《Regional Studies in Marine Science》：Assessment of Community Structure and Spatio-temporal Dynamic of Mangrove Vegetation in East Java Province, Indonesia Using Multi-Decadal Satellite Remote Sensing
作者：Zainul Hidayah、Herlambang Aulia Rachman、Abd Rahman As-Syakur、Dwi Budi Wiyanto
印度尼西亚东爪哇省Madura岛Trunojoyo大学农业学院海洋科学与渔业系，UTM Campus Raya Telang No 02 Kamal Bangkalan，邮编69162
摘要
在过去二十年里，印度尼西亚的红树林生态系统遭受了严重的破坏。农业用地的开发、水产养殖池塘的建设、人类居住区的扩张以及非法砍伐森林等人造因素都对红树林生态系统造成了损害。基于云计算的平台的发展极大地促进了高精度地理空间数据处理的能力，这对于研究环境变化（尤其是在红树林区域）具有重要意义。本研究重点关注东爪哇四个红树林热点地区的长期时空变化，包括Ujung Pangkah红树林、苏拉巴亚东海岸、Alas Purwo国家公园和Pang Pang Bay。研究旨在确定东爪哇省红树林面积的多时相变化趋势，并探究导致这些地区红树林变化的主要驱动因素。通过使用1995年至2022年的多时相Landsat卫星图像数据，并在Google Earth Engine（GEE）中进行处理，研究采用了随机森林算法进行监督分类，以绘制红树林分布图并分析其变化情况。同时收集了实地数据以验证遥感结果，并评估红树林的物种组成和结构多样性。根据近三十年的Landsat卫星图像分析，研究发现东爪哇四个主要地区的红树林总面积增加了约2837.17公顷。此外，红树林分类的总体准确率（OA）超过了80%，Kappa系数大于0.75。其中，Ujung Pangkah地区的红树林面积增长最为显著，增加了超过1600公顷。红树林面积的增加伴随着植被密度的提升，这从平均NDVI值从约0.32增加到0.63可以看出。沉积作用、保护措施以及当地社区在红树林恢复项目中的参与是改善东爪哇红树林状况的主要因素。
引言
红树林自然生长在赤道以北和以南约30°之间的热带和亚热带潮间带海岸线（Ruan等人，2022；Bunting等人，2022；Spalding等人，2010）。多种能够在沉积物密集且被盐水淹没的极端环境中生长的植被类型共同构成了红树林生态系统。河口、三角洲平原以及受潮汐影响的平坦海滩是红树林适宜的生长地点（Ahmad等人，2019；Besset等人，2019；Long等人，2021）。红树林生态系统提供了多种生态服务，包括海岸线稳定、保护海洋浮游生物的栖息地以及抵御风暴潮（Donnelly等人，2017；Montgomery等人，2019；Sarathchandra等人，2018；Trégarot等人，2021）。红树林发达的根系能够拦截沉积物和污染物，防止它们进入海洋（Sarker等人，2021）。红树林的存在也对沿海社区具有经济价值，例如Avicennia红树林的木材是优质的木炭材料，而某些红树种的果实和花朵还可用于传统医药的生产（Tamalene等人，2021；Vinoth等人，2019）。近年来，红树林生态旅游也得到了显著发展。)
红树林通常生长在环境条件恶劣的偏远地区。进行红树林调查需要克服诸如厚泥层、高潮以及难以穿越的根系等障碍。因此，必须考虑人力、资金、时间和设备的可用性（Purnamasari等人，2021）。研究人员采用遥感（RS）技术作为覆盖范围广泛的红树林植被测绘的先进方法（Giri等人，2011；Wang等人，2019）。红树林位于陆地和海洋的交界处，其独特的光谱特征和纹理特性使其与其他植被区分开来（Sahadevan等人，2021）。遥感与地理信息系统（GIS）的结合被证明是描述和分析地球表面景观及土地覆盖变化的有效手段，尤其是在红树林研究方面。
多时相卫星图像的可用性以及RS/GIS技术的发展极大地支持了长期环境研究。中等分辨率的卫星图像（如Landsat TM/ETM、Sentinel 2A/2B和ALOS）常用于红树林测绘（Awty-Carroll等人，2019；Darmawan等人，2019；Hidayah等人，2022；Son等人，2016）。高分辨率图像（如IKONOS、World View和SPOT 5）则适用于详细测绘，包括红树种分布（Proisy等人，2018；Zhu等人，2015；Hauser等人，2017）。在全球范围内，Landsat是最常用于红树林测绘的卫星图像来源，适用于监测Sundarbans、马来西亚半岛、湄公河三角洲和中国南部的红树林变化（Akbar-Hossain等人，2024；Bullock等人，2017；Gopalakrishnan等人，2021；Wang等人，2022）。
