恩施州生態(tài)質(zhì)量時(shí)空特征分析
——以2001—2020年為例

周璐 劉恒 湯弟偉

(湖北民族大學(xué)林學(xué)園藝學(xué)院，湖北 恩施 445000)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞密切相關(guān)[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)加劇，人地關(guān)系矛盾突出，一系列生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，如沙漠化、水土流失、生物多樣性的退化以及森林砍伐等[2]。而良好的生態(tài)環(huán)境是最普惠的民生福祉，如何有效改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、加快生態(tài)文明建設(shè)，開展對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)顯得尤為重要。恩施州于2021年10月被生態(tài)環(huán)境部命名為第五批“綠水青山就是金山銀山”實(shí)踐創(chuàng)新基地，但其生態(tài)環(huán)境較為脆弱[3]，人類活動(dòng)與自然要素對(duì)其生態(tài)質(zhì)量影響較大，客觀、正確地評(píng)價(jià)恩施州生態(tài)質(zhì)量時(shí)空特征對(duì)于推動(dòng)區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有積極作用。

基于遙感的生態(tài)指數(shù)RSEI(Remote Sensing Based Ecological Index)[4]運(yùn)用主成分分析集成綠度、濕度、熱度、干度4個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)生態(tài)質(zhì)量，具有快速、客觀等優(yōu)勢(shì)，其可靠性已在前人研究中得到驗(yàn)證[5-7]。如胡克宏等[8]基于RSEI，認(rèn)為秦嶺南麓腹地留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2003年前呈大面積的小幅退化，后則呈大面積的小幅改善?？ㄎ崆√帷ぐ咨降萚9]運(yùn)用ENVI軟件的主成分分析方法構(gòu)建和田市的RSEI，結(jié)果表明，城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈負(fù)面影響，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，其生態(tài)環(huán)境問題亟待解決。Yuan等[10]借助Google Earth Engine(GEE)平臺(tái)構(gòu)建基于Landsat數(shù)據(jù)的RSEI，評(píng)估了洱海流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，結(jié)果表明，洱海流域整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在1999—2009年下降，在2009—2019年有所提升。

恩施州作為武陵山區(qū)水土保持與生物多樣性生態(tài)功能區(qū)的重要組成部分，具有重要的生態(tài)保護(hù)和科學(xué)研究價(jià)值，但未見該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量長時(shí)序變化研究。因此，本文借助GEE平臺(tái)，運(yùn)用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建恩施州2001—2020年RSEI對(duì)其生態(tài)質(zhì)量時(shí)空特征進(jìn)行長時(shí)序的評(píng)價(jià)，以探究恩施州生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況，為加快恩施州創(chuàng)建國家級(jí)生態(tài)文明示范區(qū)提供數(shù)據(jù)參考。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

恩施州全稱恩施土家族苗族自治州，位于湖北省西南部，E108°～110°，N29°～31°，見圖1。下轄恩施市、利川市、建始縣、巴東縣、宣恩縣、咸豐縣、來鳳縣以及鶴峰縣，全州行政區(qū)劃面積達(dá)2.4萬km2。全州以山地為主，海拔介于-9～2989m，北部、西北部以及東南部地勢(shì)高，中部以及南部地勢(shì)低。屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，境內(nèi)有木林子、星斗山、七姊妹山3個(gè)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)和1個(gè)神龍溪省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，森林覆蓋率達(dá)70%，享有“鄂西林海”之稱。

圖1 研究區(qū)地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本研究所選用的數(shù)據(jù)為MODIS遙感產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的MOD09A1、MOD11A2以及MOD13A1。MOD09A1提供了Terra MODIS波段1～7，空間分辨率為500m的地表光譜反射率估計(jì)值，并根據(jù)大氣條件(氣體、氣溶膠和瑞利散射等)進(jìn)行了校正。MOD11A2提供了空間分辨率為1000m,平均8d的地表溫度(LST)。MOD13A1提供了植被指數(shù)值，選用第1個(gè)歸一化差分植被指數(shù)NDVI植被層，其空間分辨率為500m。借助Google Earth Engine平臺(tái)篩選2001—2020年恩施州4—10月的上述遙感影像，然后利用各數(shù)據(jù)集的質(zhì)量控制波段去除云、云陰影和無效值，并進(jìn)行相應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換，最后年合成獲得最佳影像，其中LST采用均值合成，NDVI、WET和NDBSI采用中值合成。以上遙感數(shù)據(jù)均來自GoogleEarth Engine平臺(tái)提供的MODIS遙感產(chǎn)品(https://developers.google.com/earth-engine/datasets/catalog/modis)。

2 研究方法

2.1 構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)

遙感生態(tài)指數(shù)RSEI[11]選用綠度、濕度、熱度、干度4個(gè)能直觀反映生態(tài)優(yōu)劣的指標(biāo)，采用主成分分析確定各指標(biāo)權(quán)重，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的集成。RSEI的函數(shù)表達(dá)式：

