黎 毅，戴克元，唐國平，杜建會(huì)，陳 桃，江 南，牛香豫，余揚(yáng)波

（1.廣東省粵北巖溶區(qū)碳水耦合野外科學(xué)觀測(cè)研究站//中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣州 511400；2.石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

隨著人類活動(dòng)的不斷擴(kuò)展與加劇，自然生態(tài)環(huán)境受到極大的影響。全球氣候變化、森林砍伐、水土流失、生物滅絕等問題，已成為全球性的挑戰(zhàn)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)愈加重要。自然保護(hù)區(qū)作為生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要一環(huán)，將典型的自然生態(tài)系統(tǒng)集中保護(hù)，為各種珍稀瀕危野生動(dòng)植物提供適宜的生態(tài)環(huán)境（祝萍 等，2018），具有重要的生態(tài)學(xué)價(jià)值。因此，評(píng)估自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，探究不同保護(hù)區(qū)級(jí)別生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化及其驅(qū)動(dòng)力，不僅可揭示自然保護(hù)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的特征和演變規(guī)律，也可指導(dǎo)未來的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，提高保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣程度，即在特定時(shí)間和空間范圍內(nèi)，從生態(tài)系統(tǒng)層次上反映生態(tài)環(huán)境對(duì)人類生存、社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的適宜程度（中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，2004）。遙感生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecological Index, RSEI）綜合了綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)人類直觀感受生態(tài)狀況優(yōu)劣的指標(biāo)，可快速地定量評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，揭示其時(shí)空變化規(guī)律，受到廣泛關(guān)注（徐涵秋，2013）。如Liu等（2022）基于遙感生態(tài)指數(shù)分析了2000—2020年窟野河流域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境優(yōu)良區(qū)主要分布在流域東段，流域南段部分區(qū)域呈惡化趨勢(shì)。李婷婷等（2021a）采用遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)賀蘭山山地生態(tài)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，賀蘭山生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，荒漠和草原區(qū)是生態(tài)環(huán)境改善的主要區(qū)域。楊繪婷等（2020）運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)分析武夷山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，生態(tài)變差區(qū)域集中于山頂和道路兩側(cè)，人類活動(dòng)和地形因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響較大。相關(guān)研究表明遙感生態(tài)指數(shù)可以很好地開展不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

廣東石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于粵北地區(qū)，具有南亞熱帶季風(fēng)常綠闊葉林向中亞熱帶典型常綠闊葉林過渡的特征。該保護(hù)區(qū)是國家重點(diǎn)保護(hù)的珍稀動(dòng)植物（如蟒Python bivittatus、金雕Aquila chrysaetos、普陀樟Cinnamomum japonicum等）的棲息地，也是許多新物種（如石門臺(tái)白絲草Chamaelirium shimentaiense、擬日本蛇菰Balanophora parajaponica等）的原生地。該保護(hù)區(qū)作為珠江最大支流北江的水源地，是粵港澳大灣區(qū)粵北生態(tài)屏障的重要組成部分。目前，對(duì)石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的研究多集中在動(dòng)植物多樣性（Zeng et al., 2021; Wang et al.,2022）、群落結(jié)構(gòu)（林苗芳 等，2019；陳泓宇 等，2022）、種群特征（張琪 等，2020）等方面，然而，該保護(hù)區(qū)自建立至升級(jí)為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量如何變化尚不清楚。因此，有必要評(píng)估石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)自成立以來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化及驅(qū)動(dòng)因素，為未來科學(xué)管理和保護(hù)提供依據(jù)。

