2000-2021年大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演化及其與區(qū)域土地利用耦合關(guān)系

王 雅 婷，朱 長 明*，張 濤，張 新，石 智 宇

(1.江蘇師范大學(xué)地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 221116；2.中國地質(zhì)調(diào)查局長沙自然資源綜合調(diào)查中心，湖南 長沙 410600；3.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測與評價(jià)對區(qū)域土地合理利用、國土空間規(guī)劃、流域綜合治理等均具有重要意義[1]。當(dāng)前生態(tài)環(huán)境評價(jià)方法主要有：1)基于壓力—狀態(tài)—響應(yīng)(PSR)模型的生態(tài)環(huán)境評價(jià)，如陳鳳等選取17個(gè)指標(biāo)構(gòu)建評價(jià)體系，基于PSR模型對閩東濕地的生態(tài)健康狀況進(jìn)行評價(jià)[2]，但該評價(jià)方法多使用面板數(shù)據(jù)，存在權(quán)重主觀性大、研究單元尺度小、數(shù)據(jù)獲取困難等限制；2)基于主成分分析構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)的生態(tài)環(huán)境評價(jià)[3]，如王勇等基于遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建RSEI，分析了丹江流域、祁連山國家公園的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化及其原因[4，5]，該評價(jià)方法更全面、綜合、快捷、客觀，可為探究其他地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化特征提供參考[6-8]。

大別山區(qū)是長江流域重要的生態(tài)屏障，同時(shí)也是我國糧食生產(chǎn)區(qū)、生態(tài)功能區(qū)以及國家水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)[9]。近年來，人口擴(kuò)張、耕地面積增加使該地原有的自然景觀被割裂，粗放式旅游資源開發(fā)加大了對生態(tài)系統(tǒng)的干擾，導(dǎo)致大別山區(qū)的生態(tài)恢復(fù)力下降、人地關(guān)系惡化[9-12]。因此，亟需開展大別山區(qū)生態(tài)環(huán)境變化宏觀監(jiān)測和動態(tài)分析，進(jìn)一步加強(qiáng)人類活動與區(qū)域生態(tài)安全的耦合關(guān)系研究[13]。然而，當(dāng)前對大別山區(qū)的相關(guān)研究主要集中在探究土地利用方式變化對土壤侵蝕程度和生態(tài)修復(fù)功能的影響以及景觀格局對生境質(zhì)量的影響等方面[14-16]，對其長時(shí)期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)評價(jià)的研究相對較少。鑒于此，本文基于GEE平臺利用2000-2021年Landsat和MODIS多源遙感數(shù)據(jù)，通過主成分分析構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，以揭示大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化特征，并探究土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間耦合性，對大別山區(qū)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)振興以及長江流域水生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

大別山西段(113°45′～116°07′E，29°45′～32°27′N)北臨淮河、南靠長江，行政范圍包括河南省信陽市、湖北省黃岡市和孝感市的大悟縣(圖 1)，總面積37 570 km2。該地區(qū)以亞熱帶季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎０螢?8～1 707 m，地處我國第一階梯到第二階梯的過渡區(qū)，地勢中部高，南、北低，地形復(fù)雜多樣，包括山地、盆地、丘陵、平原、洼地，區(qū)內(nèi)土地貧瘠，受自然氣候與人為開發(fā)影響，生態(tài)環(huán)境較脆弱，水土流失、泥石流等自然災(zāi)害易發(fā)。由于大別山區(qū)特殊的地理位置和生態(tài)功能，其生態(tài)狀況備受關(guān)注，2001年被列為第一批水土保持生態(tài)修復(fù)試點(diǎn)，2006年被列為國家級水土流失重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)，2015年被列為水源生態(tài)涵養(yǎng)功能區(qū)，當(dāng)?shù)卣_展了一系列區(qū)域性水土保持治理工作，并取得一定成果[17,18]。

