基于VOR模型的三峡库区消落带2010-2020年生态系统健康评价

2022-08-25周启刚彭春花刘栩位向宇峰

水土保持研究 2022年5期

周启刚, 彭春花, 刘栩位, 向宇峰, 周浪

(1.重庆工商大学公共管理学院, 重庆 400067; 2.生态环境空间信息数据挖掘与大数据集成重庆市重点实验室,重庆 401320; 3.重庆工商大学环境与资源学院, 重庆 400067; 4.石柱土家族自治县精绘勘测有限公司, 重庆 409100)

健康的生态系统是人类可持续发展的核心保障。近年来经济的发展、社会的进步以及人口数量的增大，不断消耗生态环境的物质资源，给生态环境带来巨大的压力[1-2]，而人类生存活动所需要的自然资源需要健康的生态环境来提供[3]。在全球社会经济高速发展导致生态系统健康状况日益恶化的严峻形势下，对生态系统健康状况的定量监测和评价是评估区域可持续发展的重要途经[4]，生态环境健康评价能够客观评价生态环境的健康状况，分析区域主要环境问题及驱动因素，可为区域环境的综合管理提供新思路。

当前，国内外学者对生态系统健康研究主要集中于评价方法的选取和指标体系的构建，如何完善生态环境健康评价体系成为重点研究课题之一。目前评价区域生态系统健康主要有物种指示法和指标体系法[5-6]，物种指示法主要针对于单一的生态系统，综合性的生态系统主要采用指标体系法。国内外主要采用指标体系法对区域生态系统健康进行评价研究，指标体系法中比较成熟的模型方法有：综合指数法[7-9]、层次分析法[10-14]、压力—状态—响应模型(PSR模型)等[15-17]方法。其中，综合指数法多用于水生态系统评价，能很好体现水生态系统的综合性、整体性和层次性[18-19]；层次分析法可全面分析区域生态系统发生的动态变化，但权重确定倾向于主观因素，受人为因素影响较大[20]；PSR模型从压力、状态和响应3个层次构建多个重要指标进行系统评价，此方法较多依赖主观选取评价指标，指标的科学性难以保证[21]。研究发现，以往众多学者应用上述方法开展研究过程中，指标选取的主观性、科学性以及指标数量难以达成共识，而VOR模型从活力、组织力、恢复力3个方面综合构成为生态系统健康评价体系，能全面反映区域生态系统内各子系统的健康状况，使生态系统健康评估从定性向定量转变，可客观评价区域的生态系统健康的综合情况，是生态系统健康研究的重要评价模型[22-23]。同时，VOR模型可基于遥感影像数据，快速构建评价指标进行评价，适用于小尺度下的生态系统健康评价，该评价模型具有合理、有效且简便等特点。

三峡库区消落带是生态环境容易被破坏、较难恢复的一个重点保护区域，该区域是库区水域与周边陆地环境的过渡地带，对库区水域系统和库区两岸坡地系统的物质循环、能量交换起着重要作用。近年来，随着经济的快速发展，三峡库区消落带受土壤侵蚀、重金属污染、城市建设等影响，其地表覆被发生相应变化，对生态系统健康带来一定的影响。为探究2009年三峡大坝建成并全面蓄水后三峡库区消落带的生态系统健康状况，本研究以三峡库区消落带为研究区，以景观生态学和地理统计学为理论基础，基于高清遥感影像数据划分生态系统类型，从生态系统活力(V)、组织力(O)、和恢复力(R)3个方面科学构建VOR模型，定量评估2010—2020年三峡库区消落带生态系统健康的动态变化状况。本研究旨在为三峡库区消落带生态系统的修复和保护提供研究基础和参考价值。

1 研究区概况

三峡库区消落带位于北纬29°16′—31°25′、东经106°—110°50′，主要范围为三峡水库水位线145～175 m的区域，涉及重庆市和湖北省的26个区县，面积共计348.34 km2，其中重庆市三峡库区消落带总面积268.54 km2，占库区消落带总面积的77.09%；湖北省三峡库区消落带总面积79.80 km2，占库区消落带总面积的22.91%；在空间上库首消落带主要涵盖巴东县、秭归县、夷陵县、兴山县共4个区县，库腹涵盖奉节县、巫山县、巫溪县、云阳县、万州区、开州区、忠县、石柱县、丰都县、涪陵区、武隆区共11个区县，库尾涵盖长寿区、渝北区、江北区、北碚区、沙坪坝区、南岸区、巴南区、九龙坡区、渝中区、大渡口区、江津区共11个区县。

