基于Juniperus conferta指示种与历史土地覆被变化及UAV-LiDAR微地形的海岸沙丘生态系统退化评估

《Environmental and Sustainability Indicators》：Indicator-based assessment of coastal dune ecosystem degradation using historical land-cover change and UAV-LiDAR microtopography

　　

海岸沙丘支撑着众多有价值的植物种，正因开发与海岸侵蚀而经历严重衰退与退化。为促进海岸沙丘植被的保护与恢复，本研究以发育敏感固定带（fixed zone）的指示种Juniperus conferta为对象，评估Kumihama沙丘生态系统退化的时空格局。为理解开发影响，研究人员根据航空照片和地形图制作了三个时期（1898年、1947年和2009年）的土地覆被图，以量化长期土地覆被变化。随后，开展植被调查和UAV-LiDAR（unmanned aerial vehicle light detection and ranging，无人机激光雷达）调查，以刻画现存J. conferta群落的生境。利用从所获植被和LiDAR点云数据计算的地形特征，研究人员采用广义线性模型（generalized linear models, GLM）分析地形指标，以识别关键环境因子。结果表明，即使在相对未受干扰的Kumihama沙丘，海岸沙丘植被也呈现空间异质性退化格局。此外，基于指示种的时空评估有效识别了保护与恢复优先区域。这些发现为海岸沙丘生态系统的可持续性评估和环境管理提供了可量化且可迁移的框架。

研究背景与问题：全球海岸沙丘因开发、休闲活动增加和海岸侵蚀加剧而衰退。许多海岸沙丘动植物面临灭绝风险。海岸沙丘生态系统受海盐、漂沙、波浪和风等环境因子强烈影响，从未固定带、半固定带到固定带呈明显分带。固定带植被易受开发影响，并支撑许多稀有物种。Juniperus conferta是固定带指示种（indicator species），在日本多地被列为濒危，并与Viola grayi、Veronica ornata等稀有物种共生。Kumihama沙丘是日本少数仍高度自然、支持濒危物种的海岸，但自江户时期起沙丘造林推进，经济高速增长期又出现快速城市化和旅游开发，导致沙丘人工改造、生境退化和丧失。已有研究多关注植被分带与地形关系、长期遥感土地覆被变化或LiDAR监测，但较少同时考察LiDAR立地条件因子与海岸沙丘植被格局。因此，研究人员旨在建立基于指示种的评估框架，结合长期土地覆被变化轨迹与LiDAR地形因子，识别保护与恢复优先区。

关键技术与方法（不超过250字）：样本队列来源为京都府京丹后市Kumihama沙丘。2024年5月8日预调查，9月16—18日和9月24—25日主调查，共设165个1×1 m样方，西区37、中西区45、中东区47、东区36。基于物种存在/缺失数据进行双向指示种分析（Two-Way Indicator Species Analysis, TWINSPAN），并用指示种分析（Indicator Species Analysis, INSPAN）提取指示种。用UAV-LiDAR获取点云并生成正射影像，计算坡度、曲率、距岸距离、数字地形模型（digital terrain model, DTM）高程及2009年与2024年DTM差值作为海拔变化。采用广义线性模型（generalized linear models, GLM）、穷举搜索、ΔAIC<2模型平均，并以Moran’s I和广义加性模型（generalized additive model, GAM）进行空间自相关敏感性分析。历史土地覆被图基于1898年地形图、1947年美军航空照片和2009年航空照片，最小成图单元为625 m²。

研究结果：
3.1 土地覆被变化：通过三个时期航空照片和地形图制作土地覆被图得出，Kumihama沙丘面积由1898年191.95 ha降至1947年105.72 ha，再降至2009年33.13 ha。1947—2009年森林面积显著增加，约占原沙丘面积50%。西区沙丘逐步降至原面积约20%，森林和城市用地约占原沙丘一半；中西区1898年沙丘占整个Kumihama沙丘面积40%以上，1947—2009年森林快速增加，约80%原沙丘被针叶林替代；中东区原为岩石海岸，沙滩较小，至2009年沙丘面积几乎不变，城市和森林较少；东区1898年约有70 ha沙丘，1947年荒地至2009年主要转为城市，造林和农田增加，约90%原沙丘转为其他土地覆被。
3.2 立地条件分析：通过植被调查和UAV-LiDAR地形数据整合分析得出，各区地形特征不同。植被调查记录30种海岸沙丘植物和40种非海岸植物，并确认8种京都府红皮书物种；中东区物种丰富度最高（47种）且稀有物种最多（5种），西区无稀有物种且外来种比例较高。稀有物种包括V. grayi（VU）、Linaria japonica Miq.（NT）、Zoysia macrostachya Franch. et Sav.（VU）、Heliotropium japonicum A. Gray（NT）、V. ornata（VU）、Scutellaria strigillosa Hemsl.（NT）、Orobanche coerulescens Stephan ex Willd.（NT）和Fimbristylis sericea (Poir.) R.Br.（NT）。
3.2.2 群落分类：通过TWINSPAN将165个样方分为7个群落：A为Vitex rotundifolia?Artemisia capillaris群落，B为Ischaemum anthephoroides群落，C为Carex kobomugi群落，D为Calystegia soldanella群落，E为Imperata cylindrica?Ammophila breviligulata群落，F为Ligustrum obtusifolium?Vitis ficifolia群落，G为J. conferta群落。G又分为G1：J. conferta沙丘海岸群落和G2：J. conferta岩石海岸群落。
3.2.3 J. conferta群落立地条件：通过GLM分析得出，G1出现样方17个、缺席148个，距岸距离和海拔变化在ΔAIC<2最优模型中持续入选，模型平均估计显示G1出现可能性随距岸距离增加和海拔变化增大而升高；G1全模型未检出显著残差空间自相关。G2出现样方13个、缺席152个，距岸距离和DTM在所有ΔAIC<2模型中入选，模型平均估计显示G2出现可能性在距岸更近和DTM更高处增加；但G2存在显著正残差空间自相关，GAM纳入空间平滑项后空间自相关明显降低，距岸距离和DTM效应不再显著。

