基于遙感生態(tài)指數(shù)的龍溪—虹口國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估

劉立冰,熊康寧,任曉冬①

(1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院,貴州 貴陽(yáng) 550001;2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽(yáng) 550001)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及自然環(huán)境的不斷改變,生物多樣性減少、水土流失、土地荒漠化等環(huán)境問(wèn)題層出不窮,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。如何快速準(zhǔn)確地評(píng)估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,成為當(dāng)今迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法包括模糊評(píng)價(jià)法[1]、層次分析法[2]、PSR模型[3]等,這些方法受主觀因素影響較大,主成分分析法[4]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]的出現(xiàn)解決了主觀權(quán)重賦值的問(wèn)題。2006年原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》為生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)提供了標(biāo)準(zhǔn),生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)得到廣泛應(yīng)用,但其指標(biāo)權(quán)重需要人為設(shè)定,且存在評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法空間可視化的問(wèn)題。伴隨著遙感與地理信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,徐涵秋[6]在對(duì)福建長(zhǎng)汀水土流失區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí),率先提出遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI),由于數(shù)據(jù)完全通過(guò)遙感獲取,大大降低了數(shù)據(jù)收集的難度,還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作,便于不同時(shí)期之間的對(duì)比，利用主成分分析法進(jìn)行權(quán)重賦值,提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。近年來(lái),眾多專(zhuān)家學(xué)者利用該方法對(duì)城市[7]、礦區(qū)[8-9]、沙漠[10]、黃土流失區(qū)[11]等不同區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià),其中也不乏針對(duì)自然保護(hù)區(qū)的研究[12-13]。

龍溪—虹口國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)所在的橫斷山北段動(dòng)植物資源極其豐富,是全球34個(gè)生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)域之一[14]。保護(hù)區(qū)為岷山山系大熊貓B種群的重要棲息地,是連接2個(gè)最大的大熊貓種群(岷山種群和邛崍種群)的通道,是世界自然遺產(chǎn)——四川大熊貓棲息地的重要組成部分。2018年1月,大熊貓國(guó)家公園成都管理分局依托龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)管理局設(shè)立大熊貓國(guó)家公園試點(diǎn)。保護(hù)區(qū)位于四川盆地西北部,對(duì)于成都平原的水源涵養(yǎng)、水土保持意義重大。保護(hù)區(qū)距2008年汶川地震的震中映秀鎮(zhèn)僅4 km,受地震及滑坡、泥石流等次生災(zāi)害的影響,區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化,大熊貓棲息地嚴(yán)重受損,植被受損面積達(dá)100 km2以上,大熊貓生境大量喪失[15]。

目前,對(duì)于龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)的研究主要集中在景觀多樣性[16]、大熊貓與金絲猴棲息地[17-18]、植被自然演替[19]等領(lǐng)域,鮮見(jiàn)針對(duì)保護(hù)區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估的研究。筆者基于遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI),集成綠度、濕度、熱度和干度4項(xiàng)指標(biāo),利用主成分分析法建立評(píng)估模型,評(píng)估龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況,綜合分析1998—2017年保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況變化,著重分析2008年汶川地震前后保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化程度,揭示地震10 a后其生態(tài)環(huán)境恢復(fù)狀況,并提出針對(duì)性的保護(hù)對(duì)策,以期為保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)位于四川省都江堰市西北部(圖1),地處四川盆地向青藏高原的過(guò)渡地帶,成立于1988年,是以保護(hù)大熊貓及其棲息地為主的保護(hù)區(qū),1997年升級(jí)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),地理坐標(biāo)為31°04′～31°22′ N,103°32′～103°43′ E,保護(hù)區(qū)總面積310 km2,占都江堰市總面積的1/4,包括核心區(qū)203 km2、緩沖區(qū)37 km2、實(shí)驗(yàn)區(qū)70 km2,保護(hù)區(qū)外圍的保護(hù)帶面積為117 km2。

圖1 保護(hù)區(qū)高程及水系圖

保護(hù)區(qū)屬華夏地質(zhì)構(gòu)造體系,處于龍門(mén)山褶皺帶中南部,主要河流為白沙河和龍溪河。保護(hù)區(qū)最高峰光光山海拔4 582 m,最低海拔1 200 m,相對(duì)高差達(dá)3 382 m。保護(hù)區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū),年降水量約1 600～1 900 mm,且80%集中于3—9月,年平均氣溫10 ℃左右,1月最低氣溫可達(dá)-10 ℃以下,7月最高氣溫25 ℃左右[20]。

