Evaluation of Ecological Carrying Capacity and Identification of Its Influencing Factors Based on Remote Sensing and Geographic Information System: A Case Study of the Yellow River Basin in Shaanxi

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 11:23, 20 Δεκεμβρίου 2023

Εικόνα 1: H υπολογιστική διαδικασία για τον υπολογισμό του δυναμικού αριθμού ενός συγκεκριμένου τύπου χρήσης γης.

Εικόνα 2: Tροποποιημένο μοντέλο Carnegie–Ames–Stanford (CASA) για τον υπολογισμό της NPP βλάστησης.

Αξιολόγηση της οικολογικής χωρητικότητας και αναγνώριση των παραγόντων που την επηρεάζουν με βάση την τηλεπισκόπηση και τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών: Μια μελέτη για τη λεκάνη του Κίτρινου Ποταμού στο Shaanxi.

Συγγραφείς: Zhiyuan Zhu, Zhikun Mei, Shilin Li, Guangxin Ren and Yongzhong Feng

Πηγή: https://www.mdpi.com/2073-445X/11/7/1080

Εισαγωγή

Η μελέτη επικεντρώνεται στη σημασία του οικολογικού περιβάλλοντος ως θεμέλιο της ανθρώπινης ύπαρξης και της κοινωνικής ανάπτυξης. Με την αυξανόμενη απειλή για το περιβάλλον λόγω της εκβιομηχάνισης και αστικοποίησης, επισημαίνεται η ανάγκη για μια βιώσιμη ανάπτυξη. Οι Στόχοι της Βιώσιμης Ανάπτυξης (SDGs) αναδεικνύονται ως παγκόσμια προσπάθεια για την προστασία και την αειφόρο χρήση των φυσικών πόρων. Επιπλέον η έννοια της οικολογικής φέρουσας ικανότητας (ECC) και η σημασία της χρησιμοποιούνται σε διάφορους επιστημονικούς τομείς. Η ECC εξετάζει την παραγωγική ικανότητα της γης συνδέοντας την με την οικονομία, την κοινωνία και την τεχνολογία. Η μέθοδος του οικολογικού αποτυπώματος χρησιμοποιείται ευρέως στη μελέτη του ECC, αναδεικνύοντας την επίδραση των φυσικών, οικονομικών και κοινωνικών συστημάτων σε αυτό. Η μέθοδος οικολογικού αποτυπώματος, που αναπτύχθηκε από τον Rees, ταξινομεί τη βιολογικά παραγωγική γη σε έξι μεγάλες κατηγορίες με βάση τις διαφορές στην παραγωγικότητα(νερό, αστικός ιστός, δάση, ορυκτά, έδαφος, γρασίδι) που αντιπροσωπεύουν έξι χρήσεις γης. Η μέθοδος χρησιμοποιεί παράγοντες απόδοσης και ισορροπίας για την αξιολόγηση των διαφόρων τύπων γης, μετατρέποντας τους σε μια κοινή μονάδα "παγκόσμιου εκταρίου (gha)" για σύγκριση. Παρά την χρησιμότητα αυτής της μεθόδου, επισημαίνονται προκλήσεις, όπως η ανάγκη βελτίωσης της διαδικασίας υπολογισμού του συντελεστή μετατροπής της ECC. Επίσης, η έλλειψη αξιόπιστων στατιστικών και εμπειρικών δεδομένων από εγχώριες μελέτες μπορεί να επηρεάσει την ακρίβεια της αξιολόγησης του οικοσυστήματος. Συνεπώς, επισημαίνεται η ανάγκη για βελτίωση του μοντέλου οικολογικού αποτυπώματος για να είναι πιο αξιόπιστο και αποτελεσματικό ως εργαλείο αξιολόγησης οικοσυστημάτων.

Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται κυρίως στη βελτίωση του μοντέλου ECC και στην ανάλυση των χωροχρονικών αλλαγών και των κινητήριων δυνάμεων. Επιπλέον, η έρευνα σχετικά με την ECC έχει επεκταθεί και σε άλλα πεδία. Οι μελέτες βασίζονται σε στατιστικά δεδομένα, αλλά η ακρίβεια των χωροχρονικών αλλαγών της περιφερειακής ECC παραμένει πρόκληση. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η πρόκληση, προτείνεται η χρήση γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) και τηλεπισκόπησης (RS). Αυτά τα εργαλεία παρέχουν ισχυρή υποστήριξη για τη μελέτη της ECC, καθιστώντας τα αποτελέσματα πιο ισχυρά με ακριβή χωροχρονικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, η χρήση GIS και RS παρέχει άφθονα δεδομένα, βοηθώντας στην υπολογιστική ακρίβεια των παραμέτρων της ECC, όπως οι συντελεστές ισορροπίας και απόδοσης. Συνολικά, η χρήση προηγμένων τεχνολογιών, όπως GIS και RS, ενισχύει την ικανότητα ανάλυσης του ECC, καθιστώντας την πιο αξιόπιστη και αποτελεσματική ως εργαλείο για τη μελέτη των οικοσυστημάτων. Στην μελέτη αυτή εξετάζονται οι μέθοδοι αξιολόγησης της οικολογικής κατάστασης της λεκάνης απορροής του Κίτρινου Ποταμού στην Κίνα, με σκοπό την παροχή προτάσεων για την οικολογική προστασία και την ποιοτική ανάπτυξη της περιοχής. Η έρευνα χρησιμοποιεί δεδομένα τηλεπισκόπησης (RS) και τεχνολογίας γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) για να αξιολογήσει την εξέλιξη του Οικολογικού Αποτυπώματος (ECC) στη λεκάνη του Κίτρινου Ποταμού και να εξερευνήσει τους κινητήριους παράγοντες που τον επηρεάζουν. Τα αποτελέσματα αναμένεται να έχουν σημαντική θεωρητική και πρακτική σημασία για την οικολογική αποκατάσταση και τη βιώσιμη ανάπτυξη της περιοχής. Η μελέτη αυτή μπορεί να χρησιμεύσει ως αναφορά για παρόμοιες έρευνες σε άλλες περιοχές. Επιπλέον, πρόκειται για την πρώτη προσπάθεια ενσωμάτωσης μοντέλων τηλεπισκόπησης και γεωγραφικών ανιχνευτών για τη μελέτη της ECC, ξεπερνώντας τους περιορισμούς παραδοσιακών μεθόδων. Η μεθοδολογία αυτή θέτει τα θεμέλια για τη διεξαγωγή μελετών μεγάλης κλίμακας, χρησιμοποιώντας χωρικά δεδομένα και ανάλυση.

Υλικά & Μέθοδοι

Περιοχή μελέτης : Η έρευνα επικεντρώνεται στη μέθοδο οικολογικού αποτυπώματος (ECC) για τη βιοφυσική αξιολόγηση του περιβάλλοντος, με έμφαση στη λεκάνη του Κίτρινου Ποταμού στο Shaanxi στη Κίνα. Η ECC ταξινομεί τη γη σε έξι κατηγορίες, αντιπροσωπεύοντας διάφορες χρήσεις. Ο Wachernagel χρησιμοποίησε παράγοντες απόδοσης και ισορροπίας για υπολογισμό της ECC, ενώ η έρευνα επικεντρώνεται στη βελτίωση του μοντέλου ECC και τη χρήση συστημάτων γεωγραφικών πληροφοριών (GIS) και τηλεπισκόπησης (RS) για πιο ακριβείς αξιολογήσεις. Η περιοχή Shaanxi αποτελεί σημαντική περιοχή οικολογικής διαχείρισης, με προκλήσεις όπως η μετατροπή καλλιεργήσιμης γης και η ρύπανση των ποταμών. Η μελέτη αποσκοπεί στην αξιολόγηση του ECC, εξετάζοντας τις χωροχρονικές αλλαγές και τους κινητήριους παράγοντες, προτείνοντας προσεγγίσεις για την οικολογική προστασία και την ποιοτική ανάπτυξη στην περιοχή.