圖1 研究區(qū)地理位置及海拔Fig.1 Geographical location and altitude of the study area

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)中干度和綠度指標(biāo)受傳感器類型和影像合成時(shí)間的影響較小，而濕度指標(biāo)受傳感器的影響較大[19]，因此，本文采用同一系列衛(wèi)星(Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI)影像質(zhì)量較好的地表反射率數(shù)據(jù)計(jì)算綠度、干度、濕度3個(gè)指標(biāo)，以保證反演結(jié)果的可比性。Landsat系列影像數(shù)據(jù)均已經(jīng)過大氣校正、幾何校正等預(yù)處理，同時(shí)基于Landsat質(zhì)量評估波段利用除云算法計(jì)算無云影像中值以合成無云影像，缺失數(shù)據(jù)利用相鄰年份的像元值代替，并將合成影像重采樣至1 km；利用Landsat 系列數(shù)據(jù)反演的地表溫度數(shù)據(jù)精度受不同算法、地表覆蓋類型和比輻射率取值的影響[20,21]，同時(shí)RSEI中的熱度指標(biāo)受影像合成時(shí)間的影響較大[19]，因此，本文選取與Landsat影像相同日期的MOD11A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品計(jì)算熱度指標(biāo)，空間分辨率為1 km。為避免夏季云量過大、植被物候差異和下墊面各要素差異的影響，選取研究區(qū)2000年、2005年、2010年、2015年和2021年各年9-11月云量較少的遙感影像[22,23](均從GEE平臺免費(fèi)獲取)。為避免水體影響主成分的載荷值，利用水體矢量數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行掩膜處理。2000年和2020年土地利用/覆被數(shù)據(jù)來自資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心，包括林地、草地、耕地、建設(shè)用地、水域、未利用地六大類，空間分辨率為1 km。

1.2 研究方法

1.2.1 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)構(gòu)建 RSEI利用綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)(計(jì)算方法見表1)評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[3,24]。其中，NDVI與植被生長和植被覆蓋度等因素密切相關(guān)[30]，用以表示綠度指標(biāo)；Wet為纓帽變換中的濕度分量，能反映土壤和植被的含水量[31]，用以表示濕度指標(biāo)；LST為地表溫度，代表熱度指標(biāo)；NDBSI為裸土指數(shù)和建筑指數(shù)均值，裸土和建設(shè)用地會造成土地表面干化，進(jìn)而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成破壞[32]，用以表示干度指標(biāo)。由于以上指標(biāo)量綱不同，本文采用極值標(biāo)準(zhǔn)化法對其進(jìn)行歸一化處理，然后進(jìn)行主成分分析，利用第一主成分構(gòu)建RSEI0(式(1))[25]，對其進(jìn)行歸一化處理得到RSEI(式(2))，其取值范圍為[0,1]，值越大，表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

表1 各指標(biāo)計(jì)算方法Table 1 Calculation methods of various indicators

(1)

RSEI=(RSEI0-RESI0-min)/(RSEI0-max-RSEI0-min)

(2)

1.2.2 平均相關(guān)系數(shù) 為驗(yàn)證RSEI能否準(zhǔn)確評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，選取相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)RSEI的適宜性。若RSEI和各指標(biāo)間的平均相關(guān)系數(shù)[8]大于各指標(biāo)之間的平均相關(guān)系數(shù)，則說明相對其他各指標(biāo)，RSEI能更綜合、全面描述研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2 結(jié)果分析

2.1 模型檢驗(yàn)

由表2可知，第一主成分特征值的貢獻(xiàn)率均超過61%，集中了4個(gè)指標(biāo)的大部分信息，表明RSEI能較好地表示生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[33]。其中，NDVI、Wet在第一主成分上的貢獻(xiàn)率為正值，說明綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境具有促進(jìn)作用，LST、NDBSI的貢獻(xiàn)率為負(fù)值，說明熱度和干度對生態(tài)環(huán)境具有抑制作用，與實(shí)際情況相符。由表3可知，綠度、濕度、熱度、干度4個(gè)指標(biāo)中，濕度的平均相關(guān)系數(shù)最大，多年均值為0.64，熱度的平均相關(guān)系數(shù)最小，多年均值為0.47；RSEI與各指標(biāo)的平均相關(guān)系數(shù)為0.78，比4個(gè)指標(biāo)分別高50%、21%、65%、59%，表明RSEI和各指標(biāo)的相關(guān)性更強(qiáng)，能更綜合、全面地表征研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

表2 第一主成分分析結(jié)果Table 2 Results of the first principal component analysis

表3 各指標(biāo)相關(guān)性矩陣Table 3 Correlation matrix of various indicators

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化

2000年、2005年、2010年、2015年和2021年大別山西段RSEI分別為0.442、0.444、0.470、0.550、0.500，生態(tài)指數(shù)呈顯著上升趨勢，增長速率為0.004/a (R2=0.58,P<0.05)，說明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷改善。雖然2021年RSEI稍有下降，但僅為高位震蕩，整體仍呈上升趨勢。

