遥感技术与应用杂志投稿格式参考范文：海南岛主要河流物理生境健康评价方法及应用

　　1 引言

　　热带海岛由于其独特的地理位置、自然条件、生物多样性、生态独立性和脆弱性而具有独特性，蕴含丰富的植被、水产、旅游等自然资源，使其成为极具吸引力的旅游目的地 [1-2]。热带海岛通常缺乏淡水资源，而河流是主要的淡水供应来源之一。同时，河流在热带海岛的生态系统支持、土壤肥力和农业支持、水运和交通以及生态旅游和休闲活动等方面扮演着重要的角色，维持生态系统的生态平衡和稳定性 [3]。

　　河流生境是河流生态系统的重要组成部分，为水生生物的生存和繁衍提供了场所 [4-5]。河流物理生境是河流生境的重要组成部分，是影响河流水生生物群落结构及其功能的河流物理结构特征。河流物理生境的改变也是水生态系统与水资源退化的主要胁迫因子之一，评价及改善物理生境已经成为目前河流水生态管理的重要手段 [6]。我国水生态环境管理正逐步从传统的水质管理向水生态管理转变，涉河违章建筑物清除、河流水域垃圾清理、水生态修复、入河排污口整治、非法采砂整治等诸多措施都是通过改善河流物理生境达到恢复河流面貌、提升水生态环境质量的目标 [7-8]。

　　国外在物理生境健康评价或者物理生境质量评价方面的研究相比国内较早 [9]。1989 年，美国基于河流藻类、水生附着动物、两栖动物、鱼类及栖息地等指标提出了快速生物监测协议 RBPs(Rapid Bio-assessment Protocols)[10]。1992 年，澳大利亚基于河流水文学、形态特征、河岸带状况、水质及水生生物 5 方面，构建了溪流状态指数(ISC，Index of Stream Condition)，将参照系统与河流现状进行比较并打分，在计分的基础上综合评价河流健康状况 [11]。1998 年，英国基于调查评价六大恢复标准即自然多样性、天然性、代表性、稀有性、物种丰富度及特殊特征，提出英国河流保护评价系统，来评价英国河流的健康状况 [12-13]。

　　国内自 20 世纪 90 年代开始重视生态保护和恢复在河流管理中的应用。2002 年，唐涛等 [14] 在《河流应用生态学报》上发表了《河流生态系统健康及其评价》，提出了河流健康评价方法的发展方向和我国应尽快开展的研究工作。随后健康黄河、健康长江、健康珠江等概念相继被提出 [5]。2005 年长江水利委员会提出健康长江评价指标体系和相关流域管理理念以来，各大流域机构陆续开展河流健康评价工作 [16-18]

　　近年来，我国开展的河流健康评估和相关研究工作中，物理生境监测评估多基于专家经验法在河岸带选取监测点位，布设样方，采用人工统计方法求得评价结果。受自然条件限制和人为主观因素双重影响，基于监测样方的地面监测无法兼顾代表性、便利性和安全性，很难全面准确地反映河流物理生境状况。其次，物理生境结构综合评价涉及内容广泛，所需数据繁多，人工统计方法在人力、效率、精确度和准确性等方面很难满足要求。遥感技术具有瞬时获取大范围地表信息的能力，数据客观、覆盖全面，可以准确对河流水面、河流形态、河岸带植被覆盖等大多数河流物理生境指标进行定量化描述分析。此外，热带海岛河流短小且多样，目前河流生境健康评价多针对大陆的大江大河，而对于热带海岛河流的生境健康研究相对匮乏。大陆河流生境健康评价指标的阈值设定并不适用热带岛屿河流。

　　海南岛位于热带，是我国典型具备热带海洋气候的岛屿，南渡江、昌化江和万泉河是海南岛最长的 3 条河流。南渡江、昌化江和万泉河三大流域特别是中部山区源头在历史上从未开展过全面的生态系统本底调查和河流物理生境健康评价。本研究基于遥感监测手段，以典型热带海岛河流为研究对象，以遥感解译评价指标代替人工点位以及样方调查，全面评估海南岛三大河流及主要支流的物理生境健康状况，为精准实施流域生态环境保护、治理工作提供数据支撑;为热带海岛水生态管理、水生态考核等相关评价标准的阈值设定提供参考。

