李永進,湯玉喜,黎 蕾,唐 潔
(湖南省林業(yè)科學院,湖南 長沙 410004)
長江岸線作為整個長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境的重要組成部分和核心環(huán)節(jié),是支撐長江經(jīng)濟帶發(fā)展的重要資源和沿江重要國民經(jīng)濟設(shè)施建設(shè)的載體,在抵御洪水、蓄洪防旱、調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、旅游休閑等方面有其他系統(tǒng)不可替代的作用[1-3]。長江岸線湖南段擁有優(yōu)越的水運條件,岸線利用強度較高。2018年,習近平總書記在湖南省調(diào)研時強調(diào),“要把修復長江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置,共抓大保護,不搞大開發(fā)”。近年來,由于氣溫變暖、水文條件的變化和長江岸線長期不合理的開發(fā)利用,使得該岸線部分區(qū)域產(chǎn)生了水生態(tài)污染、濕地資源破壞等問題。這些對長江岸線生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了較大影響[4]。因此,面對長江保護與修復的重大科技需求,合理評價長江岸線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其變化,對科學制定長江岸線資源空間功能區(qū)劃和推進長江經(jīng)濟帶高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。
目前,國內(nèi)外學者從不同角度對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估開展了大量研究,并提出了很多的評價方法[5-11]。2006年國家頒布的《 生態(tài)環(huán)境評價技術(shù)規(guī)程》對生物豐富度指數(shù)、環(huán)境指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)等生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(Ecological Environment Index,EI)進行了規(guī)范,并得到了廣泛應(yīng)用。然而,EI存在計算權(quán)重的固定化、歸一化系數(shù)的設(shè)定以及指標的可獲取性等問題,對不同氣候、立地條件區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評價結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響。為了能直觀地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,許多學者基于GIS和遙感(RS)技術(shù),并借助數(shù)學方法對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評估及監(jiān)測開展了研究[12-23],尤其是徐涵秋[24]集成了以綠度、濕度、熱度、干度等4個自然因子為主的指標,提出了一種新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI),實現(xiàn)了對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的定量評價、時空性分析以及可視化顯示,該評價方法得到了許多學者的認可[25-28]。本文擬利用RSEI對長江岸線湖南段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況進行綜合評價,探討其30年來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征及其影響因素,以期為湖南省長江岸線生態(tài)環(huán)境保護修復提供支撐。
長江岸線湖南段地處112°48′9.50″—113°34′30.41″E,29°44′11.96″—29°50′29.00″N,上起華容縣五馬口,下至臨湘市鐵山咀,全長163km。其氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候,年降水量1100~1300mm;夏季高溫多雨,冬季溫和濕潤,四季分明。地貌類型多樣,以平原、丘陵、沼澤為主。植被以蘆葦(Phragmitesaustralis)、南荻(Triarrhenalutarioriparia)、川三蕊柳(Salixtriandroides)、水芹(Oenanthejavanica)、藜蒿(Artemisiaselengensis)、虉草(Phalarisarundinacea)、短尖苔草(Carexbrevicuspis)等為主[29]。
基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選用1990、2000、2010年每年8月的Landsat 5 TM遙感影像和2020年9月的Landsat 8 OLI遙感影像,其空間分辨率均為 30 m。影像的時相基本相同,植被具有相近的生長狀態(tài),避免了因季節(jié)差異造成的影響。
RSEI是基于遙感數(shù)據(jù),采用主成分分析法并集成綠度、濕度、干度和熱度等4個生態(tài)指標對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行定量、客觀、可視化顯示的評價方法[21-23,30]。
2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理
首先采用ENVI軟件對4幅影像進行輻射校正、幾何校正和配準,并使用Chander 等的模型和參數(shù)將原始影像的灰度值轉(zhuǎn)換為傳感器反射率,以減少不同時期影像因光照、大氣和地形等不同所造成的差異;然后對影像進行配準,配準的均方根誤差小于0.5個象元[31]。同時,采用MNDWI 水體指數(shù)掩膜掉水體信息的影響,最后利用長江岸線湖南段的矢量邊界對影像進行裁剪[32]。