三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的相交处，横跨越渝、鄂中山区峡谷以及川东岭谷地带，属南温带和亚热带过渡地带，年均气温16～19℃，年均降水1 100～1 200 mm，年均相对湿度为 76%。三峡库区消落带是全球面积较大的水陆生态系统交替演变的过渡地带，其主要是由三峡水库调度引起的水位周期性变化形成的。三峡库区消落带生态系统因其边缘性、过渡性和脆弱性极易导致水土流失、水体环境污染、生物多样性减少等问题。我国水利工程建设各类水库数量众多，由于季节性蓄水变化形成大面积消落带，研究三峡库区消落带生态环境状况对同类水库具有借鉴意义。

2 数据来源与方法

2.1 数据来源与处理

本研究基础遥感数据来源于Google Earth发布的高分辨率遥感影像，其空间分辨率为2 m×2 m，采用的地理坐标系为GCS_ Krasovsky_1940，投影坐标系采用Albers圆锥等面积投影，其时间分辨率为2010年、2014年、2018年和2020年四期第二季度(4月、5月和6月)遥感数据。三峡库区消落带地表覆被类型采用中科院分类标准，将其分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和裸地6类。通过采用eCognition软件，对基础遥感数据进行面向对象的解译方式基础上，采用人工目视解译的方法提高遥感影像的解译精度。为保证整体范围不改变，每一时期的地表覆被数据均在前一期数据的基础上进行变更修改。归一化植被指数(NDVI)数据，通过Google earth engine平台获取Landsat系列卫星影像进行编码反演，分辨率为30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 生态系统健康评价体系构建本研究基于遥感影像的生态健康评价方法，从活力、组织力和恢复力3个方面来反映生态系统健康。活力即系统的活性、新陈代谢能力和初级生产力，可选取光合效率或光合产物、地上生物量等指标进行评价，本次选取归一化差值植被指数(NDVI)表征系统活力。组织力用于表示生态系统的复杂性，主要体现在人类活动干扰和自然景观多样性这两方面，本次选用景观多样性，蔓延度，聚合度和人来干扰度4个指标来表征系统组织力。恢复力是指系统受外界干扰的自我抵抗力和恢复速率，本次选用生态弹性度表征系统恢复力。所以本研究选用3个子系统，6类指标，从环境资源，景观生态和人为干扰3个角度，构建了研究区的生态系统健康评价指标体系(表1)。

(1) 活力。活力(Vigor,V)是指生态系统的新陈代谢或初级生产力，一般用植被生产力表示，由于归一化植被指数(NDVI)与植被生产力高度正相关，本文选取研究区的NDVI作为生态系统活力指标[24-26]。归一化植被指数(NDVI)是利用植物叶面在红光波段的较强吸收特性和在近红外波段强烈的反射特性进行组合而成，其可以综合反映出研究区域的植被覆盖率，在遥感影像中，其计算公式为：

(1)

式中:NIR为近红外波段的反射值;R为红外光波段的反射值。当绿度指标(NDVI)>0时,则表示有植被覆盖,且绿度指标(NDVI)越大时,表示覆盖度越大。

表1 生态系统健康评价指标体系

(2) 组织力。组织力(Organization,O)是指生态系统的结构，描述生态系统的复杂性，主要表现在人为活动影响和自然景观多样性上，其结构越复杂，生态就越健康[27]。本研究选用景观多样性指数(SHDI)、蔓延度指数(CONTAG)、聚集度指数(AI)、人为干扰度指数(HDI)作为组织力的指标因子，其中景观多样性指数(SHDI)揭示景观的复杂程度；蔓延度指数(CONTAG)描述不同斑块类型的团聚程度或延展趋势；聚集度指数(AI)体现相应斑块类型的自然状态连通度；人为干扰度指数(HDI)能表征生态系统的受到人类活动的干扰程度。

