基于Landsat影像的广东省重点生态功能区生态功能状况及其变化评价

刘朱婷, 郭庆荣, *, 刘花, 徐丹

基于Landsat影像的广东省重点生态功能区生态功能状况及其变化评价

刘朱婷1, 郭庆荣1, *, 刘花1, 徐丹2

1. 广东省环境监测中心, 广州 510308 2. 佛山科学技术学院环境与化学工程学院空间信息与资源环境系, 佛山 528000

针对重点生态功能区开展监测与评价对于生态保护和环境治理的意义重大。以广东省第一批被纳入生态补偿区域的11个国家重点生态功能区为研究区, 采用2011年至2015年的5期Landsat卫星遥感影像, 通过目视解译的方法提取研究区的土地利用/覆盖类型, 并结合野外核查及统计资料, 分析了该11个县域的生态功能状况现状及其变化。结果表明: (1)2015年全部11个县域的生态功能状况均为优或良级别, 但相互之间具有一定的区域差异性。生态功能状况指数()最高的是乳源瑶族自治县, 为71.11, 最低的是南雄市, 为61.20。(2)2015年与2011年相比, 广东省11个国家重点生态功能区的功能状况指数变化幅度(Δ)为–0.50—2.50。仁化县、乳源瑶族自治县、南雄市、平远县、蕉岭县、龙川县和连平县等7个县域的生态功能状况无明显变化(|Δ|<1); 始兴县、兴宁县及和平县等3个县域的生态功能状况略微变化(1≤|Δ|<2), 其中, 始兴县和兴宁县2015年的生态功能状况略微优于2011年(1≤Δ<2), 而和平县2015年的生态功能状况略微变差(–1≥Δ>–2); 另外, 乐昌市2015年的生态功能状况明显变好(2≤Δ<4)。(3)2011年至2015年期间, 全部县域的生态功能状况保持稳定, 其变化趋势均不显著(|R|≤0.9)。

土地利用/覆盖; 国家重点生态功能区; 生态功能状况评价

0 前言

国家重点生态功能区是指影响国家或地区生态安全的区域, 其面积约386万km2, 占国土面积的40.2%。为了保持和增强其生态产品供给能力, 限制大范围的工业与城镇开发活动[1]。划定国家重点生态功能区对于优化国土资源空间格局、推进国家生态文明建设意义重大。针对国家重点生态功能区, 中央从2009年开始对其生态环境质量进行评价和考核。根据考核情况对转移支付资金实施分配, 对考核结果变好的地区予以奖励; 而考核结果变差的地区则根据实际情况相应扣减当年的转移支付资金[2–4]。在当前形势下, 如何针对国家重点生态功能区开展监测与评价显得尤为重要, 通过此举可掌握其生态功能状况现状、变化及成因, 综合评估重点生态功能区的环境保护成效, 为合理制定重点生态功能区的环境质量改善措施提供科学参考。目前, 研究的热点主要为重点生态功能区的生态补偿[5–10]、功能区划分[11–12]以及生态承载力[13]和敏感性评价[14]等方面, 部分学者针对重点生态功能区的整体生态状况变化进行了分析, 但在指标选取方面只考虑生态状况指标, 对于区域承载的环境污染压力与环境质量状况却未做分析[15–16], 综合生态状况和环境状况对生态功能区生态功能状况进行的研究相对较少, 且缺少对变化趋势[17]和变化原因[18]的深入分析。本文以广东省第一批被纳入生态补偿区域的国家重点生态功能区为研究对象, 基于遥感和地理信息系统技术提取该区域2011年至2015年的土地利用/覆盖类型信息, 根据《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)(以下简称“HJ 192—2015”)[19]中生态功能区的评价方法, 分析2011年至2015年期间该区域的生态功能状况现状及变化, 并结合Spearman秩相关系数法, 研究其变化趋势, 旨在为广东省重点生态功能区的生态保护和环境治理提供参考。

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

广东省第一批被纳入生态补偿区域的国家重点生态功能区共11个, 地处粤北, 是南岭山地森林及生物多样性生态功能区的重要组成部分, 其面积约2.4万km2, 占广东省国土面积的13.1%。该区域地形复杂, 地势西北高、东南低, 是广东省主要的生态屏障和重要水源地, 生态系统主导服务功能为水源涵养[20], 其空间分布见图1。

图1 广东省国家重点生态功能区空间分布

Figure 1 Spatial distribution of national key ecological function zones in Guangdong province

