張 群，劉家霖，朱 義，張春松，宋 晴，崔心紅

(1:城市困難立地生態(tài)園林國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)和草原局城市困難立地綠化造林國(guó)家創(chuàng)新聯(lián)盟，上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海 200232) (2:生物多樣性與生態(tài)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)江河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物多樣性科學(xué)研究所，上海200438)

城市河流作為區(qū)域重要的生態(tài)空間，提供水文調(diào)控、氣候調(diào)節(jié)、污染消納、休閑游憩、生物多樣性維持等多種生態(tài)系統(tǒng)功能與服務(wù)[1-4]，在維護(hù)城市與區(qū)域生態(tài)安全格局方面發(fā)揮著重要作用[5]. 因受到長(zhǎng)期高強(qiáng)度人為活動(dòng)干擾，城市河流比自然河流面臨更高的渠道化、硬質(zhì)化、水質(zhì)惡化等威脅[6]，水域生物種類和數(shù)量明顯降低，生態(tài)系統(tǒng)健康及其維持機(jī)制遭到嚴(yán)重破壞[7-8]，城市河流生態(tài)修復(fù)已成為該領(lǐng)域研究和管理實(shí)踐的熱點(diǎn)問(wèn)題[3]. 城市中小河道數(shù)量眾多，處在匯水區(qū)接納、滯留和調(diào)蓄徑流排水和點(diǎn)面源污染的前緣地帶[9-10]，是現(xiàn)階段水污染治理和生態(tài)修復(fù)的主要對(duì)象[11]. 近十余年來(lái)，隨著中國(guó)黑臭水體治理、污染源整治及河湖長(zhǎng)制等一系列水環(huán)境改善的重大政策實(shí)施，取得了水質(zhì)惡化趨勢(shì)明顯遏制、水質(zhì)指標(biāo)初步改善的重要成效. 為進(jìn)一步提升及修復(fù)中小河道水環(huán)境與水生態(tài)，恢復(fù)沉水植物成為重要舉措之一.

沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要組分和初級(jí)生產(chǎn)者之一，在物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[12-13]，明確其蓋度和生物量，是開展水生態(tài)調(diào)查、評(píng)價(jià)和修復(fù)的基礎(chǔ)性內(nèi)容[14-17]. 沉水植物覆蓋度及生物量的調(diào)查方法主要包括樣方法、遙感解譯法和水下聲吶法等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要在自然河湖水域開展相關(guān)工作.傳統(tǒng)上現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查選擇代表性沉水植物分布區(qū)，采用方形或圓形沉水植物采樣器，在自然湖泊設(shè)置多個(gè)樣帶和樣方估測(cè)生物量[18-21]；利用高分遙感衛(wèi)片、水下回聲探測(cè)等技術(shù)手段，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)，構(gòu)建了多種沉水植物蓋度和生物量的估測(cè)模型[22-26]. 由于城市中小河流的沉水植物主要以人工栽植恢復(fù)的單一優(yōu)勢(shì)種群為主，并且沿岸區(qū)段化用地狀況差異造成的空間異質(zhì)性較大，高樓、喬木等沿岸光影對(duì)狹長(zhǎng)水域數(shù)據(jù)產(chǎn)品的影響，制約了遙感、聲學(xué)等技術(shù)估測(cè)準(zhǔn)確性，在城市區(qū)域中小河流開展采樣布設(shè)方式、采樣次數(shù)及單位面積生物量的相關(guān)關(guān)系等方面的研究較少.

本研究以上海中小河道為研究對(duì)象，基于2019年對(duì)全市45條中小河道、130個(gè)調(diào)查區(qū)段研究基礎(chǔ)上，選擇分布有沉水植物分布的4條典型城市中小河道，開展采樣數(shù)量、采樣方法、蓋度計(jì)算等調(diào)查方法對(duì)沉水植物生物量估算準(zhǔn)確性的影響研究，主要解決如下技術(shù)問(wèn)題：(1)對(duì)于城市中小河道沉水植物的單位面積生物量估算，如何確定最小采樣次數(shù)和樣點(diǎn)布設(shè)方法？(2)探索利用多光譜現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查技術(shù)，如何進(jìn)行城市中小河道沉水植物蓋度估測(cè).以期為城市河道沉水植被調(diào)查和評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，為城市河道生態(tài)系統(tǒng)健康精準(zhǔn)化管理提供技術(shù)方法.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

