中国东南沿海红树林湿地的生态评估与智慧监测体系_李阳.pdf

第 30 卷第 2 期2023 年 4 月海南热带海洋学院学报Journal of Hainan Tropical Ocean UniversityVol 30 No 2Apr 2023收稿日期:2022 10 20第一作者:李阳，女，黑龙江哈尔滨人，工程师，硕士，研究方向为生态系统保护与修复、生态系统智慧评估通信作者:王洪达，男，黑龙江大庆人，高级工程师，博士，研究方向为生态系统保护与修复、生态系统智慧评估。中国东南沿海红树林湿地的生态评估与智慧监测体系李阳，王洪达，李冰心，谷阳，姜亚璇(北京正和恒基滨水生态环境治理股份有限公司，北京 100084)摘要:基于物联网、大数据等信息化技术，在广州市灵山岛尖红树林湿地建立了红树林监测体系，通过现场调查、定期自动监测、视频监控、遥感监测等多种手段，全面收集了灵山岛尖的环境数据及红树林生长生境条件数据并形成了红树林生态数据库。建立并完善了中国东南沿海红树林湿地的生态评估体系，利用层次分析法分析了灵山岛尖红树林退化的关键要素，经过计算处理、对比分析及搭建的智能化红树林生态评估模型评估，自动评估红树林生态健康状况并给出应对策略。结果表明:灵山岛尖红树林湿地健康状况较好，侧面反映了生态提升工程建设效果良好。后续保护管理策略应以维持现有生态环境条件为主。关键词:红树林;湿地;智慧监测体系;生态评估;层次分析法中图分类号:X835文献标识码:A文章编号:2096 3122(2023)02 0032 09DOI:10 13307/j issn 2096 3122 2023 02 050引言红树林主要分布在热带和亚热带地区，在介于高潮线和低潮线之间的潮间带地区生长，以真红树及半红树植物组成的植物群落1 57。红树林被誉为“海岸卫士”“海洋绿肺”“消浪先锋”，在海岸带防风消浪、调节气候、防灾减灾、净化水体、促淤保滩、保护生物多样性、固岸护堤等多个方面扮演着重要角色。红树林还是极为活跃的碳库，是全球固碳量第二大的生态系统，固碳能力是热带雨林的 5 倍，陆地森林的 40倍2，储碳周期可达数千年3。中国的红树林面积约为 24 578 hm2，主要分布在广东、广西、海南、台湾及福建等地4 782。但因外来物种入侵、管理技术手段不足、自然恢复及人工恢复速度慢等诸多不利因素，中国红树林的生境退化现象严重，群落类型日益减少，红树林湿地各项生态功能逐步减退5。尽管在 21 世纪初，我国已通过多区域植树复绿和生态修复，初步遏制了红树林区域骤减的态势，但随着海平面上升、水体酸化及海岸带开发利用等，红树林的生存仍面临严峻挑战。红树林湿地的修复是我国生态建设主要构成部分，也是评估我国海岸生态保护与文明建设效果的重要标准。伴随着“蓝色海湾”等多项综合整治行动实施，中国经历了红树林生态恢复的新浪潮，湿地红树林的保护、恢复、开发和利用也成了当前生态环境治理的重中之重。近年来，随着物联网、遥感(RS)、大数据、人工智能(AI)、卫星定位(GPS)、地理信息系统(GIS)等技术的成熟和发展，越来越多先进的信息技术在红树林湿地保护与修复领域得到了推广和应用6 14。因此，构建一整套红树林湿地的生态评估与智慧监测体系的条件已经基本成熟，加强红树林保护与恢复势在必行。1 研究现状广州市最南端的南沙区红树物种较为丰富，已有 12 科 16 种，其中:真红树物种有 6 科 8 种、半红树物种有 7 科 8 种，种类主要以无瓣海桑(Sonneratia apetala buchanan-hamilton)、桐花树 Aegiceras corniculatum23李阳等:中国东南沿海红树林湿地的生态评估与智慧监测体系2023 年第 2 期(L)Blanco、老鼠簕(Acanthus ilicifolius L Sp)为主要物种15 159。红树林兼有自然生长和人工种植，总面积约为 83 20 hm2。其中，被称为南沙区“绿色生态示范区”的灵山岛尖是红树林湿地集中分布区域之一。