盐盘的形态统计及其对滨海盐沼演化的指示作用

杨龙奇，陈一宁，李炎

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；2.厦门大学 环境科学研究中心 福建省海陆界面生态环境重点实验室，福建 厦门 361005）

滨海盐沼是指有植被覆盖的潮间带。盐沼不仅仅是重要的生态系统，同时盐沼还有消波减浪的作用，有利于海岸带的保护。在气候变化与相对海平面上升的背景下，盐沼的演化过程成为一个重要的研究热点（King et al，1995；Barbier et al，2008）。在我国，近年来以米草属植物为代表的滨海盐沼系统也得到了广泛的关注和研究，特别是盐沼的长期变化监测、地貌演化规律和相关沉积动力过程（汪亚平等，1999；沈永明等，2003；李占海 等，2005；李华等，2007） 等方面的研究有了较大的进展。

盐沼净面积的减少可以由3 个过程产生：潮流和波浪对盐沼前缘的侵蚀、盐沼内部的破碎化（如潮沟系统的扩张与盐盘的扩张） 以及盐沼植物死亡导致的盐沼表面侵蚀加速（Allen，1992）。盐盘是指盐沼当中无植被覆盖、高程低于周边盐沼的斑块（图1），通常为近圆形或近椭圆形，直径通常为几米到几十米，是北半球滨海盐沼常见的一种微地貌（Chapman，1960；Redfield，1972；Adamowicz et al，2005），但是这种地貌在我国的盐沼内不多见，因此在国内未见相关研究报道。

图1 典型盐盘的野外照片

对盐盘的最早研究来自于1916年Harshberger发表的文章，报道了美国新泽西州盐沼中的盐盘并认为盐盘产生的原因是由于大量盐沼植物碎屑堆积在某些地方引起的。随后，Yapp 等（1917）对盐盘进行了分类并对盐盘产生和演化过程给出了完整的假说。他们认为，盐盘可以分为两类：原生盐盘和次生盐盘。原生盐盘是在盐沼初期就已经存在并遗留下来的，而次生盐盘则是在盐沼成熟阶段中出现的。Yapp 等（1917） 根据英国Dovey 河口的盐盘发展状况判断原生盐盘是主要的类型。但是后续的研究者发现次生盐盘是广泛存在的，特别是Pethick（1974） 的研究结果，发现在成熟的盐沼中经常会发育盐盘，次生盐盘是主要类型，盐盘的出现和发展是一个动态的过程。

盐盘的变化与潮沟和盐沼或湿地的健康程度有着非常强的联系，盐盘密度与直径的增大会导致盐沼的退化和内部的破碎化，因此盐盘的动态变化是盐沼健康程度检测的一个重要地貌指示（Pye et al，1993；Hartig et al，2002）。Kearney 等（1988） 在Chesapeake 湾的Nanticoke 的河口研究中发现内陆的盐盘形成是湿地净面积减小的初步过程。Hartig 等（2002） 在纽约的Jamaica 湾研究时发现，盐盘的扩张是盐沼衰退、海岸线受侵蚀和潮沟段加宽的一个地形标志。尽管相对海平面的变化、沉积物的输入以及人类活动的影响都会影响盐盘的发育与演化（Wilson，2006），盐盘所在的盐沼的垂向淤积速率与相对海平面上升之间的关系是影响盐盘发育的一个主要原因（Erwin et al，2006）。Erwin 等（2004） 对美国大西洋沿岸的互花米草盐沼内盐盘的动态观测结果表明，当盐沼的垂向沉积速率与相对海平面上升速率保持同步的时候，盐盘表面淤积速率也与相对海平面上升速率一致；当盐沼的垂向沉积速率低于海平面上升速率的时候，盐盘的深度会加深，因此盐盘可能成为相对海平面变化的指示地貌。Cavatorta 等（2003） 也在马萨诸塞州的盐沼发现当盐沼的垂向沉积速率低于相对海平面的上升速率的时候，盐盘的个数和面积都会增加，使得盐沼的排水时间增长，导致盐沼的退化。因此，了解盐盘的动态变化对于盐沼的保护有着非常重要的意义。