保護(hù)區(qū)植被類(lèi)型多樣,海拔2 400 m以下為亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、落葉闊葉針葉混交林,海拔>2 400～3 800 m為亞高山暗針葉林和亞高山灌叢,海拔>3 800～4 582 m為高山草甸和高山流石灘稀疏植被。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

根據(jù)研究需要,從美國(guó)地質(zhì)勘探局網(wǎng)站(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)獲取1998年7月的Landsat 5 TM影像、地震前2007年9月的Landsat 5 TM影像、地震后2008年8月的Landsat 5 TM影像以及2018年7月的Landsat 8 OLI影像,云量均低于20%,影像質(zhì)量較好,植被處于生長(zhǎng)季,4個(gè)時(shí)期遙感影像的時(shí)相基本一致,可以確保不同時(shí)期研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于保護(hù)區(qū)管理局或通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查獲取。

運(yùn)用遙感分析軟件ENVI 5.3對(duì)4個(gè)不同時(shí)期的影像進(jìn)行輻射校正(輻射定標(biāo)和大氣校正)和幾何校正。首先,利用軟件自帶的輻射定標(biāo)工具(Radiometric Calibration)對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo),其參數(shù)可從遙感影像的元文件中自動(dòng)獲取,將像元亮度值(DN)轉(zhuǎn)換為輻射亮度值;其次,利用大氣校正工具(FLAASH Atmospheric Correction)減少或消除大氣和光照等因素對(duì)地物反射的影響;然后,對(duì)4個(gè)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行幾何校正,利用二次多項(xiàng)式和最鄰近像元法配準(zhǔn),為滿足研究精度的需要,將均方根誤差控制在0.5個(gè)像元內(nèi);最后,使用龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)的矢量邊界對(duì)圖形進(jìn)行裁剪。

1.3 研究方法

選取易獲取的歸一化植被指數(shù)、濕度分量、干度指數(shù)和地表溫度代表綠度(NDVI,INDV)、濕度(WET,TWE)、干度(NDSI,INDS)和熱度(LST,TLS),對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,利用ArcGIS軟件的主成分分析工具將遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)表示為4項(xiàng)指標(biāo)合成的函數(shù)。

1.3.1綠度指標(biāo)

NDVI(INDV)作為應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)之一,是植被生長(zhǎng)及空間分布狀態(tài)的最佳指示因子[21],計(jì)算公式為

INDV=(ρNIR-ρred)/(ρNIR+ρred)。

(1)

式(1)中,ρNIR和ρred分別為近紅外波段和紅波段的反射率。

1.3.2濕度指標(biāo)

土壤濕度為陸地和大氣能量交換過(guò)程中的關(guān)鍵因子,是氣候、水文、生態(tài)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的重要指標(biāo)。經(jīng)過(guò)纓帽變換后的影像可以較好地區(qū)分土壤、植被及作物信息,被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估。纓帽變換的第3分量對(duì)土壤濕度很敏感,可以很好地反映植被、水體和土壤濕度狀況,因此被稱(chēng)為濕度分量(WET,TWE)。不同傳感器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置有差異,TM和OLI影像的溫度分量計(jì)算公式[22-23]分別為

TWE，TM=0.031 5ρblue+0.202 1ρgreen+0.310 2ρred+0.159 4ρNIR-0.680 6ρSWIR1-0.610 9ρSWIR2,

(2)

TWE,OLI=0.151 1ρblue+0.197 2ρgreen+0.328 3ρred+0.340 7ρNIR-0.711 7ρSWIR1-0.455 9ρSWIR2。

(3)

式(2)～(3)中,ρblue、ρgreen、ρred、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為各影像的藍(lán)波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1 波段和短波紅外2波段的反射率。

1.3.3干度指標(biāo)

干度指標(biāo)可表征土地荒漠化和退化狀況,由于研究區(qū)域內(nèi)存在一部分建筑用地和裸地,所以選取裸土指數(shù)(SI,IS)和建筑指數(shù)(IBI,IIB)來(lái)合成干度指標(biāo)(NDSI,INDS),計(jì)算公式[24-25]為

INDS=(IS+IIB)/2,

(4)

IS=(ρSWIR1+ρred-ρblue-ρNIR)/(ρSWIR1+ρred+ρblue+ρNIR),

(5)

