基于長時序衛星遙感的云南省生態質量評價與演變特征

張詩文，李成榮，王 妍,2，武 楊

（1.西南林業大學 生態與環境學院，云南 昆明 650224；2.西南林業大學 云南省山地農村生態環境演變與污染治理重點實驗室，云南 昆明 650224；3.西南林業大學 林學院，云南 昆明 650224）

自20世紀90年代以來，隨著經濟發展、城鎮化進程，全球性生態問題和區域性環境問題層出不窮，全面客觀評價區域生態質量，協調人類社會經濟發展與生態環境平衡關系成為關注的重點和熱點[1-2]。遙感生態指數是基于生態環境狀況指數評價區域生態質量的時空局限性的一種新型遙感生態指數，可減少評價指標獲取難度和評價過程的人為主觀性[3]。自2013年提出以來，先后在中國北方的哈爾濱[1]、石家莊[4]、雄安新區[5]，東部的義烏[2]、杭州[6]，中西部的重慶[7]、烏魯木齊[8]、阿克蘇[9]，南部的福州[10]、昆明[11]以及一些特殊地理單元[12-15]均有很好的評價示范和應用。但上述研究空間分辨率與研究范圍大多沒有實現同步提升，多集中于區域中心城市，時間序列也主要在近20 a；其次分析評價也大多集中于主成分分析結果的陳述，最終集成結果遙感生態指數的分級統計、變化監測與建模預測，沒有進一步結合其他分析方法深入探究遙感生態指數的空間特征和關系。本研究在農蘭萍等[11]、朱泓等[16]、周斯怡等[17]的研究基礎上，從云南省省域空間層面和30 a 的時間尺度上定量評價生態質量的變化情況，并以莫蘭指數分析其空間分布特征，旨在更大時空尺度上作出遙感生態指數的應用拓展，探析區域生態質量變化的原因，以期發揮遙感生態指數的評價效益，為支持云南省生態環境修復及生態文明建設提供服務。

1 研究區概況

云南省屬中國西南邊境省份(21°08′～29°15′N，97°31′～106°11′E)，地處青藏高原南麓與云貴高原的交界地帶，高山、亞高山與河谷、盆地相間，境內氣候類型豐富、干濕季節分明、垂直小氣候特征明顯、生物多樣性豐富，兼備亞熱帶至高山寒溫帶的各種自然生態群落，屬于金沙江-長江、南(北)盤江-珠江、元江-紅河、瀾滄江-湄公河、怒江-薩爾溫江等重要國際國內河流的上游或源頭。參照熊俊楠等[18]對云南省區域的劃分結果，將下轄16 個地州(市)分為7 個區域，分別為滇東北、滇東南、滇南、滇西、滇西北、滇西南、滇中。

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

遙感影像源于中國科學院地理空間數據云(http://www.gscloud.cn)并由美國地質勘探局(USGS)網站(https://earthexplorer.usgs.gov/)進行補充，選取1990—2020年7 期Landsat 系列影像，空間分辨率為30 m，選取時間在每年的2—4月，云量控制在10%以下，對于局部缺失的影像再用其余時間的影像及相鄰年份的影像替代。所有影像數據通過輻射定標、大氣校正、幾何校正、圖像鑲嵌等完成預處理，并按照云南省矢量邊界裁剪出所需的研究區。

2.2 遙感生態指數

徐涵秋[3]基于遙感信息技術，以代表區域生態質量的4 大生態要素(綠度、濕度、干度、熱度)，構建以植被指數、濕度分量、建筑指數、裸土指數和地表溫度為遙感觀測指標的新型遙感生態指數(IRSEI)，即：IRSEI=f(INDVI,IWet,INDBSI,ILST)。其中：INDVI為植被歸一化指數；IWet為濕度分量；INDBSI為土壤指數，即建筑指數、裸土指數的組合；ILST為地表溫度。具體各分量計算公式參見文獻[3,17]。

為避免人為加權求和所帶來的主觀性，遙感生態指數模型運用完全自主的主成分變換，集成IRSEI以快速監測和評價區域生態質量。其次，上述觀測指標的量綱及數量級存在不統一問題，為避免其對集成結果帶來的影響，在集成之前需進行正規化，使其映射到0～1，即[3]：Ii*=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)。其中：Ii*為正規化后的觀測指標值，Ii為觀測指標在像元i處的計算值，Imax為觀測指標的最大計算值，Imin為觀測指標的最小計算值。

