2000-2021年大別山西段生態環境質量演化及其與區域土地利用耦合關系

王 雅 婷，朱 長 明*，張 濤，張 新，石 智 宇

(1.江蘇師范大學地理測繪與城鄉規劃學院,江蘇 徐州 221116；2.中國地質調查局長沙自然資源綜合調查中心，湖南 長沙 410600；3.中國科學院空天信息創新研究院遙感科學國家重點實驗室，北京 100101)

0 引言

生態環境質量動態監測與評價對區域土地合理利用、國土空間規劃、流域綜合治理等均具有重要意義[1]。當前生態環境評價方法主要有：1)基于壓力—狀態—響應(PSR)模型的生態環境評價，如陳鳳等選取17個指標構建評價體系，基于PSR模型對閩東濕地的生態健康狀況進行評價[2]，但該評價方法多使用面板數據，存在權重主觀性大、研究單元尺度小、數據獲取困難等限制；2)基于主成分分析構建遙感生態指數(RSEI)的生態環境評價[3]，如王勇等基于遙感數據構建RSEI，分析了丹江流域、祁連山國家公園的生態環境質量變化及其原因[4，5]，該評價方法更全面、綜合、快捷、客觀，可為探究其他地區生態環境質量時空變化特征提供參考[6-8]。

大別山區是長江流域重要的生態屏障，同時也是我國糧食生產區、生態功能區以及國家水土流失重點預防區[9]。近年來，人口擴張、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加大了對生態系統的干擾，導致大別山區的生態恢復力下降、人地關系惡化[9-12]。因此，亟需開展大別山區生態環境變化宏觀監測和動態分析，進一步加強人類活動與區域生態安全的耦合關系研究[13]。然而，當前對大別山區的相關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修復功能的影響以及景觀格局對生境質量的影響等方面[14-16]，對其長時期生態環境質量動態評價的研究相對較少。鑒于此，本文基于GEE平臺利用2000-2021年Landsat和MODIS多源遙感數據，通過主成分分析構建遙感生態指數，以揭示大別山西段生態環境質量的時空變化特征，并探究土地利用/覆被變化與生態環境質量的空間耦合性，對大別山區生態、經濟振興以及長江流域水生態保護具有重要意義。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區與數據

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。該地區以亞熱帶季風氣候為主，海拔為-8～1 707 m，地處我國第一階梯到第二階梯的過渡區，地勢中部高，南、北低，地形復雜多樣，包括山地、盆地、丘陵、平原、洼地，區內土地貧瘠，受自然氣候與人為開發影響，生態環境較脆弱，水土流失、泥石流等自然災害易發。由于大別山區特殊的地理位置和生態功能，其生態狀況備受關注，2001年被列為第一批水土保持生態修復試點，2006年被列為國家級水土流失重點預防保護區，2015年被列為水源生態涵養功能區，當地政府開展了一系列區域性水土保持治理工作，并取得一定成果[17,18]。

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

遙感生態指數(RSEI)中干度和綠度指標受傳感器類型和影像合成時間的影響較小，而濕度指標受傳感器的影響較大[19]，因此，本文采用同一系列衛星(Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI)影像質量較好的地表反射率數據計算綠度、干度、濕度3個指標，以保證反演結果的可比性。Landsat系列影像數據均已經過大氣校正、幾何校正等預處理，同時基于Landsat質量評估波段利用除云算法計算無云影像中值以合成無云影像，缺失數據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 系列數據反演的地表溫度數據精度受不同算法、地表覆蓋類型和比輻射率取值的影響[20,21]，同時RSEI中的熱度指標受影像合成時間的影響較大[19]，因此，本文選取與Landsat影像相同日期的MOD11A2數據產品計算熱度指標，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平臺免費獲取)。為避免水體影響主成分的載荷值，利用水體矢量數據對影像進行掩膜處理。2000年和2020年土地利用/覆被數據來自資源環境科學與數據中心，包括林地、草地、耕地、建設用地、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 遙感生態指數(RSEI)構建 RSEI利用綠度、濕度、干度、熱度4個指標(計算方法見表1)評價生態環境質量[3,24]。其中，NDVI與植被生長和植被覆蓋度等因素密切相關[30]，用以表示綠度指標；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；LST為地表溫度，代表熱度指標；NDBSI為裸土指數和建筑指數均值，裸土和建設用地會造成土地表面干化，進而對區域生態環境造成破壞[32]，用以表示干度指標。由于以上指標量綱不同，本文采用極值標準化法對其進行歸一化處理，然后進行主成分分析，利用第一主成分構建RSEI0(式(1))[25]，對其進行歸一化處理得到RSEI(式(2))，其取值范圍為[0,1]，值越大，表示生態環境質量越好。

