恩施州生態質量時空特征分析
——以2001—2020年為例

周璐 劉恒 湯弟偉

(湖北民族大學林學園藝學院，湖北 恩施 445000)

社會經濟的發展與生態環境質量的好壞密切相關[1]。隨著社會經濟的快速發展，人類活動加劇，人地關系矛盾突出，一系列生態環境問題日益凸顯，如沙漠化、水土流失、生物多樣性的退化以及森林砍伐等[2]。而良好的生態環境是最普惠的民生福祉，如何有效改善生態環境質量、加快生態文明建設，開展對生態環境質量的監測與評價顯得尤為重要。恩施州于2021年10月被生態環境部命名為第五批“綠水青山就是金山銀山”實踐創新基地，但其生態環境較為脆弱[3]，人類活動與自然要素對其生態質量影響較大，客觀、正確地評價恩施州生態質量時空特征對于推動區域生態文明建設具有積極作用。

基于遙感的生態指數RSEI(Remote Sensing Based Ecological Index)[4]運用主成分分析集成綠度、濕度、熱度、干度4個指標評價生態質量，具有快速、客觀等優勢，其可靠性已在前人研究中得到驗證[5-7]。如胡克宏等[8]基于RSEI，認為秦嶺南麓腹地留壩縣生態環境質量2003年前呈大面積的小幅退化，后則呈大面積的小幅改善。卡吾恰提·白山等[9]運用ENVI軟件的主成分分析方法構建和田市的RSEI，結果表明，城鎮化進程對生態環境質量呈負面影響，和田市生態環境質量呈下降趨勢，其生態環境問題亟待解決。Yuan等[10]借助Google Earth Engine(GEE)平臺構建基于Landsat數據的RSEI，評估了洱海流域的生態環境質量，結果表明，洱海流域整體的生態環境質量在1999—2009年下降，在2009—2019年有所提升。

恩施州作為武陵山區水土保持與生物多樣性生態功能區的重要組成部分，具有重要的生態保護和科學研究價值，但未見該區域生態環境質量長時序變化研究。因此，本文借助GEE平臺，運用MODIS數據構建恩施州2001—2020年RSEI對其生態質量時空特征進行長時序的評價，以探究恩施州生態環境質量狀況，為加快恩施州創建國家級生態文明示范區提供數據參考。

1 研究區及數據來源

1.1 研究區概況

恩施州全稱恩施土家族苗族自治州，位于湖北省西南部，E108°～110°，N29°～31°，見圖1。下轄恩施市、利川市、建始縣、巴東縣、宣恩縣、咸豐縣、來鳳縣以及鶴峰縣，全州行政區劃面積達2.4萬km2。全州以山地為主，海拔介于-9～2989m，北部、西北部以及東南部地勢高，中部以及南部地勢低。屬亞熱帶季風性濕潤氣候，境內有木林子、星斗山、七姊妹山3個國家級自然保護區和1個神龍溪省級自然保護區，森林覆蓋率達70%，享有“鄂西林海”之稱。

圖1 研究區地理位置

1.2 數據來源及處理

本研究所選用的數據為MODIS遙感產品數據中的MOD09A1、MOD11A2以及MOD13A1。MOD09A1提供了Terra MODIS波段1～7，空間分辨率為500m的地表光譜反射率估計值，并根據大氣條件(氣體、氣溶膠和瑞利散射等)進行了校正。MOD11A2提供了空間分辨率為1000m,平均8d的地表溫度(LST)。MOD13A1提供了植被指數值，選用第1個歸一化差分植被指數NDVI植被層，其空間分辨率為500m。借助Google Earth Engine平臺篩選2001—2020年恩施州4—10月的上述遙感影像，然后利用各數據集的質量控制波段去除云、云陰影和無效值，并進行相應的系數轉換，最后年合成獲得最佳影像，其中LST采用均值合成，NDVI、WET和NDBSI采用中值合成。以上遙感數據均來自GoogleEarth Engine平臺提供的MODIS遙感產品(https://developers.google.com/earth-engine/datasets/catalog/modis)。

