生物多樣性生態功能區生境質量變化遙感監測研究

李　營　張　峰　楊海軍　殷守敬　洪運富　朱海濤　滕佳華　代宇庭

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京　100094；

2.中國礦業大學地球科學與測繪工程學院，北京　100083；3.中國人民大學環境學院，北京　100872)

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生物多樣性生態功能區生境質量變化遙感監測研究

李營1張峰1楊海軍1殷守敬1洪運富1朱海濤1滕佳華2代宇庭3

(1.環境保護部衛星環境應用中心，北京100094；

2.中國礦業大學地球科學與測繪工程學院，北京100083；3.中國人民大學環境學院，北京100872)

【摘要】穩定的生境質量是維持生態系統生物多樣性的重要基礎，迄今為止，我國設立了多個生物多樣性生態功能區，但有關其生態質量狀況的研究較少，針對這一現象，選取秦巴生物多樣性生態功能區作為研究區，采用InVEST模型和Mann-Kendall趨勢檢驗方法，獲取了研究區生境質量指數和生態系統生產力變化趨勢，以此監測研究區生境質量在2000-2010年間的時空變化情況。結果表明，2000-2010年間，研究區生境質量雖然略有小幅變化，但整體上基本保持穩定，無明顯變化。

【關鍵詞】生物多樣性；生態功能區；生境質量；遙感監測

1引言

生境實際上是指生態系統能夠提供給物種生存繁衍所需條件的潛力[1]，是生物生存的本質基礎，研究表明，生境特征與生物多樣性緊密相關[2]，生境質量的優劣直接決定了生物棲息地的適宜性高低。目前，國內開展的生態系統生境質量研究主要涉及河流[3-5]以及特定物種[6-7]，有關國家生態功能區生境質量的研究相對較少，同時，上述研究主要采用生態調查的方式，研究周期長且耗費了大量人力、物力。

遙感技術具有時效性強、監測范圍廣、數據便于獲取等優勢，目前，已被廣泛應用于生態環境監測中，并取得了顯著的成效。在生境質量遙感評價中，生境質量指數考慮了生態系統整個景觀類型敏感性和外界威脅程度，能夠監測生境質量分布狀況并評價其質量優劣[8]，是較為普遍的監測指標。然而，生境質量不完全由上述因素所決定，其自身的生產能力也是重要的衡量指標。植被凈初級生產力(Net Primary Productivity，NPP)是衡量植物群落在自然環境條件下生產能力的重要指標[9]，生產力的高低直接決定生態系統的供給能力，關系到物種的豐富度[10]，從而與生境質量間接關聯，因此，NPP的變化會對生境質量產生影響。

秦巴生物多樣性生態功能區是我國設立的國家級重要生態功能區，屬于限制開發區域，保護該區域的生態系統，維持其生境質量健康，對國家生態安全戰略具有重要作用[11-12]，而國內有關生物多樣性生態功能區的生境質量狀況的監測相對較少。為了解我國生物多樣性生態功能區生境質量變化情況，更好地保護區域生態環境，本文選取秦巴生物多樣性生態功能區，基于遙感技術，采用生境質量指數和NPP變化趨勢指標，分別從生態系統的敏感性、外界威脅程度及生產力角度，對該生態功能區在2000-2010年間的生境質量進行動態監測。

2監測方法及數據

2.1監測方法

生境質量監測采用生境質量指數和NPP變化趨勢等兩個指標進行監測分析，其中，生境質量指數采用InVEST模型基于土地利用數據獲取，用于分析生態系統敏感性及外界威脅程度。

NPP變化趨勢利用Mann-Kendall檢驗趨勢方法[13]計算，設置置信度為95%，α=0.05為趨勢檢驗的顯著水平。Mann-Kendall檢驗的統計S，利用下式計算：

(1)

式中：xj和xk分別為第j年和第k年的數值，j>k，n為系列的記錄長度(個數)，sgn(xj-xk)為表征函數：

(2)

隨機序列Si(i=1，2，…，n)近似地服從正態分布，則Sj的均值和方差為：

(3)

利用下式計算統計檢驗值Zs：

(4)

