基于遙感影像的黃土高原溝壑區(qū)生態(tài)效應(yīng)評價

孫從建，張文強，李新功，孫九林,3

基于遙感影像的黃土高原溝壑區(qū)生態(tài)效應(yīng)評價

孫從建1,2，張文強1,2，李新功1，孫九林1,3

（1. 山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 臨汾 041000；2. 中國科學(xué)院荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，烏魯木齊 830011； 3. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101）

水土流失和生態(tài)退化是當(dāng)今黃土高原面臨的主要生態(tài)問題，已嚴(yán)重制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。該文基于Landsat TM和OLI數(shù)據(jù)，估算了黃土高原溝壑區(qū)的遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index, RSEI），定量分析了2002、2009、2017年甘肅、陜西、山西3個主要塬區(qū)的生態(tài)安全特征，并指出了需要重點治理的區(qū)域。研究結(jié)果表明：與2002年相比，2017年甘肅塬區(qū)的遙感生態(tài)指數(shù)呈微弱增長（增加0.04），陜西塬區(qū)總體呈現(xiàn)改善的趨勢，遙感生態(tài)指數(shù)由0.45（2002）增加至0.56（2017），山西塬區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)由0.54（2002）減少至0.46（2017）。與2002年相比，2017年甘肅塬區(qū)中生態(tài)條件差、較差區(qū)域減少，良好、優(yōu)秀的區(qū)域增加；陜西塬區(qū)中生態(tài)條件差、較差區(qū)域減少，中等、良好的區(qū)域增加，優(yōu)秀的區(qū)域保持穩(wěn)定；山西塬區(qū)中生態(tài)條件差、較差和中等的區(qū)域增加，良好、優(yōu)秀的區(qū)域減少。甘肅塬區(qū)的蒲河和洪河流域，陜西塬區(qū)的沮河、三水河、泔河和漆水河流域以及山西塬區(qū)的州川河和鄂河流域目前的生態(tài)環(huán)境仍呈現(xiàn)退化趨勢。3個塬區(qū)中，甘肅、陜西塬區(qū)生態(tài)條件得到不同程度的改善，山西塬區(qū)生態(tài)條件雖有下降，但生態(tài)條件改善趨勢已初現(xiàn)端倪，隨著各項水土保持和生態(tài)恢復(fù)措施不斷實施深入，3個塬區(qū)生態(tài)環(huán)境將會有效改善。該研究結(jié)果對黃土高原塬面地區(qū)生態(tài)恢復(fù)、水土流失綜合治理具有重要指導(dǎo)意義。

土地利用；遙感；生態(tài)；黃土高原；時空分布

0 引 言

水土流失已成為困擾全球發(fā)展的嚴(yán)峻生態(tài)問題，嚴(yán)重的水土流失不僅會破壞土壤資源、導(dǎo)致土壤荒漠化，還會導(dǎo)致地表植被大量退化、降低土地生產(chǎn)力，危及區(qū)域生態(tài)安全[1]。黃土高原地區(qū)氣候干旱、自然災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)脆弱、水土流失嚴(yán)重[2]。作為該區(qū)域重要的土地資源分布區(qū)，黃土高原溝壑區(qū)（又稱黃土高塬）的生態(tài)安全正受到水土流失的嚴(yán)重威脅，塬面日益萎縮，已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展；因此，黃土塬面水土流失區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測已成為研究者及政府管理部門的關(guān)注焦點。

遙感技術(shù)作為一種有效的環(huán)境監(jiān)測方法已在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，利用各種遙感產(chǎn)品，相關(guān)研究者針對森林系統(tǒng)[3]、草地系統(tǒng)[4]、城市系統(tǒng)[5]、河流系統(tǒng)[6]等開展了相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測及生態(tài)評價，并取得一些有價值結(jié)果。如基于遙感植被指數(shù)及植被覆蓋度開展的森林生態(tài)環(huán)境變化評價[3-4]、基于不透水地表指數(shù)/蓋度開展的城市生態(tài)環(huán)境變化評價[6]、基于地表溫度開展的地面熱環(huán)境變化的評價[7]。上述評價大多基于單一指數(shù)來解釋某一方面的生態(tài)特征變化，而實際生態(tài)系統(tǒng)往往受多個指標(biāo)的綜合影響。因此，需要一種能耦合多種指標(biāo)的綜合評價方法來評估生態(tài)系統(tǒng)的變化，以期能更準(zhǔn)確地反映生態(tài)環(huán)境的變化[7]。水土流失作為一種對生態(tài)環(huán)境具有極大破壞力的生態(tài)問題，是當(dāng)前生態(tài)環(huán)境變化研究的關(guān)注焦點。基于水土流失區(qū)的遙感生態(tài)指數(shù)[8]能夠定量的分析評價水土流失區(qū)的生態(tài)恢復(fù)效果，可以有效監(jiān)測水土流失區(qū)的生態(tài)變化。國內(nèi)研究者對其他水土流失區(qū)已展開諸多研究，如南方紅壤區(qū)[9-11]、東北黑土區(qū)[13]、關(guān)中平原區(qū)[14]、農(nóng)牧交錯區(qū)[15]等。在黃土高原水土流失區(qū)，盡管部分學(xué)者[1-3,14-15]開展了區(qū)域生態(tài)質(zhì)量評價的研究工作，但這些研究大多是基于單一生態(tài)指標(biāo)的開展的生態(tài)特征評價，所研究的區(qū)域也多局限于水土流失問題較為嚴(yán)重的個別小流域，而針對黃土塬面區(qū)域的生態(tài)評價甚少，基于多指標(biāo)、大尺度的生態(tài)系統(tǒng)綜合評價方法研究在黃土高原塬面水土流失區(qū)開展嚴(yán)重不足。

