2000—2020年三峡库区生态环境质量综合评估*

向万淋 姬翠翠 周 伟

(1.北京建筑大学测绘与城市空间信息学院,北京 102600;2.重庆交通大学智慧城市学院,重庆 400074;3.西南大学地理科学学院,重庆金佛山喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站,重庆 400715)

生态环境质量是生态系统要素、结构和功能综合特征的表现,生态环境质量好坏与人类活动、经济社会发展和自然环境变化有着密切关联,因此,对生态环境质量及时评价可为生态环境动态监测和自然资源可持续利用提供理论依据[1]。由于监测数据的限制,以前只能采用单一评价因子进行生态环境质量评价[2]。2006年,原国家环境保护总局发布的《生态环境状况评价技术规范(试行)》(HJ/T 192—2006)通过集成5个指数和1个约束性指标提出了生态环境指数(EI)的概念,考虑了自然因素和人为因素两个方面,能较为全面地反映生态环境质量,但EI存在数据不易获取等问题[3]。遥感可为生态环境质量评价提供海量数据[4-7],特别是遥感云计算平台(如Google Earth Engine(GEE)平台)的发展,为大尺度长时间序列地表信息监测与评价提供了可能[8]。由此,徐涵秋[9]提出了遥感生态指数(RSEI),并得到广泛应用。如农兰萍等[10]运用RSEI对昆明市生态环境质量进行动态监测与评价,研究结果能较好地反映区域生态环境状况。然而,RSEI又把人为因素排除在外了。

三峡库区是典型的生态敏感和脆弱地区,特别是三峡工程建成后,产生了水土流失、土地退化、水体污染、生态失衡等问题,因此定期评价三峡库区的生态环境质量对三峡库区未来生态环境的治理和利用具有重要指导作用。 本研究为了更全面、更精准地评价三峡库区生态环境质量,基于GEE平台,在沿用EI中相关指标的基础上结合RSEI,形成由植被覆盖度(FVC)指数、生物丰富度指数、水体密度指数、土壤侵蚀指数、人类活动指数、地表温度(LST)指数、地表湿度(WET)指数和干度指数构成的三峡库区生态环境质量综合评价体系,对2000—2020年三峡库区的生态环境质量进行全面评价。

1 研究方法

1.1 指数计算

1) FVC指数

用像元二分模型来反演研究区的FVC指数,先计算出归一化植被指数(NDVI)(计算方法见式(1)),再利用NDVI计算研究区的FVC指数(计算方法见式(2)),反射率数据可从Landsat系列遥感数据中获取,下同。

(1)

(2)

式中:N为NDVI;ρRed、ρNIR分别为TM影像中第3、4波段的反射率或OLI影像中第4、5波段的反射率;F为研究区的FVC指数;N总、N裸、N全分别为全部的、完全是裸土的和完全被植被覆盖的像元NDVI。

2) 生物丰富度指数

生物丰富度指数可用来评价研究区内生物数量及种类的多少[11],因此本研究用生物丰富度指数来反映三峡库区的生物多样性,计算公式如式(3)所示,归一化系数参照HJ/T 192—2006计算,下同。

(3)

式中:B为生物丰富度指数;Abio为生物丰富度指数的归一化系数;S林地、S草地、S水域、S耕地、S建设用地、S未利用地、S区域分别为林地、草地、水域、耕地、建设用地、未利用地和整个区域的面积,km2,可从土地利用遥感数据中获取。

3) 水体密度指数

采用水体密度指数来反映研究区的水资源状况,计算公式如式(4)所示。

(4)

式中:W为水体密度指数;Awat为水体密度指数的归一化系数。

4) 土壤侵蚀指数

土壤侵蚀是当今世界资源和环境问题研究中的重点[12]。土壤侵蚀强度与FVC存在密切的关系[13],根据水利部公布的土壤侵蚀强度评价表,其评价标准如表1所示。按照不同的土壤侵蚀强度计算得出研究区的土壤侵蚀指数,计算公式见式(5)。

表1 土壤侵蚀强度评价标准Table 1 Criteria for evaluating the degree of soil erosion

(5)

式中:S为土壤侵蚀指数;Aero为土壤侵蚀指数的归一化系数;S微、S轻、S中、S强、S极强、S剧烈分别为微度、轻度、中度、强度、极强度和剧烈侵蚀类型土壤的面积,km2。

5) 人类活动指数

人类活动对生态环境质量具有重要影响,土地利用类型基本上就反映了人类活动对生态环境质量的影响,因此人类活动指数按式(6)计算。

(6)