　　2 研究区及数据

　　2.1 研究区

　　海南岛四面环海，是中国第二大岛，也是我国典型的热带岛屿。南渡江、昌化江以及万泉河是海南岛流域最长的 3 条河流，三大流域总面积约 15979km²，约占海南岛总面积的 46%。其中，南渡江流域是海南省重要经济区域，流域内年生产总值达 2985.64 亿元，占海南省的 56.24%，2019 年南渡江流域内人口为 537.06 万人，占海南省总人口的 56.85%。流域形态呈狭长形，平均宽度为 21km，总落差 703m，平均坡降 0.72%。昌化江流域位于海南岛西南部，为海南岛第二大河流，全长 243.49km，流域面积为 4990.00km²，平均坡降 1.39%，落差 1166m。万泉河地处海南省东南偏东部，发源于琼中县五指山风门岭，是海南省第三大河流，于琼海市博鳌港汇入南海，流域面积 3692.00km²，干流河长 178.14km，流域内 80.7% 的地域位于琼海市和琼中县境内。本研究选取海南岛南渡江、昌化江、万泉河三大干流以及三大流域范围内主要的支流共计 27 条河流为研究对象，按照海南省水务厅划定的流域分区，南渡江、昌化江分为上游、中游和下游各三段，万泉河分为上游和中下游两段。

　　2.2 数据源

　　2.2.1 遥感影像数据

　　遥感数据主要为高分辨率高分一号(GF1-PMS)、高分二号(GF2-PMS)、高分六号(GF6-PMS)、资源三号(ZY3-MUX、ZY3-AND、ZY3-TLC)以及局部区域无人机影像，影像空间分辨率为 0.5~2m。对影像进行正射校正、配准、融合等预处理，根据生态系统类型(森林、灌丛、草地、湿地、农田、城镇和其他)构建影像分类规则，通过影像分割和面向对象方法，对遥感影像进行分类，并进行目视解译，将分类结果与海南省 2020 年地理国情、野外调查数据进行对比分析和结果修正。

　　2.2.2 矢量数据

　　获取海南岛行政区划矢量、海南岛流域汇水区矢量、海南岛河流水系线矢量以及水库矢量，空间裁剪获取三大流域主要河流矢量，针对获得的现有矢量图进行基础数据修正，针对河流矢量存在的位置偏离、线段冗杂等误差参照控制影像进行修正，保证河流矢量的连通性与准确性。

　　2.2.3 现场调查数据

　　现场开展物理生境现状调查，获取调查点位的土地利用类型、沿岸侵蚀情况、岸线类型、岸边植被类型以及覆盖情况、河道特征以及人类干扰情况，共布设和调查了 160 个点位。调查点位附近河流岸边带土地利用类型以种植园用地、林地、交通运输用地以及水域及水利设施用地为主，种植园用地以槟榔种植为主。调查点位监测河段范围沿岸相对稳定，未发现侵蚀现象。

　　3 研究方法

　　3.1 评价指标体系构建及权重

　　结合海南省三大流域河流水文水资源及地理地貌等实际条件，按照科学性、相关性和可获取性等原则，采用层次分析法从生态结构、生态功能以及生态压力 3 个方面构建海南省三大流域主要河流物理生境健康评价指标体系。包括生态结构指数(B1)、生态功能指数(B2)和生态压力指数(B3)3 个一级指标 8 个二级指标。参照水利部试行的《河流健康评估指标、标准与方法》及大量相关文献研究 [19-21]，咨询相关专家，综合考虑各评价指标的重要性、贡献性，确定河流各评估指标的权重。

　　3.1.1 生态结构指数

　　拦河建筑物数据基于水务部门数据结合卫星影像进行更新，在对三大流域拦河建筑物类型进行整理和分析的基础上，结合相关资料和专家意见，确定了水电站、水闸以及坝 3 类拦河建筑物在不同阻隔特征下的阻隔系数。植被覆盖度、自然岸线率以实际值为得分值，采用百分制表示。植被平均斑块面积、景观破碎度、河道连通性值域期望值未知，难以对其实际数值进行比较分析。因此，对其进行量纲统一的标准化处理。

