基于遥感生态指数的河南连康山国家级自然保护区生态环境质量时空变化研究

陈 亮,孙钰蘅

(1. 信阳师范大学 旅游学院, 河南 信阳 464000; 2. 中国城市规划设计研究院 城乡治理所, 北京 100044)

0 引言

目前,我国正在实施自然保护地改革,着力构建以国家公园为主体、自然保护区为基础、各类自然公园为补充的自然保护地体系[1]。作为自然保护地体系的核心构成部分,自然保护区是生物多样性保护的关键地带,科学评估其生态环境质量变化,对其生态保护修复与规划建设至关重要。

生态环境质量评估是通过构建合理的环境要素指标体系,在一定时空范围内评估其适宜人类生存的程度和社会经济的可持续发展状况[2]。遥感生态指数(remote sensing ecological index, RSEI)基于遥感影像数据,耦合了绿度、湿度、干度和热度等生态环境敏感参数[3],有效解决了传统生态环境指数存在的计算复杂、适用范围有限等弊端[3],能够及时准确地表征区域生态环境质量,已广泛应用于自然保护区[4]、公园[5]、城市[6]、流域[7]等不同尺度的生态环境变化监测,并取得了良好的效果。

影响区域生态环境质量变化的因子众多,大量研究表明生态环境质量变化除了受气候变化和人类活动影响外,还与地形因子关系密切[8-11]。海拔、坡度、坡向等地形因子很大程度上决定了人类生产生活格局,从而决定了区域的人类活动强度,同时影响局地气候条件的空间差异,对生态环境质量有显著影响和干扰[9-10],因此,分析生态环境质量随海拔、坡度、坡向的变化对于揭示生态环境质量的地形特征以及有针对性地采取治理措施有重要意义。

河南连康山国家级自然保护区分布着河南省面积最大的常绿阔叶林群落,不仅是长江、淮河许多一级、二级支流的重要的水源涵养林区,还是大别山水土保持生态功能区的关键组成部分。因此,其生态环境质量关系到区域乃至整个江淮流域的生态安全。此外,保护区地形地貌相对复杂,以山地、丘陵为主,生态环境质量时空动态变化与地形特征的关系尚不明确。因此,为进一步提升连康山国家级自然保护区的建设、保护、管理水平,本文基于Landsat-8 OLI/TIRS影像,采用RSEI评价方法对2013—2021年连康山国家级自然保护区的生态环境进行综合评价,结合海拔、坡度、坡向等地形数据分析保护区生态的时空变化特征,以期为连康山国家级自然保护区的生态恢复和科学管理提供方向指引与科学参考。

1 研究区概况

河南连康山国家级自然保护区(114°45′—114°55′ E; 31°31′—31°40′)位于河南南部新县境内(图1),地处大别山北麓,总面积105.80 km2,核心区、缓冲区、实验区的面积分别为47.00、15.20和43.60 km2。地势南高北低,最高峰位大风尖(海拔775 m)。保护区属北亚热带湿润气候区,年平均气温15.1 ℃,平均年降水量1 313.8 mm,日照时数1 742.3 h,相对湿度77%,无霜期243.7 d[12]。气候温暖湿润,四季分明,雨热同季,降水、光照充足,优越的水热条件为各种动植物生长创造了良好的生境条件,具有丰富的生物多样性。

图1 连康山国家级自然保护区位置示意图

2 数据源与研究方法

2.1 数据源及处理

选取三期季节相同、云量少的高质量Landsat-8 OLI/TIRS遥感影像,用以计算研究区的RSEI,具体成像时间分别为 2013年9月17日、2017年10月30日、2021年9月23日,行列号为123/38。

地形数据为NASA提供的30 m分辨率的GDEM V2版本的DEM数据,由该数据提取研究区的高程、坡度和坡向数据(图2)。以上所有数据均经裁剪、重采样、投影为具有相同分辨率和投影的栅格数据。

图2 研究区高程、坡度及坡向

2.2 遥感生态指数

RSEI模型由徐涵秋[3]基于4个自然因子提出,为区域生态质量监测评估提供了一种快速客观的技术,公式为:

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

式中:NDVI为归一化植被指数,WET为湿度分量,LST为地表温度,NDBSI为干度指标,各参数按照文献[3-4]中的方法进行计算。PCA是空间主成分分析,对RSEI0的值进行归一化处理即可获取RSEI,值域为[0,1],RSEI值越大,代表生态环境质量越好[3]。

3 结果与分析

3.1 各指标主成分分析结果

由表1可知,3个时期(2013、2017和2021年),研究区各环境指标对第一主成分(PC1)的贡献率分别达到76.859 8%、77.532 4%和71.545 7%。各指数相对稳定,表明第一主成分集中了4个指数的大部分特征。在第一个主成分中,NDVI、WET和LST为正值,表明它们在生态环境质量方面共同发挥着积极作用。NDBSI值则由0.540 8变为-0.001 6,反映干度对研究区生态环境质量的影响由正转负。其他主成分(PC2、PC3和PC4)的符号和大小不稳定,难以解释生态现象[4]。因此,RSEI是通过PC1对4个指标进行整合形成。