由于廣東石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，而地形對(duì)于徑流的分布和積蓄有著重要的影響，同時(shí)改變氣溫、降水等物質(zhì)和能量的分配，進(jìn)而影響植被的生長(zhǎng)和分布（Qiong et al., 2010）。氣候變化會(huì)直接影響不同動(dòng)植物的豐度，改變生態(tài)資源的分布，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響（Hoffmann et al.,2019）。保護(hù)區(qū)內(nèi)土壤主要為赤紅壤、山地紅壤和山地草甸土，由于水熱條件豐富，赤紅壤在成土過程中有機(jī)質(zhì)積累多，土壤質(zhì)地和化學(xué)性質(zhì)影響著植物生長(zhǎng)、水分保持、養(yǎng)分循環(huán)等（Weigel et al.,2019；李婷婷 等，2021b）。人類活動(dòng)可能導(dǎo)致土地開發(fā)、污染、生態(tài)破壞等。因此，本文基于1997—2021年遙感影像數(shù)據(jù)，應(yīng)用遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)估廣東石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)隨著保護(hù)級(jí)別的提高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化特征及其規(guī)律，并以保護(hù)區(qū)邊界向外5 km建立緩沖帶，對(duì)比保護(hù)區(qū)內(nèi)外生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況，同時(shí)選取地形、土壤、氣候、人類活動(dòng)等因素，分析影響該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)因素，以期為生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)位于廣東省清遠(yuǎn)市北部，屬中亞熱帶與南亞熱帶過渡區(qū)（24°28′42″—24°28′43″ N、113°14′15″—113°14′17″ E）。據(jù)英德氣象站數(shù)據(jù)，保護(hù)區(qū)內(nèi)氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，光照充足，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，海拔高度46～1 570 m，年均溫19～22 ℃，年均降水量1 500～1 800 mm。保護(hù)區(qū)植被以天然常綠闊葉林為主，地形具有山地、丘陵和平原等多樣性地貌，其中以山地面積最大，土壤主要為赤紅壤、山地紅壤和山地草甸土（張金泉，2017）。20世紀(jì)90年代石門臺(tái)地區(qū)居民大量砍伐闊葉林，嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)厣值纳鷳B(tài)平衡，因此政府于1998年成立縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)，旨在保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性，同年升為省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，2012 年成為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)。石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)按照生態(tài)功能劃分為核心區(qū)、功能區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 The location of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文選用的遙感數(shù)據(jù)均來自Google Earth Engine的公開數(shù)據(jù)集①https://earthengine.google.com（表1）。其中，Landsat 5/7/8地表反射率數(shù)據(jù)由GEE收集和處理，已完成大氣校正等預(yù)處理操作，可直接使用，同時(shí)利用CFMASK算法對(duì)影像進(jìn)行去云處理。首先，計(jì)算每個(gè)月的歸一 化 植 被 指 數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI），繼而選取NDVI 值最高的月份及其前后各2 個(gè)月作為該年遙感影像采集的時(shí)間（Zheng et al., 2022），獲取研究區(qū)內(nèi)每一點(diǎn)在采集時(shí)期的RSEI 中值，代表該年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量（其中1998、2004、2012、2020年受云層影像較大，存在大量空值，故剔除）。同時(shí)，考慮到水體對(duì)RSEI評(píng)價(jià)結(jié)果影響較大，借助全球水體數(shù)據(jù)集將保護(hù)區(qū)內(nèi)的水體排除。

表1 遙感數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)集Table 1 Dataset corresponding to remote sensing data

驅(qū)動(dòng)因子數(shù)據(jù)包括土壤酸堿度、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)、人口分布數(shù)據(jù)（簡(jiǎn)稱為“人口分布數(shù)”）、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)、氣候數(shù)據(jù)。其中，氣候數(shù)據(jù)包括2021年氣溫與降水空間插值數(shù)據(jù)集，源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心②http://loess.geodata.cn；人口分布數(shù)據(jù)來自全球人口分布數(shù)據(jù)集，用于代表保護(hù)區(qū)中居民活動(dòng)的影響；坡度與坡向數(shù)據(jù)由數(shù)字高程模型計(jì)算得到，氣候數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和人口分布數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣至30 m。這些數(shù)據(jù)主要用于分析保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間差異及影響因素。此外，使用1997—2021年的年平均氣象站數(shù)據(jù)（降水、氣溫）分析氣候?qū)κT臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量年際變化的響應(yīng)。氣象站數(shù)據(jù)從國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心③https://data.cma.cn/獲取，依據(jù)研究區(qū)的地理位置選取英德站作為氣象站數(shù)據(jù)來源。

