胡克宏，張 震

(安徽理工大學(xué)空間信息與測繪工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

良好的生態(tài)環(huán)境是人類賴以生存的基礎(chǔ)，與人類生產(chǎn)、生活密不可分。近年來，人口的增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展進(jìn)一步加劇了人類、資源和環(huán)境之間的矛盾。沙漠化、環(huán)境污染、水土流失、森林資源缺乏和生物物種加速滅絕等生態(tài)環(huán)境問題日益突出，正確評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量并探測其影響因素，對(duì)于評(píng)估環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施成效，加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，建設(shè)生態(tài)文明至關(guān)重要[1]。

遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index, RSEI)通過主成分變換耦合綠度、濕度、熱度和干度[2]，且各指標(biāo)權(quán)重不受人為因素的影響，具有指標(biāo)多樣性、權(quán)重客觀性、結(jié)果可視化和時(shí)空分析等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。RSEI已廣泛應(yīng)用于快速監(jiān)測并評(píng)價(jià)城市、干旱區(qū)、貧困區(qū)和黃土高原溝壑區(qū)等區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，可有效反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空特征。

當(dāng)前關(guān)于RSEI的研究主要側(cè)重于分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空特征，定量化研究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素相對(duì)缺乏[5]，因此，有必要對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分異進(jìn)行歸因，從而為區(qū)域生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)建議。地理探測器模型(geographical detector model, GDM)用于探測空間分異性并揭示其背后的驅(qū)動(dòng)力[6]，不僅能夠探測單個(gè)影響因素對(duì)因變量的影響，并且可以探測不同影響因素之間的交互作用對(duì)因變量的驅(qū)動(dòng)。其研究區(qū)大到國家尺度[7]，小到村域尺度[8]，在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[9]、植被變化[10]等方面應(yīng)用廣泛。

秦嶺山區(qū)被認(rèn)為是中國東部重要的南北生態(tài)分界線[11]，境內(nèi)擁有豐富的水資源、礦產(chǎn)資源和動(dòng)物資源，具有涵養(yǎng)水源、維持水土等功能，是我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域。自2003年1月20日起施行《退耕還林條例》、2008年3月1日起實(shí)施《陜西省秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》以來，秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作取得明顯進(jìn)展，有序?qū)嵤┩烁€林、還草和天然林保護(hù)等生態(tài)修復(fù)工程。此外，《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》《中華人民共和國土地管理法》和《陜西省森林管理?xiàng)l例》的實(shí)施也有利于改善生態(tài)環(huán)境，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。秦嶺山區(qū)有廣義和狹義之分，該研究主要分析狹義秦嶺山地區(qū)域，即陜西省境內(nèi)的秦嶺腹地區(qū)域。

已有學(xué)者基于遙感技術(shù)分析秦嶺地區(qū)的景觀格局、土地利用和植被覆蓋變化，認(rèn)為1984—2014年秦嶺地區(qū)耕地的分離度呈增加趨勢，主要原因?yàn)閷?shí)施退耕還林等環(huán)境保護(hù)政策[12]；2000—2010年秦嶺地區(qū)土地利用變化總趨勢為耕地和未利用土地逐漸減少，林地和建筑用地不斷增加[13-14]，且2000—2016年植被覆蓋狀況總體變好[15]。鮮有研究評(píng)估該地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，并綜合考慮地形、氣候和人為因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。因此，選取秦嶺南麓腹地留壩縣為研究對(duì)象，利用多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)，采用RSEI綜合分析留壩縣1990—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空特征；結(jié)合已有研究及數(shù)據(jù)的可獲得性，基于GDM探測地形、氣候和人為因素對(duì)陜西秦嶺山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，以期為陜西秦嶺山區(qū)生態(tài)建設(shè)提供理論方法和科學(xué)建議。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

留壩縣(33°17′42″～33°53′29″ N，106°38′05″～107°18′14″ E)位于陜西省西南、漢中市北部，地處秦嶺南麓腹地，漢江上游，轄7個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)街道辦，即玉皇廟鎮(zhèn)、江口鎮(zhèn)、留侯鎮(zhèn)、武關(guān)驛鎮(zhèn)、火燒店鎮(zhèn)、馬道鎮(zhèn)、青橋驛鎮(zhèn)和紫柏街道辦事處(圖1)。

