基于卫星遥感和气象监测的大渡河源水源涵养红线区生态环境与功能评价

王博为，苑 跃，王晨丞，杨 杰

(四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072)

引 言

生态保护红线是指在生态空间范围内具有特殊重要生态功能、必须强制性严格保护的区域，是保障和维护国家生态安全的底线和生命线。大渡河源水源涵养红线区属青藏高原东部，是长江支流岷江的最大支流，也是“中华水塔”的重要组成部分，同时是全球气候变化的敏感区之一，具有极其重要的生态战略地位。该区域生态环境总体良好，自然资源丰富，但因目前还存在对生态保护重要性认识不足；生态保护的宏观政策、机制、政策法规不健全等问题，当地生态环境仍然存在生态基础效益不高，产业生态化程度低等现象。

生态环境的监测手段主要分为地面监测、航空监测、卫星监测，卫星遥感作为生态学研究从单点尺度向区域尺度扩展的关键技术手段，为生态学研究带来了一场技术革命，更为生态学带来了新的机遇，已然成为生态学研究必不可少的工具和手段[1-2]。通过地面调查研究，黄翔等分析了大渡河流域干冷河谷不同立地条件下的植被分布特征及影响要素[3]；李霞等调查了大渡河中游干暖河谷区植被的物种组成并进行分类、比较和排序，得到种间关系与群落稳定性分析结果[4-5]。通过卫星监测，姚李基于GIS技术进行大渡河流域地质灾害危险性评价，并考虑了强降雨和地震对地质灾害的诱发影响[6]；成文东通过2000～2015年大渡河流域NDVI的变化趋势，分析了气象、地形和社会经济等地理因子与植被变化的关系[6]。利用卫星遥感资料，针对大渡河源水源涵养红线区的整体生态环境状况和功能评价，还未有较为成熟的研究结果。因此，为深入了解大渡河源水源涵养红线区的生态环境状况和水源涵养生态功能的变化特征，本文利用多源卫星遥感数据，采用遥感生态环境状况指数(Remote Sensing Based Ecological Index, RSEI)、水源涵养能力指数(Water Conservation, WCI)，对2000～2019年该地区的生态环境状况和水源涵养功能进行动态分析与评价，对其的生态环境保护与发展提供科学依据。

1 研究区概况

大渡河作为岷江的最大支流，是长江的二级支流，发源于青海玉树境内的巴颜喀拉山南麓，后依次流经四川省内多地，流域总面积超过7.7×104km2。流域内沟谷纵横，支流众多，干支流之间组合呈羽状水系，水力理论蕴藏量丰富，大渡河水电基地已被列为中国水电能源基地之一。大渡河源水源涵养红线区是大渡河的重要组成部分，具有极重要的水源涵养功能，该区位于四川省西北部，属于川西北水源涵养与生物多样性保护重要区，行政区涉及阿坝州的马尔康市、阿坝县、红原县、壤塘县、金川县。大渡河源水源涵养红线区面积约为1.8×104km2，占四川省生态保护红线总面积的9.3%，除地势相对平缓的河谷平坝区外，基本全部为红线分布区域。区内主要河流有脚木足河、梭磨河、绰斯甲河、大金川等，建有省级自然保护区1个、城市集中式饮用水水源保护区2处，是大渡河发源地的重要组成部分，具有极重要的水源涵养功能(见图1)。

图1 大渡河源水源涵养红线区范围及其位置Fig.1 The scope and location of the headwater conservation red line area of the Dadu river

2 资料和方法

2.1 资料

本文所用数据为以卫星产品为主的遥感资料和气象数据。遥感数据来源于美国国家航空航天局的MODIS遥感产品和Landsat卫星(表1)，所有卫星产品通过质量控制、格式转换、投影变换、拼接、裁剪、合成等预处理后，形成相应的2000～2019年研究区年值栅格数据集，空间分辨率为1 000m。另外，植被覆盖度(FV)，利用MODIS NDVI计算获得；土壤湿度指标，即温度植被干旱指数TVDI，是利用MODIS LST和NDVI指数计算得到；坡度(SLOPE)由数字高程(DEM)计算得到。