RSEI=f(NDVI,WET,LST,NDBSI)

(1)

式中，NDVI、WET、LST、NDBSI分別表示綠度、濕度、熱度、干度指數(shù)。

由于地表溫度LST可從MOD11A2獲取，綠度NDVI可從MOD13A1獲取，因此只需根據(jù)MOD09A1的各波段計(jì)算濕度指數(shù)與干度指數(shù)[12]。其計(jì)算公式[13,14]：

(2)

(3)

RSEI0=PC1[f(NDVI,WET,LST,NDBSI)]

(4)

(5)

式中，ρi(i=1…7)為地表反射率產(chǎn)品MOD09A1的各波段值。PC1代表主成分分析的第1個(gè)分量；RSEI是指RSEI0的歸一化結(jié)果。

需要注意的是，本文運(yùn)用主成分分析來集成4個(gè)指數(shù)，在分析前，為了避免指標(biāo)權(quán)重占比差異較大，對(duì)4個(gè)生態(tài)變量進(jìn)行歸一化處理；參考研究利用改進(jìn)的歸一化差值水體指數(shù)(MNDWI)[15]掩膜水體，從而避免大面積水體對(duì)主成分分析的影響；通過對(duì)4個(gè)變量進(jìn)行主成分轉(zhuǎn)換，得到第一主成分結(jié)果(PC1)。為比較不同時(shí)間段的RSEI，將最初的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行歸一化處理。

2.2 RSEI變化趨勢(shì)分析

一元線性回歸分析能夠綜合表征一定時(shí)間序列的區(qū)域格局演變規(guī)律[16]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以消除由于異常因素對(duì)RSEI的趨勢(shì)分析所造成的影響，真實(shí)地反映長時(shí)間序列RSEI的演化趨勢(shì)。計(jì)算公式：

(6)

式中，slope為趨勢(shì)線斜率；n為研究時(shí)段的長度；RSEIi為第i年的RSEI值。slope>0表示RSEI上升，反之表示下降，其值大小表示RSEI變化速率。

3 結(jié)果與分析

3.1 恩施州生態(tài)質(zhì)量時(shí)間變化特征

恩施州生態(tài)質(zhì)量狀況總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，見圖2，其變化率為0.0035·a-1。近20a RSEI均值為0.73,RSEI最小值出現(xiàn)在2001年，為0.67，在2019年出現(xiàn)最大值為0.78，RSEI總體較高，表明在2001—2020年期間，該地區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況較好。

圖2 2001—2020年恩施州RSEI年際變化趨勢(shì)

各縣市RSEI年際變化情況如圖3所示。在2001—2020年，各縣市生態(tài)質(zhì)量狀況均有所改善，其中來鳳縣的變化最為明顯，其RSEI均值由2001年的0.54提升至2020年的0.68。其原因在于，“十三五”以來，來鳳縣積極推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)工作，加大生態(tài)造林、退耕還林的工作力度，使其森林覆蓋率達(dá)60%。與此同時(shí)，全縣對(duì)于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)的保護(hù)也未松懈，6個(gè)生態(tài)保育基地的建設(shè)使其圓滿完成了“綠滿荊楚”的提升行動(dòng)，并在2020年成為省級(jí)生態(tài)文明建設(shè)示范縣，生態(tài)建設(shè)成效顯著。鶴峰縣在全州中RSEI均值總體較高，由于森林城市綠化工程的推進(jìn)使其城市建成區(qū)的綠化覆蓋率達(dá)46.8%，加之省道綠化工作的開展，近20a來，呈“上升—下降”交替變動(dòng)，其生態(tài)質(zhì)量狀況總體改善。建始縣僅次于鶴峰縣，RSEI相較于其它縣市高，2007年RSEI最高為0.78，隨后降至2010年的0.72，究其原因，縣內(nèi)森林資源的逐步開發(fā)與利用，使其RSEI減少，在隨后的10a間RSEI呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，生態(tài)質(zhì)量狀況總體改善。而恩施市、利川市、巴東、宣恩、咸豐的RSEI均值提升相對(duì)較小。

圖3 2001—2020各縣市RSEI年際變化

為進(jìn)一步分析恩施州生態(tài)質(zhì)量狀況的動(dòng)態(tài)變化過程，本文參考已有研究[17]將RSEI分為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、優(yōu)(0.8～1)5個(gè)等級(jí)。對(duì)恩施州2001—2020年生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。

表1 2001—2020年恩施州生態(tài)質(zhì)量等級(jí)

