基于LUCC和RSEI指數(shù)的煙臺(tái)市生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)?

李 郊 鄭 鑫 吳輝龍 易善軍 石美琳 王 冰

（國(guó)家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是指生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度，在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，從生態(tài)系統(tǒng)層次上，反映生態(tài)環(huán)境對(duì)人類生存及社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的適宜程度[1]。生態(tài)環(huán)境為人類提供自然資源、空間環(huán)境和基本物質(zhì)條件，是人類生存的基本保障和社會(huì)發(fā)展依賴的基礎(chǔ)[2]。穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境是自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)三個(gè)要素相互作用、相互影響形成的有機(jī)整體，也是以人類社會(huì)為中心的完善系統(tǒng)[3]。良好的生態(tài)環(huán)境，是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提和保障。但在現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中，城市化飛速發(fā)展直接或間接引起的土地利用變化，人類無(wú)限制的開發(fā)以及不合理的活動(dòng)，致使生態(tài)環(huán)境受到的污染和破壞日益嚴(yán)重[4]。主要表現(xiàn)在土地退化、植被面積銳減及鹽漬化程度加重等方面，強(qiáng)烈制約和影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，甚至?xí){人類的生存安全[5]。因此，全面、及時(shí)、準(zhǔn)確地闡明區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，客觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，成為區(qū)域經(jīng)濟(jì)與環(huán)境和諧發(fā)展的首要條件[6]，同時(shí)，監(jiān)測(cè)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展也是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)重大戰(zhàn)略的迫切需求[7]。

遙感生態(tài)指數(shù)(Risk-Screening Environmental Indicators，RSEI)[8]，作為一種新型復(fù)合因子環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)工具，不但突破了空間尺度限制，而且可將區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行可視化、建模和預(yù)測(cè)，其評(píng)價(jià)結(jié)果客觀準(zhǔn)確。本研究以遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)和土地利用覆被變化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合長(zhǎng)時(shí)序的溫度、降水、人文和政策等數(shù)據(jù)資料，分析了2000—2005 年、2006—2010 年、2011—2015 年 和2016—2020年共21 年之間煙臺(tái)市的生態(tài)變化情況及其影響因子。

1 研究區(qū)概況

煙臺(tái)市地處中國(guó)華東地區(qū)、山東半島東北部，東連威海，西接濰坊，南臨黃海，北瀕渤海，與遼寧大連隔海相望，海岸線長(zhǎng)1 038.14 km。全市下轄5 個(gè)區(qū)、6 個(gè)縣級(jí)市和國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、招遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、綜合保稅區(qū)、昆崳山自然保護(hù)區(qū)，以及長(zhǎng)島海洋生態(tài)文明綜合試驗(yàn)區(qū)，總面積約13 864.5 km2。該地區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，雨水適中，空氣濕潤(rùn)，氣候溫和，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈、膠東經(jīng)濟(jì)圈內(nèi)重要節(jié)點(diǎn)城市，也是“一帶一路”倡議重點(diǎn)建設(shè)港口城市。本研究所使用的MODIS衛(wèi)星影像受分辨率限制，廟山群島未納入計(jì)算和統(tǒng)計(jì)范疇。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究用于構(gòu)建RSEI指數(shù)的4 個(gè)輸入量，Greenness、Wetness、Heat和Dryness等所使用的數(shù)據(jù)分別來自MOD13A1、MOD11A2和MOD09A1等衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品，所有衛(wèi)星影像均選用7—9月生長(zhǎng)季、低云量的數(shù)據(jù)，其時(shí)空分辨率如表1所示。

表1 衛(wèi)星產(chǎn)品參數(shù)索引Tab.1 Satellite product parameter index

2.2 RSEI指數(shù)構(gòu)建

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)指數(shù)由兩部分構(gòu)成，使用NDVI、WET、LST和NDBSI分別代表greenness、wetness、heat和dryness四個(gè)因子，通過PCA分析得到各個(gè)因子在同一時(shí)刻的貢獻(xiàn)占比之后進(jìn)行疊加，得到遙感生態(tài)指數(shù)RSEI。RSEI指數(shù)越大說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之說明生態(tài)質(zhì)量越差。該方法旨在提高生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子可獲取性，杜絕主觀意識(shí)對(duì)因子賦值干擾，廣泛運(yùn)用于中分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

2.3 GEE平臺(tái)運(yùn)算

基于MODIS系列衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)產(chǎn)品的RESI計(jì)算過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高度集成化，用戶在GEE平臺(tái)中導(dǎo)入研究范圍邊界之后可以直接運(yùn)行得出結(jié)果[9]。計(jì)算結(jié)果分為RSEI和Index兩部分，其中RSEI呈現(xiàn)根據(jù)研究時(shí)長(zhǎng)和間隔得到每一年RESI指數(shù)在研究區(qū)的空間分布情況，對(duì)應(yīng)時(shí)間的Index文件包含4個(gè)波段，分別對(duì)應(yīng)輸入的NDVI、WET、LST和NDBSI等因子的計(jì)算值在當(dāng)年的空間分布情況，運(yùn)算結(jié)果包含各個(gè)因子在對(duì)應(yīng)時(shí)段的主成分貢獻(xiàn)率[10]。

