基于遙感生態(tài)指數(shù)的石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)質(zhì)量研究

郭 城 陳 滸

（貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001）

石漠化是指在亞熱帶濕潤地區(qū)脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境背景下，由于受人為因素的影響，導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降、土層變薄，地表逐漸呈現(xiàn)荒漠化景觀的土地退化過程［1］。撒拉溪示范區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，過度依賴土地，且經(jīng)濟(jì)作物單一，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值較低，人地矛盾突出。近年來，撒拉溪示范區(qū)通過技術(shù)實踐，逐步形成了一系列混農(nóng)林生產(chǎn)模式，如核桃+刺梨、核桃+黑麥草、玫瑰+大豆、玫瑰+花椒等。核桃、刺梨、花椒、玫瑰等作物可以通過精加工生產(chǎn)出高附加值的農(nóng)產(chǎn)品。同時，黑麥草的種植滿足了畜牧養(yǎng)殖需求，達(dá)到鞏固封山育林成效的目的［2-5］。本文利用Landsat遙感影像，基于RSEI模型，耦合綠度、干度、濕度、熱度四個指標(biāo)，對示范區(qū)2001—2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

撒拉溪示范區(qū)位于貴州省畢節(jié)市西部的六沖河流域支流區(qū)，總面積為86.27 km2，其中喀斯特面積占該示范區(qū)總面積的95.42%。該示范區(qū)大部分地區(qū)海拔為1 600～1 700 m，氣候冬春溫涼干旱，夏秋溫?zé)釢駸?，熱量資源較豐富，年平均氣溫為14.03 ℃，年均極端最高氣溫為28.4 ℃，年降水量為863 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

遙感影像選擇Landsat系列衛(wèi)星相片，數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn），依據(jù)云量較少、植被生長狀況較好、時相一致、日期接近的原則，確保選用數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行有效對比。本文選擇2001、2009、2020 年撒拉溪示范區(qū)的三幅遙感影像進(jìn)行處理，主要采用Envi5.1對遙感影像依次進(jìn)行輻射校正、大氣校正、圖像配準(zhǔn)、裁剪操作。遙感影像信息如表1所示。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

1.3 研究方法

1.3.1 綠度指標(biāo)。綠度指標(biāo)通常用NDVI來表示［6］。NDVI指數(shù)可以定量表達(dá)植被覆蓋狀況、葉面積指數(shù)和植物生物量。

式中，ρnir為近紅外波段；ρred為紅外波段。

1.3.2 干度指標(biāo)。地表的干度通常與裸土狀況及建筑狀況相關(guān)，在此綜合裸土指數(shù)（SI）與建筑指數(shù)（IBI）組成干度指數(shù)NDBSI［7-8］。

式中，ρ1至ρ7分別為對應(yīng)波段的反射率。

1.3.3 濕度指標(biāo)。根據(jù)纓帽變化得出的濕度分量WET對濕度敏感，可以作為濕度指標(biāo)［9-10］。

1.3.4 熱度指標(biāo)。通常以地表溫度LST表示熱度指標(biāo)［11］。DN為像元原始灰度值；gain表示增益值，bias表示偏差值，參考影像頭文件；L表示熱紅外波段在傳感器位置處的輻射亮度值；K1、K2為輻射定標(biāo)參數(shù)。

1.3.5 RSEI 模型構(gòu)建。因各指標(biāo)值存在差異，對此，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計算公式為：

式中，Vi為原始值；Vmin和Vmax分別為該指標(biāo)的最小值和最大值。

在數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)應(yīng)用中，主成分分析法是最常見的方法之一，其關(guān)鍵優(yōu)勢在于各指標(biāo)權(quán)重非人為確定，可以減少人為干擾造成的誤差。利用Envi軟件進(jìn)行主成分變換，并用1減去PC1得到初始值RSEI0，然后對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，所得RSEI即遙感生態(tài)指數(shù)，值區(qū)間為［0，1］，其值越大，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好。

2 撒拉溪示范區(qū)總體生態(tài)環(huán)境評估

2.1 主成分分析結(jié)果

表2為撒拉溪示范區(qū)2001、2009、2020年所有選擇指標(biāo)的主成分分析結(jié)果。由表2可知，NDVI及WET兩個因子都為正值，對生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出明顯的正向作用，而NDBSI及LST為負(fù)值，對生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)出負(fù)面影響。并且，在對生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)顯著影響的因子中，2001 年及2020 年，NDVI及WET共同起決定作用，而 2009 年NDVI與LST共同起決定作用。與NDVI相關(guān)的植被覆蓋狀況是決定生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵因素，這與實際情況相符。2001、2009、2020 年的第一主成分貢獻(xiàn)率依次為79.17%、83.39%及88.54%，三者的貢獻(xiàn)率均在75%以上，表明已經(jīng)集中了四個指標(biāo)的主要信息，表中所包含的四個指標(biāo)可以用于構(gòu)建評價該區(qū)域的RSEI模型。

