撫河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價
——以廣昌縣為例

吳思楷，李滿根，陳念楠，黃振興，劉 穎

(東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，330013，南昌)

0 引言

撫河作為鄱陽湖水系的五大河流之一、江西省第二大河流，生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)良好，但隨著社會的發(fā)展和人口的激增，以及城市化過程中不透水面面積的增加，流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境受到了一定的負面影響，制約了流域內(nèi)社會經(jīng)濟的發(fā)展[1]。為此，撫州市至2016年起先后批獲生態(tài)文明先行示范市、全省唯一的第一批流域水環(huán)境綜合治理與可持續(xù)發(fā)展國家試點，響應(yīng)了習(xí)近平同志提出的“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，起到帶頭示范作用[2-3]。另外，廣昌縣作為流域的發(fā)源地，是整個流域當(dāng)中的重要部分，其生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量變化會對中下游地區(qū)造成連鎖反應(yīng)[4]。因此，對廣昌縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價可以為撫河流域生態(tài)環(huán)境問題的識別，環(huán)境保護措施的建立和實施提供有效的參考。

衛(wèi)星遙感因其有快速、實時、空間尺度大等特點[5-6]，成為了國內(nèi)外區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價的主要手段。但是大多數(shù)都是利用遙感信息所提取的單一指標(biāo)來對生態(tài)環(huán)境進行評估，如Jiang L等[7]利用長時間序列NDVI數(shù)據(jù)評估中國近20年來不同尺度發(fā)生的生態(tài)環(huán)境變化和時空變化。Badaro-aslliba N等[8]利用衛(wèi)星地表溫度LST數(shù)據(jù)制定了評估復(fù)雜城市地區(qū)城市熱島強度的局部氣候區(qū)方案。Teng J等[9]利用水體指數(shù)(NDWI)評估中國大型漫灘濕地越冬天鵝棲息地適宜性。但單一指標(biāo)難以代表復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，為此，2006年原國家環(huán)境保護部以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的形式頒布的《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》[10](以下簡稱《規(guī)范》)中推出的基于遙感技術(shù)用多指標(biāo)集成的EI指數(shù)評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如饒麗等[11]采用《規(guī)范》對2000—2019年北京市生態(tài)環(huán)境狀況進行了評價和趨勢分析。董思宜等[12]采用《規(guī)范》對2009年永定河流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價，結(jié)果處于良好狀態(tài)。但是《規(guī)范》中的EI只是一個數(shù)值，只能籠統(tǒng)地代表區(qū)域的生態(tài)狀況，不能可視化地說明區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的分布情況，也不能從時空上分析區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的變化情況，缺點較為明顯[13]。2013年徐涵秋提出了完全基于Landsat 的新型遙感生態(tài)指數(shù)( Remote Sensing Based Ecological Index，RSEI)，適用于僅使用遙感數(shù)據(jù)快速檢測生態(tài)環(huán)境[14]。該模型是在壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(press-state-response，PSR)的框架下考慮綜合綠度(NDVI) 、濕度(Wet) 、熱度(LST) 和干度(NDBSI)4個生態(tài)指標(biāo)來構(gòu)建，且具有指標(biāo)容易獲取、無需人為設(shè)定權(quán)重(用主成分分析確定權(quán)重)、準(zhǔn)確性(與EI指數(shù)有可比性)等特點，目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如Wen X等[15]利用RSEI對新型海島城市平潭綜合試驗區(qū)進行生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測與分析。蔡文博等[16]對全球四大灣區(qū)生態(tài)環(huán)境綜合評價研究。

因此，本文基于遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，對廣昌縣1997—2021年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布和時空演變進行長時序的分析評價，可為撫河流域的生態(tài)環(huán)境保護提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