2.4 趨勢(shì)分析

本研究擬在由GEE平臺(tái)輸出的RSEI柵格數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，在Arcgis軟件中調(diào)用柵格計(jì)算器工具，通過柵格作差的方式得到4個(gè)時(shí)段的RSEI指數(shù)變化趨勢(shì)。以正值代表“變好”，負(fù)值代表“變差”，0則代表“不變”，從而全面分析煙臺(tái)市20年來的生態(tài)變化趨勢(shì)[11]。

3 結(jié)果與討論

3.1 RESI

根據(jù)谷歌云計(jì)算引擎的計(jì)算結(jié)果將煙臺(tái)地區(qū)RSEI指數(shù)等距分為5類，分別為好、較好、中等、較差和差5類。從時(shí)間維度看，煙臺(tái)地區(qū)的RSEI指數(shù)的占比以“較好”和“中等”為主，這二者之和最低的一年是2015年，其值為73.39%，見圖1(d)、表2。其余4個(gè)研究時(shí)段“中較好”和“中等”之和的占比常年穩(wěn)定在90%左右，而“差”占比多年來穩(wěn)定在1%左右(表2)，說明由RSEI指數(shù)反映出的煙臺(tái)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較為穩(wěn)定，總體較好。

圖1 煙臺(tái)市RSEI指數(shù)時(shí)空特征Fig.1 Temporal and spatial characteristics of Yantai RSEI index

表2 煙臺(tái)市RSEI指數(shù)占比表Tab.2 Ratio of Yantai RSEI Index/%

從空間角度看，“較好”和“中等”的地區(qū)常以片區(qū)方式出現(xiàn)，見圖1(a)、(b)?！皹O差”地區(qū)通常以點(diǎn)狀方式呈現(xiàn)，這些區(qū)域大多是城市或人類聚集區(qū)，見圖1(c)。從RSEI指數(shù)的構(gòu)建原理進(jìn)行分析[12]，由于城市化不斷推進(jìn)，不透水層的增加一定程度上降低了該區(qū)域的生態(tài)涵養(yǎng)功能，同時(shí)提高了地表溫度，造成RSEI指數(shù)計(jì)算值下降。

從變化趨勢(shì)看，如圖1(c)、(d)，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張，“較差”區(qū)域圍繞“差”區(qū)域呈點(diǎn)狀發(fā)展模式，該趨勢(shì)在2015年達(dá)到最高點(diǎn)，這一年的“較差”區(qū)域占比達(dá)到了歷史最高的24.05%，見圖1(d)。2006—2010年是RSEI指數(shù)下降最快的時(shí)段，見圖2(b)，推測(cè)是該階段由于經(jīng)濟(jì)建設(shè)工作的需要放松了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。隨著生態(tài)文明建設(shè)相關(guān)工作的逐步落實(shí)和以國(guó)家公園為主體的保護(hù)地體系建設(shè)工作順利開展，2016—2020年煙臺(tái)地區(qū)的RSEI指數(shù)有明顯升高，見圖2(d)。

圖2 RSEI指數(shù)趨勢(shì)分析特征分布Fig.2 Characteristic distribution of RSEI index trend analysis

3.2 LUCC

從土地利用覆被變化（LUCC）的分類結(jié)果來看(見表3)，煙臺(tái)地區(qū)占比最高的地類為耕地，其占比多年保持在45%左右，在2020年達(dá)到了歷史最高，占比為45.87%。其次為草地，草地的占比多年保持在18%左右，在2000年為歷史最高的20.03%，在2020年降至14.49%。林地的占比多年穩(wěn)定在11%左右，2000年其歷史最高峰為11.55%。水體的占比多年穩(wěn)定在3%附近，在2020年達(dá)到了歷史最高值的3.64%。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，居民區(qū)占比處于一個(gè)不斷爬升的狀態(tài)，這也從側(cè)面反映了煙臺(tái)地區(qū)的飛速發(fā)展[13]，其占比在2020年達(dá)到了歷史最高的12.22%。同時(shí)，隨著環(huán)境保護(hù)的推進(jìn)和保護(hù)地的建設(shè)，裸地的占比逐年減少，在2020年達(dá)到了其歷史最低的0.07%。

表3 LUCC（土地利用覆被變化）各用地類型占比Tab.3 Proportion of land types in LUCC/%

總體而言，煙臺(tái)市土地利用類型覆被多年來沒有發(fā)生劇烈變化，為國(guó)家守住了永久基本農(nóng)田和生態(tài)保護(hù)紅線，同時(shí)為造福人民，在逐步擴(kuò)大居民區(qū)的建設(shè)規(guī)模，在環(huán)境保護(hù)與治理方面不斷加大投入[14]，裸地的面積在逐步減少，同時(shí)通過落實(shí)以國(guó)家公園為主體的保護(hù)地建設(shè)，使得林地和草地多年來維持在穩(wěn)定的水平[15]。

