基于VOR模型的廣西2014與2019年生態健康時空變化特征研究

李佳豪,羅 潔，徐 勇，張 楠，竇世卿，靖娟利

(桂林理工大學 測繪地理信息學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

生態系統健康評價作為地區景觀評價的一個重要方面，是地區生態環境、人類活動、社會經濟強度的一種體現，也是可持續發展戰略的重要評價方向[1-3]。近年來，由于人類活動的加強和生態環境的惡化，使得多地的生態系統健康受到了巨大沖擊[4-6]。改革開放以來，我國連續出臺多項有關生態保護的法律、法規，國家也將生態保護放置首位[7]。據國家統計局公布的數據顯示，近年來，我國自然保護區數量也在逐年增加，截至2019年，我國國家級自然保護區增加至474個。廣西位于我國華南地區，改革開放以來，該地區大力發展第二產業，至2017年，廣西重工業總產值占工業總產值比例從2000年的52%升至2017年的72%。隨著地區工業的飛速發展及城市化進程的加快，生態系統也受到了一定程度的威脅[8-11]。

目前，國內外有很多關于生態健康評價的相關研究。劉明華等[12]利用多源、多時相遙感影像數據，初步建立了秦皇島地區生態系統健康評價的壓力-狀態-響應概念框架的指標體系和評價模型，并對生態系統健康狀態的變化進行驅動力分析，為地區可持續發展提供可靠理論基礎。王文川等[13]采用自適應風驅動優化算法和回歸支持向量機耦合算法對石羊河流域進行流域生態健康評價，并將結果與可變集模型評價結果進行了對比，證明了AWDO-SVR算法在生態健康評價方面的可行性。汪小欽等[14]結合主成分分析和熵權法獲取了新疆開孔河流域2001—2017年生態健康指數，對開孔河流域的生態健康做出評價。張淵[15]利用VOR模型對滇池流域生態系統進行多尺度的健康評價，驗證了VOR模型在生態健康評價方面的可行性，為滇池流域生態系統健康保護提供了理論依據。

生態健康評價相關研究較多，但針對廣西地區景觀健康評價的研究多是單一地區[16-17]和單一生態系統[18-19]，缺乏大范圍生態健康評價研究。且研究結果多為5年前數據，缺乏一定的時效性。針對以上問題，本文結合歸一化植被指數 (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、地表溫度(Land Surface Temperature,LST)等多種指數，利用VOR(Vigour-Organization-Resilience)生態系統健康模型，反演廣西地區的景觀狀況，并對VOR 生態健康模型反演結果及評價子系統反演結果進行分析及應用評價，研究結果可為廣西生態環境保護、綜合治理與生態文明建設提供科學的理論依據和技術支持。

1 研究區域概況及數據源

1.1 研究區域概況

廣西壯族自治區(20°54′N～26°24′N,104°28′E～112°04′E)擁有常住人口4 885萬，地處中國地勢第二階梯中的云貴高原東南邊緣，屬亞熱帶季風氣候和熱帶季風氣候，氣候溫暖，雨水充沛，光照充足。廣西地跨中亞熱帶常綠闊葉林帶、南亞熱帶常綠季雨林帶、北熱帶季節性林帶，動植物資源豐富，且已建有各種動、植物自然保護區59處(其中國家級自然保護區11處)。近年來，在國家政策的扶持下，廣西經濟得到飛速發展，第二產業、第三產業都得到一定發展，但受自然災害(如暴雨、洪澇等)、經濟發展引起的建設用地增加等因素影響，地區生態環境正遭受嚴重破壞。

1.2 數據源

本文獲取了2014年及2019年2年內覆蓋廣西區域的MODIS傳感器空間分辨率500 m和1 000 m的數據產品。

MODIS數據具有36個波段，光譜范圍廣且重訪周期短，已成為目前全球定量遙感領域首選的數據。從獲取的MODIS數據中得到NDVI、植被凈初級生產力(Net Primary Productivity,NPP)、LST及土地分類數據。其中，NDVI產品為MOD11A3數據，空間分辨率為1 000 m，月數據；NPP產品為MOD17A3HGF數據，空間分辨率為500 m，年數據；LST產品數據為MOD11A2數據，空間分辨率為1 000 m，時間分辨率為8天；土地利用分類數據為MCD12Q1數據，空間分辨率500 m，年數據。基于以上數據，經處理后將其重新賦予權重、組合已達到VOR模型評價的效果。

2 研究方法及數據預處理

2.1 VOR模型概述

目前，在生態系統健康評價方面存在多種評價指標，Rapport等[20]從生態系統活力、組織力、恢復力3個方面建立VOR生態系統健康評價模型，本文擬采用該模型及8個評價指標對廣西區域生態系統進行健康評價。評價指標具體參數如表1所示。

