退耕還林背景下瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感動(dòng)態(tài)變化

李益敏, 王東馳, 袁 靜, 劉心知

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500; 2.云南省高校國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星遙感地質(zhì)工程研究中心, 昆明 650500)

生態(tài)環(huán)境是人類(lèi)生存的基本保障和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，但隨著改革開(kāi)放后我國(guó)加速的人口擴(kuò)張和工業(yè)化進(jìn)程，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時(shí)也導(dǎo)致了水土流失、土地荒漠化、生物多樣性減少等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1]。為了應(yīng)對(duì)這些日益突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)后逐漸開(kāi)始推行退耕還林這一重大生態(tài)恢復(fù)工程。經(jīng)過(guò)20 a的實(shí)施歷程，這一工程已經(jīng)對(duì)各地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的恢復(fù)產(chǎn)生了積極的影響。在步入21世紀(jì)第3個(gè)10 a的起點(diǎn)，快速、有效地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀并監(jiān)測(cè)其變化過(guò)程具有突出的意義。同時(shí)，借助生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)退耕還林工程的實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)估和檢驗(yàn)，也可為該工程的進(jìn)一步實(shí)施及調(diào)整提供理論支撐與指導(dǎo)。

評(píng)價(jià)某一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量通常采用建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、選擇綜合評(píng)價(jià)模型等方法[2]。但目前指標(biāo)選取尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們主要結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)選取合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展分析。如Marull等[3]從自然環(huán)境、生物環(huán)境及功能適宜性方面考慮，選取綜合植被敏感性指數(shù)、基質(zhì)穩(wěn)固性指數(shù)等影響因子，評(píng)估大都市地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況；周華榮等[4]基于農(nóng)業(yè)、自然、人為環(huán)境壓力3個(gè)指標(biāo)子系統(tǒng)，對(duì)新疆全省的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，并劃分出空間分布等級(jí)。近年來(lái)，隨著遙感技術(shù)的進(jìn)步，評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的方法得以不斷改進(jìn)，一些學(xué)者開(kāi)始基于PSR(壓力—環(huán)境—響應(yīng))模型[5]、生態(tài)足跡[6]、層次分析法[7]等方法，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。這些研究對(duì)了解區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化情況提供了新的科學(xué)依據(jù)。徐涵秋[8]在前人基礎(chǔ)上創(chuàng)建的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI， remote sensing ecological index)就是其中的代表。RSEI完全基于遙感信息，權(quán)重根據(jù)各指標(biāo)對(duì)各主成分的貢獻(xiàn)率確定，克服了人為因素的干擾，從而能夠較好地反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其時(shí)空分異情況，已在城市[9]、水土流失區(qū)[10]、自然保護(hù)區(qū)[11]、農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[1]、礦區(qū)[12]等多種地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。對(duì)退耕還林的研究來(lái)說(shuō)，利用RSEI作為評(píng)價(jià)參考，避免了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的局限性，也可分析退耕還林工程對(duì)實(shí)施地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的影響，更有利于深入分析退耕還林工程的生態(tài)效果。

瀘水市地處“三江并流”世界自然遺產(chǎn)地的核心區(qū)，生態(tài)區(qū)位十分重要。但復(fù)雜的高山峽谷地貌，加上多變的氣候，造成人類(lèi)對(duì)土地的利用十分困難，陡坡墾殖、過(guò)度砍伐、粗放建設(shè)等現(xiàn)象普遍，從而導(dǎo)致植被退化、水土流失、地質(zhì)災(zāi)害等生態(tài)問(wèn)題頻出，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)峻壓力[13]。另一方面，退耕還林工程以及其他生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施也在一定程度上改善著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，破壞和保護(hù)之間的博弈影響著新世紀(jì)瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。本研究將以Landsat TM/OLI影像為數(shù)據(jù)源，選用遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，對(duì)瀘水市2001—2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化情況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。然后結(jié)合退耕還林?jǐn)?shù)據(jù)，開(kāi)展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與退耕還林的相互關(guān)系分析，揭示退耕還林工程實(shí)施背景下的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化規(guī)律，為類(lèi)似地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和相關(guān)生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