这里的红树以人工成片种植为主，主要有木榄 Bruguiera gymnorhiza(Linnaeus)Savigny、桐花树 Aegicerascorniculatum(L)Blanco、秋茄 Kandelia candel(Linn)Druce/Kandelia obovata、老鼠簕(Acanthus ilicifo-lius L Sp)、草海桐 Scaevola taccada(Gaertner)Roxburgh、苦郎树 Clerodendrum inerme(L)Gaertn 、阔苞菊 Pluchea indica(L)Less 等，种植面积约 2 75 hm2。灵山岛尖红树林湿地是我国华南地区得天独厚的生态资源，在发挥生态服务价值及应对全球气候变化具有较强的敏感性，也具有天然屏障的生态属性，也被称为“海岸警卫队”。灵山岛尖红树林湿地不仅可增加碳汇，更能减缓局部区域气候变化，助力灵山岛尖打造低碳城区，提早实现“双碳”目标。近年来，灵山岛尖及周边区域经济的快速发展导致红树林生长环境不断被蚕食，恶劣的环境及外来物种无瓣海桑(Sonneratia apetala buchanan-hamilton)的入侵严重影响着红树物种的健康生长，迫切需要对红树林湿地开展即时监测与评估，及时准确地掌握红树林湿地的健康状况及生态安全。广州市南沙区灵山岛尖红树林湿地生态评估与智慧监测体系的构建弥补了现阶段红树林智慧化评估的缺失，推动了红树林湿地智慧管理。智慧监测体系采集的信息可用于后续评估体系，并作为后续评估体系的数据基础，自评估结果又可佐证监测体系的科学性，完善了监测和评估体系路径流程。应用红树林生态评估与智慧监测体系，可对灵山岛尖的红树林湿地内的生态资源(如，植被、动物等)进行长时间序列动态变化跟踪监测，获取红树林生态评估数据底座，简化运算处理过程，加快同步展示速率，利于全面掌握红树林生长及生境条件的动态变化情况。基于红树林湿地大数据、监测物联网、人工智能等信息化技术，构建红树林生态评估与智慧监测体系，为广州市乃至我国沿海地区的红树林湿地资源的系统修复及生物多样性的合理保护提供了全面、系统、科学的技术支撑与实践指导，实现对红树林湿地系统的科学保护管理。2 红树林智慧监测技术研究2 1 建设思路为了保护红树林湿地生态系统，进行红树林湿地智慧监测技术的研究，对实时掌握红树林湿地生态系统的变化情况具有重要意义。由于红树林生长带敏感程度不同，在被破坏的红树林生境中，研究发现极端天气影响、海平面上升、高盐、有效养分含量低、生物多样性的丧失是影响红树林退化的重要因素16。由于涨落潮、淤泥等地理气候因素导致红树林湿地实时调查难、周期长、工作量大、时效性差17。针对上述问题，本项目建设了广州市灵山岛尖红树林湿地的生态智慧监测系统，采取多样化的监测方式，通过自动监测设备、物联网、遥感影像识别、视频监控等多种监测手段，全面采集灵山岛尖红树林生态系统的相关数据，实现水文水质、大气环境、气象、生物多样性的实时动态监测，为灵山岛尖的红树林湿地生态系统保护与岸线管理维护提供科学决策依据，为后续定量评估红树林退化状况提供基础数据。2 2 体系功能基于大数据、人工智能、物联网等多项信息化技术，通过水质、气象、水文、生态等多种监测设备的接入，构建广州市灵山岛尖红树林湿地智慧监测体系(图 1)。该体系可实时原位、全天候、长时序的监测区域环境动态变化过程，可支撑智慧管理、污染物溯源、生态演替、预警预报、防灾减灾等方面的日常工作与科学研究。通过广州市灵山岛尖红树林湿地智慧监测体系的建设，实现对红树林湿地相关数据的综合管理与应用，实现数据查询与展示、趋势分析、对比分析等功能。33第 30 卷第 2 期海南热带海洋学院学报监测层水文水质大气气象视频监控生态监测传输层监控平台信息发布层监控预警设备多媒体信息设备后台管理设备服务器处理单元客户端传输通道图 1广州市灵山岛尖红树林湿地智慧监测体系架构2 3 建设内容2 3 1 水文水质监测根据 红树林生态监测技术规程(HY/T0812005)、海水水质标准(GB 30971997)的要求，结合红树林环境污染状况，利用多参数水质监测仪和水文监测设备对广州市灵山岛尖红树林湿地的水文水质进行实时监测。