应用植被生态指标对安徽省生态系统质量动态遥感评估1)

蒋德健 杨倩 阮艳婷 王杰

(安徽大学，合肥，230601)

Taking the administrative region of Anhui Province as the research object, the MODIS data products based on the vegetation coverage, leaf area index and total primary productivity of Anhui Province during 2015-2020 and the remote sensing products based on Landsat 8 OLI remote sensing image inversion of vegetation ecological parameters in summer of two typical ecological regions were selected to build the ecosystem quality index model. The dynamic change of ecosystem quality and its main influencing factors in Anhui Province were analyzed. The results showed that in 2020, the average value of ecosystem quality index in Anhui Province was 62.27, which was rated as good, and the ecosystem quality level of each administrative region was above intermediate, and Huangshan City was rated as excellent. From 2015 to 2020, the ecosystem quality of Anhui Province showed an overall trend of improvement, among which Bengbu City significantly improved, while Fuyang City, Huainan City and Maanshan City significantly decreased. In the five ecological functional zones, the quality of ecosystem along the Yangtze River Plain decreased obviously, while the quality of ecosystem in the Dabie Mountain ecological zone in western Anhui improved obviously. The decline of ecosystem quality in the economic belt along the Yangtze River in Anhui Province and the typical ecological areas in the mountainous and hilly areas in southern Anhui Province is mainly concentrated in the Wuhu and Susong Sections of the Yangtze River and in the southwest of the mountainous areas in southern Anhui Province.

生态系统质量表征生态系统自然植被的优劣程度，反映了生态系统内植被与生态系统整体状况，是生态系统生产服务能力、抗干扰能力和人类生存与发展承载能力的体现[1]。良好的生态系统质量不仅关系到人类居住环境和生活水平，同时也是推进生态文明建设的重要举措[2]。

植被作为陆地生态系统的重要组成部分，对生态系统变化极为敏感，且连接着大气、水和土壤等圈层[3]，在地球环境系统的形成过程中发挥着积极作用[4]。因此，从植被生态指标角度掌握区域生态系统质量状况对维持区域生态文明与可持续发展具有重要作用[5]。植被覆盖度量化了植被的茂密程度，反映了植被长势，是描述生态系统的重要基础指标[6]。叶面积指数反映生态系统中单位面积上的叶面积大小，是模拟生态系统、水热循环和生物地球化学循环的重要参数[7]。总初级生产力是描述陆地生态系统的重要参数，提供了全球气候变化情况下碳循环的定量化描述[8]。以上3种植被生态指标对评价地区生态环境质量及指示生态环境动态具有重要意义。

对生态系统质量量化评估的方法一般是通过数学模型来构建评估指标体系。我国生态环境部颁布的《生态环境状况评价技术规范》中运用植被覆盖指数、生物丰度指数、土地胁迫指数、水网密度指数、污染负荷指数构建生态环境状况指数。这种方法虽然能较好地定量评价县级以上区域的生态系统质量，但存在评价指标不易获取、时效差和无法空间可视化等问题。遥感信息能很好的反映生态环境质量的空间异质性，可快速、定量、大范围地对区域生态系统质量进行评价[9]。徐涵秋[10]基于干度、绿度、热度、湿度等4个方面构建了遥感生态指数，并采用主成分分析法确定出各指标的权重，对研究区进行生态系统质量评价，在不同尺度范围内得到较好的应用；宋慧敏等[11]根据不同年份的Landsat系列遥感影像，采用遥感生态指数评价模型，对渭南市1995—2015年的生态系统质量进行了监测与分析；李婷婷等[12]基于遥感生态指数并结合高程数据、气象数据和植被类型空间分布数据揭示了贺兰山1989—2017年生态质量变化与气候、地形之间的关系；程琳琳等[13]采用熵权法计算权重并用指数和法计算遥感生态指数，结合灰色预测模型GM(1，1)，分析了北京市门头沟区的生态环境质量变化及其原因，预测了未来的变化趋势。

