長江上游典型石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價

周斯怡，殷曉潔，湯瑞權(quán)，吳鵬飛

（1.西南林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)科技信息研究所，北京 100091）

西南石漠化、西北荒漠化和黃土地區(qū)水土流失并稱為中國最嚴(yán)重的三大生態(tài)問題[1]，其中石漠化主要發(fā)生在中國的西南喀斯特區(qū)。這些地區(qū)本身土層較薄、涵養(yǎng)水源能力較差，加上不合理的人為活動，水土流失加劇、巖石出露加重、土地進(jìn)一步退化[2]。位于長江上游的西南喀斯特區(qū)關(guān)乎整個長江流域的水安全、生物多樣性安全，具有重要的生態(tài)屏障意義，而石漠化導(dǎo)致的當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)功能退化，威脅了西南地區(qū)甚至整個長江流域的生態(tài)安全。因此，長江上游石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題是急需解決的重要議題。解決生態(tài)環(huán)境問題首先需要進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價，進(jìn)而分析具體情況找到解決方法。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價進(jìn)行了一系列研究[3-6]。自2013年徐秋涵[7]提出遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index，RSEI)以來，RSEI法已應(yīng)用于城市、礦區(qū)、濕地、荒漠化和水土流失等地區(qū)的生態(tài)變化評價研究，在各類研究中均表現(xiàn)出很強(qiáng)的適用性[8-14]。使用RSEI法研究石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，可為石漠化地區(qū)的定量化生態(tài)評價與監(jiān)測提供借鑒，有助于及時調(diào)控人類活動的方向、強(qiáng)度、方式，對石漠化地區(qū)因地制宜的治理恢復(fù)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

國家林業(yè)和草原局第3次石漠化監(jiān)測報告表明：目前中國石漠化主要涉及8個省份，集中分布在貴州、云南、廣西3省(自治區(qū))[15]。云南省曲靖市地處珠江和長江上游，是長江、珠江水系的分水嶺，生態(tài)區(qū)位十分重要。本研究以長江上游典型石漠化地區(qū)曲靖市會澤縣為研究區(qū)，基于2002、2010、2018年遙感影像數(shù)據(jù)，采用RSEI法監(jiān)測與評價研究區(qū)生態(tài)變化，結(jié)合不同等級石漠化空間分布數(shù)據(jù)，分析各等級石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，以期為石漠化地區(qū)的定量化生態(tài)評價提供方法借鑒，為研究區(qū)石漠化治理和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省曲靖市會澤縣 (25°48′～27°04′N，103°03′～103°55′E)位于云南省東北部、金沙江東岸、曲靖市西北部，是石漠化綜合治理試點縣和石漠化重點監(jiān)測縣。全縣地勢西高東低，由西向東階梯狀遞減，平均海拔為2 220 m。立體氣候分布明顯，同時存在溫帶高原季風(fēng)氣候和南亞熱帶氣候至寒溫帶氣候，年平均氣溫為12.7 ℃，年降水量為800 mm。境內(nèi)植被以亞高山灌叢、草甸、闊葉類混交林、亞熱帶稀樹草原旱生植被為主?？h境內(nèi)碳酸鹽巖分布廣泛，多為灰?guī)r和白云巖，為典型的喀斯特山區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)為 2002年 2月 25日 Landsat-7 ETM+、2010年 2月7日Landsat-5 TM、2018年 3月1日Landsat-8 OLI_TIRS等衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來自于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)。云南省地質(zhì)圖來自于中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所(http://www.gyig.cas.cn/)的喀斯特數(shù)據(jù)中心。對原始影像進(jìn)行輻射校正、大氣校正、幾何校正等預(yù)處理，結(jié)合行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)拼接影像并裁剪出研究區(qū)。

