小流域農業活動對河流生態系統健康影響的遙感監測研究

摘 要：河流是連接陸地與水域生態系統的橋梁，采用高效、準確的監測手段，評估農業活動對河流生態系統健康的影響顯得尤為重要。基于此，介紹了河流生態系統監測的相關理論基礎，闡述了遙感監測的區域選擇與數據來源，以及遙感監測的構建方法，通過案例研究進一步證明了遙感監測的可靠性和準確性，并提出了河流生態系統健康管理策略，為小流域農業可持續發展策略的制定提供科學依據。

關鍵詞：小流域；農業活動；河流生態系統；健康評估；遙感監測

中圖分類號：S127 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

近年來，農業生產活動在全球范圍內迅速擴張，尤其是在水資源相對豐富的中小流域區域。然而，過度的農業開發往往伴隨著化肥、農藥的大量使用及土地覆被的劇烈變化，這對河流生態系統構成嚴重威脅。河流作為連接陸地與水域生態系統的橋梁，其健康狀況會直接影響生物多樣性的維持、水資源的可持續利用及人類社會福祉。因此，采用高效、準確的監測手段，評估農業活動對河流生態系統健康的影響顯得尤為重要。對此，借助遙感技術的時空覆蓋優勢，結合地面實測數據，旨在構建一個綜合評估模型，為小流域農業管理提供科學指導，促進農業與生態環境的和諧共生。

1 相關理論基礎

1.1 遙感技術在生態環境監測中的應用進展

作為現代環境監測的重要工具，遙感技術近年來在生態環境領域的應用日益廣泛。高分辨率衛星和無人機技術的發展，使得精確捕捉地表特征、水質狀態及生物棲息地變化成為可能[1]。多光譜與高光譜遙感數據的應用，不僅能夠識別不同植被類型和土地利用覆蓋變化，而且通過反射率、吸收特性的分析，間接評估水質參數（如葉綠素-a濃度、懸浮物含量），從而反映水體富營養化程度。時序遙感數據的分析則為理解生態系統的動態變化提供了時間維度上的洞察，特別是在監測農業活動引起的土地利用變化、水體污染擴散等方面展現出巨大潛力。

1.2 農業活動對河流生態系統影響的機制探討

農業活動對河流生態系統的影響是多方面的，主要包括化學物質輸入、物理結構改變及生物干擾。化肥與農藥的過量使用，經由地表徑流和滲透作用，將氮、磷等營養元素帶入水體，促進藻類暴發，引發水體富營養化，降低水體透明度，影響水下光照條件，進而危及水生生物的生存。同時，農田擴張和灌溉活動改變地表水流模式，可能導致河流流量減少或洪水頻發，破壞河岸帶穩定性和生物棲息地。此外，農業機械操作和不合理的土地管理措施也可能造成土壤侵蝕，加劇河流沉積物負載，影響水體自凈能力和生物多樣性。

1.3 小流域生態系統健康評估方法概述

小流域作為河流生態系統健康評估的基本單元，其健康狀態的評價需綜合考慮水質、水量、生物群落結構及生態服務功能等方面[2]。評估方法通常涵蓋以下步驟：首先，通過遙感數據確定土地利用（覆蓋）類型，結合實地調查數據，分析農業活動的空間分布及強度；其次，選取反映生態系統健康的關鍵指標，如生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand，BOD）、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、氨氮、總磷等水質數，以及河岸植被覆蓋度、生物多樣性指數等；再次，利用層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、主成分分析（Pri-ncipal Component Analysis，PCA）或構建生態健康指數等多元統計方法，綜合各指標進行量化評估；最后，結合地理信息系統（Geographic Information System，GIS）空間分析技術，進行空間可視化表達，識別生態脆弱區和重點保護區域，為管理決策提供科學依據。

2 遙感監測的區域選擇與數據來源

2.1 研究區選擇與地理特征介紹

小流域農業生產區域應擁有豐富的水資源和活躍的農業生產活動。具體來說，依據我國農作物種植現狀，該區域地形以低山丘陵和平原為主，河網密布，具有典型的小流域水文及生態特征。此外，還應考慮到其農業活動的多樣性和代表性，這有利于全面評估不同農業管理實踐對環境的綜合效應。

2.2 數據獲取與預處理

為了全面而準確地監測農業活動對河流生態系統的影響，研究要整合多種遙感監測數據源（如衛星影像，利用Landsat 8和Sentinel-2等中高分辨率衛星數據），獲取研究區的多時相地表覆蓋信息和水質參數的近似值，這些數據覆蓋廣、周期性強，適合監測長時間序列的土地利用變化及水體顏色變化，從而間接推斷水質狀況；無人機監測數據，針對局部關鍵區域，如農田密集帶、河口交匯處等，利用無人機搭載的多光譜相機進行高分辨率拍攝，獲取更為精細的地表特征和河岸帶生態結構信息，有助于深入分析農業活動的具體影響；地面固定監測站點，定期采集水質樣本和氣象數據，以校驗遙感數據的準確性并補充遙感難以直接獲取的信息。

