陳 光

(福建省林業(yè)勘察設計院，福建 福州 350002)

水土流失導致生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降的同時，也給人們的生產(chǎn)生活帶來了嚴重的影響，因此，適時對水土流失區(qū)的生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測顯得尤為重要[1-2]。目前，相關文獻根據(jù)其研究目的不同，在生態(tài)環(huán)境評價指標的選取和體系的構(gòu)建方面各有側(cè)重，但針對水土流失區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價研究較少。徐涵秋[3]等基于遙感技術，選取綠度、濕度、干度、熱度四大生態(tài)要素構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)對南方水土流失區(qū)進行生態(tài)變化評估。王紅巖[4]等基于RS和GIS技術，選取植被覆蓋度、地形起伏度及土地利用類型三個因子對水土流失區(qū)的敏感性進行評價及動態(tài)監(jiān)測。可見，將遙感技術運用在水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境評價上，不但能夠快速監(jiān)測，節(jié)省人力與物力，還能對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空變化進行研究。壓力—狀態(tài)—響應(PSR，Pressure-State-Response)模型最早是由聯(lián)合國經(jīng)濟合作組織(OECD)提出，其中，壓力表征人類對生態(tài)環(huán)境的作用力；狀態(tài)是指特定時間段生態(tài)環(huán)境的狀態(tài)；響應是指對生態(tài)環(huán)境變化進行補救的措施。該模型能夠很好的體現(xiàn)人與環(huán)境之間的作用與反作用關系[5-6]。水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化主要受自然演變和人為干預兩方面的影響。本文結(jié)合遙感技術與PSR模型構(gòu)建水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境評價體系，選取典型水土流失區(qū)福建省長汀縣為研究區(qū)，利用遙感技術與地理信息系統(tǒng)空間分析對研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行動態(tài)評價，旨在為水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境評價提供參考，為水土流失區(qū)進一步治理和生態(tài)環(huán)境的改善提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)預處理

1.1 研究區(qū)概況

長汀縣隸屬于福建省龍巖市，地處閩西山區(qū)，武夷山脈南麓，地理坐標為25°18′40″～26°02′05″N、116°00′45″～116°39′20″E，東西寬66 km，南北長80 km。全縣森林覆蓋率總體較高，但樹種過于單一，林分結(jié)構(gòu)簡單，生長差，林下植被稀疏，水土流失嚴重，被列為中國重點水土保持試驗區(qū)。經(jīng)過長期的封山育林、植樹造林，長汀取得了良好的水土流失治理效果，成為全國水土流失治理的典型。

1.2 數(shù)據(jù)預處理

選取長汀縣的2004年、2010年、2016年的3期Landsat TM/OIL遙感影像作為基礎數(shù)據(jù)源，影像地物信息豐富、云量少、清晰度較高。運用ENVI5.3對影像進行輻射定標、大氣校正、幾何校正、裁剪等預處理，根據(jù)遙感影像的相關特性，結(jié)合實地調(diào)查情況，通過支持向量機(SVM)的方法進行分類，將研究區(qū)劃分為林地、耕地、水域、建筑用地、交通用地及未利用地6種土地利用類型，分類精度均達到83%以上。

2 研究方法

2.1 生態(tài)環(huán)境評價指標的構(gòu)建

2.1.1 生態(tài)環(huán)境壓力層

在人類干預與自然演變的影響下，土地利用與覆被將會產(chǎn)生變化，尤其是人類活動成為改變景區(qū)和原有自然特征的重要因素。人類活動對自然的干擾主要體現(xiàn)在人口密度的變化及建筑用地的擴張程度?；陂L汀縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)通過插值得到人口密度分布圖。建筑在中紅外波段反射率高，在近紅外反射率低，因此采用用歸一化建筑用地指數(shù)反映研究區(qū)城市擴張的強度。

(1)