鑒于主成分變換結果中INDVI、IWet所代表的生態學意義[19-20]，確定主成分變換結果的第1 主成分(PC1)，即為初始遙感生態指數IRSEI0，再次經過正規化即可得到遙感生態指數IRSEI，即：IRSEI=(IRSEI0-IRSEImin)/(IRSEImax-IRSEImin)。其中，IRSEI0為初始遙感生態指數，IRSEImax為初始遙感生態指數的最大值，IRSEImin為初始遙感生態指數的最小值。對于計算結果，可按0.2 間隔成5 個生態等級，即優(5 級，IRSEI＞0.8)，良(4 級，0.8≥IRSEI＞0.6)，中等(3 級，0.6≥IRSEI＞0.4)，較差(2 級，0.4≥IRSEI＞0.2)，差(1 級，IRSEI≤0.2)，以進一步量化統計和表征區域生態質量變化。

2.3 時空分析模型

2.3.1 趨勢分析法 即以一元線性回歸模型分析自變量隨時間的變化斜率(Islope)，其計算公式參考文獻[21]并劃分等級標準：明顯減小(Islope≤-0.005)、輕度減小(-0.005 ＜Islope≤-0.002)、基本不變(-0.002＜Islope≤0.002)、輕度增加(0.002＜Islope≤0.005)、顯著增加(Islope＞0.005)。

2.3.2 穩定性分析法 即以變異系數(CV)分析自變量的變化，反映數據樣本的離散性和波動性，其計算公式參考文獻[21]，并劃分等級標準：非常穩定(CV≤0.04)、穩定(0.04 ＜CV≤0.08)、變異較小(0.08＜CV≤0.12)、變異劇烈(CV＞0.12)。

2.3.3 空間自相關分析 為研究遙感生態指數在相鄰空間單元上的空間關系，即空間相關性和異質性，引入莫蘭指數(Moran’sI)定量評估云南省129 個縣生態質量的空間自相關程度，并結合P值和Z得分分析其在空間單元上的分布特征。其中，全局莫蘭指數(global Moran’sI)在于描述自變量的整體分布情況，局部莫蘭指數(local Moran’sI)在于測量局部空間自相關并指出冷點聚集區和熱點聚集區，在空間分布上反映遙感生態指數高低值的聚類狀態，具體計算公式參考文獻[22]。

3 結果與分析

3.1 云南省生態質量的動態演變特征

如圖1所示：遙感生態指數的計算結果可表征云南省1990—2020年生態質量的動態演變特征。相較于IRSEI不同生態條件下已有的測算結果而言[23]，城市地區IRSEI為0.450～0.590，森林或植被茂盛的地區IRSEI高于0.630，但在土壤侵蝕嚴重地區IRSEI低至0.180，在沙漠地區IRSEI則低至0.240，可以更好地橫向比較云南省生態質量的具體情況。1990年，滇東北、滇東南、滇南、滇西南以及滇中的大部分地區生態質量均達到了優良等級，IRSEI達0.800 以上，而滇西、滇西北的高寒山區明顯低于省平均水平。之后，隨著人口增多導使土地依附性增強，再加上陡坡開荒、過度墾殖、順坡耕種等不合理的開墾耕作方式，能源獲取以及對森林的亂砍亂伐等[24]，至2000年全域生態質量普遍下降，IRSEI省均值從1990年的0.795 下降到2000年的0.558。隨著退耕還林還草、集體林權制度改革以及石漠化綜合治理等生態工程的陸續實施[24]，2005年生態質量得到初步恢復，IRSEI省均值達0.664。2009—2011年連續3 a 干旱導致云南曲靖珠江源石漠化面積持續擴展，滇東北、滇東南、滇南地區生態質量普遍下降，IRSEI地區均值跌至0.400 以下，其他地區也受到影響。2010年以后，隨著城鎮化進程及生態修復政策的實施，IRSEI省均值從2010年0.449 上升到2020年的0.757，平均每年增長6.86%。

圖1 1990—2020 云南省遙感生態指數動態演變特征示意圖Figure 1 Dynamic evolution characteristics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020

