邛崍山生態環境及生物多樣性遙感監測評價

王 姝,苑 躍 ,楊 杰

（四川省氣象災害防御技術中心，成都 610072）

引言

生態環境是由生物及非生物成分相互影響并發生物質能量循環轉換而產生彼此間賴以生存的生態功能單位[1]，是人類生存的基本保障和社會發展的物質基礎[2]。在生態環境質量監測評價的傳統方法中，數據源主要依賴于人文統計、地面觀測記錄及抽樣性實地調研，受主觀因素的干擾較大。遙感（RS）因其多時相、多分辨率、更新周期短、大面積同步觀測等特點成為客觀快速掌握各類地表信息的重要技術手段，在生態環境質量監測評價中得到越來越廣泛的應用[3-7]。王志杰等[8]基于遙感資料，利用空間主成分分析方法對漢中市生態脆弱性進行了定量評價。陳瑩等[9]利用遙感資料計算了生態環境質量評價指標，對北京市生態環境質量進行了評價。徐慶勇等[10-11]先后利用主成分分析法構建評價指標體系，對長江和珠江三角洲生態環境脆弱性進行了綜合評價。徐涵秋[12]創建城市遙感生態指數（RSEI）并據此對城市的生態狀況進行快速監測與評價。宋慧敏等[13]、程志鋒等[14]、農蘭萍等[15]利用RSEI指數，分別對渭南市、蘇錫常城市群和昆明市的生態環境質量進行時空動態評價，表明RSEI指數能較好地指示區域生態環境狀況。

邛崍山脈是成都平原至川西高原的過渡帶，屬于龍門山南段前沿延伸山系，地處岷江和大渡河的分水嶺，是四川盆地和青藏高原的地理界線和農業界線，在生態環境和生物多樣性保護中具有重要作用。然而目前還未有關于邛崍山生態環境質量和生物多樣性功能的分析和研究，缺乏對邛崍山生態保護紅線區生態環境的總體認識。本研究結合邛崍山實際狀況，綜合運用遙感技術、全球定位技術和地理信息技術，應用近20a邛崍山植被指數、溫度植被干旱指數、陸表溫度等生態環境質量氣象評價指標，運用主成分分析法，構建了遙感生態指數（RSEI）和生物多樣性維護功能指數（BMI），分析其在邛崍山生態保護紅線區的時空演變特征，研究邛崍山區2000～2019年的生態環境質量狀況，為開展生態承載力以及氣候評估、生態環境紅線調整等提供參考。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

邛崍山保護區屬于岷山-邛崍山-涼山生物多樣性保護與水源涵養重要區，行政區涉及大邑縣、邛崍市、崇州市、天全縣、蘆山縣、寶興縣、小金縣，總面積0.63萬km2，占生態保護紅線總面積的4.26%，占四川省幅員面積的1.30%。邛崍山系屬中亞熱帶季風氣候向大陸性高原氣候過渡區，潮濕多雨。東側降水充沛，海拔2100～2300m地帶年降水量2000～2500mm，有“華西雨屏”之稱，為農業區。西坡植被稀疏，云少霧散，氣候干燥。邛崍山東部，屬半農半牧區。區內河流主要包括岷江、大渡河水系支流，森林植被以常綠闊葉林、常綠與落葉闊葉混交林和亞高山常綠針葉林為主，區內原始森林以及野生珍稀動植物資源十分豐富，是大熊貓、川金絲猴、扭角羚等珍稀野生動物的棲息地，是我國生物多樣性保護的熱點地區和重點區域之一，生物多樣性保護功能極其重要。研究區范圍如圖1所示。

圖1 邛崍山生態保護紅線區范圍及其位置

1.2 數據來源

陸地表面溫度（LST）、歸一化植被指數（NDVI）、總初級生產力（GPP）和土地類型數據（LUCC）來源于美國國家航空航天局的MODIS遙感產品。土壤濕度指標，即溫度植被干旱指數（TVDI）由LST和NDVI指數計算得到，綠度指數GVI來自Landsat衛星的綠度指數（GVI）產品。生物多樣性指數BI根據土地利用類型數據計算[16]得到，空間分辨率為1000m。植被覆蓋度FV指數采用像元二分法根據NDVI數據計算[17-18]獲得。高程DEM數據采用ASTER GDEM數據，來自美國航天局（NASA）與日本經濟產業省（METI）共同推出的地球電子地形數據。