縣內(nèi)最低海拔594 m，最高海拔2 627 m，平均海拔1 483 m，西、北、東三面山嶺環(huán)抱，中、南地勢較低。留壩縣屬亞熱帶北緣山區(qū)暖溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，冬長夏短，春秋近半，夏無酷暑，冬無嚴(yán)寒，年均日照1 804.4 h，年均降雨量為886.3 mm，平均氣溫11.5 ℃[16]。留壩縣是國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)水源涵養(yǎng)地和大秦嶺生態(tài)保護(hù)限制開發(fā)區(qū)，素有“綠色寶庫”、“天然氧吧”之美譽(yù)，生態(tài)基礎(chǔ)較好，經(jīng)濟(jì)條件較差，其地理環(huán)境在陜西秦嶺山區(qū)具代表性?？h內(nèi)2015年土地利用類型主要為林地、草地和耕地，且林地面積約為總面積的54%。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

該研究采用的數(shù)據(jù)及其預(yù)處理如表1所示。航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命(SRTM)、氣象數(shù)據(jù)和人類活動(dòng)數(shù)據(jù)集用于探討生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素，由于來源和空間分辨率均不一致，研究結(jié)合GDM的運(yùn)算能力和研究精度要求，基于最近鄰法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣[17]，統(tǒng)一分辨率為1 km，統(tǒng)一投影為WGS_1984_UTM_Zone_48N，并去除缺失值。在ArcGIS 10.2軟件中以1 km×1 km的網(wǎng)格劃分研究區(qū)，取格網(wǎng)中心為采樣點(diǎn)[18]，使采樣點(diǎn)完全均勻分布于研究區(qū)，共計(jì)1 960個(gè)。根據(jù)空間位置關(guān)聯(lián)性，提取RSEI及各影響因素?cái)?shù)據(jù)至采樣點(diǎn)，并生成屬性表?；赗語言“GD”包中的“optidisc”函數(shù)對(duì)影響因素進(jìn)行離散化處理[19]，從而生成影響因素類型數(shù)據(jù)。

表1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理[20-21]

2 研究方法

2.1 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)

2.1.1RSEI的構(gòu)建

(1)計(jì)算分量指標(biāo)

RSEI(IRSE)采用多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，通過主成分變換耦合綠度、濕度、熱度和干度，并且分別用歸一化植被指數(shù)(NDVI，INDV)、濕度分量(WET，TWE)、地表溫度(LST，TLS)和干度指數(shù)(NDBSI，INDBS)代替，表達(dá)式為

IRSE=f(INDV,TWE,TLS,INDBS)。

(1)

各分量指標(biāo)計(jì)算如下：

①綠度指標(biāo)

INDV=(ρNIR-ρred)/(ρNIR+ρred)。

(2)

式(2)中，ρNIR和ρred分別為各影像近紅外波段和紅波段的反射率。

②濕度指標(biāo)

TWE,TM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2

ρred+0.159 4ρNIR-0.680 6ρSWIR1-0.610 9ρSWIR2，

(3)

TWE,OLI=0.151 1ρblue+0.197 3ρgreen+0.328 3

ρred+0.340 7ρNIR-0.711 7ρSWIR1-0.455 9ρSWIR2。

(4)

式(3)～(4)中，TWE,TM和TWE，OLI分別為基于Lansat 5 TM和Lansat 8 OLI影像計(jì)算的濕度指標(biāo);ρblue、ρgreen、ρSWIR1和ρSWIR2分別為各影像藍(lán)波段、綠波段、短波紅外1波段和短波紅外2波段的反射率。

③熱度指標(biāo)

TLS=T/[1+(λT/ρ)lnε]，

(5)

T=K2/ln (K1/L+1)，

(6)

εsurface=0.962 5+0.061 4Fv-0.046 1Fv2，

(7)

εbuilding=0.958 9+0.086 0Fv-0.067 1Fv2，

(8)

(9)

