2000-2021年大别山西段生态环境质量演化及其与区域土地利用耦合关系

王 雅 婷，朱 长 明*，张 涛，张 新，石 智 宇

(1.江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院,江苏 徐州 221116；2.中国地质调查局长沙自然资源综合调查中心，湖南 长沙 410600；3.中国科学院空天信息创新研究院遥感科学国家重点实验室，北京 100101)

0 引言

生态环境质量动态监测与评价对区域土地合理利用、国土空间规划、流域综合治理等均具有重要意义[1]。当前生态环境评价方法主要有：1)基于压力—状态—响应(PSR)模型的生态环境评价，如陈凤等选取17个指标构建评价体系，基于PSR模型对闽东湿地的生态健康状况进行评价[2]，但该评价方法多使用面板数据，存在权重主观性大、研究单元尺度小、数据获取困难等限制；2)基于主成分分析构建遥感生态指数(RSEI)的生态环境评价[3]，如王勇等基于遥感数据构建RSEI，分析了丹江流域、祁连山国家公园的生态环境质量变化及其原因[4，5]，该评价方法更全面、综合、快捷、客观，可为探究其他地区生态环境质量时空变化特征提供参考[6-8]。

大别山区是长江流域重要的生态屏障，同时也是我国粮食生产区、生态功能区以及国家水土流失重点预防区[9]。近年来，人口扩张、耕地面积增加使该地原有的自然景观被割裂，粗放式旅游资源开发加大了对生态系统的干扰，导致大别山区的生态恢复力下降、人地关系恶化[9-12]。因此，亟需开展大别山区生态环境变化宏观监测和动态分析，进一步加强人类活动与区域生态安全的耦合关系研究[13]。然而，当前对大别山区的相关研究主要集中在探究土地利用方式变化对土壤侵蚀程度和生态修复功能的影响以及景观格局对生境质量的影响等方面[14-16]，对其长时期生态环境质量动态评价的研究相对较少。鉴于此，本文基于GEE平台利用2000-2021年Landsat和MODIS多源遥感数据，通过主成分分析构建遥感生态指数，以揭示大别山西段生态环境质量的时空变化特征，并探究土地利用/覆被变化与生态环境质量的空间耦合性，对大别山区生态、经济振兴以及长江流域水生态保护具有重要意义。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区与数据

大别山西段(113°45′～116°07′E，29°45′～32°27′N)北临淮河、南靠长江，行政范围包括河南省信阳市、湖北省黄冈市和孝感市的大悟县(图 1)，总面积37 570 km2。该地区以亚热带季风气候为主，海拔为-8～1 707 m，地处我国第一阶梯到第二阶梯的过渡区，地势中部高，南、北低，地形复杂多样，包括山地、盆地、丘陵、平原、洼地，区内土地贫瘠，受自然气候与人为开发影响，生态环境较脆弱，水土流失、泥石流等自然灾害易发。由于大别山区特殊的地理位置和生态功能，其生态状况备受关注，2001年被列为第一批水土保持生态修复试点，2006年被列为国家级水土流失重点预防保护区，2015年被列为水源生态涵养功能区，当地政府开展了一系列区域性水土保持治理工作，并取得一定成果[17,18]。

图1 研究区地理位置及海拔Fig.1 Geographical location and altitude of the study area

遥感生态指数(RSEI)中干度和绿度指标受传感器类型和影像合成时间的影响较小，而湿度指标受传感器的影响较大[19]，因此，本文采用同一系列卫星(Landsat 5 TM、Landsat 8 OLI)影像质量较好的地表反射率数据计算绿度、干度、湿度3个指标，以保证反演结果的可比性。Landsat系列影像数据均已经过大气校正、几何校正等预处理，同时基于Landsat质量评估波段利用除云算法计算无云影像中值以合成无云影像，缺失数据利用相邻年份的像元值代替，并将合成影像重采样至1 km；利用Landsat 系列数据反演的地表温度数据精度受不同算法、地表覆盖类型和比辐射率取值的影响[20,21]，同时RSEI中的热度指标受影像合成时间的影响较大[19]，因此，本文选取与Landsat影像相同日期的MOD11A2数据产品计算热度指标，空间分辨率为1 km。为避免夏季云量过大、植被物候差异和下垫面各要素差异的影响，选取研究区2000年、2005年、2010年、2015年和2021年各年9-11月云量较少的遥感影像[22,23](均从GEE平台免费获取)。为避免水体影响主成分的载荷值，利用水体矢量数据对影像进行掩膜处理。2000年和2020年土地利用/覆被数据来自资源环境科学与数据中心，包括林地、草地、耕地、建设用地、水域、未利用地六大类，空间分辨率为1 km。

