邵子卿，囤興建，張佳辰，張子胥，高 鵬，許景偉，張義群

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，271018，山東泰安；2.山東省林業(yè)科學(xué)研究院，250014，濟(jì)南；3.山東省藥鄉(xiāng)林場，271018，山東泰安)

良好的生態(tài)環(huán)境既是人類發(fā)展最重要的前提，也是社會(huì)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。海岸帶城市具備豐富的自然資源和地理優(yōu)勢，海岸帶地區(qū)生態(tài)質(zhì)量的好壞是影響其可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[2]。傳統(tǒng)的遙感生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)方法大多基于單一監(jiān)測指標(biāo)，難以較好地全面揭示生態(tài)環(huán)境的系統(tǒng)性變化[3]。近年來，一種以自然因子為主的多指標(biāo)綜合生態(tài)指數(shù)—遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index，RSEI)被用于城市生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中[4]，RSEI集成植被、濕度、溫度和干度等多個(gè)評(píng)價(jià)因子，可避免人為權(quán)重設(shè)定的影響，并在森林、草地、流域和城市等多個(gè)生態(tài)類型的監(jiān)測中得到一定程度的應(yīng)用[5-9]，但對(duì)于海岸帶城市生態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究較少。目前對(duì)海岸帶城市的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要集中在生態(tài)安全和生態(tài)承載力方面[10-11]，建立的評(píng)價(jià)模型更多考慮人為因素對(duì)生態(tài)質(zhì)量的影響。山東半島城市群，由于其海岸帶資源豐富、開發(fā)利用程度高，海岸帶城市生態(tài)質(zhì)量受到較大影響。基于此，筆者以海岸帶城市青島市為研究區(qū)域，以青島市2005、2009、2014和2019年遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過提取綠度(normalized difference vegetation index, NDVI)、濕度(wetness, WET)、干度(normalized difference build and soil index, NDBSI)和熱度(land surface temperature, LST)等指標(biāo)信息，構(gòu)建青島市RSEI模型，研究青島市生態(tài)質(zhì)量的時(shí)空變化，探討海岸帶水土保持生態(tài)修復(fù)對(duì)青島市生態(tài)質(zhì)量變化的影響效果，以期為青島市海岸帶生態(tài)修復(fù)與治理開發(fā)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

青島市地處山東半島南部，位于E 119°30′～121°00′、N 35°35′～37°09′，東、南瀕臨黃海，是中國沿海重要海岸帶中心城市。青島市森林、濕地、草地生態(tài)系統(tǒng)面積分別為1 628.53、1 103.21和218.36 km2，分別占青島總面積的14.42%、9.77%和1.93%。2019年全市平均降水量421.6 mm，折合降水總量47.57億m3；年平均氣溫12.2 ℃，最熱的8月，平均氣溫25.1 ℃；最冷的1月，平均氣溫-1.2 ℃(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)主要來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)，筆者選取2005、2009、2014和2019年4期云量均<2%的Landsat TM/OLI系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)。為保證RSEI均值及其各分量指標(biāo)計(jì)算的精準(zhǔn)性，進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算之前利用Envi 5.3對(duì)4期影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、去條帶等預(yù)處理。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用空間分析工具，獲取2005—2019年青島市生態(tài)質(zhì)量等級(jí)變化數(shù)據(jù)，利用創(chuàng)建漁網(wǎng)工具，將網(wǎng)格信息與指標(biāo)信息進(jìn)行疊加分析，并提取網(wǎng)格中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)，最后利用SPSS 24.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。

2.2 RSEI指數(shù)計(jì)算

RSEI模型集合LST、NDVI、WET和NDBSI 4個(gè)分量指標(biāo)。這4個(gè)指標(biāo)能直觀反映生態(tài)質(zhì)量的優(yōu)劣。LST與植被生長、農(nóng)作物產(chǎn)量、城鎮(zhèn)化等自然、人文現(xiàn)象及過程密切相關(guān)，代表熱度[12]；NDVI與植物生物量、葉面積指數(shù)以及植被覆蓋度密切相關(guān)，代表綠度[13]；濕度(WET)采用纓帽變換獲得，可反映水體、土壤和植被的濕度[14]；選用裸土指數(shù)和建筑指數(shù)的平均值來代表干度(NDBSI)[14]。由于4個(gè)分量指標(biāo)具有不同的單位及量綱，所以將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[12]。然后利用主成分分析法，將4個(gè)維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，得到第1主成分(the first principal component，PC1)，進(jìn)而通過歸一化處理得到遙感生態(tài)指數(shù)，其計(jì)算公式為