利用Zs的值進行趨勢統計的顯著性檢驗。Zs值為正，表明2000-2010年間NPP有上升趨勢，Zs值為負，表明有下降趨勢。

2.2監測數據源

監測數據采用土地利用和NPP數據，其中，土地利用數據時間為2000年和2010年，NPP為2000-2010年的旬數據。

3結果與分析

3.1生境質量指數變化監測分析

參考鄭丙輝等[14]王建華等[15]關于生境質量分級的方法，將生境質量指數分為很差、較差、一般、較好、良好等五級(表1)。

表1　生境質量指數分級標準

為分析研究區生境質量指數變化狀況，分別統計生境質量等級在2000年、2010年的面積百分比(表2)。由表可知，在面積百分比數值分布方面，研究生境質量指數等級面積百分比最大的為良好等級，之后為很差、較好、一般、較差等級。2000年、2010年的良好等級面積百分比分別為77.9023%和78.6209%，很差等級分別為22.0906%和21.3718%，較好和一般等級均不超過0.1%，而較差等級均為0，說明研究區生境質量指數良好，較差等級面積百分比不大；在生境質量指數變化方面，2000-2010年間，研究區良好等級面積百分比增加0.7186%，很差等級減少0.7188%，較好等級增加0.0003%，一般等級減少0.0001%，說明在等級方面研究區生境質量指數稍微增強。

為進一步定量分析研究區生境質量變化情況，對研究區2000年和2010年生境質量指數進行差運算，統計2000-2010年間生境質量指數在像元尺度的變化情況，并將變化分為變好、不變、變差等三個等級。對生境質量指數變好、不變、變差的面積百分比進行統計(表3)，獲取變好、不變、變差區域占研究區總面積的百分比分別為53.424%、33.065%和13.510%，從數值上可以看出，研究區生境質量指數以變好為主，變差區域不超過14%，說明2000-2010年間，生境質量指數總體上有所增強。

表2　生境質量指數等級面積百分比及其變化(%)

表3　生境質量指數變化統計(%)

分析研究區2000-2010年間生境質量指數的分級、變化及相關統計數據，可以看出，研究區生境質量指數總體上稍微變好但有限，生境質量指數較差的區域并未明顯擴張，說明這一時期內，研究區生態系統的敏感性及其受到外界的威脅程度并未明顯變化，生態系統生境質量保持良好、較為穩定。

3.2生態系統生產力變化趨勢分析

通過Mann-Kendall趨勢分析，獲取研究區NPP各像元在2000-2010年間的上升、下降及不變等三個變化趨勢，對三種變化趨勢進行統計，獲取其面積百分比(表4)，由表可知，研究區在2000-2010年間，NPP變化趨勢主要以不變為主，面積占研究區的89.306%，呈下降趨勢的面積百分比為7.752%，呈上升趨勢的面積百分比為2.942%。

表4　NPP變化趨勢狀況統計(%)

通過以上分析可知，研究區NPP呈上升趨勢的區域面積要多于下降趨勢，但相對于不變的區域，其所占比例較小，對整個研究區作用影響并不是很大，說明2000-2010年間，研究區生態系統生產力在局部有略微下降，而在整體上相對趨于穩定，其對生境質量影響并不明顯，進而表明，在生態系統生產力評價方面，研究區生境質量也相對穩定。

4結論

穩定的生境質量是維持生態系統生物多樣性的重要基礎，迄今為止，我國設立了多個生物多樣性生態功能區，但有關其生態質量狀況的研究較少，針對這一現象，本文選取秦巴生物多樣性生態功能區作為研究區，采用InVEST模型和Mann-Kendall趨勢檢驗方法，獲取了研究區生境質量指數和生態系統生產力變化趨勢，以此監測研究區生境質量在2000-2010年間的時空變化情況。結果表明：

(1)基于秦巴生物多樣性生態功能區生境質量變化遙感監測分析可知，秦巴生物多樣性生態功能區在2000-2010年間，生境質量指數和生態系統生產力基本穩定，未發生明顯變化，結合研究區土地利用及氣象指標等驅動因素分析發現，土地利用、降水及氣溫等因素變化較小，未對生境質量造成較大影響，這與研究區生境質量基本保持穩定相一致。

(2)生態質量變化對生態系統功能與結構造成的影響具有滯后性，理論上的研究時間尺度應維持在幾十年，因受數據因素限制，本文的時間尺度為11年，在條件允許的情況下，今后的研究應適當延長。

參考文獻：

[1]包玉斌，劉康，李婷，等.基于InVEST模型的土地利用變化對生境的影響—以陜西省黃河濕地自然保護區為例[J].干旱區研究，2015，32(3)：622-629.