表1 主成分分析结果

3.2 功能区生态环境质量分析

为了进行生态环境质量比较,需对研究区2013、2017和2021年的RSEI值进行归一化处理。在此基础上,计算了RSEI和4个指标的平均值(表2)。此外,还计算了不同功能区的RSEI值(图3)。由表2可知,研究区2013、2017和2021年的RSEI平均值分别为0.251、0.397和0.597,呈现出逐渐上升态势,表明研究区的生态环境质量在稳步提升。其中,NDVI和WET呈现先下降后上升的趋势,LST呈现逐渐上升趋势,NDBSI则呈现先上升后下降的趋势。

表2 各指标及遥感生态指数(RSEI)的平均值

图3 连康山国家级自然保护区不同功能区RSEI的变化

从图3可以看出,与2013年相比,2021年核心区、缓冲区和实验区RSEI的上四分位数、平均值、中位数和下四分位数均有所提升。2013年和2021年,实验区RSEI的上四分位数、平均值、中位数和下四分位数高于核心区和缓冲区,而2017年缓冲区RSEI的平均值、中位数、下四分位数稍高于实验区。2013—2021年,核心区和缓冲区的上四分位数与下四分位数的差值有所增大,表明核心区和缓冲区的生态环境质量呈现不均衡发展趋势。试验区的上四分位数与下四分位数的差值呈现先增大后缩小的趋势,表明实验区的生态环境质量由早期的不均衡逐渐趋于均衡状态。总体而言,2013—2021年,核心区、缓冲区和实验区的RSEI呈上升趋势,表明研究区的生态环境质量正朝着良好的方向发展。

3.3 生态环境质量变化分析

参考《生态环境评价技术规范》的规定,将RSEI以0.2为间隔,分成为5个等级:差[0,0.2)、低[0.2,0.4)、中[0.4,0.6)、良[0.6,0.8)、优[0.8,1.0)[3]。分级统计结果表明,2013年、2017年和2021年,差、低等级RSEI整体占比分别为90.18%、50.83%和8.02%,呈大幅下降趋势。与此同时,良和优等级RSEI整体占比分别为1.39%、6.21%和54.05%,呈现上升的趋势。2013年,研究区RSEI以低、差等级为主,比例分别为53.06%和37.12%。差等级在研究区的中部及南部有大面积连片分布,低等级主要集中分布在研究区的北部、东部及南部,等级为优和良的区域面积很小,主要零星分布于研究区的西北部、东部和中南部。2017年,研究区RSEI以低、中等级为主,分别占比45.23%和42.95%。低等级主要成片分布在研究区的北部及中部,等级为中的区域分布较为广泛,等级为优和良的区域主要位于研究区的东部和中南部。2021年,研究区RSEI以良、中等级为主,比例分别为50.27%和37.93%。等级为良的区域主要集中连片分布在研究区的南部,等级为中、低、差的区域主要位于研究区的中北部,尤其在核心区和实验区分布集中(图4)。

图4 连康山国家级自然保护区RSEI等级分布

为了分析保护区的生态质量变化特征,对2013—2021时间段内的RSEI差值进行计算,并经过归一化处理,将计算结果按0.2为间距等距划分为5种变化类型,分别是显著变差、轻微变差、基本不变、轻微改善和显著改善(图5)。

图5 2013—2021年连康山国家级自然保护区RSEI变化检测

2013—2021年间,研究区RSEI显著变差和轻微变差的面积分别只有0.15 km2和2.63 km2,变化比例分别为0.14%和2.49%,主要集中分布在研究区的北部,核心区的北端。而RSEI轻微改善和显著改善的面积分别达到53.98 km2和28.48 km2,变化比例分别为51.02%和26.92%,主要位于研究区的中部和南部。总体而言,研究区RSEI净改善面积为79.67 km2,比例为75.30%,生态环境质量得到大幅改善。这一结果主要归功于,在2005年升级为国家级自然保护区之后,保护区加强了资源保护和生态环境建设,人类活动相对减少,森林和草地得到恢复。尤其在2013年以来,保护区被纳入国家大别山水土保持生态功能区生态保护与建设规划(2013—2020年)[13],实施了一系列的山水林田湖草综合治理项目,有力促进了保护区自然生态系统质量的整体改善。

4 讨论

4.1 RSEI变化与地形特征的关系

为了更加准确地揭示2013—2021年连康山国家级自然保护区RSEI变化与地形特征的关系,结合研究区的高程频率分布特点,采用标准差分级法[10],对断点值采取四舍五入,将其高程分成5级:[84,174) m、[174,309) m、[309,464) m、[464,608) m、[608,775) m(图6a)。可以看出,各高程RSEI均以改善为主,净改善区域的面积随高程的升高呈现出先升高后降低的趋势,主要集中在高程174～608 m之间,面积为68.48 km2,占比85.95%。各高程RSEI显著变差和轻微变差区域的面积小,均集中在海拔309～608 m处,分别为0.1 km2和1.58 km2,所占比例分别为66.67%和60.08%。轻微改善和显著改善区域的面积均在海拔309～464 m处最大,分别为17.57 km2和10.59 km2,所占比例分别为32.55%和37.18%。同时,显著变差、轻微变差、轻微改善、显著改善及净改善区域的面积均在高程309～464 m处最大。因此,中海拔区域(309～464 m)的RSEI变化相对剧烈,既是生态环境质量的主要改善区,也是主要恶化区,应加大该区域的生态保护和治理力度。