I0=1-PC1；
I=(I0-Imin)/(Imax-Imin)。

式中：I0為初始的生態(tài)指數(shù)；I為遙感生態(tài)指數(shù)；Imin為初始生態(tài)指數(shù)的最小值；Imax為初始生態(tài)指數(shù)的最大值。I值介于[0,1]之間，值越高，代表生態(tài)質(zhì)量越好，反之說明生態(tài)質(zhì)量越差。

2.3 生態(tài)質(zhì)量分級(jí)

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將I值劃分為5個(gè)等級(jí)，即：生態(tài)質(zhì)量差[0, 0.2)、較差[0.2, 0.4)、中等[0.4, 0.6)、良好[0.6, 0.8)、優(yōu)秀[0.8, 1.0)。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)質(zhì)量RSEI模型檢驗(yàn)

2005、2009、2014和2019年P(guān)C1的貢獻(xiàn)度(荷載)分別為95.82%、97.83%、98.19%和98.52%，均>85%，表明PC1已集中4個(gè)分量指標(biāo)的絕大多數(shù)特征信息，可用于構(gòu)建RSEI模型。由表1可知，I值與4個(gè)分量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)均值為0.803，比相關(guān)系數(shù)最高的LST高6.9%，比最低的NDBSI高36.79%，比4個(gè)分量指標(biāo)的平均值(0.667)高20.57%，顯然，I值與各指標(biāo)間的相關(guān)度更高，因此，利用RSEI模型來綜合反映青島市生態(tài)質(zhì)量變化狀況更為合理和準(zhǔn)確[15]。

表1 青島市RSEI模型與各分量指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 生態(tài)質(zhì)量時(shí)間變化特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)顯示，青島市2005、2009、2014和2019年I均值分別為0.433、0.468、0.470和0.578，表明青島市2005—2019年間生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢。其中2005—2009，2009—2014和2014—2019年的漲幅分別為8.0%、0.4%和22.9%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，NDVI和WET為正值，對(duì)青島市生態(tài)質(zhì)量起正向作用，NDBSI和LST為負(fù)值，對(duì)生態(tài)質(zhì)量起負(fù)向作用。

對(duì)2005—2019年各等級(jí)所占面積和比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2005年青島市生態(tài)質(zhì)量等級(jí)以中等等級(jí)為主，其次是較差等級(jí)，優(yōu)秀等級(jí)面積最少。2009年生態(tài)質(zhì)量仍以中等等級(jí)為主，但較2005年增加29.15%，較差和差等級(jí)面積分別減少41.58%和67.70%。2014年中等等級(jí)面積相比2009年繼續(xù)增加，良好和優(yōu)秀等級(jí)面積分別增加161.35%和105.77%，較差和差等級(jí)面積分別減少81.79%和53.33%。到2019年，RSEI等級(jí)以中等和良好等級(jí)為主，生態(tài)質(zhì)量良好等級(jí)的面積大幅增加，生態(tài)質(zhì)量較差和差等級(jí)面積分別減少57.48%和45.03%。

3.3 生態(tài)質(zhì)量空間分布特征

2005—2019年青島市生態(tài)質(zhì)量總體分布狀況如圖2所示，2005年青島市生態(tài)質(zhì)量等級(jí)以中等和較差為主，中等等級(jí)分布在青島市西部的膠州市、平度市，較差及差等級(jí)分布在即墨區(qū)及平度市東部。2009年中等等級(jí)面積大幅增加，主要分布在即墨區(qū)和黃島區(qū)南部，較差及差等級(jí)分布在青島市中部的城陽區(qū)、黃島區(qū)北部。2014年中等等級(jí)占青島市的絕大部分，良好及以上等級(jí)面積持續(xù)增加，主要分布在嶗山區(qū)、即墨區(qū)東部。到2019年青島市生態(tài)質(zhì)量等級(jí)以良好和中等為主，分布較為均勻，較差及差等級(jí)主要集中在青島市的中心城區(qū)。

圖2 青島市生態(tài)質(zhì)量等級(jí)空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of ecological quality grades in Qingdao city