(1) 景观多样性指数指不同类型的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样化和变异性，反映景观类型的多少和所占比例的变化，揭示景观的复杂程度。该指数与生态风险程度呈正相关，属于正向指标，计算公式如下:

(2)

式中:H为研究区景观多样性指数;Pi为研究区内第i种土地利用类型占土地总面积的比例;m为研究区土地利用类型的总数。

(2) 蔓延度指数描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。一般来说，高蔓延度值说明景观中的某种优势斑块类型形成了良好的连接性，反之则表明景观具有多种要素的密集格局，景观的破碎化程度较高。

(3)

式中:Pij是随机选择的两个相邻栅格属于类型i与j的概率。

(3) 聚集度指数，其数值越大，聚集度越高，反映了生态系统各成分间相互依赖的程度越强，生态系统结构愈加稳定，计算公式如下：

(4)

式中:fij为根据单一算法类型I相邻斑块数。

(4) 人为干扰度指数(HDI)为人类生产生活中对生态环境的干扰强度，即为人为干扰度，不同的地表覆被类型代表着不同的人类开发利用强度。本文参考孙永光、陈爱莲等研究成果[28-29]，结合三峡库区消落带地表覆被类型和人为活动因素，确定干扰度系数(表2)，通过构建人为干扰度(HDI)模型来表示三峡库区消落带的人类活动影响强度，其表达式为：

(5)

式中:n为地表覆被类型;Ax为采样网格中第x种地表覆被的面积(km2);Ay为采样网格的面积(km2);Px为第x种地表覆被类型所反映的人为干扰度系数。

(5) 组织力(O)计算模型为：

(6)

式中:O为组织力；X为i类指标因子的值；1≥n≥4。

表2 研究区地表覆被类型与人为干扰强度系数

(3) 恢复力。恢复力(Resilience,R)是指景观斑块在自然界和人为干扰情况下，保持其原有结构和功能的能力，反映其在生态系统中自我抗干扰与适应的能力[30]。地表覆被类型的属性越接近自然生态系统，越容易在受到干扰之后自我恢复。本研究根据不同的地表覆被类型，参考前人研究[18,24,30]，设定其生态弹力系数(表3)：

表3 地表覆被类型与生态弹力系数RC

在自然及人为外界压力下，接近自然生态系统的地表覆被类型更易恢复，而以人为主导的地表覆被类型在外部压力下的恢复能力较低，从而遭受更大的破坏。地表覆被中的水体和裸地，可以从水循环中迅速恢复，而地表覆被为裸地的区域在目视解译和野外考察中多为消落带邻近水域的滩地和滩涂，特别是呈荒地状态的区域，对自然灾害具有很强的抵抗性，在外界干扰消失后能够自我更新或保持原状，因此具有最高的恢复潜力。

2.2.2 VOR生态系统健康评价模型本研究基于活力、组织力和恢复力3个评估因子，构建三峡库区消落带生态系统健康指数，公式如下：

(7)

式中:EHI为生态系统健康指数,V,O,R分别为生态系统活力、组织力和恢复力,三者均是评估生态系统健康的重要因子,具有同等重要性,因此采用乘法运算。由于不同的指标因子的增量会使生态系统健康更加健康和稳定或使生态系统健康更脆弱和不稳定,为综合评价研究区生态系统健康,根据表1中的指标类型对其进行归一化处理,计算公式如下。

积极意义指标：

(8)

消极意义指标：

(9)

式中:Y为归一化后得结果值,范围[0,1]；X为样本值,Xmax为样本数据最大值；Xmin为样本数据最小值。

2.2.3 生态健康评价等级划分本研究参考相关专家学者提出的生态系统健康等级划分标准[30-31]，将三峡库区消落带区域的活力、组织力和恢复力生态健康子系统及生态健康指数按照等值法划分为5类等级，见表4。