图6 RSEI变化与地形因子的关系

根据《森林资源规划设计调查技术规程》中的坡度分级法[14],将河南连康山国家级自然保护区的坡度划分成为6个等级:[0°,5°)、[5°,15°)、[15°,25°)、[25°,35°)、[35°,45°)、[45°,57°)。由图6b可知,各坡度RSEI净改善区域的面积随坡度的增大同样呈现出先升高后降低的趋势,主要集中在坡度5°～35°之间,面积为73.92 km2,占比92.78%。但值得注意的是,与净改善区域的面积分布特点相似,坡度5°～35°之间也是RSEI显著变差和轻微变差的主要分布区域,面积分别为1.2 km2和2.37 km2,所占比例分别为80.00%和90.11%。因此,坡度5°～35°是RSEI“两极分化”现象严重的区域,应有针对性地采取整体保护与系统修复措施,切实维护生态环境安全。轻微改善和显著改善区域的面积均在坡度5°～15°处最大,分别为21.00 km2和12.60 km2;在坡度45°～57°处最小,分别只有0.08 km2和0.02 km2。

由图6c可知,各坡向上RSEI变化不尽相同。就净改善区域的面积而言,西南坡的净改善面积最小(8.70 km2),其次是东北坡(8.91 km2);东南坡的净改善面积最大(11.70 km2),其次是北坡(10.68 km2)和西北坡(10.67 km2)。各坡向RSEI显著变差和轻微变差区域的面积均在南坡最大,分别为0.1 km2和0.56 km2,总体上阳坡(南、西南、西、西北)所占面积比例分别比阴坡(北、东北、东、东南)高46.67%和36.88%,呈现阳坡大幅领先阴坡的特点。因此,阳坡是研究区RSEI降低的主要区域,应当加强阳坡区域的生态保护和修复,尽快遏制生态环境恶化的势头。轻微改善区域面积在北坡最大(8.47 km2),西北坡(8.23 km2)次之,西南坡(5.42 km2)和东坡(5.86 km2)则明显偏小。显著改善区域的面积在东南坡最大(4.96 km2),南坡(4.20 km2)次之,而北坡(2.47 km2)则最小。

4.2 局限性和未来研究计划

利用RSEI模型监测2013—2021年连康山国家级自然保护区生态环境质量动态变化,结果表明,研究区生态环境质量呈现逐渐上升态势,这与王雅婷等[15]在大别山西段生态环境质量演化研究的结果基本一致。

区域生态环境质量受气候、地形、土壤等自然因素和城市建设、生态治理等人类活动的多重影响[8-11],本文仅分析了地形因子对生态环境质量的影响,未来应考虑多种因素,综合探究生态环境质量变化的原因。研究区属季风气候区,受云量和成像质量的影响,在2013—2021年间选择了3期数据进行研究,未来可耦合多源数据进行长时序监测。此外,RSEI虽能有效地对区域生态环境质量进行评估并将结果可视化[3],但在指标选取、指数构建方法方面具有局限性[16],并且不同传感器计算的RSEI可能具有差异性[15]。随着遥感数据的丰富和分析模型的改进,相关研究结果将在未来持续改善。

5 结论

基于2013、2017和2021年河南连康山国家级自然保护区的Landsat-8 OLI/TIRS数据,构建RSEI,调查分析了2013—2021年连康山国家级自然保护区生态环境质量的时空变化特征,并结合DEM数据探讨了RSEI变化与地形特征的关系。主要结论如下:

(1)研究区2013、2017和2021年RSEI平均值分别为0.251、0.397和0.597,呈现出逐渐上升态势,生态环境质量持续改善。核心区和缓冲区的生态环境质量不均衡发展趋势加重,实验区的生态环境质量在经历一段时间的剧烈波动后,又逐渐回到平衡状态。

(2)2013—2021年间,RSEI显著变差和轻微变差的区域主要分布在研究区的北部,核心区的北端。而RSEI轻微改善和显著改善的区域主要位于研究区的中部和南部。研究区整体生态环境质量得到大幅改善。

(3)中海拔(309～464 m)、坡度5°～35°区域是研究区RSEI变化相对剧烈的区域,既是生态环境质量的主要改善区,也是主要恶化区。此外,阳坡(南、西南、西、西北)是研究区RSEI降低的主要区域。因此,应有针对性地加大中海拔、中低坡度以及阳坡恶化区域的生态环境保护治理力度。