1.2 数据来源与处理

1.2.1 土地利用/覆盖类型数据

本文利用2011年至2015年共5期Landsat系列遥感影像, 基于人工目视解译的方法获取了11个国家重点生态功能区的土地利用/覆盖类型矢量数据[21]。其中, 土地利用/覆盖采用全国生态遥感监测土地利用/覆盖分类体系(图2), 包括6个一级类型和26个二级类型。其中, 水田和旱地进一步根据地形分为山区水田/旱地、丘陵水田/旱地、平原水田/旱地、大于25度坡地水田/旱地。此次采用的土地利用/覆盖类型数据为中国环境监测总站“国家环境监测网络建设及运行项目(广东)”中规定必须完成的例行工作任务, 数据经过实地野外核查、“自检、互检和复检”三级检查等方式反复质检和修正, 并通过了国家组织的互检验收和抽检验收。经评估, 11个县域解译数据的一级分类精度约为90%, 二级分类精度约为85%, 三级分类精度约为80%。根据遥感卫星影像解译结果, 广东省11个国家重点生态功能区2015年土地覆盖以林地和耕地为主, 各类土地利用/覆盖类型占土地总面积比例分别为: 耕地17.8%、林地72.3%、草地4.6%、水域1.6%、建设用地3.5%、未利用土地0.2%, 各个生态系统类型的空间分布见图3。

1.2.2 其他统计数据

受保护区域面积比、污染源排放达标率、城镇污水集中处理率、水质达标率、空气质量达标率和集中式饮用水源地水质达标率等统计数据来源于中国环境监测总站“重点生态功能区县域生态环境考核”(2011年至2015年)项目。

图2 土地利用/覆盖分类体系

Figure 2 Land use/cover classification system

图3 2015年广东省国家重点生态功能区土地利用/覆盖类型分布

Figure 3 Land use/cover type distribution of national key ecological function zones in Guangdong province of 2015

2 研究方法

2.1 评价指标体系

针对生态系统主导服务功能为水源涵养的生态功能区, HJ 192—2015给出了对应的评价体系, 见表1。考虑生态状况指标和环境状况指标, 采用生态功能区功能状况指数()评价生态功能区的生态功能状况。其中5个二级分指数分别反映生态功能区的功能、结构、遭受的生态胁迫程度、承载的污染负荷以及环境质量情况。其中,的计算公式为:

=0.60×[0.25×水源涵养指数+0.20×受保护区域面积比×100+0.15×林地覆盖率+0.1×草地覆盖率+ 0.15×水域湿地面积比+0.15×(100-耕地和建设用地面积比)]+0.40×[(0.45×(100-主要污染物排放强度)+0.10×污染源排放达标率×100+0.10×城镇污水集中处理率×100+0.20×水质达标率×100+ 0.10×空气质量达标率×100+0.05×集中式饮用水源地水质达标率× 100)]

2.2 级别划分

2.2.1 生态功能状况分级

根据值的大小, 将生态功能状况分为5级, 见表2。

2.2.2 生态功能状况变化分级

根据评价年的值与基准值的差(即Δ= 2015年I—2011年), 将生态功能变化分为4级, 各分指数变化分级亦可参考此标准, 见表3。

表1 水源涵养型生态功能区各指标权重及类型

表2 重点生态功能区生态功能状况分级

表3 重点生态功能区生态功能状况变化度分级

2.2.3 Spearman秩相关系数

秩相关系数用于表征两个变量的相关性[22]。针对环境变量的多时段变化趋势, 中国环境监测总站推荐使用Spearman秩相关系数的方法进行分析。给出时间周期Y……Y和对应数值X……X, 将从小至大进行排列, 秩相关系数的计算公式为:

式中:d—X和Y的差值;

X—将浓度值从小至大进行排序的号码;

Y—按时间排列的序号。

通过查阅Spearman秩相关系数的统计表, 将|R|和W(临界值)进行对比。当|R|>W表示变化趋势有显著意义: 若R是正值, 说明指标变化呈现上升的趋势; 若R是负值, 说明指标变化呈下降趋势。当|R|≤W则表示变化趋势没有显著意义: 说明在评价周期内指标变化稳定或平稳。

查表可知周期=5时,W=0.9。则当R>0.9时表示显著上升; 当R<–0.9时表示显著下降; 当–0.9≤R≤0.9时, 变化趋势不显著。

3 结果分析

3.1 生态功能状况现状分析

依据HJ 192—2015计算得出2015年11个县域的指数, 其排序及分级情况见表4。

计算结果显示: 2015年11个县域的值介于61.20—71.11之间, 生态功能状况全部处于优或良级别。其中, 乳源瑶族自治县的生态功能状况为优, 其他10个县域的生态功能状况为良。

从空间分布来看, 位于韶关市西部的乳源瑶族自治县的达71.11, 在所有县域中位列首位, 其生态状况指标和环境状况指标分列11个县中的第一和第二位, 这反映了乳源瑶族自治县的自然生态优越, 环境状况良好, 生态功能稳定, 生态系统承载力高。该县拥有广东省境内面积最大的原始森林, 受保护区域面积比位列11县之首, 动植物资源丰富; 境内河流众多, 水源涵养作用显著, 这样的自然条件是其生态功能和生态结构保持较高水平的重要原因。此外, 该区域承载的污染负荷小, 环境质量高, 反映了相关部门在节能减排、水气治理等方面取得了较好的成效。综合上述两方面因素, 乳源瑶族自治县的生态功能状况为优。

