河流及其周邊土地資源的開發(fā)強度增強，范圍不斷擴大，導(dǎo)致環(huán)巢湖流域周邊大量的河岸帶發(fā)生了不同程度的退化[7]。與此同時，非點源污染、城鎮(zhèn)居民生活污水以及工業(yè)廢水的隨意排放，也導(dǎo)致了流域生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的持續(xù)下降，嚴重威脅環(huán)巢湖生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性，影響到河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[8-9]。為了緩解安徽省城市經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)與流域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展之間的矛盾，擬建立環(huán)巢湖的濕地與植被緩沖帶，以修復(fù)環(huán)巢湖生態(tài)系統(tǒng)的完整性并緩解人類活動對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響[10]?；诖?，本文以環(huán)巢湖流域為研究區(qū)域，利用Landset TM/ETM+衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，首先對研究區(qū)的影像進行土地利用分類，然后在此基礎(chǔ)上提取各匯水區(qū)的地形特征，并對各匯水區(qū)進行緩沖區(qū)寬度設(shè)置分析，最后對環(huán)巢湖流域的生態(tài)環(huán)境敏感性進行評價，以期為環(huán)巢湖流域的土地利用規(guī)劃、生態(tài)治理、環(huán)境保護和旅游資源開發(fā)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于安徽省中部的環(huán)巢湖流域及其周邊地區(qū)，流域面積約4 000 km2，地理坐標為116°24′30″～118°0′0″E、30°58′40″～32°6′0″N，處于長江、淮河兩大水系之間。研究區(qū)地處江淮丘陵地帶，四周分布大量低山丘陵，地勢西高東低、中間低洼平坦，屬于亞熱帶和暖溫帶過渡性的副熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量年際變化較大，季節(jié)分配也不均勻，多集中在夏季。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究主要采用的數(shù)據(jù)包括：2013年8月高分辨率Landsat 8衛(wèi)星TM遙感影像；研究區(qū)環(huán)巢湖DEM數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)；研究區(qū)環(huán)巢湖矢量數(shù)據(jù)文件(文件為shp格式)。

對于獲得的數(shù)據(jù)，以GIS為技術(shù)平臺，用ENVI 5.0對TM影像進行大氣校正、幾何糾正、信息增強等處理。

1.3 土地利用景觀分類與遙感分類信息提取

根據(jù)安徽省土地部門制定的土地利用分類系統(tǒng)及實地調(diào)查研究，選取巢湖流域附近為研究區(qū)，進行土地利用分類。將環(huán)巢湖土地利用景觀類型劃分為7類——藻類、濕地、水體、林地、建筑、裸地、耕地。分析研究區(qū)7類地物的光譜特征，對研究區(qū)進行遙感影像解譯，進而實現(xiàn)對地物的分類，以便后續(xù)的土地利用變化分析。利用ArcGIS提取各地類信息，同時運用ArcGIS中的統(tǒng)計分析工具，分別計算7種土地利用景觀類型的總面積，為緩沖區(qū)分析和生態(tài)環(huán)境評價分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.4 環(huán)巢湖流域生態(tài)緩沖帶分析

將研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，進行填洼處理以確定水流方向矩陣。為得到環(huán)巢湖流域的子流域，首先計算得到環(huán)巢湖流域的匯水面積，再生成流域分水線。

以研究區(qū)所在子流域范圍為MASK，對巢湖DEM數(shù)據(jù)進行裁切，得到研究區(qū)范圍的DEM；將其在Arcview中打開，在水流方向獲取的基礎(chǔ)上，計算出匯流累積量的大小，為提取流域河網(wǎng)做準備。在生成河網(wǎng)時，需要對整個環(huán)巢湖流域格網(wǎng)內(nèi)的各匯流量設(shè)定閾值，本文將其定為500；之后，再分割流域，以確定流域匯水區(qū)各個出水口的方位，得到各個匯水區(qū)的面積大小。

根據(jù)研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)和識別結(jié)果提取各匯水區(qū)的相對距離、高程、坡度等地形特征數(shù)據(jù)，綜合分析污染發(fā)生的可能性大小。根據(jù)污染源距離濕地、林地的距離，以及地勢高低，判斷林地、濕地區(qū)域?qū)ξ廴疚镔|(zhì)的滯留程度。研究顯示，徑流快慢以及其對地面的沖刷程度與坡度成正比。因此，本研究在構(gòu)建緩沖帶的時候?qū)⑵露仍O(shè)置為8%以下。