1.3 石漠化分級

基于植被覆蓋度(VF)、巖石裸露率(RB)、坡度(s)等3個指標(biāo)，通過綜合分析法構(gòu)建石漠化遙感監(jiān)測指標(biāo)體系[16-18]。計算歸一化植被指數(shù)、歸一化巖石指數(shù)，并采用像元二分模型分別計算植被覆蓋度和巖石裸露率。按照表1分別對植被覆蓋度、巖石裸露率、坡度賦值，依據(jù)公式計算石漠化綜合指標(biāo)(IR)：IR=0.4VF+0.4RB+0.2s。采用決策樹分類法劃分石漠化等級：0≤IR≤1為無石漠化、1＜IR≤2為潛在石漠化、2＜IR≤4為輕度石漠化、4＜IR≤6為中度石漠化、6＜IR≤8為強(qiáng)度石漠化、8＜IR≤10為極強(qiáng)度石漠化[18]。依據(jù)云南省地質(zhì)圖剔除非喀斯特區(qū)，得到石漠化等級分布圖。

表1 石漠化分級指標(biāo)賦值Table 1 Assignment of rocky desertification classification index

1.4 遙感生態(tài)指數(shù)

采用遙感生態(tài)指數(shù)(IRSE)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[7]，該指數(shù)耦合了綠度、濕度、干度、熱度4個指標(biāo)，分別用歸一化植被指數(shù)、濕度分量、建筑裸土指數(shù)、地表溫度表示，通過主成分分析評價當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境。

1.4.1 綠度指標(biāo) 植被狀況是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的重要方面。歸一化植被指數(shù)(INDV)作為應(yīng)用最廣的植被指數(shù)，能夠很好地反映土地上的植被覆蓋狀況[19]。計算公式為：INDV=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)。其中：ρNIR和ρR分別為衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的近紅外和紅外波段的反射率。

1.4.2 濕度指標(biāo) 纓帽變換得到的第三分量 (濕度分量)與植被濕度、土壤濕度緊密相關(guān)[20]。利用濕度分量 (W)代表濕度指標(biāo)，計算公式為：W=C1ρB+C2ρG+C3ρR+C4ρNIR+C5ρSWIR1+C6ρSWIR2。其中：ρB、ρG、ρR、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的藍(lán)波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1波段、短波紅外2波段的反射率。C1～C6為濕度分量的計算系數(shù)，對于TM[21]，C1=0.031 5，C2=0.202 1，C3=0.310 2，C4=0.159 4，C5=-0.680 6，C6=-0.610 9；對于 ETM+[22]，C1=0.262 6，C2=0.214 1，C3=0.092 6，C4=0.065 6，C5=-0.762 9，C6=-0.538 8；對于 OLI[23]，C1=0.151 1，C2=0.197 3，C3=0.328 3，C4=0.340 7，C5=-0.711 7，C6=-0.455 9。

1.4.3 干度指標(biāo) 研究區(qū)存在大量石漠化裸土地區(qū)，因此干度指標(biāo)以裸土指數(shù)(IS)與建筑指數(shù)(IIB)的均值表示，記為建筑裸土指數(shù)(INDBS)[24-25]。干度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起負(fù)面作用。計算公式為：

1.4.4 熱度指標(biāo) 地表溫度與植被的生長發(fā)育、城市熱島效應(yīng)等密切相關(guān)，因此本研究采用地表溫度表示熱度指標(biāo)。熱度指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起負(fù)面作用。地表溫度的反演采用大氣校正法[26]。把衛(wèi)星傳感器接收的輻射亮度Lλ分為大氣向上輻射亮度L↑、地面的真實輻射亮度經(jīng)過大氣層之后到達(dá)衛(wèi)星傳感器的能量、大氣向下輻射到達(dá)地面后反射的能量L↓，得到公式：