3.2 云南省生態質量的年際變化特征

如圖2所示：云南省1990—2020年IRSEI呈先減小、小幅回升后再減小、后又持續增加的變化趨勢，并于2000 和2010年2 次跌至最低水平。其中，省均值2 次位于良等級的高位水平，部分地區更是達到了優等級，3 次位于良等級的低位水平，2 次位于中等水平。從云南省IRSEI分區域統計結果來看，1995、2005、2015年地區均值差異較小，地區均值極差分別為0.013、0.020、0.027；1990年滇西、滇西北略有波動，與省均值的差值分別為0.029、0.090；而在人類活動干擾、連續干旱的影響下，2000、2010年云南省不同地區生態質量均有不同程度的惡化并呈現差異化分布，相較于前1 個5 a 省均值分別下降9.12%、32.38%，地區均值極差依次為0.093、0.186。

圖2 1990—2020年云南省遙感生態指數時空變化特征Figure 2 Spatial-temporal variation characteristics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020

從整個研究時間序列來看，云南省IRSEI整體變化為“W”型，整體擬合斜率為-0.008，屬于明顯減小的變化等級，其中滇西屬于輕度減小的變化等級，滇西北屬于輕度增加的變化等級，其余皆屬于明顯減小的變化等級。下降階段主要在1990—2000年，擬合斜率為-0.119，是明顯減小變化等級閾值-0.005 的23.8 倍，具體表現為全域范圍內生態質量普遍下降。低谷階段主要在2000—2010年，2005年小幅回升后再度下降，擬合斜率為-0.054，屬于明顯減小的變化等級，其中滇西、滇西北位于-0.05 以上，其主要貢獻來源于生物多樣性的保護及森林保育，而其余地區擬合斜率均小于-0.05，滇東南在巖溶環境影響下達-0.085。恢復階段主要在2010—2020年，擬合斜率為0.154，是顯著增加變化等級閾值0.005 的30.8 倍，其中滇東南作為石漠分布區中的典型代表，是近10 a 生態質量恢復最快的地區，擬合斜率為0.194。

從表1可見：1990—2000年屬于生態質量的下降階段，優良等級(4～5 級) 所占比例從1990年的95.82%下降到2000年的34.88%，平均每年下降6.09%；1～3 級所占比例從1990年的4.18% 上升到2000年的65.13%，生態條件變差等級下降面積為3.68×105km2。1990—2000年云南省生態質量的下降主要表現在優良生態等級的持續下跌，從1990年的4～5 級(95.82%)下降到1995年的3～4 級(99.97%)，再到2000年的3～4 級(96.49%)，其中1995年以4 級(68.15%)居多，而2000年以3 級(61.73%)居多。

表1 1990—2020 云南省遙感生態指數分類統計表Table 1 Classification statistics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020

2000—2010年屬于生態質量的低谷階段，主要表現為2000年的3～4 級(96.49%)且以3 級居多，初步恢復到2005年3～4 級(99.69%) 且以4 級居多，又在持續干旱因素影響下下降到2010年的2～3 級(90.38%)。從空間分布上來看，2000年主要表現為滇東北、滇東南、滇南乃至滇中的局部地區不合理的開墾方式造成水土流失，毀林取薪造成植被破壞，巖溶環境背景的脆弱性進一步凸顯；2010年主要表現為連續3 a 干旱導致云南曲靖珠江源石漠化面積持續擴展，滇東北、滇東南生態質量均受到影響。

2010—2020年屬于生態質量的恢復階段，主要表現為低位水平生態質量的持續恢復，從2010年的2～3 級(90.38%)恢復到2015年的3～4 級(97.16%)，再次恢復到2020年的4～5 級(88.53%)；生態條件轉好等級上升面積為3.75×105km2，占比為97.56%，而生態質量變差等級下降面積占比僅2.44%。

相較于1990年的初始水平，云南省2020年生態質量整體得到不同程度的恢復，面積為1.59×105km2，但1～3 級的面積占比均有上升，集中于滇東北、滇東南、滇南以及滇中局部的石漠化分布區。

3.3 云南省生態質量的空間分布特征

從橫向統計結果來看：云南省7 個區域IRSEI在1995、2005年區域整體變異程度較小，普遍屬于穩定和變異較小的變化等級，變異系數極差分別為0.011、0.022；在2000、2010年區域整體波動性較大，變異系數極差分別為0.044、0.106，其中2010年大部分地區超過變異劇烈變化等級閾值0.120 的近1 倍；滇西、滇西北在1990年與省內其他地區相比波動性較大，變異系數分別為0.115、0.171。從縱向統計結果來看：云南省7 個區域以及全省不同年份的IRSEI變異程度均較大，遙感生態指數極差波動范圍為0.20～0.50，其中滇東南最大，為0.468，滇西最小，為0.216；變異系數極差波動范圍為0.15～0.20，滇南最大，為0.206，滇西南最小，為0.094 (圖2)。