廣昌縣地處撫州市南部，武夷山西麓(116°06′～116°33′E，26°29′～26°57′N)，東臨福建建寧、寧化，西連寧都，南界石城，北接南豐。總面積1 612 km2，下轄6個鎮(zhèn)(甘竹鎮(zhèn)、頭陂鎮(zhèn)、塘坊鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)、驛前鎮(zhèn)、旴江鎮(zhèn))、5個鄉(xiāng)(千善鄉(xiāng)、水南圩鄉(xiāng)、尖峰鄉(xiāng)、楊溪鄉(xiāng)、長橋鄉(xiāng))。截止第七次人口普查數(shù)據(jù)，廣昌縣常住人口為20.4萬人。

圖1 撫河流域范圍及研究區(qū)概況圖

廣昌縣地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛，四季分明，日均氣溫19.1 ℃，年均日照1 932 h，年均降水量1 172 mm，平均無霜期273 d。并且撫河的源頭旴江發(fā)源于廣昌縣驛前鎮(zhèn)靈華峰東側(cè)里木樁[17]，接納主要支流11條，境內(nèi)地勢順旴江河谷走向，呈東西高，中部低，由南向北傾斜，匯入鄱陽湖。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

Landsat系列衛(wèi)星提供了長時間序列的影像數(shù)據(jù)，可用來觀察定期的生態(tài)環(huán)境狀況。本文采用的Landsat TM/OLI遙感影像均由美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)(https://earthexplorer.usgs.gov/)獲取，時間分別為1997年1月10日、2004年12月15日、2010年1月14日、2016年12月16日、2021年1月12日。為了最終的研究結(jié)果具有合理的可比性，所選影像均為冬季，時間差距在40 d以內(nèi)，且云量均在3%以下，并且對5幅遙感圖像進行輻射定標(biāo)和大氣校正，以減少不同時段圖像在光照和大氣等方面的差異影響。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)

遙感生態(tài)指數(shù)涉及的4個指標(biāo)分別是綠度、濕度、干度和熱度。遙感生態(tài)指數(shù)的內(nèi)涵是，生態(tài)狀況可以直接被人們感知，任何生態(tài)變化都會對地表的這4個重要特征產(chǎn)生改變。

2.2.1 綠度指標(biāo)(NDVI) NDVI是目前應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)。它與植物生物量和植被覆蓋度密切相關(guān)，由于其簡單性和穩(wěn)健性，它是衡量植被生產(chǎn)里最常用的指數(shù)。因此，本文用歸一化植被指數(shù)來代表綠度指標(biāo)。對于Landsat TM/OLI影像，其公式如下：

NDVI=(ρnir-ρred)/(ρnir+ρred)，

式中：ρnir、ρred分別為近紅外波段、紅外波段反射率，NDVI的值在[-1，1]之間，值越大，植被覆蓋度越高。

2.2.2 濕度指標(biāo)(WET) 濕度指標(biāo)與土壤中的水分息息相關(guān)，由纓帽轉(zhuǎn)換的濕分量計算[18]，用以了解土壤和植物水分的充沛程度，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評價中廣泛應(yīng)用，對于Landsat TM/OLI影像，其公式如下：

TM數(shù)據(jù)：

WET=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreem+0.310 2ρred+0.159 4ρnir-0.680 6ρswir1-0.610 9ρswir2，

OLI數(shù)據(jù)：

WET=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreem+0.328 3ρred+0.340 7ρnir-0.717 1ρswir1-0.455 9ρswir2，

式中：ρblue、ρgreen、ρbred、ρnir、ρswir1、ρswir2分別為藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1、短波紅外2反射率，WET的值在[-1，1]之間，值越大，濕度越高。

2.2.3 干度指標(biāo)(NDBSI) 生態(tài)環(huán)境受人類活動影響很大，負面結(jié)果是將自然景觀轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌杆慕ㄔO(shè)用地或裸土，導(dǎo)致地表干燥。本文采用建筑物指數(shù)(IBI)和裸土指數(shù)(SI)的平均值來構(gòu)建干度指數(shù)(NDBSI)，對于Landsat TM/OLI影像，其公式如下：