表1 各指標計算方法Table 1 Calculation methods of various indicators

(1)

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

(2)

1.2.2 平均相關系數 為驗證RSEI能否準確評價區域生態環境質量，選取相關系數檢驗RSEI的適宜性。若RSEI和各指標間的平均相關系數[8]大于各指標之間的平均相關系數，則說明相對其他各指標，RSEI能更綜合、全面描述研究區生態環境質量。

2 結果分析

2.1 模型檢驗

由表2可知，第一主成分特征值的貢獻率均超過61%，集中了4個指標的大部分信息，表明RSEI能較好地表示生態環境質量[33]。其中，NDVI、Wet在第一主成分上的貢獻率為正值，說明綠度和濕度對生態環境具有促進作用，LST、NDBSI的貢獻率為負值，說明熱度和干度對生態環境具有抑制作用，與實際情況相符。由表3可知，綠度、濕度、熱度、干度4個指標中，濕度的平均相關系數最大，多年均值為0.64，熱度的平均相關系數最小，多年均值為0.47；RSEI與各指標的平均相關系數為0.78，比4個指標分別高50%、21%、65%、59%，表明RSEI和各指標的相關性更強，能更綜合、全面地表征研究區的生態環境質量。

表2 第一主成分分析結果Table 2 Results of the first principal component analysis

表3 各指標相關性矩陣Table 3 Correlation matrix of various indicators

2.2 生態環境質量時空變化

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，生態指數呈顯著上升趨勢，增長速率為0.004/a (R2=0.58,P<0.05)，說明研究區生態環境質量不斷改善。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[0.8,1]5個等級[22]并進行可視化(圖2)，可以看出，整體上大別山西段的生態等級以中等為主，空間分異特征明顯。其中，信陽市南部和黃岡市東部生態等級較高，該區域為大別山生態保護區，海拔高、植被廣布，受人類活動的影響較小，生態環境保護較好，生態等級高；信陽市北部、大悟縣以及黃岡市西部的生態等級較低，緣于信陽市北部為平原，人口和鄉鎮集聚，自然資源被大量開發利用，生態環境遭到破壞，生態等級低，而黃岡市礦產豐富，大量露天礦場被廢棄[34]，進而影響生態環境質量。2000-2021年研究區生態環境質量有明顯改善，信陽市北部大面積區域生態等級提升至中等，大悟縣生態等級主要從較差提升至中等，黃岡市北部地區生態等級主要從較差提升至良。

圖2 2000-2021年研究區生態環境質量(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等級占比(表4)進行統計分析可知，研究區生態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年生態等級中等及以上區域面積僅占56.17%，生態環境質量最差；2015年生態等級中等及以上區域面積占82.25%，生態環境質量最好。5個年份生態等級為優和良的區域面積占比分別為18.94%、14.67%、26.40%、39.47%、28.10%，整體上持續增大，但上升幅度較小，差和較差的區域面積占比分別為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，大別山西段生態環境質量呈上升趨勢。

表4 2000-2021年研究區生態環境質量等級占比Table 4 Proportion of various RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

2.3 生態環境質量等級變化特征

研究區生態環境質量共分為5級，若等級差值為正，說明2000-2021年研究區生態環境質量提升，反之說明研究區生態環境質量惡化。對2000-2021年大別山西段生態等級轉換進行統計(表5)，其中，生態改善區域占39.66%，生態惡化區域占10.55%，生態等級未變化區域達49.79%，表明大別山西段生態環境質量呈穩定上升趨勢。等級變化以1級為主，分別占變差或變好區域的79.43%、91.83%，說明生態等級變化并不明顯，生態環境質量較穩定。

表5 2000-2021年研究區生態等級變化統計Table 5 Statistics of changes in RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