RS/GIS方法的发展在观察地球表面的动态变化方面发挥了重要作用，尤其是自Google Earth Engine（GEE）平台广泛应用以来（Islam等人，2025；Zhijie等人，2025）。GEE是一个支持高精度地理空间数据处理的云计算平台，能够存储PB级别的卫星图像数据。它提供并行处理能力、JavaScript和Python编程接口，以及基于Web的快速地理分析和可视化工具。这一能力对于分析大规模多时相数据集极为有用。GEE被广泛用于海岸研究，包括土地覆盖、海岸线动态和水质分析（Chen等人，2022；Chu等人，2020；Ghorbanian等人，2021；Yunus等人，2021）。在红树林测绘中，GEE利用多光谱卫星图像（如Landsat TM、ETM+、OLI和Sentinel-2 MSI传感器）进行分析（Ghorbanian等人，2021；Maxwell等人，2020；Pimple等人，2018；Vu等人，2022；Aji等人，2023；Kotikot等人，2024；Islam等人，2025）。
红树林生态系统既支持陆地生态系统也支持海洋生态系统，但其长期生存受到自然灾害、气候变化和人类活动的威胁。农业用地开发、水产养殖池塘建设、人类居住区的扩张以及非法砍伐森林等活动会对红树林生态系统造成破坏（Alongi等人，2002；Friess等人，2019；Idris等人，2022；Nguyen等人，2019）。2007年，全球红树林面积约为15,260,400公顷（联合国粮农组织数据）。然而，2022年的报告显示红树林面积显著减少至14,725,600公顷（Bunting等人，2022）。进一步分析估计，在过去15年里，红树林面积减少了约534,800公顷，年均减少速度超过35,653公顷。
东南亚拥有近500万公顷的红树林，占全球红树林总面积的三分之一。其中印度尼西亚占全球红树林面积的21%，其次是西非和中非（15.5%）、北美和中美洲（14.4%）以及南美洲（13.2%）。澳大利亚和南亚的红树林覆盖率也较高，分别约为7%和6.6%（Bunting等人，2022；Leal和Spalding，2024）。印度尼西亚海事与渔业部估计，2020年该国红树林面积约为296万公顷。巴布亚岛拥有印度尼西亚最大的红树林区域，面积超过163万公顷，其余红树林分布在苏门答腊岛、加里曼丹岛和爪哇岛等地。
印度尼西亚仅有少数地区对红树林面积的变化进行了详细研究。例如塞加拉阿纳坎（中爪哇）、东卢武（苏拉威西岛）、北苏门答腊和中加里曼丹等地有长期数据记录（Ginting等人，2022；Jamaluddin等人，2022；Prayudha等人，2021；Sukarna和Syahid，2015）。然而，对于这样一个拥有世界最大红树林生态系统之一的国家而言，基于卫星的数据分析仍然不足。因此，需要在更多地点开展进一步的研究。
东爪哇省的沿海地区对印度尼西亚总红树林面积贡献巨大。但目前尚缺乏该地区长期红树林变化的历史数据。因此，本研究通过利用时间序列数据分析了东爪哇四个主要地点的红树林变化模式。此外，研究还通过定量评估红树林植被的组成（包括多样性、密度、优势度及分布模式）来分析红树林群落的结构。这些分析有助于了解红树林生态系统的健康状况，并帮助识别对其恢复具有关键作用的关键物种。结合中等分辨率卫星图像和广泛的实地调查，本研究不仅提供了东爪哇红树林动态的全面评估，还为制定保护措施和生态管理策略提供了依据。
本研究详细探讨了东爪哇四个不同地点（涵盖城市和保护区）红树林植被的时空动态。与以往研究不同，本研究结合了多时相卫星图像和实地数据，全面分析了红树林面积和密度的变化。选择这四个地点是为了对比不同环境特征下的红树林生态系统：靠近城市区域、自然保护区、水产养殖区以及渔业活动集中的地区。研究采用了基于GEE的空间数据处理新方法，并结合实地数据收集，以测量土地覆盖变化并分析红树林生态系统的特点。研究目标包括：（1）探讨东爪哇四个主要地区红树林的植被群落结构；（2）确定1995年至2022年间红树林面积的多时相变化趋势；（3）解释不同环境条件下红树林变化的原因。长期研究不仅有助于了解红树林面积的变化趋势，还有助于制定沿海管理和保护策略。鉴于人为干扰和未来气候变化对红树林的潜在影响，本研究对于制定红树林保护、恢复和可持续管理政策具有重要意义。
研究地点
我们选择了四个具有独特环境特征的地点：第一个地点是苏拉巴亚东海岸的红树林生态系统，苏拉巴亚是印度尼西亚第二大城市，是城市地区红树林的典型代表；第二个地点是乌戎庞卡（Ujung Pangkah）的红树林生态系统，该地区自2021年起被环境和林业部列为重要生态系统保护区（EEA），因其丰富的植物多样性。
红树林群落结构
实地观察结果显示，不同研究地点的优势红树林物种各不相同（表1）。四个观测地点的红树林物种多样性和组成存在差异。乌戎庞卡重要生态系统区的四个优势物种的Shannon多样性指数（H’）为0.97，Simpson多样性指数（D）为0.53，Pielou均匀度指数（J’）为0.56。
结论
尽管印度尼西亚其他地区的红树林在同期遭受了广泛破坏，但1995年至2022年的观测期间，东爪哇的红树林面积和植被密度显著增加。乌戎庞卡和苏拉巴亚东海岸的红树林面积分别增长了约57.1%和52.68%。
未引用参考文献
(Cao等人，2020；Daulat等人，2019；Diniz等人，2019)
作者贡献声明
Dwi Budi Wiyanto： 数据整理与正式分析
Abd Rahman As-Syakur： 文章撰写、审稿与编辑、研究方法指导
Herlambang Aulia Rachman： 软件开发、研究方法设计、正式分析
Zainul Hidayah： 初稿撰写、研究方法设计、资金申请、数据整理、概念框架构建
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系
致谢
本研究得到了印度尼西亚高等教育、科学和技术部2025年BIMA基础研究计划的资助，合同编号为120/C3/DT.05.00/PL/2025