2 研究方法

2.1 構建遙感生態指數

遙感生態指數RSEI[11]選用綠度、濕度、熱度、干度4個能直觀反映生態優劣的指標，采用主成分分析確定各指標權重，實現指標的集成。RSEI的函數表達式：

RSEI=f(NDVI,WET,LST,NDBSI)

(1)

式中，NDVI、WET、LST、NDBSI分別表示綠度、濕度、熱度、干度指數。

由于地表溫度LST可從MOD11A2獲取，綠度NDVI可從MOD13A1獲取，因此只需根據MOD09A1的各波段計算濕度指數與干度指數[12]。其計算公式[13,14]：

(2)

(3)

RSEI0=PC1[f(NDVI,WET,LST,NDBSI)]

(4)

(5)

式中，ρi(i=1…7)為地表反射率產品MOD09A1的各波段值。PC1代表主成分分析的第1個分量；RSEI是指RSEI0的歸一化結果。

需要注意的是，本文運用主成分分析來集成4個指數，在分析前，為了避免指標權重占比差異較大，對4個生態變量進行歸一化處理；參考研究利用改進的歸一化差值水體指數(MNDWI)[15]掩膜水體，從而避免大面積水體對主成分分析的影響；通過對4個變量進行主成分轉換，得到第一主成分結果(PC1)。為比較不同時間段的RSEI，將最初的遙感生態指數進行歸一化處理。

2.2 RSEI變化趨勢分析

一元線性回歸分析能夠綜合表征一定時間序列的區域格局演變規律[16]，該方法的優點是可以消除由于異常因素對RSEI的趨勢分析所造成的影響，真實地反映長時間序列RSEI的演化趨勢。計算公式：

(6)

式中，slope為趨勢線斜率；n為研究時段的長度；RSEIi為第i年的RSEI值。slope>0表示RSEI上升，反之表示下降，其值大小表示RSEI變化速率。

3 結果與分析

3.1 恩施州生態質量時間變化特征

恩施州生態質量狀況總體呈現波動上升趨勢，見圖2，其變化率為0.0035·a-1。近20a RSEI均值為0.73,RSEI最小值出現在2001年，為0.67，在2019年出現最大值為0.78，RSEI總體較高，表明在2001—2020年期間，該地區生態質量狀況較好。

圖2 2001—2020年恩施州RSEI年際變化趨勢

各縣市RSEI年際變化情況如圖3所示。在2001—2020年，各縣市生態質量狀況均有所改善，其中來鳳縣的變化最為明顯，其RSEI均值由2001年的0.54提升至2020年的0.68。其原因在于，“十三五”以來，來鳳縣積極推動生態文明建設工作，加大生態造林、退耕還林的工作力度，使其森林覆蓋率達60%。與此同時，全縣對于重點生態功能區的保護也未松懈，6個生態保育基地的建設使其圓滿完成了“綠滿荊楚”的提升行動，并在2020年成為省級生態文明建設示范縣，生態建設成效顯著。鶴峰縣在全州中RSEI均值總體較高，由于森林城市綠化工程的推進使其城市建成區的綠化覆蓋率達46.8%，加之省道綠化工作的開展，近20a來，呈“上升—下降”交替變動，其生態質量狀況總體改善。建始縣僅次于鶴峰縣，RSEI相較于其它縣市高，2007年RSEI最高為0.78，隨后降至2010年的0.72，究其原因，縣內森林資源的逐步開發與利用，使其RSEI減少，在隨后的10a間RSEI呈波動上升趨勢，生態質量狀況總體改善。而恩施市、利川市、巴東、宣恩、咸豐的RSEI均值提升相對較小。

圖3 2001—2020各縣市RSEI年際變化

為進一步分析恩施州生態質量狀況的動態變化過程，本文參考已有研究[17]將RSEI分為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、優(0.8～1)5個等級。對恩施州2001—2020年生態質量等級變化的面積進行統計，結果見表1。