表2 主成分分析結(jié)果

表3為2001、2009和2020年RSEI及各指標(biāo)情況。由表 3 可知，2001、2009、2020 年，NDVI值依次為 0.551 2、0.638 3、0.773 9，表明該區(qū)域植被覆蓋狀況顯著改善；WET值依次為0.564 1、0.728 1、0.883 3，隨著植被覆蓋率提升，地表涵養(yǎng)水源能力提高，濕度亦明顯改善；NDBSI值依次為0.520 5、0.561 2、0.363 1，整體表現(xiàn)出下降趨勢；LST值依次為 0.451 8、0.445 5、0.541 2，這與目前氣候變暖現(xiàn)狀相符；該區(qū)域的RSEI值不斷提高，其均值依次為0.515 8、0.593 1、0.699 0，表現(xiàn)出明顯的改善。

表3 RSEI及各指標(biāo)

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級

按照［0，0.2］、［0.2，0.4］、［0.4，0.6］、［0.6，0.8］、［0.8，1.0］的區(qū)間將該區(qū)域的RSEI值進(jìn)行分級，依次為差、較差、中等、良好、優(yōu)秀。由表4 可知，在石漠化治理初期，2001 年，示范區(qū)的優(yōu)秀及良好等級區(qū)域僅占35.21%，且生態(tài)環(huán)境較差及差的區(qū)域占到了26.66%。經(jīng)過石漠化綜合治理，2009 年，生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀及良好的區(qū)域達(dá)到了55.66%，較差及差的區(qū)域減少到了17.31%。2020 年，生態(tài)環(huán)境已經(jīng)得到了明顯提升，示范區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境優(yōu)秀及良好的區(qū)域占到了71.65%，RSEI等級為差及較差的區(qū)域分別為1.11%及9.74%，均位于居民區(qū)附近，符合現(xiàn)實狀況。

表4 各生態(tài)等級區(qū)域面積及占比

2.3 石漠化治理前后示范區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化

表5 為2001—2020 年各階段的RSEI變化狀況。2001—2009 年，生態(tài)環(huán)境改善的區(qū)域已經(jīng)達(dá)到43.54%，表明石漠化治理取得了初步成效；2009—2020年，生態(tài)環(huán)境改善的區(qū)域達(dá)到了53.12%，同時，保持生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀的區(qū)域有38.01%；在這20 年間，生態(tài)環(huán)境改善的面積達(dá)到了63.95 km2，占總面積的74.13%。

表5 各階段RSEI變化狀況

由圖1可知，在空間分布上，在2001年撒拉溪示范區(qū)邊界，由于地勢較高，且遠(yuǎn)離居民區(qū)，因此受人為活動干擾較少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好；距離居民區(qū)愈近，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量愈差。到了2009 年，由于退耕還林政策的實施，示范區(qū)內(nèi)的生態(tài)環(huán)境良好區(qū)域逐漸擴(kuò)大，生態(tài)質(zhì)量較差區(qū)域仍主要集中在居民區(qū)附近，但整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了明顯改善。到了2020年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已經(jīng)發(fā)生顯著變化，且生態(tài)環(huán)境良好區(qū)域已經(jīng)占據(jù)了絕對優(yōu)勢，僅有占比極低的區(qū)域不變或者變差，這表明當(dāng)?shù)厥卫沓尚э@著。

圖1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化圖

3 結(jié)論

撒拉溪示范區(qū)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，以往的放牧、過度開墾對土地資源造成了嚴(yán)重的傷害，石漠化問題突出。通過實踐研究，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H生產(chǎn)、生活，高海拔區(qū)域通過封山育林，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著提高；坡度較陡區(qū)域采取種植經(jīng)濟(jì)林保持水土，生態(tài)恢復(fù)良好；農(nóng)業(yè)用地區(qū)域豐富經(jīng)濟(jì)作物種類，兼顧種植業(yè)和畜牧業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，緩解用地矛盾［12］。石漠化綜合治理在提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)水平的同時，使生態(tài)環(huán)境也得到了明顯改善，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)與生態(tài)共同進(jìn)步，有利于經(jīng)濟(jì)與生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。