陜西秦嶺山區留壩縣生態質量時空特征及影響因素分析

胡克宏，張 震

(安徽理工大學空間信息與測繪工程學院，安徽 淮南 232001)

良好的生態環境是人類賴以生存的基礎，與人類生產、生活密不可分。近年來，人口的增長和經濟的快速發展進一步加劇了人類、資源和環境之間的矛盾。沙漠化、環境污染、水土流失、森林資源缺乏和生物物種加速滅絕等生態環境問題日益突出，正確評價生態環境質量并探測其影響因素，對于評估環境保護政策的實施成效，加強生態環境保護，建設生態文明至關重要[1]。

遙感生態指數(remote sensing based ecological index, RSEI)通過主成分變換耦合綠度、濕度、熱度和干度[2]，且各指標權重不受人為因素的影響，具有指標多樣性、權重客觀性、結果可視化和時空分析等優點[3-4]。RSEI已廣泛應用于快速監測并評價城市、干旱區、貧困區和黃土高原溝壑區等區域的生態環境質量，可有效反映區域生態環境質量的時空特征。

當前關于RSEI的研究主要側重于分析生態環境質量的時空特征，定量化研究生態環境質量的影響因素相對缺乏[5]，因此，有必要對生態環境質量空間分異進行歸因，從而為區域生態建設提供科學建議。地理探測器模型(geographical detector model, GDM)用于探測空間分異性并揭示其背后的驅動力[6]，不僅能夠探測單個影響因素對因變量的影響，并且可以探測不同影響因素之間的交互作用對因變量的驅動。其研究區大到國家尺度[7]，小到村域尺度[8]，在生態環境質量[9]、植被變化[10]等方面應用廣泛。

秦嶺山區被認為是中國東部重要的南北生態分界線[11]，境內擁有豐富的水資源、礦產資源和動物資源，具有涵養水源、維持水土等功能，是我國生態環境建設的重點區域。自2003年1月20日起施行《退耕還林條例》、2008年3月1日起實施《陜西省秦嶺生態環境保護條例》以來，秦嶺生態環境保護工作取得明顯進展，有序實施退耕還林、還草和天然林保護等生態修復工程。此外，《中華人民共和國環境保護法》《中華人民共和國土地管理法》和《陜西省森林管理條例》的實施也有利于改善生態環境，推進生態文明建設。秦嶺山區有廣義和狹義之分，該研究主要分析狹義秦嶺山地區域，即陜西省境內的秦嶺腹地區域。

已有學者基于遙感技術分析秦嶺地區的景觀格局、土地利用和植被覆蓋變化，認為1984—2014年秦嶺地區耕地的分離度呈增加趨勢，主要原因為實施退耕還林等環境保護政策[12]；2000—2010年秦嶺地區土地利用變化總趨勢為耕地和未利用土地逐漸減少，林地和建筑用地不斷增加[13-14]，且2000—2016年植被覆蓋狀況總體變好[15]。鮮有研究評估該地區生態環境質量，并綜合考慮地形、氣候和人為因素對生態環境質量的影響。因此，選取秦嶺南麓腹地留壩縣為研究對象，利用多時相遙感數據，采用RSEI綜合分析留壩縣1990—2020年生態環境質量時空特征；結合已有研究及數據的可獲得性，基于GDM探測地形、氣候和人為因素對陜西秦嶺山區生態環境質量的影響，以期為陜西秦嶺山區生態建設提供理論方法和科學建議。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

留壩縣(33°17′42″～33°53′29″ N，106°38′05″～107°18′14″ E)位于陜西省西南、漢中市北部，地處秦嶺南麓腹地，漢江上游，轄7個鎮、1個街道辦，即玉皇廟鎮、江口鎮、留侯鎮、武關驛鎮、火燒店鎮、馬道鎮、青橋驛鎮和紫柏街道辦事處(圖1)。

縣內最低海拔594 m，最高海拔2 627 m，平均海拔1 483 m，西、北、東三面山嶺環抱，中、南地勢較低。留壩縣屬亞熱帶北緣山區暖溫帶濕潤季風氣候區，冬長夏短，春秋近半，夏無酷暑，冬無嚴寒，年均日照1 804.4 h，年均降雨量為886.3 mm，平均氣溫11.5 ℃[16]。留壩縣是國家重點生態功能區水源涵養地和大秦嶺生態保護限制開發區，素有“綠色寶庫”、“天然氧吧”之美譽，生態基礎較好，經濟條件較差，其地理環境在陜西秦嶺山區具代表性。縣內2015年土地利用類型主要為林地、草地和耕地，且林地面積約為總面積的54%。

