恩施州生态质量时空特征分析——以2001—2020年为例

周璐 刘恒 汤弟伟

(湖北民族大学林学园艺学院，湖北 恩施 445000)

社会经济的发展与生态环境质量的好坏密切相关[1]。随着社会经济的快速发展，人类活动加剧，人地关系矛盾突出，一系列生态环境问题日益凸显，如沙漠化、水土流失、生物多样性的退化以及森林砍伐等[2]。而良好的生态环境是最普惠的民生福祉，如何有效改善生态环境质量、加快生态文明建设，开展对生态环境质量的监测与评价显得尤为重要。恩施州于2021年10月被生态环境部命名为第五批“绿水青山就是金山银山”实践创新基地，但其生态环境较为脆弱[3]，人类活动与自然要素对其生态质量影响较大，客观、正确地评价恩施州生态质量时空特征对于推动区域生态文明建设具有积极作用。

基于遥感的生态指数RSEI(Remote Sensing Based Ecological Index)[4]运用主成分分析集成绿度、湿度、热度、干度4个指标评价生态质量，具有快速、客观等优势，其可靠性已在前人研究中得到验证[5-7]。如胡克宏等[8]基于RSEI，认为秦岭南麓腹地留坝县生态环境质量2003年前呈大面积的小幅退化，后则呈大面积的小幅改善。卡吾恰提·白山等[9]运用ENVI软件的主成分分析方法构建和田市的RSEI，结果表明，城镇化进程对生态环境质量呈负面影响，和田市生态环境质量呈下降趋势，其生态环境问题亟待解决。Yuan等[10]借助Google Earth Engine(GEE)平台构建基于Landsat数据的RSEI，评估了洱海流域的生态环境质量，结果表明，洱海流域整体的生态环境质量在1999—2009年下降，在2009—2019年有所提升。

恩施州作为武陵山区水土保持与生物多样性生态功能区的重要组成部分，具有重要的生态保护和科学研究价值，但未见该区域生态环境质量长时序变化研究。因此，本文借助GEE平台，运用MODIS数据构建恩施州2001—2020年RSEI对其生态质量时空特征进行长时序的评价，以探究恩施州生态环境质量状况，为加快恩施州创建国家级生态文明示范区提供数据参考。

1 研究区及数据来源

1.1 研究区概况

恩施州全称恩施土家族苗族自治州，位于湖北省西南部，E108°～110°，N29°～31°，见图1。下辖恩施市、利川市、建始县、巴东县、宣恩县、咸丰县、来凤县以及鹤峰县，全州行政区划面积达2.4万km2。全州以山地为主，海拔介于-9～2989m，北部、西北部以及东南部地势高，中部以及南部地势低。属亚热带季风性湿润气候，境内有木林子、星斗山、七姊妹山3个国家级自然保护区和1个神龙溪省级自然保护区，森林覆盖率达70%，享有“鄂西林海”之称。

图1 研究区地理位置

1.2 数据来源及处理

本研究所选用的数据为MODIS遥感产品数据中的MOD09A1、MOD11A2以及MOD13A1。MOD09A1提供了Terra MODIS波段1～7，空间分辨率为500m的地表光谱反射率估计值，并根据大气条件(气体、气溶胶和瑞利散射等)进行了校正。MOD11A2提供了空间分辨率为1000m,平均8d的地表温度(LST)。MOD13A1提供了植被指数值，选用第1个归一化差分植被指数NDVI植被层，其空间分辨率为500m。借助Google Earth Engine平台筛选2001—2020年恩施州4—10月的上述遥感影像，然后利用各数据集的质量控制波段去除云、云阴影和无效值，并进行相应的系数转换，最后年合成获得最佳影像，其中LST采用均值合成，NDVI、WET和NDBSI采用中值合成。以上遥感数据均来自GoogleEarth Engine平台提供的MODIS遥感产品(https://developers.google.com/earth-engine/datasets/catalog/modis)。