NDBSI=(IBI+SI)/2，

IBI=[2ρswir1/(ρswir1+ρnir)-ρnir/(ρnir+ρred)-ρgreen/(ρgreen+ρswir1)]/[2ρswir1/(ρswir1+ρnir)+ρnir/(ρnir+ρred)+ρgreen/(ρgreen+ρswir1)]，

式中：ρblue、ρgreen、ρred、ρnir、ρswir1分別為藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1反射率，NDSI的值在[-1，1]之間，值越大，干度越高。

2.2.4 熱度指標(biāo)(LST) 熱度指數(shù)是反映地球表面能量平衡和溫室效應(yīng)的良好指標(biāo)。它是區(qū)域和全球范圍內(nèi)地表氣候變化的關(guān)鍵因素。它能反映土壤-植被-大氣系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)交換。它在氣候、水文、生態(tài)學(xué)、生物地球化學(xué)等許多領(lǐng)域的研究中都是非常必要的。在本文中，通過校正亮度溫度來獲得表面溫度，其公式如下：

LTIR=gain×DN+bias，

T=K2/ln(K1/LTIR+1),

LST=T/[1+(λT/ρ)lnε],

式中：LTIR為熱紅外波段的輻射定標(biāo)值，gain、bias為熱紅外波段的增益與偏置值，DN為灰度值，T為傳感器處溫度值，K1、K2為定標(biāo)系數(shù)，λ為熱紅外波段的中心波長，ε為地表比輻射率(取值可見文獻[19])。

TM數(shù)據(jù)：K1=607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K，gain=0.055，bias=1.182 43，λ=11.45 μm，ρ=1.438×102m·K。

OLI數(shù)據(jù)：K1=774.89 W·m-2·st-1·μm-1，K2=1 321.08 K，gain=3.342，bias=0.1，λ=10.90 μm，ρ=1.438×10-2m·K。

2.3 RSEI的構(gòu)建

因為上述4個指標(biāo)計算出的量綱不同，所以構(gòu)建單一的RSEI指數(shù)之前，需要將所有指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將原始指標(biāo)值的范圍統(tǒng)一到[0，1]之間，轉(zhuǎn)化為無量綱化。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中：DX為某一指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的值，D為該指標(biāo)的像元平均值，Dmax為該指標(biāo)的最大值，Dmin為該指標(biāo)的最小值。

對經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的4個指標(biāo)進行耦合疊加，即可得到RSEI指數(shù)。本文采用主成分分析法，對各指標(biāo)在RSEI中的權(quán)重進行計算，客觀地根據(jù)數(shù)據(jù)本身的性質(zhì)和各個指標(biāo)對RSEI的貢獻度確定權(quán)重，一定程度地消除了人為主觀因素的干擾。若第一頁主成分PC1擁有85%以上的特征貢獻度，則認(rèn)為第一主成分集成了大部分各指標(biāo)的信息，既PC1視為初始遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0； 若PC1擁有的特征貢獻度小于85%，則需要考慮集成其它主成分。為了方便指標(biāo)的比較，同樣需要對RSEI0進行標(biāo)準(zhǔn)化，計算公式如下：

RSEI0=PC1[f(NDVI,Wet,LST,NDSI)]，

，RSEI即為構(gòu)建的遙感生態(tài)指數(shù)，其數(shù)值在[0，1]之間，越接近1，生態(tài)環(huán)境越好。根據(jù)《規(guī)范》生態(tài)環(huán)境分級標(biāo)準(zhǔn)，將RSEI分5個等級，分別為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、一般(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、優(yōu)(0.8～1)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 主成分分析結(jié)果

由廣昌縣1997年、2004年、2010年、2016年和2021年各分量指標(biāo)的主成分分析表可知(表1)，PC1的特征貢獻率分別為67.69%、70.65%、60.66%、72.76%、77.74%，均大于60%，表明第一主成分集成4個分量指標(biāo)的絕大多數(shù)信息，但考慮到第一主成分貢獻率不足85%，本文采用合成的第一、第二主成分來代替綠度、濕度、干度、熱度4個指標(biāo)。