式(5)～(9)中，T為傳感器處溫度值；λ為熱紅外波段的中心波長，λTM= 11.45 μm，λTIRS= 10.90 μm；ρ= 1.438×10-2mK；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)，對(duì)于Landsat 5 TM傳感器:K1= 607.76 W·m-2·sr-1·μm-1，K2=1 260.56 K，對(duì)于Landsat 8 TIRS傳感器:K1=774.89 W·m-2·sr-1·μm-1，K2= 1 321.08 K；L為輻射定標(biāo)后的熱紅外波段反射率；ε為地表比輻射率[22]，εsurface和εbuilding分別為自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)像元比輻射率，水體像元比輻射率取0.995；Fv為植被覆蓋度；INDV,s為無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值，取經(jīng)驗(yàn)值0；INDV,v為純植被像元的NDVI值，取經(jīng)驗(yàn)值0.7。

④干度指標(biāo)

INDBS=(IS+IIB)/2，

(10)

IS=[(ρSWIR1+ρred)-(ρblue+ρNIR)]/[(ρSWIR1+ρred)+(ρblue+ρNIR)]，

(11)

IIB=[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-ρNIR/(ρNIR+ρred)-

ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]/[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR) +ρNIR/(ρNIR+ρred) +ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]。

(12)

式(10)～(12)中，IS為裸土指數(shù)；IIB為建筑指數(shù)。

(2)正規(guī)化分量指標(biāo)

由式(2)～式(12)計(jì)算的4個(gè)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，為避免對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響，需在主成分變換前，對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行正規(guī)化，使其值在[0,1]，轉(zhuǎn)化成無量綱。正規(guī)化公式為

IN=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)。

(13)

式(13)中，IN為正規(guī)化后某一指標(biāo)的值；Ii為對(duì)應(yīng)指標(biāo)像元i處的值；Imax和Imin為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的最大值和最小值。

(3)掩膜水體

水域的存在會(huì)影響主成分載荷分布，需對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水域進(jìn)行掩膜處理。采用改進(jìn)的歸一化水體指數(shù)(MNDWI，IMNDW)去除水體信息，計(jì)算公式為

IMNDW=(ρgreen-ρMIR)/(ρgreen+ρMIR)。

(14)

式(14)中，ρMIR為各影像中紅外波段的反射率。

(4)構(gòu)建RSEI

將正規(guī)化處理及水體掩膜后的4個(gè)指標(biāo)合成一幅新影像，采用ENVI 5.3中的主成分分析模塊對(duì)新影像進(jìn)行主成分分析，并計(jì)算初始遙感生態(tài)指數(shù)(IRSE0)：

IRSE0=1-PC1。

(15)

式(15)中，PC1為第一主成分的載荷值。采用式(13)對(duì)IRSE0進(jìn)行正規(guī)化處理得到IRSE，取值為[0,1]，其值越接近于1，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

2.1.2RSEI定量分析

參考已有分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以0.2為間隔將正規(guī)化后的RSEI分為5個(gè)等級(jí)，即差(0～0.2)、較差(>0.2～0.4)、中等(>0.4～0.6)、良(>0.6～0.8)和優(yōu)(>0.8～1)，統(tǒng)計(jì)各年份RSEI不同等級(jí)的面積和比例。由于陜西秦嶺山區(qū)2003年起施行《退耕還林條例》等環(huán)境保護(hù)措施，因此，以2003年為節(jié)點(diǎn)，將研究時(shí)段分為1990—2003年和2003—2020年2個(gè)階段。以分級(jí)后的RSEI為基礎(chǔ)，利用ENVI 5.3軟件中的Change detection模塊對(duì)留壩縣1990—2020年RSEI等級(jí)進(jìn)行差值變化檢測，得到1990—2003年、2003—2020年的RSEI等級(jí)變化。根據(jù)差值結(jié)果，將-5～-1、0和1～5依次劃分為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差、不變和變好。

以ArcGIS 10.2為平臺(tái)，將高程、坡度和坡向分別重分類為6類、5類和8類，統(tǒng)計(jì)每個(gè)分區(qū)的RSEI均值，從而分析RSEI在不同高程、不同坡度和不同坡向上的分布情況。其中，高程根據(jù)留壩縣高程范圍分為< 1 000、1 000～1 300、>1 300～1 600、>1 600～1 900、>1 900～2 200和> 2 200 m共6類，坡度根據(jù)中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會(huì)1984年頒發(fā)的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》分為< 2°、2°～6°、>6°～15°、>15°～25°和>25 °共5類，坡向按照地理八方向分為東、南、西、北、東北、東南、西北和西南共8類。