其他10个县域的介于61.20—67.45, 等级为良, 其中最低的是南雄市。表4的计算结果显示: 南雄市的2项一级指标分列最后一位和第六位, 反映了其生态状况和环境状况在所有县域中处于较差水平。具体至二级指标, 发现南雄市的生态功能和生态结构状况均处于较低水平, 而遭受的生态胁迫程度则较高, 说明该县的生态功能和生态结构均处于较低水平, 而承担的生态压力却处于较高水平。总体来说, 南雄市的自然生态相对较好, 生态功能相对较稳定, 但也存在一定的生态环境问题。2015年南雄市的水土流失重度与水土流失中度面积均列韶关市首位, 局部地区水土流失较重, 需要引起重视。

3.2 生态功能状况变化分析

根据HJ 192-2015计算得到2011年至2015年11个县域指数的变化幅度(Δ=2015年- 2011年)及5年的秩相关系数, 见表5所示, 该11个县域的空间分布见图4。

计算结果显示: 2015年与2011年相比, 11个县域的介于–0.50—2.50, 其中生态功能状况无明显变化(||<1)的县域有7个, 分别为仁化县、乳源瑶族自治县、南雄市、平远县、蕉岭县、龙川县和连平县, 占县域总数的63.6%; 略微变化(1≤ |Δ|<2)的县域有3个, 分别为始兴县、兴宁县及和平县, 占总数的27.3%; 明显变化(2≤||<4)的县域有1个(乐昌市), 占总数的9.1%。其中, 始兴县和兴宁县的生态功能状况略微变好(1≤<2), 和平县的生态功能状况略微变差(-1≥>-2); 乐昌市的生态功能状况明显变好(2≤<4)。2011年至2015年期间, 全部县域的生态功能状况保持稳定, 变化趋势均不显著(|R|≤0.9)。

表4 2015年广东省国家重点生态功能区功能状况指数及排序情况

表5 广东省国家重点生态功能区生态功能状况指数及变化情况

图4 广东省国家重点生态功能区生态功能状况变化空间分布

Figure 4 Spatial distribution of ecological function index variation of national key ecological function zones in Guangdong province

选取乐昌市(明显变好)及和平县(略微变差)作为典型区域进行变化原因分析。

(1)乐昌市

与2011年相比, 2015年乐昌市的上升2.5, 生态功能状况明显变好, 其三级指标变化情况见表6。从一级指标来看, 乐昌市上升的主要贡献来源于环境状况指标的增大; 在二级指标层面, 则是污染负荷指数的贡献占主导作用(污染负荷指数降低, 说明该区域受纳的污染程度降低); 具体至底层三级指标可知, 相较于2011年, 乐昌市的主要污染物排放强度明显降低, 而城镇污水集中处理率则明显提高。说明乐昌市相关部门在控制污染物排放及污水治理等方面的工作取得了较好的成效。

(2)和平县

相比于2011年, 2015年和平县的下降1.04, 说明其生态功能状况略微变差。结合表7可知, 和平县的环境状况指标略有上升, 而生态状况指标则下降且占主导作用; 而由二级指标变化可知, 其生态功能、生态结构均变差, 而遭受的生态胁迫程度却上升, 由底层三级指标变化可知, 其水源涵养功能、林地覆盖和草地覆盖均下降, 而耕地和建设用地的面积增幅却较大, 说明和平县在此期间存在一定的农业或开发建设活动, 导致其生态功能和生态结构水平下降, 而遭受的生态胁迫程度则上升。

表6 乐昌市三级指标变化情况

表7 和平县三级指标变化情况

4 结论与讨论

4.1 结论

本文分析了2015年广东省11个国家重点生态功能区的生态功能状况现状及2011年至2015年期间的变化情况, 得到的主要结论如下:

(1)2015年广东省11个国家重点生态功能区功能状况指数()范围为61.20—71.11, 生态功能状况全部为优或良级别。其中, 1个县域的生态功能状况为优, 10个县域的生态功能状况为良。11个重点生态功能区的生态功能状况具有一定的区域差异性,最高的是乳源瑶族自治县, 最低的是南雄市。

(2)2015年与2011年相比, 仁化县等7个县域的生态功能状况无明显变化, 保持稳定; 始兴县等3个县域的生态功能状况略微变化; 乐昌市的生态功能状况明显变化。其中, 始兴县和兴宁县略微变好, 和平县略微变差, 乐昌市明显变好。