安徽省东临长江三角洲经济区，西接中原腹地，生态系统多样，自然资源丰富，开展安徽省生态系统质量遥感评估对长江三角洲的生态安全和环境保护具有重要意义。然而，目前对近年来安徽省生态环境质量动态变化评估相关的研究还比较缺乏。本文以安徽省行政区域为研究对象，选用2015—2020年的植被覆盖度、叶面积指数、总初级生产力等3种MODIS数据产品，两个典型区(皖南山地丘陵生态区、安徽沿江经济带)选用夏季成像的Landsat 8遥感影像，并通过拟合不同生态类型植被指数与植被生态指标的函数关系，构建生态系统质量指数模型，分析安徽省以及两个典型生态区的生态系统质量动态变化，为生态保护治理决策提供科学依据。

1 研究区概况

安徽省位于我国大陆东部(29°41′～34°38′N,114°54′～119°37′E),属于华东地区，面积约1.4×105km2，地处北亚热带与南暖温带过渡地带，年均气温15.5 ℃，年降水量800～1 800 mm。秦岭-淮河地理分界线横贯全省，全省自北向南划为5个生态功能区,即沿淮北平原生态区、江淮丘陵岗地生态区、皖西大别山生态区、沿长江平原生态区和皖南山地丘陵生态区[14](见图1)。皖南山地丘陵生态区以黄山等风景区为核心，最高海拔1 864.8 m[15]，自然生态条件优越，森林生态系统完整，具备良好的生态功能价值，是长三角地区的重要生态屏障[16]；长江中下游生态脆弱区植被退化、水土流失和土地沙化现象依然存在[17]，城镇及工矿业集聚区内水环境污染、湿地退化和生物多样性丧失均较严重，洪涝灾害突出[18]；贯穿安徽省中南部的长江经济带，是世界自然基金会确定的全球35个重点生态区域之一。

图1 安徽省生态功能区划与典型生态区位置

2 研究方法

2.1 遥感数据与预处理

针对安徽省区域，本文选用分辨率500 m的MODIS遥感数据产品，主要包括：MOD13A1(植被指数产品)、MOD15A2(叶面积指数产品)、MOD17A2(植被总初级生产力产品)。使用MODIS处理工具MRT实现对同一期多景数据影像的镶嵌和重采样，并实现数据批处理(包括波段选择、投影转换、格式转换等)。两个典型区选用了夏季成像的Landsat 8 OLI遥感影像(分辨率30 m)，对其进行影像几何校正、辐射校正等预处理，通过拟合不同生态类型植被指数(NDVI)与植被生态指标(FVC、LAI、GPP)的函数关系，反演得到分辨率30 m的植被生态参数遥感产品。对遥感数据的计算和处理均借助于Python2中的Arcpy模块，包括对MRT处理后的数据填充值处理、有效值转换、研究区裁切、生态系统质量指数计算等。

2.2 其它数据

安徽省行政区划数据来源于国家基础地理信息中心(http://www.ngcc.cn/ngcc/)，安徽省生态功能区划数据来源于安徽省生态环境厅(https://sthjt.ah.gov.cn/)，生态系统类型数据来源于地球大数据科学工程网站(https://data.casearth.cn/)，所用到的地理指标(年均气温、年降水、人口密度、GDP)数据来源于安徽省统计局公开的统计年鉴(http://tjj.ah.gov.cn/)。

2.3 生态系统质量指数模型构建

植被覆盖度：根据MODIS遥感产品提供的植被指数，采用像元二分模型估算研究区植被覆盖度。计算公式为：F=(INDV-Isoil)/(Iveg-Isoil)。式中，F表示植被覆盖度，INDV表示植被指数，Iveg表示完全被植被所覆盖像元的植被指数值；Isoil表示裸露地表覆盖区域的植被指数值。本文选用置信度为5%和95%作为Isoil和Iveg值。

Landsat 8 OLI反演植被生态指标：本文根据MODIS遥感产品提供的植被指数值进行分级采样，建立植被指数与植被生态参数的函数关系，再将其分别应用到Landsat 8 OLI影像上，反演得到分辨率为30 m的植被生态参数产品，所用的经验模型为：

Y=Ax3+Bx2+Cx+D。

式中，Y表示待估算的植被生态指标，x表示反演的植被指数；A、B、C、D为经验参数。

评价指标同一化：根据植被覆盖度、叶面积指数、总初级生产力等植被生态参数，计算植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力对应的相对密度，公式为：Ri,j,k=Fi,j,k/Fmaxi,j,k。式中，Ri,j,k表示第i年第j分区第k类植被生态系统生态参数的相对密度；Fi,j,k表示第i年第j分区第k类植被生态系统生态参数值；Fmaxi,j,k表示第i年第j分区第k类植被生态系统生态参数最大值。