如圖3所示：在1990—2000年生態質量下降階段，云南省各區域IRSEI的下降幅度從大到小依次為滇東北、滇東南、滇南、滇中、滇西、滇西南、滇西北；除滇西北(76.32%)外，其余地區生態質量變差等級下降面積占比在90%以上。在2000—2010年生態質量低谷階段，云南省各區域IRSEI的下降幅度普遍約0.10，其中最大為滇東南(0.169)，最小為滇西北(0.059)，除滇西、滇西北外，其余地區生態質量變差等級下降面積占比在90%以上。在2010—2020年生態質量恢復階段，云南省各區域IRSEI的上升幅度從大到小依次為滇東南、滇東北、滇南、滇西南、滇中、滇西、滇西北；除滇西北(93.88%)外，其余地區生態條件轉好等級上升面積占比在95%以上。從整個研究時間序列看，滇西北IRSEI為上升，而其余地區皆為下降，其中以滇西下降最小(0.005)，而滇南下降最大(0.095)。

圖3 云南省遙感生態指數變化監測分布示意圖Figure 3 Change detection of IRSEI in Yunnan Province

3.4 云南省生態質量的空間異質性特征

1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年，云南省129 個縣IRSEI的全局莫蘭指數分別為0.586、0.225、0.409、0.394、0.374、0.278、0.321，并結合P值和Z得分，說明在99%置信度下IRSEI在相鄰空間單元上呈現聚集狀態，即區域生態質量具有空間異質性。從整個研究時間序列看，全局莫蘭指數呈下降趨勢并趨于平緩，說明研究區內縣域間IRSEI空間自相關程度不斷下降。結合云南省生態質量的動態演變特征，說明研究區內局部縣域生態質量的提升使原本的生態高值(或低值)的聚集狀態得到了一定程度的緩和。

由圖4可知：20世紀90年代，云南省縣域層面IRSEI的高值聚類主要分布在滇東北、滇東南以及滇南局部地區，低值聚類主要分布在滇西、滇西北以及滇西南的局部高寒山區。隨著滇西、滇西北、滇西南各流域生物多樣性的保護，中部哀牢山-無量山、南部熱帶森林的保育，IRSEI的低值聚類則逐漸轉移到了滇東北、滇東南、滇南以及滇中地區，特別是石漠化分布區。在聚集特征上，IRSEI高—高聚集與低—低聚集在空間分布上一般不直接相鄰且通過不顯著的空間類別進行過渡，說明生態質量外在分布上一般是漸變式的，而內在呈現高值(或低值)的聚集狀態。

圖4 1990—2020年云南省縣域空間聚類動態演變特征示意圖Figure 4 Dynamic evolution characteristics of county spatial clustering in Yunnan Province from 1990 to 2020

4 討論與結論

4.1 模型發展及數據選擇

在模型發展上，IRSEI自提出以來，已有不同學者結合研究區的特點或自身知識儲備對模型進行了一定的拓展改進。王杰等[25]引入鹽度指標表征土地鹽堿化，構建干旱IRSEI；程琳琳等[26]采用熵權法計算權重并用指數和法計算IRSEI；張華等[15]基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine，GEE)獲取影像評價祁連山國家公園。在時空尺度上，張立偉等[27]、程志峰等[28]、XU 等[23]將評價模型在皖江城市帶、蘇錫常(蘇州-無錫-常州)城市群、福建省等更大尺度作了研究的拓展和應用。在數據分析上，也從主成分分析結果的陳述、4 個觀測指標的變化與影響、以及最終集成結果IRSEI的分級統計、變化監測與建模預測，拓展到利用地理空間分析IRSEI的空間關系[29]和利用地理探測器探測生態質量變化的驅動因子[7-8]。以上這些不同層面上的發展，均使得評價模型在客觀、科學、快速、深入評價區域生態質量方面發揮更大的效益和價值。