3 结果与分析

3.1 消落带生态系统活力健康分析

研究区生态系统活力健康由图1可知，库首消落带部分生态系统健康活力等级总体变化趋势一致，均在2018年出现明显变化，其中活力健康水平等级为Ⅰ时，突变尤为剧烈，其空间面积占比为55.37%；在2010—2020年，在活力健康水平等级为Ⅴ时，生态系统活力呈现较为明显的转好趋势。库腹消落带在时序上活力健康水平主要呈现为Ⅳ级，其各年空间面积占比分别为34.54%，36.89%，34.92%，38.41%，占比均超过库腹面积的1/3，其活力整体波动不大，稳定性较好；库尾消落带在10 a间生态系统活力健康水平在Ⅴ级的占比均出现最低，分别为0.14%，5.65%，3.27%，2.86%，其他4类生态系统活力健康水平等级在空间面积占比差异较小，库尾消落带部分区域生态系统活力健康状况整体偏低。

表4 研究区生态系统健康评价等级

图1 2010-2020年研究区生态系统活力等级分布占比图

研究发现，近10 a间三峡库区消落带生态系统活力健康水平总体偏低，但在2010—2018年期间，消落带生态系统活力健康状况整体呈现由差向好发展趋势，活力健康水平有所改善。在2018—2020年研究区生态系统活力健康状况发生明显变化，库首和库尾生态系统活力健康状况好转，库腹生态系统活力健康状况有所下降，其原因为当年上游连降大雨，导致三峡入库量增加，库腹大部分消落带区域被淹没，导致其生态系统活力下降明显。

3.2 消落带生态系统组织力健康分析

生态系统组织力的健康主要表现在其复杂性，组织结构越复杂，其生态系统越健康。研究区的生态系统组织力健康状况由图2可知。10 a间，库首消落带组织力健康水平较差和一般的区域面积有所增加，增加了10.23%和6.9%，健康水平较好和好的区域，面积减少了10%和5.44%，库首消落带生态系统组织力健康水平有所下降；库腹消落带组织力健康水平一般的区域明显增加，面积占比增加了10%，而健康水平为较好和好区域的面积减少程度高于差和较差的区域，表明库腹消落带组织力健康水平也有所降低；库尾消落带组织力健康水平为一般的区域面积增加了16.42%，健康水平为差和好的区域面积分别减少了11.68%和5.22%，库尾消落带生态系统组织力健康性有所提高。

图2 2010-2020年研究区生态系统组织力等级分布占比

研究发现，2010—2020年，库首、库腹和库尾消落带生态系统组织力健康水平变化呈I级和Ⅳ级向Ⅱ级和Ⅲ级转换趋势。其中，2010—2018年研究区各级生态系统组织力健康水平面积占比波动幅度较小，健康水平整体较好。2018—2020年变化幅度较大，整体向Ⅲ级一般健康状态发展。

3.3 消落带生态系统恢复力健康分析

研究区生态系统恢复力健康状况由图3可知。2010—2020年，三峡库区消落带生态系统健康恢复力等级空间面积占比整体保持稳定状态，各水平等级的恢复力在时序上未发生明显变化，恢复力等级Ⅳ级占比在时序上占比最大，均超过50%，恢复力最差的Ⅰ级空间上的占比均小于2%。库腹部分消落带生态系统健康恢复力在空间上占比较大的部分表现为Ⅲ级和Ⅳ级，与Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅴ级3个等级之间空间占比差别较大。库尾部分在研究时序上均以Ⅳ级占比最大，生态系统健康恢复力Ⅴ级整体上呈现一个“凹”型变化。

总体上看，三峡库区消落带生态系统健康恢复力整体上以Ⅳ级的占比为主导。其中库首Ⅳ级区域面积占比高达约69%，占据绝对主导，这部分区域主要由林地和水域组成，林地作为以木本植物为主体的高级生物群落，拥有更完善的自然生态系统，面对外部压力能及时完成自我更新，更容易恢复。同时，消落带水位涨落频繁，水体作为消落带的一部分，易从水循环中恢复，恢复力较高。Ⅴ级和Ⅲ级区域面积占比次之，且库腹的Ⅲ级区域面积占比远大于库首和库尾，Ⅲ级区域以草地为主，属于较次等的自然生态系统，恢复速率一般，因此恢复力居于中等水平。在空间上库尾和库腹的Ⅰ级区域面积占比均持续上升，恢复力健康水平最低。