2.2.2 主成分指標的構(gòu)建
(1)綠度指標。綠度指標是反映植物生長狀況的最佳指標。歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)與植被蓋度、生物量及葉面積指數(shù)有密切關(guān)系,能夠量化反映地表植被生長狀況。其表達式[24]為:
NDVI=(ρNIR-ρRed)/(ρNIR+ρRed)
(1)
式(1)中:ρNIR、ρRed分別為遙感影像近紅外波段和紅波段的反射率。
(2)濕度指標。濕度指標(Wet)選用纓帽變換得到的濕度分量來表示。Wet能較好地反映植被、地表水體、土壤中的濕度[25]。Landsat TM 和Landsat OLI的濕度表達式分別為:
WetTM=0.031 5ρ1+0.202 1ρ2+0.310 2ρ3+
0.159 4ρ4-0.680 6ρ5-0.610 9ρ7
(2)
WetOLI=0.151 1ρ2+0.197 2ρ3+0.328 3ρ4+
0.340 7ρ5-0.711 7ρ6-0.455 9ρ7
(3)
式(2)、(3)中:WetTM為Landsat 5遙感衛(wèi)星的濕度分量;WetOLI為Landsat 8遙感衛(wèi)星的濕度分量;ρ1、ρ2、ρ3、ρ4、ρ5、ρ7分別為 Landsat 5中第 1、2、3、4、5、7 波段和 Landsat 8中第 2、3、4、5、6、7 波段。
(3)干度指標。干度指標(NDBSI)由土壤指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)構(gòu)成[24],其表達式為:
NDBSI=(SI+IBI)/2
(4)
式(4)中SI、IBI的表達式分別為:
SI=(ρ5+ρ3)-(ρ1+ρ4)/ (ρ5+ρ3)+
(ρ1+ρ4)
(5)
(6)
(4)熱度指標。選用地表溫度來表示熱度指標(LST),通過 Landsat 遙感數(shù)據(jù)的熱紅外波段的輻射值和最新修訂的定標參數(shù)得到[24],其表達式為:
LST=T/[1+(λT/ρ)lnε]
(7)
式(7)中T的表達式為:
T=K2/ln(K1/L6+1)
(8)
式(8)中L6的表達式為:
L6=gain×DN+bias
(9)
式(7)、(8)、(9)中:T為傳感器的溫度值;λ為熱紅外波段的中心波長;ρ為1.438 × 10-2mK;ε為地表比輻射率;K1和K2均為定標參數(shù);L6為熱紅外波段的輻射值;gain、DN和bias分別為熱紅外波段的增益值、像元灰度值和偏置值。
2.2.3 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建
主成分分析是將多個變量通過線性變換集中到少數(shù)重要變量的多維壓縮技術(shù)。RSEI 的構(gòu)建采用主成分分析法,變換后的數(shù)據(jù)根據(jù)各主成分的貢獻率自動確定,將4個生態(tài)指標的信息集中于前1~2個主成分中,從而使單一變量耦合4個生態(tài)指標。在進行主成分分析前,由于4個生態(tài)指標量綱不統(tǒng)一,需要對各指標進行正規(guī)化處理,將其指標值限制在0~1之間。其表達式為:
NIi=(I-Imin)/(Imax-Imin)
(10)
式(10)中:NIi為第i種指標歸一化結(jié)果;I為各個指標的像元值,Imin為該指標的最小像元值,Imax為該指標的最大像元值[23]。
為了避免研究區(qū)內(nèi)大片水域影響主成分分析的荷載分布,采用水體指數(shù)(Normalized Difference Water Index,NDWI)進行水體掩膜處理,然后將正規(guī)化及水體掩膜后的指標合成新圖像,并對新圖像進行主成分分析。為了便于指標的對比和分析,對PC1進行正負值轉(zhuǎn)置、正規(guī)化處理得到RSEI,其表達式為:
RSEI=(RSEI0-RSEI0min)/
(RSEI0max-RSEI0min)
(11)
式(11)中RSEI0的表達式為:
RSEI0=1-PC1
(12)
式(11)、(12)中:RSEI為遙感生態(tài)指數(shù),取值范圍介于0~1之間,RSEI值越大代表生態(tài)質(zhì)量越好,反之則越差;RSEI0max、RSEI0min分別為初始生態(tài)指數(shù)的最大值、最小值[21];RSEI0為初始生態(tài)指數(shù);PC1為第一主成分。
1990—2020年中的4個年度4個生態(tài)指標的主成分分析結(jié)果(表1)表明:4個年度4個生態(tài)指標的第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的累積貢獻率均超過了93.00%,1990、2000、2010、2020年的第一主成分的貢獻率分別為64.69%、68.34%、80.23%、73.14%。4個年度4個生態(tài)指標中,第一主成分PC1的綠度指標(NDVI)和濕度指標(Wet)值均為正值,說明二者對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正向作用,且NDVI對 PC1 的影響大于Wet的;干度指標(NDBSI)和熱度指標(LST)值均為負值,說明二者對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起負向作用,且NDBSI對 PC1 的影響大于LST的。進一步對比4個生態(tài)指標對PC1的貢獻率大小發(fā)現(xiàn),NDVI是促進長江岸線湖南段生態(tài)質(zhì)量變好的主要因素,NDBSI是導致其生態(tài)質(zhì)量下降的主要因素。從各主成分貢獻率來看,在PC2、PC3、PC4中,各項指標值忽正忽負、忽大忽小,規(guī)律不明顯,難以確定影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素,而PC1明顯集中了4個指標的大部分特征信息,因此,選用PC1來構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)。