智慧监测体系实现红树林湿地的水质参数(pH、DO、NH3-N、TP 等)和水文要素(水位、水温、盐度等)数据的查询与展示、趋势分析、对比分析功能，同时利用 GIS 手段，将水文水质监测设备的位置以图表的形式展示。2 3 2 气象监测气象监测体系实现与气象局气象数据的自动接入，接入的数据类型包括气温、湿度、降水量、风速、风向、日照等，以及大风、寒害、暴雨、干旱等气象灾害预报数据。体系可以显示广州市灵山岛尖海岸的各种国家海洋监测点位和数据，包括潮汐、潮流、空气质量、风速风向、相对湿度、降雨量、风暴潮等信息。体系界面融合了 GIS 工具包，支持范围放大与缩小、测量距离、测量面积、选取区域等常用的 GIS 功能，还支持历史数据的拖动查询，方便用户调取历史数据。2 3 3 大气环境质量监测大气环境质量监测体系实现了与环保部门相关数据的自动接入，接入的数据类型包括 PM2 5、PM10、O3、NO2等污染指标的小时数据，以及当日的空气质量指数等。通过这些数据，可实时了解广州市灵山岛尖红树林湿地的空气质量情况。2 3 4 生态监测在红树林病虫害高发区域、外来物种引种区域、鸟类活动栖息地、人为活动频繁区域等重点区域安装视频监控摄像头，包括普通摄像头、热成像球型摄像机、野生动物抓拍专用摄像机等，实时获取视频监控数据。生态监测体系可实现鸟类与野生动物的高清红外夜视监控、红树林病虫害监控、外来物种监控等，同时采用基于深度学习的人工智能分析方法，监控自动分析识别红树林病虫害、外来物种入侵、鸟类活动、人为干扰和破坏等行为，还可实现动态预警。2 3 5 遥感监测利用高空间分辨率影像，基于深度学习的图像识别技术，实现遥感影像的自动识别，可识别病虫害、寒害、红树林分布现状、红树林面积变化、外来物种入侵，以及垃圾倾倒、违建、砍伐等违法行为。通过遥感对红树林湿地进行长期动态变化跟踪监测，实现对红树林湿地状态及其变化情况的全面掌握，为广州南沙灵山岛尖红树林湿地的生态修复和生物多样性保护提供科学依据。2 4 系统应用广州南沙灵山岛尖红树林智慧监测系统创新性地将日常管理、定期自动监测、视频监控、遥感监测等多种手段及多项新型生态环境监测设备连接整合为统一体系，图像数据互相联通，形成灵山岛尖红树林湿43李阳等:中国东南沿海红树林湿地的生态评估与智慧监测体系2023 年第 2 期地生态环境监测物联网。实现实时数据采集及红树林生态环境、病虫害和外来物种状况分析，构建一套灵山岛尖红树林湿地智慧监测体系，实现红树林湿地保护管理的数字化和智能化。3 红树林生态评估体系分析3 1 评估目的为最大程度实现红树林的生态资源保护和动态可持续管理，通过建立红树林生态评估体系，以全面了解红树林在环境条件变化下的生长健康状态，进而维持并持续发挥红树林防风护岸、碳汇固定等生态功能。因此，红树林生态评估主要目的是定量化红树林生态系统的理想健康状态值，进而判断现状红树林的健康水平，形成科学合理的保护和修复策略18 83。基于广州灵山岛尖红树林湿地项目，结合智慧监测体系所获取的红树林生长数据、生境状态数据、红树林范围及种类数据等，建立一套适用于场地尺度的可定性、定量化评估红树林健康状况的智慧评估体系，为动态跟踪与评估红树林的生态状况、量化红树林的生态服务功能价值提供科学支撑。3 2 数据来源红树林生态评估体系所需要监测的数据来源于大数据抓取的政府数据或者专业设备监测采集，根据应用场景和现状条件选择合适测量精度的设备仪器(表 1)，以满足数据范围限定。表 1红树林智慧监测设备序号数据来源监测指标1水质监测仪水温、盐度、水深、pH 值、溶解氧、浊度、氨氮2气象监测设备气温、湿度、降水量、风速、风向、日照、气象灾害预报数据3空气监测站PM2 5、PM10、O3、