基于VOR模型的广西2014与2019年生态健康时空变化特征研究

李佳豪,罗 洁，徐 勇，张 楠，窦世卿，靖娟利

(桂林理工大学 测绘地理信息学院，广西 桂林 541004)

0 引言

生态系统健康评价作为地区景观评价的一个重要方面，是地区生态环境、人类活动、社会经济强度的一种体现，也是可持续发展战略的重要评价方向[1-3]。近年来，由于人类活动的加强和生态环境的恶化，使得多地的生态系统健康受到了巨大冲击[4-6]。改革开放以来，我国连续出台多项有关生态保护的法律、法规，国家也将生态保护放置首位[7]。据国家统计局公布的数据显示，近年来，我国自然保护区数量也在逐年增加，截至2019年，我国国家级自然保护区增加至474个。广西位于我国华南地区，改革开放以来，该地区大力发展第二产业，至2017年，广西重工业总产值占工业总产值比例从2000年的52%升至2017年的72%。随着地区工业的飞速发展及城市化进程的加快，生态系统也受到了一定程度的威胁[8-11]。

目前，国内外有很多关于生态健康评价的相关研究。刘明华等[12]利用多源、多时相遥感影像数据，初步建立了秦皇岛地区生态系统健康评价的压力-状态-响应概念框架的指标体系和评价模型，并对生态系统健康状态的变化进行驱动力分析，为地区可持续发展提供可靠理论基础。王文川等[13]采用自适应风驱动优化算法和回归支持向量机耦合算法对石羊河流域进行流域生态健康评价，并将结果与可变集模型评价结果进行了对比，证明了AWDO-SVR算法在生态健康评价方面的可行性。汪小钦等[14]结合主成分分析和熵权法获取了新疆开孔河流域2001—2017年生态健康指数，对开孔河流域的生态健康做出评价。张渊[15]利用VOR模型对滇池流域生态系统进行多尺度的健康评价，验证了VOR模型在生态健康评价方面的可行性，为滇池流域生态系统健康保护提供了理论依据。

生态健康评价相关研究较多，但针对广西地区景观健康评价的研究多是单一地区[16-17]和单一生态系统[18-19]，缺乏大范围生态健康评价研究。且研究结果多为5年前数据，缺乏一定的时效性。针对以上问题，本文结合归一化植被指数 (Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、地表温度(Land Surface Temperature,LST)等多种指数，利用VOR(Vigour-Organization-Resilience)生态系统健康模型，反演广西地区的景观状况，并对VOR 生态健康模型反演结果及评价子系统反演结果进行分析及应用评价，研究结果可为广西生态环境保护、综合治理与生态文明建设提供科学的理论依据和技术支持。

1 研究区域概况及数据源

1.1 研究区域概况

广西壮族自治区(20°54′N～26°24′N,104°28′E～112°04′E)拥有常住人口4 885万，地处中国地势第二阶梯中的云贵高原东南边缘，属亚热带季风气候和热带季风气候，气候温暖，雨水充沛，光照充足。广西地跨中亚热带常绿阔叶林带、南亚热带常绿季雨林带、北热带季节性林带，动植物资源丰富，且已建有各种动、植物自然保护区59处(其中国家级自然保护区11处)。近年来，在国家政策的扶持下，广西经济得到飞速发展，第二产业、第三产业都得到一定发展，但受自然灾害(如暴雨、洪涝等)、经济发展引起的建设用地增加等因素影响，地区生态环境正遭受严重破坏。

1.2 数据源

本文获取了2014年及2019年2年内覆盖广西区域的MODIS传感器空间分辨率500 m和1 000 m的数据产品。

MODIS数据具有36个波段，光谱范围广且重访周期短，已成为目前全球定量遥感领域首选的数据。从获取的MODIS数据中得到NDVI、植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)、LST及土地分类数据。其中，NDVI产品为MOD11A3数据，空间分辨率为1 000 m，月数据；NPP产品为MOD17A3HGF数据，空间分辨率为500 m，年数据；LST产品数据为MOD11A2数据，空间分辨率为1 000 m，时间分辨率为8天；土地利用分类数据为MCD12Q1数据，空间分辨率500 m，年数据。基于以上数据，经处理后将其重新赋予权重、组合已达到VOR模型评价的效果。

2 研究方法及数据预处理

2.1 VOR模型概述

目前，在生态系统健康评价方面存在多种评价指标，Rapport等[20]从生态系统活力、组织力、恢复力3个方面建立VOR生态系统健康评价模型，本文拟采用该模型及8个评价指标对广西区域生态系统进行健康评价。评价指标具体参数如表1所示。

