基于随机抽样方法对江苏某丹顶鹤保护区互花米草扩张的严重性研究

摘 要：江苏省某丹顶鹤保护区互花米草大量繁殖，对保护区内的其他草本植物构成严重威胁。保护区内的碱蓬是丹顶鹤过冬的食物来源之一，但是碱蓬在互花米草扩张的背景下，生存空间也在持续缩小。为研究互花米草侵占碱蓬生存空间的严重程度，该文通过蒙特卡洛随机抽样方法，以1997—2021年的互花米草扩张的数据为基础，预测2021年之后的11年间每一年碱蓬生长的面积。研究结果表明，如果不对互花米草的扩张进行干预，在2029年碱蓬的生存空间就被完全蚕食。综合遥感解译与预测模型，作者提出一个科学治护互花米草的建议。

关键词：互花米草；碱蓬；侵占；预测；随机抽样

中图分类号：Q948 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）28-0086-04

Abstract： Spartina alterniflora Loisel. reproduces in large numbers in a red-crowned crane reserve in Jiangsu Province， posing a serious threat to other herbs in the reserve. Suaeda salsa in the reserve is one of the food sources for red-crowned cranes during the winter， but its living space continues to shrink amid the expansion of Spartina alterniflora Loisel.. In order to study the severity of Spartina alterniflora Loisel.'s occupation of the living space of Suaeda salsa， this paper used the Monte Carlo random extraction method to predict the growth area of Suaeda salsa in each 11 years after 2021 based on the expansion data of Spartina alterniflora Loisel. from 1997 to 2021. The research results show that if the expansion of Spartina alterniflora Loisel. is not intervened， the living space of Suaeda salsa will be completely eroded in 2029. By integrating remote sensing interpretation and prediction models， a suggestion is put forward that advocates scientific management and conservation of Spartina alterniflora Loisel..

Keywords： Spartina alterniflora Loisel.; Suaeda salsa; encroachment; prediction; random sampling

互花米草[1-2]由南京大学仲崇信教授等于1979年引入中国，旨在弥补先前引进的大米草植株较矮、产量低、不便收割等不足因素，其具有促淤造陆、保滩护岸、降泽改土等生态功能。但是互花米草拥有强大的繁殖能力，已经遍布中国滨海湿地。中国沿海各省中，江苏省的互花米草分布面积最大，截至2015年，分布面积就已达到18 362.9 hm2。位于江苏省盐城市的某丹顶鹤保护区内的互花米草在近年来持续扩张，对保护区内的生态造成很大的负面影响。尤其是保护区内的碱蓬生长面积持续被互花米草侵占，而碱蓬是潮滩湿地的关键先锋植物，对湿地的发育和演化具有重要作用，而且碱蓬能够给丹顶鹤提供食物，但是受互花米草扩张的影响，其物种面积正急剧减小。如果碱蓬[3]的生长空间完全被破坏，那么势必会影响到丹顶鹤的生存。

为了研究互花米草对碱蓬生存空间侵占的严重性，本文以1997—2021年间的Landsat影像为基础，通过遥感解译的方法提取了此期间历年的碱蓬与互花米草的生长面积数据，通过蒙特卡洛[4-5]随机抽样方法预测了2021年之后11年互花米草侵占碱蓬的严重程度，以便有关部门能够重视对互花米草的治理，并提出了互花米草的科学治护措施。

1 研究区概况

研究区位于江苏省盐城市滨海湿地丹顶鹤保护区，处于我国亚热带向暖温带的过渡地带，气候温和，四季分明，日照充足，季风气候显著，受南北气流和海洋、大陆双重气候的影响。区内主要的草本植物为互花米草与碱蓬，有少量的芦苇。区内主体包括潮上带、潮间带、潮下带。潮上带区域大多被围垦，不再受到潮汐的影响，而潮下带区域长期被潮水淹没，高等植物难以存活。潮间带的植被群落分布主要受潮侵频率与土壤盐度含量的影响，具有较为明显的过渡性。区内鸟类资源丰富，其中国家一级重点保护的野生鸟类有丹顶鹤、白头鹤、白鹤、东方白鹳、黑鹳、中华秋沙鸭、大鸨、白肩雕和白尾海雕等11种；国家二级重点保护的野生动物有河麂、黑脸琵鹭、大天鹅等67种。区内潮水位、潮滩的发育时间、滩面坡度、滩面植被覆盖情况都会直接影响潮滩的泥沙微积，形成高程差异。潮汐无法抵达的区域，潮滩高程基本保持不变。潮滩高程变动对潮滩湿地生态系统至关重要，整体上，盐城淤泥质潮滩湿地的绝大多数植被都集中分布于高程0.9～2.7 m之间。

2 研究方法简介

2.1 互花米草与碱蓬生长面积的提取方法

本文中笔者提取研究区互花米草与碱蓬的生长面积数据采用遥感解译方法为目视解译的方法。互花米草属于多年生草本植物，碱蓬属于一年生草本植物，在进入秋季后互花米草继续表现为绿色，而碱蓬会慢慢凋零，表现为红色[6]，那么根据其秋季的色泽差异即可建立遥感解译标志。因此，本次工作笔者选择1997年、1999年、2002年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2019年和2021年的Landsat影像作为数据源，成像时间皆选择10月份，各年份的影像经几何校正、图像配准、波段融合等预处理工作后，建立起碱蓬与互花米草的解译标志。限于本文的篇幅，现仅将2010年的互花米草与碱蓬的解译标志列出，如图1所示。