鑒于此，本文選取全國水土保持區(qū)劃劃定的黃土高原水土流失重點治理區(qū)（黃土高原溝壑區(qū)）作為研究區(qū)，利用一種完全基于遙感信息、能夠集成多指標(biāo)因素的遙感綜合生態(tài)指數(shù)[7]，重點開展黃土高塬區(qū)大尺度生態(tài)效應(yīng)評價，以期彌補以往生態(tài)評價研究中評價指標(biāo)單一、研究尺度較小、時效性較低等不足，并為黃土高原地區(qū)水土流失治理、黃土塬面生態(tài)質(zhì)量改善提供有價值信息。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文選取黃土高原溝壑區(qū)作為典型研究區(qū)，主要包括甘肅的董志塬、陜西的洛川塬和山西的太德塬等，涉及甘肅、陜西和山西3省8市（地區(qū)）的34個縣，總面積約5.58萬km2（圖1）。黃土塬區(qū)地勢開闊平坦，塬溝相間，溝壑縱橫，主要土壤有黑壚土、黃綿土，塬區(qū)地處半干旱、半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，屬溫帶大陸性氣候，四季分明，氣候溫和，多年平均降水量450～709 mm，年平均氣溫8～15.6℃，年內(nèi)降水分配不均，7～9月降水占全年的60%，全年日照時數(shù)在2 099～2 900 h，無霜期156～223 d。獨特的自然條件決定了該地區(qū)生態(tài)的脆弱性，塬面呈現(xiàn)逐年萎縮的趨勢，是黃土高原水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)，2015年國務(wù)院批復(fù)的《全國水土保持規(guī)劃（2015—2030年）》（國函〔2015〕160號）[16]將黃土高原溝壑區(qū)作為重點治理區(qū)域。依據(jù)省域行政區(qū)劃，本文將研究區(qū)分為甘肅塬區(qū)、陜西塬區(qū)及山西塬區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文使用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)，所用遙感影像選取2002、2009及2017年中云量較少、地表干擾較少的10月份遙感影像，具體信息如表1所示。為進(jìn)一步提高生態(tài)安全評價的精度，在計算遙感生態(tài)指數(shù)前對遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾何配準(zhǔn)、輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌和裁剪[17-24]等預(yù)處理。

1.3 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

表1 研究區(qū)所選遙感數(shù)據(jù)信息表

遙感生態(tài)指數(shù)（remote sensing ecological index，RSEI）[6-7]是一種完全基于遙感信息、集成多種生態(tài)因子定量評價生態(tài)環(huán)境的方法。RSEI可以借助遙感影像中提取的綠度、濕度、干度、熱度4個指標(biāo)，采用主成分分析法進(jìn)行集成，實現(xiàn)綜合評估區(qū)域生態(tài)質(zhì)量變化的目的。該指數(shù)的優(yōu)勢在于無需事先人為確定生態(tài)因子的權(quán)重，而利用主成分分析法根據(jù)各指標(biāo)的特征自動確定權(quán)重，計算結(jié)果具有很強的客觀性和穩(wěn)定性。植被指數(shù)、裸土指數(shù)、濕度分量、地表溫度是構(gòu)建RSEI的4個指標(biāo)，用以表征研究區(qū)域的綠度、干度、濕度和熱度。4個指標(biāo)計算方法如下：

綠度指標(biāo)NDVI：

濕度指標(biāo)Wet：由-變化中的濕度分量[6-7,11]代表，Landsat不同傳感器數(shù)據(jù)的計算參數(shù)不同，分別為：

TM數(shù)據(jù)：

OLI數(shù)據(jù)：