上海市2019年全市河道46392條，總長(zhǎng)度29862.14 km，平均長(zhǎng)度為0.644 km，河網(wǎng)密度達(dá)4.71 km/km2，其中市、區(qū)、鎮(zhèn)(鄉(xiāng))管河道3242條，其余93%以上的河道屬于村管及其他河道[9]. 本研究的中小河道是指除了通航、水資源調(diào)度、排洪等主導(dǎo)功能以外的城市河道，一般通過(guò)設(shè)置涵閘進(jìn)行片區(qū)內(nèi)水利控制. 基于Google Earth影像目視判讀、上海市水利分片劃分及現(xiàn)場(chǎng)踏查，并根據(jù)2019年在全市選擇45條中小河道，每條河道3～4個(gè)區(qū)段，每個(gè)調(diào)查區(qū)段為沿河長(zhǎng)度50 m，共計(jì)130個(gè)調(diào)查區(qū)段，其中記錄到沉水植物調(diào)查區(qū)段共計(jì)27個(gè)，僅占總調(diào)查區(qū)段的20.8%. 并測(cè)定沉水植物總蓋度(多蓋度等級(jí)法，采用目測(cè)法估計(jì)河道內(nèi)所有沉水植物單位面積內(nèi)植物莖葉對(duì)土地面積的覆蓋程度，通常劃分為5個(gè)等級(jí)和2個(gè)輔助等級(jí)[27])、電導(dǎo)率、pH、藍(lán)綠藻、濁度等指標(biāo). 分布有沉水植物區(qū)段河道的濁度介于0～85.57 NTU之間，且沉水植物總蓋度為COP1及以上(蓋度介于5%～25%)的河道濁度小于30 NTU，濁度大于30 NTU的區(qū)段，其沉水植物僅零星分布，總蓋度均小于5%. 于2020年9-10月及2021年5月(沉水植物生物量較多及較少的兩季[18-19,28])，選取進(jìn)木港(350 m)、三友河(640 m，兩季)、北潮港區(qū)段(1000 m)、梅隴港區(qū)段(1100 m)4條以苦草(Vallisnerianatans)為優(yōu)勢(shì)種，竹節(jié)水松(Cabombacaroliniana)、黑藻(Hydrillaverticillata)、穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)為伴生種的中小河道(圖1)開展調(diào)查，不同河道內(nèi)各沉水植物比例不同. 上述河道除雨季排澇間歇性人工降低水位外，水流大多處于靜止?fàn)顟B(tài). 2020年6月，4條河道5個(gè)區(qū)段水質(zhì)調(diào)查指標(biāo)(電導(dǎo)率、pH、濁度、葉綠素a、高錳酸鹽指數(shù)、TN、TP)見表1.

圖1 調(diào)查河道現(xiàn)場(chǎng)圖(北潮港為南北方向區(qū)段，梅隴港為東西方向區(qū)段)Fig.1 Field map of river course (Beichao Port is a north-south section, Meilong Port is an east-west section)

表1 4條調(diào)查河道基本水化學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic hydrochemical indexes of four rivers

1.2 最少采樣數(shù)量計(jì)算

沉水植物在生長(zhǎng)過(guò)程中，密度及生物量隨時(shí)間的變化而變化，一般在每年夏季達(dá)到最大值[19]，且由于植株長(zhǎng)度、密度等差異，導(dǎo)致單位面積的沉水植物生物量之間也存在差異[18]，為準(zhǔn)確計(jì)算沉水植物單位面積生物量所需的最少采樣數(shù)量，結(jié)合理論和實(shí)際操作兩方面，利用功效分析法(power analysis)[29]及數(shù)據(jù)合并法(data binning)[30]進(jìn)行計(jì)算.

