基于LUCC和RSEI指数的烟台市生态质量评价∗

李 郊 郑 鑫 吴辉龙 易善军 石美琳 王 冰

（国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100010)

生态环境质量是指生态环境的优劣程度，在特定的时间和空间范围内，从生态系统层次上，反映生态环境对人类生存及社会经济持续发展的适宜程度[1]。生态环境为人类提供自然资源、空间环境和基本物质条件，是人类生存的基本保障和社会发展依赖的基础[2]。稳定的生态环境是自然、社会和经济三个要素相互作用、相互影响形成的有机整体，也是以人类社会为中心的完善系统[3]。良好的生态环境，是人类社会可持续发展的前提和保障。但在现代化发展进程中，城市化飞速发展直接或间接引起的土地利用变化，人类无限制的开发以及不合理的活动，致使生态环境受到的污染和破坏日益严重[4]。主要表现在土地退化、植被面积锐减及盐渍化程度加重等方面，强烈制约和影响着社会经济的可持续发展，甚至会威胁人类的生存安全[5]。因此，全面、及时、准确地阐明区域生态环境状况，客观、科学地评价生态环境质量，成为区域经济与环境和谐发展的首要条件[6]，同时，监测区域生态系统可持续发展也是我国生态文明建设重大战略的迫切需求[7]。

遥感生态指数(Risk-Screening Environmental Indicators，RSEI)[8]，作为一种新型复合因子环境质量评价工具，不但突破了空间尺度限制，而且可将区域生态环境状态进行可视化、建模和预测，其评价结果客观准确。本研究以遥感生态指数(RSEI)和土地利用覆被变化(Land Use/Land Cover Change,LUCC)为主要评价指标，结合长时序的温度、降水、人文和政策等数据资料，分析了2000—2005 年、2006—2010 年、2011—2015 年 和2016—2020年共21 年之间烟台市的生态变化情况及其影响因子。

1 研究区概况

烟台市地处中国华东地区、山东半岛东北部，东连威海，西接潍坊，南临黄海，北濒渤海，与辽宁大连隔海相望，海岸线长1 038.14 km。全市下辖5 个区、6 个县级市和国家级经济技术开发区、高新技术产业开发区、招远经济技术开发区、综合保税区、昆嵛山自然保护区，以及长岛海洋生态文明综合试验区，总面积约13 864.5 km2。该地区属于温带季风气候，雨水适中，空气湿润，气候温和，冬无严寒，夏无酷暑，是环渤海经济圈、胶东经济圈内重要节点城市，也是“一带一路”倡议重点建设港口城市。本研究所使用的MODIS卫星影像受分辨率限制，庙山群岛未纳入计算和统计范畴。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本研究用于构建RSEI指数的4 个输入量，Greenness、Wetness、Heat和Dryness等所使用的数据分别来自MOD13A1、MOD11A2和MOD09A1等卫星数据产品，所有卫星影像均选用7—9月生长季、低云量的数据，其时空分辨率如表1所示。

表1 卫星产品参数索引Tab.1 Satellite product parameter index

2.2 RSEI指数构建

遥感生态指数(RSEI)指数由两部分构成，使用NDVI、WET、LST和NDBSI分别代表greenness、wetness、heat和dryness四个因子，通过PCA分析得到各个因子在同一时刻的贡献占比之后进行叠加，得到遥感生态指数RSEI。RSEI指数越大说明生态环境质量越好，反之说明生态质量越差。该方法旨在提高生态评价指标因子可获取性，杜绝主观意识对因子赋值干扰，广泛运用于中分辨率卫星数据。

2.3 GEE平台运算

基于MODIS系列卫星影像数据产品的RESI计算过程已经实现高度集成化，用户在GEE平台中导入研究范围边界之后可以直接运行得出结果[9]。计算结果分为RSEI和Index两部分，其中RSEI呈现根据研究时长和间隔得到每一年RESI指数在研究区的空间分布情况，对应时间的Index文件包含4个波段，分别对应输入的NDVI、WET、LST和NDBSI等因子的计算值在当年的空间分布情况，运算结果包含各个因子在对应时段的主成分贡献率[10]。

2.4 趋势分析

本研究拟在由GEE平台输出的RSEI栅格数据基础上，在Arcgis软件中调用栅格计算器工具，通过栅格作差的方式得到4个时段的RSEI指数变化趋势。以正值代表“变好”，负值代表“变差”，0则代表“不变”，从而全面分析烟台市20年来的生态变化趋势[11]。

3 结果与讨论

3.1 RESI

根据谷歌云计算引擎的计算结果将烟台地区RSEI指数等距分为5类，分别为好、较好、中等、较差和差5类。从时间维度看，烟台地区的RSEI指数的占比以“较好”和“中等”为主，这二者之和最低的一年是2015年，其值为73.39%，见图1(d)、表2。其余4个研究时段“中较好”和“中等”之和的占比常年稳定在90%左右，而“差”占比多年来稳定在1%左右(表2)，说明由RSEI指数反映出的烟台地区的生态环境质量较为稳定，总体较好。

图1 烟台市RSEI指数时空特征Fig.1 Temporal and spatial characteristics of Yantai RSEI index

表2 烟台市RSEI指数占比表Tab.2 Ratio of Yantai RSEI Index/%

从空间角度看，“较好”和“中等”的地区常以片区方式出现，见图1(a)、(b)。“极差”地区通常以点状方式呈现，这些区域大多是城市或人类聚集区，见图1(c)。从RSEI指数的构建原理进行分析[12]，由于城市化不断推进，不透水层的增加一定程度上降低了该区域的生态涵养功能，同时提高了地表温度，造成RSEI指数计算值下降。