　　3.2 评价模型建立

　　通过对评价指标类型进行打分，然后基于其各自的权重值，利用加权求和得出评价总得分，进而综合反映河流的生境状况。

　　3.3 物理生境健康评价分级

　　参考国内一些河流研究分类方法，根据综合评价指数分值大小，将河流水生物理生境质量等级划分为 5 个等级，分别为理想状态、健康、亚健康、不健康和危险状态。

　　4 结果分析与讨论

　　4.1 流域生态系统类型分析

　　根据遥感影像解译结果，统计各生态系统类型面积比例。全流域以及南渡江流域、昌化江流域、万泉河流域均以森林和农田两类生态系统类型占比较大。全流域中农田生态系统占比最大，为 47.59%，其次为森林生态系统，占比 35.08%。农田生态系统是人类生产活动干预下形成的人工生态系统，也是海南岛生态系统面积占比大的生态系统。空间分布上，农田主要分布在全流域东部、西北部和西南部;森林主要分布在西部区域。

　　南渡江流域农田生态系统面积占比超过 50%，主要分布在中下游;森林生态系统仅占约 26%，主要分布在上游南渡江以南;灌丛和草地生态系统占比约 11%。万泉河流域农田生态系统面积占比超过 57%，主要分布在中下游;森林生态系统仅占约 27%，主要分布在上游万根据遥感影像解译结果，统计各生态系统类型面积比例。全流域以及南渡江流域、昌化江流域、万泉河流域均以森林和农田两类生态系统类型占比较大。全流域中农田生态系统占比最大，为 47.59%，其次为森林生态系统，占比 35.08%。农田生态系统是人类生产活动干预下形成的人工生态系统，也是海南岛生态系统面积占比 较大的生态系统。空间分布上，农田主要分布在全流域东部、西北部和西南部;森林主要分布在西部区域。

　　南渡江流域农田生态系统面积占比超过 50%，主要分布在中下游;森林生态系统仅占约 26%，主要分布在上游南渡江以南;灌丛和草地生态系统占比约 11%。万泉河流域农田生态系统面积占比超过 57%，主要分布在中下游;森林生态系统仅占约 27%，主要分布在上游万泉河发源地周边区域。全 流域中仅昌化江流域森林生态系统面积占比超过 50%，主要分布在上游、中游昌化江以北和下游昌 化江以东;农田生态系统占比约 34%，主要分布在 中游乐中水子流域以及下游昌化江入海口附近。

　　4.2 各支流生境现状评价

　　全流域各支流生境评价 8 个二级指标得分情况。全流域 32 个水体 (南渡江、昌化江各分为上 中下三段、万泉河分为上游和中下游两段) 河岸带 植被覆盖度除南渡江下游外均高于 60%，均值为 72.28%(C1)，各支流河岸带植被覆盖度总体较好。 河岸带植被覆盖度高于 80% 的河流主要包括南渡 江上游、南渡江中游、腰仔河、贤水、南绕河和定安 河。全流域各支流河岸带范围植被聚集度较差，植 被平均斑块面积均值得分较低 (C3)，生态结构不合 理。全流域 32 个水体自然岸线率整体不高 (C2)， 均值为 41.93%。自然岸线率高于 67% 的水体只要 两个，为昌化江流域南绕河 (84.51%) 和南渡江上游 段 (69.09%)。自然岸线率低于 20% 的河流有 8 条， 主要分布在南渡江流域中游以及万泉河流域中下 游区域，主要包括石滩河、西昌溪、加浪河、塔洋河、 沟门村水和文曲河等。

　　全流域河岸带污染阻滞功能相对较好，均值为 52.97 (C4)，但生物多样性维护功能较差，均值为 22.62 (C5)。南渡江流域南渡江上游、南渡江中游、巡崖河、岭后河以及昌化江流域昌化江上游、南巴 河、南绕河污染阻滞功能相对较好，万泉河流域各 支流污染阻滞功能较差。南渡江流域腰仔河、石滩河，昌化江流域乐中水以及万泉河流域加浪河、塔洋 河、文曲河、白石溪生物多样性维护功能较差，得分均低于 10。