根據(jù)輸入的相對距離、高程、坡度等數(shù)據(jù)，結(jié)合遙感技術(shù)以及地理信息空間分析技術(shù)，對環(huán)巢湖流域緩沖區(qū)的設(shè)置進行分析，得到緩沖區(qū)林地和濕地的寬度，最后利用ArcGIS的緩沖區(qū)工具得到每個匯水區(qū)林地和濕地的緩沖區(qū)。研究方法的具體流程如圖1所示。

1.5 環(huán)巢湖流域生態(tài)健康性評價

環(huán)巢湖流域生態(tài)健康性評價是在土地利用分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域高程和坡度數(shù)據(jù)，通過計算相關(guān)因子從而實現(xiàn)敏感性分析的。生態(tài)健康評價指標由人類干擾度、土地利用度、初級生產(chǎn)力、景觀均勻度、植被覆蓋度5個生態(tài)因子等權(quán)疊加計算得到。根據(jù)生態(tài)健康評價綜合指標，將環(huán)巢湖地區(qū)的生態(tài)健康性分為4個等級——很健康區(qū)域、健康區(qū)域、亞健康區(qū)域和不健康區(qū)域。

圖1 試驗流程Fig.1 Experimental flow chart

1.5.1 因子測算

(1)人類干擾度。指人類的行為或事件對生態(tài)系統(tǒng)、群落或種群結(jié)構(gòu)的影響，包括改變資源、養(yǎng)分的有效性或改變物理環(huán)境[11]。本研究以LDI為衡量指標。通過查閱文獻[12-13]并結(jié)合實地狀況，確定裸地、濕地、水域、藻類、林地、耕地和建筑的LDI權(quán)值分別為0.546 4、1、1、1、0.555 6、0.173 3、0.115 2。計算5×5窗口內(nèi)(實際對應(yīng)地面150 m×150 m)每一種土地利用類型所占的比例，乘以相應(yīng)的權(quán)值得到窗口內(nèi)的LDI，然后令窗口內(nèi)每一個像素的LDI都等于該值，遍歷整幅影像。

(2)土地利用度。土地利用度反映了人類開發(fā)土地的強度[14]。本研究將研究區(qū)域內(nèi)的各種地物類型按照利用程度分為4級：裸地為1級，濕地、水域、藻類、林地為2級，耕地為3級，建筑為4級。相應(yīng)地，1～4級權(quán)重分別為0.20、0.15、0.10、0.05。然后，利用各個級別所占的比例進行計算。計算5×5窗口內(nèi)每一種土地利用類型所占的比例，乘以相應(yīng)的權(quán)重得到窗口內(nèi)土地利用度的一個總值，然后令窗口內(nèi)的每一個像素土地利用度都等于該值，遍歷整幅影像。

(3)初級生產(chǎn)力。指植物進行光合作用，將無機碳轉(zhuǎn)化為有機碳的能力[15]。本研究利用區(qū)域內(nèi)歸一化植被指數(shù)(NDVI)的均值估算初級生產(chǎn)力。計算5×5窗口內(nèi)NDVI的平均值，然后對窗口內(nèi)每一個位置都附上該值，依次遍歷整幅影像。

(4)景觀均勻度。景觀均勻度指數(shù)(SHEI)等于香農(nóng)多樣性指數(shù)除以給定景觀豐度下的最大可能多樣性[16]，是比較不同景觀或同一景觀不同時期多樣性變化的一個有力手段，其取值范圍為[0，1]，表現(xiàn)了優(yōu)勢斑塊類型對景觀支配的程度；當(dāng)景觀均勻度指數(shù)接近1時，優(yōu)勢度低，說明景觀中優(yōu)勢類型較少并且類斑塊均勻分布。計算5×5窗口內(nèi)的景觀均勻度，然后對窗口內(nèi)的每一個位置都附上該值，遍歷整幅影像。

(5)植被覆蓋率。利用校正后的遙感影像計算得到的NDVI來估算植被覆蓋率[17]。計算公式如下：

(1)

式(1)中：F是植被覆蓋率；NDVImax和NDVImin分別為最大和最小的歸一化植被指數(shù)。直接利用公式來計算整幅影像的植被覆蓋率，這樣5×5窗口內(nèi)每一個位置都有一個相應(yīng)的值，然后與其他健康性指標等權(quán)相加。