1.2 研究方法

1.2.1 遥感生态指数(RSEI)构建 RSEI利用绿度、湿度、干度、热度4个指标(计算方法见表1)评价生态环境质量[3,24]。其中，NDVI与植被生长和植被覆盖度等因素密切相关[30]，用以表示绿度指标；Wet为缨帽变换中的湿度分量，能反映土壤和植被的含水量[31]，用以表示湿度指标；LST为地表温度，代表热度指标；NDBSI为裸土指数和建筑指数均值，裸土和建设用地会造成土地表面干化，进而对区域生态环境造成破坏[32]，用以表示干度指标。由于以上指标量纲不同，本文采用极值标准化法对其进行归一化处理，然后进行主成分分析，利用第一主成分构建RSEI0(式(1))[25]，对其进行归一化处理得到RSEI(式(2))，其取值范围为[0,1]，值越大，表示生态环境质量越好。

表1 各指标计算方法Table 1 Calculation methods of various indicators

(1)

RSEI=(RSEI0-RESI0-min)/(RSEI0-max-RSEI0-min)

(2)

1.2.2 平均相关系数 为验证RSEI能否准确评价区域生态环境质量，选取相关系数检验RSEI的适宜性。若RSEI和各指标间的平均相关系数[8]大于各指标之间的平均相关系数，则说明相对其他各指标，RSEI能更综合、全面描述研究区生态环境质量。

2 结果分析

2.1 模型检验

由表2可知，第一主成分特征值的贡献率均超过61%，集中了4个指标的大部分信息，表明RSEI能较好地表示生态环境质量[33]。其中，NDVI、Wet在第一主成分上的贡献率为正值，说明绿度和湿度对生态环境具有促进作用，LST、NDBSI的贡献率为负值，说明热度和干度对生态环境具有抑制作用，与实际情况相符。由表3可知，绿度、湿度、热度、干度4个指标中，湿度的平均相关系数最大，多年均值为0.64，热度的平均相关系数最小，多年均值为0.47；RSEI与各指标的平均相关系数为0.78，比4个指标分别高50%、21%、65%、59%，表明RSEI和各指标的相关性更强，能更综合、全面地表征研究区的生态环境质量。

表2 第一主成分分析结果Table 2 Results of the first principal component analysis

表3 各指标相关性矩阵Table 3 Correlation matrix of various indicators

2.2 生态环境质量时空变化

2000年、2005年、2010年、2015年和2021年大别山西段RSEI分别为0.442、0.444、0.470、0.550、0.500，生态指数呈显著上升趋势，增长速率为0.004/a (R2=0.58,P<0.05)，说明研究区生态环境质量不断改善。虽然2021年RSEI稍有下降，但仅为高位震荡，整体仍呈上升趋势。

以0.2为间隔将RSEI划分为差[0,0.2]、较差[0.2,0.4]、中等[0.4,0.6]、良[0.6,0.8]和优[0.8,1]5个等级[22]并进行可视化(图2)，可以看出，整体上大别山西段的生态等级以中等为主，空间分异特征明显。其中，信阳市南部和黄冈市东部生态等级较高，该区域为大别山生态保护区，海拔高、植被广布，受人类活动的影响较小，生态环境保护较好，生态等级高；信阳市北部、大悟县以及黄冈市西部的生态等级较低，缘于信阳市北部为平原，人口和乡镇集聚，自然资源被大量开发利用，生态环境遭到破坏，生态等级低，而黄冈市矿产丰富，大量露天矿场被废弃[34]，进而影响生态环境质量。2000-2021年研究区生态环境质量有明显改善，信阳市北部大面积区域生态等级提升至中等，大悟县生态等级主要从较差提升至中等，黄冈市北部地区生态等级主要从较差提升至良。

图2 2000-2021年研究区生态环境质量(RSEI)等级分布Fig.2 Distribution of RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

对大别山西段各生态等级占比(表4)进行统计分析可知，研究区生态等级以中等和良为主，2000年、2005年、2010年、2015年、2021年占比分别为56.51%、55.49%、61.74%、77.64%、73.48%。其中2005年生态等级中等及以上区域面积仅占56.17%，生态环境质量最差；2015年生态等级中等及以上区域面积占82.25%，生态环境质量最好。5个年份生态等级为优和良的区域面积占比分别为18.94%、14.67%、26.40%、39.47%、28.10%，整体上持续增大，但上升幅度较小，差和较差的区域面积占比分别为42.44%、43.83%、35.66%、17.75%、25.47%，整体上不断下降且降幅较大。综合看，大别山西段生态环境质量呈上升趋势。

表4 2000-2021年研究区生态环境质量等级占比Table 4 Proportion of various RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

2.3 生态环境质量等级变化特征

研究区生态环境质量共分为5级，若等级差值为正，说明2000-2021年研究区生态环境质量提升，反之说明研究区生态环境质量恶化。对2000-2021年大别山西段生态等级转换进行统计(表5)，其中，生态改善区域占39.66%，生态恶化区域占10.55%，生态等级未变化区域达49.79%，表明大别山西段生态环境质量呈稳定上升趋势。等级变化以1级为主，分别占变差或变好区域的79.43%、91.83%，说明生态等级变化并不明显，生态环境质量较稳定。

表5 2000-2021年研究区生态等级变化统计Table 5 Statistics of changes in RSEI grades in the study area from 2000 to 2021

