长株潭都市圈生态质量时空变化及生态保护优先区域识别?

王凡荣 肖景峰 李哲勤 余德

摘要： 基于遙感生态指数和恢复生态学理论，对1990—2020年长株潭都市圈生态质量时空变化特征进行分析，并识别其生态保护优先区域，以进一步推进长株潭都市圈的生态保护与修复。研究发现，1990—2020年长株潭都市圈生态质量呈现出“总体较好、有所改善”“四周高、中间低”的时空格局特征；大部分地区的生态质量没有发生明显变化，生态质量变好的地区主要分布在长沙县、浏阳市、醴陵市、岳麓区、宁乡市等，生态质量变差的地区主要分布在浏阳市、宁乡市、湘潭县、醴陵市、长沙县等。就生态保护修复分区而言，长株潭都市圈面积最大的为自然恢复区，其次是一般保护区，而优先保护区面积较小，其主要分布在城乡结合部且呈现出明显的沿道路分布特征；望城区北部、长沙县中部、浏阳市西北部的优先保护区较多。在此基础上，提出长株潭都市圈的优先保护区可进一步优化蓝绿空间格局，加强道路沿线防护林、绿带等基础设施建设，结合全域土地综合整治等工程的开展进一步优化国土空间格局等建议。

关键词： 生态质量；优先保护；遥感生态指数；长株潭都市圈

中图分类号：X321文献标识码：A文章编号：1006-060X（2024）02-0093-06

Temporal and Spatial Changes of Ecological Quality in Changzhutan Metropolitan Area and Identification of Priority Areas for Ecological Protection

WANG Fan-rong1，XIAO Jing-feng2，LI Zhe-qin3，YU De3

（1. Changsha Yongxin Land Planning Consulting Co.， Ltd.， Changsha 410014， PRC; 2. Hunan Institute of Agricultural

Economy and Agricultural Regionalization， Changsha 410125， PRC; 3. College of Landscape Architecture and

Art Design， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： Based on the remote sensing ecological index （RSEI） and restoration ecology theory， temporal and spatial change characteristics of ecological quality in Changzhutan metropolitan area from 1990 to 2020 were analyzed， and priority areas for ecological protection were identified， so as to further promote the ecological protection and restoration of Changzhutan metropolitan area. The results showed that from 1990 to 2020， the ecological quality of Changzhutan metropolitan area was generally good and improved， presenting a spatial pattern of "high in the surroundings， and low in the middle". There was no significant change in ecological quality of most areas， and areas with improved ecological quality were mainly distributed in Changsha County， Liuyang City， Liling City， Yuelu District and Ningxiang City， while areas with worse ecological quality were mainly distributed in Liuyang City， Ningxiang City， Xiangtan County， Liling City and Changsha County. In terms of ecological protection and restoration zoning， the largest area in Changzhutan metropolitan area was the natural restoration area， followed by the general protection area， while the priority protection area was relatively small， which was mainly distributed on the "rural-urban fringe" and showed obvious "along the road" distribution characteristics. There were more priority protection areas in northern Wangcheng District， central Changsha County and northwestern Liuyang City. Hence， the priority protection areas in Changzhutan metropolitan area could further optimize the pattern of Blue and Green Areas （the respective zones for water and plants）， strengthen the construction of infrastructure such as shelterbelts and green belts along roads， and further optimize the framework of territorial space combined with the development of comprehensive land consolidation and rehabilitation projects， etc.