表1 VOR评价模型及指标说明Tab.1 VOR evaluation model and indicator description

V (Vigour)代表区域生态系统的活力，本文将NDVI、NPP、LST作为活力系统的评价指标。NDVI可以直观地反映出植被的长势状态，与植物状态呈正相关。NPP为植被所固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，这一部分用于植被的生长和生殖，也是植被状态的直接体现，与植物状态呈正相关。LST与植物状态呈负相关[21]。

O(Organization)代表区域生态系统的组织力，本文将景观多样性、景观破碎度、平均斑块面积和人类干扰指数作为组织力系统的评价指标。景观多样性为区域内景观类型和景物品类的数量。在生态系统中，可以认为一个区域的景观类型越多，该地区的生态稳定性越高，当一个物种受到破坏时，由于生态系统中景观类型较高，某一单一类型的破坏并不足以影响整个生态系统，因此该评价指标呈正相关。景观破碎度为同一景观类型包含斑块的离散程度，离散程度越高，生态系统越容易被破坏，即该参数与生态系统组织力呈负相关。平均斑块面积越大，生态系统越稳定，该参数与生态系统组织力呈正相关。人类干扰指数为人类活动对生态系统的破坏程度，该参数与生态系统组织力呈负相关。

R(Resilience)代表区域生态系统的恢复力，本文将生态弹性度作为恢复力系统的评价指标。生态弹性度越高则表示该生态系统恢复力越强，即生态弹性度与生态系统恢复力呈正相关。

2.2 层次分析法概述

层次分析法是指将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，算出层次单排序(权数)和总排序，以作为指标的系统方法。

本文基于层次分析法对VOR模型中各评价子系统及各评价指标的权重值进行计算。通过对前人相关研究中各指标重要性的了解，将同一评价子系统下各指标之间的相对重要性关系定义至迈实层次分析法软件中，由计算机自动生成各评价指标的权重值。

2.3 数据预处理

2.3.1 评价指标权重

VOR模型由多种评价指标组成，但不同评价指标对模型的影响力也不尽相同，因此，为了确定各个评价指标相对于整个VOR生态评价模型的权重，本文利用层次分析法[22-23]对8种评价指标进行权重值的确定。各个指标相对于VOR生态评价模型的权重值如表2所示。

表2 VOR生态评价模型各个指标权重值Tab.2 The weight value of each indicator of the VOR ecological evaluation model

2.3.2 生态健康等级划分

按照VOR模型反演出的广西生态健康状态分布，本文将生态系统的健康等级分为5个等级[24]，其中五级代表健康状态很健康，一级代表健康状态为病态，生态系统健康等级具体划分如表3所示。

表3 生态系统健康等级划分Tab.3 Ecosystem health classification

3 结果分析

3.1 评价子系统分析

为了分析广西地区生态系统的变化，首先从生态系统活力、组织力、恢复力3个评价子系统角度对广西地区2014年与2019年之间生态环境变化进行分析。

3.1.1 活力评价系统

生态系统活力代表一个生态系统能量输入与循环的过程，在一定范围内生态系统的能量输入适宜，活力循环就快，该指标可以直接反映生态系统的能量输入与循环的效率。本文综合NDVI (0.173 9),NPP (0.175 6),LST (0.175 1)三个指标，获取了广西地区2014年和2019年的活力值，如图1和图2所示。广西地区2014年与2019年土地利用分类图为MODIS公开产品，如图3和图4所示。2014年与2019年生态活力等级如图5所示。

图1 2014年生态活力值空间分布Fig.1 The spatial distribution of ecosystem vitality in 2014

图2 2019年生态活力值空间分布Fig.2 The spatial distribution of ecosystem vitality in 2019

图3 2014年土地利用分类图Fig.3 The land use type in 2014

图4 2019年土地利用分类图Fig.4 The land use type in 2019

图5 2014年与2019年生态活力等级Fig.5 Ecological vitality levels in 2014 and 2019

时间变化方面，相比2014年，2019年广西三级、四级、五级活力地区均有不同程度的减少，其中，四级区域最为明显，减少面积达3.07 km2。对比2014年与2019年土地利用分类图，三级、四级、五级活力地区的减少多体现在草地、灌木丛向建设用地及林地的转换。建设用地多为不透水硬化面，植被覆盖率接近于零，而林地的生态系统多样性远小于草地与灌木丛，因此草地与灌木丛的减少使广西地区生态系统活力大大减小。