表1 卫星资料列表Tab.1 Satellite data list

气象资料为1990～2019年，位于研究区内的国家级气象站点观测的气温、降水量、相对蒸散等逐日数据，通过数据缺测处理、质量控制处理后，整理形成1990～2019年气象要素数据集。

2.2 主成分分析法

本文采用主成分分析法 (Principal component analysis, PCA)对生态环境状况以及水源涵养能力进行估算。PCA是一种通过数学建模、数学变换和统计分析将众多关联性较强的评价指标转换成相互间独立、无关联性的综合指标，可以客观真实地反映原有信息。其主要公式如下：

RESULT=a1×P1+a2×P2+a3×P3+a4×P4+a5×P5+a6×P6

(1)

式(1)中，RESULT代表模型评估结果，ai(i=1，2……6)代表权重，Pi(i=1，2……6)代表评价指标。

2.3 等级划分

依据环保部对生态环境状况的划分等级[7]，采用等间距法对研究区生态环境状况指数(RSEI)、水源涵养能力指数(WCI)以及变化趋势斜率进行等级划分，具体的分级标准如表2。

表2 生态环境状况分级Tab.2 Classification of ecological environment status

3 研究结果

3.1 遥感生态环境状况指数(RSEI)时空格局变化

生态环境状况指数(RSEI)通过耦合反映生态环境状况的绿度、湿度、干度和热度指标建立模型，可以实现对研究区生态环境质量的监测与评价[8-18]，通过PCA分析得到其模型如下：

RSEI=0.15×GPP+0.17×GVI+0.16×LST+0.17×LUCC+0.19×NDVI+0.16×TVDI

(2)

其中，GPP为植被总初级生产力，GVI为绿度指数，LST为地表温度，LUCC为土地利用类型指数，NDVI为归一化植被指数，TVDI为由NDVI和LST得到的温度植被干旱指数。

3.1.1 RSEI时间变化趋势

2000～2019年，研究区RSEI最大值、最小值、平均值变化如图2所示。最大值的变化范围为0.77～0.83，其中2000年最高，2008年最低；最小值的变化范围为0.08～0.17，2000年最高，2014年最低；研究区RSEI平均值为0.65，增长速率为0.06/10a，平均值的变化范围为0.59～0.69，2017年最高，2000年最低。从时间变化来看，RSEI最大值和平均值变化波动较小，2008年存在一个较低值，此后呈先增长后减小的趋势，整体上看生态环境状况有所改善。

注：上下横线分别为最大值、最小值，圆点为均值图2 2000～2019年研究区RSEI变化趋势图Fig.2 Change trend of RSEI in the study area from 2000 to 2019

3.1.2 RSEI空间变化趋势

根据RSEI分类标准，得到2000～2019年研究区生态环境状况分级图(图3)，研究区生态环境状况等级以一般及以上为主，主要位于研究区中部和北部大部分地区，较差和差以下的主要位于研究区的西部地区和东部边缘地区。从整个研究区的生态环境状况来看，北部优于南部，阿坝县中北部、壤塘县东北部、金川县东南部、红原县西部以及马尔康县中部地区生态环境状况较好。RSEI县域统计结果显示：阿坝县>红原县>马尔康县>壤塘县>金川县，各县的RSEI都呈现增长趋势，增长速率由高至低为：红原县>金川县>壤塘县>阿坝县>马尔康县。

图3 2000～2019年研究区RSEI等级空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of RSEI grades in the study area from 2000 to 2019

统计各年份生态环境评价等级的面积所占比例(表3)，从时间序列上看，研究区生态环境状况等级为良的面积占比最大，其次等级为一般、优、较差和差。等级为优、良的面积占比明显增长，从48.76%(2000年)波动增长至55.50%(2019年)；一般及以下等级中面积占比减少了6.74%。由此可以推断，研究区局部生态环境状况有所改善，提升了研究区整体的生态环境状况。

表3 研究区生态环境状况等级构成及变化Tab.3 The grade composition and changes of RSEI in the study area (%)

3.2 水源涵养功能指数(WCI)时空格局变化

利用水源涵养能力指数(WCI)，将各因子(LAI、FV、RE、LST、TVDI、SLOPE)等导入模型中，通过PCA分析最终建立研究区水源涵养能力指数(WCI)模型：