1.3 遙感生態(tài)指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與自然生態(tài)環(huán)境的綠度、濕度、干度、熱度等密切相關(guān)，這4個(gè)指標(biāo)可直接反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣。綠度指標(biāo)選取NDVI（Huete et al., 2002）度量，NDVI是評(píng)價(jià)植被生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)，也是反映植物營養(yǎng)狀況的關(guān)鍵參數(shù)；濕度（WET）是表征土壤與地表植被濕度狀況，是評(píng)價(jià)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，選用纓帽變換（Crist, 1985）提取地表濕度；干度指標(biāo)（NDBSI）選取建筑指數(shù)（IBI）（Xu, 2008）和裸土指數(shù)（SI）（Asner, 2009）的平均值反映建筑用地面積和地表裸露造成的干化情況；熱度指標(biāo)（Land Surface Temperature, LST）用地表溫度度量，可通過Landsat影像中的紅外波段反演獲得（Nichol, 2005;Yu et al., 2014）。

為消除不同指標(biāo)量綱差異所帶來的影響，對(duì)4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，公式（賈俊平，2009）為：

式中：X為各指標(biāo)歸一化后的值；x為各指標(biāo)待歸一化前的值；xmin為該指標(biāo)的最小值；xmax為該指標(biāo)的最大值。對(duì)歸一化后的新指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，選擇包含4個(gè)指標(biāo)主要特征的主成分（PC），然后用1減去PC 作為初始生態(tài)指數(shù)RSEI0（Xu, 2013），公式為：

得到初始RSEI0后，通過方程1 對(duì)RSEI0進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到RSEI。同時(shí)，為了定量分析石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，參考已有分類標(biāo)準(zhǔn)（Xu, 2013），將RSEI按照 [0, 0.2）、[0.2, 0.4）、[0.4, 0.6）、[0.6, 0.8）、[0.8, 1] 分為5個(gè)等級(jí)：較差、一般、中等、良好、優(yōu)秀。

1.4 相關(guān)性分析

Spearman 相關(guān)系數(shù)（R）表示變量之間的相關(guān)性。對(duì)年際變化上生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)中的RSEI、氣候因子中的降水和氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析，以探究生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)氣候的響應(yīng)。公式（賈俊平 等，2009）為：

式中：Rx，y為相關(guān)系數(shù)；n為觀測(cè)次數(shù)；xi為自變量；yi為因變量，xˉ、yˉ分別為自變量、因變量的平均值。

1.5 隨機(jī)森林

隨機(jī)森林是一種由決策樹組成、對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的集成算法（Liaw and Wiener, 2002）。該算法采用Bagging思想，從總體樣本中隨機(jī)選取部分樣本進(jìn)行訓(xùn)練，利用選取的樣本數(shù)據(jù)建立決策樹，通過多棵決策樹進(jìn)行投票獲取算術(shù)平均值，得票最多的作為回歸的最終結(jié)果。隨機(jī)森林可以克服過度擬合問題，在降低噪聲方面更加穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)、水文模擬、遙感反演等研究（Chen et al., 2021）。

按照空間位置對(duì)應(yīng)關(guān)系，將2021年遙感生態(tài)指數(shù)、高程、坡度、坡向、人口分布數(shù)、土壤酸堿度、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣溫、降水等數(shù)據(jù)隨機(jī)分為2組，其中70%的數(shù)據(jù)用于模型訓(xùn)練，30%用于模型檢驗(yàn)，經(jīng)多重共線性檢驗(yàn)，不存在多重共線性問題。此外，采用Spearman相關(guān)系數(shù)（R）、均方根誤差（RMSE）對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)，將評(píng)估隨機(jī)森林模型中影響因素的重要性并繪制偏依賴圖，以分析各影響因素的重要程度和對(duì)RSEI的響應(yīng)，探究各影響因素對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的作用機(jī)制。重要性指在模型預(yù)測(cè)過程中，各特征變量的貢獻(xiàn)率大小，貢獻(xiàn)率越大，特征變量重要程度越高，其總和為1。偏依賴圖是在弱化其他特征變量的情況下，可反映一個(gè)特征變量與模型預(yù)測(cè)函數(shù)的依賴關(guān)系，是對(duì)隨機(jī)森林模型結(jié)果的有效解釋（Guidotti et al., 2019）。本研究隨機(jī)森林相關(guān)分析均在Python+Anaconda 3平臺(tái)上完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化