圖2 沉水植物采樣器(1驅(qū)動(dòng)柄、 2固定桿、3鉸接座、4彈簧、 5驅(qū)動(dòng)桿、6連桿、7鉸接桿、 8伸縮桿、9采樣鉗、11手柄)Fig.2 Submerged plant sampling apparatus (1 driving handle, 2 fixed rod, 3 hinged seat, 4 spring, 5 driving rod, 6 connecting rod, 7 hinged rod, 8 telescopic rod, 9 sampling clamp, 11 handle)

本研究使用Cohen提出的適用于t檢驗(yàn)的較大效應(yīng)值基準(zhǔn)[31]來(lái)計(jì)算最少采樣次數(shù)，然后據(jù)此設(shè)計(jì)采樣方案以估算沉水植物單位面積的平均生物量. 同時(shí)，在主要優(yōu)勢(shì)種為苦草或竹節(jié)水松的3條(或區(qū)段)中小河道內(nèi)利用自制沉水植物采樣器(圖2)采集沉水植物. 采樣器的其固定桿和采樣鉗通過(guò)伸縮桿鉸接連接，采樣面積固定，拉動(dòng)驅(qū)動(dòng)柄和手柄后采樣鉗閉合，切斷沉水植物地上部分. 采集57～65個(gè)0.2 m× 0.2 m的樣方，采樣次數(shù)是估算中型湖泊沉水植物生物量樣方的2～3倍[19-20]，分析采樣次數(shù)與單位面積沉水植物生物量之間的關(guān)系，估算最少采樣次數(shù). 沉水植物離開水體后，失水較快，鮮重隨時(shí)間變化差異較大[32]. 為減少差異，將夾起的沉水植物按種類分開后，適當(dāng)瀝干表面水分，迅速稱重.

1.3 斷面設(shè)置及采樣方法

河道沉水植物采樣點(diǎn)的設(shè)置，一般采用系統(tǒng)布點(diǎn)規(guī)則，即在多條河流交匯的河段隨機(jī)布點(diǎn)[33]；也有按照河岸地形地貌在上中下游分別設(shè)置采樣點(diǎn)[34]. 但是針對(duì)單條河道的沉水植物分布，由于河道長(zhǎng)度及植物分布的差異，不同采樣方法可能對(duì)生物量的估算產(chǎn)生影響. 因此，本研究比較等距樣線法(根據(jù)河道長(zhǎng)度等分，在中間的等分點(diǎn)設(shè)置樣方)和多斷面樣點(diǎn)法(根據(jù)沉水植物長(zhǎng)勢(shì)將河道劃分為10個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè)置4～5個(gè)樣方)估算同一條河道單位面積生物量的準(zhǔn)確性. 在北潮港內(nèi)先以等距離分隔采集43個(gè)樣方，記為T1組；再根據(jù)河道內(nèi)沉水植物的目視估算蓋度，選定10個(gè)斷面，每個(gè)斷面采集3～5個(gè)樣方，共計(jì)42個(gè)，記為T2組.

1.4 沉水植物蓋度計(jì)算

城市河道沉水植物蓋度是城市河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)中的重要指標(biāo)，但以往的調(diào)查方法與技術(shù)主要依靠樣方取樣后的測(cè)定與目測(cè)估算. 隨著技術(shù)的發(fā)展，多光譜技術(shù)在大尺度已經(jīng)廣泛實(shí)現(xiàn)了地表不同生態(tài)系統(tǒng)植被蓋度的高精度測(cè)算. 因此，受Song等研究的啟發(fā)[35]，在調(diào)查河道上方2 m處，采用RedEgde多光譜相機(jī)拍攝照片，利用植被指數(shù)等空間計(jì)算疊加方法提取沉水植物分布，進(jìn)而計(jì)算其單位面積的蓋度.