但其中有幾點值得商榷：①GEE 獲取影像的時間應該得到嚴格的限定，以保證反演結果的準確性[20]。②應嘗試與拓展在更大空間尺度上的研究或與其他分析方法或軟件結合應用。③現有的時間序列多為近20 a，研究的時間周期沒有進一步細化，數據的空間分辨率也沒有進一步提升，對于生態質量變化的信息表達存在一定局限性。從本研究結果來看，以往對云南省生態質量方面的研究集中在植被覆蓋度的變化分析[18,30]、石漠化地區的環境變化[31]、局部地區/城市生態質量的變化[11,20]等方面，其空間分辨率與研究范圍難以實現同步提升，時間序列也主要在2000年以后，很容易遺漏20世紀90年代初云南省生態質量的高位階段以及之后10 a 的高速下降階段。

4.2 生態質量變化及原因

植被指數是構成遙感生態指數的關鍵性指標之一[20]。本研究云南省生態質量動態演變特征與熊俊楠等[18]、谷雷等[30]關于云南省植被覆蓋度的空間分布特征存在一定程度的吻合，其中對于2010年由于持續干旱所造成的生態質量下降缺少較為明顯的體現，但這在吳月圓等[32]關于云南省近10 a 植被的動態監測圖中有所體現。本研究結論與趙翠娥等[33]利用生態足跡模型分析昆明市2000—2010年生態環境與發展之間的相互關系，得出“極不安全狀態”的結論相類似，與農蘭萍等[11]得出昆明市2000—2018年IRSEI平均值為0.51，生態質量處于一般狀態(0.4～0.6)的結論相一致。

云南省生態質量及推動變化原因主要分為決定與改變2 個層面[34]：決定因子主要指脆弱的巖溶環境背景，是決定石漠化宏觀生態關系乃至區域生態質量的首要因子；而改變因子主要指促使區域生態質量發生正向變化(或負向變化) 的影響因素。本研究表明：1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年，云南省IRSEI整體變化為“W”型，優良率分別為95.82%、68.16%、34.88%、80.97%、8.83%、60.23%、88.53%，其中生態質量恢復主要為近10 a 人為支持下的持續改善，生態條件轉好等級上升面積占比97.56%，優良率上升79.70%；生態質量下降分為2 個階段：1990 和2010年左右，前者主要受人為因素影響，而后者在人為干擾下災害因素(干旱)是其中的關鍵主導因素。

云南省巖溶石漠區原為茂盛的濕性闊葉林、半濕性闊葉林、石灰巖山地灌叢[35]，從遙感觀測的角度看，1990年滇東北、滇東南、滇南以及滇中的IRSEI依次為0.806、0.825、0.838、0.819；而今的石漠化景觀多為人為活動強烈影響下逐步演變形成的[35]，具體而言云南省省域人口密度從1990年的93.95 人·km-2上升到2020年的126.96 人·km-2，其中巖溶石漠化區從100.83 人·km-2上升到139.13 人·km-2，遠超巖溶石漠化土地的生態環境承載力。對于災害因素，2010年云南省省域范圍內出現了不同程度的生態質量下降情況，其主要原因在于2009、2010、2011年是特枯水年和偏枯水年，年平均降水量較常年分別偏少24.7%、7.3%、23.0%，且時空分布不均，致使云南曲靖珠江源石漠化面積持續擴展，較2005年凈增加2.8 km2，年均擴展率為6.8%，也使其成為第2 次石漠化監測重點區域中，唯一的石漠化擴展區。

隨著退耕還林、退耕還草等一系列生態工程措施和政策的陸續實施[36-38]，農村能源結構得到調整，生物質能源(薪柴、秸稈)10 a 間從44.0%下降到37.2%，農村勞動力人口發生轉移，城鎮化率從2010年的34.81%上升到2020年的50.05%，以及農村產業結構的改革[39]，使得原本的人為干擾得以減輕，土地承載力得以緩和，植被覆蓋得以全面恢復，被破壞的生態系統逐步恢復并向著良性方向發展。

4.3 結論

云南省在1990—2020年間遙感生態指數整體下降了0.038，擬合斜率為-0.008。相較于2010年的最低水平，2020年云南省遙感生態指數的優良率從8.83%上升到88.53%，生態條件轉好等級上升面積為3.75×105km2，而生態質量變差等級下降面積占比僅為2.44%。從整個研究時間序列看，1990 和2010年前后受人為因素和災害因素的影響而出現生態質量的波動情況，但后續生態質量的提升還存在很大空間，其中應重點關注巖溶石漠化及氣象災害的影響。