IIB=[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)-ρNIR/(ρNIR+ρred)-ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]/[2ρSWIR1/(ρSWIR1+ρNIR)+ρNIR/(ρNIR+ρred)+ρgreen/(ρgreen+ρSWIR1)]。

(6)

1.3.4熱度指標(biāo)

熱度指標(biāo)通常通過(guò)陸地表面溫度計(jì)算[26],從遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演出的地表溫度可以很好地反映單個(gè)像元的下墊面平均溫度,是表征地球表面能量平衡和溫室效應(yīng)的有效指標(biāo)。運(yùn)用Landsat TM影像反演地表溫度的方法很多,常用的方法主要有大氣校正法、單通道算法、分裂窗算法(劈窗算法)和多波段算法等。采用3期影像的熱紅外波段(Landsat 5影像選擇第6波段,Landsat 8選擇第10波段)進(jìn)行輻射定標(biāo),得到熱紅外波段的輻射亮度值L6/10,根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)求得地表真實(shí)溫度,計(jì)算公式為

L6/10=gain×ND+bias，

(7)

BLST=[L6/10-L1-τ(1-ε6/10)L2]/τ×ε6/10，

(8)

TLS=K2/ln (K1/BLST+1)-273。

(9)

式(7)～(9)中,L6/10為熱紅外波段在傳感器處的輻射值,W·m-2·sr-1·μm-1;gain和bias分別為熱紅外波段的增益與偏置值,W·m-2·sr-1·μm-1;ND為灰度值,其值為常數(shù);K1和K2為定標(biāo)參數(shù),單位分別為W·m-2·sr-1·μm-1和K;L1和L2分別為大氣向上、向下輻射亮度,W·m-2·sr-1·μm-1;τ為熱紅外波段的透過(guò)率,其值為常數(shù);BLST為黑體輻射亮度值,W·m-2·sr-1·μm-1;ε6/10為地表比輻射率，其值為常數(shù)。L1、L2、τ值可以在美國(guó)宇航局(NASA)提供的大氣剖面參數(shù)網(wǎng)站(http:∥atmcorr.gsfc.nasa.gov/)或元數(shù)據(jù)中直接獲取,由于該網(wǎng)站無(wú)法提供1998年數(shù)據(jù),該研究用2007、2008和2017年的平均值代替[27]。

目前，惠州港還沒(méi)有建設(shè)專(zhuān)用防臺(tái)錨地，生產(chǎn)錨地嚴(yán)重不足，要解決這些問(wèn)題，對(duì)錨地進(jìn)行盡早重新合理規(guī)劃，強(qiáng)化防臺(tái)錨地的規(guī)劃建設(shè)。加強(qiáng)與地方各相關(guān)部門(mén)的溝通聯(lián)系，將錨地規(guī)劃納入“多規(guī)合一”統(tǒng)籌規(guī)劃，加快實(shí)施海洋功能區(qū)劃，合理布局港口功能，強(qiáng)化錨地用海管理，預(yù)留足夠防臺(tái)錨地，協(xié)調(diào)解決船舶錨泊安全與海洋養(yǎng)殖業(yè)、臨港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)之間的矛盾。是解決錨地資源緊張的合理途徑。

地表比輻射率表征地表向外輻射電磁波的能力,是熱紅外遙感的關(guān)鍵參數(shù)之一,其值主要取決于地表的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和遙感器的波段區(qū)間,與NDVI具有較高的線性相關(guān)性。水體的地表比輻射率為0.995。根據(jù)SOBRINO等[28]的研究,利用NDVI閾值法計(jì)算地表比輻射率ε,當(dāng)NDVI值<0.2時(shí),為純裸土像元,其地表比輻射率εs=0.98;當(dāng)NDVI值>0.5時(shí),為純植被像元,其地表比輻射率εv=0.99;當(dāng)0.2≤NDVI值≤0.5時(shí),為混合像元。其計(jì)算公式為

ε=εvPv+εs(1-Pv)+dε,

(10)

Pv=(INDV-INDV,s)/(INDV,v-INDV,s),

(11)

dε=(1-εs)(1-Pv)Fεv。

(12)

式(10)～(12)中,Pv為植被覆蓋度;dε為地形幾何形狀,相對(duì)平整的情況下可以忽略,混合像元和粗燥表面則必須考慮其影響;F為地形幾何形狀參數(shù),取經(jīng)驗(yàn)值0.55;INDV，s為純裸土像元的NDVI值,取經(jīng)驗(yàn)值0.2;INDV，v為純植被像元的NDVI值,取經(jīng)驗(yàn)值0.5。