從研究區生態等級變化空間分布看(圖3)，生態等級下降地區主要分布在信陽市北部和黃岡市南部。信陽市北部區域RSEI下降0.01，最大降幅為0.40，導致生態等級急劇下降；黃岡市南部區域RSEI下降0.16，最大降幅達0.53。生態等級上升地區分布在信陽市南部、黃岡市中(北)部和大悟縣，該區域屬兩省交界以及大別山生態保護區，植被覆蓋率高，同時積極響應退耕還林政策，加強水土保持生態功能區建設，因此近年來生態環境質量不斷提升，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/覆被變化對生態環境質量的影響

土地利用/覆被類型是人類活動和土地系統相互作用的綜合表現，極大影響了當地的生態環境質量[10，28]。2000-2020年研究區土地利用/覆被變化最顯著的是耕地—林地、林地—耕地、耕地—建設用地、建設用地—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，位于大別山生態保護區且積極響應退耕還林政策，植被覆蓋度高，生態環境質量得到改善；林地—耕地分散在大悟縣、信陽市南部和黃岡市北、中部，當地生態環境質量以不變和改善為主；耕地—建設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，人口大量集聚，城市擴張迅速，造成生態環境惡化；建設用地—耕地分散在黃岡市北、南部和信陽市中、北部，由于信陽市、黃岡市是農業大市，需嚴守耕地紅線、積極響應城鄉建設用地增減掛鉤政策，因此，大量閑置建設用地轉為耕地[35,36]。據統計，黃岡市2018年復墾驗收農田1 266.67 hm2，其中農村閑置建設用地供應土地933.33 hm2；信陽市通過農村宅基地復墾土地6 333.33 hm2，同時礦山治理復墾面積達到600 hm2。通過土地復墾、增減掛鉤以及礦山治理等項目，大面積建設用地轉變為耕地，提升了當地的生態環境質量。此外，信陽市中部土地利用/覆被類型主要為耕地且未發生變化，但該區域生態環境也得到一定提升，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，影響了當地的RSEI。同時，部分建設用地復墾及水域擴張也進一步改善了當地的生態環境。以上說明土地利用/覆被變化與生態環境質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/覆被變化促使生態改善。此外，土地利用變化的方式也與生態環境質量變化密切相關，研究區生態環境質量改善受建設用地—耕地和耕地—林地的影響最顯著，生態環境質量惡化受耕地—建設用地的影響最顯著。

表6 2000-2020年土地利用轉移矩陣

圖4 研究區土地利用與生態變化耦合結果Fig.4 Coupling results of ecological variation and land use in the study area

3 結論

本文基于GEE云計算平臺，綜合利用Landsat和MODIS遙感數據，通過主成分分析構建RSEI，對2000-2021年大別山西段生態環境質量進行評估，并分析區域生態環境質量時空演變特征；在此基礎上結合區域多年LUCC數據探究生態環境質量演變與土地利用/覆被變化的耦合關系。結果表明：1)2000-2021年大別山西段生態環境質量改善顯著，RSEI從0.44升至0.50，增長速率為0.004/a(R2=0.58,P<0.05)，生態環境質量等級提高區域面積占比39.66%。2)大別山西段生態環境質量等級空間分異明顯。信陽市北部生態等級低，信陽市南部和黃岡市北部生態等級高。2000-2021年生態等級下降區集中在地勢平坦、人口密集的信陽市北部和礦產開發強度大的黃岡市南部，生態等級上升區為大別山生態保護區。3)區域生態環境質量與土地利用/覆被變化空間耦合密切。信陽市中部建設用地轉變為耕地(復墾)、黃岡市北部和信陽市南部耕地轉變為林地(還林)促進了當地生態環境改善，黃岡市西、南部和信陽市北部耕地轉變為建設用地造成當地生態環境惡化。

生態環境質量受氣候、地形、土壤等自然因素和城市建設、生態治理等人類活動的多重影響，本文僅分析了土地利用/覆被變化對生態環境質量的影響，未來應考慮多種因素，綜合探究生態環境質量變化的原因。研究區地處亞熱帶山區，云量較多，本文雖利用除云算法合成了特定時段內的無云影像，但RSEI的精準性仍會受到一定影響。此外，遙感生態指數雖能快速、及時、準確地對大尺度區域生態環境質量進行評價并將結果可視化[37]，但僅利用綠度、干度、濕度、熱度4個指標評價生態狀況仍具有局限性[38]；指數的構建僅利用第一主成分，RSEI可能具有片面性[39]；受時相和主成分載荷值不統一的影響，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、綜合的指標來量化生態環境質量，如何選擇不同因子需進一步研究。