現代黃河三角洲互花米草遙感監測與變遷分析＊

任廣波，劉艷芬，馬 毅，張 杰

(1．國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061;2．東營市海洋與漁業局，山東 東營257091)

1964年，米草屬植物首次由南京大學從英國引種到我國的江蘇海岸帶［1］，用于護堤和改良土壤，之后的30年里，包括大米草和互花米草在內的米草植物不斷在我國沿海省份推廣、引種，到目前已遍布我國除海南和臺灣的所有沿海省份［2］。2003年，國家環境保護總局正式將米草屬的互花米草納入我國第一批外來入侵物種名單［3］。現代黃河三角洲自1990年前后開始在孤東采油區北側五號樁附近引種互花米草［4］，隨后便迅速生長蔓延，至今已遍布現代黃河三角洲自然保護區潮間帶區域。黃河三角洲自然保護區是以保護珍稀水禽丹頂鶴和黑嘴鷗等為主的國家級自然保護區，而上述珍禽以蘆葦、堿蓬和檉柳為主要棲息地，若互花米草繼續擴張最終將影響到該區域生態格局，可能使該區域陷入嚴重的生態危機［5，6］。有研究已經表明，互花米草的生長已對濱海濕地保護區內保護鳥類的種群數量造成了影響［7-11］。

目前，互花米草在現代黃河三角洲的瘋狂漲勢和蔓延已經引起了國內外很多學者以及當地政府部門的高度重視，有針對性地開展了一些生態學方面的監測和防治對策研究［5，6，12-16］，于祥等［14］對2005至2007年該區域互花米草的分布與面積進行過分析，而對于黃河三角洲自然保護區所在的現代黃河三角洲自引種至今互花米草的分布和變遷情況，卻未見研究報道。

本文基于遙感和GIS技術，收集了覆蓋黃河三角洲區域1989年至2013年24年間的24個時相的Landsat5 TM、Landsat7 ETM+和Landsat8 OLI遙感影像，結合2013年的現場調查數據，應用纓帽變換和SVM的互花米草識別技術，通過分類后處理，完成了24年間逐年的互花米草分布信息提取;根據互花米草的面積隨時間的變化特點以及其分布隨河口區海岸變化的特征，分別從時間上和空間上分為4個時段和4個區域，開展了對互花米草在現代黃河三角洲的發展和變遷分析。最后，結合黃河每年的水沙量測量數據和氣象數據，分析了其變化原因。

1 區域和數據

1．1 研究區域

現代黃河三角洲，在地理上指1934年黃河分流點由墾利縣寧海下移至漁洼時開始建造的、以漁洼為頂點、北起挑河口南至宋春榮溝的扇形區域，完全包括黃河三角洲國家級自然保護區的區域范圍，同時又是勝利油田的主產區。近年來，由于黃河來水來沙量的銳減［12，17］和地面沉降［18］，致使大面積的現代黃河三角洲區域發生不同程度的侵蝕。同時，勝利油田的開發生產和東營市的城市建設都要求要有一片穩固的海岸，于是相關部門于1990年前后在孤東采油區以北的五號樁附近引進互花米草進行繁育種植，并獲得成功。至2007年互花米草面積已達571．6 hm2［14］。在這一時間段中，互花米草的面積和分布經歷了一個動態變化的過程［4］。田家怡等［6］的研究表明，在五號樁區域，互花米草入侵后，以此為棲息地的傳統鳥類的種樹減少了約75%。若不加控制，將會對保護區的生態安全造成極大的威脅［5，19，20］。

1．2 數據

(1)遙感影像數據

收集的24景遙感影像和遙感影像傳感器參數詳細信息分別如表1和表2所示。

表1 遙感影像類型及成像時間Tab．1 Landsat remote sensing images and their acquired dates

圖1 研究區域位置圖Fig．1 Location of the study area

表2 Landsat5 TM，Landsat7 ETM+和Landsat 8 OLI傳感器參數［21］Tab．2 Sensor parameters of Landsat 5 TM，Landsat7 ETM+and Landsat 8 OLI

由表1和表2，所使用的衛星遙感數據完整覆蓋了互花米草在現代黃河三角洲引種至今的24年，除1990年(6月中旬)、1994年(10月上旬)和1999年(6月下旬)外，有21個年份的影像都是7～9月互花米草生長旺盛季節獲取的，利于對互花米草分布范圍和變遷情況的準確監測。21景影像中9月份的數據占2/3，原因是在黃河三角洲區域9月份處于傳統意義上的秋季，少雨少云，易獲得高質量的遙感影像數據。本研究中，為使從不同時相影像中獲得的互花米草的遙感識別結果之間具有可比性，使用上述各年份影像中具有相同空間分辨率(30 m)的多光譜數據進行分析。由于2005年之后因Landsat5衛星的超期服役，數據漸少，進而以Landsat7 ETM+數據作為補充，但其2003年之后的影像因SLC停止工作而出現數據條帶的缺失，故需在互花米草自動分類提取后，對結果進行后處理。