由表4可知，2005—2019年間，青島市生態(tài)質(zhì)量保持不變的區(qū)域面積為4 129.680 km2，占總面積的33.70%；生態(tài)質(zhì)量狀況提升的區(qū)域面積為7 896.754 km2，占64.43%，以等級(jí)增加一級(jí)為主；生態(tài)質(zhì)量狀況下降的地區(qū)面積為229.236 km2，只占總面積的1.87%。

表4 青島市2005—2019年生態(tài)質(zhì)量等級(jí)轉(zhuǎn)移變化

4 討論

4.1 各分量指標(biāo)荷載值的變化特點(diǎn)

指標(biāo)因子權(quán)重受所評(píng)價(jià)地區(qū)的地貌、人類活動(dòng)、經(jīng)濟(jì)、政策等因素綜合影響。對(duì)不同區(qū)域生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行分析時(shí)，指標(biāo)因子的荷載也會(huì)不同。羅春等[16]在研究常寧市生態(tài)變化時(shí)得出，植被狀況對(duì)常寧市的生態(tài)質(zhì)量起決定性作用；王東升等[13]研究阜新市的生態(tài)環(huán)境時(shí)指出植被狀況及熱度對(duì)阜新市生態(tài)質(zhì)量的影響最大，濕度的影響最小。筆者研究表明，對(duì)青島市生態(tài)質(zhì)量影響最大的是濕度和綠度，其次是干度，影響最小的是熱度。這與青島市的地理位置密切相關(guān)，青島市屬海岸帶城市，受海洋氣候影響較大，常年空氣濕度較大。

4.2 自然及人為因素對(duì)青島市生態(tài)質(zhì)量的影響

2005—2019年青島市生態(tài)環(huán)境呈逐漸變好的趨勢。這與青島市水土保持生態(tài)修復(fù)與生態(tài)保護(hù)政策的推動(dòng)是密不可分的。2005年青島市在嶗山區(qū)等5個(gè)地區(qū)建設(shè)全國生態(tài)示范區(qū)，并在全市開展環(huán)保專項(xiàng)行動(dòng)，緩解城市熱島效應(yīng)，使生態(tài)質(zhì)量大幅提升。自2008年開始，由于許多大規(guī)模的修路筑壩、填海造地等不合理的土地圍墾以及大面積的濕地規(guī)劃為城市建設(shè)用地，使得濕地生態(tài)環(huán)境遭到破壞[17]。為緩解城市化對(duì)濕地造成的破壞，政府出臺(tái)“環(huán)灣保護(hù)行動(dòng)”計(jì)劃，解決環(huán)灣區(qū)域突出的環(huán)境問題，改善環(huán)灣區(qū)域生態(tài)環(huán)境。至2013年，青島市推進(jìn)“國家森林城市”建設(shè)，開展大規(guī)模植樹綠化和水土保持生態(tài)修復(fù)工程，有效修復(fù)城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境，增加植被覆蓋率。2019年，在加快發(fā)展現(xiàn)代林業(yè)，建設(shè)綠色青島的同時(shí)，推進(jìn)“海綿城市”的建設(shè)[18]，緩解城市雨島效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)雨水資源的充分利用和生態(tài)環(huán)境平衡。

5 結(jié)論

1)濕度和綠度對(duì)青島市的生態(tài)質(zhì)量影響最大，在未來的城市開發(fā)建設(shè)中，通過構(gòu)建各級(jí)公園、公共綠地等，有效提升植被覆蓋度，增強(qiáng)城市的水土保持能力。

2)青島市生態(tài)質(zhì)量總體呈上升趨勢，空間分布呈郊區(qū)優(yōu)于中心城區(qū)的格局。生態(tài)質(zhì)量惡化區(qū)域集中分布在膠州灣北部、西部沿海區(qū)域，生態(tài)質(zhì)量改善的區(qū)域主要分布于即墨區(qū)，萊西市、平度市北部以及黃島區(qū)和膠州市的交界處。

3)由于海岸帶城市生態(tài)系統(tǒng)的形成受多種因素的影響，遙感生態(tài)指數(shù)在一定程度上無法全面反映海岸帶的生態(tài)質(zhì)量。在今后研究中，需要結(jié)合多方面生態(tài)要素進(jìn)行綜合分析。