盐盘的变化有垂直方向的变化和水平面上的扩张。盐盘在垂直方向上的变化可分为加深和填充作用：当盐沼表面上升的速率大于或等于海平面上升的速率时，盐盘加深作用占优；当盐沼表面上升的速率小于海平面上升的速率时，盐盘填充作用明显。有些学者认为盐盘加深作用源自风暴潮侵蚀和有机物分解引起的硫酸盐类物质减少。盐盘在水平面上的扩张可能是由于海岸的削减或掏空、生物-物理相互作用过程、潮水的侵蚀和植物的死亡等原因引起的。盐盘的动态变化主要有以下几种形式：新的盐盘的出现、旧的盐盘的消失、盐盘之间的联通合并、盐盘的分化（一个盐盘变成几个盐盘） 以及盐盘本身的大小变化等（Wilson，2006）。

盐盘的早期动态观测主要是依靠人工实地测量的方式（Pethick，1974；Boston，2003），随着遥感技术的进步，具有时间序列的近红外遥感图片、航片等遥感影像开始应用于盐盘的动态监测并取得了很好的效果（Wilson，2006；Van et al，1998），同时数值模型也在这个基础上进行开发并用于盐盘的动态变化预测（Picado et al，2009）。由于盐盘的大小一般是从几米到几十米的直径，要从遥感图像上识别盐盘需要高分辨率（空间分辨率高于1 m） 的遥感影像。全世界的盐沼分布非常广泛，因此购买高分辨率遥感影像来进行全球盐沼和盐盘的动态监测并不经济可行，因此需要寻找一种替代的图像资源进行监测。

本研究的主要目的是利用Google Earth 这一个开放的遥感图像资源对盐沼中盐盘地貌进行特征提取，并通过不同时间点的图像进行盐盘变化过程的监测。由于盐盘能够对盐沼健康程度进行指示，因此本研究结果可以应用于盐沼的大范围监测和保护。

考虑到发达国家的Google Earth 图像质量较好，在本研究中选取了英国东部诺福克的盐沼进行研究。诺福克地区的盐沼是英国国家自然保护区的一部分，该地区的盐沼不仅具有重要的生态价值，还得到了非常良好的保护，使得人类活动的影响降低到最低程度，是研究自然条件下盐沼演化过程的一个极佳区域。同时，该地区的盐盘研究可以追溯到1974年Pethick 的研究结果，为后续的研究打下了良好的基础。根据对诺福克盐沼区的实地考察，发现该区域的盐沼受到严格的保护，大部分区域不允许进入，因此，对于该盐沼区域的研究需要依靠遥感图像来进行。综合考虑以上因素，本研究选取英国的诺福克（North Norfolk） 海岸这个区域，利用Google Earth 这一遥感资料源对盐沼和盐沼中的盐盘进行个数、面积、周长的统计和动态变化（产生、消失、合并，分裂） 的研究。

1 研究区域

英国诺福克海岸位于英格兰的东部（图2），是英国东南部盐沼一个重要分布区，潮间带整体上为一条狭长的地带，面积大约有400 km2。这个海岸经常受到潮水的侵蚀，它的沉积物主要是些柔软的或松散聚合的冰川砂，砾石和粘土。这里的盐沼由于受到障壁岛的保护，发育良好，分布非常广泛，从最东端的布莱克尼一直到最西端均有分布。同时，这里的盐沼是英国重要的国家自然保护区，人类活动的影响程度非常低（Moller et al，1999）。

诺福克盐沼区所在的海域平均潮差大约3m，受风暴潮的影响较大。大部分盐沼（图2） 的外缘高程在平均海平面以上2.5 m 到2.9 m。由于盐沼的存在能够吸收大量的潮流和波浪能量，该地区的盐沼的发育和衰退过程对海岸的稳定性有着非常重要的作用（Moller et al，1999）。