表1 VOR評價模型及指標說明Tab.1 VOR evaluation model and indicator description

V (Vigour)代表區域生態系統的活力，本文將NDVI、NPP、LST作為活力系統的評價指標。NDVI可以直觀地反映出植被的長勢狀態，與植物狀態呈正相關。NPP為植被所固定的有機碳中扣除本身呼吸消耗的部分，這一部分用于植被的生長和生殖，也是植被狀態的直接體現，與植物狀態呈正相關。LST與植物狀態呈負相關[21]。

O(Organization)代表區域生態系統的組織力，本文將景觀多樣性、景觀破碎度、平均斑塊面積和人類干擾指數作為組織力系統的評價指標。景觀多樣性為區域內景觀類型和景物品類的數量。在生態系統中，可以認為一個區域的景觀類型越多，該地區的生態穩定性越高，當一個物種受到破壞時，由于生態系統中景觀類型較高，某一單一類型的破壞并不足以影響整個生態系統，因此該評價指標呈正相關。景觀破碎度為同一景觀類型包含斑塊的離散程度，離散程度越高，生態系統越容易被破壞，即該參數與生態系統組織力呈負相關。平均斑塊面積越大，生態系統越穩定，該參數與生態系統組織力呈正相關。人類干擾指數為人類活動對生態系統的破壞程度，該參數與生態系統組織力呈負相關。

R(Resilience)代表區域生態系統的恢復力，本文將生態彈性度作為恢復力系統的評價指標。生態彈性度越高則表示該生態系統恢復力越強，即生態彈性度與生態系統恢復力呈正相關。

2.2 層次分析法概述

層次分析法是指將一個復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標的若干層次，算出層次單排序(權數)和總排序，以作為指標的系統方法。

本文基于層次分析法對VOR模型中各評價子系統及各評價指標的權重值進行計算。通過對前人相關研究中各指標重要性的了解，將同一評價子系統下各指標之間的相對重要性關系定義至邁實層次分析法軟件中，由計算機自動生成各評價指標的權重值。

2.3 數據預處理

2.3.1 評價指標權重

VOR模型由多種評價指標組成，但不同評價指標對模型的影響力也不盡相同，因此，為了確定各個評價指標相對于整個VOR生態評價模型的權重，本文利用層次分析法[22-23]對8種評價指標進行權重值的確定。各個指標相對于VOR生態評價模型的權重值如表2所示。

表2 VOR生態評價模型各個指標權重值Tab.2 The weight value of each indicator of the VOR ecological evaluation model

2.3.2 生態健康等級劃分

按照VOR模型反演出的廣西生態健康狀態分布，本文將生態系統的健康等級分為5個等級[24]，其中五級代表健康狀態很健康，一級代表健康狀態為病態，生態系統健康等級具體劃分如表3所示。

表3 生態系統健康等級劃分Tab.3 Ecosystem health classification

3 結果分析

3.1 評價子系統分析

為了分析廣西地區生態系統的變化，首先從生態系統活力、組織力、恢復力3個評價子系統角度對廣西地區2014年與2019年之間生態環境變化進行分析。

3.1.1 活力評價系統

生態系統活力代表一個生態系統能量輸入與循環的過程，在一定范圍內生態系統的能量輸入適宜，活力循環就快，該指標可以直接反映生態系統的能量輸入與循環的效率。本文綜合NDVI (0.173 9),NPP (0.175 6),LST (0.175 1)三個指標，獲取了廣西地區2014年和2019年的活力值，如圖1和圖2所示。廣西地區2014年與2019年土地利用分類圖為MODIS公開產品，如圖3和圖4所示。2014年與2019年生態活力等級如圖5所示。

圖1 2014年生態活力值空間分布Fig.1 The spatial distribution of ecosystem vitality in 2014

圖2 2019年生態活力值空間分布Fig.2 The spatial distribution of ecosystem vitality in 2019

圖3 2014年土地利用分類圖Fig.3 The land use type in 2014

圖4 2019年土地利用分類圖Fig.4 The land use type in 2019

圖5 2014年與2019年生態活力等級Fig.5 Ecological vitality levels in 2014 and 2019

時間變化方面，相比2014年，2019年廣西三級、四級、五級活力地區均有不同程度的減少，其中，四級區域最為明顯，減少面積達3.07 km2。對比2014年與2019年土地利用分類圖，三級、四級、五級活力地區的減少多體現在草地、灌木叢向建設用地及林地的轉換。建設用地多為不透水硬化面，植被覆蓋率接近于零，而林地的生態系統多樣性遠小于草地與灌木叢，因此草地與灌木叢的減少使廣西地區生態系統活力大大減小。