1.2 數據源及預處理

該研究采用的數據及其預處理如表1所示。航天飛機雷達地形測繪使命(SRTM)、氣象數據和人類活動數據集用于探討生態環境質量的影響因素，由于來源和空間分辨率均不一致，研究結合GDM的運算能力和研究精度要求，基于最近鄰法對數據進行重采樣[17]，統一分辨率為1 km，統一投影為WGS_1984_UTM_Zone_48N，并去除缺失值。在ArcGIS 10.2軟件中以1 km×1 km的網格劃分研究區，取格網中心為采樣點[18]，使采樣點完全均勻分布于研究區，共計1 960個。根據空間位置關聯性，提取RSEI及各影響因素數據至采樣點，并生成屬性表。基于R語言“GD”包中的“optidisc”函數對影響因素進行離散化處理[19]，從而生成影響因素類型數據。

表1 數據來源及預處理[20-21]

2 研究方法

2.1 遙感生態指數(RSEI)

2.1.1RSEI的構建

(1)計算分量指標

RSEI(IRSE)采用多指標綜合評價生態環境質量，通過主成分變換耦合綠度、濕度、熱度和干度，并且分別用歸一化植被指數(NDVI，INDV)、濕度分量(WET，TWE)、地表溫度(LST，TLS)和干度指數(NDBSI，INDBS)代替，表達式為

IRSE=f(INDV,TWE,TLS,INDBS)。

(1)

各分量指標計算如下：

①綠度指標

INDV=(ρNIR-ρred)/(ρNIR+ρred)。

(2)

式(2)中，ρNIR和ρred分別為各影像近紅外波段和紅波段的反射率。

②濕度指標

TWE,TM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2

ρred+0.159 4ρNIR-0.680 6ρSWIR1-0.610 9ρSWIR2，

(3)

TWE,OLI=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3

ρred+0.340 7ρNIR-0.711 7ρSWIR1-0.455 9ρSWIR2。

(4)

式(3)～(4)中，TWE,TM和TWE，OLI分別為基于Lansat 5 TM和Lansat 8 OLI影像計算的濕度指標;ρblue、ρgreen、ρSWIR1和ρSWIR2分別為各影像藍波段、綠波段、短波紅外1波段和短波紅外2波段的反射率。

③熱度指標

TLS=T/[1+(λT/ρ)lnε]，

(5)

T=K2/ln (K1/L+1)，

(6)

εsurface=0.962 5+0.061 4Fv-0.046 1Fv2，

(7)

εbuilding=0.958 9+0.086 0Fv-0.067 1Fv2，

(8)

(9)

式(5)～(9)中，T為傳感器處溫度值；λ為熱紅外波段的中心波長，λTM= 11.45 μm，λTIRS= 10.90 μm；ρ= 1.438×10-2mK；K1和K2為定標參數，對于Landsat 5 TM傳感器:K1= 607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K，對于Landsat 8 TIRS傳感器:K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2= 1 321.08 K；L為輻射定標后的熱紅外波段反射率；ε為地表比輻射率[22]，εsurface和εbuilding分別為自然表面和城鎮區像元比輻射率，水體像元比輻射率取0.995；Fv為植被覆蓋度；INDV,s為無植被覆蓋區域的NDVI值，取經驗值0；INDV,v為純植被像元的NDVI值，取經驗值0.7。

④干度指標

INDBS=(IS+IIB)/2，

(10)

IS=[(ρSWIR1+ρred)-(ρblue+ρNIR)]/[(ρSWIR1+ρred)+(ρblue+ρNIR)]，

(11)

IIB=[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-ρNIR/(ρNIR+ρred)-

ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]/[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR) +ρNIR/(ρNIR+ρred) +ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]。

(12)

式(10)～(12)中，IS為裸土指數；IIB為建筑指數。

(2)正規化分量指標

由式(2)～式(12)計算的4個指標量綱不統一，為避免對計算結果造成影響，需在主成分變換前，對各指標進行正規化，使其值在[0,1]，轉化成無量綱。正規化公式為

IN=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)。

(13)

式(13)中，IN為正規化后某一指標的值；Ii為對應指標像元i處的值；Imax和Imin為對應指標的最大值和最小值。

(3)掩膜水體

水域的存在會影響主成分載荷分布，需對研究區內的水域進行掩膜處理。采用改進的歸一化水體指數(MNDWI，IMNDW)去除水體信息，計算公式為

IMNDW=(ρgreen-ρMIR)/(ρgreen+ρMIR)。

(14)