在诺福克地区，高潮滩的盐沼区域（图2） 分布着许多盐盘，植被一般是Limonium vulgare，Armeria， maritima， Puccinellia maritima 和Aster tripolium 这些种类。中潮滩的盐沼区域的植被主要是portulacoides 属的植物，较高处主要分布着Sueda fruticosa 植被。在洼地和港湾边缘下处生长着先锋植物盐角草和季节性长条形藻类（Stoddart et al，1989）。Pethick（1974） 研究该海岸的盐沼和盐盘发现这个海岸的盐沼发展比较成熟并且盐盘在盐沼的成熟期也能发育生长。同时，通过统计分析发现，盐盘密度和盐沼高度，盐沼位置具有如下关系：Sd=3.63H-0.2778P+1.879。Sd 为盐盘密度，H 为盐沼高程（相对于基准面），P 为盐沼相对海边缘（海图0 m） 的距离（Hartig et al，2002）。根据以上研究结果，该海岸的盐沼是属于已经演化成熟的盐沼类型。盐沼上分布着大量的盐盘，但是盐盘的个数并不是固定或者减少的，在这个成熟的盐沼上依然能够生长出新的盐盘。

图2 诺福克海岸的地理位置（小图） 和区域情况（大图） 图（矩形内近椭圆区域为区域R）

在Google Earth 软件对研究区域放大，对诺福克海岸区域进一步划分。在Google Earth 图像达到最高的分辨率的条件下，可以清晰地看到盐沼地形特征以及盐盘的分布。由于区域R 的盐盘数量较多，盐盘随着时间的增加发生了明显的变化，本研究选取了区域R 这个区域来进行盐盘数量、面积，周长统计和形态分析。

2 研究方法

本研究的主要目的是利用Google Earth 图像对盐沼中盐盘地貌进行特征提取，并通过不同时间点的图像进行盐盘变化过程的监测。采用的技术路线是首先利用Photoshop，ERDAS 遥感软件和ArcView GIS 软件在Google Earth 图像上识别盐沼和盐盘并计算个数和形态参数。其次是通过实地GPS 数据和航片对Google Earth 图像解译结果进行验证。最后，利用Google Earth 图像的解译结果研究盐盘形态特征和变化特征。

2.1 Google Earth 图像的识别和盐盘形态参数的统计

（1） 在Google Earth 上的最大分辨率下将研究区域R 划分为多个均等的小区域，为了便于下一步处理，将有盐盘分布的小区域进行标号，没有盐盘的小区域则不标号以示区分（图3）。然后在不同年份的图像的小区域以JPG 格式（Google Earth 只提供这种图片保存格式） 的图片导出。用Photoshop 的魔术棒或磁性套索工具识别盐盘，并将盐盘漆成一种特定颜色。然后图片以TIF 的格式保存。

图3 研究区域划分

（2） 把TIF 格式的图片放到ERDAS 遥感软件上，对图片进行非监督分类后以IMG 的格式保存图片。再将IMG 图片放到ERDAS 软件上，将栅格图片转换成矢量图片。

（3） 用ArcView GIS 打开矢量图片，通过分类软件就能自动识别出盐盘并生成对盐盘进行编号的表格，根据图片计算出盐盘的面积和周长。以上方法所得出的面积和周长的值还具有一定的误差，需要根据线性回归进行校正。盐沼的图像识别和提取采用类似方法。基于面积和周长的数据，可以计算盐盘的近圆度（用来定量描述盐盘的形状，近圆度为1，盐盘的形状是一个圆）。近圆度的计算公式如下：

2.2 实地验证与遥感图像比对

本研究在2010年12月对North Norfolk 进行了实地考察，主要是用手持GPS 对部分盐盘进行了定位，同时对定位的地区进行拍照，目的是为了将实地的目标地物与Google Earth 图像上的目标地物进行对比。另外，收集了前人发表过的该地区的遥感图像资料（主要是航片），将遥感图像资料与Google Earth 图像进行了比对和验证。