从研究区生态等级变化空间分布看(图3)，生态等级下降地区主要分布在信阳市北部和黄冈市南部。信阳市北部区域RSEI下降0.01，最大降幅为0.40，导致生态等级急剧下降；黄冈市南部区域RSEI下降0.16，最大降幅达0.53。生态等级上升地区分布在信阳市南部、黄冈市中(北)部和大悟县，该区域属两省交界以及大别山生态保护区，植被覆盖率高，同时积极响应退耕还林政策，加强水土保持生态功能区建设，因此近年来生态环境质量不断提升，其中信阳市南部和黄冈市北部RSEI提升幅度较大，分别提升了0.14和0.13。

2.4 土地利用/覆被变化对生态环境质量的影响

土地利用/覆被类型是人类活动和土地系统相互作用的综合表现，极大影响了当地的生态环境质量[10，28]。2000-2020年研究区土地利用/覆被变化最显著的是耕地—林地、林地—耕地、耕地—建设用地、建设用地—耕地，变化面积分别为2 759 km2、2 131 km2、1 764 km2、1 295 km2(表6)。由图4可知：耕地—林地集中在信阳市南部、黄冈市北部，位于大别山生态保护区且积极响应退耕还林政策，植被覆盖度高，生态环境质量得到改善；林地—耕地分散在大悟县、信阳市南部和黄冈市北、中部，当地生态环境质量以不变和改善为主；耕地—建设用地主要分布在黄冈市西、南部以及信阳市北部，位于低海拔平原区，人口大量集聚，城市扩张迅速，造成生态环境恶化；建设用地—耕地分散在黄冈市北、南部和信阳市中、北部，由于信阳市、黄冈市是农业大市，需严守耕地红线、积极响应城乡建设用地增减挂钩政策，因此，大量闲置建设用地转为耕地[35,36]。据统计，黄冈市2018年复垦验收农田1 266.67 hm2，其中农村闲置建设用地供应土地933.33 hm2；信阳市通过农村宅基地复垦土地6 333.33 hm2，同时矿山治理复垦面积达到600 hm2。通过土地复垦、增减挂钩以及矿山治理等项目，大面积建设用地转变为耕地，提升了当地的生态环境质量。此外，信阳市中部土地利用/覆被类型主要为耕地且未发生变化，但该区域生态环境也得到一定提升，主要原因可能是信阳市近年来水稻种植面积占比增加，使土地湿度增大，地表温度降低，影响了当地的RSEI。同时，部分建设用地复垦及水域扩张也进一步改善了当地的生态环境。以上说明土地利用/覆被变化与生态环境质量变化存在空间上的耦合性，信阳市北部和黄冈市西、南部土地利用/覆被变化造成大面积生态恶化，而信阳市南部和黄冈市北部土地利用/覆被变化促使生态改善。此外，土地利用变化的方式也与生态环境质量变化密切相关，研究区生态环境质量改善受建设用地—耕地和耕地—林地的影响最显著，生态环境质量恶化受耕地—建设用地的影响最显著。

表6 2000-2020年土地利用转移矩阵

图4 研究区土地利用与生态变化耦合结果Fig.4 Coupling results of ecological variation and land use in the study area

3 结论

本文基于GEE云计算平台，综合利用Landsat和MODIS遥感数据，通过主成分分析构建RSEI，对2000-2021年大别山西段生态环境质量进行评估，并分析区域生态环境质量时空演变特征；在此基础上结合区域多年LUCC数据探究生态环境质量演变与土地利用/覆被变化的耦合关系。结果表明：1)2000-2021年大别山西段生态环境质量改善显著，RSEI从0.44升至0.50，增长速率为0.004/a(R2=0.58,P<0.05)，生态环境质量等级提高区域面积占比39.66%。2)大别山西段生态环境质量等级空间分异明显。信阳市北部生态等级低，信阳市南部和黄冈市北部生态等级高。2000-2021年生态等级下降区集中在地势平坦、人口密集的信阳市北部和矿产开发强度大的黄冈市南部，生态等级上升区为大别山生态保护区。3)区域生态环境质量与土地利用/覆被变化空间耦合密切。信阳市中部建设用地转变为耕地(复垦)、黄冈市北部和信阳市南部耕地转变为林地(还林)促进了当地生态环境改善，黄冈市西、南部和信阳市北部耕地转变为建设用地造成当地生态环境恶化。

生态环境质量受气候、地形、土壤等自然因素和城市建设、生态治理等人类活动的多重影响，本文仅分析了土地利用/覆被变化对生态环境质量的影响，未来应考虑多种因素，综合探究生态环境质量变化的原因。研究区地处亚热带山区，云量较多，本文虽利用除云算法合成了特定时段内的无云影像，但RSEI的精准性仍会受到一定影响。此外，遥感生态指数虽能快速、及时、准确地对大尺度区域生态环境质量进行评价并将结果可视化[37]，但仅利用绿度、干度、湿度、热度4个指标评价生态状况仍具有局限性[38]；指数的构建仅利用第一主成分，RSEI可能具有片面性[39]；受时相和主成分载荷值不统一的影响，RSEI可能不具有可比性[40]；受传感器性能影响，RSEI可能具有差异性[19]等。以上问题需要更全面、综合的指标来量化生态环境质量，如何选择不同因子需进一步研究。