[2]RAVEN P J，HOLMES N T，DAWSON F H，et al.River habitat quality：the physical character of rivers and streams in the UK and Isle of Man Bristol.England Environment Agency，1998，(2)：85.

[3]王強，袁興中，劉紅，等.基于河流生境調查的東河河流生境評價[J].生態學報，2014，34(6)：1548-1558.

[4]王瓊，范志平，李法云，等.蒲河流域河流生境質量綜合評價及其與水質響應關系[J].生態學雜志，2015，34(2)：516-523.

[5]劉華，蔡穎，於夢秋，等.太湖流域宜興片河流生境質量評價[J].生態學雜志，2012，31(5)：1288-1295.

[6]鄧凱.基于滇金絲猴生境質量的土地生態評價與應用[D].云南：云南財經大學，2014.

[7]周潔敏.大熊貓生境質量評價體系研究[D].北京：北京林業大學，2007.

[8]楊芝歌，周彬，樊登星，等．北京山區生物多樣性分析與碳儲量評估[J]．水土保持通報，2012，32(3)：42-46.

[9]劉芳，遲耀斌，王志勇，等.NPP列入生態統計指標體系的潛力分析——以北京地區NPP測算與空間分析為例[J].生態環境學報，2009，18(3)：960-966.

[10]KVANS K L，GREENWOOD J D，GASTON K J.Dissecting the species-energy relationship．Proceedings of the Royal Society B：Biological Sciences，2005，272：2155-2163.

[11]環境保護部，中國科學院.《全國生態功能區劃》，2008.

[12]國務院.《國務院關于印發全國主體功能區規劃的通知》，2010.

[13]ALCARAZ-SEGURA D，CABELLO J，PARUELO J M，et al.Use of descriptors of ecosystem functioning for monitoring a national park network：a remote sensing approach[J].Environmental Management，2009，43：38-48.

[14]鄭丙輝，張遠，李英博，等.遼河流域河流棲息地評價指標與評價方法研究[J].環境科學學報，2007，27(6)：928-936.

[15]王建華，田景漢，呂憲國.撓力河流域河流生境質量評價[J].生態學報，2010，30(2)：481-486.

On Habitat Quality Change Monitoring by Remote Sensing in Eco-functional Area of Biological Diversity

LI Ying1ZHANG Feng1YANG Hai-jun1YIN Shou-jing1HONG Yun-fu1ZHU Hai-tao1TENG Jia-hua2DAI Yu-ting3

(1.Satellite Environment Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100094，China；2.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；3.School of Environment and Natural Resources，RENMIN University of China，Beijing 100872，China )

Abstract：The stable ecological quality plays an important role in sustaining the biodiversity，China has established several eco-functional areas of biological diversity，however，the study on the ecological quality is less. Therefore，we took Qinba eco-functional area of biological diversity as the study area，used InVEST model and Mann-Kendall trend test method，obtain the habitat quality index and changing trend of ecosystem productivity to monitor the temporal and spatial variation of the habitat quality from 2000 to 2010. The result showed that the habitat quality remained stable overall in the study area，despite some fluctuation.

Keywords：biodiversity；eco-functional area；habitat quality；remote sensing monitoring

中圖分類號：X835

文獻標識碼：A

文章編號：1673-288X(2016)02-0046-03

通訊作者：殷守敬，博士，高級工程師，主要從事環境遙感監測與評價研究

作者簡介：李營，博士，工程師，研究方向為無人機遙感環境監測

資助項目：國家生態功能區生態狀況考核與評價

引用文獻格式：李營等.生物多樣性生態功能區生境質量變化遙感監測研究[J].環境與可持續發展，2016，41(2)：46-48.