河南省沿黄地市生态环境质量时空演变及驱动因子分析

关键词：生态环境质量；遥感生态指数；地理探测器；河南省沿黄地市

中图分类号：ＴＰ７９；Ｘ８２１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１３

引用格式：张晓伟，王墨珂，刘昊，等．河南省沿黄地市生态环境质量时空演变及驱动因子分析［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（６）：７８－８４．

黄河流域是我国重要的生态屏障和经济发展地带，但其自然生态本底脆弱，人类长期开发建设导致生境破碎化、生物多样性减少。２０２１年，中共中央、国务院印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》［１］ 。２０２２年，河南省人民政府印发了《河南省“十四五”国土空间生态修复和森林河南建设规划》，指出要统筹推进大河治理和黄河沿线国土空间生态修复［２］ 。战略层面，黄河流域面临着生态保护修复、流域污染治理、沿黄城市高质量发展和区域产业结构调整等重大挑战；实施层面，河南省作为我国粮食主产区和中原经济区建设主体，内部发展不平衡问题突出。

美国《国家环境政策法》率先提出生态环境质量影响评价，英国等进一步完善了生态环境质量评价指标体系［３－４］ 。国内关于生态环境质量评价研究集中在自然保护区、山区、市域和县域等［５］ ，近年来流域层级的研究逐渐成为热点。以黄河流域为例， 茹少峰等［６］ 、杨雯娜等［７］ 分别构建由自然因素和人为因素组成的指标体系，开展了黄河流域生态环境脆弱性评价和空间异质性分析；左其亭等［８］ 基于ＳＭＩ－Ｐ 方法对黄河流域水生态安全进行了评价与分析。生态环境质量评价方法主要有指标体系法、模型模拟法和生态指数法等［９］ ，指标体系法在评价指标选择、权重确定方面受研究者认知程度的影响，模型模拟法则面临长时间序列数据获取困难等问题，生态指数法因其评价的客观性而逐渐被众多学者重视。早期研究多采用植被覆盖度、植被净初级生产力等单一指数，无法综合反映研究区生态状况［１０－１１］ 。卫星遥感技术具有覆盖面广、能快速有效获取地表信息等优势，成为国内外学者进行生态环境质量评价的主要手段［１２－１３］ 。徐涵秋［１４］ 基于此构建了遥感生态指数（ＲＳＥＩ），可全面反映和综合评估区域生态环境状况，该指数因数据可得、权重客观、成果可视等优势而得以广泛应用。

笔者以河南省８ 个沿黄地市为研究区，以Ｌａｎｄｓａｔ遥感影像为数据源，构建遥感生态指数，分析该区域２０００—２０２０ 年生态环境质量时空变化特征及趋势，并运用地理探测器分析影响生态环境质量的驱动因子，以期为河南省沿黄地市生态环境质量提升，区域社会、经济和生态协同发展提供参考。

１研究区概况及数据来源

１．１研究区概况

黄河干流流经河南省８ 个地市，黄河中游包括三门峡、焦作、洛阳、郑州和济源等地市，地貌类型主要是黄土丘陵和山地峡谷，河湖湿地生态系统特征较为典型；下游包括郑州、开封、新乡和濮阳等地市，地貌类型以平原为主、黄土丘陵也有少量分布，有地上悬河、湿地、农田，具有滩区宽阔等特征。该区域属温暖带大陆性季风气候区，年均气温１２～１６ ℃，年均降水量５００～９００ ｍｍ。

１．２数据来源与处理

本研究所用遥感和高程数据来源于地理空间数据云，其中２０００ 年、２０１０ 年遥感影像选用Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ系列，２０２０年遥感影像选用Ｌａｎｄｓａｔ８ ＯＬＩ 系列，选取研究区云量低于１０％且处于植被繁茂期（６—７ 月）的影像。坡度数据由高程数据计算得出，夜间灯光数据来源于美国国家地球物理数据中心（ＮＧＤＣ），气温和降水量数据来源于国家气象科学数据中心，研究区矢量边界、土地利用类型数据、国内生产总值和人口密度网格数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。

２研究方法

２．１遥感生态指数及归一化

遥感生态指数（ＲＳＥＩ）综合考虑了绿度（ＮＤＶＩ）、湿度（ＷＥＴ）、干度（ＮＤＳＩ）、热度（ＬＳＴ）４ 个指标［１４］ 。绿度指标反映研究区植被覆盖度，说明地表植被生长状况。湿度反映研究区水域、地表土体和植被的湿润程度。因研究区有水体，借助水体指数进行水体掩膜后，提取湿度指标。干度由裸土指数（ＳＩ）和建筑指数（ＩＢＩ） 构成，表征土地干化程度， 反映地表裸露状况［１５］ 。采用大气校正法进行地表温度反演，将反演的地表温度作为热度指标［１６］ 。４ 个指标计算完成后，对其进行正向归一化处理，使其值域为［０，１］，以消除量纲的影响。

