2000-2015年西南山地EPI時空格局研究

(1.成都理工大學 地學空間信息技術國土資源部重點實驗室 四川 成都 610059；2.天津工業大學經濟與管理學院 天津 3000387)

引言：

隨著工業化和城鎮化的快速發展，人類對自然資源的不合理開發和利用導致了區域生態完整性破壞，區域和全球性的生態危機日益顯現，自然生態系統服務功能正在迅速衰退，因此，協調人與自然的關系、加強生態保護十分重要和迫切。區域生態系統具有復雜的結構和功能，區域生態系統的研究對全球的生態研究具有重要的意義。由于人類活動的影響和全球自然氣候條件的變化，生態系統正經歷著巨大的變化。

近年來，AVHRR，MODIS和Landsat傳感器的光學衛星數據已被廣泛用于監測陸地表面植被變化。觀測大數據通常以兩種方式應用于評估區域環境變化，一種是針對光譜指數(如歸一化植被指數(NDVI))通過時間序列分析逐步關注生態恢復的漸進變化，另一種是通過兩個或多個時期的分類后比較數據來分析土地利用覆被變化。前一種方法廣泛用于檢測氣候變化和人類活動對陸地表面的影響；后者通常用于記錄人為因素對地球表面的影響，例如森林砍伐，土地荒漠化和建設用地擴張。在大數據時代背景下，將不同的數據結合起來監測區域環境變化具有重要意義，近來，已有許多學者對生態系統進行了研究，但是由于研究方法和數據來源不一致，以及人類環境耦合系統的復雜性和動態性，研究的成果有所不同。

西南地區位于我國三大災害帶中沿江災害帶與山前災害帶的交匯部位，特殊的地形和多變的氣候以及快速的城鎮化使生態系統面臨著多種風險源的脅迫。本文以西南地區三省一市(云貴川渝)為研究對象，從地理綜合角度監測土地利用覆被變化，反映西南地區生態環境變化，利用 GIS 空間分析工具對區域綜合生態質量進行評價。

一、方法與數據

(一)研究區概況

該研究所指西南地區包括云南、貴州、四川和重慶四省(直轄市、自治區)，區域總土地面積約為 113.85km2，占國土面積的 11.86%。西南地區是亞洲主要河流的發源地，地處長江、珠江上游，保護良好的生態環境對下游的區域生態安全具有重要的意義，也是我國生物種類和生態系統最為豐富的地區之一，至少有 10000 多種高等植物存在。

(二)研究方法

土地覆被類型和NDVI的變化可能具有很大的空間差異，不同的土地覆被類型需要不同的處理措施。本研究評價模型評價包含四個指標，降水量(過去三年的平均值)，海拔高度(來自DEM)，NDVI(過去三年的平均值)，土地利用覆被。應用層次分析法確定所有指標的權重系數[14]。

EPIi=∑Aij×Wj

式中，EPIi表示柵格單元上的生態評價綜合指數，Aij表示柵格單元上指標j的標準化值，Wj表示j的權重。該模型集成了降雨、海拔、NDVI、土地利用/覆被類型(LUCC)等4項指標，EPI值6分以上表明該區域生態較好。

根據EPI動態變化值的不同，將生態變化程度分為持平、增長、顯著增長、下降、顯著下降5級。-0.05< EPI <0.05值時，以持平表示；-1.5< EPI <-0.05時為生態輕度下降；EPI <-0.05時，為生態顯著下降；0.05< EPI <1.5時，表示生態輕度增長；1.5< EPI時表示生態顯著增長。

(三)數據獲取與處理

本文采用的數據主要包括降水、NDVI、土地覆被與地形數據。降水數據為TRMM(Tropical RainfallMeasuring Mission)3B43產品，從4種不同的空間尺度開展降水與植被指數、地理因子的相關性分析，從而能保證降水降尺度的精確性。NDVI遙感數據來源于美國地質調查局所提供的產品，該植被指數經過投影轉換數據預處理，用于分析研究區內的植被生態特征變化。地形數據為ASTER GDEM數字高程模型Version 2，空間分辨率為30 m，采用了30m的DEM，對其進行重采樣，使其與NDVI的分辨率保持一致。土地覆被數據來源于 Landsat衛星 1 km×1 km 空間分辨率、以年為時間分辨率的 MCD12Q1 數據，研究區域的地物類型27個，將27個地物類型按照全國土地利用動態遙感監測分類系統重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地六大類。