在空間變化方面，2014年廣西生態系統活力整體時空分布較為均勻，多數區域處于四級，生態系統活力穩定性較高。2014年廣西地區北部(百色、河池、桂林及柳州北部一帶)生態系統活力多為四級，屬于生態系統活力較高的區域；在廣西地區的中部(崇左西部、柳州南部、來賓、南寧及貴港市)生態系統活力多為三級，屬于中等活力區域；而位于廣西的北海市生態系統活力相對較低且部分區域達到二級。2019年廣西地區的生態系統活力呈現明顯的空間異質性，部分區域出現一級活力現象。2019年廣西地區北部多數區域生態系統活力仍為四級，但柳州市呈現生態系統活力三級現象；廣西中部呈大范圍生態系統活力三級分布，崇左市西部與云南省接壤處出現二級活力區域，而在崇左市東部及南寧市西部則出現較為明顯的一級活力區域；廣西南部的欽州市及北海市均出現明顯的一級活力區域。

相較于2014年，2019年廣西生態系統活力整體呈下降趨勢。廣西北部以柳州市為主的多處地區生態系統活力從四級下降至三級，這與柳州市及其周邊地區經濟發展所帶來的建設用地增加問題有著密切聯系；在中部地區呈現生態系統活力較低區域向外擴張現象，這主要與中部地區城市化進程有關；廣西南部北海市一帶部分地區的生態系統活力從三級轉化為一級，生態系統活力減少最為嚴重。作為新興旅游勝地，北海市每年擁有大量游客，人類活動的干擾成為該地區生態系統活力減少的主要原因。

3.1.2 組織力評價系統

生態系統組織力是指生態系統物種之間的結構關系，生態系統結構越復雜，組織力也就越高，該指標可以直接反演生態系統的復雜程度。本文綜合景觀多樣性、景觀破碎度、平均斑塊面積、人類干擾指數4個評價指標，對廣西2014年與2019年生態系統組織力進行反演，結果如圖6和圖7所示，2014年與2019年生態組織力等級分布情況統計圖如圖8所示。

圖6 2014年生態組織力空間分布Fig.6 The spatial distribution of organizational strength in 2014

圖7 2019年生態組織力空間分布Fig.7 The spatial distribution of ecological organizational strength in 2019

圖8 2014年與2019年生態組織力等級統計Fig.8 The statistical results of ecological organizational strength levels in 2014 and 2019

時間變化方面，2014年廣西地區組織力等級分布較為復雜，四級、五級區域分別占總面積的39.39%和34.81 %。生態系統組織力在三級以下的區域占總面積的9.74%，這些區域均為不健康或病態狀態區域。近年來，廣西地區人口數量增長較為迅速，隨之帶來的城鎮化進程加快、外來旅游人口增多等人類活動的影響極大地威脅著廣西地區生態環境的穩定。2019年廣西地區生態系統組織力四級以上區域面積占比相對較大，健康及以上健康狀態區域面積明顯提高，但仍有10.28%的地區處于二級不健康區域，0.52%的地區處于一級病態區域。

空間變化方面，2014年廣西地區組織力等級呈現南高北低的空間分布，在中部及南部地區出現4個等級交融現象。2019年廣西地區除中部及南部部分區域出現二級區域外，其他地區生態系統組織力等級均在三級以上。相較于2014年，2019年廣西地區組織力等級分布較為集中，廣西北部、西部及東部地區均處于三級以上，其中生態組織力五級區域占總面積的31.58%。

相較于2014年，2019年五級及三級區域有所下降，但四級區域上升18.24%，這些區域多由灌木叢及草地組成，生態系統結構較為穩定。2019年總體呈現生態系統組織力上升趨勢，上升地區主要集中在廣西東部區域，這與東部區域林地面積增加有一定關系。

3.1.3 恢復力評價系統

生態系統恢復力是指生態系統在受到外界因素干擾后，重新恢復其原有平衡的能力。本文利用生態彈性度指標來評價生態系統恢復力，2014年、2019年生態系統恢復力如圖9和圖10所示。2014年與2019年生態系統恢復力等級分布情況統計圖如圖11所示。

圖9 2014年生態恢復力空間分布Fig.9 The spatial distribution of ecological resilience in 2014

圖10 2019年生態恢復力空間分布Fig.10 The spatial distribution of ecological resilience in 2019

圖11 2014年與2019年生態恢復力等級統計Fig.11 The statistical results of ecological resilience levels in 2014 and 2019