從表2可以看出:1990—2020年,長江岸線湖南段的RSEI值呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢,總體上增加了13.70%,其中1990—2000年從0.6848下降到0.6729,下降了1.74%;2000—2010年從0.6729下降至0.5912,下降了12.14%;2010—2020年從0.5912上升至0.7786,上升了31.70%;1990—2010年RSEI值的減少幅度小于2010—2020年的增加幅度。對比各年度4個生態(tài)指標對PC1的荷載值(見表1)可以看出,1990—2020年,綠度指標(NDVI)和濕度指標(Wet)的荷載值絕對值之和均大于干度指標(NDBSI)和熱度指標(LST)的荷載值絕對值之和,表明1990—2020年長江岸線湖南段綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的正向作用大于溫度升高、土壤干化和建設(shè)用地等對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的負向作用,且該區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了改善。
表1 1990—2020年4個生態(tài)指標的主成分分析Tab.1 Principal component analysis of four ecological indicators from 1990 to 2020年度生態(tài)指標第一主成分第二主成分第三主成分第四主成分綠度指標(NDVI)0.781 2-0.436 90.204 10.396 5濕度指標(Wet)0.443 9-0.382 60.440 90.679 81990干度指標(NDBSI)-0.436 8-0.317 80.837 80.079 2熱度指標(LST)-0.043 50.749 50.249 10.611 8特征值0.063 70.028 40.005 80.000 6特征值貢獻率/%64.6928.815.890.61綠度指標(NDVI)0.919 2-0.053 40.087 20.380 3濕度指標(Wet)0.264 0-0.608 40.386 00.641 22000干度指標(NDBSI)-0.140 8-0.423 90.891 40.076 4熱度指標(LST)-0.256 00.668 80.220 80.662 1特征值0.054 10.020 70.003 90.000 5特征值貢獻率/%68.3426.144.910.61綠度指標(NDVI)0.832 10.376 70.082 80.398 6濕度指標(Wet)0.022 7-0.692 00.0770.717 42010干度指標(NDBSI)-0.549 20.567 00.257 40.557 2熱度指標(LST)-0.073 70.240 2-0.959 60.126 4特征值0.083 00.017 60.002 40.000 4特征值貢獻率/%80.2317.062.360.35綠度指標(NDVI)0.911 80.203 90.063 20.350 6濕度指標(Wet)0.030 10.786 8-0.220 40.575 72020干度指標(NDBSI)-0.038 5-0.228 40.971 10.057 8熱度指標(LST)-0.407 60.535 90.066 00.736 4特征值0.048 90.014 80.002 70.000 4特征值貢獻率/%73.1422.124.100.65
表2 1990—2020年4個生態(tài)指標和遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI值)統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of four ecological indicators and RSEI from 1990 to 2020年度參數(shù)綠度指標(NDVI)濕度指標(Wet)干度指標(NDBSI)熱度指標(LST)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)最大值0.817 2963.067 40.194 537.716 50.999 31990最小值-0.348 5-2 898.341 2-0.611 424.216 90.002 7平均值0.515 0-962.621 2-0.153 027.266 60.684 8標準差0.204 5426.154 80.100 31.894 40.203 4最大值0.825 71 021.777 00.170 034.724 20.999 42000最小值-0.391 8-3 342.517 2-0.590 119.800 20.001 2平均值0.501 5-760.506 6-0.188 722.959 60.672 9標準差0.201 6397.342 80.083 01.289 30.196 2最大值0.889 7732.235 00.163 036.168 00.999 92010最小值-0.415 4-2 581.135 8-0.472 919.872 00.005 3平均值0.431 272.385 4-0.178 027.784 40.591 2標準差0.242 8276.753 70.097 41.057 80.193 4最大值0.859 31 005.686 20.227 030.936 60.999 92020最小值-0.497 2-3 315.091 3-0.528 615.283 40.016 1平均值0.506 8-775.773 0-0.183 024.087 40.778 6標準差0.162 2350.729 80.062 00.934 90.157 8