讨论部分总结：G1多分布于中西区，该区海岸宽度超过100 m，为分带形成提供条件；A和B群落可能捕获漂沙、形成并稳定沙丘，促进J. conferta等矮灌丛发育。G2位于岩石海岸，风蚀强烈，J. conferta分布于风暴露影响最小的固定带，但波浪侵蚀导致岩石海岸原始前线后退，使固定带生境减少和退化，并与稀有物种共存。中西区虽推进松林造林，但J. conferta仍能在固定带生长，分带顺序为D→B→A→G1；然而造林推进使归化种入侵增加，固定带稀有物种消失。中东区岩石海岸保留更多自然植被，稀有物种最多，陡崖地形限制土地覆被变化，但存在侵蚀潜力，G2和F群落处于前沿且可能下滑，分带为D→F→G2且不清晰。西区沙丘后侧针叶林促进外来种向内陆入侵，强烈城市开发几乎消除固定带，J. conferta生境丧失，分带为D→C→B。东区经沙丘维护等人类改造，V. rotundifolia、J. conferta等固定带物种生境消失，分带不明显。V. ornata曾在局部与J. conferta共存，但自被指定为San'in Kaigan国立公园后，外来植物和车辆进入导致部分地区灭绝。即使Kumihama沙丘相对自然，内陆开发和海岸利用仍持续退化固定带生境，因此需区域特定保护管理。J. conferta不应被解释为整体生态系统健康或生物多样性的全面指标；中东区J. conferta群落发育较好且物种丰富度和稀有物种数最高。该指标框架有助于识别脆弱生境并支持可持续管理。

研究结论翻译：本研究证明了使用J. conferta作为固定带指示种评估日本Kumihama沙丘海岸沙丘生态系统退化和状况的有效性。通过将历史土地覆被变化分析与高分辨率RTK-UAV-LiDAR数据获得的微地形评估相结合，本研究量化了现存海岸沙丘植被及其生长环境的退化和丧失，重点综合分析生长于易受开发影响的固定带中的J. conferta群落立地条件。分析历史时期至现在的土地覆被变化并捕捉海岸沙丘空间扩张，表明即使在仍保留J. conferta群落和其他有价值海岸沙丘植被的Kumihama沙丘，也因海岸侵蚀和内陆开发而出现生境异质性。这些发现提供了局部生态系统退化的定量证据，并建立了评估海岸沙丘生态系统状况的指标框架。然而，解释长期土地覆被变化时，应考虑历史数据集间空间分辨率、地图比例尺、地理配准精度和影像特征差异。这些差异连同视觉土地覆被判读的不确定性，可能在多边形边界附近和小型土地覆被斑块中引入表观变化或分类误差。高分辨率RTK-UAV-LiDAR点云数据可有效刻画细尺度沙丘微地形。通过量化两个调查时期之间的高程变化，该方法提供了与海岸沙丘植被相关的地貌变化空间格局信息。将土地覆被变化分析与基于植被的指标相结合，为支持面向可持续性的管理和识别保护与恢复优先区提供了实用方法。尽管本研究证明了UAV-LiDAR和指示种评估沙丘退化的有效性，仍需注意若干局限。第一，分析主要关注UAV-LiDAR导出的地形因子，而未直接测量影响海岸沙丘植被的重要土壤和微环境变量，包括土壤盐度、水分、养分有效性、pH和沉积物粒径。由于其中一些变量可能与地形和距岸距离共变，可能混淆GLM识别的关系。因此，模型系数应解释为与地形条件的关联，而非孤立因果效应。此外，历史土地覆被分析和UAV-LiDAR分析处理了沙丘退化不同但互补的方面。前者量化长期生境丧失和转变，后者刻画现存沙丘植被的当前微地形条件。因此，这两项分析应解释为不同时间和空间尺度上的互补评估，而非历史土地覆被变化与当前微地形之间直接因果关系的证据。整合这些可能进一步提高模型准确性。第二，本研究聚焦于一个面向日本海的海岸沙丘系统。潮差、风况和降水格局等环境因子在其他地区（如太平洋沿岸）差异显著。因此，虽然J. conferta在本研究区被证明是有效指示种，将发现推广到具有不同气候和地貌背景的海岸沙丘时需谨慎。人们担心，由于为沙丘稳定、城市扩张和游客访问增加而开展的造林项目，海岸沙丘可能在全国继续衰退。使用高分辨率UAV-LiDAR调查持续监测微地形和植被变化，可显著增强长期可持续性评估和海岸管理决策支持。量化和可视化基于海岸沙丘植被的海岸沙丘生态系统为人类社会提供的效益，可促进公众对这些生态系统的理解。这种认识提高将有助于海岸沙丘环境的适应性和基于证据的保护与恢复。