1.3 研究方法

1.3.1 RSEI綜合指標的構建

構建RSEI指數模型需要整合綠度因子、濕度因子、干度因子和熱度因子[19-21]。基于遙感數據，選用了綠度指數(GVI)、植被指數(NDVI)、總初級生產力(GPP)、土壤濕度（溫度植被干旱指數TVDI）、地表溫度(LST)和土地利用類型(LUCC)共6個指數構建評價指標體系。由于評價區域具有地域差異性，同時生態過程具有時間和空間尺度屬性，不同區域的生態環境質量也不相同。因此，需要對各指標進行無量綱歸一化，使他們的指標區間映射在[0-1]。指標歸一化公式表達為：

式中:Fi表示歸一化后某像元的指標值，indicatori表示該指標在像元i的值，indicatormin表示該指標像元最小值，indicatormax表示該指標像元最大值。

本研究采用客觀確權的主成分分析法（PCA）構建邛崍山生態保護紅線區遙感生態環境狀況指數（RSEI）。PCA方法中通過前期降維變換可以獲得各指標的權重值，減少人為確權造成指標集成差異的干擾，從而對數據集做出客觀分析。按照主成分分析原理，計算各指標相關系數矩陣，得到各主成分的方差貢獻率，并選取累計貢獻率達到85%以上的前幾項特征根作為確定指標權重的主成分。

得到各主成分的方差貢獻率后，再根據公式（2）計算評價模型中各指標的綜合權重[22]：

式中：PC表示各項指標的綜合權重，ei表示主成分對應的方差貢獻率，pci表示各主成分對原始指標的載荷。

1.3.2 BMI綜合指標的構建

參考《生態保護紅線劃定指南》[23]以及其他文獻中對生物多樣性的研究[24-28]，利用遙感產品數據和地理基礎數據，構成生物多樣性維護功能指數（BMI）模型（表1），選擇了生物多樣性指數（BI）、歸一化植被指數（NDVI）、植被覆蓋度（FV）、植被總初級生產力（NPP）、土地利用生態脅迫指數（LUI）、高程數據（DEM）6個BMI綜合指數作為分指標。

表1 生物多樣性維護功能指標選取方案

利用歸一化系數計算方法，計算出上述6個邛崍山生態保護紅線區生物多樣性評價指標的歸一化系數值，再通過主成分分析法，構建生物多樣性維護功能指數（BMI），用以消除人為估算帶來的主觀性影響，基于遙感技術和自然因子，較為客觀地反映生態區生物多樣性維護功能狀況。

1.3.3 綜合指標分級方法

1.3.3.1 RSEI指數分級方法

依據《生態環境狀況評價技術規范》[16]中生態環境狀況的劃分等級，以RSEI的最大值和最小值確定邛崍山生態保護紅線區生態環境狀況等級劃分標準的最大及最小值，將每期數據進行歸一化處理，統一到[0-1]，采用等間距法對邛崍山生態保護紅線區生態環境狀況進行分級（表2）。

1.3.3.2 BMI指數分級方法

將邛崍山生態保護紅線區生物多樣性維護功能指數歸一化到[0-1]，采用等間距方法確定邛崍山生態保護紅線區生物多樣性分級標準，將邛崍山生物多樣性維護功能指標BMI分為5級，即強、較強、一般、較差和差，分級標準見表3。

表3 生物多樣性評價指標分級

2 結果與分析

2.1 邛崍山生態環境狀況的評價與動態分析

2.1.1 RSEI指數分布與變化趨勢

通過上述歸一化算法和主成分分析法，計算出遙感生態指數RSEI模型各年份各指標對生態環境狀況影響的權重及平均值（表4）。

表4 各年份指標權重與平均值

依據表2各指標多年權重的平均值，得到邛崍山生態保護紅線區生態環境狀況遙感綜合評價指數模型如下：

表2 生態環境狀況分級

根據公式（1）計算得到2000～2019年邛崍山生態保護紅線區生態環境狀態綜合評價指數（RSEI）數據集。

從圖2可以看出，2000～2019年，邛崍山生態保護紅線區生態環境指數高值區在紅線區南部大部分地區，低值區主要在紅線區北部，紅線區南部顯著優于北部。從時間變化上看，近20a生態指數分布變化不大，東北部及西南部的低值區呈略微擴大的趨勢。

