Science正刊重磅！库克大学利用百万幅Landsat影像揭示全球潮汐湿地高分辨率时空变化地图

GEE遥感训练营 · 公众号 · · 2025-03-06 21:54

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Murray N J, Worthington T A, Bunting P, et al. High-resolution mapping of losses and gains of Earth’s tidal wetlands[J]. Science, 2022, 376(6594): 744-749.

论文概要

潮汐湿地对人类社会具有重要价值，提供诸如碳存储与固碳、海岸防护及渔业资源提升等多种生态服务。然而，日益加剧的人类活动压力以及气候变化的影响正在深刻影响潮汐湿地及其组成部分——潮间带生态系统。尽管已有研究广泛报道潮汐湿地的丧失，但在局地尺度上，潮间带生态系统仍具有一定的环境适应能力，并可通过沉积物积累、向陆迁移及重新分布等机制扩展其覆盖范围。除了这些自然恢复过程，近年来，大规模的生态系统修复措施也逐步增强了潮汐湿地的恢复能力。尽管部分研究表明潮间带生态系统对环境变化具有较强的韧性，但目前尚不清楚潮汐湿地面积的增加在多大程度上抵消了其已知的损失。

此前的研究在回答这一问题时面临诸多限制，例如仅关注单一生态系统类型的制图，难以区分相邻潮间带生态系统之间的转换；缺乏全球范围内潮汐盐沼面积及其变化的统一数据；以及潮汐湿地变化的主要驱动因素仍存在较大不确定性。这些因素导致近年来潮汐湿地的变化趋势及其未来的持续性仍存在较大不确定性。本研究提供了一项整合性、全球一致的潮汐湿地分布及变化分析，涵盖了地球上的三种潮间带生态系统：潮滩（tidal flats）、潮汐盐沼（tidal marshes）和红树林（mangroves）（以下简称“潮汐湿地”）。在共存区域，这三种生态系统彼此高度相互作用，生物和物理过程之间形成复杂的反馈机制。本研究基于遥感数据，采用堆叠机器学习分类器对潮汐湿地的时空分布进行建模，检测其损失与增加的类型及时间，并评估在研究期间（1999-2019年）主导这些变化的驱动因素。研究数据通过融合来自 Landsat 5至8号卫星的1,166,385幅影像以及影响各生态系统分布的环境变量（如温度、坡度和高程）而获得。潮汐湿地的损失被定义为任何潮汐湿地生态系统在30米像素尺度上被非潮间带生态系统取代，而潮汐湿地的增加则定义为1999年尚未存在但后续新形成的潮汐湿地。研究进一步采用加权随机抽样方法，评估人类直接干预与间接因素（如海平面上升和自然海岸过程）在全球潮汐湿地损失与扩张中的相对贡献。

研究结果表明，截至2019年，全球潮汐湿地的总面积至少为354,600 km²（95%置信区间：244,800 - 363,900 km²）。潮汐湿地在全球海岸线分布不均，现存最大面积的连续潮汐湿地主要集中在亚马逊河三角洲、孟加拉湾北部、新几内亚和尼日尔三角洲，这些地区的红树林外围通常伴随广阔的潮滩。此前全球潮汐盐沼的面积估算主要基于空间数据汇编，但由于存在大面积的缺失，导致其覆盖范围被低估，限制了全球蓝碳储量的评估。本研究首次通过实证方法估算全球潮汐盐沼面积为90,800 km² ，该数据由全球潮汐湿地总面积（本研究测得的354,600 km²）减去红树林（135,900 km²）和潮滩（127,900 km²）的已知面积得出。本研究估算的潮汐盐沼面积占全球潮汐湿地总面积的25.6%，比之前报道的最低估算值55,000 km²高出65.1%。由于本研究方法在纬度60°N以北的区域受到限制，而这些地区已知存在潮汐盐沼和潮滩，因此这一修正值仍可能偏保守。在1999-2019年研究期间，潮汐湿地损失面积为13,700 km²（95%置信区间：-16,800 至 -8,200 km²），但新增潮汐湿地面积达9,700 km²（95%置信区间：+4,900 至 +15,700 km²），表明部分损失已被新增面积抵消。尽管全球潮汐湿地的地理分布存在显著差异，但许多区域呈现出损失与增加相互抵消的趋势。这一趋势在全球主要河流三角洲尤为显著，其中19.1%的潮汐湿地变化发生在河流三角洲，而这些区域仅占全球潮汐湿地总面积的7.5%。研究记录到潮汐湿地变化最显著的区域包括恒河-布拉马普特拉三角洲（1,070 km²）和亚马逊三角洲（730 km²），两者自1999年以来均表现出潮汐湿地面积的净增长（损失/增加比率分别为0.92和0.98）。部分三角洲的净扩张主要归因于流域森林砍伐导致的输沙量增加以及上游土壤侵蚀加剧。然而，本研究数据仍表明全球范围内三角洲潮汐湿地总体呈现净损失，尽管2,100 km²的新增潮汐湿地部分抵消了-2,300 km²的损失，显示这些系统的高度动态性。

潮汐湿地损失的主要驱动因素包括农业和水产养殖开发、城市扩张、堤坝及渠道改造引发的地貌变化，以及诸多间接因素，如海岸侵蚀、地面沉降、海平面上升、风暴破坏植被、污染和沉积物供应变化。在研究的三类潮间带生态系统中，潮滩的损失（7,000 km²，95%置信区间：4,200 - 8,600 km²）和新增面积（6,700 km²，95%置信区间：3,400 - 10,800 km²）均最高，占全球潮汐湿地变化总量的58.8%。潮滩的损失/增加比率为1.1，表明新增潮滩在全球范围内部分抵消了损失。相比之下，红树林的损失/增加比率最高（3.0），净减少3,700 km²（95%置信区间：-5,400 至 -2,100 km²），即使新增红树林1,800 km²（95%置信区间：+900 至 +3,000 km²），其损失仍远超恢复。潮汐盐沼的总变化最小，且损失/增加比率<1，表明其面积净增加100 km²（95%置信区间：0 至 +100 km²）。全球潮汐湿地净减少4,000 km²，其中74.1%发生在亚洲，主要集中在印度尼西亚（36%）、中国（20.6%）和缅甸（12%），表明东南亚红树林损失的严重性（14,18）。此外，非洲潮汐湿地损失/增加比率最高（1.6），尤其在尼日利亚、莫桑比克和几内亚比绍红树林退化最为严重。

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