由于植物均進(jìn)行光合作用，所以各類綠色植物具有很相似的反射波譜特性，其特征是在可見光波段0.55 μm(綠光)附近有反射率為10%～20%的一個(gè)波峰. 充分利用該特性，以及綠光對(duì)水的穿透性較強(qiáng)，我們選擇綠光照片進(jìn)行沉水植物蓋度識(shí)別與提取. 沉水植物蓋度測(cè)算步驟如下：(1)利用Rededge-M多光譜相機(jī)(圖3)拍攝5波段影像；(2)提取出其中綠光波段的數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)換遙感影像的數(shù)據(jù)格式和地圖投影，并利用ArcGIS提取波段數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行質(zhì)量控制；(3)利用Arcmap工具，對(duì)綠光原始波段影像進(jìn)行重分類，提取沉水植物的色彩閾值范圍；(4)目視選擇影像中沉水植物分布高、中、低的3個(gè)區(qū)域，生成3個(gè)對(duì)應(yīng)矢量圖層；(5)以矢量圖層為邊界提取重分類后的綠波段影像，并進(jìn)行重采樣(resample)；(6)重采樣時(shí)僅保留沉水植物敏感的像素閾值范圍并賦值為1，其余像素?cái)?shù)值均賦值為0；(7)針對(duì)每個(gè)小樣方，計(jì)算像素值為1的占整個(gè)樣方像素點(diǎn)綜合的比例，即為該樣方沉水植物蓋度.

如圖3b案例所示，高蓋度=16605/(16605+34695)=32.4%，中蓋度=10026/(10026+31878)=23.9%，低蓋度=5198/(5198+37324)=12.2%. 進(jìn)而，計(jì)算得出該影像拍攝區(qū)域的沉水植物蓋度為22.8%±8%.

圖3 Rededge-M多光譜相機(jī)(a)；綠光波段照片中沉水植物分布高、中、低3個(gè)區(qū)域蓋度計(jì)算案例示意圖(b)Fig.3 Rededge-M multispectral camera (a); Schematic of coverage calculation for submerged plants in the green band images: high, medium, and low coverages (b)

圖4 三友河(a)和梅隴港、進(jìn)木港(b)取樣次數(shù)與沉水植物生物量的關(guān)系Fig.4 The relationship between the sampling frequency and the biomass of submerged plants in Sanyou River (a)， Meilong and Jinmu Ports (b)

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

1.5.1 最小采樣數(shù) 對(duì)于功效分析法，一般的功效閾值為0.8[36]，本研究設(shè)置功效值(置信度水平)為90%，采用0.8作為t檢驗(yàn)的較大效應(yīng)值基準(zhǔn)[31]，在具有95%的準(zhǔn)確性下，計(jì)算最少采樣次數(shù)以估算河道內(nèi)沉水植物單位面積的平均生物量.

數(shù)據(jù)合并法，首先計(jì)算采樣次數(shù)對(duì)應(yīng)的單位沉水植物生物量，即第10次為前10次(以采樣順序編號(hào)的次數(shù))生物量總和的均值，第20次為前20次生物量總和的均值，依此類推；其次，將所得均值以4為單位分段獲得14～16組數(shù)據(jù)，計(jì)算每組數(shù)據(jù)的均值及標(biāo)準(zhǔn)差；再次，利用Sigmaplot作圖軟件，以單位面積生物量作為Y軸，取樣次數(shù)作為X軸畫出散點(diǎn)圖(圖4)；最后，添加所有數(shù)據(jù)的均值作為參考線，探索取樣次數(shù)與單位面積生物量之間的關(guān)系，計(jì)算最少取樣數(shù).

1.5.2 不同采樣方法的差異比較 對(duì)獲取于北潮港的兩組數(shù)據(jù)合并后，進(jìn)行正態(tài)性及方差齊性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，但方差滿足齊次性. 因此，為檢驗(yàn)T1與T2的組間差異，采用威爾科克森(wilcox)秩和檢驗(yàn)進(jìn)行分析.

所有的分析工作在R 4.0.2軟件中進(jìn)行[37].

