本文内容來源于《測繪公告》2021年第4号。.GS （2021） No. 1567
基于多源遙感資料的生态系統服務功能時空演化趨勢分析
孫宇 1
， 胡家琦 1， 崔亞靜 1， 楊楠 2， 蔡崇正 1
1. 中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院， 北京 100083;2. 中國地質環境監測研究院 北京 100081
基金項目：國家自然科學基金（41871338）;地質調查項目（DD20190506）;甯夏回族自治區重點研發計劃總體項目（2018BEG03069）;中國礦業大學（北京）"湯崎青年學者"（CUMTB2018）
摘要： 研究區域生态系統服務功能的時空演化趨勢有助于揭示人類活動或氣候變化對本區域生态環境的影響，進而為生态系統服務功能的保護和管理提供依據。以淮安市為基礎，采用遙感指數方法，擴大生态系統服務在時間次元上功能重要性評價，計算2000-2018年水源、水土保持和生物多樣性保護功能，采用曼肯德爾非參數檢驗和赫斯特趨勢分析法分析時空演化趨勢， 通過結合對中高分辨率遙感資料的解釋，探讨了變化的原因。結果表明：（1）淮安市大部分區域生态系統服務功能呈顯著上升趨勢，其中節水和生物多樣性增長趨勢較弱，而水土保持增長趨勢較強;生态系統服務功能增加的主要原因可能是植被活力的增強，這反映在植被綠化和植被生産力的提高上。
關鍵詞： 遙感生态系統服務 時空演化趨勢 赫斯特分析 曼肯德爾測試
引用格式：孫偉、胡家琦、崔亞京等基于多源遙感資料的生态系統服務時空功能演化趨勢分析.測繪咨詢， 2021（4）： 1-7.DOI： 10.13474/j.cnki.11-2246.2021.0101.
閱讀更多：http://tb.sinomaps.com/article/2021/0494-0911/20210401.htm
全文概述
生态系統服務功能是指生态系統和生态過程所創造和維護的自然環境條件和效用，如水土保持、土壤維護、氣候調節、病蟲害防治、物質生産等。生态系統服務功能與人類生活密切相關，是人類社會生存和發展的基礎。生态系統服務功能的時空格局不是一成不變的，人類活動和氣候變化都可以不同程度地改變生态系統服務功能。例如，人類過度開發自然資源、生态破壞和污染、土地荒漠化、森林覆寫率下降和物種滅絕等，都導緻生态系統服務功能明顯下降，對生态系統造成嚴重破壞，威脅人類安全和可持續發展。在此背景下，研究一個地區生态系統服務功能的演變趨勢，有助于揭示人類活動、氣候等環境因素變化對該地區生态環境的影響，進而為生态系統服務功能的保護和管理提供依據。
近30多年來，評估生态系統服務功能的變化已成為環境與生态經濟學的重要研究領域之一。遙感和地理資訊技術的發展及其在生态研究中的應用為生态系統服務綜合評估提供了動态的空間支撐。生态系統服務功能研究存在諸多挑戰，包括評價方法的改進和規範化，以及生态系統服務功能時空變化的探索與分析。由于土地利用/土地覆被變化（LUCC）可以直接改變生态系統的功能和結構，是以，對LUCC與生态系統服務價值（ESV）之間關系的大量研究表明，LUCC在提供ESV方面發揮着至關重要的作用。本文以遙感影像為資料來源，通過對華西地區遙感影像的解釋，得到不同種類的土地利用區，評價華西地區生态系統服務的價值，利用土地系統與生态系統的耦合關系，研究土地利用碳化碳化合物對生态系統服務的影響。然而，對生态系統空間差異等因素的關注，不足以充分客觀地反映一些地區生态服務的價值。評估了LUCC下生态系統服務價值的時空變化，但尚未獲得完整的時間序列資料集。文獻對6個時間段内與森林生态系統相關的6種生态系統服務功能進行了量化，發現生态系統服務功能具有高度的時空變異性。根據市場價值法和生産成本法，定量評價重慶森林生态系統服務功能的經濟價值。然而，它隻評估了兩個時期的林務功能，并不能客觀、連續地反映服務功能值的動态變化和時空分布的差異。采用等值因子法對生态系統服務價值系數表進行了修正，并以Landsat影像為資料來源，研究了生态系統服務價值的空間和空間分布格局。