江仕嶸,童亞文,劉耀華,張青峰,洪 波

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2.秦嶺國家植物園,西安 710061；3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 風(fēng)景園林藝術(shù)學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

隨著人口的迅猛增長和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步,生態(tài)環(huán)境問題變得日益嚴(yán)峻,無論是在發(fā)達(dá)國家還是在發(fā)展中國家,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重大問題[1-2]。2006年國家環(huán)境保護(hù)部頒布了《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192-2006),提出基于遙感技術(shù)的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)EI(Ecological Index)方法,用以說明一個(gè)地區(qū)的整體生態(tài)環(huán)境狀況。據(jù)此,邵波等[3]、張沛等[4]、孟巖等[5]分別對中國西北地區(qū)(陜、甘、寧、新、青)五省區(qū)、塔里木河流域、黃河三角洲墾利區(qū)等進(jìn)行了不同地理尺度條件下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)研究。然而,該方法用以分析研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢,難以定量化地研究區(qū)內(nèi)部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其空間分布[6],不利于人們開展具有針對性的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略。為此,各國學(xué)者分別開展了不同區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布狀況的評價(jià)研究,如Ochoa GS等[7]、孟楠等[8]、曾輝等[9]、李裕瑞等[10]、魏冬等[11]分別基于多標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)方法、重心遷移定量模型、空間分析方法、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)評估等,對墨西哥熱帶森林、澳門市、深圳市北部、寶塔區(qū)石家河流域、寧夏回族自治區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況開展了植被、景觀格局、綜合生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)、景觀形態(tài)、調(diào)節(jié)水量、凈化水質(zhì)等指數(shù)的相關(guān)研究,取得了一些重要進(jìn)展。但是,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況受到多因素的影響,以往研究多基于單一指標(biāo)進(jìn)行而難以反映研究區(qū)不同的生態(tài)特征。

秦嶺國家植物園是目前世界上面積最大、植被分帶最清晰、最具自然風(fēng)貌的植物園,具有良好的物種保育、科學(xué)研究、公眾教育、生態(tài)旅游功能,也是我國第1個(gè)國家級植物園,對其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的整體狀況及空間分布特征進(jìn)行評價(jià)具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing based Ecological Index,RSEI)方法[12],從綠度、濕度、干度和溫度4個(gè)維度出發(fā)來評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,以期為定量評價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況提供良好的方法參考。

1 研究區(qū)概況

秦嶺國家植物園位于陜西省西安市周至縣境內(nèi),地處33°43′～34°04′N和108°13′～108°29′E之間,總土地面積650.66 km2。年平均降水量800 ～900 mm,年平均溫度8～10 ℃,屬暖溫帶大陸性山地氣候,海拔跨度480～3 000 m,由北向南依次為平原、丘陵、低山、中山和高山五種地貌單元。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文選用2016年6月的Landsat 8 OLI和TIRS影像(https://www.usgs.gov)；土壤數(shù)據(jù)來自陜西省1∶25萬土壤類型圖,經(jīng)數(shù)字化所得；高程數(shù)據(jù)為ASTER GDEM V2 DEM(http://www.gscloud.cn)；土地利用數(shù)據(jù)通過Landsat 8影像提取。為了消除不同時(shí)相因大氣傳輸特性、平臺運(yùn)行狀況及傳感器系統(tǒng)等因素所造成地誤差,對Landsat 8影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何精校正和配準(zhǔn),以保證得影像的準(zhǔn)確性和可疊加性。

2.2 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)

EI方法分別利用生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負(fù)荷等5個(gè)指數(shù)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境整體狀況進(jìn)行評價(jià),計(jì)算公式見《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ 192-2015)[13]。

2.3 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)

RSEI方法通過綠度[14]、溫度[15]、干度[16]、濕度[17]等4個(gè)指標(biāo)來反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況。該方法在對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理的基礎(chǔ)上,運(yùn)用主成分分析法(PCA)[18]消除指標(biāo)間的多重共線性并構(gòu)建RSEI。