研究區(qū)近20a生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化差異顯著。生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“差”和“較差”的面積占比合計(jì)最低為0.11%，最高僅為0.78%，而等級(jí)為“優(yōu)”和“良”的面積占比合計(jì)最低為76.8%，最高可達(dá)96.4%，表明恩施州生態(tài)質(zhì)量等級(jí)整體較高，生態(tài)質(zhì)量較好。生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“中等”的區(qū)域面積占比變化呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為在2001—2012年間呈“下降—上升”交替變動(dòng)，自2012年后面積占比持續(xù)下降，到2020年其面積占比由最初的22.46%下降為4.02%，下降了18.44%。與此同時(shí)，“優(yōu)”跟“良”的面積占比由2001年的76.8%上升為2020年的95.4%，上升了18.6%。從分析恩施州2001—2020年生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化可知，20a間全州大部分地區(qū)生態(tài)質(zhì)量等級(jí)以“良”和“優(yōu)”為主，生態(tài)質(zhì)量狀況較好，且生態(tài)條件不斷改善。

3.2 恩施州生態(tài)質(zhì)量空間變化特征

恩施州RSEI均值分級(jí)結(jié)果如圖4a所示，其生態(tài)質(zhì)量空間分布大致表現(xiàn)為“中部差、四周良好”。全州大部分地區(qū)的RSEI均值均大于0.5，生態(tài)質(zhì)量等級(jí)以“良”、“優(yōu)”為主，遍及全州8大縣市，占比達(dá)91.86%。生態(tài)質(zhì)量較差的區(qū)域主要分布于恩施市、利川市與來鳳縣的城區(qū)，究其原因，這些區(qū)域地形相對(duì)平緩，植被覆蓋度較低，人口稠密，人類干擾劇烈。從縣域來看，鶴峰縣、建始縣的生態(tài)質(zhì)量狀況較好，其生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“優(yōu)”的比例較其他縣市略高，來鳳縣的生態(tài)質(zhì)量狀況相對(duì)較差。

圖4 恩施州RSEI時(shí)空分布格局

為探究其空間變化趨勢(shì)，對(duì)恩施州RSEI進(jìn)行slope趨勢(shì)分析，見公式(6)，結(jié)果如圖4b所示。恩施州RSEI趨勢(shì)變化以增加為主，增加趨勢(shì)的比例達(dá)91.1%，較為明顯增加的區(qū)域主要分布于東北部巴東縣境內(nèi)的長江沿岸和南部來鳳縣，這些區(qū)域退耕還林等政策使地表植被覆蓋發(fā)生變化，加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)的影響，生態(tài)質(zhì)量狀況較好。僅8.9%區(qū)域RSEI持續(xù)下降，主要是恩施市、利川市城區(qū)，其原因在于城市的發(fā)展帶來的建設(shè)用地的擴(kuò)張，使其RSEI減小，生態(tài)質(zhì)量狀況持續(xù)變差。

在RSEI等級(jí)劃分基礎(chǔ)上，以2010年為界對(duì)全州2001年和2020年進(jìn)行差值變化檢測(cè)，并將結(jié)果分為“明顯變差”、“變差”、“不變”、“變好”、“明顯變好”5個(gè)等級(jí)，以分析恩施州近20a生態(tài)質(zhì)量狀況的時(shí)空差異變化。

由表2、圖5可知，2001—2010年，全州生態(tài)質(zhì)量狀況不變的面積占比最大，為76.30%；生態(tài)質(zhì)量狀況改善的面積占總面積比例為17.93%，主要分布于中部和南部；生態(tài)變差的面積為1382.75km2，所占比例僅為5.77%，明顯小于改善的面積，主要分布于東南部。2010—2020年，生態(tài)質(zhì)量狀況變好的面積占比增加至30.09%，全區(qū)廣泛分布；變差的面積占總面積比例為2.37%，主要位于恩施市城區(qū)周邊，變好的面積大于變差的面積，改善程度明顯高于2001—2010年。從2001—2020年的差值變化來看，生態(tài)質(zhì)量狀況變好的面積為10281km2，所占比例為42.87%，變差的面積為817.5km2，所占總面積的比例僅為3.41%，不變的面積為12885.5km2，所占比例為53.73%，說明全州近20a來生態(tài)質(zhì)量狀況有所改善。

表2 恩施州生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化

圖5 恩施州RSEI變化檢測(cè)

4 結(jié)論

本文基于MODIS數(shù)據(jù)，構(gòu)建了恩施州2001—2020年RSEI，并對(duì)其生態(tài)質(zhì)量狀況的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，具體結(jié)論如下。

時(shí)間上，近20a全州RSEI介于0.67～0.78，其變化率為0.0035·a-1，生態(tài)質(zhì)量狀況逐漸變好；各縣市生態(tài)質(zhì)量狀況均有所改善，其中鶴峰縣生態(tài)質(zhì)量最佳，來鳳縣的改善最明顯；全州大部分地區(qū)生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“良”，占比為71.15%，其次為“優(yōu)”，而“差”和“較差”占比較小，不足1%。

空間上，全州生態(tài)質(zhì)量分布的空間格局為“中間差、四周良好”；RSEI趨勢(shì)變化以增加為主，比例達(dá)91.1%，僅8.9%區(qū)域RSEI持續(xù)下降；選取的3個(gè)時(shí)間段生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化均以不變?yōu)橹?，但改善的面積呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。