以0.2為間隔將RSEI劃分為差[0,0.2]、較差[0.2,0.4]、中等[0.4,0.6]、良[0.6,0.8]和優(yōu)[0.8,1]5個(gè)等級[22]并進(jìn)行可視化(圖2)，可以看出，整體上大別山西段的生態(tài)等級以中等為主，空間分異特征明顯。其中，信陽市南部和黃岡市東部生態(tài)等級較高，該區(qū)域?yàn)榇髣e山生態(tài)保護(hù)區(qū)，海拔高、植被廣布，受人類活動的影響較小，生態(tài)環(huán)境保護(hù)較好，生態(tài)等級高；信陽市北部、大悟縣以及黃岡市西部的生態(tài)等級較低，緣于信陽市北部為平原，人口和鄉(xiāng)鎮(zhèn)集聚，自然資源被大量開發(fā)利用，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)等級低，而黃岡市礦產(chǎn)豐富，大量露天礦場被廢棄[34]，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。2000-2021年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有明顯改善，信陽市北部大面積區(qū)域生態(tài)等級提升至中等，大悟縣生態(tài)等級主要從較差提升至中等，黃岡市北部地區(qū)生態(tài)等級主要從較差提升至良。

圖2 2000-2021年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)等級分布Fig.2 Distribution of RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

對大別山西段各生態(tài)等級占比(表4)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，研究區(qū)生態(tài)等級以中等和良為主，2000年、2005年、2010年、2015年、2021年占比分別為56.51%、55.49%、61.74%、77.64%、73.48%。其中2005年生態(tài)等級中等及以上區(qū)域面積僅占56.17%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最差；2015年生態(tài)等級中等及以上區(qū)域面積占82.25%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好。5個(gè)年份生態(tài)等級為優(yōu)和良的區(qū)域面積占比分別為18.94%、14.67%、26.40%、39.47%、28.10%，整體上持續(xù)增大，但上升幅度較小，差和較差的區(qū)域面積占比分別為42.44%、43.83%、35.66%、17.75%、25.47%，整體上不斷下降且降幅較大。綜合看，大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈上升趨勢。

表4 2000-2021年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級占比Table 4 Proportion of various RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化特征

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量共分為5級，若等級差值為正，說明2000-2021年研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升，反之說明研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。對2000-2021年大別山西段生態(tài)等級轉(zhuǎn)換進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表5)，其中，生態(tài)改善區(qū)域占39.66%，生態(tài)惡化區(qū)域占10.55%，生態(tài)等級未變化區(qū)域達(dá)49.79%，表明大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈穩(wěn)定上升趨勢。等級變化以1級為主，分別占變差或變好區(qū)域的79.43%、91.83%，說明生態(tài)等級變化并不明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較穩(wěn)定。

表5 2000-2021年研究區(qū)生態(tài)等級變化統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of changes in RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

從研究區(qū)生態(tài)等級變化空間分布看(圖3)，生態(tài)等級下降地區(qū)主要分布在信陽市北部和黃岡市南部。信陽市北部區(qū)域RSEI下降0.01，最大降幅為0.40，導(dǎo)致生態(tài)等級急劇下降；黃岡市南部區(qū)域RSEI下降0.16，最大降幅達(dá)0.53。生態(tài)等級上升地區(qū)分布在信陽市南部、黃岡市中(北)部和大悟縣，該區(qū)域?qū)賰墒〗唤缫约按髣e山生態(tài)保護(hù)區(qū)，植被覆蓋率高，同時(shí)積極響應(yīng)退耕還林政策，加強(qiáng)水土保持生態(tài)功能區(qū)建設(shè)，因此近年來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提升，其中信陽市南部和黃岡市北部RSEI提升幅度較大，分別提升了0.14和0.13。