　　全流域各支流河岸带范围受人为干扰活动较 强，均值为 50.72。主要为农业活动，以槟榔、橡胶等 经济林为主。昌化江中游、乐中水、加浪河、塔洋 河、沟门村水等支流受人为干扰程度较强。全流域 各支流河岸带范围景观破碎度均值为 72.77，其中龙 洲河、昌化江中游和塔洋河景观破碎度得分较低， 景观破碎化程度较高。全流域各支流连通性较好， 均值为 88.45，其中西昌溪和洋坡溪连通性相对 较低。

　　4.3 流域生境评价结果分析

　　根据各支流生境评价指标得分统计各汇水分 区生境评价指标结果。从生态结构指数来 看，南渡江流域和昌化江流域上游、中游、下游以及 万泉河流域上游、中下游共 8 个汇水区中，南渡江流 域上游生态结构分值最高，相对其他汇水区生态结 构更合理，万泉河流域中下游生态结构分值最低， 仅为 36.32。从空间分布上，各流域上游汇水区生态 结构指数得分要高于中下游。值得注意的是，南渡 江流域和昌化江流域，二者中游生态结构指数均低 于下游。

　　从生态功能指数来看，全流域生态功能指数得 分平均值为 37.63，生态功能总体不高。8 个汇水区 中，南渡江流域上游生态功能分值最高，相对其他 汇水区生态功能情况更理想，万泉河流域中下游生态功能分值最低，仅为 26.17。从空间分布上，各流 域上游汇水区生态功能指数得分要高于中下游。 同样值得注意的是，南渡江流域和昌化江流域，二 者中游生态功能指数均低于下游。

　　从生态压力指数来看，全流域生态压力指数得 分平均值为 66.73，全流域所面临的生态压力较大。 除万泉河流域生态压力指数得分低于 60，其他汇水 区得分相差不大。

　　4.4 各支流生境健康等级分析

　　全流域 32 个水体中生态健康评价结果处于理 想状态、健康状态、亚健康状态和不健康状态的占 比分别为 3.13%、9.38%、65.63% 和 21.88%，大部分水体处于亚健康状态，无危险状态的水体。 从空间分布上，处于理想状态水体为南 绕河，位于昌化江中游，也是全流域森林集中分布 区域;处于健康状态的水体包括南渡江上游段、南 渡江中游段和南巴河;处于不健康状态的水体主要 分布在万泉河流域中下游，包括加浪河、塔洋河、沟 门村水、文曲河、白石溪等支流。

　　通过对生境指标分析发现，全流域主要河流河 岸带植被覆盖度能达到 60% 以上，但以人工经济林 为主，森林植被层次不合理，树种单一，优势树种明 显，森林群落的自我循环功能较弱，并且缺乏自我 更新和再生的动力，森林系统不稳定，不能有效地 涵养水源，防治水土流失。随着人类开发利用活动不断增强，盲目建设和开垦，导致天然植被生态环 境遭到破坏。大规模的人工经济林结构较为单一 且稳定性较差，导致森林群落的垂直结构不均衡， 生物多样性遭到破坏。

　　5 结论

　　本研究基于遥感监测，结合海南热带岛屿河流 生态环境特点，构建了适用于海南岛的河流物理生 境健康评价指标体系，全面评价了海南岛三大流域 27 条主要河流的物理生境健康状况。结果表明： ①南渡江流域、昌化江流域、万泉河流域以及整个 流域均以森林和农田两类生态系统类型为主，且整 个流域农田生态系统占比最大。②整个流域河流 河岸带植被覆盖度整体上较高，达 70% 以上，以人 工经济林为主;主要受橡胶、槟榔等热带经济作物 种植的影响，自然岸线率整体不高，均值为 41.93%， 河岸带范围受人类活动影响较大。③整个流域 65% 以上的河流物理生境评价等级为亚健康状态; 20% 以上的河流物理生境评价等级为不健康状态， 主要分布在万泉河流域中下游，包括加浪河、塔洋 河、沟门村水、文曲河、白石溪等支流;河流物理生 境评价等级不存在危险等级状态的河段。本研究构建的研究方法以及研究结果可为海 南岛水生态监测与评价提供参考。

马字伟;穆晓东;韩涛涛;许积层;陈博伟,海南省环境科学研究院;中国环境科学研究院;中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室,202405