1.3.5遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)評(píng)估模型的構(gòu)建

(1)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各項(xiàng)指標(biāo)具有單位和季相差異,需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計(jì)算公式為

IN=(Imax-I)/(Imax-Imin)。

(13)

式(13)中,IN為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值;I為該指標(biāo)實(shí)際值;Imax和Imin分別為該指標(biāo)的最大值和最小值。

(2)遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算

主成分分析是數(shù)據(jù)挖掘中主要的降維方法之一[29]。其權(quán)重根據(jù)各指標(biāo)對(duì)第1主成分(PC1)的貢獻(xiàn)度來(lái)確定,可避免人為因素的影響,保證權(quán)重賦值的客觀性。

將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的各項(xiàng)指標(biāo)組合成4個(gè)波段的文件,借助ENVI軟件對(duì)其進(jìn)行主成分變換,用1減去PC1來(lái)構(gòu)建初始遙感生態(tài)指數(shù),計(jì)算公式為

IRSE=(I0-I0，min)/(I0，max-I0，min)。

(14)

式(14)中,I0，max、I0，min分別為初始遙感生態(tài)指數(shù)的最大值和最小值；IRSE為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的遙感生態(tài)指數(shù),取值范圍為[0,1]。RSEI值越大表示生態(tài)環(huán)境狀況越好,反之則代表生態(tài)環(huán)境狀況越差。將其值劃分為5個(gè)等級(jí)[30],0～0.2、>0.2～0.4、>0.4～0.6、>0.6～0.8和>0.8～1分別對(duì)應(yīng)差(1級(jí))、較差(2級(jí))、中等(3級(jí))、良(4 級(jí))、優(yōu)(5 級(jí))。

2 結(jié)果與分析

2.1 龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況總體評(píng)估

1998—2017年4個(gè)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1998—2017年4個(gè)指標(biāo)的主成分分析結(jié)果

由表1可知,1998—2017年綠度和濕度均為正值,兩者與生態(tài)環(huán)境狀況呈正相關(guān)關(guān)系,共同對(duì)保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況起正面的促進(jìn)作用。干度和熱度均為負(fù)值,它們與生態(tài)環(huán)境狀況呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,兩者共同起負(fù)面作用。1998、2007、2008和2017年綠度、濕度、干度和熱度在第1主成分的貢獻(xiàn)率分別為89.61%、95.25%、89.28%和90.24%,均大于85%,表明第1主成分已經(jīng)集成4個(gè)指標(biāo)的大部分特征。由各指標(biāo)的第1主成分載荷可知,與該區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況呈正相關(guān)關(guān)系的濕度、綠度中,綠度的貢獻(xiàn)率更高,1998、2007、2008和2017年綠度貢獻(xiàn)率分別為0.750 8、0.885 1、0.652 5和0.623 4,表明植被生長(zhǎng)及分布情況是研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的直接影響因素。

由表2可知,1998—2017年保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)從0.748 1變?yōu)?.599 1,下降19.92%。2007年生態(tài)環(huán)境狀況最佳,遙感生態(tài)指數(shù)為0.752 1;2008年最差,遙感生態(tài)指數(shù)僅為0.411 0。對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況有正向影響的綠度均值呈升高—降低—升高趨勢(shì),濕度均值呈降低—降低—升高趨勢(shì);對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況有負(fù)向影響的干度和熱度指標(biāo)均表現(xiàn)為降低—升高—降低趨勢(shì)。近20 a來(lái),龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況總體并未保持穩(wěn)定,表現(xiàn)出升高—降低—升高的趨勢(shì),整體生態(tài)環(huán)境呈退化趨勢(shì)。

表2 1998—2017年保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)

2.2 生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)

從表3可知,1998年保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況以優(yōu)和良為主,合計(jì)占比達(dá)89.78%;等級(jí)為中的區(qū)域面積占比為7.64%;較差和差等級(jí)區(qū)域面積很小,只占2.59%。2007年保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況仍以優(yōu)和良為主,占比高達(dá)91.52%;中、較差和差等級(jí)區(qū)域面積很小,合計(jì)占比為8.48%。2008年總體生態(tài)環(huán)境狀況以較差為主,面積占比為52.91%;其次為中,面積占比為44.89%;優(yōu)、良和差等級(jí)區(qū)域面積都較小,合計(jì)占比為2.21%。2017年保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況以良和中2個(gè)等級(jí)為主,合計(jì)占比達(dá)92.03%;較差和差等級(jí)區(qū)域面積下降幅度較大,占比僅為6.39%。