2.4 土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

土地利用/覆被類型是人類活動和土地系統(tǒng)相互作用的綜合表現(xiàn)，極大影響了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量[10，28]。2000-2020年研究區(qū)土地利用/覆被變化最顯著的是耕地—林地、林地—耕地、耕地—建設(shè)用地、建設(shè)用地—耕地，變化面積分別為2 759 km2、2 131 km2、1 764 km2、1 295 km2(表6)。由圖4可知：耕地—林地集中在信陽市南部、黃岡市北部，位于大別山生態(tài)保護(hù)區(qū)且積極響應(yīng)退耕還林政策，植被覆蓋度高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善；林地—耕地分散在大悟縣、信陽市南部和黃岡市北、中部，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量以不變和改善為主；耕地—建設(shè)用地主要分布在黃岡市西、南部以及信陽市北部，位于低海拔平原區(qū)，人口大量集聚，城市擴(kuò)張迅速，造成生態(tài)環(huán)境惡化；建設(shè)用地—耕地分散在黃岡市北、南部和信陽市中、北部，由于信陽市、黃岡市是農(nóng)業(yè)大市，需嚴(yán)守耕地紅線、積極響應(yīng)城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛鉤政策，因此，大量閑置建設(shè)用地轉(zhuǎn)為耕地[35,36]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黃岡市2018年復(fù)墾驗(yàn)收農(nóng)田1 266.67 hm2，其中農(nóng)村閑置建設(shè)用地供應(yīng)土地933.33 hm2；信陽市通過農(nóng)村宅基地復(fù)墾土地6 333.33 hm2，同時(shí)礦山治理復(fù)墾面積達(dá)到600 hm2。通過土地復(fù)墾、增減掛鉤以及礦山治理等項(xiàng)目，大面積建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀嵘水?dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量。此外，信陽市中部土地利用/覆被類型主要為耕地且未發(fā)生變化，但該區(qū)域生態(tài)環(huán)境也得到一定提升，主要原因可能是信陽市近年來水稻種植面積占比增加，使土地濕度增大，地表溫度降低，影響了當(dāng)?shù)氐腞SEI。同時(shí)，部分建設(shè)用地復(fù)墾及水域擴(kuò)張也進(jìn)一步改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。以上說明土地利用/覆被變化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化存在空間上的耦合性，信陽市北部和黃岡市西、南部土地利用/覆被變化造成大面積生態(tài)惡化，而信陽市南部和黃岡市北部土地利用/覆被變化促使生態(tài)改善。此外，土地利用變化的方式也與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化密切相關(guān)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善受建設(shè)用地—耕地和耕地—林地的影響最顯著，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化受耕地—建設(shè)用地的影響最顯著。

表6 2000-2020年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

圖4 研究區(qū)土地利用與生態(tài)變化耦合結(jié)果Fig.4 Coupling results of ecological variation and land use in the study area

3 結(jié)論

本文基于GEE云計(jì)算平臺，綜合利用Landsat和MODIS遙感數(shù)據(jù)，通過主成分分析構(gòu)建RSEI，對2000-2021年大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評估，并分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空演變特征；在此基礎(chǔ)上結(jié)合區(qū)域多年LUCC數(shù)據(jù)探究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變與土地利用/覆被變化的耦合關(guān)系。結(jié)果表明：1)2000-2021年大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善顯著，RSEI從0.44升至0.50，增長速率為0.004/a(R2=0.58,P<0.05)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級提高區(qū)域面積占比39.66%。2)大別山西段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級空間分異明顯。信陽市北部生態(tài)等級低，信陽市南部和黃岡市北部生態(tài)等級高。2000-2021年生態(tài)等級下降區(qū)集中在地勢平坦、人口密集的信陽市北部和礦產(chǎn)開發(fā)強(qiáng)度大的黃岡市南部，生態(tài)等級上升區(qū)為大別山生態(tài)保護(hù)區(qū)。3)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與土地利用/覆被變化空間耦合密切。信陽市中部建設(shè)用地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?復(fù)墾)、黃岡市北部和信陽市南部耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?還林)促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境改善，黃岡市西、南部和信陽市北部耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境惡化。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受氣候、地形、土壤等自然因素和城市建設(shè)、生態(tài)治理等人類活動的多重影響，本文僅分析了土地利用/覆被變化對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，未來應(yīng)考慮多種因素，綜合探究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的原因。研究區(qū)地處亞熱帶山區(qū)，云量較多，本文雖利用除云算法合成了特定時(shí)段內(nèi)的無云影像，但RSEI的精準(zhǔn)性仍會受到一定影響。此外，遙感生態(tài)指數(shù)雖能快速、及時(shí)、準(zhǔn)確地對大尺度區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)并將結(jié)果可視化[37]，但僅利用綠度、干度、濕度、熱度4個(gè)指標(biāo)評價(jià)生態(tài)狀況仍具有局限性[38]；指數(shù)的構(gòu)建僅利用第一主成分，RSEI可能具有片面性[39]；受時(shí)相和主成分載荷值不統(tǒng)一的影響，RSEI可能不具有可比性[40]；受傳感器性能影響，RSEI可能具有差異性[19]等。以上問題需要更全面、綜合的指標(biāo)來量化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，如何選擇不同因子需進(jìn)一步研究。