式(14)中，ρMIR為各影像中紅外波段的反射率。

(4)構建RSEI

將正規化處理及水體掩膜后的4個指標合成一幅新影像，采用ENVI 5.3中的主成分分析模塊對新影像進行主成分分析，并計算初始遙感生態指數(IRSE0)：

IRSE0=1-PC1。

(15)

式(15)中，PC1為第一主成分的載荷值。采用式(13)對IRSE0進行正規化處理得到IRSE，取值為[0,1]，其值越接近于1，表明生態環境質量越好。

2.1.2RSEI定量分析

參考已有分級標準，以0.2為間隔將正規化后的RSEI分為5個等級，即差(0～0.2)、較差(>0.2～0.4)、中等(>0.4～0.6)、良(>0.6～0.8)和優(>0.8～1)，統計各年份RSEI不同等級的面積和比例。由于陜西秦嶺山區2003年起施行《退耕還林條例》等環境保護措施，因此，以2003年為節點，將研究時段分為1990—2003年和2003—2020年2個階段。以分級后的RSEI為基礎，利用ENVI 5.3軟件中的Change detection模塊對留壩縣1990—2020年RSEI等級進行差值變化檢測，得到1990—2003年、2003—2020年的RSEI等級變化。根據差值結果，將-5～-1、0和1～5依次劃分為生態環境質量變差、不變和變好。

以ArcGIS 10.2為平臺，將高程、坡度和坡向分別重分類為6類、5類和8類，統計每個分區的RSEI均值，從而分析RSEI在不同高程、不同坡度和不同坡向上的分布情況。其中，高程根據留壩縣高程范圍分為< 1 000、1 000～1 300、>1 300～1 600、>1 600～1 900、>1 900～2 200和> 2 200 m共6類，坡度根據中國農業區劃委員會1984年頒發的《土地利用現狀調查技術規程》分為< 2°、2°～6°、>6°～15°、>15°～25°和>25 °共5類，坡向按照地理八方向分為東、南、西、北、東北、東南、西北和西南共8類。

2.2 地理探測器模型

GDM假設：若某個自變量對因變量有重要影響，則因變量與該自變量的空間分布具有相似性，即假設生態環境質量受某一影響因素的作用而變化，則生態環境質量的空間分布與該影響因素的空間分布類似。GDM采用q值衡量影響因素對生態環境質量的解釋力，q值計算公式為

(16)

式(16)中，SSW和SST分別為層內方差之和及區域總方差；i為自變量X或因變量Y的分層；Ni和N分別為層i和全區的單元數；σi2和σ2分別為層i和全區Y值的方差。

GDM主要包括因子探測器、風險探測器和交互探測器，因子探測器通過計算各影響因素的q值,探究各影響因素對生態環境質量是否有影響以及解釋力的大小；風險探測器可確定不同影響因素促進生態環境發展的最佳范圍或特征，置信度為95%；交互探測器用于分析兩影響因素是否存在交互作用或是否獨立，通過比較單個影響因素的q值和2個影響因素交互作用的q值可將交互作用的類型分為5類，如表2所示。

表2 交互作用類型

3 結果與分析

3.1 生態環境質量的時空特征

3.1.1生態環境質量的時間特征

1990、2003、2008和2020年留壩縣生態環境質量等級為良、優的區域總面積分別為1 822.38、1 654.27、1 867.67和1 915.46 km2，均超過研究區總面積的80%(表3)。1990—2003年留壩縣生態環境質量等級為差、較差和中等的區域總面積增加，所占比例從7.65%上升至16.14%，表明該階段生態環境質量有所退化。2003—2008年，生態環境質量等級為良、優的區域總面積增加213.4 km2，對應比例上升10.75%。2008—2020年，差、較差和中等等級區域總面積及所占比例下降，與之相反，良、優等級區域總面積及所占比例上升。并且2003—2020年期間良、優等級區域總面積所占比例上升13.16%，表明留壩縣2003—2020年生態環境質量呈改善趨勢。

表3 各年份遙感生態指數(RSEI)等級面積和比例

1990—2003年留壩縣生態環境質量變差的面積為1 490.39 km2，占研究區總面積的75.44%，其中，生態環境質量等級下降1級和2級的面積分別占退化總面積的96.47%和3.19%(表4)。2003—2020年生態環境質量以改善為主，環境變好的區域面積為1 913.24 km2，占研究區總面積的96.85%，其中，生態環境質量等級增加1級和2級的區域面積分別占改善總面積的89.73%和9.63%。由此可見，1990—2003年留壩縣生態環境質量呈現大面積的小幅退化，2003—2020年則呈現大面積的小幅改善。