2.3 盐盘形态变化特征分析

本研究采用的Google Earth 图像的时间分别为1999年和2006年。为了了解盐盘形态变化特征，首先分别统计1999年和2006年的盐沼总面积、盐盘总数、每个盐盘的面积等基本参数。然后计算盐盘的总面积，得出盐沼的净面积（盐沼总面积减去盐盘总面积） 和盐盘在盐沼所占的面积比例。最后通过比较得出两个年份的盐盘的变化特征。本研究中还随机选取5 块小区域分析随着时间的推移，盐盘的动态变化包括盐盘的合并、融合、消失，新增等。

3 结果与讨论

3.1 实地相片、航片与Google Earth 图片的比较

本研究采用Lohani 等（2006） 拍摄的North Norfolk 盐沼航片与相对应的Google Earth 的图片对比（图4）。从图4 可以看到，在航拍图片的潮沟系统在Google Earth 图像上都能找到，这说明了在Google Earth 图片的信息是可靠的。本研究还从实地拍到的相片与Google Earth 上相对应的图片进行对比（图5）。图5 左右分别是两组实地拍到的图和Google Earth 上的图片的对比，上两幅图为实地拍到的相片，下一幅为Google Earth 的图片。从图5 中，可以从明显地看到，在实地相片中的潮沟，盐盘都能在Google Earth 上找得到。这也说明了Google Earth 图片信息是可靠的。

为了进一步说明Google Earth 的图片是可用的，本研究还分别提取了航拍图片和实地相片和Google Earth 上对应的几个点的经纬度进行对比（表1，表2）。通过对比分析发现航拍图片和Google Earth 图像的经度大概相差0.006°～0.007°，纬度大概相差0.002°～0.003°，这在距离上大概相差500 ～700 m，但是两者的经纬度数据之间有很好的线性关系，经度相关系数为0.986，纬度相关系数为0.959。产生这样的原因可能是Google Earth上和航拍选择的坐标系统或者是投影方法是不同的，产生了空间上的平移。由于航片和Google Earth 图像之间存在线性平移的关系，虽然Google Earth 图像在空间定位上有一定的偏差，但是不影响地貌特征的提取。而实地经纬度跟Google Earth图像的经纬度具有良好的吻合（表2），经度的相关系数为0.999，纬度的相关系数为0.998。因此，通过上述比较，Google Earth 图像可以作为地貌特征的一个可靠数据源。

图4 航拍图像与对应的Google Earth 的图片对比（左边为航片（Lohani et al，2006），右边为Google Earth 图像）

图5 实地相片与对应的Google Earth 的图片对比（上面两幅为实地相片，底下一幅为Google Earth 图片）

表1 Google Earth 上的经纬度与航拍经纬度对比

表2 Google Earth 上的经纬度与实地经纬度对比

3.2 盐盘的形态特征

通过研究盐盘面积和盐盘周长的分布，可以了解盐盘形态规律以及判断盐盘生长的临界条件。本研究中通过对区域R（图2） 的盐盘面积和盐盘周长做频率图来研究盐盘面积和盐盘周长的分布情况。

图6 为区域R 的盐盘区间频率（柱状） 和频率累积（曲线） 图。从图6 的上图看，可以发现区域R 超过74.36%盐盘的面积小于20 m2内，其中49.17%的盐盘面积小于10 m2，说明该区域以小盐盘为主。盐盘面积在60 m2以上的频率之和小于4.11%，说明了60 m2是盐盘生长的临界面积条件，即从统计学上来说大于60 m2的盐盘出现的概率低于5%。

区域R 的盐盘周长的分布统计见图6 的中图（柱状为盐盘周长频率，曲线为频率累积）。盐盘的周长分布与盐盘的面积有着直接的关联，因此盐盘的周长分布与盐盘的面积分布有着相似性，而且该区域的大多数的盐盘周长较小（＜20 m）。从图6（中图） 中，可以看出区域R 的盐盘以周长在10～20 m 的居多，这类盐盘在1999年和2006年各占盐盘总数的45.66%和45.08%。其次，这两个年份周长在20～30 m 的盐盘分别占盐盘总数的19.83%和20.16%。盐盘周长在80 m 以上的频率之和小于4.47%，说明周长80 m 为盐盘生长的临界条件。

