昆明市盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)與影響因素分析

李 娟，李開(kāi)兵，張金輝，周伍光

(1．廊坊市生態(tài)環(huán)境局三河市分局，065200，河北，廊坊；2．泰州醫(yī)藥高新區(qū)(高港區(qū))農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，225300，江蘇，泰州；3．四川省都江堰水利發(fā)展中心東風(fēng)渠管理處，610051，成都)

0 引言

人類生存和發(fā)展離不開(kāi)良好的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)環(huán)境受人類活動(dòng)影響非常大，因此對(duì)生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估非常必要[1]。遙感技術(shù)因具有能快速準(zhǔn)確地獲得大范圍信息，且數(shù)據(jù)量大，不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，在流域生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用[2-5]。但大多生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)方法只能利用某一生態(tài)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)，如使用植被指數(shù)評(píng)價(jià)森林的生態(tài)情況[6-8]，利用溫度指數(shù)評(píng)價(jià)城市熱島效應(yīng)[9-10]，應(yīng)用濕度指數(shù)評(píng)價(jià)河湖水質(zhì)狀況[11-13]，利用建筑指數(shù)監(jiān)測(cè)城市擴(kuò)張速率[14-15]等。生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)如只應(yīng)用單一遙感指數(shù)指標(biāo)不能較全面地揭示生態(tài)質(zhì)量的變化[16]。徐涵秋提出了耦合綠度、濕度、熱度、干度4個(gè)指標(biāo)的遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecology Index，RSEI)，該方法完全基于遙感技術(shù)，采用主成分分析法確定權(quán)重，能夠定量評(píng)價(jià)生態(tài)質(zhì)量變化程度，被廣泛使用[17]。遙感生態(tài)指數(shù)不但在城市生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中進(jìn)行了大量的應(yīng)用，如楊江燕[18]、楊永健等[19]基于遙感生態(tài)指數(shù)分別對(duì)雄安新區(qū)與遂寧市的城市生態(tài)質(zhì)量變化進(jìn)行了研究，也在流域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)中取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，如任緩等[20]、彭麗媛等[21]利用遙感生態(tài)指數(shù)分別對(duì)石羊河流域、瑪納斯河流域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為利用遙感生態(tài)指數(shù)在流域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)方面提供了參考。

盤(pán)龍江作為昆明市的母親河，其生態(tài)質(zhì)量隨著城市化進(jìn)程、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、文化傳承、政治政策等諸多因素的改變而上下波動(dòng)[22]，因此非常有必要對(duì)盤(pán)龍江流域進(jìn)行快捷、準(zhǔn)確的生態(tài)質(zhì)量的評(píng)價(jià)和演變分析。本研究利用遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)并對(duì)其影響因素進(jìn)行分析，旨在從宏觀上掌握盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量發(fā)展的動(dòng)態(tài)變化，了解其影響因素，檢驗(yàn)生態(tài)環(huán)境治理的效果，為盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)與精確治理提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

盤(pán)龍江流域位于滇池流域北部(見(jiàn)圖1)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，流域內(nèi)主要河流為盤(pán)龍江，盤(pán)龍江全長(zhǎng)108 km，徑流面積847 km2，是入滇池最大、最長(zhǎng)的河道，貫穿整個(gè)昆明主城區(qū)，盤(pán)龍江流域內(nèi)集中了昆明市的大部分成熟經(jīng)濟(jì)帶。

圖1 盤(pán)龍江流域地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

本研究采用Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源，從“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)免費(fèi)獲取，其中1988年、2000年和2010年為L(zhǎng)andsat 5 TM數(shù)據(jù)，2020 年為 Landsat 8 OLI 數(shù)據(jù)，均選用2月、云量較少且影像質(zhì)量較好的影像。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正和幾何校正等預(yù)處理，配準(zhǔn)的均方根誤差控制在0.5個(gè)像元以內(nèi)。