表4 遙感生態指數(RSEI)等級變化檢測

1990—2020年RSEI均值呈先降后升趨勢(圖2)，且上升幅度(34.35%)大于下降幅度(18.95%)，表明2020年生態環境質量較1990年有所改善。通過對比各年份4個指標均值可知，1990—2020年與生態環境質量呈正相關關系的綠度和濕度指標均值先降后升，而與生態環境質量呈負相關關系的熱度和干度指標均值先升后降，并且綠度和濕度指標均值升高的幅度大于降低的幅度，熱度和干度指標均值降低的幅度大于升高的幅度，進一步表明2020年留壩縣生態環境質量相較于1990年有所改善。

3.1.2生態環境質量的空間特征

1990—2020年留壩縣生態環境質量等級空間分布整體呈中等及以上，呈差和較差等級的區域較少，且主要分布于留侯鎮西部裸地處和低山丘陵地區的居民地(圖3)。1990、2003、2008和2020年生態環境質量等級為差和較差的區域總面積分別為36.43、67.79、32.42和22.05 km2，均低于研究區總面積的5%。1990和2020年留壩縣生態環境質量等級主要為良和優，2003年良等級占比最大，而2020年優等級幾乎遍布整個研究區。1990—2003年留壩縣生態環境質量等級變化空間分布主要為變差(圖4)，該階段內生態環境質量的變化主要為原本是優等級的區域轉變為良等級。與之相反，2003—2020年生態環境質量的變化主要為原本是良等級的區域轉變為優等級，變差的區域主要為各居民地集中處。

各年份RSEI均值均隨高程升高顯示出先升后降趨勢〔圖5(a)〕，留壩縣高程小于1 300 m的地區主要為人類活動區域，因而RSEI均值相對較低。1 300～2 200 m區間內植被分布逐漸茂盛，生態環境質量逐漸變好，1990、2003、2008和2020年RSEI均值在>1 900～2 200 m高程區分別達最大值0.831、0.683、0.804和0.884。高程超過2 200 m的區域主要為山脊和裸地，RSEI均值較前一高程區有所下降。

1990、2003、2008和2020年RSEI均值均隨坡度增加顯示出上升的趨勢〔圖5(b)〕，并在坡度大于25 °區間內分別達最大值0.809、0.652、0.780和0.873。《中國人民共和國水土保持法》規定，坡度大于25 °為開荒限制坡度，對于已開墾為耕地的區域，需逐步退耕還林、還草。留壩縣坡度大于15 °的區域主要為植被，生態環境質量較好，而坡度小于15 °的區域受人類活動影響較大，因而RSEI均值較低。

各年份RSEI均值隨坡向變化具有相同的變化特征：正北>正南、正西>正東、西北>東南、西南>東北〔圖5(c)〕。1990、2003、2008和2020年RSEI均值在不同坡向的最大值與最小值之差分別為0.06、0.05、0.03和0.02，表明不同坡向對生態環境質量的影響存在一定差異，但RSEI均值隨坡向變化幅度較小，即坡向不是影響留壩縣生態環境質量的主要因素。

3.2 生態環境質量的影響因素

影響留壩縣生態環境質量空間分異特征的各影響因素因子探測結果如表5所示，其q值并不高，但仍可以反映不同影響因素對留壩縣生態環境質量的作用差異，其解釋力排序為：高程>年均溫>農業生產>年降水>道路>人口密度>坡向>坡度>基礎設施>畜牧業生產。其中，農業生產和畜牧業生產分別采用耕地面積和牧場面積表征。從解釋力角度來看，高程、年均溫和農業生產是留壩縣生態環境質量的主要影響因素，解釋力均超過10%；年降水和道路為次要影響因素，解釋力在5%以上；其余因素的解釋力相對微弱，且人口密度、坡度、基礎設施和畜牧業生產的P值過大，影響不顯著。