2.2 地理探測器模型

GDM假設(shè)：若某個(gè)自變量對(duì)因變量有重要影響，則因變量與該自變量的空間分布具有相似性，即假設(shè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受某一影響因素的作用而變化，則生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布與該影響因素的空間分布類似。GDM采用q值衡量影響因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的解釋力，q值計(jì)算公式為

(16)

式(16)中，SSW和SST分別為層內(nèi)方差之和及區(qū)域總方差；i為自變量X或因變量Y的分層；Ni和N分別為層i和全區(qū)的單元數(shù)；σi2和σ2分別為層i和全區(qū)Y值的方差。

GDM主要包括因子探測器、風(fēng)險(xiǎn)探測器和交互探測器，因子探測器通過計(jì)算各影響因素的q值,探究各影響因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是否有影響以及解釋力的大?。伙L(fēng)險(xiǎn)探測器可確定不同影響因素促進(jìn)生態(tài)環(huán)境發(fā)展的最佳范圍或特征，置信度為95%；交互探測器用于分析兩影響因素是否存在交互作用或是否獨(dú)立，通過比較單個(gè)影響因素的q值和2個(gè)影響因素交互作用的q值可將交互作用的類型分為5類，如表2所示。

表2 交互作用類型

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空特征

3.1.1生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)間特征

1990、2003、2008和2020年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為良、優(yōu)的區(qū)域總面積分別為1 822.38、1 654.27、1 867.67和1 915.46 km2，均超過研究區(qū)總面積的80%(表3)。1990—2003年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差、較差和中等的區(qū)域總面積增加，所占比例從7.65%上升至16.14%，表明該階段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所退化。2003—2008年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為良、優(yōu)的區(qū)域總面積增加213.4 km2，對(duì)應(yīng)比例上升10.75%。2008—2020年，差、較差和中等等級(jí)區(qū)域總面積及所占比例下降，與之相反，良、優(yōu)等級(jí)區(qū)域總面積及所占比例上升。并且2003—2020年期間良、優(yōu)等級(jí)區(qū)域總面積所占比例上升13.16%，表明留壩縣2003—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈改善趨勢。

表3 各年份遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)等級(jí)面積和比例

1990—2003年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積為1 490.39 km2，占研究區(qū)總面積的75.44%，其中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)下降1級(jí)和2級(jí)的面積分別占退化總面積的96.47%和3.19%(表4)。2003—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以改善為主，環(huán)境變好的區(qū)域面積為1 913.24 km2，占研究區(qū)總面積的96.85%，其中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)增加1級(jí)和2級(jí)的區(qū)域面積分別占改善總面積的89.73%和9.63%。由此可見，1990—2003年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)大面積的小幅退化，2003—2020年則呈現(xiàn)大面積的小幅改善。

表4 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)等級(jí)變化檢測

1990—2020年RSEI均值呈先降后升趨勢(圖2)，且上升幅度(34.35%)大于下降幅度(18.95%)，表明2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較1990年有所改善。通過對(duì)比各年份4個(gè)指標(biāo)均值可知，1990—2020年與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系的綠度和濕度指標(biāo)均值先降后升，而與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的熱度和干度指標(biāo)均值先升后降，并且綠度和濕度指標(biāo)均值升高的幅度大于降低的幅度，熱度和干度指標(biāo)均值降低的幅度大于升高的幅度，進(jìn)一步表明2020年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相較于1990年有所改善。

3.1.2生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間特征

1990—2020年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)空間分布整體呈中等及以上，呈差和較差等級(jí)的區(qū)域較少，且主要分布于留侯鎮(zhèn)西部裸地處和低山丘陵地區(qū)的居民地(圖3)。1990、2003、2008和2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為差和較差的區(qū)域總面積分別為36.43、67.79、32.42和22.05 km2，均低于研究區(qū)總面積的5%。1990和2020年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)主要為良和優(yōu)，2003年良等級(jí)占比最大，而2020年優(yōu)等級(jí)幾乎遍布整個(gè)研究區(qū)。1990—2003年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)變化空間分布主要為變差(圖4)，該階段內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化主要為原本是優(yōu)等級(jí)的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榱嫉燃?jí)。與之相反，2003—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化主要為原本是良等級(jí)的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)等級(jí)，變差的區(qū)域主要為各居民地集中處。