Key words： ecological quality; priority protection; remote sensing ecological index; Changzhutan metropolitan area

生态保护与修复是生态文明建设和国土空间治理的重要内容。山水林田湖草沙是相互依存、紧密联系的生命共同体。2021年3月5日，习近平总书记在参加十三届全国人大四次会议内蒙古代表团审议时强调：“要统筹山水林田湖草沙系统治理，实施好生态保护修复工程，加大生态系统保护力度，提升生态系统稳定性和可持续性。”因此，国土空间治理与生态保护修复要坚持系统治理的原则[1]，同时坚持因地制宜、有序推进的原则，科学布局生态工程。随着生态保护与修复工作的持续推进，我国开展了生态保护修复工程试点，并继续大力开展相关研究工作，探寻生态综合治理的新兴模式与设计创新[2-4]。而进行生态保护修复分区及优先区域识别有助于正确认识区域生态系统组合特征及生态质量空间分异规律，进而为国土空间格局优化和国土空间治理提供有力支撑[5-6]。

目前，生态保护修复分区研究以基于多维特征数据的综合评价为主，其对数据资料的要求较高，这在一定程度上限制了数据基础较差地区相关工作的开展。而遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）的提出与应用则在很大程度上解决了这一难题，其是基于植被覆盖率、土壤湿度、地表干度、地表温度等遥感指数进行综合计算而得出的[7-9]，充分体现了遥感技术的优势，通过多种遥感生态环境参数因子对生态环境进行综合评价。已有较多研究表明，这4个指数可以较好地反映生态质量，因而，通过这4个指数计算出的RSEI也广泛应用于生态质量变化监测研究[10-15]。此外，也有学者认为在资金有限的条件下，国土空间生态保护修复可以有先后顺序，且需要采用多元化的模式，而基于生态环境质量监测来识别生态保护优先区域既有助于科学有序地制定修复方案，也能提高经济效率[16]。目前国土空间生态保护修复关键区域识别研究主要基于生态安全格局、生境质量以及“退化压力-供给状态-修复潜力”框架等进行综合评价[17-19]，但较少运用RSEI和恢复生态学理论。

鉴于此，该研究基于RSEI和恢复生态学理论，对1990—2020年长株潭都市圈生态质量时空变化特征进行分析，并识别其生态保护优先区域，以进一步推进长株潭都市圈生态保护与修复相关工作，提升其生态质量。

1 区域概况、数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

长株潭都市圈位于湖南省中东部，为长江中游城市群的重要组成部分，是湖南省经济发展的核心增长区域。长株潭都市圈的范围包括长沙市全域、株洲市中心城区及醴陵市、湘潭市中心城区及韶山市和湘潭县，面积为1.89万km2，是湖南省城镇化水平较高、经济相对发达的区域。

1.2 数据来源与处理

Google Earth Engine（GEE）平台拥有超级计算能力，可在线对海量遥感影像进行处理并快速获取结果，故GEE平台在时间跨度长、空间范围大的生态环境质量评价中有着显著优势与广阔应用前景。因此，该研究使用的数据主要来源于GEE平台数据库的Landsat卫星数据。为了减少不同植被生长状况、地表温度等造成的影响，使结果具有可比性，该研究在计算RSEI时选择采用全年遥感影像各波段的平均值进行相关计算。该研究首先对云量进行设置，获得1990、2000、2010、2020年的全年影像及其各波段的平均值，然后通过GEE云计算平台获取各年份的RSEI值及其空间分布情况。此外，该研究以从天地图湖南省地理信息公共服务平台下载的审图号为湘S（2020）037号的湖南省地图行政区划版为基础底图。

1.3 研究方法

1.3.1 RSEI计算方法 该研究选取绿度、湿度、干度、热度对RSEI进行计算，采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）将4个指标的主要信息集中于第一主成分（PC1）上，使得RSEI模型能够包含4个指标的信息[7-8]。RSEI的计算如公式（1）所示。

式（1）中：NDVI、WET、NDBSI、LST分别为绿度指标、湿度指标、干度指标、热度指标。该研究根据徐涵秋[7-8]基于Landsat影像提出的各分量，在GEE云平台上进行各年份分量指标的计算与归一化处理，进而得到各年份长株潭都市圈RSEI分布结果。