图6 区域R 盐盘频率与累积频率图

近圆度的大小是反映盐盘形态的量。近圆度为1 的为圆。近圆度的值越接近于1，盐盘的形状就越接近于圆。近圆度的计算见本文的公式（1）。图6（下图） 列出了区域R 的近圆度的分布形状。从图6 下图中可以看出，盐盘的近圆度的值在0.4～0.6 内的盐盘的个数最多，占总数的一半。近圆度的值在这个范围内说明盐盘的形状大概介于长椭圆状到接近于短椭圆状之间，所以这个区域的盐盘以椭圆形为主，这和潮流、波浪作用的主导方向性可能是相关的。总体上看，当近圆度的值在0～0.6 范围内，随着近圆度的值的增大，盐盘分布的个数也是在增加的。当近圆度的值在0.6～0.7 范围内，盐盘的个数出现了迅速减少的趋势。近圆度的值在0.7～1.0 的盐盘个数很少，因此，盐盘的发育不具备各向同性，而是有主导的方向。另外，从1999年和2006年的盐盘频率累计曲线来看，两者非常接近，说明从整体上来看，该地区的盐沼演化已经处于一个整体上比较成熟的阶段。

从以上的对盐盘面积，盐盘周长和近圆度的频率分析，发现：（1）多数的盐盘的面积小于20 m2，平均值为18.14 m2；（2）多数盐盘的周长在10～20 m之间，平均值为25.11 m；（3）60 m2以及周长80 m是盐盘发育的上限；（4）区域R 的盐盘的近圆度的值主要集中在0.4～0.6 内，平均值为0.41，说明区域R 的盐盘以椭圆形为主。

3.3 盐盘的变化特征

本研究中还随机提取了试验区的5 个小区域（分别为区域R2、区域R12、区域R22、区域R32，区域R42，各区域位置见图3） 来分析该区域盐盘1999年到2006年的变化趋势。变化趋势包括盐盘的合并、盐盘的分裂，盐盘的新增，盐盘的消失。

表3 列出了5 个小区域的的盐盘的4 种变化趋势情况（括号内为盐盘4 种变化的个数所占的百分比）。从表3 中，可以看到盐盘的变化个数主要以新增和消失的个数为多。新增的盐盘个数百分比在100 %以上的有3 处，最高比例达到了306.90 %，消失的盐盘个数的百分比在7.50 %到29.47%之间变化。

表3 盐盘的四种变化趋势

通过以上对区域R 的5 个小区域的盐盘4 种变化趋势的分析，我们可以看出研究区域的盐盘的变化趋势主要以盐盘的新增和盐盘的消失为主，分裂与合并出现的频率较低。

由于诺福克盐沼是一个成熟的盐沼，从1999-2006年的图像对比及统计结果可以看出，本研究结果支持Pethick 的研究结果：成熟的盐沼上也会发育新的盐盘。不同的是本研究发现成熟盐沼的盐盘的变化并不是单一的，它也会发生合并、消失、分裂等动态变化。

3.4 盐盘对盐沼的影响

盐盘的变化与盐沼的健康程度有着非常强的联系，盐盘密度与直径的增大会导致盐沼的退化和内部的破碎化，因此盐盘的动态变化是盐沼健康程度检测的一个重要地貌指示（Kearney et al，1988；Wilson 2006）。在此，我们将研究区的盐盘总面积和盐沼面积进行对比，同时结合1999年和2006年结果的对比，来判断研究区盐沼的健康情况。