2 研究方法

2.1 构建遥感生态指数

遥感生态指数RSEI[11]选用绿度、湿度、热度、干度4个能直观反映生态优劣的指标，采用主成分分析确定各指标权重，实现指标的集成。RSEI的函数表达式：

RSEI=f(NDVI,WET,LST,NDBSI)

(1)

式中，NDVI、WET、LST、NDBSI分别表示绿度、湿度、热度、干度指数。

由于地表温度LST可从MOD11A2获取，绿度NDVI可从MOD13A1获取，因此只需根据MOD09A1的各波段计算湿度指数与干度指数[12]。其计算公式[13,14]：

(2)

(3)

RSEI0=PC1[f(NDVI,WET,LST,NDBSI)]

(4)

(5)

式中，ρi(i=1…7)为地表反射率产品MOD09A1的各波段值。PC1代表主成分分析的第1个分量；RSEI是指RSEI0的归一化结果。

需要注意的是，本文运用主成分分析来集成4个指数，在分析前，为了避免指标权重占比差异较大，对4个生态变量进行归一化处理；参考研究利用改进的归一化差值水体指数(MNDWI)[15]掩膜水体，从而避免大面积水体对主成分分析的影响；通过对4个变量进行主成分转换，得到第一主成分结果(PC1)。为比较不同时间段的RSEI，将最初的遥感生态指数进行归一化处理。

2.2 RSEI变化趋势分析

一元线性回归分析能够综合表征一定时间序列的区域格局演变规律[16]，该方法的优点是可以消除由于异常因素对RSEI的趋势分析所造成的影响，真实地反映长时间序列RSEI的演化趋势。计算公式：

(6)

式中，slope为趋势线斜率；n为研究时段的长度；RSEIi为第i年的RSEI值。slope>0表示RSEI上升，反之表示下降，其值大小表示RSEI变化速率。

3 结果与分析

3.1 恩施州生态质量时间变化特征

恩施州生态质量状况总体呈现波动上升趋势，见图2，其变化率为0.0035·a-1。近20a RSEI均值为0.73,RSEI最小值出现在2001年，为0.67，在2019年出现最大值为0.78，RSEI总体较高，表明在2001—2020年期间，该地区生态质量状况较好。

图2 2001—2020年恩施州RSEI年际变化趋势

各县市RSEI年际变化情况如图3所示。在2001—2020年，各县市生态质量状况均有所改善，其中来凤县的变化最为明显，其RSEI均值由2001年的0.54提升至2020年的0.68。其原因在于，“十三五”以来，来凤县积极推动生态文明建设工作，加大生态造林、退耕还林的工作力度，使其森林覆盖率达60%。与此同时，全县对于重点生态功能区的保护也未松懈，6个生态保育基地的建设使其圆满完成了“绿满荆楚”的提升行动，并在2020年成为省级生态文明建设示范县，生态建设成效显著。鹤峰县在全州中RSEI均值总体较高，由于森林城市绿化工程的推进使其城市建成区的绿化覆盖率达46.8%，加之省道绿化工作的开展，近20a来，呈“上升—下降”交替变动，其生态质量状况总体改善。建始县仅次于鹤峰县，RSEI相较于其它县市高，2007年RSEI最高为0.78，随后降至2010年的0.72，究其原因，县内森林资源的逐步开发与利用，使其RSEI减少，在随后的10a间RSEI呈波动上升趋势，生态质量状况总体改善。而恩施市、利川市、巴东、宣恩、咸丰的RSEI均值提升相对较小。

图3 2001—2020各县市RSEI年际变化

为进一步分析恩施州生态质量状况的动态变化过程，本文参考已有研究[17]将RSEI分为差(0～0.2)、较差(0.2～0.4)、中等(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)、优(0.8～1)5个等级。对恩施州2001—2020年生态质量等级变化的面积进行统计，结果见表1。