研究時(shí)段內(nèi)，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)在波動(dòng)中上升，平均每年提升0.005，明顯大于保護(hù)區(qū)外部（0.003），表明保護(hù)區(qū)的建立對(duì)于提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有重要作用，但研究時(shí)段保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也有波動(dòng)（圖2）。1997—2003年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提升，從0.637 上升至0.747；而2003—2011 年波動(dòng)較為明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈下降－上升－下降的趨勢(shì)；自2012年石門臺(tái)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)升為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)以后，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)步提升至較高水平，并處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。到2021年，自然保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)達(dá)到0.788。

圖2 1997—2021年石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)變化Fig.2 Change of remote sensing ecological index in Shimentai Nature Reserve from 1997 to 2021

自1998年成立自然保護(hù)區(qū)以來，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”的區(qū)域面積顯著增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著改善（表2）。到2021年，保護(hù)區(qū)93.33%的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”或“良好”。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”的面積從1997 年的5.01 km2上升至2011 年的52.21 km2，再增加到2021 年 的228.75 km2。而 在1997—2011 年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“中等”的面積減少75.95 km2，說明這類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)是該時(shí)期石門臺(tái)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域；而在2011—2021 年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“良好”“中等”和“一般”的面積都有不同程度的減少，這3類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總面積從2011 年的360.33 km2下降至2021年的182.76 km2。因?yàn)檫@3類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)是石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)自成立以來的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施使得生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”的區(qū)域不斷增加。

表2 石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)各項(xiàng)等級(jí)面積和比例Table 2 Area and percent changes of each class in Shimentai Nature Reserve

為進(jìn)一步分析石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化，分別計(jì)算了1997、2011、2021年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)差值，并按“降低2個(gè)等級(jí)及以上”“降低1 個(gè)等級(jí)”“等級(jí)不變”“提升1 個(gè)等級(jí)”“提升2個(gè)等級(jí)及以上”分為“明顯變差”“輕微變差”“基本不變”“輕微變好”“明顯變好”5個(gè)等級(jí)（圖3）。從時(shí)間上看，1997—2021年，保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域占比高達(dá)64.5%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提升，不同時(shí)期保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化存在明顯差異。1997—2011年，石門臺(tái)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)有32.1%的面積生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，61.9%基本不變，6.0%變差。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積明顯小于變好的，說明該時(shí)期石門臺(tái)省級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到顯著提升。2011—2021年，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化較為明顯，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量基本不變的區(qū)域占保護(hù)區(qū)的35.4%，變差的占11.4%，變好的占53.2%。同1997—2011 年相比，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積有一定的增加，但變好的面積依舊遠(yuǎn)大于變差的。從空間上看，核心區(qū)東部、緩沖區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)東部與中部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，實(shí)驗(yàn)區(qū)西部和核心區(qū)西北角處生態(tài)環(huán)境質(zhì)量波動(dòng)較大。實(shí)驗(yàn)區(qū)為整個(gè)保護(hù)區(qū)的最外圍區(qū)域，受人類活動(dòng)干擾影響大，其西部有大小型水庫等建設(shè)工程，給生態(tài)環(huán)境質(zhì)量帶來不利影響，而核心區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域主要位于海拔高的山頂，高海拔的氣候條件相對(duì)惡劣，不利于植被的生長(zhǎng)，生態(tài)較為脆弱。

從功能區(qū)看，各功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化顯著，均有較顯著的提升（表3）。1997—2021年，核心區(qū)有54.39%的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，7.95%區(qū)域變差；緩沖區(qū)有73.42%區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，2.50% 的區(qū)域變差；實(shí)驗(yàn)區(qū)有70.34%的區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好，2.59%的區(qū)域變差。其中，2011—2021 年核心區(qū)有19.83%的區(qū)域變差，主要分布在山頂高海拔地區(qū)，該區(qū)域水土保持能力較差，植被的生長(zhǎng)受到限制?？傮w上，緩沖區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升最明顯，實(shí)驗(yàn)區(qū)次之，最后為核心區(qū)。上述變化趨勢(shì)與石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)植樹護(hù)林等生態(tài)保護(hù)措施密切相關(guān)。

表3 石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)各功能區(qū)各等級(jí)面積百分比變化Table 3 Percentage change in area of each functional zone in Shimentai Nature Reserve %