3.3 溫度與降水因子

煙臺(tái)市多年年均溫變化如圖3(a)所示，平均溫度分布在12.5～14 ℃之間，處于波動(dòng)上升的狀態(tài)，此趨勢(shì)與全球變暖的背景以及城市化建設(shè)帶來的熱島效應(yīng)及部分工業(yè)排放有關(guān)[16]。

多年降水量數(shù)據(jù)如圖3(b)所示，煙臺(tái)南臨黃海，北瀕渤海，水氣條件優(yōu)渥，多年降水量維持在5 000 mm以上，在2020年達(dá)到了9 700 mm的研究期內(nèi)歷史最高數(shù)據(jù)。由于2020年高強(qiáng)度降水，一定程度上降低了地表溫度，增加了濕度[17]，這一現(xiàn)象可能導(dǎo)致了2020年RSEI指數(shù)的上升，見圖1(e)、圖2(d)。

圖3 煙臺(tái)市2000—2020 年均溫度與年降水量Fig.3 Annual average temperature and annual precipitation of Yantai from 2000 to 2020

4 結(jié)語(yǔ)

RSEI已經(jīng)在多種生態(tài)系統(tǒng)情景下開展研究，如淡水生態(tài)系統(tǒng)（石羊河流域[18]、瑪納斯河流域[19]、盤龍江流域[20]、丹江流域[21]、鄱陽(yáng)湖區(qū)[22]）、城市生態(tài)系統(tǒng)（河北省雄安新區(qū)[23-24]、湖北省遂寧市船山區(qū)[25]、甘肅省[26]、甘肅省古浪縣[27]、江蘇南京市[28]）、森林生態(tài)系統(tǒng)（武夷山[29]）、草原生態(tài)系統(tǒng)（錫林郭勒草原[30]、荒漠生態(tài)系統(tǒng)（古爾班通古特沙漠[31]）、山地生態(tài)系統(tǒng)（賀蘭山[32]）等。煙臺(tái)是中國(guó)北方典型的海灣城市，擁有森林、濕地、海洋三大生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)景觀穩(wěn)定性較低[33]，適宜使用RSEI模型研究長(zhǎng)時(shí)序的生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)。

近20年來，煙臺(tái)城市經(jīng)歷了較大發(fā)展。2000年開始，煙臺(tái)市不斷“ 東進(jìn)、南擴(kuò)、西延”，城市空間跳躍性拓展，組團(tuán)型帶狀城市結(jié)構(gòu)逐步呈現(xiàn)，以天然河流、山體和永久性綠帶分隔，組成濱海組團(tuán)式大城市的空間結(jié)構(gòu)，劃分為芝罘、福山、開發(fā)區(qū)、黃務(wù)、萊山、初家、牟平、八角八個(gè)組團(tuán)，各組團(tuán)自然分隔，此階段在圖1(c)、圖1(d)中有明顯體現(xiàn)。2010年，煙臺(tái)市產(chǎn)業(yè)快速擴(kuò)張，經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)。在空間組團(tuán)格局上，煙臺(tái)市中心城城市“山、城、海、島”的自然格局未發(fā)生較大變化。LUCC的分析結(jié)果顯示煙臺(tái)市在過去21年中未發(fā)生劇烈的土地利用類型覆被的變化，各生態(tài)組分之間沒有或微弱互相影響。在耕地、林地和草地等用地類型保持基本穩(wěn)定的前提下，裸地的占比逐年降低而居民區(qū)的占比逐年上升，說明煙臺(tái)市目前處于健康的發(fā)展模式中。

煙臺(tái)市全面開展環(huán)境保護(hù)和生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作，堅(jiān)持精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污、依法治污，實(shí)施“四減四增”三年行動(dòng)和七大高耗能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方案，打好藍(lán)天、碧水、凈土保衛(wèi)戰(zhàn)，抓好移動(dòng)源、工業(yè)源、生活源整治，搞好飲用水源地保護(hù)，實(shí)施昆崳山生態(tài)治理，持續(xù)開展造林和生態(tài)修復(fù)。著力加強(qiáng)自然保護(hù)地建設(shè)，煙臺(tái)市的自然保護(hù)地較為平均的分散在各個(gè)縣（市、區(qū)），成為生態(tài)系統(tǒng)服及價(jià)值高的生態(tài)源地，保障了生態(tài)系統(tǒng)的完整性和結(jié)構(gòu)的連通性[34]。煙臺(tái)市持續(xù)開展生態(tài)文明建設(shè)的成效在本次分析中也得以體現(xiàn)，見圖2(d)。RSEI指數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示，2016—2020年煙臺(tái)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)穩(wěn)中向好的狀態(tài)，雖然在經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定影響，但隨著建設(shè)以國(guó)家公園為主體的保護(hù)地體系政策的落實(shí)和生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，煙臺(tái)市整體的生態(tài)環(huán)境得到恢復(fù)。