其中：ε為地表比輻射率；TS衛(wèi)星傳感器處的輻射亮度值；B(TS)為TS下的黑體輻射亮度值；τ為大氣在熱紅外波段的透過率。黑體輻射亮度B(TS)的計算公式為：地表比輻射率(ε)的計算公式根據(jù)植被覆蓋度(Fv)分為水體、城鎮(zhèn)、自然3部分[27]，εwater為水體地表比輻射率；εbuilding為城鎮(zhèn)地表比輻射率；εnatural為自然地表比輻射率。

地表真實溫度(TLS)通過普朗克公式求得：

其中：K1、K2分別為定標(biāo)參數(shù)。對于 TM 數(shù)據(jù)，K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K；對于 ETM+數(shù)據(jù)，K1=666.09 W·m-2·sr-1·μm-1、K2= 1 282.71 K；對于 TIRS band10 數(shù)據(jù)，K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1、K2=1 321.08 K。

1.4.5 遙感生態(tài)指數(shù)的構(gòu)建 分別將綠度、濕度、干度、熱度4個生態(tài)指標(biāo)正規(guī)化，減少因數(shù)值大小不同帶來的影響，使其值位于[0，1]。采用主成分變換分析集合4個指標(biāo)的新影像，計算得到第一主成分載荷值(PC1)及相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果。為了便于結(jié)果的對比分析，用1-PC1，獲得初始遙感生態(tài)指數(shù)IRSE0，并將其正規(guī)化得到遙感生態(tài)指數(shù)IRSE。IRSE值越大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之越差。即：

以0.2為間隔將IRSE劃分為5個區(qū)間[7]，分別代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、良好 (0.6～0.8)、優(yōu) (0.8～1.0)。

1.5 石漠化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相關(guān)性

使用ArcGIS對會澤縣進(jìn)行均勻采樣(1 km×1 km)，去除非喀斯特地區(qū)后，共得到 2 366個采樣點，獲得對應(yīng)點位的IR與IRSE。為使石漠化綜合指標(biāo)大的值代表石漠化程度較低地區(qū)，對IR進(jìn)行歸一化，用1減去歸一化后的IR，得到轉(zhuǎn)換后的石漠化綜合指標(biāo)(IR0)，對IR0與IRSE進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 石漠化狀況分析

由表2可知：2002—2018年，研究區(qū)已石漠化地區(qū)(極強(qiáng)度、強(qiáng)度、中度、輕度石漠化)面積減少了583.33 km2，占全域面積的24.57%；無石漠化、潛在石漠化面積增加，輕度石漠化面積減少，中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化面積先增加后減少，研究區(qū)內(nèi)石漠化程度整體得到改善。具體來看，2002—2010年，已石漠化地區(qū)面積總體減少了253.22 km2，主要為輕度石漠化面積減少(432.73 km2)，年均降率為8.58%。2010—2018年，無石漠化面積顯著增加，達(dá)284.48 km2，年均增率為10.13%；極強(qiáng)度石漠化面積減少了28.38 km2，年均降率為8.23%。

表2 會澤縣 2002—2018 年石漠化面積變化Table 2 Area dynamics of different grade rocky desertification in rocky desertification of Huize Country

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體評價

2002—2018年研究區(qū)IRSE均值變化幅度不大，整體呈上升趨勢，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈中等水平(表3)。16 a間生態(tài)等級為優(yōu)和差的地區(qū)均有增加。與2012年相比，2018年研究區(qū)IRSE略有所下降，其中綠度指標(biāo)、濕度指標(biāo)均為正值，提示此兩者對生態(tài)環(huán)境起到了積極的作用；干度指標(biāo)、熱度指標(biāo)均為負(fù)值，提示此兩者對環(huán)境起到了消極作用。同時，2002、2010年綠度、濕度的PC1之和大于干度、熱度PC1之和的絕對值，表明綠度、濕度對生態(tài)環(huán)境的改善作用強(qiáng)于干度、熱度的負(fù)面作用。2018年綠度、濕度的PC1之和小于干度、熱度PC1之和的絕對值，表明干度、熱度的負(fù)面作用強(qiáng)于綠度、濕度的改善作用。16 a間，負(fù)面作用的加強(qiáng)主要來自于干度指標(biāo)，其PC1由-0.029變?yōu)?0.622。