各年份RSEI均值均隨高程升高顯示出先升后降趨勢〔圖5(a)〕，留壩縣高程小于1 300 m的地區(qū)主要為人類活動(dòng)區(qū)域，因而RSEI均值相對(duì)較低。1 300～2 200 m區(qū)間內(nèi)植被分布逐漸茂盛，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸變好，1990、2003、2008和2020年RSEI均值在>1 900～2 200 m高程區(qū)分別達(dá)最大值0.831、0.683、0.804和0.884。高程超過2 200 m的區(qū)域主要為山脊和裸地，RSEI均值較前一高程區(qū)有所下降。

1990、2003、2008和2020年RSEI均值均隨坡度增加顯示出上升的趨勢〔圖5(b)〕，并在坡度大于25 °區(qū)間內(nèi)分別達(dá)最大值0.809、0.652、0.780和0.873?！吨袊嗣窆埠蛧帘３址ā芬?guī)定，坡度大于25 °為開荒限制坡度，對(duì)于已開墾為耕地的區(qū)域，需逐步退耕還林、還草。留壩縣坡度大于15 °的區(qū)域主要為植被，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，而坡度小于15 °的區(qū)域受人類活動(dòng)影響較大，因而RSEI均值較低。

各年份RSEI均值隨坡向變化具有相同的變化特征：正北>正南、正西>正東、西北>東南、西南>東北〔圖5(c)〕。1990、2003、2008和2020年RSEI均值在不同坡向的最大值與最小值之差分別為0.06、0.05、0.03和0.02，表明不同坡向?qū)ι鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響存在一定差異，但RSEI均值隨坡向變化幅度較小，即坡向不是影響留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素。

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素

影響留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分異特征的各影響因素因子探測結(jié)果如表5所示，其q值并不高，但仍可以反映不同影響因素對(duì)留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的作用差異，其解釋力排序?yàn)椋焊叱?年均溫>農(nóng)業(yè)生產(chǎn)>年降水>道路>人口密度>坡向>坡度>基礎(chǔ)設(shè)施>畜牧業(yè)生產(chǎn)。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)生產(chǎn)分別采用耕地面積和牧場面積表征。從解釋力角度來看，高程、年均溫和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素，解釋力均超過10%；年降水和道路為次要影響因素，解釋力在5%以上；其余因素的解釋力相對(duì)微弱，且人口密度、坡度、基礎(chǔ)設(shè)施和畜牧業(yè)生產(chǎn)的P值過大，影響不顯著。

留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素和次要影響因素的風(fēng)險(xiǎn)探測結(jié)果如圖6(a)所示，RSEI均值隨高程、年均溫和年降水的增加呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。高程在1 920～2 230 m之間(分區(qū)5)時(shí)RSEI均值達(dá)最大值0.795，分區(qū)6主要為山脊和裸地，因而RSEI均值較前一分區(qū)有所下降。年均溫和年降水均具有有利于生態(tài)環(huán)境發(fā)展的適宜范圍，RSEI均值分別在8.35～9.45 ℃(分區(qū)2)和881～927 mm(分區(qū)5)達(dá)最大值。RSEI均值隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和道路的增多而降低，側(cè)面反映了過度的人類活動(dòng)不利于改善生態(tài)環(huán)境。交互探測結(jié)果表明高程和年降水是交互作用最強(qiáng)的組合〔圖6(b)〕，交互類型為非線性增強(qiáng)，交互作用的q值為0.232，即高程的變化顯著增加了年降水作為自變量對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的解釋力。此外，年均溫與其他影響因素結(jié)合均產(chǎn)生了較高的q值。其余組合交互作用類型均為雙因子增強(qiáng)，表明2個(gè)影響因素間存在交互作用且不是簡單的疊加作用，不存在獨(dú)立作用的影響因素。