圖2 2000～2019年邛崍山生態保護紅線區RSEI指數空間分布（a.2000年，b.2003年，c.2006年，d.2008年，e.2011年，f.2014年，g.2017年，h.2019年）

從圖3可以看出，2000～2019年紅線區RSEI最大值的變化區間為0.851～0.894，其中2008年最高（0.894），2000年最低（0.851）；最大值總體變化趨勢不明顯，2000～2008年呈弱增長，2008～2017年呈弱降低，之后又呈弱增長。RSEI最小值的變化區間為0.0102～0.034，總體呈波動減小趨勢，通過了0.01水平的顯著性檢驗。RSEI平均值的變化區間為0.642～0.680，變化幅度不大，總體較平穩。以上結果表明，2000～2019年邛崍山生態保護紅線區的生態環境狀況總體保持較好，但部分低值區呈略有惡化的趨勢。

圖3 2000～2019年邛崍山生態保護紅線區RSEI指數最大、最小及平均值變化

2.1.2 RSEI指數等級劃分及動態分析

從圖4可以看出，紅線區生態環境狀況等級為一般及以上的區域主要位于南部和西北部，等級為較差和差的區域主要位于紅線區的東北部，在西南部邊界也有部分區域生態環境狀況較差。時間變化上，近20a紅線區生態環境狀況等級差與較差的區域呈較為明顯的增加趨勢。

圖4 同圖2，但為生態環境狀況等級分布

對各年份生態環境評價等級的面積所占比例進行統計（圖5）可見，邛崍山生態保護紅線區RSEI等級為優和良的區域在全區中占比最大，其次為一般等級，等級為較差和差的面積占比較小。從近20a平均RSEI指數來看，邛崍山生態保護紅線區生態指數等級為優占49.983%、良占30.908%、一般占13.499%、較差占4.828%、差占0.782%，優和良所占比例達80.891%。時間變化上，邛崍山生態保護紅線區生態指數等級為優的區域在2017年面積達到最大值（占比55.196%），其次是2011年（占比48.945%）；等級為差與較差的區域面積在2019年較大（合計占比9.524%），其次是2006年（合計占比5.515%）。從2000～2019年生態指數動態變化來看，生態環境等級為優的區域保持較好，面積呈較明顯的波動上升趨勢，通過了0.1水平的顯著性檢驗；等級為良的部分區域面積存在明顯的下降趨勢，通過了0.01水平的顯著性檢驗；等級為一般的區域面積近20a變化不大；等級為差與較差區域面積呈弱增加趨勢。

圖5 2000～2019年邛崍山生態保護紅線區RSEI指數各等級面積占比統計

2.2 邛崍山生態保護紅線區生物多樣性功能評價與動態分析

2.2.1 BMI指數分布與變化趨勢

通過歸一化算法和主成分分析法，計算出生物多樣性功能指數（BMI）模型各年份各指標對生態環境狀況影響的權重及平均值（表5）。

表5 各年份指標權重與平均值

利用上述6個指標建立生物多樣性維護功能遙感綜合評價模型：

根據生物多樣性評價模型，計算得到2000～2019年紅線區生物多樣性功能指數數據集。從邛崍山生態保護紅線區BMI指數空間分布（圖6）可以看出，紅線區生物多樣性指數同樣是高值區主要分布于紅線區南部，低值區主要分布于北部，綜合指數分布整體上呈現出南部優于北部的特征，且分布較為穩定，2000～2019年變化不大。

圖6 同圖2，但為BMI指數空間分布

從圖7可見，2000～2019年生物多樣性指數最大值的變化區間為0.598～0.645，2019年最高（0.645）；最小值的變化區間為0.119～0.168，2000年最高（0.168）；平均值的變化區間為0.482～0.522，2019年最高（0.522）。從時間變化來看，BMI指數最大值和平均值在這20a間變化趨勢并不顯著，2008年存在一個較低值，此后BMI指數呈增長趨勢，說明紅線區的生物多樣性整體上逐漸豐富；BMI指數最小值在近20a呈顯著減小趨勢，通過了0.05水平的顯著性檢驗。