表1 2001—2020年恩施州生態質量等級

研究區近20a生態質量等級變化差異顯著。生態質量等級為“差”和“較差”的面積占比合計最低為0.11%，最高僅為0.78%，而等級為“優”和“良”的面積占比合計最低為76.8%，最高可達96.4%，表明恩施州生態質量等級整體較高，生態質量較好。生態質量等級為“中等”的區域面積占比變化呈波動下降趨勢，具體表現為在2001—2012年間呈“下降—上升”交替變動，自2012年后面積占比持續下降，到2020年其面積占比由最初的22.46%下降為4.02%，下降了18.44%。與此同時，“優”跟“良”的面積占比由2001年的76.8%上升為2020年的95.4%，上升了18.6%。從分析恩施州2001—2020年生態質量等級變化可知，20a間全州大部分地區生態質量等級以“良”和“優”為主，生態質量狀況較好，且生態條件不斷改善。

3.2 恩施州生態質量空間變化特征

恩施州RSEI均值分級結果如圖4a所示，其生態質量空間分布大致表現為“中部差、四周良好”。全州大部分地區的RSEI均值均大于0.5，生態質量等級以“良”、“優”為主，遍及全州8大縣市，占比達91.86%。生態質量較差的區域主要分布于恩施市、利川市與來鳳縣的城區，究其原因，這些區域地形相對平緩，植被覆蓋度較低，人口稠密，人類干擾劇烈。從縣域來看，鶴峰縣、建始縣的生態質量狀況較好，其生態質量等級為“優”的比例較其他縣市略高，來鳳縣的生態質量狀況相對較差。

圖4 恩施州RSEI時空分布格局

為探究其空間變化趨勢，對恩施州RSEI進行slope趨勢分析，見公式(6)，結果如圖4b所示。恩施州RSEI趨勢變化以增加為主，增加趨勢的比例達91.1%，較為明顯增加的區域主要分布于東北部巴東縣境內的長江沿岸和南部來鳳縣，這些區域退耕還林等政策使地表植被覆蓋發生變化，加之農業生產經營活動的影響，生態質量狀況較好。僅8.9%區域RSEI持續下降，主要是恩施市、利川市城區，其原因在于城市的發展帶來的建設用地的擴張，使其RSEI減小，生態質量狀況持續變差。

在RSEI等級劃分基礎上，以2010年為界對全州2001年和2020年進行差值變化檢測，并將結果分為“明顯變差”、“變差”、“不變”、“變好”、“明顯變好”5個等級，以分析恩施州近20a生態質量狀況的時空差異變化。

由表2、圖5可知，2001—2010年，全州生態質量狀況不變的面積占比最大，為76.30%；生態質量狀況改善的面積占總面積比例為17.93%，主要分布于中部和南部；生態變差的面積為1382.75km2，所占比例僅為5.77%，明顯小于改善的面積，主要分布于東南部。2010—2020年，生態質量狀況變好的面積占比增加至30.09%，全區廣泛分布；變差的面積占總面積比例為2.37%，主要位于恩施市城區周邊，變好的面積大于變差的面積，改善程度明顯高于2001—2010年。從2001—2020年的差值變化來看，生態質量狀況變好的面積為10281km2，所占比例為42.87%，變差的面積為817.5km2，所占總面積的比例僅為3.41%，不變的面積為12885.5km2，所占比例為53.73%，說明全州近20a來生態質量狀況有所改善。

表2 恩施州生態質量等級變化

圖5 恩施州RSEI變化檢測

4 結論

本文基于MODIS數據，構建了恩施州2001—2020年RSEI，并對其生態質量狀況的時空分布特征進行分析，具體結論如下。

時間上，近20a全州RSEI介于0.67～0.78，其變化率為0.0035·a-1，生態質量狀況逐漸變好；各縣市生態質量狀況均有所改善，其中鶴峰縣生態質量最佳，來鳳縣的改善最明顯；全州大部分地區生態質量等級為“良”，占比為71.15%，其次為“優”，而“差”和“較差”占比較小，不足1%。

空間上，全州生態質量分布的空間格局為“中間差、四周良好”；RSEI趨勢變化以增加為主，比例達91.1%，僅8.9%區域RSEI持續下降；選取的3個時間段生態質量等級變化均以不變為主，但改善的面積呈現增加趨勢。