表3 1998—2017年保護(hù)區(qū)不同等級(jí)遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)區(qū)域面積及占比

2.3 地震前后保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況變化

從空間分布(圖2)來(lái)看,1998年生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu)和良的區(qū)域主要位于保護(hù)區(qū)西部、東部和中偏北部等闊葉林、落葉闊葉混交林、亞高山暗針葉林分布區(qū)域,保護(hù)區(qū)北部為高山流石灘,植被稀疏,覆蓋度低,海拔高且氣溫低,生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)為中、較差和差。地震前的2007年,生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu)和良的區(qū)域遍布整個(gè)保護(hù)區(qū)。這是由于1997年保護(hù)區(qū)升級(jí)為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),2003年完成勘界定樁,通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)武裝巡護(hù)、在各入山口設(shè)立保護(hù)區(qū)宣傳標(biāo)牌等措施,使絕大部分區(qū)域的保護(hù)效果較好。

2008年汶川地震發(fā)生后,因滑坡、崩塌而出現(xiàn)的裸露土地零散分布于整個(gè)保護(hù)區(qū)內(nèi),森林以及灌木林面積大幅減少[31],保護(hù)區(qū)最北部由于本身環(huán)境質(zhì)量較差,加之地震影響,退化程度加重,海拔2 500 m以下的大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況為中和較差,生態(tài)環(huán)境狀況為優(yōu)的區(qū)域主要分布在河道附近。

到2017年,通過(guò)近10 a的恢復(fù),原本生態(tài)環(huán)境狀況差和較差的區(qū)域也逐漸被中等、良取代,差和較差的區(qū)域零散分布于保護(hù)區(qū)北部、中部及河道附近區(qū)域,生態(tài)環(huán)境狀況較2008年有好轉(zhuǎn)趨勢(shì),但仍未恢復(fù)到地震前2007年的水平。

圖2 1998—2017年保護(hù)區(qū)不同等級(jí)遙感生態(tài)指數(shù)的空間分布

利用ENVI軟件自帶的變化檢測(cè)工具,對(duì)4個(gè)不同時(shí)期的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行變化分析。由表4可知,1998—2007年保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化較為明顯,以上升1個(gè)等級(jí)〔變好(+1)〕和下降1個(gè)等級(jí)〔變差(-1)〕為主。變好區(qū)域面積為168.05 km2,占比超過(guò)45.777%;生態(tài)環(huán)境狀況不變的區(qū)域面積不足1 km2,占比也未超過(guò)1%;生態(tài)環(huán)境狀況變差的區(qū)域面積為141.9 km2。對(duì)地震前后的2007—2008年進(jìn)行對(duì)比,地震后生態(tài)環(huán)境狀況明顯變差,面積達(dá)296.34 km2,占比達(dá)95.594%,以下降2個(gè)等級(jí)〔變差(-2)〕為主;變好和不變的區(qū)域占比很少。對(duì)比2007—2017年,生態(tài)環(huán)境狀況總體體表現(xiàn)為變差,變差區(qū)域面積為262.99 km2,占比超過(guò)84.836%,而變好區(qū)域面積僅為45.27 km2。

表4 不同時(shí)段保護(hù)區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)變化

2.4 生態(tài)環(huán)境狀況變化成因分析

從圖3可知,遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)變化的空間分布在不同時(shí)期有不同特征。1998—2007年,生態(tài)環(huán)境狀況變好的區(qū)域主要分布于保護(hù)區(qū)內(nèi)的闊葉林、針葉林等植被茂盛區(qū)域,這主要是由于保護(hù)區(qū)對(duì)區(qū)內(nèi)資源的保護(hù)得力,特別是在“天保”和“退耕還林”工程實(shí)施后,生態(tài)環(huán)境明顯好轉(zhuǎn)。2007—2008年,由于地震造成生態(tài)環(huán)境惡化,保護(hù)區(qū)內(nèi)景觀離散度增大,破碎化嚴(yán)重,中山和亞高山(海拔1 400～2 600 m)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)森林及灌木林受到破壞,土壤保持能力與水源涵養(yǎng)功能減弱,水土流失嚴(yán)重。地震還造成大量熊貓棲息地?fù)p失,地震前保護(hù)區(qū)內(nèi)有大熊貓棲息地272.99 km2,地震造成棲息地?fù)p毀97.06 km2,損毀比例高達(dá)35.56%。四川省第四次大熊貓調(diào)查(2011—2014年)結(jié)果顯示,其潛在棲息地幾乎全部喪失,并且形成多個(gè)堰塞湖,由于水域面積增加,該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反而好轉(zhuǎn)。2007—2017年,大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況表現(xiàn)為變差,生態(tài)環(huán)境狀況變好的區(qū)域集中分布在保護(hù)區(qū)最北部,地震對(duì)北部的高山流石灘稀疏植被影響較小,植被得到一定程度的恢復(fù);變差區(qū)域主要分布于中山和亞高山區(qū)域,以白沙河及其附近區(qū)域最為明顯,大量的泥沙和石礫沖刷到河道中,改變了生物廊道內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和功能,進(jìn)而影響研究區(qū)整體的生境、傳輸通道以及過(guò)濾和阻礙等廊道功能。