２．２遥感生态指数

２．２．１遥感生态指数计算

主成分分析法（ＰＣＡ）通过对多个变量进行数学变换，将其转换为少数不相关的变量，以达到降维的目的，克服人为分配权重的主观性。利用主成分变换构建遥感生态指数，把主要信息集中到１ ～ ２ 个主成分上［１４］ 。首先将正向归一化后的４ 个指标合成为一幅新图层，并对新图层进行主成分分析，然后计算初始遥感生态指数，最后对初始遥感生态指数进行归一化处理，得到最终的遥感生态指数。

２．２．２遥感生态指数分级

参照《生态环境状况评价技术规范》，并综合考虑前人研究［１７－１８］ 和研究区ＲＳＥＩ 计算结果，进行生态环境质量等级划分。采用相等间隔法，将ＲＳＥＩ 值域［０，１］以０．２ 为间隔划分生态环境质量等级，划分为差、较差、一般、良、优５ 级，见表１。

２０００—２０２０ 年干度指标平均值先增大后减小。２０００—２０１０ 年随着城镇化规模的扩大，部分耕地转化为建设用地，干度指标平均值由０．５１３ ８ 增大至０．５９２ ４；２０１０—２０２０ 年随着耕地平衡占补指标的收紧，向城市存量建设用地挖潜和土地复垦政策的实施，建设用地扩张速度和土地退化裸露速度减缓，干度指标平均值由０．５９２ ４ 减小至０．５６４ ４。２０００—２０２０ 年热度指标平均值先减小后增大，２０００—２０１０ 年热度指标平均值由２８．０５７ １ 减小至１５．１１６ ５，２０１０—２０２０ 年热度指标平均值由１５．１１６ ５ 增大至２９．９８５ １。地表温度受多种因素影响，如人口密度、工业发展程度和海拔等，但主要取决于太阳辐射的强度。２０ ａ 整体上地表温度有所升高，这与气候变暖、人口增多和植被覆盖度降低密切相关。

３．２．２生态环境质量时间变化

２０００ 年、２０１０ 年和２０２０ 年研究区遥感生态指数（ＲＳＥＩ）均值为０．７３１ １，表明河南省沿黄地市生态环境质量处于中等偏上水平。２０００—２０１０年ＲＳＥＩ 平均值由０．７９６ １ 减小至０．６１１ ０，减幅为２３．２５％，生态环境质量变差，原因是研究区经济快速发展和城镇化速率加快，带来生态用地被挤占、土地退化和生境破碎化等问题。２０１０—２０２０年ＲＳＥＩ均值由０．６１１ ０ 增大至０．７８６３，增幅为２８．６９％，生态环境质量下降趋势得到遏制并趋向好转，这与实施的一系列生态修复工程有关，如加大新乡黄河湿地鸟类国家级自然保护区、濮阳县黄河湿地省级自然保护区、郑州黄河国家湿地公园等多个保护区的投资建设力度，积极推进林地提质改造、沿黄生态廊道建设和矿山生态修复等生态环境保护措施有关。

３．２．３生态环境质量空间变化

根据表１ 的分级标准，逐像元统计２０００年、２０１０年和２０２０年河南省沿黄地市不同等级生态环境质量面积、占比，见图１、表５。２０００—２０２０年河南省沿黄地市生态环境质量呈现明显空间异质性。植被覆盖度高、人类活动干扰少的山地和丘陵地区生态环境质量较好，主要分布在洛阳市新安县、孟津区和济源示范区等。沿河地带的城镇地区生态环境质量较差，主要为洛阳到郑州的中部及焦作市武陟县，该地区以耕地为主，矿产资源丰富，开采活动频繁。

由表５和湿地保护等生态修复措施，与２０１０年相比，２０２０年生态环境质量整体趋向好转，新乡市封丘县、长垣市和原阳县，焦作市武陟县，开封市，洛阳市孟津区和新安县生态环境质量优和良等级面积明显增加。２０２０年研究区优和良等级面积占比之和为６３．０４％，相对于２０００ 年下降了１６．０８％，原因是，在某种程度上人类活动对生态环境造成的影响是很难逆转的，虽然可以通过环境保护和生态修复措施来优化局部生态环境质量，但恢复到较优的状态仍需要长期投入。

３．３ ＲＳＥＩ空间变化趋势分析

对２０００—２０２０年河南省沿黄地市生态环境质量进行Ｓｌｏｐｅ趋势分析，结果表明，研究区生态环境质量局部改善趋势与局部退化趋势并存，见图２。由图２可知，生态环境质量改善的面积大于退化的面积，极显著退化的面积较少，研究区大部分区域生态环境质量有所改善。开封市、洛阳市新安县和孟津区、焦作市武陟县和新乡市原阳县生态环境质量显著改善，部分区域为极显著改善。洛阳市新安县和孟津区生态环境质量整体偏优，这与当地山地丘陵等自然环境有关系。三门峡灵宝市，郑州市金水区、巩义市和荥阳市等生态环境质量呈退化趋势，部分区域呈显著退化趋势。研究区生态环境质量退化区域主要分布在黄河沿岸，与黄河流域水土流失，湿地生态系统退化以及区域经济发展和城市扩张等存在必然联系。研究区生态环境质量变化趋势为：大部分区域呈改善趋势，下游生态环境质量改善情况明显优于中游。