根据植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力相对密度等遥感评价指标，对其进行归一化处理：

式中：x′表示归一化评价指标，x表示原评价指标。

生态系统质量指数：依据生态环境部发布的《生态环境状况评价技术规范》[19]，生态系统质量反映区域生态系统质量整体状况，由植被覆盖度、叶面积指数和总初级生产力的归一化指数来构建。具体计算方法为：

式中：Eij表示第i年第j分区生态系统质量指数；Lij表示第i年第j分区叶面积指数相对密度；Fij为第i年第j分区植被覆盖度相对密度；Gij表示第i年第j分区总初级生产力相对密度。

2.4 生态系统质量分级

根据国家生态环境部发布的《生态环境状况评价技术规范》提供的分级标准，根据计算得到的生态系统质量指数，将生态系统质量分为5个等级(优、良、中、低、差,见表1)。

表1 生态系统质量分级

2.5 生态系统质量变化及驱动力

应用生态系统质量各指标的空间变化指数、时间变化率及由变化趋势所表征的稳定度等3个维度评价生态系统质量。根据2020年生态系统质量评价结果，以市级行政区划、生态功能区划为统计单元，分析全省生态系统质量空间特征；根据2015—2020年的生态系统质量评价结果，分析全省生态系统质量及典型生态区年际变化特征。

选取与生态系统质量相关的地理指标(年均气温、年降水、植被覆盖度、人口密度、国内生产总值)，采用回归方程法对安徽省生态系统质量变化进行影响因素分析，并根据标准化系数的大小确定出贡献度最大的因素。

3 结果与分析

3.1 安徽省生态系统质量空间格局

本文以2020年为评价年份，按表1对生态系统质量指数进行分级，分别以市级行政区划、生态功能区划为评价单元进行空间格局分析。

根据生态系统质量指数的计算的结果，2020年，安徽省生态系统质量指数范围为0～99.64，均值为62.27，评定等级为良。其中，生态质量等级为差、低的区域面积的比例分别为1.13%、3.77%，生态质量等级为中、良的区域面积的比例分别为27.02%、44.96%，生态质量等级为优的区域面积的比例为23.12%。安徽省各行政区生态系统质量等级均为中级以上，其中黄山市评价等级为优(见图2a)，原因是“十三五”期间，黄山市着力开展了大气、水体、土壤污染防治的大行动，区域生态系统质量得到持续改善，绿色发展成效显著。安徽省生态功能区的评价等级也均为中及以上，其中江淮丘陵岗地生态区、沿长江平原生态区的评价等级为中，其余生态区的评价等级均为良(见图2b)。

图2 2020年安徽省生态系统质量空间格局

3.2 安徽省生态系统质量年际变化

由图3可知，2015—2020年，安徽省生态系统质量整体呈提升的趋势。其中，全省生态系统质量明显变好的面积为20 086 km2，占全省总面积的15.34%；生态系统质量明显变差的面积有3 660.87 km2，占全省总面积的2.79%。由图4可知，在2015—2020年，安徽省生态系统质量显著变好的行政区为蚌埠市，因为“十三五”期间，蚌埠市全力推进蓝天保卫战，制定大气整治项目，同时严厉打击各类环境违法行为，积极排查整治“散、乱、污”企业；生态系统质量显著变差的行政区为阜阳市、淮南市和马鞍山市(见图4a)。安徽省生态系统质量指数显著增加的生态功能区为皖西大别山生态区，由于在“十三五”期间，省政府强化重点区域生态保护和建设，加大对皖西大别山、皖南山区的政策和资金支持以及深化生态补偿机制的成果。沿长江平原生态区的生态系统质量指数显著减少(见图4b)，主要原因是近年来长江沿岸密集的人类生产活动有关。