表3 不同年份研究區(qū)生態(tài)指標(biāo)及載荷Table 3 Ecological indicators and loading scores in different years

對不同年份不同生態(tài)環(huán)境等級地區(qū)進(jìn)行面積統(tǒng)計(表4)可知：16 a間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化與優(yōu)化并存，中等、較差和良好等級地區(qū)占比之和均超過了90%，但區(qū)域等級異動較大，優(yōu)和差等級比例不斷提高。其中，中等生態(tài)等級面積占比始終最高，但逐年來呈減少趨勢，16 a間降率達(dá)14.53%。較差及以下等級面積先減少后增加，但整體變化幅度不大。良好及優(yōu)等級面積增加，增幅達(dá)12.92%。由表5可知：2018年，生態(tài)等級為差的區(qū)域主要分布在迤車鎮(zhèn)、馬路鄉(xiāng)、火紅鄉(xiāng)、礦山鎮(zhèn)、者海鎮(zhèn)、大井鎮(zhèn)、娜姑鎮(zhèn)、大海鄉(xiāng)，優(yōu)等級主要分布在老廠鄉(xiāng)、五星鄉(xiāng)、金鐘鎮(zhèn)、新街回族鄉(xiāng)、待補鎮(zhèn)、魯納鄉(xiāng)。

表4 2002—2018 年研究區(qū)生態(tài)評價等級面積Table 4 Area of leveled ecological assessment in the study area from 2002 to 2018

表5 研究區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn) 2018 年生態(tài)評價等級面積Table 5 Leveled ecological assessment area of each town in 2018

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測

2.3.1 會澤縣生態(tài)狀況變化總體分析 基于遙感生態(tài)指數(shù)的5個等級，對會澤縣2002和2018年遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行差值變化檢測，按照級差符號的正、0、負(fù)依次歸為生態(tài)變好、不變、變差。由表6可知：2002—2018年，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變好面積為1 605.37 km2，占全域面積的27.42%；生態(tài)變差地區(qū)面積為883.58 km2，占全域面積的15.09%，可見研究區(qū)生態(tài)環(huán)境總體呈變好趨勢。由表7可知：生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變好地區(qū)主要分布在老廠鄉(xiāng)、五星鄉(xiāng)、金鐘鎮(zhèn)、新街回族鄉(xiāng)、待補鎮(zhèn)、納魯鄉(xiāng)、上村鄉(xiāng)、架車鄉(xiāng)、田壩鄉(xiāng)等地。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)海拔較高，人類活動相對較少，全縣范圍內(nèi)大力實施生態(tài)環(huán)境保護(hù)，如天然林保護(hù)、公益林補植補造、石漠化治理等，使得生態(tài)環(huán)境得到了極大改善[28]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變差地區(qū)主要分布在研究區(qū)東北部及西南部等地勢較平坦的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包括紙廠鄉(xiāng)、迤車鎮(zhèn)、馬路鄉(xiāng)、火紅鄉(xiāng)、樂業(yè)鎮(zhèn)、礦山鎮(zhèn)、者海鎮(zhèn)、大井鎮(zhèn)、娜姑鎮(zhèn)、大海鄉(xiāng)。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展三大產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)生產(chǎn)總值猛增，城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，建設(shè)用地激增，一定程度上影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)狀況[28]。

表6 2002—2018 年遙感生態(tài)指數(shù)變化Table 6 Change of remote sensing ecological index in Huize Country from 2002 to 2018

表7 2002—2018 年鄉(xiāng)鎮(zhèn)遙感生態(tài)指數(shù)變化的面積和占比Table 7 Area and percentage change of each remote sensing ecological index level in each town from 2002 to 2018