1.5.2 綜合指標計算

利用各個指標因子的標準化值，通過等權(quán)相加的方法計算整個研究區(qū)范圍內(nèi)的綜合指標值，構(gòu)建巢湖區(qū)域用于健康狀態(tài)評估的綜合指數(shù)。

1.5.3 研究區(qū)生態(tài)健康分級

基于得到的綜合指數(shù)和實地勘察經(jīng)驗，對每一個像素位置的指數(shù)進行判斷，指數(shù)在1.929 2～2.705 6區(qū)間內(nèi)的屬于很健康，指數(shù)在1.352 8～1.929 2區(qū)間內(nèi)的屬于健康，指數(shù)在0.676 4～1.352 8區(qū)間內(nèi)的屬于亞健康，指數(shù)在0～0.676 4區(qū)間內(nèi)的屬于不健康。遍歷整幅影像。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)巢湖流域生態(tài)緩沖帶分析

2.1.1 地物分類結(jié)果

根據(jù)研究需要和研究區(qū)周邊的立地類型特征，將環(huán)巢湖流域的土地利用類型劃分為藻類、濕地、水體、林地、建筑、裸地、耕地等7類(圖2)。分別計算各地物類別的面積和面積占比，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯貉芯繀^(qū)內(nèi)耕地面積最大，占38%；濕地面積最小，只有0.3%。建設(shè)用地集中于北岸；南岸為大片農(nóng)田；東北邊自然環(huán)境條件較好，保留有一片林地和水體；西北部有大片的裸地。

2.1.2 匯水區(qū)結(jié)果

首先在ArcSWAT中生成巢湖的水文圖，接著確定環(huán)巢湖流域所在的區(qū)域范圍。以環(huán)巢湖流域所在的子流域為研究對象，在ArcGIS中進行水文分析，最后得到匯水區(qū)結(jié)果(圖3)，圖中黑線范圍即為各個匯水區(qū)的分布，共得到環(huán)巢湖流域10個匯水區(qū)。分別統(tǒng)計各匯水區(qū)面積及所占百分比，結(jié)果如表2所示。其中，面積最大的為匯水區(qū)9，為4138.55 km2，最小的為匯水區(qū)2，只有344.88 km2。總體來看，環(huán)巢湖西部為流域的上游，此處的匯水區(qū)面積都比較大，面積最大的匯水區(qū)也包括在內(nèi)，北部為流域的下游，匯水區(qū)面積普遍較小。

圖2 環(huán)巢湖流域地物分類圖Fig.2 Classification of landforms in Chaohu Lake Basin

表1 環(huán)巢湖流域地物分類面積匯總

Table 1 Area distribution of landforms in Chaohu Lake Basin

地物類別Featurecategory面積Area/km2百分比Percentage/%水體Waterbody1404.2310耕地Arableland5277.4138林地Woodland2959.3821建筑Building2149.0316裸地Bareland1904.5414濕地Wetlands41.770.3藻類Algae83.520.7合計Total13819.88100

圖3 環(huán)巢湖流域匯水區(qū)分布Fig.3 Catchment distribution in Chaohu Lake Basin

表2 環(huán)巢湖流域匯水區(qū)面積統(tǒng)計

Table 2 Area distribution of catchment in Chaohu Lake Basin

編號No.面積Area/km2百分比Percentage/%1689.7662344.8833346.7534345.82352069.27196344.8837689.76681034.64994138.5537101034.6411

2.1.3 緩沖區(qū)地形特征提取

環(huán)巢湖流域相對距離、相對高程、相對坡度等如圖4所示。可以看出，距離巢湖較近的區(qū)域相對距離較小。

綜合相對距離、相對高程、相對坡度計算各匯水區(qū)緩沖區(qū)，最終得到環(huán)巢湖流域的緩沖區(qū)如圖5所示。

設(shè)置的緩沖帶分為林地和濕地2種。在周邊立地條件允許的情況下，優(yōu)先考慮設(shè)立林地緩沖帶；若周邊為建筑用地等不適宜設(shè)立林地緩沖帶，以湖岸線為界，向內(nèi)設(shè)立濕地緩沖帶。其寬度設(shè)置如表3所示。