式中，NDBI指城市擴張強度；ρMIR、ρNIR分別代表中紅外波段和近紅外波段的象元反射率或者象元亮度值，Landsat5 TM分別為第5、4波段的象元亮度值，Landsat8 OIL分別為第6、5波段的象元亮度值。

2.1.2 生態(tài)環(huán)境狀態(tài)層

(1)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)

不同土地利用類型在維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、對外界的抗干擾能力上有較大的區(qū)別。研究將土地利用類型與生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行關聯(lián)分析，根據(jù)各種土地利用類型自我調(diào)節(jié)能力、生態(tài)恢復能力、人類改造程度進行穩(wěn)定性分析，其中穩(wěn)定性最大的為林地，穩(wěn)定性最低的為建筑用地。由此進行分級作為該土地利用類型的生態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)。林地、耕地、未利用地、水域、交通用地、建筑用地分別賦值為6、5、4、3、2、1。

(2)區(qū)域自然背景指數(shù)

區(qū)域自然背景是指影響區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程的因素，主要受土壤類型和地形地貌特點的影響。因此，采用土壤指數(shù)和地形起伏度來表征區(qū)域的自然背景質(zhì)量。

NBI=λaIa+λbIb

(2)

式中，NBI為區(qū)域自然背景指數(shù)；Ia代表土壤指數(shù)；Ib表示地形起伏度；λa、λb分別為這兩個指數(shù)的權(quán)重，因為兩者對于生態(tài)環(huán)境重要程度一致，因此將兩權(quán)重均賦值為0.5。其中，土壤指數(shù)將土壤類型賦值并歸一化；地形起伏度是區(qū)域內(nèi)最高點海拔和最低點海拔的差值，以DEM為數(shù)據(jù)源，利用GIS空間分析工具獲得并進行分級和歸一化處理。

(3)景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)

以景觀分離度和景觀破碎度兩個指標所計算出的景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)來反映景觀類型的空間配置結(jié)構(gòu)對生態(tài)系統(tǒng)的影響程度。

STI=1-∑(λCI×CIk+λsr×SIk)AK/A

(3)

式中，STI為景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)；Ai為景觀i的總面積；A景觀總面積；SIk為景觀分離度；CIk是景觀的破碎度；λSI和λCI為各自的權(quán)重。結(jié)合前期研究與研究區(qū)的實際情況，分析各指標因子對生態(tài)環(huán)境的貢獻，λSI和λCI分別為0.6和0.4[7]。

2.1.3 生態(tài)環(huán)境響應層

生態(tài)環(huán)境響應層是指生態(tài)系統(tǒng)在所承受的壓力下所產(chǎn)生的反映。植被覆蓋度是刻畫地表植被覆蓋的重要參數(shù)，可以反映出多年水土流失治理下生態(tài)環(huán)境的變化。城市熱島效應作為人類活動與城市景觀共同作用的結(jié)果，是城市生態(tài)環(huán)境的重要指標。目前城市熱環(huán)境主要通過溫度的空間分布情況來體現(xiàn)。因此，文章利用象元二分模型測算植被覆蓋度，采用地表溫度反演來研究城市熱島效應。

(4)

式中，F(xiàn)VC是植被覆蓋度；NDVI是指歸一化植被指數(shù)；NDVIsoil代表研究區(qū)內(nèi)無植被覆蓋象元值，NDVIveg表示全植被覆蓋象元值。

T=K2/ln(K2/L+1)

(5)

式中，T表示輻射亮溫；L代表溫度為T的黑體在熱紅外波段的輻射亮度；K1、K2為校訂系數(shù)，對于TM影像，K1=607.76W/(m2μm*sr)，K2=1260.56K，對于TIRBand10，K1=774.89W/(m2μm*sr)，K2=1321.08K。

表1 生態(tài)環(huán)境評價指標框架

2.2 生態(tài)環(huán)境評價指標的標準化處理

由于各個因子評價量綱不統(tǒng)一，不能進行線性分析，因此需要對原始因子進行標準化處理。研究采用最大離差法對指標進行標準化處理，若數(shù)值越大越好則將其分為“效益型”指標，為正向指標；若指標越小越好則將其分為“成本型”指標，為負向指標[8]。