瀘水市地處云南省怒江州南部(99°34′—99°09′E，25°33′—26°32′N(xiāo))，面積3 203.04 km2，轄6鎮(zhèn)3鄉(xiāng)，2018年末總?cè)丝?8.9萬(wàn)人。全市整體地勢(shì)北高南低，地處橫斷山脈高山峽谷區(qū)南端，最高海拔4 162.1 m，最低海拔728.5 m，境內(nèi)高峰林立、溝壑縱橫，碧羅雪山與高黎貢山夾怒江由北向南縱貫全境，呈現(xiàn)“兩山夾一江”的格局。受特殊的地形地貌和印度洋熱帶季風(fēng)的綜合作用，瀘水市從河谷至山巔的立體氣候明顯，縱跨亞熱帶、溫帶和寒帶3種氣候帶，整體具有年溫差小，日溫差大，干濕季分明，四季不明顯的氣候特點(diǎn)，年均氣溫21℃，最熱月均溫24.7℃，最冷月均溫9.1℃，極端日最高氣溫40.3℃，極端日最低氣溫-10.2℃；年均降雨量1 199.1 mm，年均蒸發(fā)量1 420.2 mm，無(wú)霜期279 d；年平均風(fēng)速1.1 m/s，風(fēng)向多為南風(fēng)；年均日照時(shí)數(shù)1 576.8 h。

瀘水全市處于“三江并流”世界自然遺產(chǎn)區(qū)的核心地帶，森林覆蓋率達(dá)到74%，成為滇西北生態(tài)戰(zhàn)略地位重要的關(guān)鍵區(qū)域。但特殊且重要的自然稟賦極大地限制了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得耕地多分布在高山陡坡地區(qū)，55%以上的耕地為25°以上的坡耕地，產(chǎn)出低且破壞生態(tài)環(huán)境。因此，瀘水市根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略安排在2002年和2014年分別啟動(dòng)實(shí)施了兩輪退耕還林工程，截至2018年累計(jì)完成約53 km2退耕面積。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

研究選用地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)提供的Landsat TM/OLI影像作為主要數(shù)據(jù)源，具體數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。根據(jù)需要在ENVI 5.3和ArcGIS 10.5平臺(tái)下分別對(duì)各時(shí)期的遙感影像進(jìn)行如下預(yù)處理：(1) 對(duì)原始遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，并對(duì)各期影像的可見(jiàn)光、近紅外、熱紅外波段進(jìn)行大氣校正[14-15]；(2) 使用二次多項(xiàng)式和最近鄰像元法配準(zhǔn)各時(shí)期遙感影像，將均方根誤差控制0.5個(gè)像元內(nèi)；(3) 統(tǒng)一遙感影像和行政邊界投影；(4) 使用瀘水市行政邊界對(duì)影像進(jìn)行裁切和提取。

表1 遙感影像數(shù)據(jù)信息

本研究用到的其他數(shù)據(jù)還包括：瀘水市行政邊界，獲取自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)；退耕還林統(tǒng)計(jì)資料，獲取自瀘水市林業(yè)局和統(tǒng)計(jì)年鑒；2001年和2018年土地利用矢量數(shù)據(jù)，由Landsat遙感影像通過(guò)支持向量機(jī)法監(jiān)督分類(lèi)得到，兩個(gè)年份分類(lèi)精度分別為95.50%，92.68%，Kappa系數(shù)分別為0.83，0.79，滿足研究精度要求；坡度信息提取自30 m分辨率的GDEMV2數(shù)字高程數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo) 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)國(guó)家環(huán)保部頒布的EI指數(shù)進(jìn)行了修正，由綠度、濕度、干度和熱度這4種與人類(lèi)息息相關(guān)、可由人類(lèi)直觀感受來(lái)判斷生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣、易于直接從遙感影像中獲取的最重要指標(biāo)構(gòu)成[8]，具有數(shù)據(jù)易獲取、評(píng)價(jià)范圍受限小、指標(biāo)權(quán)重不受人為干擾等優(yōu)勢(shì)。本研究利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、濕度分量(WET)、干度指數(shù)(NDSI)和地表溫度(LST)分別代表綠度、濕度、干度、熱度4個(gè)指標(biāo)，共同構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，即：

RSEI=PCA[f(NDVI,WET,NDSI,LST)]

(1)