數據預處理包括輻射校正、幾何校正、大氣校正等步驟，確保不同來源數據的一致性和可比性。同時，應用圖像分類算法（如監督分類、對象分類法）對衛星和無人機影像進行解譯，劃分出農田、林地、水域等不同地類，為后續分析奠定基礎。

3 遙感監測的研究方法論構建

3.1 評價指標體系建立

構建的評價指標體系旨在全面反映農業活動對小流域河流生態系統健康的影響。具體應涵蓋以下幾個方面：水質參數，包括但不限于溶解氧、化學需氧量、氨氮、總磷和總氮，用以評估農業污染導致的水質惡化程度；河岸帶完整性，通過分析河岸植被覆蓋率、河岸線的直線化程度及河岸帶寬度變化，來衡量農業擴張對自然河岸生態系統結構和功能的影響；生物多樣性指數，包括物種豐富度、均勻度和多樣性指數，結合遙感影像和地面調查數據，評估農業活動對水生和河岸生物多樣性的影響。

3.2 遙感數據分析方法

為實現上述指標的有效監測與評估，可研究采用一系列先進的遙感數據分析技術：光譜分析用于提取水體和地表覆蓋的特定波段信息，特別是利用高光譜數據解析水質參數和植被健康狀況[3]；圖像分類技術，結合機器學習算法（如隨機森林、支持向量機），對衛星和無人機影像進行細致的地類劃分，區分不同類型的農田、自然植被和水體，以及識別河岸帶生態狀態；時空序列分析，利用多時相遙感數據追蹤農業活動隨時間的變化趨勢，以及這種變化對河流生態系統健康指標的動態影響，通過時間序列分析和趨勢預測模型，揭示農業活動與生態響應間的因果聯系。

3.3 綜合評估模型設計

基于構建的評價指標體系和遙感數據分析，可研究設計一種綜合評估模型，集成GIS空間分析與統計建模技術：一是利用GIS平臺進行空間疊加分析，明確農業活動與河流生態系統健康指標的空間關聯性，如污染物排放源與水質惡化區的對應關系；二是通過多元回歸分析、主成分分析等統計方法，量化各指標對生態系統健康的整體貢獻度，建立生態健康指數模型；三是結合專家打分和公眾參與，調整權重，使模型更貼合實際生態狀況。模型要不僅能夠評估當前的生態系統健康狀態，還能預測未來農業活動變化對河流生態的潛在影響，為制定針對性的環境保護與農業管理策略提供科學依據。

4 遙感監測的結果與分析

4.1 河流域農業活動特征

通過遙感數據分析，揭示出研究區域農業活動的空間分布特征及其變化趨勢。農業用地主要集中在流域中下游平原地帶，且在過去十年間，隨著農業集約化的推進，耕地面積呈現逐年遞增的趨勢，其中稻田和玉米地擴張尤為明顯。同時，化肥和農藥的使用強度在主要種植區顯著上升，導致農業非點源污染風險增加。時空序列分析顯示，春播和秋收季節，農業活動強度達到峰值，與之相應的是，河流生態系統承受的壓力亦隨之增大。

4.2 河流水質響應分析

遙感與地面監測數據的綜合分析表明，農業活動對河流水質產生了顯著影響。氮磷負荷（以總氮和總磷為代表）在雨季期間因農田徑流增加而急劇升高，導致河流出現明顯的富營養化跡象，表現為水體渾濁度增加，藻類暴發頻率上升。此外，部分河段在農業活動高峰期的需氧量濃度異常，反映了有機污染物的輸入。這些變化對水生生態系統構成了嚴重威脅，影響了水體的自凈能力。

4.3 河岸帶生態影響

遙感圖像分類結果可知，自然植被覆蓋率下降最為顯著，取代的是農田和人工林地的擴展，導致河岸帶生態系統的連續性和完整性受損。生境破碎度指數升高，意味著生物遷徙路徑受限，河岸帶作為重要的生態過渡帶的功能減弱，其生物多樣性面臨壓力。

4.4 生物多樣性評估

生物多樣性評估結合了遙感和地面調查數據，發現農業活動密集區域的物種豐富度和均勻度均有所下降[4]。尤其是底棲生物和水鳥種類數量減少，反映了河流生態系統健康狀況的惡化。物種分布模式分析顯示，受保護較好的河段仍能維持較高的生物多樣性水平，而農業活動干擾嚴重的區域呈現出生物種類單一化趨勢。

4.5 時空動態分析

時空動態分析揭示了農業活動對河流生態系統健康影響的季節性和長期趨勢。短期內，春季耕作和秋季收獲時節，由于化肥農藥使用量大增，河流水質和河岸帶生態遭受最直接且強烈的沖擊；長期來看，農業集約化趨勢與土地利用變化的累積效應，導致河流生態系統健康持續下降，表現為水質惡化、河岸帶退化和生物多樣性喪失。此外，氣候變化因素如降水模式的改變也在一定限度上加劇了農業活動的負面影響，強調了綜合管理策略應對農業—生態耦合系統變化的重要性[5]。