2 結(jié)果與分析

2.1 中小河道采樣數(shù)及采樣方法的確定

采用功效分析法，在90%置信區(qū)間下，以效應(yīng)值0.8為基準(zhǔn)值，n≈34，即樣方取34能較為準(zhǔn)確地代表整個(gè)河道的沉水植物生物量. 以徐匯區(qū)三友河為例，該河道主要分布人工種植的苦草，并伴生少量的自然生長(zhǎng)的黑藻及金魚藻(Ceratophyllumdemersum). 通過(guò)在0.2 m × 0.2 m地塊上連續(xù)采集沉水植物地上生物量，建立采樣次數(shù)均值生物量與所有樣本生物量之間的關(guān)系，以表征小樣方的空間異質(zhì)性[38]. 結(jié)果表明，當(dāng)取樣次數(shù)達(dá)到28～32次后的預(yù)測(cè)生物量(圖4a箭頭所示)與該河道沉水植物單位面積生物量均值較為接近，該取樣次數(shù)可較為準(zhǔn)確地估算河道沉水植物生物量. 以相同方法，對(duì)梅隴港和進(jìn)木港的最小采樣數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2、圖4b所示. 最少取樣數(shù)介于32～36次之間. 結(jié)合能效分析方法的結(jié)果(34次)，因此建議對(duì)上海市單條中小河道沉水植物生物量估算的最少取樣次數(shù)為30～35次. 同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)等距樣線法和多斷面樣點(diǎn)法對(duì)估算河道單位面積生物量的準(zhǔn)確性差異不顯著(P=0.993)(圖5).

表2 3條河道最少取樣次數(shù)Tab.2 Minimum sampling numbers of three rivers

圖5 北潮港2種取樣方法的分組差異Fig.5 Group differences between the two sampling methods in Beichao Port

2.2 中小河道沉水植物的蓋度

與沉水植物取樣同期同步，對(duì)三友河沉水植物蓋度進(jìn)行光譜學(xué)測(cè)算. 如圖6a所示，在3 km長(zhǎng)的河道上，設(shè)置了9個(gè)拍攝點(diǎn)，有效照片12張，拍攝高度約2 m，按分辨率折算單張照片覆蓋面積約7.5～9.5 m2，總體覆蓋面積接近100 m2. 該面積已超出人為取樣可覆蓋面積和可目視測(cè)算的有效面積，具有較高的空間代表性. 此外，在計(jì)算過(guò)程中，由于水面反射或水體有雜質(zhì)，該研究在單張照片內(nèi)設(shè)置多個(gè)有代表性且便于計(jì)算的小樣方，提取9張受拍攝角度和光影反射相對(duì)較小且相對(duì)清晰反映沉水植物的多光譜照片，對(duì)9份綠光波段照片進(jìn)行解析，人工監(jiān)視下目視識(shí)別并提取27個(gè)小樣框，計(jì)算小樣框內(nèi)沉水植物蓋度的相對(duì)比例(去量綱化)，并進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì). 如圖6b所示，三友河沉水植物蓋度在44%水平上，標(biāo)準(zhǔn)差約25%. 與現(xiàn)場(chǎng)人工評(píng)估的沉水植物蓋度結(jié)果相比(約50%)，光譜影像計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)目視評(píng)估結(jié)果相近.

圖6 9個(gè)拍攝斷面的位置(a)和進(jìn)木港沉水植物蓋度影像學(xué)提取結(jié)果(b)Fig.6 Nine locations for imaging sections (a) and image extraction results of submerged plant coverage in Jinmu Port (b)

3 討論

3.1 河道長(zhǎng)寬對(duì)單位面積生物量估算的影響

城市河道生物量的計(jì)算應(yīng)首先對(duì)河道長(zhǎng)度、駁岸類型、河道內(nèi)沉水植物的種類及分布進(jìn)行全面的調(diào)查和記錄，再采用隨機(jī)或等距方式設(shè)置斷面及樣點(diǎn). 上海市2019年全市河道46392條，總長(zhǎng)度29862.14 km，平均長(zhǎng)度為0.644 km，其中城市中小河道僅包含在市、區(qū)、鎮(zhèn)(鄉(xiāng))管河道的3242條之內(nèi)，其平均長(zhǎng)度均在1 km之內(nèi)，且不具有通航功能的中小河道河寬一般小于8 m(調(diào)查數(shù)據(jù)，未發(fā)表)，河寬差異較小. 因此對(duì)于上海絕大多數(shù)的中小河道，長(zhǎng)度和寬度對(duì)取樣次數(shù)的影響較小，單條河道30～35次的取樣次數(shù)適用性較高. 但是，對(duì)于特殊的長(zhǎng)度超過(guò)1 km的河道中小河道，該取樣次數(shù)的適用性還需要進(jìn)一步研究.