(6)

(7)

式中，Y1為“效益型”指標，Y2為“成本型”指標，Xmin為該指標的最小值，Xmax為該指標的最大值[9]。

2.3 生態(tài)環(huán)境評價指標權(quán)重的確定

生態(tài)環(huán)境評價指標權(quán)重反映了各個指標在評價體系中的相對重要性。常用的評價方法有熵值法和層次分析法，兩種方法各有利弊。研究將兩種方法結(jié)合起來，能夠有效避免層次分析法過于主觀的弊端，也能避免熵值法可能與指標實際重要性相悖的問題，使指標的權(quán)重具有準確性與客觀性(表2)。

表2 長汀縣生態(tài)環(huán)境評價因子權(quán)重分配

2.4 生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的計算

生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)通過各指標因子加權(quán)綜合而得到。

S=∑Wi·Xi

(8)

式中，S為生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)，Wi為第i指標的權(quán)重向量，Xi為第i個因子的評價向量。

結(jié)合相關文獻與專家意見，對生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)進行生態(tài)安全等級劃分以便更好的分析(表3)。

表3 長汀縣生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)分級標準

3 結(jié)果分析

3.1 長汀縣生態(tài)環(huán)境單因子評價結(jié)果

從各年份7個指標及生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)的平均值，可以看出，對生態(tài)有利的植被覆蓋度、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性指數(shù)、區(qū)域自然背景指數(shù)在這12年間大幅度上升，而與生態(tài)環(huán)境呈負相關的人口密度、建筑地歸一化指數(shù)等也有上升的趨勢，溫度則表現(xiàn)為先增后減(表4)。各個指標的均值變化說明了生態(tài)環(huán)境在改善的同時，人類干擾的壓力也在上升。綜合分析表明，長汀縣生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)從2004年的0.6706上升到2016年的0.7757。

表4 研究區(qū)各年份7個指標與生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)均值變化

3.2 長汀縣生態(tài)環(huán)境綜合評價結(jié)果分析

統(tǒng)計結(jié)果表明長汀縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級以較安全、理想安全為主，2004年、2010年、2016年分別占了總面積的82.79%、90.24%、92.31%，兩等級所占的面積比也在不斷上升，反映出生態(tài)環(huán)境的不斷改善(表5)。具體表現(xiàn)為生態(tài)綜合指數(shù)等級為較安全、理想安全的所占的面積從82.79%上升到92.31%；生態(tài)環(huán)境綜合指數(shù)等級為很不安全、不安全的所占的面積從6.25%下降到1.35%，面積減少了151.75 km2，主要分布在長汀縣策武鄉(xiāng)、河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。但是2010～2016年等級為理想安全的面積比例從14.08%下降到13.78%，出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量微下降的現(xiàn)象，可能是由于城市發(fā)展需要，建筑地不斷擴張、人口壓力增加導致的。

表5 長汀縣的生態(tài)級別面積與比例

3.3 長汀縣生態(tài)環(huán)境級別轉(zhuǎn)移分析

為直觀了解長汀縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間變化，對長汀縣生態(tài)安全等級進一步進行統(tǒng)計分析(表6)。2004～2016年生態(tài)安全等級為很不安全的區(qū)域向臨界安全、較安全分別轉(zhuǎn)移11.13 km2、15.24 km2，等級為不安全的區(qū)域向臨界安全、較安全分別轉(zhuǎn)移47.55 km2、94.86 km2?？梢?很不安全、不安全的區(qū)域向等級為臨界安全、較安全轉(zhuǎn)化明顯。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為臨界安全轉(zhuǎn)為較安全、較安全轉(zhuǎn)化為理想安全的面積相對較大，分別為235.28 km2、317.83 km2，說明水土流失治理效果日益凸顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷提高，主要由于長汀縣大力開展水土流失治理，改善了生態(tài)環(huán)境。此外，2004～2016年有223.19 km2生態(tài)環(huán)境為理想安全的區(qū)域降低為較安全、有53.69 km2生態(tài)環(huán)境為較安全的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界安全，說明這些區(qū)域人類干擾程度過大，導致生態(tài)環(huán)境下降。