Μεθοδολογία

Στη μελέτη, αναπτύχθηκε μια μέθοδος υπολογισμού του Οικολογικού Αποτυπώματος (ECC) με χρήση δεδομένων Τηλεπισκόπησης (RS) και Γεωγραφικά συστήματα πληροφοριών (GIS), εστιάζοντας στην εκτίμηση της καθαρής πρωτογενούς παραγωγή (NPP). Η μέθοδος χρησιμοποίησε ένα μοντέλο βασισμένο στην προσέγγιση Carnegie–Ames–Stanford (CASA) για τον υπολογισμό της NPP. Η NPP κάθε τύπου γης χρησιμοποιήθηκε ως δείκτης για την αξιολόγηση της παραγωγικότητας, με τους παράγοντες ισορροπίας και απόδοσης να υπολογίζονται. Στη συνέχεια, υπολογίστηκε η ECC της λεκάνης απορροής, με τις ικανότητες κάθε τύπου γης. Η λειτουργία χωρικής ανάλυσης του GIS χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της χωρικής ετερογένειας της ECC. Τέλος, το μοντέλο του γεωγραφικού ανιχνευτή χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση των παραγόντων που επηρεάζουν την ECC. Η Καθαρή Πρωτογενής Παραγωγή (NPP) αντιπροσωπεύει την ετήσια παραγωγή βιομάζας από τα φυτά μέσω της ηλιακής φωτοσύνθεσης, αποτελώντας τη βάση για τη ζωή, την ανάπτυξη και την αναπαραγωγή όλων των οργανισμών στη Γη. Η NPP αντικατοπτρίζει την παραγωγική ικανότητα των φυτικών κοινοτήτων υπό φυσικές συνθήκες. Η μελέτη χρησιμοποίησε το τροποποιημένο μοντέλο Carnegie–Ames–Stanford (CASA) για τον υπολογισμό της NPP βλάστησης, όπως περιγράφηκε από τους Wen et al., χρησιμοποιώντας τους τύπους της εικόνας2 όπου NPP(x,t) - συσσωρευμένη ολική οργανική ύλη φυτών σε pixel x τον μήνα t, APAR(x,t) – αποτελεσματική φωτοσυνθετική ακτινοβολία που απορροφάται σε pixel x κατά το χρόνο t, e(x,t) - πραγματική χρήση φωτός των φυτών σε pixel x κατά χρόνο t. SOL(x,t) – συνολική ηλιακή ακτινοβολία , FPAR(x,t) – αναλογία αποτελεσματικής φωτοσυνθετικής ακτινοβολίας που απορροφάται από την βλάστηση. Τε1(x,t) & Τε2(x,t) είναι οι συντελεστές επιρροής της τάσης χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας , Wε(x,t) – συντελεστής επίδρασης υδάτινου στρες και εμεγιστη- μέγιστο ποσοστό χρήσης φωτεινής ενέργειας υπό ιδανική κατάσταση