WCI= 0.13×LAI+0.12×FV+0.13×RE+0.13×LST+0.12×TVDI+0.13×SLOPE

(3)

式(3)中，WCI为水源涵养生态功能评估指标，LAI 为叶面积指数，FV是NDVI通过像元二分法转换得到的植被覆盖度，RE为相对蒸散，LST为地表温度，SLOPE为坡度，TVDI为由NDVI和LST得到的温度植被干旱指数。

3.2.1 WCI时间变化趋势

根据WCI变化趋势(图4)：最大值、平均值、最小值变化区间为0.60～0.75、0.34～0.53、0.14～0.31，均在2000～2008年呈现不断减小，2008～2019年逐渐增大的变化趋势，且在2008年最小，2019年达到最大。2000～2019年研究区WCI均值为0.473，增长速率为0.20/10a，总体来看，研究区水源涵养能力不断增强，但整体变化差异不大。

注：上下横线分别为最大值、最小值，圆点为均值。图4 研究区水源涵养WCI变化趋势图Fig.4 Change trend of WCI in the study area from 2000 to 2019

3.2.2 WCI空间变化趋势

根据研究区水源涵养等级分类标准，评价等级为差和较差的区域主要分布在研究区中部和南部分地区，等级为一般的区域分布在研究区北部大部分地区，总体来看，研究区水源涵养生态功能保持良好，北部优于南部，但空间分异较大，水源涵养功能较强的地区主要集中在阿坝县中北部、壤塘县北部、金川县东南部、红原县西部以及马尔康县中南部地区(图5)。WCI县域统计结果显示：阿坝县>壤塘县>红原县>马尔康县>金川县，各县的WCI都呈现增长趋势，增长速率由高至低为：壤塘县>红原县>阿坝县>金川县>马尔康县。

图5 2000～2019年研究区WCI等级空间分布图Fig.5 Spatial distribution map of WCI grades in the study area from 2000 to 2019

根据水源涵养不同等级所占的面积，进一步统计WCI各等级所占的比例，结果如下表(表4)所示，从每年中不同等级所占比例可以看出，等级为一般和较差的所占面积百分比较大，可以达到69.86%以上，剩余部分等级为良、差和优。从时间尺度上来看，较差等级所占比例在2008年取得最大值38.01%，等级为优在2017年取得最大值4.09%。多年平均水源涵养所占比例依次为一般、较差、良、差和优。总体上来看，2000～2019年研究区水源涵养功能等级为差和较差面积逐年减小，一般及以上面积波动增加，说明研究区水源涵养功能正逐渐改善。

表4 研究区水源涵养功能等级构成及变化Tab.4 Grade composition and changes of WCI in the study area (%)

4 气候变化

气候因子对区域生态环境以及水源涵养功能的影响主要用气温、降雨量和蒸散量来表征。根据研究区内1990～2019年的阿坝、红原、马尔康以及金川4个气象站点的气温、降水量、蒸发量实测数据，以所有站点的年平均值代表整个研究区气象要素值，对整个研究区进行气候变化分析。

4.1 气温

研究区1990～2019年、生长季平均气温分别为7.0℃、12.1℃，均以0.5℃/10a(通过99.9%的置信度检验)的速率升高，具有明显的上升趋势。气温在2000～2019年变化速率与1990～2019年相当，2000～2019年研究区处于近30年以来最暖的阶段，气温虽然呈现明显的上升趋势，但是处于一个较为稳定的变化状态(见图6)。

图6 1990～2019年研究区气温变化趋势图Fig.6 The temperature change trend of the study area from 1990 to 2019

4.2 降水量

研究区1990～2019年平均降水量为756.2mm，生长季平均降水量为661.0mm，总体呈上升趋势，全年降水量变化速率为32.0mm/10a，生长季降水量变化速率为27.4mm/10a，通过了99.5%的置信度检验，上升趋势较强，年际变化波动较大。2000～2019年，研究区全年、生长季降水量变化速率明显高于1990～2019年，说明该时段研究区降水量明显且剧烈的增加，其中以年降水量的增多尤为明显(见图7)。

图7 1990～2019年研究区降水量变化趋势图Fig.7 The trend of precipitation in the study area from 1990 to 2019