(1) 綠度指標(biāo)。植被是指示區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最敏感因子[11]，歸一化植被指數(shù)(NDVI)與植物的葉面積指數(shù)、覆蓋度以及生物量密切相關(guān)，是應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)之一[14]，通常作為綠度指標(biāo)用來(lái)監(jiān)測(cè)區(qū)域植被生長(zhǎng)狀況和生態(tài)環(huán)境的變化。計(jì)算公式為：

NDVI=(N-R)/(N+R)

(2)

式中:N為L(zhǎng)andsat TM/OLI數(shù)據(jù)的近紅外波段；R為紅色波段。

(2) 濕度指標(biāo)。濕度分量反映了水體、土壤和植被的含水情況，與區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況密切相關(guān)。因此，以濕度分量代表濕度指標(biāo)。不同Landsat的傳感器對(duì)應(yīng)的濕度分量表達(dá)式不盡相同[16-17]，ETM，TM，OLI分別對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為:

WET(ETM)=0.1509B1+0.1973B2+0.3279B3+0.3406B4-0.7112B5-0.4572B7

WET(TM)=0.0315B1+0.2021B2+0.3102B3+0.1594B4-0.6806B5-0.6109B7

WET(OLI)=0.1511B1+0.1972B2+0.3283B3+0.3407B4-0.7117B5-0.4559B7

(3)

式中：B1，B2，B3，B4，B5，B7分別為各傳感器的藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1、短波紅外2波段的反射率。

(3) 干度指標(biāo)。土壤過(guò)度干化會(huì)嚴(yán)重危害區(qū)域生態(tài)環(huán)境[18]，需在評(píng)價(jià)中考慮干度的影響。造成區(qū)域地表“干化”的一般除了裸土，還包括相當(dāng)一部分建筑用地。因此，本研究同時(shí)選用裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)合成的干度指數(shù)(NDSI)作為干度指標(biāo)來(lái)代表土壤干化程度，NDSI計(jì)算公式如下：

NDSI=(SI+IBI)/2

(4)

SI=[(B5+B3)-(B4+B1)]/[(B5+B3)+(B4+B1)]

(5)

(6)

式中:B1,B2,B3,B4,B5分別為T(mén)M和OLI傳感器中藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1波段的反射率。

(4) 熱度指標(biāo)。熱度指標(biāo)用地表溫度來(lái)表示，它是地物熱紅外輻射的定量表達(dá)。反演地表溫度對(duì)監(jiān)測(cè)地表溫度變化所帶來(lái)的區(qū)域生態(tài)環(huán)境改變有重要意義。本研究采用輻射傳輸方程法[19]反演地表溫度。計(jì)算公式為：

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(7)

B(TS)=[Lλ-L↑-τ(1-ε)L↓]/(τε)

(8)

式中:Lλ為熱紅外輻射亮度值;L↑為大氣向上輻射亮度；L↓為大氣向下輻射亮度;τ為大氣在熱紅外波段的透過(guò)率;ε為地表比輻射率;B(TS)為溫度為T(mén)的黑體在熱紅外波段的輻射亮度;TS為地表溫度。

根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)，可求得地表真實(shí)溫度LST：

(9)

式中:K1和K2為定標(biāo)系數(shù)。對(duì)于TM Band6,K1=607.76 W/(m2·μm·sr)；K2=1260.56 K;對(duì)于TIRS Band10,K1=774.885 W/(m2·μm·sr)；K2=1321.079 K。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[20-21]計(jì)算地表比輻射率ε,當(dāng)0≤NDVI≤0.157時(shí)，ε為0.92；當(dāng)NDVI<0或NDVI≥0.727時(shí)，ε為1；當(dāng)0.157

ε=1.009+0.047ln(NDVI)

(10)

2.2.2 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建 根據(jù)以上4個(gè)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)為無(wú)量綱指標(biāo)，避免因指標(biāo)間單位的不同而造成最終結(jié)果權(quán)重失衡。標(biāo)準(zhǔn)化處理公式如下：

NI=(I-Imin)/(Imax-Imin)

(11)

式中:NI為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)值；I為該指標(biāo)的數(shù)值大??；Imax和Imin分別為該指標(biāo)的最大值和最小值。