二、結果與分析

(一)西南山地生態系統時空分異特征

2000-2015年，西南地區總體EPI顯示出持平或增長狀態，除個別省份EPI動態變化呈下降趨勢。2000-2015年，西南地區區域EPI時空格局變化呈現出以下特征：西南地區EPI總體呈現上升趨勢，具體表現為前三期EPI得分落在4分內的百分比均為20%以上，2015年僅為總面積的16.12%；四期EPI得分都落在在6分和8分這兩個值內最多，表明西南地區生態狀況普遍較好；極值處(EPI得分為0，2，10)EPI值在2000，2005，2010四個時期總數分別為2.71%、2.77%、2.66%、3.68%。王慧芳等研究表明邛崍山、金沙江、怒江、瀾滄江、大渡河流域等地應加強生態建設。何敏等計算了西南地區生態系統的脆弱性，結果表明脆弱等級隨著區域內海拔、坡度的增加而增加，與本研究結果相似。

1.重慶生態系統時空分異特征

重慶地區2000-2005,2005-2010年EPI差值持平的最多，分別占重慶區域總數的61.6%，57.47%，表明這兩個時期內生態格局變化不大。其次2000-2005年重慶區域EPI呈增長趨勢的占總數的30.43%，區域生態水平總體處于一個增長期，而2005-2010年卻有30.19%的區域呈下降趨勢，從圖1可以看出在重慶的東部地區；2010-2015年EPI呈上升趨勢的最多占總數的56.27%，其次為持平區域；2000-2015年EPI時空格局變化呈上升趨勢的占總數的59.38%，持平的次之。綜上表明重慶區域生態呈一個良性發展趨勢。

2.四川生態系統時空分異特征

四川地區2000-2005,2005-2010年EPI差值持平的最多，分別占四川區域總數的69.47%,59.26%。從圖2可以看出2000-2005,2005-2010兩個時間段在四川省的南部有部分生態呈現出下降趨勢，分別占總數的21.99%，23.02%；2010-2015年EPI呈上升趨勢的最多占總數的41.27%，其次為持平區域；2000-2015年EPI時空格局變化持平上升下降區域面積差別不大。綜上表明四川區域生態綜合呈不變趨勢。

3.貴州生態時空分異特征

貴州地區2000-2005，2005-2010年EPI差值持平的最多，分別占貴州區域總數的55.04%，57.46%。其次呈下降趨勢的區域分別為總數的43.06%,38.53%，從圖3可以看出此區域主要集中在貴州的中部和南部區域；2010-2015年生態總體趨勢較好，無明顯的生態下降區域，EPI呈上升趨勢的最多占總數的47.64%，其次為下降區域，占總數的20.32%；2000-2015年EPI時空格局變化持平的占總數的46.90%，上升的次之，占總數的24.07%。綜上表明貴州區域生態總體不變。

4.云南生態系統時空分異特征

云南地區2000-2005，2005-2010年EPI總體持平，但也有大部分區域生態惡化，生態下降部分主要位于云南省的中部地區。2010-2015這一時期，EPI呈明顯上升趨勢，生態評分不高區域僅為總區域面積的8.17%；經2005，2010兩時期的生態下滑，雖在2015年有所回升但也還存在部分區域生態的不穩定，2000-2015這一時期的年EPI時空格局變化總體呈持平狀態，占總數的55.79%，但與2000年的比較，其他地區生態均有增長的趨勢，但北部地區卻下降較多。綜上表明云南區域生態正處于一個逐漸恢復的階段。

圖1 2000-2015重慶市生態格局圖

圖2 2000-2015四川省生態格局圖

圖3 2000-2015貴州省生態格局圖圖

圖4 2000-2015云南省生態格局圖

三、結論

本文選用EPI模型，綜合降雨、海拔、歸一化植被指數、土地覆被等數據，基于ArcGIS10.4的柵格計算器和空間分析功能計算出生態現狀指數，得出如下結論：

西南地區生態狀況普遍較好，表現為各地區的生態現狀指數都在6分以上(最低為0分，最高為10分)，更有少數地區生態長時間在8分以上。重慶、貴州生態普遍比云南、四川的好，表現為重慶、貴州區域生態打分4分一下區域幾乎沒有，但呈顯著上升趨勢的區域也少。截至2015年，西南地區的生態有較大的回升，而2010年卻處于一個相對低谷的時期，2000、2005年兩個時期西南地區的生態變化均呈小幅度變化，可能是受當局政策或人民意識提高的影響。