(2)現場數據

分別于2013年5月、9月和2014年5月三次對現代黃河三角洲區域進行了現場踏勘，應用多種手段實地獲取了互花米草生長區域的現場數據:應用便攜式地物光譜儀和成像光譜儀獲取了互花米草光譜數據，作為互花米草衛星遙感信息提取的依據;應用2014年無人機獲取的互花米草分布區域位置等信息，配合現場抵近照片，作為互花米草分布遙感信息提取結果的驗證數據。

2 方法

2．1 互花米草的遙感解譯

互花米草具有耐鹽、耐淹、耐掩埋的特點，可生長于海岸帶的潮間帶的高潮帶上部至中潮帶下部［22-25］，具有很強的入侵性［26］，屬于先鋒物種，我國本土特別是北方不存在與之在區域上競爭的植被物種。在我國多分布在淤泥質潮灘上，受潮水周期性沖刷的潮間帶和潮下帶。故在遙感影像中，互花米草存在的區域多濕度較大，且會有存在于海水中或被水淹沒的情況。基于互花米草的上述生長特點，首先對遙感影像進行特征波段選取和組合，根據互花米草植被特殊的生長環境，對其進行纓帽線性變換，生成亮度、綠度和濕度三個分量;同時，選擇對葉綠素含量(即植被蓋度)和水分敏感(常處于淺水或濕度較大的潮間帶)的第4和第5波段，對于OLI圖像，則采用對應的第5和第6波段，作為特征波段。應用以上5個波段的組合，結合2013年的現場踏勘的數據資料選擇訓練樣本，以SVM為分類器，進行地面覆蓋類型分類和互花米草信息提取。利用無人機獲取的互花米草分布和范圍數據、現場照片數據和互花米草光譜數據，對互花米草遙感信息提取結果進行驗證和修正。

由于少部分影像受云霧等影響，特別是對于因SLC設備停止工作而導致的條帶缺失的Landsat 7 ETM+影像，需要在SVM自動分類之后對分類結果進行后處理。

2．2 互花米草變遷分析

現代黃河三角洲海岸潮間帶隨時間蝕淤變化較為劇烈［27］，且因處于黃河入海口門處，又受勝利油田石油開發的影響，不同區域的變化情況也不一。故本研究擬分別按時間和空間維度分析互花米草變遷的特征。

在時間上，擬根據互花米草面積變化特點，劃分時間段開展分析工作;在空間上，擬根據互花米草不同生長區域的蝕淤變遷特點，劃分子區域，如圖1中右圖所示。

在互花米草分布變化分析的基礎上，結合1990年以來的黃河來水來沙量、河口尾閭改道蝕淤、風暴潮和氣象數據等歷史資料，分析其變化原因。

3 結果與分析

3．1 互花米草面積和分布范圍監測結果

圖2 互花米草分布范圍監測結果示意圖，底圖為2013年7月15日Landsat OLI綠波段圖像Fig．2 The Spartina alterniflora distribution monitoring results from 1990 to 2013

圖3 研究區互花米草面積監測結果Fig．3 Spartina alterniflora areas monitoring results from 1990-2013

總體上，自1990年至2013年的24年間，現代黃河三角洲互花米草面積和分布范圍變化劇烈。首先，在分布范圍上逐年擴大，如圖2所示，1990年僅在最先引種的五號樁和孤東采油區東南側有分布，而從2007年開始，分布范圍擴大到了現行黃河入海流路東南側。其次，互花米草分布總面積隨時間波動較大(圖3)。在時間上，可分為4個不同的變化階段，分別是1990引種到1994年的第一次減少階段，1994年到2001年的短暫恢復后第二次減少階段，2001年到2006年的短暫恢復后第三次減少階段和2007年至2013年的擴張階段。

在空間上，根據現代黃河三角洲24年來的互花米草分布變化特點，可將互花米草分布區劃分成4個子區域(圖2)。其中區域A為最先引種互花米草的區域，在整個研究時段內位置最為穩定，但面積卻在不斷的減小;區域B為1990年之后海岸不斷受侵蝕后退的區域;區域C為由于黃河入海口口門不斷發生變化而極不穩定的區域;區域D為近年來不斷向海淤長的區域。4個區域不同的蝕淤變化特點會給互花米草24年來的發展變化帶來截然不同的影響。