式中:H为人类活动指数;Apop为人类活动指数的归一化系数。

6) LST指数

LST是生态系统的一个重要因子[14],所以LST指数也是生态环境质量评价中的一个重要指标,本研究采用LST遥感数据中的地表平均温度作为LST指数。

7) WET指数

WET反映了水体、土壤和植被的湿度,与生态环境质量密切相关,在生态环境监测中有广泛应用。Landsat系列遥感数据中TM、OLI影像的WET指数分别可按式(7)和式(8)来计算。

WTM=0.315 0×ρBlue+0.202 0×ρGreen+0.310 2×
ρRed+0.159 4×ρNIR-0.680 6×ρS1-0.610 9×ρS2

(7)

WOLI=0.151 0×ρBlue+0.197 2×ρGreen+0.328 3×
ρRed+0.340 7×ρNIR-0.711 7×ρS1-0.455 9×ρS2

(8)

式中:WTM、WOLI分别为TM、OLI影像的WET指数;ρBlue、ρGreen、ρS1、ρS2分别为TM影像中第1、2、5、7波段的反射率或OLI影像中第2、3、6、7波段的反射率。

8) 干度指数

干度指数通常用裸土指数表示,但建筑用地也会造成地表干化,因此本研究选用裸土指数和建筑指数的平均值来表示干度指数,裸土指数和建筑指数的计算分别参见文献[15]和文献[16]。

以上8个指标由于单位不同,需要进行无量纲化处理,处理公式如下:

(9)

式中:M为归一化后的指数;I为原始指数;Imin、Imax分别为原始指数的最小值和最大值。单位根据实际情况而定。

1.2 数据来源

研究中所需的遥感数据包括2000、2010、2020年3期的Landsat系列遥感数据、土地利用遥感数据、LST遥感数据、数字高程模型(DEM)遥感数据,分别来源于https://code.earthengine.google.com、http://www.globallandcover.com/、https://code.earthengine.google.com、https://code.earthengine.google.com,LST遥感数据的分辨率为1 km×1 km,其余为30 m×30 m。

1.3 层次分析法确定指数权重

根据层次分析法对专家打分构建综合评估判断矩阵,通过计算判断矩阵的特征向量及特征根,得到权重(见表2),并且随机一致性指标=0.080 2<0.1,满足一致性检验,说明所得权重可靠。

表2 各指数权重Table 2 Weights of each index

1.4 生态环境质量综合指数

根据上面得到的各个指数及其权重通过取加权平均值计算得到生态环境质量综合指数。

2 结果与分析

2.1 三峡库区生态环境质量综合指数分析

由表3可见,2000年三峡库区生态环境质量综合指数平均值为0.52,2010年为0.46,并且2010年的生态环境质量综合指数最小值和最大值也均小于2000年,因此2010年的生态环境质量相较于2000年有所退化。2020年三峡库区生态环境质量综合指数平均值为0.53,相较于2010年增加0.07,相较于2000年增加0.01,生态环境质量有所改善。三峡库区生态环境质量较差的地区主要分布于长江沿岸地城市化进程较快的地区,比如重庆市主城区及万州区等;而生态环境质量较好的地区主要分布于各大山区,如武隆区、石柱县、宜昌县等。总体来说,三峡库区生态环境质量综合指数呈现先下降后上升的趋势,2000—2020年,三峡库区生态环境质量整体有所改善。

表3 三峡库区2000—2020年生态环境质量综合指数Table 3 Ecological environment quality comprehensive index in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.2 三峡库区生态环境质量分级评价

参考文献[9],将各期的生态环境质量综合指数按差[0,0.20]、较差(0.20,0.35]、一般(0.35,0.55]、良(0.55,0.75]、优(0.75,1.00] 5个等级进行分级评价,结果如表4所示。总体而言,生态环境质量等级为“差”和“较差”的面积比例较小,生态环境质量等级为“良”的面积比例最大。2020年,生态环境质量等级为“良”和“优”的面积比例为63.73%,明显高于2010年的57.14%和2000年的59.10%,进一步证明三峡库区生态环境质量整体趋向于改善。生态环境质量等级为“差”和“较差”的地区多分布于三峡库区的西南部,因为西南地区以城区为主,人口密集,人类活动频繁,并且植被较少,土壤侵蚀相对严重。

表4 2000—2020年三峡库区生态环境质量分级Table 4 Ecological environment quality grade in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.3 生态环境质量的动态转移分析