1.3.2 时空变化分析方法 该研究对RSEI的时空变化特征进行分析，以反映区域生态质量的变化情况。为了减少各类误差带来的影响，该研究首先对各个时期的RSEI值进行标准化；然后按照相关标准将标准化后的RSEI分为5个等级，具体标准为“差”（0～0.2）、“较差”（0.2～0.4）、“中等”（0.4～0.6）、“良好”（0.6～0.8）和“優”（0.8～1）[12-15]，以分析1990—2020年长株潭都市圈生态质量分布及其变化情况。

1.3.3 生态保护优先区域识别方法 恢复生态学研究认为，生态质量状况是有可能通过自然修复或人工干预恢复到历史时期最佳状况的[20-22]。识别各栅格单元的生态质量是否能够恢复到历史时期最佳状况的具体做法是，根据各栅格单元RSEI的时序变化特征分析当前生态质量与历史时期最佳状况的差距，进而开展生态保护修复分区研究。首先是对1990—2020年长株潭都市圈各年份的RSEI值进行最大值合成，形成研究区域各个栅格单元的最大值影像；其次是将2020年的RSEI值减去历史时期最大值，其结果＜0表示生态质量变差，结果＞0表示生态质量变好，结果=0表示生态质量基本没有变化。当生态质量变差时，我们需要采用自然修复或人工干预的措施恢复其生态：差值的绝对值越大表示该地的生态质量提升空间越大，差值的绝对值越小表明生态质量变化越小；我们可根据值的分布情况识别哪些区域需要通过人工干预进行优先保护、哪些区域可以通过自然修复来实现生态改善，这2种区域分别被认定为优先保护区、自然恢复区，中间范围则被认定为一般保护区。在进行分区时，已经转为建设用地的区域可不予以考虑。综上，该研究通过自然断点法将差值处于[–0.05，0）的区域认定为自然恢复区，将差值处于[–0.17，–0.05）的区域认定为一般保护区，将差值处于[–1，–0.17）的区域认定为优先保护区。

2 结果与分析

2.1 长株潭都市圈生态质量时空格局特征

由图1可知，1990—2020年长株潭都市圈生态质量总体呈现出“四周高、中间低”“东部、南部最好，西部次之，中部城市发展核心区略差”的空间特征。从RSEI的统计情况来看，1990—2020年长株潭都市圈RSEI呈现“先下降后上升”的趋势，其由1990年的0.720 0下降到2000年的0.701 9，然后上升到2010年的0.731 8，最后上升到2020年的0.762 2，总体上看处于相对较高水平。可见，1990—2020年长株潭都市圈生态质量时序变化情况呈现出“总体较好、有所改善”“东部、南部等地先变差后变好”的特征。由表1可知，长株潭都市圈生态质量等级主要为“良好”“优”。1990、2000、2010、2020年生态质量等级为“良好”的区域面积占比分别为50.32%、77.30%、62.77%、40.00%，等级为“优”的区域面积占比分别为32.06%、10.12%、28.46%、48.17%；而生态质量等级为“差”“较差”的区域面积占比极小，各年份两者之和均不超过1.50%。可见，长株潭都市圈自然本底条件较好，生态质量较优。从具体结构变化来看，長株潭都市圈生态质量等级为“良好”的面积占比先增长后降低，在2000年达到峰值，为77.30%；而等级为“优”的面积占比先降低再增长，在2020年达到最高，为48.17%。随着时间的推移，尤其是2010年之后，长株潭都市圈生态质量等级为“优”的区域面积占比越来越高，生态质量有了较大提升。

2.2 长株潭都市圈生态质量时空演变特征

2.2.1 长株潭都市圈生态质量时间变化特征 由表2和图2可知，1990—2000年长株潭都市圈生态质量变差的面积有6 445.41 km2，比例为30.81%；生态质量基本不变的面积为11 451.83 km2，占比为54.74%；生态质量变好的面积为3 022.38 km2，占比为14.45%。2000—2010年长株潭都市圈生态质量变差的面积有1 608.54 km2，占比为7.70%；生态质量不变的面积为13 263.49 km2，占比为63.45%；生态质量变好的面积有6 031.11 km2，占比为28.85%。2010—2020年长株潭都市圈生态质量变差的面积为2 054.69 km2，占比为9.85%；生态质量不变的面积为13 391.66 km2，占比为64.17%；生态质量变好的面积为5 421.48 km2，占比为25.98%。1990—2020年长株潭都市圈大部分地区的生态质量没有发生明显变化，其面积占比为51.96%；生态质量变好的面积占比为33.31%；生态质量变差的面积占比为14.73%。可见，1990—2020年长株潭都市圈生态环境保护效果较好，整体生态质量好转。