2.3.2 不同等級石漠化地區(qū)生態(tài)狀況變化 由表8可知：極強(qiáng)度石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較差，強(qiáng)度、中度石漠化地區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)等級以較差、中等為主，輕度、潛在石漠化地區(qū)等級主要表現(xiàn)為中等、良好，無石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要為良好，而非喀斯特地區(qū)，較差、中等、良好等級的占比均較大?？梢娛c生態(tài)環(huán)境之間存在一定相關(guān)性。2002—2018年，無、潛在、輕度石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境均明顯好轉(zhuǎn)。其中，無石漠化和潛在石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境主要由中等、良好轉(zhuǎn)為良好、優(yōu)；輕度石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境主要由較差、中等、良好轉(zhuǎn)為中等、良好。反之，強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步變差。其中，極強(qiáng)度石漠化地區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為差等級的面積增率達(dá)28.11%。這可能與干旱有關(guān)。16 a間研究區(qū)干度指標(biāo) 的PC1由-0.029變?yōu)?0.622，而濕度指標(biāo)PC1由0.608下降為0.361 (表3)，均對IRSE產(chǎn)生負(fù)面作用，從而表現(xiàn)為以強(qiáng)度、極強(qiáng)度石漠化為代表的干旱地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。因此，在生產(chǎn)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中，應(yīng)進(jìn)一步注意石漠化嚴(yán)重地區(qū)的保護(hù)，減少人為破壞干擾。

表8 不同石漠化等級下研究區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)變化Table 8 Remote sensing ecological index changes under different rocky desertification grades in the study area

分別計算2002、2010、2018年轉(zhuǎn)換后IR0與IRSE的相關(guān)性系數(shù)可知：2002年兩者相關(guān)性系數(shù)為0.688，2010年為0.750，2018年為0.873，3期均在0.01水平上顯著相關(guān)?？梢姡鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量與石漠化之間存在正相關(guān)，隨著石漠化改善，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸向好，即通過RSEI法進(jìn)行石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價具有很好的效果。

3 結(jié)論

本研究基于 2002—2018 年 Landsat 5、Landsat 7、Landsat 8 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，劃分會澤縣石漠化等級，并利用遙感生態(tài)指數(shù)法定量評價會澤縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。結(jié)果表明：①會澤縣石漠化狀況整體得到改善，已石漠化地區(qū)總面積減少了583.33 km2，其中，輕度石漠化地區(qū)面積減少432.73 km2。②干度指標(biāo)的載荷值絕對值不斷增大，PC1載荷值由-0.029變?yōu)?0.622，對IRSE的貢獻(xiàn)度不斷增加，主要為地勢平坦地區(qū)的城鎮(zhèn)化建設(shè)用地增加，成為制約會澤縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)化的重要因素。③ 2002、2010、2018年遙感生態(tài)指數(shù)均值分別為0.458、0.490、0.488，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體表現(xiàn)為中等，生態(tài)環(huán)境呈優(yōu)化趨勢。④會澤縣內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)化面積占總面積的27.42%，主要分布在老廠鄉(xiāng)、五星鄉(xiāng)、金鐘鎮(zhèn)、新街回族鄉(xiāng)、待補鎮(zhèn)、納魯鄉(xiāng)、上村鄉(xiāng)、架車鄉(xiāng)、田壩鄉(xiāng)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差地區(qū)面積占總面積的15.09%，分布在紙廠鄉(xiāng)、迤車鎮(zhèn)、馬路鄉(xiāng)、火紅鄉(xiāng)、樂業(yè)鎮(zhèn)、礦山鎮(zhèn)、者海鎮(zhèn)、大井鎮(zhèn)、娜姑鎮(zhèn)、大海鄉(xiāng)。⑤石漠化與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)性指數(shù)為0.688～0.873，表明通過遙感生態(tài)指數(shù)法評價長江上游典型石漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量效果較好。