2.2 隨機(jī)森林模型精度及重要性分析

基于隨機(jī)森林模型，綜合高程、坡向、坡度、人口分布數(shù)、土壤酸堿度、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣溫、降水等因子，從空間上對(duì)RSEI進(jìn)行回歸分析（圖4）?；貧w模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相關(guān)系數(shù)為0.89，均方根誤差為0.086，擬合效果較好，所選特征變量對(duì)目標(biāo)變量的解釋程度高（圖4-a）。通過重要性分析發(fā)現(xiàn)，高程對(duì)RSEI的影響程度最大，其次為降水、氣溫、土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)和人口分布數(shù)，而坡度對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響最小?？傮w上，地形因子影響最大，氣候因子次之，土壤因子和人口分布數(shù)影響相對(duì)較?。▓D4-b）。

圖4 隨機(jī)森林模型精度（a）及特征重要性（b）Fig.4 Accuracy of random forest model(a) and the importance of features(b)

基于隨機(jī)森林算法探究石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)3個(gè)功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素重要性（圖5）。在實(shí)驗(yàn)區(qū)，高程是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最主要因素，其次為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與人口分布數(shù)，坡度最??；而在緩沖區(qū)，土壤酸堿度與高程的影響最大，降水和氣溫次之，坡度的影響相對(duì)較??；在核心區(qū)，高程和氣候因素是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素，居民活動(dòng)的影響最低。從影響因素變化看，氣溫和降水的重要性程度由外向內(nèi)（即實(shí)驗(yàn)區(qū)－緩沖區(qū)－核心區(qū)）逐漸升高，而人口分布數(shù)由外向內(nèi)逐漸降低。這也與各分區(qū)的功能相一致，核心區(qū)禁止單位和個(gè)人進(jìn)入，緩沖區(qū)只準(zhǔn)進(jìn)入從事科學(xué)研究觀測(cè)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)區(qū)可以進(jìn)入從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)、教學(xué)實(shí)習(xí)、參觀考察等活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)區(qū)海拔東部低，西部高，低海拔地區(qū)道路、房屋等建設(shè)工程多、人類活動(dòng)頻繁，高海拔地區(qū)人類活動(dòng)相對(duì)較弱，植被從低海拔的農(nóng)田、草地變?yōu)橹泻０蔚奶烊婚熑~林、經(jīng)濟(jì)竹林等，高海拔以高山草甸為主，不同海拔間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差異顯著。相比核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)，緩沖區(qū)地形起伏較小，但其土壤酸堿度的分布差異顯著，東部主要為中性土壤，而中、西部以弱酸性和酸性為主，土壤因素為該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)力。

圖5 實(shí)驗(yàn)區(qū)、緩沖區(qū)、核心區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響因素重要性Fig.5 Importance of factors affecting ecological environment quality in experimental areas, buffer areas and core areas

2.3 影響因素分析

2.3.1 地形因素 石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境復(fù)雜多樣，不同海拔處生態(tài)環(huán)境差異明顯。由RSEI 對(duì)高程的響應(yīng)變化（圖6-a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高程低于340 m時(shí)，RSEI隨著高程的增加而升高；當(dāng)高程超過340 m時(shí)，RSEI隨著高程的增加而降低，具有顯著的負(fù)相關(guān)性。由RSEI與高程的關(guān)系（圖7-a）可以發(fā)現(xiàn)，300～600 m 海拔區(qū)生態(tài)環(huán)境最好；300 m以下的低海拔區(qū)域和900 m 以上的高海拔區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差。當(dāng)海拔處于46～300 m時(shí)，人類活動(dòng)頻繁是造成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差的主要原因，但隨著海拔的升高，人類活動(dòng)逐漸減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步提升；當(dāng)海拔位于300～600 m 時(shí)，人為因素干擾較小，RSEI 變化于0.85～0.95，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好，主要植被類型為常綠闊葉林，且覆蓋度高。土壤類型為山地紅壤，質(zhì)地疏松濕潤(rùn)，土壤肥沃（張琪 等，2018）。當(dāng)海拔超過900 m 時(shí)，RSEI隨著高程的升高明顯降低，其值主要在0～0.7，低于RSEI 平均值。經(jīng)實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)在高海拔生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)域主要位于高山頂部。山頂區(qū)域太陽輻射較強(qiáng)，風(fēng)速大，溫度低，雨水侵蝕強(qiáng)，土壤養(yǎng)分流失大，地表多為裸露坡地或灌草叢（張金泉，2017），因此，RSEI值較低?？傮w上，高海拔裸土或灌草叢區(qū)與低海拔人類活動(dòng)強(qiáng)度大的區(qū)域應(yīng)是未來重點(diǎn)保護(hù)和治理的區(qū)域。