图3 2015—2020年安徽省生态系统质量变化

图4 2015—2020年安徽省生态系统质量年际变化

3.3 典型生态区生态系统质量变化

由图5可知，根据两个典型生态区在2015年、2020年的生态系统质量评价结果，2015—2020年，安徽沿江经济带生态质量等级保持不变，但总体生态质量指数呈减少的趋势。从生态质量等级面积占比的变化来看，生态质量等级为优的区域面积比例由49.87%减少为34.07%，而生态质量等级为中的区域面积比例由14.7%增加至24.87%。

图5 安徽沿江经济带生态质量评价

由图6、表2可知，从空间上看，生态系统质量下降的区域主要集中在长江干流芜湖段和长江干流宿松段。其中，生态系统质量明显下降的区域分布为枞阳县东南部、无为县、和县南部、芜湖县西部、当涂县西部以及宿松县西南部。其主要原因在于该区内的森林、草地、耕地、草原和湿地的面积较2015年都有所减少，从而导致其植被覆盖度、地表生物量密度发生减少。

表2 2015—2020年安徽沿江经济带地表类型变化

由图7可知，自2015年以来，皖南山区丘陵生态区生态质量等级保持不变，但总体生态质量指数呈减少的趋势。从生态质量等级面积占比的变化来看，生态质量等级为优的区域面积的比例由86.81%减少为82.85%，而生态质量等级为差和低的区域面积比例都有所增加。

图7 皖南山区生态系统质量评价

由图8可知，从空间上看，生态系统质量变差的区域主要集中在皖南山区的西部和南部一些区域。其中，生态系统质量明显下降的区域为东至县南部、祁门县西南部、绩溪县中部以及宁国县东北部，主要原因是在2015—2020年该区域的森林、草地和灌溉耕地大量减少(见表3)，导致植被覆盖度、地表生物量密度发生减少。

图8 2015—2020年皖南山区生态质量指数变化

3.4 生态系统质量变化的驱动力分析

由表4可知，自然因素指标对2015—2020年安徽省生态系统质量变化的影响较大，贡献度最大的指标为植被覆盖度。其中，植被覆盖度、年均气温与生态系统质量变化呈正相关关系，而国内生产总值、年降水量和人口密度与生态系统质量变化呈负相关关系。

表3 2015—2020年皖南山区地表类型变化

表4 安徽省及部分地级市地理指标对生态质量指数的贡献度

2015—2020年间，生态质量明显变好的行政区有蚌埠市。其中，自然因素指标(年均气温、年降水量、植被覆盖度)与生态系统质量变化均呈正相关关系，而人为因素(人口密度、国内生产总值)与生态系统质量变化呈负相关关系，贡献度最大的指标为植被覆盖度。在同时期，生态质量明显变差的行政区划有阜阳市、淮南市和马鞍山市。其中，人口密度指标与阜阳市生态系统质量变化呈负相关关系，且贡献度达到55.16%。对于淮南市，所有指标与生态系统质量变化呈正相关关系，植被覆盖度的贡献度最大。国内生产总值对马鞍山市生态质量贡献度最大，国内生产总值与生态系统质量变化呈负相关，其它4个指标均为正相关关系。

4 结论

本文综合安徽省在2015—2020年间的植被覆盖度、叶面积指数、总初级生产力等植被生态指标,构建生态系统质量指数并分级，分别以市级行政区划、生态功能区划为统计单元，分析全省以及两个典型生态区生态系统质量的时空动态特征，分析了生态系统质量变化的驱动因素。

在2020年，全省生态系统质量指数均值为62.27，评定等级为良，且各行政区评价等级均为中及以上，黄山市的评价等级为优。

在2015—2020年间，安徽省生态系统质量总体呈提升的趋势，植被覆盖度指标是其主要影响因素。生态系统质量明显提升的行政区为蚌埠市，植被覆盖度是该市生态质量显著增加的主要因素；生态系统质量明显下降的行政区有阜阳市、淮南市和马鞍山市，其主要因素分别为人口密度增加、植被覆盖度减少和国内生产总值增加。

在全省5个生态功能区中，2015—2020年间生态系统质量明显下降的生态功能区为沿长江平原生态区，明显提升的生态功能区为皖西大别山生态区。自2015年以来，两个典型区的生态质量指数总体呈减少的趋势，生态系统质量变差的区域主要集中在长江芜湖段和宿松段两岸、皖南山区的西南部区域。