2.2.2 长株潭都市圈各县市区生态质量变化情况 为了更好地掌握1990—2020年长株潭都市圈生态质量变化的空间分布情况，该研究统计了其各县市区生态质量变差、变好的面积（图3）。可知，生态质量变差面积较大的有浏阳市、宁乡市、湘潭县、醴陵市、长沙县、望城区和渌口区，而生态质量变好面积较大的有长沙县、浏阳市、醴陵市、岳麓区、宁乡市、望城区、雨花区。而从各县市区生态质量变化面积占该行政区域总面积的比例（表3）来看，生态质量变差面积占比较大的是浏阳市、韶山市、开福区、芙蓉区和望城区，生态质量变好面积占比较大的是岳麓区、雨花区、长沙县、望城区和天心区。同时结合图2可知，1990—2020年长株潭都市圈生态质量有所改善，这在很大程度上得益于长株潭城市群对生态保护的重视以及生态“绿心”政策的严格实施。

2.3 长株潭都市圈生态保护优先区域识别

从图4可以看出，就生态保护修复分区而言，长株潭都市圈面积最大的为自然恢复区，其次是一般保护区，而优先保护区面积较小。从空间分布来看，需要通过人工干预进行优先保护的区域主要分布在城乡结合部，呈现出明显的沿道路分布特征，说明城镇建设开发过程对道路沿线的生态质量造成了一定的破坏；一般保护区则主要分布在优先保护区和自然恢复区之间的过渡空间。从集中连片分布情况来看，望城区北部、长沙县中部、浏阳市西北部需要通过人工干预进行优先保护的区域较多。

3 结论与建议

该研究得出主要结论如下。其一，1990—2020年长株潭都市圈生态质量呈现出“总体较好、有所改善”“四周高、中间低”的时空格局特征。其二，1990—2020年长株潭都市圈大部分地区的生态质量没有发生明显变化，其面积占比为51.96%；生态质量变好的地区面积占比为33.31%，主要分布在长沙县、浏阳市、醴陵市、岳麓区、宁乡市、望城区、雨花区；生态质量变差的地区面积占比为14.73%，主要分布在浏阳市、宁乡市、湘潭县、醴陵市、长沙县、望城区和渌口区。其三，就生态保护修复分区而言，长株潭都市圈面积最大的为自然恢复区，其次是一般保护区，而需要通过人工干预进行优先保护的区域面积较小；优先保护区主要分布在城乡结合部，呈现出明显的沿道路分布特征，说明城镇建设开发过程对道路沿线的生态质量造成了一定的破坏；从集中连片分布情况来看，望城区北部、长沙县中部、浏阳市西北部的优先保护区较多。

在对长株潭都市圈进行生态保护修复分区并识别出优先保护区的基础上，该研究提出以下建议以进一步推进长株潭都市圈生态保护与修复相关工作，提升其生态质量。其一，长株潭都市圈的自然恢复区和一般保护区要继续宣传生态保护政策，进一步营造良好的生态环境保护氛围。其二，优先保护区则要进一步优化蓝绿空间格局，发挥绿地、水体等生态系统的辐射功能，改善区域小气候；可在进行线状工程开发建设时，加强沿线防护林、绿带等基础设施建设，以减缓生态退化的速度，进一步推进生态恢复；可结合全域土地综合整治等工程的开展，进一步优化国土空间格局，以逐步改善和恢复区域生态。

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（责任编辑：袁萍萍）