(3)2011年至2015年期间, 全部县域的生态功能状况保持稳定, 变化趋势均不显著。

广东省国家重点生态功能区多具有森林覆盖率高、生物多样性丰富、水源涵养作用显著等特点, 对于维护全省区域生态安全具有重要作用。然而也存在一定的环境问题。在自然生态方面, 部分地区存在年际间林地和滩涂湿地面积减少, 耕地和建设用地面积增加的现象, 这既有自然环境变迁的影响, 也有人为干扰的因素, 尤其是违法违规的人类活动; 而在环境状况方面, 部分地区存在污染源排放和城镇污水处理不达标等问题。在今后的工作中, 可结合卫星遥感、无人机航空和地面监测等多种手段, 及时发现和预警非法违规的土地利用开发活动, 通过建设林业工程, 设立自然保护区等手段对生态功能区进行保护; 同时, 加快推进重点生态功能区内的环保设施建设, 如建设污水处理厂, 在发电厂内配备脱硫、脱硝及烟尘治理等设施, 推进蓄禽养殖污染治理配套设施建设等; 加大环境监管力度, 如通过改进监测设备、提高监测频次等手段, 确保污染减排工作得到落实, 有效改善生态功能区的生态功能状况。

4.2 讨论

本文基于HJ 192—2015给出的水源涵养型生态功能区生态功能评价方法, 计算广东省11个国家重点生态功能区的指数, 综合评估其生态功能状况及变化, 可为生态功能区的生态保护和环境治理提供基础数据。然而, 南岭山地森林及生物多样性生态功能区有其自身特色, 在后续研究中, 可结合区域特点, 在原有评价方法的基础上, 科学合理的修改指标权重。如适当提高与水源涵养功能相关的指标所占的比重, 另外, 还可考虑在评价指标体系中加入水网密度指数(通过河流长度、水域面积和水资源量综合表征), 以求更好的体现不同区域水源涵养功能的空间差异。同时, 若想说明生态区内生态功能状况的空间差异, 可根据实际需求在像元尺度上开展相关研究, 以求更好的评估广东省重点生态功能区的生态功能状况。

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Evaluation of ecological function statuses based on Landsat images in key ecological function zones of Guangdong Province

LIU Zhuting1,GUO Qingrong1,*, LIU Hua1, XU Dan2

1. Guangdong Environmental Monitoring Center, Guangzhou 510308, China 2. School of Environment and Chemical Engineering, Foshan University, Foshan 528000, China

It is very important for ecological protection and environmental governance to carry out the project of monitoring and evaluation of the key ecological function zones. This study analyzed the ecological function statuses and the ecological function change of 11 national key ecological function zones in Guangdong Province, which were chosen as the first 11 ecological compensation regions in Guangdong Province. Land use/cover data extracted from Landsat series images by visual interpretation, field inspection data, and statistical data from 2011 to 2015 were used in this study. The results showed that: (1) in 2015, the ecological function statuses of the 11 regions were all excellent or good but still had regional differences. The Ruyuan Yao Autonomous County had the highest ecological function index (=71.11) while the Nanxiong City had the lowest(61.20). (2) Compared to 2011, the change rates ofin 11 national key ecological function zones were ranging from -0.50 to 2.50 in 2015. 7 counties almost had no change in ecological function statuses (||<1), such as the Renhua County. In addition, 3 counties changed slightly in ecological function status (1≤||<2). Among these counties, Shixing County and Xingning County had a better ecological function status (1≤<2) while the ecological function status in Heping got worse (-1≥>-2); Moreover, the ecological function status in Lechang City got better significantly than before (2≤<4). (3) From 2011 to 2015, the ecological function statuses of all the counties remained stable and without obvious variation trend (-0.9<R<0.9).

land use/cover; national key ecological function zone; ecological function statuses assessment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.05.016

X87, X835

A

1008-8873(2019)05-119-08

2018-06-27;

2018-08-01

国家高技术研究发展计划(863计划)“星-机-地生态环境质量遥感监测系统集成与示范”(2014AA06A511); 广东省省级科技计划项目“珠江三角洲大气污染高分遥感监测及预警”(2017B020216001)

刘朱婷(1991—), 女, 湖南永兴人, 硕士, 助理工程师, 主要从事生态环境遥感监测研究, E-mail: liuzhut@126.com

郭庆荣, 男, 博士, 教授级高级工程师, 主要从事生态环境监测评价与退化生态系统恢复等方面的研究, E-mail: 13609793463@139.com

刘朱婷, 郭庆荣, 刘花, 等. 基于Landsat影像的广东省重点生态功能区生态功能状况及其变化评价[J]. 生态科学, 2019, 38(5): 119-126.

LIU Zhuting,GUO Qingrong, LIU Hua, et al. Evaluation of ecological function statuses based on landsat images in key ecological function zones of Guangdong Province[J]. Ecological Science, 2019, 38(5): 119-126.