4.3 蒸发量

研究区1990～2019年平均蒸发量为1 389.1mm，气候倾向率为-24.8mm/10a；生长季平均蒸发量为875.9mm，气候倾向率为-28.7mm/10a。而在2000～2019年，全年、生长季蒸发量线性趋势线分别具有92.4mm/10a、65.7mm/10a的负倾向率，呈现较剧烈的减少趋势(见图8)。

图8 1990～2019年研究区蒸发量变化趋势图Fig.8 The trend of evaporation in the study area from 1990 to 2019

总的来讲，2000～2019年，气温保持稳定速度增加，降水量呈现明显且较为剧烈的增加，蒸发量呈现较剧烈的减少趋势。统计结果显示，RSEI平均值在2017年取得最大值，同年气温取得最高值，蒸发量取得最小值；RSEI平均值在2000年取得最小值，同年气温取得最低值。WCI分别在2008年、2019年取得最小值、最大值，同年降水量也取得最小值、最大值。由此可以推断，暖湿气候条件利于研究区生态的恢复，蒸发量的减少有益于研究区的水分保持，使生态环境状况和生态功能趋于好转。生态环境状况更偏向随气温变化，水源涵养功能更偏向随降水量变化。

5 结 论

5.1 研究区2000～2019年生态环境状况有所改善，生态改善面积明显大于生态恶化，研究区多年平均生态环境状况等级所占比例：优占5.88%、良占52.62%、一般占27.81%、较差占2.16%、差占0.27%，主要为良和一般，所占比例达80.43%。生态环境状况等级以一般及以上为主，主要位于研究区中部和北部大部分地区，较差和差以下的主要位于研究区的西部地区和东部边缘地区。从整个研究区的生态环境状况来看，北部优于南部，阿坝县中北部、壤塘县东北部、金川县东南部、红原县西部以及马尔康县中部地区生态环境状况较好。阿坝县生态环境状况最佳，生态环境改善速率最快的是红原县。

5.2 研究区2000～2019年水源涵养生态功能保持良好，研究区多年平均水源涵养所占比例优占1.18%、良占20.09%、一般占49.77%、较差占27.37%、差占1.58%，主要为一般和较差，所占比例达77.14%.评价等级为差和较差的区域主要分布在研究区中部和南部分地区，等级为一般的区域分布在研究区北部大部分地区。总体来看，研究区水源涵养生态功能保持良好，但空间分异较大，水源涵养功能北部优于南部，功能较强的地区主要集中在阿坝县中北部、壤塘县北部、金川县东南部、红原县西部以及马尔康县中南部地区。县域统计结果显示：阿坝县水源涵养功能最强，壤塘县水源涵养功能改善速率最高。

5.3 研究区1990～2019年显著增暖，降水显著增多，蒸发量减少。多年平均气温为7.0℃，多年生长季平均气温为12.1℃，变化速率均约为0.5℃/10a；多年平均降水量为756.2mm，以32.0mm/10a的速率增加，多年生长季平均降水量为661.0mm，以27.4mm/10a的速率增加；研究区全年平均蒸发量为1389.1mm，变化速率为-24.8mm/10a；生长季平均蒸发量为875.9mm，变化速率为-28.7mm/10a。2000～2019年，气温保持稳定速度增加，降水量呈现明显且较为剧烈的增加，蒸发量呈现较剧烈的减少趋势。暖湿气候条件利于研究区生态的恢复，蒸发量的减少有益于研究区的水分保持，使生态环境状况和生态功能趋于好转。生态环境状况更偏向随气温变化，水源涵养功能更偏向随降水量变化。

5.4 全球气候变化带来的气温升高、极端天气频发等事件，引起的冻土环境退化、地表径流减少、生态水位的普遍下降，以及草场超载过度和鼠虫害是研究区生态环境退化的主要成因。气候变化对研究区生态环境状况、水源涵养能力等有不同程度的影响。研究区作为大渡河发源地和黄河上游重要的水资源补给区，建议建立健全该区域的生态环境监测体系，合理利用并保护水资源，值得注意的是，研究区南部生态环境状况较差，进行针对性生态环境保护的任务较为紧迫。