然而，受資料擷取的限制，2006-2016年時空演化兩階段資料分析略顯不足，無法更客觀、科學地解釋進化生态服務的價值。文獻資料： 利用2000年、2005年和2010年的土地利用矢量資料，計算出重慶近10年生态系統服務價值的空間和空間變化特征。然而，該研究的時間序列很短，隻使用了幾個時間段。本文基于重慶市2007-2016年年鑒統計資料，建構了農田生态服務價值體系，進而研究了重慶市生态服務價值的時空變化特征。但該研究以縣為機關進行計算，空間分辨率較差，未反映出縣内生态系統服務功能的變化。
綜上所述，以往關于生态系統服務功能演化趨勢和分析的研究大多基于單一資料，而大部分研究時間序列較短，或者隻使用少數時間段，無法客觀、持續地揭示生态系統服務功能的演化。此外，對不同區域生态系統服務功能的過去-現在-未來空間格局演化進行定量研究甚少，難以确定這些區域未來的空間和空間演化格局。在此基礎上，本文拟對淮安市2000-2018年長期生态系統服務的功能重要性進行評價，采用曼肯德爾非參數檢驗方法檢驗時間序列的趨勢意義，通過重尺度極差法定數量分析時間序列發展趨勢的連續性， 并深入分析淮安生态系統服務的功能空間格局和演化趨勢，以期更好地了解淮安生态系統的現狀。為生态環境保護、産業規劃和政策制定提供關鍵資訊。
1 研究領域和資料
1.1 研究領域介紹
淮安位于江蘇省中北部，東部為江淮平原，中國第四大淡水湖洪澤湖，河湖交錯，平原面積占總面積的69.39%，湖區面積占11.39%，丘陵丘陵面積占18.32%。本區土壤主要有黃褐色土、水稻土、潮岩、基岩、沙姜黑土、石灰岩等。年平均氣溫14.1°C~14.8°C，南下基本高低。各地年降水量平均在906~1007毫米之間，分布特點是南北多西。淮安市的空間分布如圖1所示。
圖1 淮安市空間分布
圖選項
1.2 資料
該研究使用了2000-2018年的MODIS植被指數，土地覆被類型和淨植被生産力資料，以及高分辨率Landsat，SPOT，Pleiades和一些航空資料，以及溫度，降水，DEM和土壤等地理資訊，如下所示：
（1） MODIS/Terra植被指數16天L3全球500米SIN網格V006（MOD13A1）。
（2） MODIS/Aqua and TerraLand Cover Type 每年 L3 全球 500 m SIN Grid V006 （MCD12Q1）。
（3） MODIS/Terra 總初級生産力 8 天 L4 全球 500 米 SIN 網格 V006 （MOD17A2）。
（4） Landsat 7 ETM加上2002年的資料和2006年Landsat 5 TM資料。
（5） SPOT 6 多光譜（6 米）和全彩圖像（1.5 米） 2018。
（6）2018年的昴宿星團多光譜（2米）和全彩圖像（0.5米）。
（7）淮安市廢棄黃河、京杭大運河以及洪澤湖、蘇北灌溉渠的航空攝影資料，空間分辨率為0.2 m。
（8）淮安氣象站測得的溫度和降水量。
（9） 2009年ASTER數字高程模型GDEM（30米）。
（10）2009年1：1百萬的土壤屬性資料，從寒帶幹旱區科學資料中心下載下傳。
2 研究方法
利用工作區域相關遙感、氣象、土壤、海拔和地理資訊資料，計算生态系統服務的功能重要性（水源保護功能、水土保持功能和生物多樣性保護功能），利用曼肯德爾非參數檢驗和Hurst指數（21-22），深入分析淮安市典型地區生态環境空間格局和演化趨勢， 基于多年土地覆被類型、植被指數和淨初級生産力（NPP）、高分遙感資料等生态系統服務功能變化分析。
節水功能以生态系統節水服務能力指數為評價名額，計算公式為：
(1)
在公式中，WR是生态系統節水能力指數，NPPmean是植被淨初級生産力的年平均值，Fsic是土壤滲流因子，Fpre是年平均降水因子，Fslo是坡度因子。
水土保持功能以生态系統水土保持服務能力名額為評價名額，計算公式為：
(2)