3.2 自然及人工水域沉水植物生物量研究方法的差異

自然水域例如湖泊的底部較為平坦，沉水植物分布連續(xù)且均勻，通過(guò)隨機(jī)的10次采樣，即能較為準(zhǔn)確地估算單種沉水植物生物量[18]. 而對(duì)于多種沉水植物生物量的動(dòng)態(tài)研究，則需設(shè)置多個(gè)斷面，根據(jù)斷面的長(zhǎng)度等距設(shè)置2～8個(gè)樣方，共計(jì)30個(gè)樣方，亦能準(zhǔn)確估算[19]. 但上海城市中小河道屬平原河網(wǎng)河流結(jié)構(gòu)，受自然條件和城市化的雙重影響，其中的井網(wǎng)結(jié)構(gòu)是人為構(gòu)筑的河流結(jié)構(gòu)[11]，河道底部除底泥外，還摻雜有少量的石塊、水泥、建筑垃圾等硬質(zhì)材料. 對(duì)上海4條河道調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)材料一般分布于河道兩側(cè)，呈不連續(xù)性和隨機(jī)性，可能是河道施工、河岸改造過(guò)程中遺留的少量建筑廢棄物，影響了沉水植物的定植與存活. 因此，利用人工樣方法調(diào)查城市中小河道沉水植物的生物量，增加采樣次數(shù)可降低異質(zhì)性帶來(lái)的誤差. 但是，隨著采樣次數(shù)、河道長(zhǎng)度、河網(wǎng)密度的增加，導(dǎo)致河道調(diào)查的人力、時(shí)間等投入提高，為有效獲取及監(jiān)測(cè)反映河道沉水植物的生物量指標(biāo)數(shù)據(jù)，需要權(quán)衡投入與產(chǎn)出、成本與效益之間的關(guān)系.在明確調(diào)查目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)域的河網(wǎng)遙感圖像及水利片區(qū)劃分，可選取不同用地類型、交匯數(shù)量多、具有明顯差異的能代表河網(wǎng)特征的河道，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況選取適宜的斷面及樣點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查和采樣.

3.3 沉水植物優(yōu)勢(shì)種覆蓋度的多光譜監(jiān)測(cè)方法

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)水體水生植被的監(jiān)測(cè)主要集中于大型的淺水湖泊[39-41]，且部分方法基于全年遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，不適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).而對(duì)于中小型湖泊及水庫(kù)水生植被類群的遙感監(jiān)測(cè)，可利用高光譜分辨率的Sentinel-2數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[24]，但沉水植物的冠層深度及水環(huán)境因素會(huì)導(dǎo)致遙感分類出現(xiàn)偏差. 水聲學(xué)技術(shù)對(duì)淺水湖泊沉水植物的調(diào)查也取得較多的進(jìn)展及成果[42-44]，還可通過(guò)回聲探測(cè)技術(shù)研究淺水湖泊沉水植物的分布[26]，但是這些方法需要大量的專業(yè)設(shè)備，并對(duì)水體深度有一定的要求.

城市中小河道寬度較窄，分辨率較低的遙感影像難于識(shí)別和區(qū)分. 以上海為例，城市河道水體的平均深度介于1.5～2.0 m間(未發(fā)表數(shù)據(jù))，因此基于衛(wèi)星或無(wú)人機(jī)的深空和高空遙感技術(shù)以及目前在自然河湖地帶采用的水聲學(xué)技術(shù)等監(jiān)測(cè)方法較難應(yīng)用于城市中小河道沉水植物的監(jiān)測(cè)及評(píng)估[45]. 本研究提出基于河面上方的人工控制的主動(dòng)式多光譜相機(jī)拍攝，可以充分地發(fā)揮多光譜技術(shù)對(duì)沉水植物優(yōu)勢(shì)種覆蓋度的監(jiān)測(cè)能力，并有效地避免天氣變化、云層覆蓋度、水深異質(zhì)性等陸面本底狀況對(duì)深空和高空遙測(cè)技術(shù)的阻礙[46]. 但是，本研究提出的人工控制的主動(dòng)式多光譜相機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)尚處于開發(fā)狀態(tài)，還需要輔助以代表性斷面的人工取樣方法予以校正，后續(xù)相關(guān)研究需要針對(duì)以下兩點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研與探索，以更好地服務(wù)于城市中小河道沉水植物調(diào)查技術(shù)的完善與發(fā)展：(1)如何從多光譜照片中有針對(duì)性地對(duì)優(yōu)勢(shì)種沉水植物覆蓋度和非優(yōu)勢(shì)沉水植物覆蓋度進(jìn)行區(qū)分？(2)如何調(diào)整R/G/B/NIR波段計(jì)算公式以更好地表征高濁度(>30 NTU)下城市河道優(yōu)勢(shì)沉水植物覆蓋度？