图3 2010-2020年研究区生态系统恢复力等级分布占比

3.4 消落带生态系统健康状况分析

3.4.1 三峡库区消落带生态系统健康状况时空变化特征本研究从生态系统活力、组织力和恢复力3个方面得出三峡库区消落带生态系统健康状况综合评价结果。在时间变化上(表5)，2010—2020年，生态系统健康等级为Ⅰ级和Ⅱ级的面积呈明显减小趋势，表明研究区生态系统健康为差和较差水平的区域在逐渐减少，整体健康状况逐渐好转；生态系统健康等级为Ⅲ级的面积呈小幅度波动变化，研究区健康状态变化不明显；生态系统健康等级为Ⅳ级和Ⅴ级的面积发生明显变化，在2010—2018年，Ⅳ级面积逐年增加，健康水平为良好的区域明显增多，Ⅴ级面积逐年减少，健康水平为好的区域有所下降，在2018—2020年，Ⅳ级面积大幅度减少，减少了19.27 km2，Ⅴ级面积大幅度增加，增加了23.91 km2，研究区健康状况上升幅度明显。

表5 2010-2020年研究区生态系统健康状况等级面积占比

从整体情况看，研究区在4个时期各级生态系统健康状况数量结构保持一致，均呈“中间高两端低”的分布趋势，近10 a研究区各级生态系统健康状况过渡情况较为稳定，差到一般等级的健康水平区域正逐步向健康水平为良好和好的区域发展，三峡库区消落带整体生态系统健康状况呈明显改善趋势。

从空间分布来看(表6)，本研究生态系统健康等级空间分布主要从三峡库区的库首、库腹和库尾3个区域进行分析研究。在2010—2020年，库首消落带生态系统健康等级主要为Ⅱ级和Ⅲ级，面积占比超过库首总面积的55%，健康状况主要处于较差和一般水平，但库首消落带健康等级为Ⅰ级和Ⅱ级面积占比明显逐年减小，Ⅲ级到Ⅴ级面积占比逐年增加，表明库首消落带生态系统健康水平在逐年提升；库腹消落带生态系统健康等级主要为Ⅲ级和Ⅳ级，面积占比大于库腹总面积的50%，健康状况主要处于一般和良好水平，但库腹消落带处于Ⅱ级到Ⅳ级的面积呈波动减小趋势，为Ⅰ级和Ⅴ级的面积呈波动增加趋势，整体生态系统健康向好；在2010—2014年，库尾消落带生态系统健康状况呈较差和一般水平，在2014—2020年，库尾消落带生态系统健康状况呈一般和较好水平，但库尾消落带生态系统健康整体向Ⅳ级和Ⅴ级进行转化，健康水平明显提高。

表6 2010-2020年研究区生态系统健康等级空间分布面积占比

研究发现，库首、库腹和库尾消落带的生态系统健康状况空间分布上生态系统健康状况整体呈现稳定并健康的发展趋势，各区生态系统健康等级数量结构均以Ⅲ级在各年保持一致。呈“凸”形分布态势。10 a间，各级生态系统健康状况面积占比由低等级向高等级逐年过渡，差和较差健康水平面积占比明显下降，良好和好健康水平面积占比明显上升，健康程度大幅度提高。

3.4.2 三峡库区消落带生态系统健康等级差值变化特征通过对研究区前后4个时点生态健康状况等级值进行计算得到3个时期的差值，将等级差值分为以下7种变化类型：高度退化型(-3，-4)、中度退化型(-2)、轻度退化型(-1)、稳定型(0)、轻度改善型(+1)、中度改善型(+2) 和高度改善型(+3，+4) ，对7种变化类型分别进行统计，分类结果见表7。

表7 研究区生态健康状况变化类型面积统计

第一时期(2010—2014年)，研究区稳定型面积最大，为200.30 km2，改善型总面积微高于退化型总面积，面积分别为74.16 km2和73.88 km2。其中，轻度改善型占研究区总面积的18.16%，轻度退化型占研究区总面积的17.34%；中度退化型和中度改善型面积差异较小，分别为10.18 km2和9.92 km2；高度退化型和和高度改善型面积仅为3.31 km2和0.98 km2。

在空间分布上(表8)，库首消落带生态健康以轻度退化型为主，占库首总面积的61.57%，其次为稳定型和中度退化型，高度改善型面积0.98 km2；库腹和库尾消落带均以稳定型为主，中、高度退化型和改善型面积占比较小。