圖6 影響因素對(duì)RSEI的偏依賴Fig.6 Partial dependence of factors on RSEI

圖7 RSEI隨地形因素分布情況Fig.7 Distribution of RSEI with topographic factors

坡向不同，氣溫和降水也差異顯著，生物量的分布也不同，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也受到影響。當(dāng)坡向位于0～180°（即北坡－東北坡－東坡－東南坡－南坡）時(shí)，RSEI隨著坡向的增大而提升，在180°處達(dá)到最大；當(dāng)坡向位于180～360°（即南坡－西南坡－西坡－西北坡－北坡）時(shí)，RSEI隨著坡向的增大而降低（圖6-b）。石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于北回歸線北緣，按朝向可將坡向分為陰坡（0～45°、315°～360°）、半陰坡（45°～135°）、陽坡（135°～225°）、半陽坡（225°～315°）。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣按坡向排序?yàn)椋宏柶拢景腙柶拢景腙幤拢娟幤拢碦SEI高值區(qū)域主要分布在陽坡和半陽坡（圖7-b）。石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)植被類型以天然常綠闊葉林為主（陳泓宇 等，2022），常綠闊葉林全年均為生長(zhǎng)季，雨熱同期時(shí)生長(zhǎng)最為茂盛。相對(duì)于陰坡，陽坡光照時(shí)間更長(zhǎng)，熱量更加充足，蒸散發(fā)更大，更適宜常綠闊葉林的生長(zhǎng)，因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更好。

相比高程和坡向，坡度對(duì)RSEI 的影響相對(duì)較小。當(dāng)坡度＜15°時(shí)，RSEI 值隨著坡度的增加而增大；當(dāng)坡度超過15°時(shí)，RSEI隨著坡度的增加而降低（圖6-c）。石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在不同坡度下差異較為顯著，坡度15°～35°區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好（圖7-c）。RSEI＜0.5 的區(qū)域，坡度在0～15°，人類活動(dòng)較為頻繁，保護(hù)區(qū)內(nèi)修建的公路大部分位于該區(qū)域，公路的兩側(cè)區(qū)域多為人工建設(shè)用地（張金泉，2017）。受人類活動(dòng)影響較大，因而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相對(duì)較差。此外，由于石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)地形以山地為主，絕大部分區(qū)域坡度都在0～45°。當(dāng)坡度≥45°時(shí)，山體較為陡峭，土壤的穩(wěn)定性與滲透能力較差，水土流失相對(duì)強(qiáng)，植被一旦遭到破壞則難以恢復(fù)，因此該區(qū)域生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，RSEI均值相對(duì)較低。

2.3.2 土壤因素 土壤提供植被生長(zhǎng)所需的營養(yǎng)物質(zhì)和水分，在一定程度上影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)土壤酸堿度（圖6-d）主要為4.5～6.5，當(dāng)土壤酸堿度＜5.3 時(shí)，土壤逐漸由強(qiáng)酸性變?yōu)樗嵝?，RSEI隨土壤酸堿度升高而上升；當(dāng)土壤酸堿度

＞5.3 時(shí)，土壤逐漸由酸性變?yōu)橹行?，RSEI 隨土壤酸堿度升高而降低。由于強(qiáng)酸性土壤吸收的養(yǎng)分生物有效性低、微生物的活性較弱，導(dǎo)致土壤肥力較低，不利于植物的生長(zhǎng)（魏興琥 等，2021）。而酸性土壤多分布在高溫多雨、濕熱同季的地區(qū)，生物物質(zhì)循環(huán)迅速，比中性土壤更適宜常綠闊葉林的生長(zhǎng)。土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖6-e）與RSEI的分布總體呈先上升后下降趨勢(shì)，當(dāng)土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥4.1%時(shí)，RSEI隨土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低。適宜的土壤有機(jī)碳可以提高土壤肥力、水分保持能力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，但土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會(huì)導(dǎo)致高量土壤有機(jī)質(zhì)礦化，從而引起土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分流失、肥力降低，影響土壤中微生物的生存以及植被的生長(zhǎng)（張維理 等，2020）。土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)（圖6-f）與RSEI的分布呈上升－下降的趨勢(shì)，當(dāng)土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于22%～32%時(shí)，RSEI隨土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而上升，該區(qū)間范圍內(nèi)土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)愈高，肥力也愈高，更能滿足植被生長(zhǎng)的需要。當(dāng)土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞32%時(shí)，RSEI隨土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而顯著下降，這是由于土壤黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高容易排水不暢，導(dǎo)致下雨時(shí)地表易積水、滯水，高溫時(shí)易結(jié)板干裂，因而影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量（吳?；?等，2021）?？傮w上，當(dāng)土壤酸堿度為5.3、有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.1%、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%時(shí)，最有利于植被的生長(zhǎng)，RSEI最高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最好。