為可視化、定量化分析RSEI,將RSEI值以0.2為間隔將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量劃分為優(yōu)、良、一般、較差和差等5個等級[32-33],并對各等級的區(qū)域面積及其占比進行統(tǒng)計,結(jié)果見表3。結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果,優(yōu)等級生態(tài)環(huán)境區(qū)域主要為沼澤地和草地,良好等級生態(tài)環(huán)境區(qū)域主要為蘆葦?shù)?,一般等級生態(tài)環(huán)境區(qū)域主要為林地,較差等級生態(tài)環(huán)境區(qū)域主要為近岸裸地,差等級生態(tài)環(huán)境區(qū)域主要為公路、建設(shè)用地。
對4個年度5個生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級的區(qū)域面積進行統(tǒng)計和檢測,在計算RSEI值時對水體進行掩膜處理。表3結(jié)果顯示,由于水體面積沒有計算在內(nèi),以致于各年度各等級的區(qū)域面積有所不同。由表3可以看出:長江岸線湖南段1990、2000、2010年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級均以一般等級的區(qū)域面積占比最大,分別為26.62%、28.19%和35.31%;其次為良好等級的,其區(qū)域面積占比分別為24.17%、24.67%和17.72%;優(yōu)等級的區(qū)域面積占比一直呈下降趨勢,分別為21.16%、15.65%和11.46%;較差等級、差等級的區(qū)域面積占比均呈增加趨勢,較差等級的區(qū)域面積占比分別為18.61%、20.90%、21.76%,差等級的區(qū)域面積占比分別為9.44%、10.59%和13.75%。2020年長江岸線湖南段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級以良好等級的區(qū)域面積最大,達33.48%;一般等級區(qū)域面積次之,為25.15%;差等級的區(qū)域面積最小,僅為8.08%。從4個年度的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)等級和良好等級的區(qū)域面積占比的變化來看,1990、2000、2010、2020年的良好以上等級的區(qū)域面積占比分別為45.33%、40.32%、29.18%和51.13%,1990—2020年良好以上等級的區(qū)域面積占比總體上呈上升趨勢,說明1990—2020年長江岸線湖南段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯改善。
對1990年和2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化進行檢測和統(tǒng)計,結(jié)果見表4。從實地核查結(jié)果來看,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要集中在大堤岸線周邊的建設(shè)用地、工業(yè)用地等人類活動較為密集的區(qū)域,變好的區(qū)域主要集中于長江堤岸垸外的中高程灘地,大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量保持不變。從表4中可知:1990—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化面積從大到小依次為變好、不變、變差,其中,變好的區(qū)域面積為71.6571km2,面積占比為46.27%;不變的區(qū)域面積為41.8680km2,面積占比為27.04%;變差的區(qū)域面積為41.3253km2,面積占比為26.69%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化以上升1、2個等級和下降1個等級的為主,上升1、2個等級的區(qū)域面積之和比下降1個等級的區(qū)域面積增加了31.4055km2,面積占比增加了20.28%。表明1990—2020年,長江岸線湖南段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化是一個漸變的過程,雖然在一定時期出現(xiàn)了生態(tài)退化現(xiàn)象,但隨著生態(tài)保護政策的實施,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸得到了改善。
表3 1990—2020年長江岸線湖南段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級區(qū)域的面積及其占比Tab.3Area and proportion of RSEI in each level of Yan-gtze River shoreline in Hunan Province from 1990 to 2020年度生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(RSEI值)區(qū)域面積/km2區(qū)域面積占比/%優(yōu)(0.8,1〕85.252521.16良好(0.6,0.8〕97.405724.171990一般(0.4,0.6〕107.267026.62較差(0.2,0.4〕75.004918.61差〔0,0.2〕38.04359.44合計402.9736100優(yōu)(0.8,1〕61.485315.65良好(0.6,0.8〕96.881724.672000一般(0.4,0.6〕110.738928.19較差(0.2,0.4〕82.093020.90差〔0,0.2〕41.585010.59合計392.7839100優(yōu)(0.8,1〕44.446711.46良好(0.6,0.8〕68.746317.722010一般(0.4,0.6〕136.966235.31較差(0.2,0.4〕84.424321.76差〔0,0.2〕53.324213.75合計387.9077100優(yōu)(0.8,1〕73.200517.65良好(0.6,0.8〕138.859933.482020一般(0.4,0.6〕104.309925.15較差(0.2,0.4〕64.839615.64差〔0,0.2〕33.49068.08合計414.7005100