第二时期(2014—2018年)，研究区稳定型面积仍最大，相比第一时期面积有所增加，增加了11.53 km2，退化型总面积相比第一时期有所减小，减小了18.68 km2，改善型总面积有所增加，增加了7.15 km2。其中，轻度改善型和轻度退化型分别占研究区总面积的20.38%和13.94%；中度改善型高于中度退化型面积，分别为9.80 km2、5.54 km2；高度退化型和高度改善型面积仅为1.10 km2和0.51 km2。在空间分布上，库首消落带生态健康以稳定型为主，占库首消落带面积的61.04%，相比第一时期，高度退化型面积几乎为0，高度改善型面积小幅度增加，库腹和库尾消落带仍以稳定型为主，中度退化型、改善型面积均增加，高度退化型、改善型面积均减小。

第三时期(2018—2020年)，研究区改善型总面积最大，为145.75 km2，退化型总面积微高于稳定型，面积分别为102.82 km2，99.76 km2。其中，轻度改善型面积占研究区总面积的27.92%，面积为70.99 km2，稍低于稳定性面积，远高于轻度退化型面积，为57.60 km2。中度改善型面积占消落带面积11.61%，为40.44 km2，高于中度退化型面积，为35.64 km2。高度改善型面积占消落带总面积的2.31%，为8.06 km2，低于高度退化型面积，为9.58 km2。在空间分布上，消落带库首、库腹和库尾生态健康均以稳定性和轻度改善型为主，分别占该区域总面积的67.49%，56.72%和53.59%。

第四时期(2010—2020年)，10 a间研究区改善型总面积占比最大，为44.47%，退化型总面积高于稳定型，分别为103.64 km2，89.78 km2。其中轻度、中度和高度改善型面积均大于轻度、中度和高度退化型面积。在空间分布上，库首、库腹和库尾消落带生态健康主要以稳定和轻度改善型为主，整体生态健康状况呈稳定偏改善型方向发展。

通过对消落带生态系统健康等级差值变化特征分析。研究发现，在三峡库区消落带在第一时期和第二时期均以稳定型为主，表明库区消落带整体的生态系统健康状态整体保持相对稳定；在第三时期和第四时期，发现研究区整体改善型面积最大，表明在2018年后，我市对库区消落带有一定的治理和保护，整体健康状态逐渐向好发展。

表8 研究区生态健康差值类型空间面积分布

4 讨论与结论

4.1 讨论

研究发现，在近10 a库腹消落带生态系统健康水平为差的区域面积呈现先增后减的趋势，总体健康水平为差的区域仍在增加，增加了0.86%，2014年库腹健康水平为差的面积占比最大，为10.44%。而库首和库尾消落带健康状况呈改善明显趋势。因此，在后续消落带治理中，应针对库腹区域消落带进行大力度的生态修复工程，严格消落带的保护，应严厉禁止在消落带区域从事的农耕，畜禽养殖等活动；加强面源污染防治，严控周边耕作区域富营养化和含重金属污废水向消落带的排放；对消落带实施耐淹植物种植及湿地公园示范区域建设等生态保护修护工程，增强消落带的自我更新和恢复能力。

生态系统健康评价对空间尺度比较敏感，生态系统健康状况在不同尺度上会存在显著差异[31]。三峡库区消落带区域自身具有长、窄等形状特点，不适合进行大尺度研究。本研究为提高评价结果的可靠性，选择适合小尺度下的评价指标，构建适用于消落带生态系统健康的VOR评价模型该评价模型既能反映生态系统的结构和功能，又能反映消落带在外界干扰下的恢复能力，同时评价结果能有效反映研究区的生态系统健康状况和空间分布特征。另外，本研究不足之处在于仅从三峡库区消落带的角度进行了生态系统健康评价，评价指标主要基于遥感数据进行选取，未涉及到水质、经济和生物学群落等指标，在后续研究中，可将研究区与周边环境结合研究，探究其生态系统健康变化的影响因素和驱动机制，同时可进一步完善生态系统健康评价指标体系的构建，提高评价结果的科学性与完整性。