从变化趋势看，如图1(c)、(d)，随着城市规模的扩张，“较差”区域围绕“差”区域呈点状发展模式，该趋势在2015年达到最高点，这一年的“较差”区域占比达到了历史最高的24.05%，见图1(d)。2006—2010年是RSEI指数下降最快的时段，见图2(b)，推测是该阶段由于经济建设工作的需要放松了对环境的保护。随着生态文明建设相关工作的逐步落实和以国家公园为主体的保护地体系建设工作顺利开展，2016—2020年烟台地区的RSEI指数有明显升高，见图2(d)。

图2 RSEI指数趋势分析特征分布Fig.2 Characteristic distribution of RSEI index trend analysis

3.2 LUCC

从土地利用覆被变化（LUCC）的分类结果来看(见表3)，烟台地区占比最高的地类为耕地，其占比多年保持在45%左右，在2020年达到了历史最高，占比为45.87%。其次为草地，草地的占比多年保持在18%左右，在2000年为历史最高的20.03%，在2020年降至14.49%。林地的占比多年稳定在11%左右，2000年其历史最高峰为11.55%。水体的占比多年稳定在3%附近，在2020年达到了历史最高值的3.64%。随着城市化进程的不断推进，居民区占比处于一个不断爬升的状态，这也从侧面反映了烟台地区的飞速发展[13]，其占比在2020年达到了历史最高的12.22%。同时，随着环境保护的推进和保护地的建设，裸地的占比逐年减少，在2020年达到了其历史最低的0.07%。

表3 LUCC（土地利用覆被变化）各用地类型占比Tab.3 Proportion of land types in LUCC/%

总体而言，烟台市土地利用类型覆被多年来没有发生剧烈变化，为国家守住了永久基本农田和生态保护红线，同时为造福人民，在逐步扩大居民区的建设规模，在环境保护与治理方面不断加大投入[14]，裸地的面积在逐步减少，同时通过落实以国家公园为主体的保护地建设，使得林地和草地多年来维持在稳定的水平[15]。

3.3 温度与降水因子

烟台市多年年均温变化如图3(a)所示，平均温度分布在12.5～14 ℃之间，处于波动上升的状态，此趋势与全球变暖的背景以及城市化建设带来的热岛效应及部分工业排放有关[16]。

多年降水量数据如图3(b)所示，烟台南临黄海，北濒渤海，水气条件优渥，多年降水量维持在5 000 mm以上，在2020年达到了9 700 mm的研究期内历史最高数据。由于2020年高强度降水，一定程度上降低了地表温度，增加了湿度[17]，这一现象可能导致了2020年RSEI指数的上升，见图1(e)、图2(d)。

图3 烟台市2000—2020 年均温度与年降水量Fig.3 Annual average temperature and annual precipitation of Yantai from 2000 to 2020

4 结语

RSEI已经在多种生态系统情景下开展研究，如淡水生态系统（石羊河流域[18]、玛纳斯河流域[19]、盘龙江流域[20]、丹江流域[21]、鄱阳湖区[22]）、城市生态系统（河北省雄安新区[23-24]、湖北省遂宁市船山区[25]、甘肃省[26]、甘肃省古浪县[27]、江苏南京市[28]）、森林生态系统（武夷山[29]）、草原生态系统（锡林郭勒草原[30]、荒漠生态系统（古尔班通古特沙漠[31]）、山地生态系统（贺兰山[32]）等。烟台是中国北方典型的海湾城市，拥有森林、湿地、海洋三大生态系统，生态景观稳定性较低[33]，适宜使用RSEI模型研究长时序的生态质量评价。

近20年来，烟台城市经历了较大发展。2000年开始，烟台市不断“ 东进、南扩、西延”，城市空间跳跃性拓展，组团型带状城市结构逐步呈现，以天然河流、山体和永久性绿带分隔，组成滨海组团式大城市的空间结构，划分为芝罘、福山、开发区、黄务、莱山、初家、牟平、八角八个组团，各组团自然分隔，此阶段在图1(c)、图1(d)中有明显体现。2010年，烟台市产业快速扩张，经济稳步增长。在空间组团格局上，烟台市中心城城市“山、城、海、岛”的自然格局未发生较大变化。LUCC的分析结果显示烟台市在过去21年中未发生剧烈的土地利用类型覆被的变化，各生态组分之间没有或微弱互相影响。在耕地、林地和草地等用地类型保持基本稳定的前提下，裸地的占比逐年降低而居民区的占比逐年上升，说明烟台市目前处于健康的发展模式中。

烟台市全面开展环境保护和生态保护与修复工作，坚持精准治污、科学治污、依法治污，实施“四减四增”三年行动和七大高耗能行业高质量发展方案，打好蓝天、碧水、净土保卫战，抓好移动源、工业源、生活源整治，搞好饮用水源地保护，实施昆嵛山生态治理，持续开展造林和生态修复。着力加强自然保护地建设，烟台市的自然保护地较为平均的分散在各个县（市、区），成为生态系统服及价值高的生态源地，保障了生态系统的完整性和结构的连通性[34]。烟台市持续开展生态文明建设的成效在本次分析中也得以体现，见图2(d)。RSEI指数的计算结果显示，2016—2020年烟台地区的生态环境质量整体呈现稳中向好的状态，虽然在经济建设过程中对生态环境造成了一定影响，但随着建设以国家公园为主体的保护地体系政策的落实和生态文明建设的不断推进，烟台市整体的生态环境得到恢复。