5 案例研究

5.1 案例背景

以我國華中地區的“包河”小流域作為案例研究對象，該流域總面積約300 km2，主要經濟作物有冬小麥、玉米、蔬菜、花卉、葡萄、水產養殖六大類，農業活動密集。近年來，隨著農業集約化程度的提高，河流生態系統面臨嚴峻挑戰，表現為水質惡化、生物多樣性下降等問題。

5.2 實證分析

5.2.1 遙感監測應用

采用2010年與2020年兩期Landsat衛星影像，通過監督分類方法識別土地利用類型變化。結果顯示，2020年農田面積比2010年增加了10%，而2020年自然濕地和林地面積分別減少了5%和3%。這證實了農業擴張對原有生態系統結構的強烈影響。

利用Sentinel-2衛星的多光譜數據，通過歸一化植被指數和水面反射率的變化，估算出河流氮磷負荷的變化趨勢。與地面水質站的月均值相比，遙感估測結果的誤差在±10%以內。這驗證了遙感技術在大尺度水質監測中的有效性和準確性。

通過無人機航拍圖像，結合對象分類法對圖像進行分類，分析河岸植被覆蓋度的年度變化。結果顯示，近5年來河岸帶植被覆蓋率平均每年減少約2%，表明農業活動導致的土壤侵蝕和人為干預是河岸生態退化的主要原因。

5.2.2 地面實測數據對比驗證

為驗證遙感分析的準確性，選取了10個代表性樣點進行實地調查，包括水質取樣分析、河岸帶生物多樣性調查等。地面實測數據與遙感監測結果的對比顯示，水質參數（如總磷、渾濁度）的相關系數達0.85以上，河岸帶植被覆蓋率的吻合度超過0.9。這進一步證明了遙感監測在本案例中的可靠性和實用性。

6 河流生態系統健康管理策略

6.1 基于遙感監測的河流生態系統健康管理框架

首先，以遙感監測為核心的河流生態系統健康管理框架應通過遙感技術收集河流水質、流域土地利用和生物多樣性等關鍵數據，然后利用這些數據構建河流健康指標體系。該體系涵蓋水體富營養化指數、生物多樣性指數和生態服務價值等維度，為河流健康狀況的定量分析提供科學依據。其次，框架還應包括風險預警系統和決策支持系統，通過實時監測數據及時發現潛在風險，并為政策制定提供決策支持。最后，框架應強調公眾參與和教育的重要性，通過提高公眾意識和參與度，形成全社會共同保護河流生態系統的良好氛圍。

6.2 農業活動的優化調整建議

農業活動優化調整建議包括推廣精準農業技術，根據作物需求和土壤條件合理施用化肥和農藥，減少農業面源污染；鼓勵農民采用生態農業方法，如輪作、間作和有機耕作，以提高土壤質量和生物多樣性；實施水土保持措施，如植被恢復和梯田建設，減少水土流失；推動農業廢棄物的資源化利用，減少對河流的污染。

同時，政府應制定流域綜合管理規劃，協調農業活動，實現水資源的合理分配和河流生態系統的協同保護。此外，還應出臺激勵政策，對采取環保措施的農民給予經濟支持，并完善相關法律法規，杜絕有害農業行為，以促進農業與環境的可持續發展。

7 結束語

通過綜合運用遙感技術和地學分析方法，系統評估了小流域農業活動對河流生態系統健康的影響，揭示了農業活動變化與河流生態系統響應之間的復雜關系。研究發現，合理調控農業活動對于維護河流生態系統健康至關重要。在未來，相關部門及技術人員應進一步探索遙感技術在監測農業面源污染精細化管理中的應用潛力，以及氣候變化背景下農業活動與河流生態相互作用的新機制，為實現農業可持續發展與生態保護雙贏目標提供更加堅實的科學支撐。

參考文獻

[1] 李雅燕.中小河流治理規劃設計基本思路與要點[J].四川水泥，2019（6）：104.

[2] 張興源.遙感技術在農業生產中的應用[J].農業科技與信息，2023（8）：35-38.

[3] 龔節郊.中小河流治理技術研究及生態修復探討[J].大科技，2013（20）：237-238.

[4] 高志強，劉紀遠.基于遙感和GIS的中國植被指數變化的驅動因子分析及模型研究[J].氣候與環境研究，2000（2）：155-164.

[5] 秦麗梅，王修信，王力虎，等.利用遙感植被指數模型研究青獅潭水源林變化[J].廣西物理，2009，30（2）：2-4.

收稿日期：2024-06-11

作者簡介：蔣興田（1995—），男，安徽濉溪人，工程師，研究方向為環境監測與保護。