將標(biāo)準(zhǔn)化后的4個(gè)指標(biāo)通過(guò)ENVI軟件合成由波段組成的新影像，輸入主成分分析模塊進(jìn)行PCA處理，生成互不相關(guān)的輸出波段，而結(jié)果主要信息集中到了第一主成分中(PC1)[22]。利用第一主成分結(jié)果可以構(gòu)建出原始的遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0，公式為：

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

(12)

式中:PCA代表主成分分析。對(duì)RSEI0使用公式(11)對(duì)進(jìn)行歸一化處理,得到最終的RSEI。RSEI值介于[0,1]；RSEI越大,代表生態(tài)環(huán)境越好;反之,代表生態(tài)環(huán)境越差[11]。RSEI指數(shù)不適宜具有較大范圍水域的區(qū)域,但本研究區(qū)內(nèi)水體以怒江干流為主,占研究區(qū)面積比例不到0.5%,因此不需將水體單獨(dú)進(jìn)行掩膜提取。

3 結(jié)果與分析

3.1 瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)分析

3.1.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)間變化分析 瀘水市遙感生態(tài)指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明(表2—3，圖1)，4個(gè)年份RSEI均值分別為0.750，0.759，0.667，0.683，整體表現(xiàn)為波動(dòng)下降特征，在2001—2006年與2013—2018年兩個(gè)時(shí)期有小幅上升。以上結(jié)果表明2001—2018年瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)波動(dòng)變差的趨勢(shì)。

表2 瀘水市各指標(biāo)主成分分析結(jié)果

表3 瀘水市各年份4個(gè)指標(biāo)及RSEI均值

從4個(gè)指標(biāo)的均值和載荷值來(lái)看，綠度、濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境變好起著正向作用，而干度、熱度相反。瀘水市綠度指標(biāo)在2001—2018年持續(xù)下降，濕度、干度、熱度在研究期內(nèi)不斷波動(dòng)，沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，但在2001—2006年和2013—2018年兩個(gè)時(shí)段，濕度有明顯的增加，綠度減少有限，而干度和熱度有所下降，所以這兩個(gè)時(shí)段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善。

圖1 瀘水市RSEI分布變化

為更好地分析RSEI的分布情況，參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，將研究區(qū)的RSEI劃分為差、較差、中等、良、優(yōu)這5個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)RSEI的范圍為[0,0.2)，[0.2,0.4)，[0.4,0.6)，[0.6,0.8)，[0.8,1.0]，并制作生態(tài)環(huán)境等級(jí)分布變化圖和面積與比例統(tǒng)計(jì)表(圖2，表4)，直觀顯示4個(gè)時(shí)相中RSEI各等級(jí)變化情況。

圖2 瀘水市生態(tài)環(huán)境等級(jí)分布變化

表4 瀘水市生態(tài)環(huán)境各等級(jí)面積與比例

從表4可以看出，瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量由“較差”、“中”、“良”等級(jí)主導(dǎo)，3個(gè)等級(jí)占比之和達(dá)97%以上。RSEI中等及以下等級(jí)所占比例之和在2001年、2006年、2013年、2018年分別為66.20%，66.49%，72.67%，67.23%，呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；良及以上等級(jí)所占比例2001年、2006年、2013年、2018年分別為33.80%，33.51%，27.33%，32.77%，在2001—2013年逐漸下降，2013年以后有一定上升。RSEI各等級(jí)呈現(xiàn)這樣的變化趨勢(shì)也印證了2001—2018年期間瀘水市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上在逐漸惡化，但在2001—2006年和2013—2018年兩個(gè)時(shí)段又有所反彈好轉(zhuǎn)的情況。

3.1.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布變化分析 如圖2所示，總體來(lái)看，瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)出明顯的南北向狹長(zhǎng)型分布特征。怒江作為縱向穿越瀘水市的分界中線，其東西兩岸的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)區(qū)域表現(xiàn)出較為明顯的對(duì)稱性，越靠近怒江，分布等級(jí)就越低，這與高山峽谷的地貌特征相吻合。