表4 1990—2020年長江岸線湖南段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化面積及其占比Tab.4The area and proportion change of each RSEI level of Yangtze River shoreline in Hunan Province from 1990 to 2020生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化類別生態(tài)環(huán)境質(zhì)量級差類面積/km2級面積/km2變化面積占比/%-40.000 00.00變差-31.961 141.325 31.27-210.963 87.08-128.400 418.34不變041.868 041.868 027.04135.573 422.97變好224.232 571.657 115.65310.067 46.5041.783 81.15
(1)1990、2000、2010、2020年長江岸線湖南段的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)平均值分別為0.6848、0.6729、0.5912、0.7786,1990—2000年和2000—2010年的RSEI值一直降低,但其降低幅度小于2010—2020年的增加幅度,表明近10年來隨著生態(tài)保護政策的實施,長江岸線湖南段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯改善,這與研究區(qū)氣候變化密切相關(guān)。已有研究[34]表明,30年來洞庭湖區(qū)平均氣溫上升速率為0.02 ℃·a-1,降水量下降速率為13.739 mm·a-1,氣溫的升高和降水量的下降對植被生長有一定的影響,尤其是2003年三峽蓄水前后年均流量降低了1263.84 m3·s-1[35],這直接促進了岸線楊樹、蘆葦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,一定程度上加劇了濕地景觀破碎化和濕地生境質(zhì)量的退化,這與Fang[36]、Nemani[37]和 Liu[38]等研究得出的氣溫與降水等水熱氣候條件對植被覆蓋空間格局驅(qū)動因素影響的結(jié)果相一致。
(2)從4個生態(tài)指標來看,綠度指標(NDVI)和濕度指標(Wet)對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正向作用,干度指標(NDBSI)和熱度指標(LST)起負向作用,且綠度和濕度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的正向作用大于溫度升高、土壤干化和建設(shè)用地等對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的負向作用。這表明江河岸線是生態(tài)風險較大的區(qū)域,具有較高的生物多樣性和生態(tài)脆弱性,岸線周邊村鎮(zhèn)的城市化、工業(yè)建設(shè)用地增加以及圍墾、養(yǎng)殖等人類活動對岸線交錯帶生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生了重要影響[39]。
(3)1990—2020年長江岸線湖南段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況得到了明顯改善,其中優(yōu)和良好等級的區(qū)域面積變化呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢,其1990、2000、2010、2020年的區(qū)域面積占比之和分別為45.33%、40.32%、29.18%和51.13%,2020年的優(yōu)和良好等級的區(qū)域面積占比之和比1990年的增加了5.80%;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積最大,不變的區(qū)域面積次之,變差的區(qū)域面積最小,其面積占比分別為46.27%、27.04%和26.69%;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級上升1、2個等級的區(qū)域面積之和比下降1個等級的區(qū)域面積增加了31.405 5 km2,面積占比增加了20.28%。這主要是由于2003 年水利樞紐工程運行、1980—2010 年大規(guī)模人工植蘆和造林、岸線周邊村鎮(zhèn)的城市化、工業(yè)建設(shè)用地的增加以及圍墾、養(yǎng)殖等人類活動對岸線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量造成了嚴重威脅[40],2016年以來,隨著《長江經(jīng)濟帶生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》《長江保護修復攻堅戰(zhàn)行動計劃》以及《湖南省貫徹落實〈長江保護修復攻堅戰(zhàn)行動計劃〉實施方案》等一系列重大舉措的相繼實施,人類活動對岸線濕地生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的干擾程度大幅減少,使岸線生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯改善,為促進長江岸線經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。