下面的表4 列出了区域R 的盐盘个数、盐盘总面积、盐沼面积、盐沼净面积，盐盘所占面积比例以及从1999年到2006年的变化。从盐盘个数的变化上看：区域R 盐盘数量是增多的，相对于1999年增加了24.62 %。从盐盘总面积的变化上看：区域R 的盐盘总面积是处于增大的，区域R 在2006年的盐盘总面积相对于1999年增加了13.19%（表4）。盐盘总面积的增加跟盐盘个数和单个盐盘的面积的增大有关。从以上的分析对比可以得出从1999-2006年盐盘总面积的变化主要是盐盘个数增加引起的。

表4 区域R 的盐沼和盐盘在1999年和2006年的分布情况及变化

本文中，盐沼面积定义为被植物覆盖的潮滩的面积，不包括潮沟等大型地貌单元，但是包含了盐盘这一类型的微型地貌单元。从盐沼面积的变化看，区域R 的盐沼面积从1999-2006年是减小的。由于研究区的盐盘在盐沼中的普遍存在，盐沼面积的变化并不能反映出盐沼是发展的还是衰退的，本文采用盐沼净面积来判定盐沼的发展或者衰退。所谓盐沼净面积就是盐沼植物覆盖的净面积，不包括盐盘等微地貌单元，即盐沼面积减掉盐盘总面积所剩下的面积。因此，判断盐沼在发展或者衰退主要取决盐沼面积和盐盘总面积两者的变化。盐沼净面积增加表示盐沼在发展扩大，净面积减小则表明盐沼在衰退。从区域R 在盐沼净面积的变化上（表4） 看，区域R 从1999-2006年，盐沼的净面积都是减小的，减小的幅度也比较大，达到了13.86%。这说明了区域R 的盐沼从1999-2006年衰退明显。

通常来说，盐沼的衰退可以由两方面原因引起：盐沼前缘的后退和盐沼内部的破碎化（Allen，1992）。因此，本文还分析了盐盘所占面积比例的变化情况，即盐盘总面积与盐沼面积之比的变化。从盐盘所占面积比例（表4） 看：盐盘在盐沼所占面积比例是增大的，并且增大的幅度比较大。盐盘总面积所占盐沼面积的百分比的显著增大说明了该区域盐沼的破碎度显著提高了，该地区盐沼的衰退与盐沼内部的破碎化有很大的关系，特别是盐盘的快速发展。英国东南部海岸由于地壳下沉和相对海平面上升（Long et al，1995），导致潮流和波浪在潮滩上的侵蚀作用加强，出现了大量盐沼的退化和破碎化现象（Cooper et al，2008），与本文的观察结果一致。因此，诺福克地区盐沼的退化应该与相对海平面上升之后动力条件增强有关。另外，这个盐沼破碎度的提高也可能跟这个海岸受到风暴潮的侵蚀频率较高有关（Moller et al，1999）。

4 结论

本研究通过利用Google Earth 图像这一遥感数据源，利用Photoshop、Mapinfo、Erdas 等软件对图像进行了分析，成功提取出了盐盘这一类型地貌的几何特征以及变化特征，并利用这些数据对盐沼的健康程度进行了讨论。本文主要有以下几个结论：

（1） 本文利用Google Earth 图像对英国诺福克盐沼区的盐盘形态信息进行了提取，形态信息包括周长、面积和近圆度，盐盘周长的平均值为25.11 m，面积的平均值为18.14 m2，近圆度的平均值为0.41。

（2） 通过频率分布曲线，发现60 m2是盐盘面积的上限，80 m 是盐盘周长的上限，而盐盘基本呈现椭圆形，可能与主导的水动力条件有关。

（3） 利用1999年和2006年的图像对比发现，在此期间诺福克地区区域R 的盐盘主要变化趋势是新生盐盘的增加，盐盘总面积也出现了增加，盐沼净面积减少，说明由于盐盘的扩张导致区域R盐沼内部的破碎化，盐沼在朝着退化的方向发展。

致谢：该项研究的野外工作中获得英国University of East Anglia 黎欣毅博士的帮助，文中所有使用的Google Earth 图像版权属于谷歌公司，在此表示感谢。

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