2.3.3 氣候因素 從空間上看，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)RSEI與氣溫和降水都呈正相關(guān)趨勢(shì)，保護(hù)區(qū)地形以山地為主，氣溫很大程度上受海拔影響，隨海拔的升高而降低，海拔超過900 m 區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差，300～600 m 海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好（圖7-a），RSEI整體隨氣溫的升高而提升（圖6-h）；從時(shí)間上看，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)RSEI 與降水的區(qū)域相關(guān)性以正相關(guān)為主，其中23.6%的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。RSEI 與降水呈現(xiàn)正相關(guān)區(qū)域面積占比90.7%，遠(yuǎn)高于負(fù)相關(guān)區(qū)域。同時(shí)，RSEI對(duì)降水的響應(yīng)有顯著的區(qū)域性特征，區(qū)域整體相關(guān)性由核心區(qū)向?qū)嶒?yàn)區(qū)逐漸減弱，其變化趨勢(shì)與人類活動(dòng)一致。在禁止人類活動(dòng)的核心區(qū)，92.9%的區(qū)域?yàn)檎嚓P(guān)，其中，中、高度相關(guān)區(qū)域占比72.5%，而在人類活動(dòng)相對(duì)頻繁的實(shí)驗(yàn)區(qū)，中、高度相關(guān)區(qū)域占比下降為62.9%，實(shí)驗(yàn)區(qū)西部與東部外圍還存在部分區(qū)域RSEI與降水呈負(fù)相關(guān)（圖8-a）?？傮w上，降水對(duì)RSEI 有正向促進(jìn)作用，充足的降水有助于維持植物的水分平衡，為植物的生長(zhǎng)提供必要的養(yǎng)分，有利于植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境改善。石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)RSEI 與氣溫的區(qū)域相關(guān)性呈現(xiàn)正、負(fù)相關(guān)性交錯(cuò)分布（圖8-b），其中6.4%的區(qū)域通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。RSEI 與氣溫呈現(xiàn)正、負(fù)相關(guān)區(qū)域面積占比分別為64.1%和35.9%，其中，中、高度負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在高海拔的山脊區(qū)域，由于該區(qū)域基本處于假林線分布區(qū)域，風(fēng)大坡陡、土壤貯水性和地貌穩(wěn)定較差、部分區(qū)域巖石裸露，限制了森林的生長(zhǎng)，因此生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)脆弱，隨著溫度的升高，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步惡化（張琪 等，2018）。在局部年份（2002—2006 年），保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈先下降后上升的趨勢(shì)，其變化趨勢(shì)與降水量一致，降水量從2002 年的2 113.1 mm 下降至1 426.7 mm，在2006 年突增至1 961.2 mm，降水的大幅度變化對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

圖8 RSEI與降水的相關(guān)性（a）以及RSEI與氣溫的相關(guān)性（b）Fig.8 Correlation graph between RSEI and precipitation (a),Correlation graph between RSEI and temperature(b)