Αξιολόγηση ECC

Οι συντελεστές απόδοσης χρησιμοποιήθηκαν λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές εκροές βιολογικής παραγωγής σε διάφορες περιοχές. Παρότι το σφάλμα στον υπολογισμό της βιολογικής παραγωγής του φυσικού συστήματος είναι μεγάλο, ο συντελεστής απόδοσης που χρησιμοποιείται εδώ είναι ο λόγος του NPP ενός συγκεκριμένου τύπου χρήσης γης σε ολόκληρη τη λεκάνη προς αυτόν του NPP σε ολόκληρη τη χώρα. Αυτό αντικατοπτρίζει καλύτερα τον περιφερειακό χαρακτήρα της βιολογικής παραγωγής του φυσικού συστήματος. Ο συντελεστής ισορροπίας υπολογίστηκε διαιρώντας το NPP ενός συγκεκριμένου τύπου οργανισμού στη λεκάνη με το μέσο NPP όλων των τύπων γης στη λεκάνη. Ο δυναμικός βαθμός χρήσης γης αποτελεί έναν κρίσιμο δείκτη που ποσοτικά αντικατοπτρίζει τον ρυθμό αλλαγής στη χρήση της γης σε συγκεκριμένη περίοδο. Αυτός ο δείκτης διακρίνει τη διαφορά χρήσεων γης μεταξύ διάφορων περιοχών και επιτρέπει την πρόβλεψη της μελλοντικής τάσης στις χρήσεις γης μιας περιοχής. Συγκεκριμένα, περιλαμβάνει τον ενιαίο δυναμικό βαθμό χρήσης γης και τον συνολικό δυναμικό βαθμό χρήσης γης. Ο ενιαίος δυναμικός βαθμός αναφέρεται στον ρυθμό μεταβολής της χρήσης γης για έναν συγκεκριμένο τύπο γης, ενώ ο συνολικός δυναμικός βαθμός καταγράφει τη συνολική τάση αλλαγής χρήσεων γης σε μια περιοχή. Η υπολογιστική διαδικασία περιγράφεται με τους τύπους στην εικόνα2. K είναι ο δυναμικός βαθμός ενός συγκεκριμένου τύπου χρήσης γης κατά την ερευνητική περίοδο , Um και Un είναι οι περιοχές του τύπου χρήσης γης στην περιοχή μελέτης στην αρχή και στο τέλος μιας ορισμένης περιόδου, T είναι η ερευνητική περίοδος , S ο συνολικός δυναμικός βαθμός γης κατά την περίοδο μελέτης, Si−j το συνολικό εμβαδόν του i είναι η ερευνητική περίοδος, T είναι η αρχική περιοχή (μονάδα: ha); και iS (μονάδα: εκτάρια). T-τύπος χρήσης γης που μετατράπηκε σε άλλους τύπους χρήσης γης στην περίοδο μελέτης. Το μοντέλο γεωγραφικού ανιχνευτή αναπτύχθηκε ως στατιστική μέθοδος για την ανάλυση της χωρικής ετερογένειας σε γεωγραφικά φαινόμενα. Χρησιμοποιεί διάφορους υπο-ανιχνευτές για παράγοντες, κινδύνους, αλληλεπίδραση και οικολογική ανίχνευση. Στη συγκεκριμένη μελέτη, επικεντρώνεται κυρίως στην ανίχνευση παραγόντων και αλληλεπίδρασης, διερευνώντας τη σχέση μεταξύ μεταβλητών και αναλύοντας την χωρική ετερογένεια. Η ανίχνευση παραγόντων χρησιμοποιείται στην έρευνα για τον προσδιορισμό των κυρίαρχων παραγόντων. Ο ανιχνευτής παραγόντων υπολογίζει την τιμή q κάθε παράγοντα και ποσοτικοποιεί τη χωρική διακύμανση που εξηγείται από κάθε παράγοντα. Η ανίχνευση της αλληλεπίδρασης χρησιμοποιήθηκε για να καθοριστεί εάν η αλληλεπίδραση των ανεξάρτητων μεταβλητών Xm και Xn θα ενισχύσει ή θα αποδυναμώσει την εξήγηση της εξαρτημένης μεταβλητής Y, ή εάν τα αποτελέσματα αυτών των ανεξάρτητων μεταβλητών στην εξαρτημένη μεταβλητή Y είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Η συγκεκριμένη μέθοδος μέτρησης είναι η εξής. Υπολογίζουμε την επεξηγηματική ισχύ q(X1) και q(X2) των δύο ανεξάρτητων μεταβλητών στην εξαρτημένη μεταβλητή Y. Δεύτερον, υπολογίζουμε την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο ανεξάρτητων μεταβλητών και την επεξηγηματική ισχύ q(X1∩X2) της εξαρτημένης μεταβλητής Y. Τρίτον, συγκρίνουμε το μέγεθος των τριών αποτελεσμάτων υπολογισμού και κρίνουμε εάν η επίδραση της αλληλεπίδρασης των δύο παραγόντων στην εξαρτημένη μεταβλητή ενισχύεται ή αποδυναμώνεται σε σχέση με έναν μόνο παράγοντα. Σε συνδυασμό με άλλους παράγοντες όπως ο καιρός, η τοπογραφία, το έδαφος και οι κοινωνικοοικονομικές μεταβλητές, επιλέχθηκαν 11 αντιπροσωπευτικοί δείκτες ως κινητήριοι παράγοντες. Αυτοί οι παράγοντες μπορούν να εξηγήσουν καλύτερα τις δυνάμεις που οδηγούν την ECC σε διαφορετικά επίπεδα. Επιπλέον, αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί επίσης δείκτες νυχτερινού φωτός ως μέτρο για να αντικατοπτρίζει το επίπεδο της αστικής ανάπτυξης. Ανάλογα με το μέγεθος της περιοχής μελέτης, δημιουργήθηκε ένα πλέγμα 5 × 5 km για αταξινομημένα δεδομένα και εξήχθη η τιμή pixel του κεντρικού σημείου του πλέγματος.

Πηγές δεδομένων

Δεδομένα τηλεπισκόπησης : Για χρήσεις γης από GlobeLand30 με χωρική ανάλυση 30m, τα έτη 2000, 2010, 2020. Για τη βλάστηση από το επιστημονικό κέντρο δεδομένων της Κινέζικης ακαδημίας επιστημών. Για τον NDVI από MOD13Q1,MODIS (NASA) για 16 ημέρες με χωρική ανάλυση 250m και τα δεδομένα νυχτερινού φωτός ελήφθησαν από τα προϊόντα της National Polar-Orbiting Partnership Visible and Infrared Imager/Radiometer Suite. Μετεωρολογικά στοιχεία από τους σταθμούς Shaanxi και επαρχιών. Άλλα χωρικά δεδομένα από κέντρο περιβαλλοντικών δεδομένων πόρων της κινέζικης ακαδημίας επιστημών.