Spro服務于水土保持能力指數，NPPmean是植被淨初級生産力的年平均值，Fslo是坡度因子，K是土壤侵蝕因子。
生物多樣性維護功能以生物多樣性維護服務能力指數為評價名額，計算公式為：
(3)
Sbio服務于生物多樣性維持能力指數，NPPmean是植被淨初級生産力的年平均值，Fpre是年平均降水量，Ftem是年平均氣溫，Falt是海拔因子。
其中，年平均降水量和年平均氣溫由淮安氣象站的實測資料計算得出。首先，計算該區域所有氣象站點的多年平均降水量或溫度值，并根據相同的站點名稱将這些值連接配接到站點資料中，并通過克裡金插值法獲得多年平均降水量或溫度網格圖。
土壤滲流因子除以 13 除以土壤資料集中T_USDA_TEX屬性值，得到土壤滲漏因子的栅格圖。土壤侵蝕因子是指土壤顆粒通過液力分離和處理的難易程度，主要與土壤質地、有機質含量、土壤結構、滲透性等土壤理化性質有關，主要利用粘性粒、粉狀、沙粒和有機碳含量的資料集進行計算，計算公式如下
(4)
(5)
K表示改性土壤腐蝕因子，KEPIC表示土壤腐蝕因子校正前，mc、msilt和ms分别為粘液（<0.002 mm）、粉狀（0.002~0.05 mm）、砂類（0.05~2 mm），而Corg是有機碳的機關比例。
3 研究結果
3.1 節水
根據該模型，計算了淮安市從2000年到2018年總共19年的節水服務能力。長度限制為僅2000年、2010年、2018年為例來示結果，如圖2所示。可以看出，2000年至2018年間，節水服務能力逐年增強。圖3顯示了曼肯德爾節水非參數測試結果和赫斯特指數的結果，表明陸縣節水變化趨勢非常顯著，素水縣節水趨勢基本不變，其他地區均顯著上升。總體變化趨勢使面積增加大于面積減少（見表1）。用赫斯特指數來描述時間序列發展趨勢的連續性或反連續性，其中彜縣的連續性強，清江浦區、淮陰區南、水縣南的連續性很弱，其他區縣的連續性較弱。表2是淮安市節水變化趨勢的預測統計結果，顯示淮安市整體節水序列的Hurst指數大多在0.5~0.75，表明節水增長趨勢緩慢，連續性較弱。
圖2 淮安市節水能力
圖3 2000-2018年淮安市節水趨勢及赫斯特指數分布
表1 2000-2018年淮安市生态系統服務功能趨勢統計
表選項
表2 2000-2018年淮安市節水趨勢預測結果
3.2 水土保持
根據2000-2018年淮安水土保持服務能力的模型計算，以2000年、2010年、2018年為例，結果如圖4所示。從2000年到2018年，水土保持服務能力逐年增強。圖5顯示了曼肯德爾水土保持非參數檢驗和赫斯特指數的結果，顯示淮安市整體變化趨勢顯著增加，面積上升比例明顯為77.58%（見表1），清江浦區基本保持不變。用赫斯特指數來描述時間序列發展趨勢的連續性或反連續性程度，該地區北部和洪澤地區較強，其他地區則較為持久。表3是淮安市水土保持變化趨勢的預測統計結果，顯示淮安市各區縣水土保持序列赫斯特指數基本大于0.55，表明水土保持增長趨勢較為持久。
圖4 淮安市水土保持能力
圖5 曼-肯德爾統計和赫斯特指數空間分布
表3 2000-2018年淮安市水土保持變化趨勢預測
3.3 生物多樣性
根據淮安市2000-2018年生物多樣性服務能力模型計算，以2000年、2010年和2018年為例，結果表明，2000-2018年生物多樣性服務能力逐年增強。圖7所示為2001-2018年淮安生物多樣性時效顯著性分析和趨勢變化預測。結果表明，南方地區生物多樣性變化顯著增加，其中緯區生物多樣性顯著增加，蘇水縣基本保持不變，其他地區顯著增加，從變化趨勢的統計結果可以看出，區域面積的變化趨勢為75.60%， 表明淮安市整體生物多樣性呈顯著上升趨勢。
圖6 淮安生物多樣性能力
圖7 曼-肯德爾統計和赫斯特指數空間分布
用赫斯特指數來描述時間序列發展趨勢的連續性或反連續性程度，淮安區較弱，其他區縣具有較強的連續性。表4是淮安市生物多樣性變化趨勢預測的預測統計結果，顯示生物多樣性序列赫斯特指數總體在0.55~0.75之間，大部分小于0.65，表明生物多樣性增長趨勢緩慢，可持續性較弱。