從各質(zhì)量等級(jí)分布來(lái)看，差和較差等級(jí)主要聚集于怒江水系河谷兩岸及周?chē)徠碌貛?，在怒江州府駐地的六庫(kù)鎮(zhèn)市區(qū)、古登鄉(xiāng)佑雅村—臘斯底村一帶、上江鎮(zhèn)境內(nèi)的小型壩區(qū)等區(qū)域有小范圍集聚。這些地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)密集，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張迅速，是全市主要的城鎮(zhèn)聚集地和耕地分布區(qū)域，而在稱桿鄉(xiāng)與古登鄉(xiāng)境內(nèi)則存在大片地表裸露、水土流失嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境惡劣的未利用地和低覆蓋度草地，影響了區(qū)域整體的生態(tài)環(huán)境。2001年較差區(qū)域已基本覆蓋全市怒江水系河谷地區(qū)，之后河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化面積與程度逐漸加深，至2018年更是輻射影響到周邊一定范圍。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)中及以上的區(qū)域主要分布在瀘水市境內(nèi)碧羅雪山與高黎貢山一帶的中高山地區(qū)。優(yōu)等級(jí)區(qū)域多聚集在瀘水市西北部稱桿鄉(xiāng)和洛本卓鄉(xiāng)境內(nèi)，這些區(qū)域以林地為主要地類(lèi)，山高林密，居民點(diǎn)少，基本未受到人類(lèi)活動(dòng)侵?jǐn)_。2001年以后，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)為良的區(qū)域有連片趨勢(shì)，中等級(jí)區(qū)域變化不大，但也有不少靠近河谷的區(qū)域逐漸從中等級(jí)轉(zhuǎn)為較差等級(jí)。

3.1.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化成因分析 瀘水市地處怒江流域核心地區(qū)之一，根據(jù)樊輝等[23]的研究，整個(gè)怒江流域在近幾十年中，年均氣溫升高趨勢(shì)顯著、年均降水變化不顯著，總體可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化除了與氣候變化有關(guān)外，人為因素也會(huì)產(chǎn)生直接影響，進(jìn)一步發(fā)掘?yàn)o水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)原因，特別是與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系。將瀘水市2001年和2018年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)分布圖進(jìn)行疊加，用前期的RSEI等級(jí)減去后期的RSEI等級(jí)，等級(jí)差值為負(fù)、0、正，依次代表生態(tài)環(huán)境變差、不變和變好，得到瀘水市2001—2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分布圖。統(tǒng)計(jì)后，瀘水市2001—2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差、不變、變好的比例分別為9.71%，77.12%，13.17%。

由于瀘水市交通運(yùn)輸、工程建設(shè)、生活居住、農(nóng)業(yè)耕作等人類(lèi)活動(dòng)主要集中在海拔2 000 m以下區(qū)域，因此，將瀘水市分為人類(lèi)活動(dòng)區(qū)(海拔≤2 000 m)和自然生態(tài)區(qū)(海拔>2 000 m)，分別統(tǒng)計(jì)兩類(lèi)區(qū)域中RSEI等級(jí)的分布和變化情況(表5)。最后再將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分布圖與2 000 m高程分界線疊加，得到圖3，可以直觀分析瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化區(qū)域在人類(lèi)活動(dòng)區(qū)和自然生態(tài)區(qū)的分布情況。

表5 瀘水市生態(tài)環(huán)境等級(jí)分布分區(qū)統(tǒng)計(jì) km2

圖3 瀘水市2001-2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化與人類(lèi)活動(dòng)的關(guān)系

根據(jù)表5可知，在瀘水市人類(lèi)活動(dòng)區(qū)，RSEI差和較差等級(jí)的范圍在2001—2012年呈擴(kuò)大趨勢(shì)，中和良等級(jí)則有明顯縮小，到2018年雖有所反彈，但相比2001年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量已有顯著惡化；在自然生態(tài)區(qū)內(nèi)，RSEI差和較差等級(jí)的面積呈波動(dòng)減少的趨勢(shì)，良和優(yōu)等級(jí)的面積為波動(dòng)增加趨勢(shì)，整體上在18 a中表現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的態(tài)勢(shì)。再分析圖3，瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域主要分布在怒江西部高黎貢山和東部碧羅雪山的中高山地區(qū)，縱貫瀘水南北，這里是高黎貢山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)域；變差區(qū)域主要聚集在怒江水系河谷地帶，較多分布在中部的魯掌鎮(zhèn)、大興地鎮(zhèn)和南部的六庫(kù)鎮(zhèn)和上江鎮(zhèn)。再結(jié)合2 000 m高程分界線，可明顯發(fā)現(xiàn)人類(lèi)活動(dòng)區(qū)與自然生態(tài)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)截然不同。瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的區(qū)域絕大部分位于人類(lèi)活動(dòng)區(qū)范圍內(nèi)，而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的區(qū)域則主要分布在海拔2 000 m以上的自然生態(tài)區(qū)。