表6 長汀縣2004～2016年生態(tài)安全等級轉(zhuǎn)移矩陣

4 結(jié)論與展望

本文基于遙感技術，通過PSR模型分析長汀縣2004～2016年生態(tài)環(huán)境分布及時空動態(tài)變化，研究分析結(jié)果能定量反映水土流失重點區(qū)治理效果。

(1)通過長汀縣2004年、2010年、2016年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，長汀縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級主要以較安全、理想安全為主，分別占了總面積的82.79%、90.24%、92.31%。較安全、理想安全的區(qū)域主要分布在盆地以外地勢較高的林地區(qū)域，而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為很不安全、不安全的區(qū)域在2004年所占的比例為6.25%，主要分布在盆地內(nèi)地勢低、人類干擾強度大的策武鄉(xiāng)、河田鎮(zhèn)、三洲鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)區(qū)域。

(2)通過2004～2016年生態(tài)環(huán)境級別轉(zhuǎn)移面積矩陣分析得出，長汀縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為很不安全、不安全的區(qū)域向臨界安全、較安全轉(zhuǎn)化明顯，臨界安全轉(zhuǎn)為較安全、較安全轉(zhuǎn)化為理想安全的面積相對較大，分別為235.28 km2、317.83 km2，說明水土流失治理效果良好，生態(tài)環(huán)境在不斷改善。

(3)雖近12年長汀縣水土流失治理效果明顯，但在有些區(qū)域出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降狀態(tài)，較安全轉(zhuǎn)為臨界安全的區(qū)域有53.69 km2，理想安全轉(zhuǎn)為較安全的區(qū)域223.19 km2，主要原因是人類干擾強度過大。對于這些區(qū)域需要加大水土流失治理力度，因地制宜采取措施遏制生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降。

(4)生態(tài)環(huán)境影響因子具多面性，本研究選取的7個指標及指標權(quán)重確定具有一定片面性。在今后研究中將從自然、人為干擾兩方面，選取較為全面的指標和更合適的權(quán)重進行評價，同時將對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動力因子進行分析研究，為水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境評價提供依據(jù)。

[1] 徐涵秋. 水土流失區(qū)生態(tài)變化的遙感評估 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2013(07):91-97，294.

[2] 林娜, 徐涵秋, 何慧. 南方紅壤水土流失區(qū)土地利用動態(tài)變化——以長汀河田盆地區(qū)為例 [J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(10):2983-2991.

[3] 徐涵秋. 城市遙感生態(tài)指數(shù)的創(chuàng)建及其應用 [J]. 生態(tài)學報,2013(24):7853-7862.

[4] 王紅巖,李強子,吳利橋,等. 基于RS和GIS的水土流失敏感性評價及動態(tài)監(jiān)測 [J]. 水土保持研究,2015(2):64-68.

[5] 朱一中,曹裕.基于PSR模型的廣東省城市土地集約利用空間差異分析 [J].經(jīng)濟地理,2011(8):1375-1380.

[6] 周啟剛,張曉媛,楊霏,等.基于PSR模型的三峽庫區(qū)重慶段土地利用生態(tài)風險評價 [J].水土保持研究,2013(5):187-192.

[7] 李曉燕,張樹文.基于景觀結(jié)構(gòu)的吉林西部生態(tài)安全動態(tài)分析 [J].干旱區(qū)研究,2005(1):57-62.

[8] 張洪祥.基于多維時間序列的信用評價建模及應用 [D].沈陽：東北大學,2013：12-35.

[9] 胡聰.圍填海開發(fā)活動對海洋資源影響評價方法研究 [D].青島：中國海洋大學,2014：17-23.