圖7 同圖3，但為BMI指數

2.2.2 BMI指數等級劃分及動態分析

從圖8可見，在邛崍山生態保護紅線區生物多樣性評價等級中，差和較差區域主要分布在紅線區東北部，一般及以上等級主要分布在紅線區南部，西北部多數區域為一般和較好等級。

圖8 同圖2，但為生物多樣性評價等級分布

對生物多樣性功能不同等級面積的占比進行統計（圖9）可以看出：邛崍山生物多樣性功能等級為強的區域最大，所占面積各年均超過50%，其次為較強等級，生物多樣性功能等級為差和較差面積較小。近20a平均BMI功能指數等級為強面積所占比例為61.398%、較強占18.796%、一般占13.428%、較差占5.220%、差占1.158%，等級為強和較強的面積占比合計80.194%。2000～2019年，生物多樣性功能等級為強的區域面積在2017年達到最大值（占比62.471%），其次為2006年（占比61.208%）；等級為差與較差的區域面積在2006年最大（合計占比7.556%），其次為2017年（合計占比6.861%）。從時間變化上看，2000～2019年生物多樣性功能等級為一般及以上所占面積比例總體呈升高趨勢；生物多樣性功能等級為強的區域所占面積比例由2000年的53.925%上升到2019年的60.366%，呈顯著增長趨勢，通過了0.01水平的顯著性檢驗；評價等級為一般的區域所占面積比例隨時間呈顯著降低趨勢，通過了0.01水平的顯著性檢驗；評價等級為差和較差的區域所占面積比例略微減小。近20a來，邛崍山生態保護紅線區生物多樣性分布特征變化不大，其生物多樣性功能整體表現為緩慢增強，但也存在區域差異，東北部功能等級改善的效果不明顯。

圖9 同圖5，但為BMI指數

3 結論與討論

本研究基于主成分分析法，利用衛星遙感監測數據，構建了邛崍山生態保護紅線區RSEI指數和BMI指數模型，研究了2000～2019年該地區的生態環境質量狀況，主要結論如下：

（1）從空間分布來看，邛崍山生態保護紅線區生態環境狀況整體較好。2000～2019年RSEI生態指數評價等級良及以上的區域面積達80.891%，BMI生物多樣性功能評價達較強及以上等級的區域面積達80.194%。紅線區生態環境狀況內部差異較明顯，整體上紅線區南部和西北部地區生態環境較好，東北部地區生態環境較差。

（2）從生態環境狀況指數的時間變化來看，2000～2019年RSEI區域最大值和平均值變化趨勢不明顯，最小值則有顯著減小的趨勢；評價等級為優的區域面積呈顯著上升趨勢，等級為良的區域面積呈顯著下降趨勢，等級為一般的區域面積變化不大；邛崍山生態保護紅線區大部分區域的生態環境質量有所改善，小部分區域生態環境質量有所下降。

（3）從生物多樣性功能指數的時間變化來看，2000～2019年BMI區域最大值和平均值變化趨勢不顯著，在2008年存在一個較低值，此后BMI指數呈增長趨勢，區域最小值呈顯著減小趨勢；生物多樣性功能評價等級為強的面積呈顯著增長趨勢，評價等級為一般的面積呈顯著降低趨勢，其余等級變化不顯著；其中評價等級為強的區域由2000年的53.925%上升到2019年的60.366%，增長比例最大，說明邛崍山生態保護紅線區生物多樣性功能改善效果明顯。

邛崍山生態保護紅線區RESI指數等級為優和BMI指數等級為強的區域面積顯著增長，說明邛崍山系各縣護林聯防保護生態資源、守護綠水青山、加強生態保護工作有明顯的成效，但仍有小部分區域生態環境質量改善效果不佳。需要特別指出的是，邛崍山生態保護紅線區的BMI指數在2008年存在一個較低值，參考謝洪等[29]對2008年汶川地震重災區泥石流的研究，邛崍山等地區在2008年受汶川地震影響進入泥石流多發期是否導致這一異常低值的出現，有待在后續工作中進一步探討。