時間變化方面，2014年廣西地區生態系統恢復力等級較為復雜，一級～五級區域均有出現。相比2014年生態系統恢復力，2019年等級相對較為單一，多以五級區域為主，五級區域占整個區域的65.83%。但2019年廣西地區生態系統恢復力相差較大，出現一級與五級交融現象。

空間變化方面，2014年廣西北部生態系統恢復力等級以五級為主，其中在桂林市及柳州市的北部均出現三級區域；在廣西中部及南部則出現多等級地區混雜現象，并出現較為明顯的一級地區。2019年廣西地區除中部存在部分一級地區外，其他地區均處于四級及以上等級。

相較于2014年，2019年廣西地區恢復力等級有所提升，北部及東部等多處區域由三級轉變為五級地區。但生態系統恢復力的提升僅與地表地物類型有關，并不能代表生態系統向好發展。

3.2 生態健康指數分析

基于生態系統活力、組織力、恢復力3個指標，結合層析法解求出的3個指標的權重值，得到廣西地區2014年與2019年生態系統健康等級空間分布圖，如圖12和圖13所示。將獲取的廣西地區生態系統健康等級進行重分類，得到各區域面積占比如圖14所示。

圖12 2014年生態系統健康空間分布Fig.12 The spatial distribution of ecosystem health in 2014

圖13 2019年生態系統健康空間分布Fig.13 The spatial distribution of ecosystem health in 2019

圖14 2014年與2019年生態系統健康等級統計Fig.14 The statistical results of ecosystem health levels in 2014 and 2019

時間變化方面，2014年廣西地區生態系統健康五級區域總面積為51 600 km2，占總面積的21.88%，四級區域占總面積的58.17%，且僅有0.54%的地區成為一級區域，生態系統狀況相對較好。2019年廣西地區生態系統健康四級及以上區域占總面積的74.49%，但五級區域占比嚴重下降，僅占總面積的11.91%。

空間變化方面，2014年廣西地區生態系統健康五級區域主要集中在廣西西北部(百色、河池等地)及東部(梧州、賀州等地)，四級地區主要分布在廣西中部及南部。2019年廣西地區西北部生態系統健康五級區域明顯減少，這與廣西西北部地區近年來城市化進程及人類活動的影響存在一定關系。據統計，2019年百色地區常住人口城鎮化率由2015年的34.10%增長至37.52%，上升3.42%。同時，該地糧食產量一直呈下降趨勢，由2015年的116.5×107kg下降至2019年的107.29×107kg，但百色市火力發電等工業產量呈現增長趨勢，表明百色市生態環境一直遭受破壞。賀州市的工業發展也成為地區生態系統退化的主要原因，2015年規模以上工業增加值為5.3%，而2019年則增長至18.5%，工業的大力發展成為威脅生態系統穩定的因素之一。在廣西東北部(桂林等地)，生態系統健康等級有所上升，部分地區從三級區域提升至四級區域，這與該地2014年以來頒布的一系列環境保護法規有關。

相較于2014年，2019年的生態系統健康等級下降較為明顯，多處五級區域退化至四級區域，而一級區域卻有所上升。近年來，廣西地區城市化進程在穩步推進，建設用地及耕地面積也在不斷擴張，這進一步加劇了生態環境的破壞。

4 結束語

本文基于VOR模型并結合層析法計算的評價指標權重，得到廣西地區2014年及2019年生態系統活力、組織力、恢復力、健康等級的空間分布情況及各等級所占面積。本文主要結論如下：

(1) 生態系統活力方面，與2014年相比，2019年廣西生態系統活力呈嚴重下降趨勢，四級區域減少13.13%，而一級區域則增加至7.59%。生態系統活力降低區域處于廣西北部、南部部分區域，這與該地經濟發展存在密切關系。

(2) 生態系統組織力方面，與2014年相比，2019年總體呈現生態系統組織力上升趨勢，生態系統組織力區域上升26.44%，主要歸因于廣西地區林地面積的增加對組織力形成的促進作用。

(3) 生態系統恢復力方面，相較于2014年，2019年整體生態系統恢復力有所提升，北部及東部等多處區域由三級轉變為五級地區，這與土地類型的變化有一定關聯。

(4) 生態系統健康方面，整體來看，廣西地區6年來的生態系統變化呈現惡化趨勢，生態系統健康五級區域嚴重下降，一級病態區域有所增加，并呈現持續增加趨勢，這與廣西區域城市化進程等人類活動影響有關。相關部門應加強監督管理、合理規劃，處理好城市化進程及經濟發展與生態保護之間的關系。

針對廣西地區生態系統評價缺乏等問題，利用VOR模型，綜合活力、組織力、恢復力指標，分析了廣西地區2014—2019年生態健康時空變化特征，對地區生態保護、治理具有一定的指導意義。