３．４驱动因子探测分析

３．４．１单因子探测分析

为分析影响河南省沿黄地市生态环境质量变化的驱动因子，将ＲＳＥＩ作为因变量，选取年均气温、年降水量、高程和坡度等自然因素和土地利用类型、国内生产总值、人口密度、夜间灯光数据等人为因素作为自变量进行单因子探测分析，其中土地利用类型分为林地、草地、湿地、耕地、建设用地和裸土地６ 个一级地类，结果见表６。

２０００年土地利用类型ｑ值最大，表明土地利用类型对研究区生态环境质量的影响较大。２０２０年国内生产总值的ｑ值最大，其次为土地利用类型的ｑ 值，与２０００年相比，２０２０年国内生产总值和人口密度ｑ值排序提前，表明随着经济的快速发展，人口聚集、土地利用方式改变和土地开发程度提高等人类活动对河南省沿黄地市生态环境质量的影响逐渐扩大。

３．４．２多因子探测分析

交互因子探测可以反映多个因子共同作用时对生态环境质量的影响。对研究区２０００年、２０２０年影响ＲＳＥＩ的８个自变量的交互作用进行探测，结果见图３。多因子交互探测结果表明，生态环境质量驱动因子两两交互共同作用时，表现为双因子增强效应和非线性增强效应，表明两个因子交互作用增强了对生态环境质量影响的解释力。２０００年土地利用类型与自然驱动因子和人为驱动因子的交互作用均呈现较强的交互作用，解释力均大于７５％，表明在自然地理环境和人类活动下土地利用类型是影响研究区生态环境质量的主要驱动因子，这与２０００年单因子探测结果以及现实情况相符。２０２０年国内生产总值、人口密度和土地利用类型三者的相互交互以及三者与自然驱动因子的交互均呈现较强的交互作用，而自然驱动因子之间的相互交互作用不强，表明人类活动在２０２０年对生态环境质量的影响较大，人类活动与自然因素共同作用时对研究区生态环境质量的影响更大。在２０００—２０２０年的２０ａ 中，研究区经济快速发展，人口密度增大，建设用地、耕地、林地、草地、湿地等土地利用类型的面积发生变化，这些变化均与研究区绿度、湿度、干度密切相关，进而影响了研究区的生态环境质量。

４讨论

２０００—２０２０年研究区遥感生态指数（ＲＳＥＩ）先减小后增大，且具有明显的空间异质性，这与河南省沿黄地市生态环境质量大部分区域以改善趋势为主，但局部地区仍有退化的实际情况相符合。政府部门实施的退耕还林还草、天然林保护、黄河湿地恢复工程等措施是部分区域生态环境质量改善的原因，经济发展迅速、人类活动强烈、城市化规模扩张以及挤占生态用地等是局部区域生态环境质量退化的主要原因。因此，河南省沿黄地市应在黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略、河南省黄河流域实施重大生态修复工程等政策的驱动下，加强黄河生态廊道建设和湿地保护，提升林地质量，提高植被覆盖度，优化土地利用结构，控制建设用地的无序扩张，实施山水林田湖草沙综合治理，促进研究区生态恢复和区域社会经济高质量发展。

５结论

２０００—２０２０年研究区绿度和热度平均值先减小后增大，湿度平均值呈增大趋势，干度平均值先增大后减小。研究区２０ａ间ＲＳＥＩ平均值为０．７３１１，生态环境质量整体处于中等偏上水平。２０００—２０２０ 年研究区ＲＳＥＩ 平均值由０．７９６ １减小至０．６１１０，然后增大至０．７８６ ３。从数量等级看，２０００—２０２０年生态环境质量呈现变差－好转的变化特征。研究区２０ａ间生态环境质量大部分区域呈改善趋势，下游生态环境质量改善情况优于中游，开封市、洛阳市新安县和孟津区、焦作市武陟县和新乡市原阳县生态环境质量显著改善，三门峡灵宝市和郑州市金水区、巩义市、荥阳市等地区生态环境质量呈退化趋势。单因子探测结果表明，土地利用类型、国民生产总值等表征人类活动的驱动因子对生态环境质量的影响较大，表明人类活动的影响逐渐增强。多因子交互探测结果表明，研究区生态环境质量驱动因子的两两交互作用为双因子增强效应和非线性增强效应，２０００年在自然地理环境和人类活动驱动下的土地利用类型对研究区生态环境质量的影响较强，２０２０年国内生产总值、土地利用类型和人口密度与其他各因子交互作用较强。