1.3 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建方法

1.3.1 各指數(shù)的構(gòu)建方法 綠度、濕度、熱度、干度4個(gè)自然因子指標(biāo)提取方法如下。

綠度指標(biāo)采用歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，NDVI)：

(1)

式中：ρNIR和ρRED分別代表近紅外波段和紅光波段的反射率。

濕度指標(biāo)利用Landsat計(jì)算公式如下：

WET=c1ρ1+c2ρ2+c3ρ3+c4ρ4+c5ρ5+c6ρ6

(2)

式中：ρ1～ρ6分別表示藍(lán)波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1波段及短波紅外2波段的反射率，c1～c6是傳感器參數(shù)。

熱度指標(biāo)利用地表溫度(LST)來(lái)表示：

LST=T6/10/[1+(λ6/10*T6/10/ρ)lnε]

(3)

式中：T6/10采用Gyanesh Chander等修訂參數(shù)(和Landsat用戶手冊(cè)的模型來(lái)計(jì)算，λ6/10為熱紅外波段的中心波長(zhǎng)，λ6=11.5、λ10=10.9；ρ=1.438×10-2m·K，ε為地物的比輻射率，其值根據(jù)Sobrino的模型通過(guò)NDVI進(jìn)行估算，具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[17]。

干度指標(biāo)(NDSI)為裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)兩者共同合成，分別表示由裸土和建筑用地造成的干度。

NDSI=(SI+IBI)/2

(4)

其中SI計(jì)算如下：

SI=[(ρ5+ρ3)-(ρ4+ρ1)]/[(ρ5+ρ3)+(ρ4+ρ1)]

(5)

其中IBI計(jì)算如下：

IBI={2ρ5/(ρ5+ρ4)-[ρ4/(ρ4+ρ3)]-[ρ2/(ρ2+ρ5)]}/{2ρ5/(ρ5+ρ4)+[ρ4/(ρ4+ρ3)]+[ρ2/(ρ2+ρ5)]}

(6)

式中：ρ1～ρ5分別代表藍(lán)光、綠光、紅光、近紅外、短波紅外 1 波段的反射率。

1.3.2 RSEI 的計(jì)算方法 將綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)遙感指數(shù)經(jīng)歸一化處理后，在ENVI軟件中合成新影像，再經(jīng)過(guò)主成分分析，對(duì)其第一主成分經(jīng)過(guò)進(jìn)一步歸一化處理得到遙感生態(tài)指數(shù)。

RSEI0=1-PC(f(NDVI,Wet,NDSI,LST))

(7)

RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

式中：RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)，RSEI值越大，表示生態(tài)質(zhì)量越好；反之，越差。

2 結(jié)果與討論

2.1 盤(pán)龍江流域各指數(shù)變化特征

各年份綠度、濕度、干度、熱度及遙感生態(tài)指數(shù)的統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，1988年、2000年、2010年及2020年，盤(pán)龍江流域的遙感生態(tài)指數(shù)平均值分別為0.533、0.481、0.462和0.451，1988―2020年間遙感生態(tài)指數(shù)下降了約15.4%。資料表明，昆明城區(qū)在1990年以來(lái)快速擴(kuò)展，并給離城區(qū)較近的盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量造成了一定的影響。從表 1中的各指標(biāo)變化情況來(lái)看，綠度和濕度對(duì)生態(tài)質(zhì)量有利的指標(biāo)平均值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而熱度和干度對(duì)生態(tài)質(zhì)量不利的指標(biāo)平均值逐漸上升。4個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)表明盤(pán)龍江流域的生態(tài)質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明本研究構(gòu)建的RSEI生態(tài)指數(shù)可以綜合反映綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)指標(biāo)結(jié)果。

表1 各年份 4個(gè)指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù) RSEI 的統(tǒng)計(jì)值

2.2 盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)

為了對(duì)盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，將RSEI值分為5個(gè)等級(jí)來(lái)表示5 種生態(tài)狀況，即[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)和[0.8，1)，分別對(duì)應(yīng)“差”“較差”“中”“良”和“優(yōu)”等級(jí)。