在空间变化方面，2014年广西生态系统活力整体时空分布较为均匀，多数区域处于四级，生态系统活力稳定性较高。2014年广西地区北部(百色、河池、桂林及柳州北部一带)生态系统活力多为四级，属于生态系统活力较高的区域；在广西地区的中部(崇左西部、柳州南部、来宾、南宁及贵港市)生态系统活力多为三级，属于中等活力区域；而位于广西的北海市生态系统活力相对较低且部分区域达到二级。2019年广西地区的生态系统活力呈现明显的空间异质性，部分区域出现一级活力现象。2019年广西地区北部多数区域生态系统活力仍为四级，但柳州市呈现生态系统活力三级现象；广西中部呈大范围生态系统活力三级分布，崇左市西部与云南省接壤处出现二级活力区域，而在崇左市东部及南宁市西部则出现较为明显的一级活力区域；广西南部的钦州市及北海市均出现明显的一级活力区域。

相较于2014年，2019年广西生态系统活力整体呈下降趋势。广西北部以柳州市为主的多处地区生态系统活力从四级下降至三级，这与柳州市及其周边地区经济发展所带来的建设用地增加问题有着密切联系；在中部地区呈现生态系统活力较低区域向外扩张现象，这主要与中部地区城市化进程有关；广西南部北海市一带部分地区的生态系统活力从三级转化为一级，生态系统活力减少最为严重。作为新兴旅游胜地，北海市每年拥有大量游客，人类活动的干扰成为该地区生态系统活力减少的主要原因。

3.1.2 组织力评价系统

生态系统组织力是指生态系统物种之间的结构关系，生态系统结构越复杂，组织力也就越高，该指标可以直接反演生态系统的复杂程度。本文综合景观多样性、景观破碎度、平均斑块面积、人类干扰指数4个评价指标，对广西2014年与2019年生态系统组织力进行反演，结果如图6和图7所示，2014年与2019年生态组织力等级分布情况统计图如图8所示。

图6 2014年生态组织力空间分布Fig.6 The spatial distribution of organizational strength in 2014

图7 2019年生态组织力空间分布Fig.7 The spatial distribution of ecological organizational strength in 2019

图8 2014年与2019年生态组织力等级统计Fig.8 The statistical results of ecological organizational strength levels in 2014 and 2019

时间变化方面，2014年广西地区组织力等级分布较为复杂，四级、五级区域分别占总面积的39.39%和34.81 %。生态系统组织力在三级以下的区域占总面积的9.74%，这些区域均为不健康或病态状态区域。近年来，广西地区人口数量增长较为迅速，随之带来的城镇化进程加快、外来旅游人口增多等人类活动的影响极大地威胁着广西地区生态环境的稳定。2019年广西地区生态系统组织力四级以上区域面积占比相对较大，健康及以上健康状态区域面积明显提高，但仍有10.28%的地区处于二级不健康区域，0.52%的地区处于一级病态区域。

空间变化方面，2014年广西地区组织力等级呈现南高北低的空间分布，在中部及南部地区出现4个等级交融现象。2019年广西地区除中部及南部部分区域出现二级区域外，其他地区生态系统组织力等级均在三级以上。相较于2014年，2019年广西地区组织力等级分布较为集中，广西北部、西部及东部地区均处于三级以上，其中生态组织力五级区域占总面积的31.58%。

相较于2014年，2019年五级及三级区域有所下降，但四级区域上升18.24%，这些区域多由灌木丛及草地组成，生态系统结构较为稳定。2019年总体呈现生态系统组织力上升趋势，上升地区主要集中在广西东部区域，这与东部区域林地面积增加有一定关系。

3.1.3 恢复力评价系统

生态系统恢复力是指生态系统在受到外界因素干扰后，重新恢复其原有平衡的能力。本文利用生态弹性度指标来评价生态系统恢复力，2014年、2019年生态系统恢复力如图9和图10所示。2014年与2019年生态系统恢复力等级分布情况统计图如图11所示。

图9 2014年生态恢复力空间分布Fig.9 The spatial distribution of ecological resilience in 2014

图10 2019年生态恢复力空间分布Fig.10 The spatial distribution of ecological resilience in 2019

图11 2014年与2019年生态恢复力等级统计Fig.11 The statistical results of ecological resilience levels in 2014 and 2019