Αποτελέσματα

Από το 2000 έως το 2010, οι εκτάσεις δασών, θάμνων, τεχνητού εδάφους και γυμνών εκτάσεων αυξήθηκαν, οι εκτάσεις της καλλιεργούμενης γης, των λιβαδιών, των υγροτόπων και των υδάτινων σωμάτων μειώθηκαν και η έκταση των βοσκοτόπων μειώθηκε με ετήσιο ρυθμό 0,12%. Από το 2010 έως το 2020, οι εκτάσεις των ανθρωπογενών επιφανειών και υδάτινων σωμάτων αυξήθηκαν ενώ η μεγαλύτερη αύξηση σημειώθηκε στην ανθρωπογενή επιφάνεια από 3,13% το 2010 σε 4,38% το 2020 με ετήσιο ρυθμό αύξησης 3,41%. Συνολικά, η NPP της λεκάνης απορροής του κίτρινου ποταμού αυξήθηκε σταθερά τα τελευταία 20 χρόνια. Ωστόσο, σε σύγκριση με τον εθνικό μέσο όρο, η παραγωγικότητα της βλάστησης είναι χαμηλή. Η ECC καλλιεργούμενης γης αυξάνεται από βορρά προς νότο. Η ECC της καλλιεργούμενης γης παρουσίασε μια τάση αρχικά μείωσης και μετά αύξησης τα τελευταία 20 χρόνια. Αξίζει να αναφέρουμε ότι έχουμε μελετήσει τη μεταβαλλόμενη τάση του ECC του YRBS τα τελευταία 20 χρόνια. Διαπιστώσαμε ότι η βλάστηση του YRBS έχει ανακάμψει σημαντικά και οι προσπάθειες για την κατασκευή του οικολογικού περιβάλλοντος έχουν επιτύχει αξιοσημείωτα αποτελέσματα. Ωστόσο, η περιοχή μελέτης έχει ένα σχετικά εύθραυστο οικολογικό περιβάλλον, το οποίο μπορεί να επιδεινωθεί όταν η αξία των οικολογικών υπηρεσιών που εφαρμόζονται σε αυτήν είναι ανεπαρκής για τη διατήρηση του συστήματος. Στο πλαίσιο της υπερθέρμανσης του πλανήτη, τα ακραία καιρικά φαινόμενα όπως ξηρασίες, βροχοπτώσεις και πλημμύρες έχουν ενταθεί και ως εκ τούτου είναι δύσκολο να διατηρηθεί μια σταθερή περιφερειακή βλάστηση. Με την οικονομική ανάπτυξη, η ζήτηση νερού για αγροτικές, βιομηχανικές και αστικές οικιακές ανάγκες αυξάνεται και η αντίφαση μεταξύ της περιφερειακής προσφοράς και ζήτησης νερού θα γίνει πιο εμφανής. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να ενισχυθεί η αξιολόγηση του αντίκτυπου της κλιματικής αλλαγής στους περιφερειακούς υδάτινους πόρους και να βελτιωθούν οι δυνατότητες απόκρισης βασικών λειτουργικών περιοχών, περιοχών αποκατάστασης και διαχείρισης για την κάλυψη των αναγκών μιας οικολογικά υγιούς περιφερειακής ανάπτυξης υψηλής ποιότητας.

Συμπεράσματα

Η περιοχή YRBS αποτελεί μια οικολογικά ευαίσθητη περιοχή στην ημίξηρη περιοχή της Κίνας. Η έρευνα αυτή χρησιμοποίησε μια σειρά χωρικών μεθόδων για τη μελέτη της οικολογικής φέρουσας ικανότητας και ενσωμάτωσε τεχνολογίες RS και GIS. Το οικολογικό αποτύπωμα της NPP της βλάστησης χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του οικολογικού αποτυπώματος (ECC), ενώ γεωγραφικοί ανιχνευτές εξετάστηκαν για τη μελέτη των κινητήριων παραγόντων. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές μεταβολές στο ECC του YRBS από το 2000 έως το 2020, επηρεαζόμενο από τη βροχόπτωση. Η επίδραση των ανθρώπινων δραστηριοτήτων στο ECC αυξήθηκε σημαντικά τα τελευταία 20 χρόνια. Τα ευρήματα αυτά προσφέρουν πληροφορίες για την οικολογική αποκατάσταση και βιώσιμη ανάπτυξη στο YRBS, ενισχύοντας τις επιστημονικές και πολιτικές προσεγγίσεις για τη διαχείριση της περιοχής. Πιθανές μελλοντικές έρευνες μπορούν να επεκταθούν σε εθνικό και παγκόσμιο επίπεδο, ενσωματώνοντας κοινωνικοοικονομικούς παράγοντες για πιο ολοκληρωμένη κατανόηση της σχέσης μεταξύ ανθρώπου και περιβάλλοντος, ιδίως σε περιοχές που υφίστανται αστικοποίηση.