從表2可知，1988―2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量等級(jí)總體上以較差、中和良所占比例最高，85%以上的面積比例為此3個(gè)等級(jí)。自1988―2000年間，差與較差所占面積比例增加5.93%，但優(yōu)和良所占比例大幅減少了21.29%；2000―2010 年，優(yōu)和良所占比例下降3.56%，面積減少 21.44 km2，與此同時(shí)，差和較差等級(jí)所占比例增長(zhǎng)7.48%；2010―2020年，差和較差等級(jí)所占比例增長(zhǎng)0.73%，優(yōu)和良所占比例增加1.39%。

表2 1988—2020年生態(tài)質(zhì)量等級(jí)面積與比例表

由1988—2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量空間分布圖(圖2)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以看出，生態(tài)等級(jí)較高的區(qū)域主要是林地植被覆蓋區(qū)，生態(tài)較差的區(qū)域主要是位于城鎮(zhèn)生活區(qū)。1988—2000年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量開(kāi)始下降，其中南部地區(qū)有部分草地及耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地；2000—2010年間，盤(pán)龍江流域南部地區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化不大，中部地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量變化較為明顯；2010—2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量體現(xiàn)在優(yōu)良所占比例增大，差與較差比例也呈增加的趨勢(shì)。

圖2 1988—2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量空間分布

2.3 盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量演變過(guò)程

為進(jìn)一步揭示盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化規(guī)律，通過(guò)ENVI軟件，將相鄰兩期遙感生態(tài)指數(shù)值做格柵差值運(yùn)算。并且將差值運(yùn)算的結(jié)果按值量化為7級(jí)，即：1級(jí)[-1，-0.5)、2級(jí)[-0.5，-0.3)、3級(jí)[-0.3，-0.1)、4級(jí)[-0.1，0.1)、5級(jí)[0.1，0.3)、6級(jí)[0.3，0.5)、7級(jí)[0.5，1]。1～7級(jí)分別表示生態(tài)質(zhì)量出現(xiàn)顯著下降、明顯下降、略微下降、基本不變、略微上升、明顯上升、顯著上升。

從時(shí)間上看(表3)，1988—2020 年，盤(pán)龍江流域總體生態(tài)質(zhì)量不變的面積占比為 38.25%，生態(tài)退化的面積占比為42.84%，生態(tài)改善的面積占比為18.90%，表明隨著城市建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展，盤(pán)龍江流域總體的生態(tài)質(zhì)量與1988年相比質(zhì)量變差。1)1988―2000年，生態(tài)不變的面積占比為20.91%，生態(tài)退化的面積占比為47.46%，生態(tài)改善的面積占比為 31.64%，表明生態(tài)質(zhì)量明顯下降；2)2000―2010年，生態(tài)不變的面積占比為62.93%，生態(tài)退化的面積占比為23.21%，生態(tài)改善的面積占比為13.86%，表明該流域的生態(tài)質(zhì)量明顯下降；3)2010―2020年，生態(tài)不變的面積占比為17.59%，生態(tài)改善與生態(tài)退化的面積占比分別為 38.61%與 43.80%，表明此10 a該流域生態(tài)質(zhì)量略微退化。空間上(圖3)，盤(pán)龍江流域在1988―2020年中，生態(tài)質(zhì)量變好的區(qū)域主要集中在流域北部及東南部，生態(tài)質(zhì)量變差的區(qū)域主要集中在流域西南部及中部。