进一步统计分析得到三峡库区2000—2010、2010—2020、2000—2020年3个阶段的生态环境质量变化情况(见表5)。2000—2010年三峡库区生态环境质量整体上有所退化,变差的面积比例达到30.37%,而变好的面积比例只有22.29%。2010—2020年三峡库区生态环境质量整体上有较大提升,变差的面积比例只有19.08%,而变好的面积比例达到了33.17%。2000—2020年三峡库区生态环境质量先下降再上升,整体呈现上升趋势,变差的面积比例为20.68%,变好的面积比例为27.35%。

表5 2000—2020年三峡库区生态环境质量动态变化Table 5 Dynamic changes of ecological environment quality in Three Gorges Reservoir Area from 2000 to 2020

2.4 精度验证

由于三峡库区的研究尺度较大,难以进行实地调查验证。本研究采用高分辨率Landsat系列遥感数据结合Google Earth高分辨率影像数据,随机选取了研究区内50个点,对照《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)中生态环境质量状况级别,得到精度验证结果如表6所示,总体精度可靠。

表6 精度验证结果Table 6 The accuracy verification result

3 讨 论

本研究结合EI和RSEI构建了生态环境质量评价体系,对三峡库区长时间序列的生态环境质量进行了评价,从时间和空间两个维度分析了三峡库区整体与局部的生态环境质量及变化特征。总体上,三峡库区生态环境质量2000—2010年有所退化,2010—2020年整体有所改善,与申文明等[17]、周谐等[18]、田培等[19]研究的结论基本一致。在空间格局上,生态环境质量较好的区域位于三峡库区的东部、北部和东南部的山区,如巫溪县、宜昌县、兴山县、石柱县和巴东市等。刘春霞等[20]对三峡库区进行生态敏感性综合评价也表明,山区植被覆盖良好,生态系统多样,物种丰富,生物多样性价值高,生态环境质量较好。土地利用类型变化是揭示区域生态环境质量变化比较直观的指标[21]。在三峡工程建设前期(1990—2002年),三峡库区土地利用类型耕地占主导;而2002年以后,林地、水体、建设用地等土地利用类型比例逐渐提高,耕地面积下降,这与国家在三峡库区采取退耕还林还草、封山育林和建设库区多功能生态防护林等政策[22]有关,加强了水土保持能力,改善了库区的生态环境质量,但效果的显现有一定的滞后性。

EI和RSEI是最常见的生态环境质量评价指数。EI主要在权重合理设置、指标容易获取方面存在问题,还有一个明显不足是无法可视化,空间分析方面的能力较弱。RSEI虽然弥补了EI的一些不足,但存在只考虑自然因素的问题,而且评价结果以主成分表示,不能保证较高的准确性[23-24]。本研究选取EI中部分人为因素指数,结合RSEI中的自然因素指数,采用层次分析法客观准确地确定各指数权重,得到三峡库区的生态环境质量综合指数,可以定性和定量地反映三峡库区生态环境质量空间分布及其变化情况,并且精度可靠。

由于三峡库区生态环境质量评价的模型不统一,因此不同研究者对三峡库区生态环境质量的评价结果难以进行横向比较[25]。因此,建立一个合适的三峡库区生态环境质量评价体系及评价标准还有待进一步研究。在今后的研究中还应加强对三峡库区生态环境质量变化的影响因素研究,从根源上找出影响三峡库区生态环境质量的主要因素,同时应深入分析三峡库区生态环境质量变化的驱动力和驱动机制,针对库区当前的主要生态环境问题采取科学合理的应对方案,从而为三峡水库的长久运行和库区社会经济的可持续发展提供支持[26]。

4 结 论

1) 结合EI和RSEI形成的三峡库区生态环境质量综合评价体系可有效实现三峡库区大尺度长时间序列的生态环境质量评价。

2) 2000—2010年三峡库区生态环境质量呈现下降趋势,而2010—2020年呈现上升趋势,2000—2020年整体上表现为上升趋势。2020年三峡库区生态环境质量等级表现为“良”和“优”的面积比例高于2010、2000年。

3) 从空间分布上看,三峡库区生态环境质量较好的区域主要分布在东部、北部和东南部,如巫溪县、宜昌县、兴山县、石柱县和巴东市等,这些地区以山区为主,植被丰富。生态环境质量较差的区域主要分布在西南部和长江沿岸城市化进程较快的地区,如重庆市主城区和万州区等。