2.2 環(huán)巢湖流域生態(tài)健康性評價

環(huán)巢湖流域生態(tài)健康性評價的結(jié)果如圖6所示。分別統(tǒng)計分級別的面積和所占比例，結(jié)果見表4。可以看出，整個研究區(qū)域中健康和亞健康等級的合計占比77.39%，很健康的區(qū)域占比20.73%，不健康區(qū)域占比1.88%。從土地利用類型來看，建筑和耕地受人為干擾因素比較大，因此在分級結(jié)果上多屬于不健康和亞健康等級，而裸地、林地受人為干擾較小，大部分處于自然狀態(tài)，多處于很健康和健康狀態(tài)。這說明研究區(qū)域生態(tài)健康分級結(jié)果較符合實際情況。

表3 環(huán)巢湖流域各匯水區(qū)緩沖區(qū)寬度設(shè)置

表4 環(huán)巢湖流域健康性分級面積分布

Table 4 Area and proportion of ecological health level in Chaohu Lake Basin

級別Level面積Area/km2比例Percentage/%很健康Veryhealthy2700.720.73健康Healthy6703.851.46亞健康Sub-healthy3378.525.93不健康Unhealthy244.31.88

圖5 環(huán)巢湖流域緩沖區(qū)分析Fig.5 Analysis of buffer zone in Chaohu Lake Basin

圖6 環(huán)巢湖流域健康性分級結(jié)果Fig.6 Result of ecological health level in Chaohu Lake Basin

3 結(jié)論與討論

環(huán)巢湖區(qū)域的建設(shè)處在中國城鎮(zhèn)化進程快速發(fā)展階段的關(guān)鍵時期，通過科學(xué)的理論和技術(shù)對建設(shè)進程加以引導(dǎo)、調(diào)控和保障，既可為科學(xué)地實施區(qū)域規(guī)劃與集約高效利用資源起到示范作用，也可為其他休閑旅游區(qū)的建設(shè)樹立科學(xué)發(fā)展的新模式、新思路?；赗S和GIS集成技術(shù)建立區(qū)域性生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)對遙感影像的自動分類與變化檢測結(jié)果來實現(xiàn)對某一區(qū)域的時空動態(tài)監(jiān)測，客觀把握該區(qū)域發(fā)展的資源利用、時空分布、生態(tài)環(huán)境變化等是實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展的強有力的手段。本研究利用遙感獲取的土地利用狀況信息，采用GIS技術(shù)進行生態(tài)緩沖帶分析，并進行大范圍區(qū)域(流域)的生態(tài)健康性分析，得到了與空間分布相結(jié)合的定量化的可視信息。研究結(jié)果可為生態(tài)功能區(qū)劃的保護、修復(fù)、開發(fā)范圍確定提供參考，形成由原始自然生態(tài)、初級自然生態(tài)、次級自然生態(tài)和人工模擬生態(tài)組成的多層次過渡系統(tǒng)，對于強化生物多樣性的保護、促進環(huán)巢湖旅游休閑區(qū)的持久發(fā)展具有宏觀層次的指導(dǎo)作用。相關(guān)結(jié)果還可以為其他類似項目提供借鑒與參考。

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(責(zé)任編輯 高 峻)

Analysis of vegetation buffer in river basin and its ecological evaluation

LIN Yi， JI Haowei

(CollegeofSurveyingandGeo-Informatics，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)

Based on the previous studies of existed basin buffer zone， the Landsat TM/ETM+satellite remote sensing image data of the Chaohu Lake Basin were selected as the research area. Firstly， the classification of land use was carried out on the image of the study area. On this basis， the terrain features were extracted from each catchment area， and then the buffer width was set up for each catchment area. Finally， the environmental sensitivity was evaluated. The research results could provide scientific basis for land use planning， ecological management， environmental protection and tourism resources development in the Chaohu Lake Basin.

vegetation buffer; ecological health; ring Chaohu Lake

10.3969/j.issn.1004-1524.2017.08.18

2017-02-27

國土資源部公益性行業(yè)科研專項資助項目(201211011)

林怡(1970—)，女，浙江溫州人，博士，副研究員，主要研究方向為遙感與數(shù)字攝影測量。E-mail: linyi@#edu.cn

S157

A

1004-1524(2017)08-1358-07

林怡，季昊巍. 流域植被緩沖帶分析及其生態(tài)評價[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，29(8)： 1358-1364.