圖3 1988—2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量變化圖

表3 生態(tài)質(zhì)量等級(jí)和面積變化統(tǒng)計(jì)表

2.4 盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量變化影響因素

2.4.1 土地利用方式 盤(pán)龍江流域不同土地利用類型的遙感生態(tài)指數(shù)情況如圖4所示，不同土地利用類型其遙感生態(tài)指數(shù)有明顯的差異，林地的遙感生態(tài)指數(shù)值最高，耕地與水域次之，未利用地相對(duì)最低。這一結(jié)論與宋慧敏等[24]的相關(guān)研究結(jié)論一致，因?yàn)楦嘏c林地具有較高的植被覆蓋度、充足的水資源、豐富的生物量且較低的地表溫度，生態(tài)質(zhì)量較高；水域由于其較大的濕度與較低的地表溫度，使其RSEI指數(shù)較高；而建設(shè)用地與未利用地植被覆蓋度較低，缺少水資源，并且土地貧瘠，RSEI指數(shù)較低。

圖4 盤(pán)龍江流域不同土地利用類型生態(tài)質(zhì)量

2.4.2 高程與坡度 采用Spearman相關(guān)性分析方法，遙感生態(tài)指數(shù)與高程、坡度的相關(guān)系數(shù)分別為0.63和0.53(樣本數(shù)n=2 406)，說(shuō)明遙感生態(tài)指數(shù)與高程和坡度具有顯著相關(guān)性(見(jiàn)圖5和圖6)。并且，因盤(pán)龍江流域高程低的區(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)居住區(qū)，多為建設(shè)用地，因此該流域總體表現(xiàn)出高程低的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量較差。高程一定程度上影響著環(huán)境的光照、水分等因素，同時(shí)也影響著人類的活動(dòng)程度。海拔高的地區(qū)受人類活動(dòng)的影響較小，植被處于相對(duì)原始的狀態(tài)，低海拔地區(qū)受人類生產(chǎn)生活活動(dòng)影響較大，地表覆蓋類型發(fā)生明顯的改變，多為建設(shè)用地或耕地。盤(pán)龍江流域坡度小的地區(qū)，生態(tài)質(zhì)量也較差，坡度大的地區(qū)，生態(tài)質(zhì)量也較好，這一結(jié)果與尹聰嫻等的研究結(jié)果一致[25]。因?yàn)榈推露鹊貐^(qū)適合人類的開(kāi)發(fā)、建設(shè)等生產(chǎn)活動(dòng)，受人類干預(yù)程度較大，因此生態(tài)質(zhì)量相對(duì)較差。坡度高的地區(qū)開(kāi)發(fā)利用較小，受人類干預(yù)程度較小，生態(tài)質(zhì)量較好。因?yàn)槠露仍谝欢ǔ潭壬弦矔?huì)影響水土流失的程度與植被的覆蓋度，也存在著一些坡度較高的區(qū)域其生態(tài)質(zhì)量較差。

圖5 盤(pán)龍江流域高程和坡度分布圖

圖6 盤(pán)龍江流域高程、坡度與遙感生態(tài)指數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

1)利用Landsat遙感數(shù)據(jù)得到各時(shí)期盤(pán)龍江流域綠度、濕度、熱度和干度指數(shù)數(shù)據(jù)，并采用遙感生態(tài)指數(shù)建立了生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)評(píng)估。

2)1988—2020年盤(pán)龍江流域生態(tài)質(zhì)量等級(jí)總體上以較差、中和良為主，3個(gè)等級(jí)所占面積比例達(dá)到85%以上，土地利用方式為林地的其生態(tài)質(zhì)量較高，城鎮(zhèn)生活區(qū)生態(tài)質(zhì)量一般較差。

3)1988—2020年盤(pán)龍江流域總體生態(tài)質(zhì)量退化的面積比例最高，占42.84%，表明隨著城市建設(shè)進(jìn)程的發(fā)展，盤(pán)龍江流域總體的生態(tài)質(zhì)量與1988年相比質(zhì)量變差。

4)盤(pán)龍江流域不同土地利用類型之間的生態(tài)質(zhì)量存在顯著差異，表現(xiàn)為林地的遙感生態(tài)指數(shù)值最高，耕地與水域次之，未利用地相對(duì)最低；坡度小的地區(qū)，因易于開(kāi)發(fā)受人類影響較大，生態(tài)質(zhì)量較差，坡度大的地區(qū)，生態(tài)質(zhì)量較好。