3 結(jié)果與分析

3.1 整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況

根據(jù)EI方法的計(jì)算結(jié)果可知(表1):秦嶺國家植物園的生物豐度指數(shù)為84.01,說明園區(qū)的生物類型種類豐富,生態(tài)系統(tǒng)多樣化,抵御物種入侵能力強(qiáng),具有良好的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性；植被覆蓋指數(shù)為84.85,植被覆蓋率較高,受人類活動(dòng)影響較小,具有良好的生態(tài)景觀；土地脅迫指數(shù)較小為0.06,園區(qū)內(nèi)植物對水土流失的抑制作用,反映了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要性；污染負(fù)荷指數(shù)較高為53.65,這可能是由于園區(qū)北部人類活動(dòng)較為頻繁,交通、廢棄物排放等問題所致。園區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為72.80,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況整體為良。

表1 生態(tài)環(huán)境狀況分指數(shù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布特征

3.2.1主成分分析

秦嶺國家植物園綠度、濕度、干度和溫度等4個(gè)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果如表2所示。在第一主成分和第二主成分中,干度指標(biāo)的貢獻(xiàn)度最高；在第三主成分中，溫度指標(biāo)的貢獻(xiàn)度最高；在第四主成分中，綠度指標(biāo)的貢獻(xiàn)度最高。濕度指標(biāo)在各主成分中均較為穩(wěn)定。第一主成分的貢獻(xiàn)率為77.09%>75%,且其極差和方差最小,分別為0.18和0.005。

表2 各指標(biāo)主成分貢獻(xiàn)度

通過構(gòu)建各主成分方程并計(jì)算綜合得分可知(表3),第一主成分綜合得分為0.95,遠(yuǎn)大于其余主成分,說明第一主成分具有良好的代表性,其指標(biāo)貢獻(xiàn)率更穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)更合理。

3.2.2相關(guān)度分析

各指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)矩陣如表4所示。濕度、綠度與RSEI成正相關(guān)關(guān)系,而干度、溫度與RSEI成負(fù)相關(guān)關(guān)系,與實(shí)際情況相符；干度與其他指標(biāo)的平均相關(guān)度最高(0.83)，而溫度的平均相關(guān)度最低(0.52)；RSEI與4個(gè)指標(biāo)平均相關(guān)度為0.87,具有良好的綜合性,可用于制圖評價(jià)。

表3 各主成分得分表

表4 各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

3.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布狀況

由圖1可知,秦嶺國家植物園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上表現(xiàn)出由南向北逐漸下降的趨勢。北部S107省道附近是人口居住區(qū),深受人類社會經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響；田峪河和韓峪溝溝谷,可能受水流、地形等因素的影響,植被覆蓋度較低,進(jìn)而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與周圍表現(xiàn)出明顯差異；南部光頭山山頂為裸露地表,植被稀少,生物多樣性差:這是以上區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的主要原因。西部晏家山、東部首陽山、南部老磯溝和南叉溝的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)。這些區(qū)域的降雨、氣溫、光照等條件適宜植物生長,植被茂盛,生態(tài)功能穩(wěn)定。

圖1 基于RSEI方法的秦嶺國家植物園生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級圖

4 結(jié)論與討論

1) EI方法與RSEI方法的結(jié)合,不僅可說明秦嶺國家植物園整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況,還可反映其空間分布特征并可進(jìn)行可視化表達(dá),反映不同的生態(tài)特征,為園區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的定量化評價(jià)提供方法依據(jù),利于人們更好地展開生態(tài)保護(hù)工作。

2) 秦嶺國家植物園生態(tài)環(huán)境狀況整體良好,自然生態(tài)相對較好,生態(tài)功能相對穩(wěn)定。園區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域中,由北至南,隨著人類活動(dòng)對生態(tài)環(huán)境影響的減小,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸升高。

3) 在對園區(qū)進(jìn)行EI分析時(shí),由于數(shù)據(jù)收集難度,無法將生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地脅迫、污染負(fù)荷等因子都融合到同一格網(wǎng)中,這也是利用EI方法無法進(jìn)行園區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況分布特征評價(jià)的主要原因。而在RSEI分析時(shí),是否可在對綠度、濕度、干度和溫度等4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行空間聚類分析,同時(shí)細(xì)化分區(qū)方案以劃分不同的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況分區(qū),以便更加有效地開展有針對性的生態(tài)環(huán)境保護(hù)策略；同時(shí),這2種方法的結(jié)合,是否具有不同研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況評價(jià)的普適性,都需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。