保護(hù)區(qū)建設(shè)初期,社區(qū)居民對(duì)生物資源造成了較大程度的破壞。1999—2001年,保護(hù)區(qū)內(nèi)的挖藥、采筍等行為仍大量存在,后隨著旅游業(yè)的興起,進(jìn)入保護(hù)區(qū)采藥和采筍的人數(shù)顯著降低。地震后,保護(hù)區(qū)地貌復(fù)雜,坡度大,人類(lèi)的可進(jìn)入性低,所以人類(lèi)干擾并不嚴(yán)重?？傮w來(lái)看,雖然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況還未完全恢復(fù)至地震前的水平,但大熊貓數(shù)量也由四川省第三次大熊貓調(diào)查(1998—2002年)時(shí)的6只增長(zhǎng)為第四次調(diào)查(2011—2014年)時(shí)的9只[32]。

括號(hào)內(nèi)數(shù)字為遙感生態(tài)指數(shù)上升或下降的等級(jí)數(shù)。

3 結(jié)論

自然保護(hù)區(qū)具有顯著的環(huán)境正效應(yīng),利用4期Landsat TM/OLI遙感影像,運(yùn)用主成分分析法構(gòu)建由綠度、濕度、干度、熱度這4項(xiàng)指標(biāo)組成的遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)估模型,能夠快速定量地對(duì)1998—2017年龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行總體評(píng)價(jià),并對(duì)其空間分布和變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明:

(1)龍溪—虹口自然保護(hù)區(qū)1998、2007、2008和2017年的遙感生態(tài)指數(shù)值分別為0.748 1、0.752 1、0.411 0和0.599 1,呈現(xiàn)先升高后降低再升高的的變化過(guò)程,整體來(lái)看生態(tài)環(huán)境狀況表現(xiàn)為退化趨勢(shì)。

(2)地震前后保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況變化明顯,海拔1 400～2 600 m的中山和亞高山地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況呈明顯惡化趨勢(shì),主要原因是其生態(tài)環(huán)境較為脆弱,加之地震后大量植被遭受破壞,水域面積減少,同時(shí)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻繁致使地表破碎化程度增高。

(3)綠度和濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況起正向作用且影響較大,主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)植被覆蓋度較高且降水量較為豐富,而干度和熱度對(duì)生態(tài)環(huán)境狀況起負(fù)向作用。

(4)該研究通過(guò)分析遙感數(shù)據(jù)可以快速地對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)估,同時(shí)運(yùn)用主成分分析法避免了人為主觀因素的影響,提高了分析結(jié)果的客觀性,對(duì)于其他自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行相關(guān)方面的研究有一定的指導(dǎo)意義。但由于傳感器和軟件設(shè)置等原因,在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中可能出現(xiàn)一定的誤差,導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)不能完全反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,有待進(jìn)一步研究。

4 建議

提升地表覆蓋度和防范因地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生裸地是保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的關(guān)鍵。保護(hù)區(qū)要繼續(xù)實(shí)施“天保”和“退耕還林”工程,不斷提高區(qū)域植被覆蓋率；其次,保護(hù)區(qū)內(nèi)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),要充分運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)氣象及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行監(jiān)控,輔之以必要的工程措施,減輕災(zāi)害對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞程度；再次,建議發(fā)展旅游業(yè)帶動(dòng)周邊獼猴桃、藥材種植等其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,繼續(xù)降低對(duì)生物資源的破壞程度，保護(hù)區(qū)應(yīng)同社區(qū)制定自然資源管理計(jì)劃,共同促進(jìn)社區(qū)自然資源的管理。