留壩縣生態環境質量的主要影響因素和次要影響因素的風險探測結果如圖6(a)所示，RSEI均值隨高程、年均溫和年降水的增加呈現出先升高后降低的趨勢。高程在1 920～2 230 m之間(分區5)時RSEI均值達最大值0.795，分區6主要為山脊和裸地，因而RSEI均值較前一分區有所下降。年均溫和年降水均具有有利于生態環境發展的適宜范圍，RSEI均值分別在8.35～9.45 ℃(分區2)和881～927 mm(分區5)達最大值。RSEI均值隨著農業生產和道路的增多而降低，側面反映了過度的人類活動不利于改善生態環境。交互探測結果表明高程和年降水是交互作用最強的組合〔圖6(b)〕，交互類型為非線性增強，交互作用的q值為0.232，即高程的變化顯著增加了年降水作為自變量對生態環境質量的解釋力。此外，年均溫與其他影響因素結合均產生了較高的q值。其余組合交互作用類型均為雙因子增強，表明2個影響因素間存在交互作用且不是簡單的疊加作用，不存在獨立作用的影響因素。

4 討論

4.1 自然因素對生態環境質量的影響

自然因素中的高程和年均溫是留壩縣生態環境質量的主要影響因素，年降水是次要影響因素。留壩縣森林覆蓋率達90.8%，其植被覆蓋狀況主導生態環境質量，而海拔是秦嶺地區植被分布的主導生態梯度[23]，這與筆者研究結論相對一致。有學者認為秦嶺地區植被對降水的敏感度高于氣溫[24-25]，亦有學者認為該地區植被生長受氣溫的影響強于降水[26]。研究表明，年均溫對留壩縣生態環境質量的影響強于年降水，由于陜西秦嶺山區降水量相對豐富，熱量條件對于植被生長可能更為重要。

表5 因子探測結果

4.2 人為因素對生態環境質量的影響

除自然因素外，人為因素也是影響留壩縣生態環境質量的重要驅動因素，其影響分為正面效應(如退耕還林、保護天然林等)和負面效應(如城市化、采伐森林等)。研究表明，人為因素中的農業生產是影響留壩縣生態環境質量的主要因素，道路是次要因素。究其原因，陜西秦嶺山區與人口密集的城市生態環境不同，其土地利用存在明顯的高低指向性，圍繞耕地的人類活動是該地區土地利用變化的主導因子[14]。

1990—2003年留壩縣生態環境質量變差的面積占總面積的75.44%，生態環境質量等級轉為差的居民地區域逐漸擴大，部分優等級的植被區域轉為良等級。最主要的原因可能是該階段內陜西秦嶺山區毀林開荒、圍湖造田，致力于發展經濟，推動城市化進程。1990年后中央及地方政府允許并鼓勵個人和集體開墾土地，1990—2000年秦嶺地區土地利用變化主要為落葉闊葉林轉變為耕地，兩者相互轉變的過程中耕地凈增長225 599 hm2[14]，且該階段內建設用地面積有一定的增加[27]。2003—2020年留壩縣生態環境質量以改善為主，大部分良等級轉為優等級，部分差等級的居民地生態環境也逐漸改善。自2003年起實施《退耕還林條例》、2007年發布《陜西秦嶺生態環境保護綱要》、2008年起實施《陜西省秦嶺生態環境保護條例》等一系列生態建設措施以來，陜西秦嶺山區各級政府和相關單位投入了大量的人力、物力和財力改善生態環境，有序開展退耕還林、封山育林、植樹造林和天然林保護等生態工程。2000—2010年秦嶺地區土地利用變化主要為耕地轉變為落葉闊葉林，兩者相互轉變的過程中落葉闊葉林凈增785 614 hm2，耕地面積顯著減少。因此，2003—2020年生態環境質量變好可能得益于生態保護政策的實施和水熱條件的耦合作用。

5 結論

基于RSEI對秦嶺南麓腹地留壩縣1990—2020年生態環境質量的時空特征分析，并采用GDM探討了陜西秦嶺山區生態環境質量的影響因素。結果表明：(1)1990—2020年間留壩縣生態環境質量先退化后改善，RSEI均值從0.788(1990年)下降至0.639(2003年)，再上升至0.858(2020年)。(2)各年份留壩縣生態環境質量等級為良、優的區域總面積分別為1 822.38、1 654.27、1 867.67和1 915.46 km2，均超過研究區的80%，呈差和較差等級的區域較少，且主要分布于留侯鎮西部裸地處和低山丘陵地區的居民地。(3)高程、年均溫和農業生產是留壩縣生態環境質量的主要影響因素，解釋力均超過10%；年降水和道路為次要影響因素，解釋力在5%以上。(4)陜西秦嶺山區實施退耕還林等環境保護政策成效顯著，今后應根據不同高程范圍內生態環境的空間分布特點，合理利用土地和自然資源，減小鄉鎮發展和人類破壞對生態環境質量的負面效應，加強生態建設工程對環境的正面效應。