表4 2000-2018年淮安市生物多樣性變化趨勢預測
4
讨論分析
結果表明，從2000年到2018年，研究區生态系統服務功能總體上呈上升趨勢。為了分析具體原因，以下是從生态地型和植被活力的角度進行深入分析。
4.1 生态用地的種類
根據MODIS-MCD12Q1土地覆被産品及2002年和2006年陸地衛星資料、2018年現貨資料，提取淮安市土地覆被資訊，計算出生态用地比例。圖8顯示了MODIS土地覆被産品的分類結果。結果表明，淮安植被覆寫比重最大，水體基本分布在洪澤區西部、東部地區以及金湖區東南部。
圖8 淮安市土地覆被類型
圖 9 顯示了 landsat 和 SPOT 資料分類結果，它們與 MODIS 資料分類結果基本相同。圖10顯示了生态土地的規模曲線，其中生态土地的比例由《生态環境評價技術規範》（HJ 192-2015）定義，即綠地、水濕地和耕地評價面積占評價面積總面積的比例。圖10顯示，淮安市整體生态用地占比基本保持不變，甚至略有下降。生态用地植被覆寫率最高，水體占比第二。非生态用地，如建設用地，比例最低，變化趨勢基本穩定，甚至略有增加。
圖9 點資料解釋結果
圖10 生态用地比例的時間線
此外，昴宿星團遙感資料的解釋将得到的土地覆被類型圖與淮安市部分地區的航空攝影資料相結合，進一步分析了生态系統服務功能的演變。圖11顯示了生物多樣性的比較。結果表明，生物多樣性顯著下降的地區以大型建設用地分布，而增加顯著增加的地區與耕地和林地分布，水土保持的對比結果與生物多樣性結果一緻。
圖11 生物多樣性與生态土地類型的比較
以上結果表明，非生态用地，如建設用地，會降低生态系統服務的功能。淮安市近20年來，建設用地略有增加，但總用地占比不高，并未造成整體生态系統服務功能下降。相應地，淮安生态土地占比在過去20年中略有下降，但生态系統服務功能顯著增加，很可能是因為生态系統本身品質的提高，而不是生态系統面積的增加。為了證明這一觀點，筆者進一步分析了研究區植被活力的變化。
4.2 植被活力
利用曼肯德爾非參數檢驗和赫斯特指數，分析了淮安市植被綠色指數（EVI）時空變化趨勢，如圖12所示。結果表明，總體來看，淮安地區經濟脆弱性指數顯著上升，持續H>0.75。僅在蘇水縣、清江浦區、洪澤區、陸縣、金湖縣等中心地區，EVI明顯下降，主要是由于建設用地面積增加。以上結果表明，淮安大部分地區植被綠化程度正在上升。
圖 12 2000-2018年淮安市經濟脆弱性指數趨勢及赫斯特指數分布
圖13顯示了植被淨初級生産力的NPP、年平均降水量和年平均溫度變化的趨勢。圖中顯示，研究區年平均降水量曼肯德爾值範圍為0~1.60，基本不變，曼肯德爾年平均氣溫0~1.82基本不變，但核動力源保持顯著上升趨勢，證明研究區植被活力呈上升趨勢。
圖13 2000-2018年淮安市核電站、降水量、氣溫變化趨勢空間分布
5 結論
以淮安市為研究區，擴充并深入分析了生态系統服務功能重要性評價遙感名額方法，并利用曼肯德爾非參數檢驗和赫斯特趨勢分析，深入評價和分析了研究區生态系統服務功能重要性的演化趨勢， 基于長期序列的多源遙感資料，以及高分辨率遙感資料的解釋。探讨生态系統服務功能發生變化的原因。結果表明：（1）2000年至2018年，淮安市整體生态系統服務功能呈上升趨勢，其中節水和生物多樣性增長趨勢較弱，水土保持增長趨勢強勁。（2）生态系統服務功能增加的面積主要發生在耕地、林地等植被覆寫區，減少面積主要發生在建設用地等非生态用地區域。（3）淮安市耕地、林地等植被覆寫面積比例基本保持不變，甚至随着建設用地占比的增加略有下降。是以，生态系統服務功能增加的主要原因可能是植被活力的增強，這反映在植被綠化和植被生産力的提高上。
作者介紹
導言：孫偉（1986-），男，博士，副教授，資源與環境遙感研究。
電子郵件： [email protected]
一審：楊瑞芳
評論：宋啟凡
終審判決：金軍
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