表1 主成分分析結(jié)果

由PC1各分量指標(biāo)荷載值可知，NDVI指標(biāo)呈現(xiàn)先波動下降后升高的趨勢，在2010年達到最低值0.052 1，說明廣昌縣的植被覆蓋度由2010年開始逐漸改善，導(dǎo)致該指標(biāo)對生態(tài)環(huán)境的影響較其他指標(biāo)增強。WET指標(biāo)在2016年最低，呈現(xiàn)先逐漸降低后大幅提升的趨勢，說明土壤中濕度對生態(tài)環(huán)境的影響在2016年之后得到大幅度增強。NDBSI的絕對值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，并且在2010年最低，考慮到城區(qū)擴張的不可逆性，說明2004—2010年裸土面積得到一定的改善，該指標(biāo)在2010之后升高是因為人為活動導(dǎo)致的城區(qū)擴張。LST指標(biāo)與前3個指標(biāo)密切相關(guān)，在一定程度上可以反應(yīng)人類活動產(chǎn)生的熱島效應(yīng)對生態(tài)的擾動，可以看到其絕對值波動較大，其中在2016—2021年大幅減少。

各年份的PC1當(dāng)中NDVI和WET的荷載值都呈現(xiàn)正值，表明兩者對生態(tài)環(huán)境起正面作用。NDSI和LST都呈現(xiàn)負值，表明兩者對生態(tài)環(huán)境起負面作用。而其它主成分中4個指標(biāo)起到的荷載沒有規(guī)律，對生態(tài)環(huán)境沒有表征作用。

3.2 廣昌縣生態(tài)環(huán)境各質(zhì)量等級面積統(tǒng)計及空間分布

將廣昌縣5個年份的遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)分為5個等級：0～0.2差，0.2～0.4較差，0.4～0.6一般，0.6～0.8良，0.8～1優(yōu)(如圖2)，由各年限的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間格局分布情況來看，良和一般的等級區(qū)在各年限廣昌縣總面積中始終占最大比例，差和優(yōu)的等級區(qū)在圖中分布稀少，較差的等級區(qū)主要分布在海拔低、人口密度高的旴江兩岸。

圖2 廣昌縣1997—2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況分布圖

表2總結(jié)了廣昌縣1997―2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級面積和比重的變化。其中，1997至2016年的廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均維持在一般等級，呈波動下降的趨勢，但到了2021年有了大幅度的提升，到了良的等級，但總體平均值呈現(xiàn)在一個偏低的水平，可能與研究時段在冬季導(dǎo)致NDVI值的最大峰值偏低有關(guān)。環(huán)境質(zhì)量較差的面積占比重較小，分別在2010年和2016年達到最低和最高值，占總面積的1.18%和13.61%，同時在這一時期環(huán)境質(zhì)量良的面積下降了13.22%，說明這一時段生態(tài)受到的負面擾動較大，由主成分分析結(jié)果可知主要是WET荷載值降低和LST荷載值升高導(dǎo)致。環(huán)境質(zhì)量一般的面積在前4個年份基本保持不變，但到2021年大量向等級良轉(zhuǎn)變，說明這一時期生態(tài)環(huán)境大幅變好。另外，廣昌縣各年限生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差和優(yōu)的面積所占比重都較小，表明區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著發(fā)展的高上線，生態(tài)環(huán)境還有很大的進步空間。

表2 廣昌縣1997―2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級面積和比重

3.3 廣昌縣生態(tài)環(huán)境各質(zhì)量等級時空變化情況

為了監(jiān)測每個研究年份之間的變化，本文根據(jù)各年份的間隔將每個初始RSEI圖像進行變化向量分析,并將廣昌縣1997―2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況進行圖像化，可以清晰地監(jiān)控時空變化情況，并且將變化程度分為5個級別，分別為明顯變好(≥2)、略微變好(1)、不變(0)、略微變差(-1)、明顯變差(≤-2)。