表1 2001—2020年恩施州生态质量等级

研究区近20a生态质量等级变化差异显著。生态质量等级为“差”和“较差”的面积占比合计最低为0.11%，最高仅为0.78%，而等级为“优”和“良”的面积占比合计最低为76.8%，最高可达96.4%，表明恩施州生态质量等级整体较高，生态质量较好。生态质量等级为“中等”的区域面积占比变化呈波动下降趋势，具体表现为在2001—2012年间呈“下降—上升”交替变动，自2012年后面积占比持续下降，到2020年其面积占比由最初的22.46%下降为4.02%，下降了18.44%。与此同时，“优”跟“良”的面积占比由2001年的76.8%上升为2020年的95.4%，上升了18.6%。从分析恩施州2001—2020年生态质量等级变化可知，20a间全州大部分地区生态质量等级以“良”和“优”为主，生态质量状况较好，且生态条件不断改善。

3.2 恩施州生态质量空间变化特征

恩施州RSEI均值分级结果如图4a所示，其生态质量空间分布大致表现为“中部差、四周良好”。全州大部分地区的RSEI均值均大于0.5，生态质量等级以“良”、“优”为主，遍及全州8大县市，占比达91.86%。生态质量较差的区域主要分布于恩施市、利川市与来凤县的城区，究其原因，这些区域地形相对平缓，植被覆盖度较低，人口稠密，人类干扰剧烈。从县域来看，鹤峰县、建始县的生态质量状况较好，其生态质量等级为“优”的比例较其他县市略高，来凤县的生态质量状况相对较差。

图4 恩施州RSEI时空分布格局

为探究其空间变化趋势，对恩施州RSEI进行slope趋势分析，见公式(6)，结果如图4b所示。恩施州RSEI趋势变化以增加为主，增加趋势的比例达91.1%，较为明显增加的区域主要分布于东北部巴东县境内的长江沿岸和南部来凤县，这些区域退耕还林等政策使地表植被覆盖发生变化，加之农业生产经营活动的影响，生态质量状况较好。仅8.9%区域RSEI持续下降，主要是恩施市、利川市城区，其原因在于城市的发展带来的建设用地的扩张，使其RSEI减小，生态质量状况持续变差。

在RSEI等级划分基础上，以2010年为界对全州2001年和2020年进行差值变化检测，并将结果分为“明显变差”、“变差”、“不变”、“变好”、“明显变好”5个等级，以分析恩施州近20a生态质量状况的时空差异变化。

由表2、图5可知，2001—2010年，全州生态质量状况不变的面积占比最大，为76.30%；生态质量状况改善的面积占总面积比例为17.93%，主要分布于中部和南部；生态变差的面积为1382.75km2，所占比例仅为5.77%，明显小于改善的面积，主要分布于东南部。2010—2020年，生态质量状况变好的面积占比增加至30.09%，全区广泛分布；变差的面积占总面积比例为2.37%，主要位于恩施市城区周边，变好的面积大于变差的面积，改善程度明显高于2001—2010年。从2001—2020年的差值变化来看，生态质量状况变好的面积为10281km2，所占比例为42.87%，变差的面积为817.5km2，所占总面积的比例仅为3.41%，不变的面积为12885.5km2，所占比例为53.73%，说明全州近20a来生态质量状况有所改善。

表2 恩施州生态质量等级变化

图5 恩施州RSEI变化检测

4 结论

本文基于MODIS数据，构建了恩施州2001—2020年RSEI，并对其生态质量状况的时空分布特征进行分析，具体结论如下。

时间上，近20a全州RSEI介于0.67～0.78，其变化率为0.0035·a-1，生态质量状况逐渐变好；各县市生态质量状况均有所改善，其中鹤峰县生态质量最佳，来凤县的改善最明显；全州大部分地区生态质量等级为“良”，占比为71.15%，其次为“优”，而“差”和“较差”占比较小，不足1%。

空间上，全州生态质量分布的空间格局为“中间差、四周良好”；RSEI趋势变化以增加为主，比例达91.1%，仅8.9%区域RSEI持续下降；选取的3个时间段生态质量等级变化均以不变为主，但改善的面积呈现增加趋势。