3.4 中小河道沉水植物的保護(hù)和管理建議

水生植物是水體生態(tài)系統(tǒng)的初級(jí)生產(chǎn)者，其在生長(zhǎng)期可吸收水體中大量的營(yíng)養(yǎng)鹽，對(duì)水體有較好的凈化作用[47]. 但是沉水植物過(guò)度繁殖可導(dǎo)致植物衰亡分解產(chǎn)生大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物，進(jìn)而引起水質(zhì)的惡化及二次污染[48-49]，因此當(dāng)河道內(nèi)沉水植物大量繁殖后，需對(duì)沉水植物的生物量進(jìn)行控制. 適宜的控制措施能去除植物體中的部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)沉水植物的恢復(fù)和生長(zhǎng)，維持水體的正常水質(zhì)[43]. 但是不同沉水植物的繁殖和擴(kuò)散能力不同，建議在河道管理過(guò)程中，主要控制和打撈黑藻、穗狀狐尾藻(Myriophyllumspicatum)、竹節(jié)水松(Cabombacaroliniana)、菹草(Potamogetoncrispus)等依賴莖段散布營(yíng)養(yǎng)繁殖的種類[18]. 此外，不同時(shí)期控制沉水植物生物量，對(duì)水體的影響存在差異，在生長(zhǎng)期收割沉水植物可降低水體的營(yíng)養(yǎng)鹽水平[50]. 因此，對(duì)中小河道沉水植物的收割管理，應(yīng)權(quán)衡種類、強(qiáng)度及時(shí)間階段的相互影響，制定科學(xué)合理的措施及方案.

隨著城鎮(zhèn)黑臭水體治理、河湖長(zhǎng)制深入推進(jìn)，準(zhǔn)確快速地掌握沉水植物特征對(duì)水生態(tài)修復(fù)具有重要指導(dǎo)價(jià)值.由于目前缺乏在城鎮(zhèn)河道人工恢復(fù)的沉水植物生長(zhǎng)響應(yīng)與機(jī)制深入研究，后續(xù)應(yīng)明確其主要影響要素和典型類型，通過(guò)不斷累積城鎮(zhèn)典型片區(qū)的河道沉水植物調(diào)查數(shù)據(jù)，提高單位面積生物量估算和近地?zé)o人機(jī)多光譜測(cè)定蓋度的準(zhǔn)確性，構(gòu)建城鎮(zhèn)典型片區(qū)河道沉水植物分布與生物量估算模型，從而建立快速、準(zhǔn)確、高效的城鎮(zhèn)河道沉水植物調(diào)查方法和技術(shù).

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)上海中小河道沉水植物生物量和蓋度的調(diào)查研究，建議在單位長(zhǎng)度為1000 m的城鎮(zhèn)河道，開展沉水植物單位面積生物量估算中，最少需取樣30～35次，可隨機(jī)或等距設(shè)置采樣點(diǎn).

2)利用多光譜相機(jī)進(jìn)行河道沉水植物總蓋度估算，通過(guò)5～8次的5波段影像拍攝，平均后可獲得整條河道的沉水植物蓋度. 利用單位面積生物量及總蓋度，可準(zhǔn)確估算河道沉水植物生物量.

致謝：感謝復(fù)旦大學(xué)邱士允博士、王新新博士對(duì)本文寫作的指導(dǎo)，感謝上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)高濤、萬(wàn)一礫同學(xué)以及楊震林在河道調(diào)查數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中提供的幫助.