3．2 互花米草面積長時間變化的原因分析

圖4 20世紀90年代黃河下游斷流天數Fig．4 The Yellow River drying up days in one yearfrom 1990 to 1999

圖5 1990-2010年黃河汛期(7月～10月份)徑流量和輸沙量(利津站統計值)Fig．5 Runoff and sediment measurements in Yellow River flood seasons from 1990 to 2010(July to October)at Lijin station

表3 20世紀90年代以來黃河三角洲的風暴潮災害［28］Tab．3 Yellow River Delta storm surges in 1990s

1990年互花米草在黃河三角洲引種成功后，到1992年短時間內達到了整個研究時段內面積的極值，約1 137 hm2。而此前這一時段內，研究區黃河入海徑流量較為充沛(圖5)，斷流天數較少(圖4)，同時，這一時段內也無明確記載的海洋災害(如風暴潮等)，給互花米草的生長營造了一個相對理想的環境。1992年，黃河三角洲區域遭受了一次嚴重的風暴潮(表3)，導致1993年監測到互花米草分布面積有所下降。而1993年和1994年黃河的斷流日期處在互花米草生長旺盛的7月到10月份，進一步造成了互花米草面積的連續下降，到1994年降到了這一時期的低值點，如圖3所示。

經過1995年和1996年兩年的恢復，到1997年，研究區又遭受了一次較嚴重的風暴潮過程，同時，該年度黃河斷流天數達到了歷史極值的226天，這導致了從該年度開始，至2001年，互花米草面積在研究區不斷減少，以致在2000年和2001年的遙感影像中，幾乎無法識別明顯呈規模的互花米草。2000年前后，黃河水量達到了歷史極低值點，入海泥沙的不足直接導致了黃河口北岸的海岸侵蝕，這是造成這一時期互花米草退化的原因之一。

2002年之后，黃河開始大規模的在小浪底以下流域實施調水調沙，此后雖黃河未再斷流，但水沙量依舊不高，加上2003年的又一次嚴重風暴潮，自2004年，互花米草面積又開始了新一輪的減少。

到2007年，在沒有較大災害影響的情況下，互花米草面積正不斷得到恢復，并呈爆發性增長的態勢。

綜合分析互花米草面積的變化，其和這一時段內黃河河口段汛期徑流量和汛期輸沙量具有較大的相關性，經線性回歸分析，互花米草面積與黃河汛期(7月～10月份)總徑流量和輸沙量之間的相關系數R2為0．56(P＜0．01)。

圖6 不同區域互花米草面積演變Fig．6 The area changes of Spartina alterniflora in 4 sub-regions

3．3 不同區域互花米草面積的對比分析

區域A位于勝利油田孤東采油區五號樁附近，通過遙感監測發現，互花米草分布面積于1992年達到極大值，之后處于不斷的侵蝕過程中。根據張帆等［4］的研究，該區域互花米草的退化歸因于貝殼堤的不斷發育，灘涂中貝殼密度大的區域，互花米草生長情況較差。最終形成了如圖2區域A中2010年的新月形分布，且自2006年以來，面積和分布變化均較小。同時，在1994年、1997年和2000年區域A中互花米草近于消失(圖6)。對于1994年，概因所用圖像為10月17日獲取，處深秋季節，互花米草在遙感影像中已不明顯;對于1997年，該年度8月19日發生了一次特大風暴潮，導致了互花米草被掩埋而在遙感影像中未被發現;進入2000年后黃河下游實現了常年不斷流，但在2000年到2002年，黃河利津水文站觀測的年流量和6月份、7月份流量均達到了不斷流年份歷史同期的最低值［29］，同時，根據氣象觀測資料［30］，2000年到2002年三角洲地區的全年降水量和6月份、7月份降水量均為1961年來最低值，在淡水注入和降水都較小的情況下，該時間段內互花米草的生存環境鹽度升高，抑制了該年份互花米草的生長。

在區域B中(圖2)，互花米草的面積和分布表現出了較大的不穩定性。2000年之前的面積明顯大于之后，并于1997年達到了極值，在1994年和1999年有兩次面積的急劇下降。于2000年達到低谷之后，從2007年開始分布面積逐年增大。該區域互花米草分布變化的原因，除上述的黃河水沙量變化和降水問題外，還包括該區域常年遭受的嚴重侵蝕。僅從互花米草的位置來看(圖2)，24年來其向海一側的最外緣向陸地方向(西南)移動了約2．6 km。同時這期間還經歷了幾次較大的風暴潮，綜合起來導致了區域B中互花米草分布面積的起伏變化。