时间变化方面，2014年广西地区生态系统恢复力等级较为复杂，一级～五级区域均有出现。相比2014年生态系统恢复力，2019年等级相对较为单一，多以五级区域为主，五级区域占整个区域的65.83%。但2019年广西地区生态系统恢复力相差较大，出现一级与五级交融现象。

空间变化方面，2014年广西北部生态系统恢复力等级以五级为主，其中在桂林市及柳州市的北部均出现三级区域；在广西中部及南部则出现多等级地区混杂现象，并出现较为明显的一级地区。2019年广西地区除中部存在部分一级地区外，其他地区均处于四级及以上等级。

相较于2014年，2019年广西地区恢复力等级有所提升，北部及东部等多处区域由三级转变为五级地区。但生态系统恢复力的提升仅与地表地物类型有关，并不能代表生态系统向好发展。

3.2 生态健康指数分析

基于生态系统活力、组织力、恢复力3个指标，结合层析法解求出的3个指标的权重值，得到广西地区2014年与2019年生态系统健康等级空间分布图，如图12和图13所示。将获取的广西地区生态系统健康等级进行重分类，得到各区域面积占比如图14所示。

图12 2014年生态系统健康空间分布Fig.12 The spatial distribution of ecosystem health in 2014

图13 2019年生态系统健康空间分布Fig.13 The spatial distribution of ecosystem health in 2019

图14 2014年与2019年生态系统健康等级统计Fig.14 The statistical results of ecosystem health levels in 2014 and 2019

时间变化方面，2014年广西地区生态系统健康五级区域总面积为51 600 km2，占总面积的21.88%，四级区域占总面积的58.17%，且仅有0.54%的地区成为一级区域，生态系统状况相对较好。2019年广西地区生态系统健康四级及以上区域占总面积的74.49%，但五级区域占比严重下降，仅占总面积的11.91%。

空间变化方面，2014年广西地区生态系统健康五级区域主要集中在广西西北部(百色、河池等地)及东部(梧州、贺州等地)，四级地区主要分布在广西中部及南部。2019年广西地区西北部生态系统健康五级区域明显减少，这与广西西北部地区近年来城市化进程及人类活动的影响存在一定关系。据统计，2019年百色地区常住人口城镇化率由2015年的34.10%增长至37.52%，上升3.42%。同时，该地粮食产量一直呈下降趋势，由2015年的116.5×107kg下降至2019年的107.29×107kg，但百色市火力发电等工业产量呈现增长趋势，表明百色市生态环境一直遭受破坏。贺州市的工业发展也成为地区生态系统退化的主要原因，2015年规模以上工业增加值为5.3%，而2019年则增长至18.5%，工业的大力发展成为威胁生态系统稳定的因素之一。在广西东北部(桂林等地)，生态系统健康等级有所上升，部分地区从三级区域提升至四级区域，这与该地2014年以来颁布的一系列环境保护法规有关。

相较于2014年，2019年的生态系统健康等级下降较为明显，多处五级区域退化至四级区域，而一级区域却有所上升。近年来，广西地区城市化进程在稳步推进，建设用地及耕地面积也在不断扩张，这进一步加剧了生态环境的破坏。

4 结束语

本文基于VOR模型并结合层析法计算的评价指标权重，得到广西地区2014年及2019年生态系统活力、组织力、恢复力、健康等级的空间分布情况及各等级所占面积。本文主要结论如下：

(1) 生态系统活力方面，与2014年相比，2019年广西生态系统活力呈严重下降趋势，四级区域减少13.13%，而一级区域则增加至7.59%。生态系统活力降低区域处于广西北部、南部部分区域，这与该地经济发展存在密切关系。

(2) 生态系统组织力方面，与2014年相比，2019年总体呈现生态系统组织力上升趋势，生态系统组织力区域上升26.44%，主要归因于广西地区林地面积的增加对组织力形成的促进作用。

(3) 生态系统恢复力方面，相较于2014年，2019年整体生态系统恢复力有所提升，北部及东部等多处区域由三级转变为五级地区，这与土地类型的变化有一定关联。

(4) 生态系统健康方面，整体来看，广西地区6年来的生态系统变化呈现恶化趋势，生态系统健康五级区域严重下降，一级病态区域有所增加，并呈现持续增加趋势，这与广西区域城市化进程等人类活动影响有关。相关部门应加强监督管理、合理规划，处理好城市化进程及经济发展与生态保护之间的关系。

针对广西地区生态系统评价缺乏等问题，利用VOR模型，综合活力、组织力、恢复力指标，分析了广西地区2014—2019年生态健康时空变化特征，对地区生态保护、治理具有一定的指导意义。