根据图1可知，在Landsat遥感影像上，互花米草与碱蓬表现出不同的色泽，能够很好地进行目视解译。

2.2 互花米草侵蚀碱蓬生长空间的预测方法

蒙特卡洛算法是一种通过抽样调查法获取统计值来推测未知量的一种计算方法，其被广泛地应用于金融学、经济学、物理学等领域中，基本使用思想是利用随机数（或伪随机数）来解决多种复杂的计算问题，即使用领域为：所求解的某个问题具有随机性，或者所求解的某个问题可以转换成一种具有随机分布特征的事件。

互花米草对碱蓬生长空间的侵占在不同年份皆不相同，表现为随机性，并不服从某个表达式，那么根据线性与非线性拟合就不能准确预测它们的走向。鉴于此，本次工作采用蒙特卡洛算法对它们将来的趋势进行预测，具体步骤如下。

1）根据各研究对象的数据选取组标，利用经验概率[7]公式计算出各组标的累积概率，经验概率公式如公式（1）所示

P=M/（N+1）×100% ， （1）

式中：M为各组标的排位数；N为样本数量。

2）将各组标按从小到大进行排序，根据最小二乘法拟合各组标与其对应的累积概率，得到概率密度函数，y=f（x）。

3）生成n组{ξ1，ξ2，…，ξi}，随机数ξi∈（0，1）。

4）统计各组随机数，随机数落入哪个概率区间就取对应区间的组标，并带入概率密度函数计算相应的概率值。

5）计算各个概率值的数学期望En。

6）生成（n-100）组{ξ1，ξ2，…，ξi}，随机数ξi∈（０，１），各组随机数的个数根据概率密度函数选取，根据3）、4）、5）步骤的方法得出数学期望E。

7）误差统计[6，8]方法如公式（2）所示

δ=（En-En-100）/En×100% 。 （2）

8）若δ≤5%，则预测结果满足精度，否则增加n的值，重复3）、4）、5）、6）、7）的步骤，直到结果满足精度为止。

3 模型的建立与计算结果

3.1 模型的建立

根据建立的互花米草与碱蓬的解译标志，分别解译出1997年、1999年、2002年、2005年、2007年、2010年、2013年、2015年、2017年、2019年和2021年研究区的互花米草与碱蓬，根据Arcgis的计算几何工具，获取1997—2021年间互花米草侵占碱蓬的生存空间面积数据，见表1。

本文以互花米草侵占碱蓬生存空间的年均面积为组标，通过上一节所述方法求出各组标的累积概率，见表2。

根据表2的数据，通过最小二乘法拟合得到概率密度曲线，如图2所示。

根据图2与表2的结果，可得互花米草侵占碱蓬的年均面积的概率密度函数表达式如式（3）所示

3.2 预测结果

基于前文所述的研究方法及建立的模型，预测了如果不存在人为干涉的情况下2022—2032年间的11个年份的互花米草侵占碱蓬生存空间的数据，分别生成1 000 000组与1 000 100组随机数，每组随机数的个数为11，即对应2022—2032年的11个年份。1 000 000组与1 000 100组随机数分别计算的数学期望值的相对误差皆小于5%，满足精度要求，具体见表3。

根据表3可知，预测的结果显示，如若不考虑人为因素的影响，2022年到2028年，即7年的时间内，碱蓬的生长面积仅剩下0.35 km2，2029年碱蓬的生长空间就被互花米草完全蚕食。

4 结论

综合模型的预测结果与遥感解译获取的数据，本文可以得出如下结论与建议。

1）根据随机抽样对每年碱蓬生长空间被蚕食的面积的预测，从2022年开始，互花米草对碱蓬生长空间的挤压就变得越来越严重，在短短的7年时间，碱蓬的生长空间将被蚕食殆尽，这反映出了互花米草扩张造成的生态影响的严重性是不可估量的。

2）若不对互花米草扩张采取措施，研究区随着碱蓬生存空间的减少而使丹顶鹤的食物来源随之减少。如若不对互花米草的扩张加强管制，那么将直接对丹顶鹤的生存造成严重影响。

3）治理互花米草显得刻不容缓，有关部门应采取措施使互花米草与碱蓬保持一定的距离，防止碱蓬生长空间被互花米草侵占，但是互花米草也有着促淤造陆、保滩护岸、降泽改土等生态功能，因此，也不能完全铲除。根据前文表1中互花米草向碱蓬推进的各年份区间内的年平均距离，可知互花米草在1997—2021年间的年均推进距离约为59 m，最大推进距离达到111 m，因此，笔者建议每年在铲除互花米草时，至少要铲出59 m的通道作为互花米草与碱蓬的安全距离。

参考文献：

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[3] 王刚.基于时空多尺度的盐城滨海湿地丹顶鹤栖息地选择及其影响机制研究[D].南京：南京师范大学，2022.

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