2.3.4 人類活動(dòng) 從偏依賴分析結(jié)果看，居民活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量隨著人口分布數(shù)的增加而降低（圖6-i）。早期石門臺(tái)地區(qū)居民大量砍伐闊葉林用于制煉鋼鐵，導(dǎo)致大面積的原始森林被破壞，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重的負(fù)面影響。自1998年石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)成立以來，封山育林、嚴(yán)禁砍伐等生態(tài)保護(hù)措施的實(shí)施使得該地區(qū)植被得到一定恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”區(qū)域面積顯著提升，這得益于政府對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)毛竹林和土壤貧瘠區(qū)的改造，通過實(shí)施人工造林等生態(tài)保護(hù)措施（張金泉，2017），有效地提高了保護(hù)區(qū)植被的覆蓋度與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。而在2006—2010 年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有一定程度的下降（見圖2），其原因可能與此期間實(shí)驗(yàn)區(qū)西部水利工程的大量興建有關(guān)。自2006 年，石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)的實(shí)驗(yàn)區(qū)開始修建大小型水庫與水電站，這對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定破壞。隨著2012年石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)升級(jí)為國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，相應(yīng)的保護(hù)政策和力度明顯提升，保護(hù)站對(duì)出入保護(hù)區(qū)進(jìn)行嚴(yán)格管控，在主要道路上設(shè)置嚴(yán)格關(guān)卡禁止無關(guān)人員進(jìn)入，拆除了保護(hù)區(qū)內(nèi)的違規(guī)建筑，對(duì)拆除區(qū)域進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，同時(shí)加大了退化土地及貧瘠區(qū)域的改造力度，大面積的裸土區(qū)域的植被生長(zhǎng)情況得到改善，并且貫徹落實(shí)林長(zhǎng)制，按時(shí)開展以森林資源管護(hù)和森林防火為重點(diǎn)的巡林工作，對(duì)保護(hù)區(qū)森林的主要蟲害（如線蟲）進(jìn)行控制、治理與防治，設(shè)立森林紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。此外，保護(hù)區(qū)采取一系列植樹造林、退耕還林、森林撫育、鼓勵(lì)居民遷出措施，降低人類活動(dòng)對(duì)自然保護(hù)區(qū)的壓力，推動(dòng)保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的良性發(fā)展，這些都有助于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的提升。

3 結(jié)論

本文基于Google Earth Engine，應(yīng)用遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)1997—2021年廣東石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并基于隨機(jī)森林模型對(duì)影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因子進(jìn)行探討。結(jié)果表明：

1）1997—2021 年，廣東省石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈動(dòng)態(tài)上升趨勢(shì)。其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”和“良好”的面積占比從1997年的74.5%上升到2021年的93.33%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善。隨著石門臺(tái)自然保護(hù)區(qū)從省級(jí)升級(jí)至國家級(jí)，政府實(shí)施了人工造林、森林撫育、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等保護(hù)措施，各功能區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好面積明顯提升，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量更加穩(wěn)定。

2）地形因素中，高程是影響自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要因素。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在海拔高度上以340 m 為分界點(diǎn)，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；在坡向上以南坡為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，按照順時(shí)針方向由北坡到南坡逐漸變好，再由南坡到北坡逐漸變差；在坡度上以15°為分界點(diǎn)，先短暫升高，后持續(xù)下降。氣候因素中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)降水的響應(yīng)最為顯著，尤其在人類活動(dòng)少的區(qū)域，降水對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有明顯的促進(jìn)作用。在人類活動(dòng)因素中，居民活動(dòng)以及建筑、建設(shè)工程等對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，而植樹造林、退耕還林等生態(tài)保護(hù)措施產(chǎn)生積極影響。

3）自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在空間上差異顯著。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的區(qū)域主要集中在核心區(qū)的高海拔地區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)人類活動(dòng)頻繁區(qū)域，緩沖區(qū)與核心區(qū)低海拔地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好并且相對(duì)穩(wěn)定。因此，高海拔的生態(tài)脆弱區(qū)和村莊等人類活動(dòng)強(qiáng)度大的區(qū)域應(yīng)是未來保護(hù)的重點(diǎn)。

本研究以遙感影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)了廣東省石門臺(tái)國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)1997—2021年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量并分析其主要驅(qū)動(dòng)因素，可為該區(qū)域生態(tài)保護(hù)提供參考，但仍存在以下不足之處：1）所使用遙感數(shù)據(jù)為L(zhǎng)andsat 5/7/8數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量與連續(xù)性有待提高，未來可考慮使用多源遙感數(shù)據(jù)融合或無人機(jī)監(jiān)測(cè)等方法增強(qiáng)數(shù)據(jù)的連續(xù)性；2）受限于數(shù)據(jù)的可獲取性，未能結(jié)合野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，僅通過野外考察驗(yàn)證生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，未來應(yīng)更多地結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或調(diào)查數(shù)據(jù)，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。