區域C在4個區域中受黃河尾閭影響最大。1996年，黃河由清8汊流路改道，形成了最新的向東北方向發展的新三角洲陸地區域，這一改變使原本在1995年較為茂盛的互花米草因河流沖刷而消失殆盡。而自2002年始，該區域互花米草分布面積得到了恢復，由黃河汛期徑流量監測結果可見(圖5)，自2002年，黃河開始了調水調沙，使得該年度之后的每年6月底開始，在互花米草生長季之初，口門區域得到了大量淡水的集中補充。淡水的注入既緩解了2000年以來的高鹽度，又帶來了豐富的陸源營養物質。河口口門區域的互花米草到2004年開始了逐年的衰退，從之后的遙感影像中發現，原因是該區域該時段口門區域沖淤變化劇烈，每年都有不同的流路分叉發育，導致區域C在這一時期內得不到一個穩定的生長環境，而逐漸消失。

對于區域D，2004年之前，該區域一直是海域，2004年之后，經過3年的發展，于2007年的圖像中發現了第一片成規模的互花米草。之后至今，黃河口門流路不斷向北發展，且調水調沙使該區域泥沙量補充豐富，為互花米草的生長、發展和擴張營造了一個相對穩定的環境，致使區域D中的互花米草位置穩定，面積不斷擴大。

綜合上述子區域的變遷特點，除區域D由于近口門可得到大量的泥沙補充而暫未出現侵蝕外，其余3個子區域的互花米草生長均未有效遏制海岸的侵蝕，表現為區域A和區域B的互花米草面積在24年里不斷的縮小和后退，而區域C雖因河口改道而消失(在生長變遷初期也發生了侵蝕)。

4 討論

對于引起互花米草面積隨時間變化的原因分析，我們應用了黃河水沙量、黃河改道、風暴潮和氣象條件等4種佐證資料。通過分析發現，互花米草的變化并非僅由其中1種因素影響而發生，但由于后3種原因難以量化，故未作統計意義上的與面積變化的相關性分析。

本文所用數據少部分存在云霧覆蓋，還有部分Landsat 7 ETM+影像存在條帶缺失，對于這部分影像，不可避免的會造成統計誤差。應用遙感技術開展互花米草的監測工作，有以下2方面的優勢:其一，能高效、準確、客觀的獲取不同歷史時期的互花米草分布和變化狀況;其二，可有效的完成難以進入區域的互花米草監測，特別是對于黃河三角洲這樣潮灘廣闊、難以實施現場測量的區域。同時也存在2方面的技術限制:第一，受傳感器重訪周期和云霧影響，難以在一個長時間序列里獲取到互花米草同一物候期的影像，在一定程度上給植被的識別和面積判定帶來影響;第二，基于歷史影像的信息提取結果往往缺乏驗證數據，導致信息提取結果存在一定的不確定性。

5 結論

基于自互花米草在現代黃河三角洲引種的1990年到2013年共24景Landsat衛星遙感影像，結合2013年和2014年的現場踏勘數據，完成了互花米草在現代黃河三角洲的分布和變遷監測;在此基礎上，根據互花米草隨時間變化的特點和其在不同分布區域的變化特征，在時間上分4個階段和在空間上分4個區域對互花米草的變遷進行了分析，并結合黃河水沙量、河口改道、風暴潮和氣象等數據資料，對變遷原因進行了分析。主要結論包括:

24年來互花米草在現代黃河三角洲分布范圍逐年擴大，但總面積隨時間出現明顯波動，最大面積出現在1992年，約1 137 hm2，而在部分年份如1994年、2000年和2006年互花米草出現了較大規模的漸少，2007年至今呈爆發性增長。

在區域分布上，首先引種互花米草的五號樁附近區域A的互花米草一直處于退化狀態，現在面積僅為1992年峰值時的1/10;現行黃河入海口東南側的區域D的互花米草自2007年發現至今呈爆發性生長態勢;位于孤東采油區東南側的區域B和位于黃河現行口門處的區域C，同時受到海岸蝕淤和河口改道的影響，隨時間呈不規律變化狀態。整體上，互花米草的引種并未達到有效的固岸或者促淤的作用。

互花米草在現代黃河三角洲的發展和變遷與黃河水沙輸送量有較大相關性，決定系數R2達到了0．56(P＜0．01)，口門改道、海岸侵蝕和風暴潮都是造成互花米草退化的直接原因。

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