結(jié)合表3和圖3可知，4個時段的生態(tài)環(huán)境明顯變化面積所占的比值極小，說明廣昌縣整體生態(tài)環(huán)境變化穩(wěn)定。1997—2004年廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的面積為166.53 km2，占總面積的10.38%，主要分布在書堂、油榨下、西排、窯下、新屋下等地，與年間當(dāng)?shù)氐陌咨彯a(chǎn)業(yè)和招商辦廠有著密切聯(lián)系；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的面積為122.77 km2，占總面積的7.65%，主要分布在甘竹鎮(zhèn)、赤水鎮(zhèn)、驛前鎮(zhèn)、大坪頭等地；這一時期的變化情況說明總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是往差的方向發(fā)展，而且變差的區(qū)域有向四周擴散的趨勢。2004―2010年廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的面積為99.56 km2，占總面積的6.2%，主要分布在嚴(yán)坑坑口、廖坑、饒家、苦竹村、塘坊鎮(zhèn)、嵊頭等地；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的面積為239.09 km2，占總面積的14.9%，主要分布在甘竹鎮(zhèn)周邊、高洲村、赤水鎮(zhèn)周邊等鎮(zhèn)鄉(xiāng)過渡帶；變化情況說明這一時段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善，且改善的區(qū)域大多分布于河谷兩岸和城郊，但變差的區(qū)域擴散的趨勢進一步增強，這一階段人為的影響在空間上存在外擴現(xiàn)象，全縣開始發(fā)展白蓮產(chǎn)業(yè)，小微企業(yè)遍地開花，支柱產(chǎn)業(yè)工業(yè)園區(qū)也開始爭先出現(xiàn)，經(jīng)濟產(chǎn)能不在受限于主要城區(qū)。2010—2016年廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的面積為468.97 km2，占總面積的29.24%，出現(xiàn)全縣境內(nèi)大面積的退化情況；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的面積55.92 km2，占總面積的3.46%，主要分布在嚴(yán)坑坑口、廖坑等地；說明這一時段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量大幅變差，變化區(qū)域集中在人口密集的區(qū)域并且向四周擴散，年間地區(qū)受經(jīng)濟的快速增長，環(huán)境受到大范圍的擾動，當(dāng)?shù)匾查_始重視污染減排、防治，環(huán)境質(zhì)量檢測和監(jiān)管執(zhí)法等防治工作。2016―2021年廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的面積為20.55 km2，占總面積的1.28%，主要分布在竹橋、東華山等地；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的面積為564.3 km2，占總面積的35.18%，人口密集的區(qū)域都得到了大面積的改善，當(dāng)?shù)氐奈廴痉乐喂詰?zhàn)取得明顯成效，環(huán)保督察整改取得明顯成效；說明這一階段人類抑制了對生態(tài)環(huán)境的不利擾動，合理地利用土地資源。

圖3 廣昌縣1997—2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化圖

表3 廣昌縣1997—2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積變化

4 結(jié)論

1)RSEI較好地反應(yīng)了廣昌縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。從空間格局分布情況來看，生態(tài)環(huán)境好的區(qū)域分布在周邊海拔較高的山區(qū)和林地，差的區(qū)域集中分布在人口密集的河谷平原和山間盆地。

2)從各年份RSEI的均值來看，總體呈現(xiàn)波動上升的趨勢，并且在2016—2021年提升最大，整體水平等級由一般轉(zhuǎn)變?yōu)榱肌?/p>

3)從生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化情況看，1997—2021年總體生態(tài)環(huán)境相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)退化、改善、退化再改善的趨勢，其中至2016年生態(tài)文明示范區(qū)建立以來，得到的改善最大。

4)24年間廣昌縣的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體向好，其人為活動強烈的區(qū)域在2016—2021年間得到巨大的改善，說明撫州市自從獲批生態(tài)文明先行示范市、全省唯一的第一批流域水環(huán)境綜合治理與可持續(xù)發(fā)展國家試點以來，改善生態(tài)環(huán)境的效果明顯，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)繼續(xù)協(xié)調(diào)人地關(guān)系，保護人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境。