4 討論

4.1 自然因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

自然因素中的高程和年均溫是留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素，年降水是次要影響因素。留壩縣森林覆蓋率達(dá)90.8%，其植被覆蓋狀況主導(dǎo)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，而海拔是秦嶺地區(qū)植被分布的主導(dǎo)生態(tài)梯度[23]，這與筆者研究結(jié)論相對(duì)一致。有學(xué)者認(rèn)為秦嶺地區(qū)植被對(duì)降水的敏感度高于氣溫[24-25]，亦有學(xué)者認(rèn)為該地區(qū)植被生長受氣溫的影響強(qiáng)于降水[26]。研究表明，年均溫對(duì)留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響強(qiáng)于年降水，由于陜西秦嶺山區(qū)降水量相對(duì)豐富，熱量條件對(duì)于植被生長可能更為重要。

表5 因子探測結(jié)果

4.2 人為因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響

除自然因素外，人為因素也是影響留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要驅(qū)動(dòng)因素，其影響分為正面效應(yīng)(如退耕還林、保護(hù)天然林等)和負(fù)面效應(yīng)(如城市化、采伐森林等)。研究表明，人為因素中的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是影響留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素，道路是次要因素。究其原因，陜西秦嶺山區(qū)與人口密集的城市生態(tài)環(huán)境不同，其土地利用存在明顯的高低指向性，圍繞耕地的人類活動(dòng)是該地區(qū)土地利用變化的主導(dǎo)因子[14]。

1990—2003年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積占總面積的75.44%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)轉(zhuǎn)為差的居民地區(qū)域逐漸擴(kuò)大，部分優(yōu)等級(jí)的植被區(qū)域轉(zhuǎn)為良等級(jí)。最主要的原因可能是該階段內(nèi)陜西秦嶺山區(qū)毀林開荒、圍湖造田，致力于發(fā)展經(jīng)濟(jì)，推動(dòng)城市化進(jìn)程。1990年后中央及地方政府允許并鼓勵(lì)個(gè)人和集體開墾土地，1990—2000年秦嶺地區(qū)土地利用變化主要為落葉闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)楦兀瑑烧呦嗷マD(zhuǎn)變的過程中耕地凈增長225 599 hm2[14]，且該階段內(nèi)建設(shè)用地面積有一定的增加[27]。2003—2020年留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以改善為主，大部分良等級(jí)轉(zhuǎn)為優(yōu)等級(jí)，部分差等級(jí)的居民地生態(tài)環(huán)境也逐漸改善。自2003年起實(shí)施《退耕還林條例》、2007年發(fā)布《陜西秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》、2008年起實(shí)施《陜西省秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)條例》等一系列生態(tài)建設(shè)措施以來，陜西秦嶺山區(qū)各級(jí)政府和相關(guān)單位投入了大量的人力、物力和財(cái)力改善生態(tài)環(huán)境，有序開展退耕還林、封山育林、植樹造林和天然林保護(hù)等生態(tài)工程。2000—2010年秦嶺地區(qū)土地利用變化主要為耕地轉(zhuǎn)變?yōu)槁淙~闊葉林，兩者相互轉(zhuǎn)變的過程中落葉闊葉林凈增785 614 hm2，耕地面積顯著減少。因此，2003—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好可能得益于生態(tài)保護(hù)政策的實(shí)施和水熱條件的耦合作用。

5 結(jié)論

基于RSEI對(duì)秦嶺南麓腹地留壩縣1990—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空特征分析，并采用GDM探討了陜西秦嶺山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素。結(jié)果表明：(1)1990—2020年間留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量先退化后改善，RSEI均值從0.788(1990年)下降至0.639(2003年)，再上升至0.858(2020年)。(2)各年份留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為良、優(yōu)的區(qū)域總面積分別為1 822.38、1 654.27、1 867.67和1 915.46 km2，均超過研究區(qū)的80%，呈差和較差等級(jí)的區(qū)域較少，且主要分布于留侯鎮(zhèn)西部裸地處和低山丘陵地區(qū)的居民地。(3)高程、年均溫和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是留壩縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要影響因素，解釋力均超過10%；年降水和道路為次要影響因素，解釋力在5%以上。(4)陜西秦嶺山區(qū)實(shí)施退耕還林等環(huán)境保護(hù)政策成效顯著，今后應(yīng)根據(jù)不同高程范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境的空間分布特點(diǎn)，合理利用土地和自然資源，減小鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展和人類破壞對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的負(fù)面效應(yīng)，加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)工程對(duì)環(huán)境的正面效應(yīng)。