人類(lèi)活動(dòng)區(qū)和自然生態(tài)區(qū)呈現(xiàn)出不同的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分布變化特征，說(shuō)明瀘水市在2001—2018年中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降主要是受2 000 m以下人類(lèi)活動(dòng)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化所致，而2 000 m以上地區(qū)受人類(lèi)干擾減少，加上合理的保護(hù)，使這一區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反而有一定提高。進(jìn)入21世紀(jì)后，退耕還林、陡坡地生態(tài)治理等一系列生態(tài)恢復(fù)工程陸續(xù)在瀘水市啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)近20 a的實(shí)施，2 000 m以上中高山地區(qū)的人類(lèi)活動(dòng)明顯減少，陡坡耕地、草地、未利用地的植被逐漸恢復(fù)，森林覆蓋率不斷提升。但人類(lèi)活動(dòng)在2 000 m以上地區(qū)的退出，就不得不向著低海拔地區(qū)逐漸聚集，加上經(jīng)濟(jì)社會(huì)各方面建設(shè)的快速推進(jìn)，加劇了2 000 m以下河谷和低山地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化。特別1 500 m以下的河谷生態(tài)惡化區(qū)以5.57%的國(guó)土面積集中分布了瀘水市近70%的人口，加上不合理的土地利用方式，已成為全市生態(tài)環(huán)境最?lèi)毫拥牡貐^(qū)。以上分析在一定程度上說(shuō)明了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)人類(lèi)活動(dòng)反應(yīng)的敏感性，人類(lèi)對(duì)環(huán)境的快速改造會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。

3.2 瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化與退耕還林工程的關(guān)系分析

云南省是實(shí)施退耕還林工程的重要省份[24]，選取瀘水市在2002年和2014年分別實(shí)施了兩輪退耕還林工程，對(duì)當(dāng)?shù)氐乇憝h(huán)境產(chǎn)生著直接影響，是研究期內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的重要影響因素之一。為了科學(xué)評(píng)估瀘水市退耕還林工程實(shí)施效果，揭示退耕還林工程與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的關(guān)系，首先統(tǒng)計(jì)分析耕地在坡度梯度的面積變化情況，評(píng)價(jià)瀘水市2001—2018年退耕還林工程的效果；再進(jìn)一步計(jì)算2001—2006年和2013—2018年兩個(gè)退耕還林實(shí)施期中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)退耕還林率，分鄉(xiāng)鎮(zhèn)與對(duì)應(yīng)RSEI變化值進(jìn)行擬合，評(píng)價(jià)瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化與退耕還林工程的相關(guān)性大小。

3.2.1 退耕還林工程實(shí)施效果 根據(jù)退耕還林工程主要針對(duì)25°以上的坡耕地這一特點(diǎn)，分析瀘水市退耕還林工程坡度分布及變化特征，以評(píng)價(jià)退耕還林工程的實(shí)施效果?？紤]到高山峽谷地區(qū)坡度陡，低坡度地區(qū)面積極小的地形特征，參考相關(guān)論文[25]，將坡度分為五級(jí)：1級(jí)(0°～8°)，2級(jí)(8°～15°)，3級(jí)(15°～25°)，4級(jí)(25°～35°)，5級(jí)(>35°)，分別統(tǒng)計(jì)2001—2018年各級(jí)耕地面積變化情況(圖4)。

圖4 瀘水市耕地在坡度梯度上的分布變化

從圖4可以看出，在小于35°的坡度區(qū)間，瀘水市耕地面積隨坡度等級(jí)的升高而逐漸增加，大于35°后又有所降低。坡度大于25°的耕地占到耕地總面積的55%以上，坡度小于8°的耕地只占到5%左右。以上統(tǒng)計(jì)說(shuō)明瀘水市陡坡耕種現(xiàn)象十分普遍，低質(zhì)量的坡耕地成為全市主要的耕地資源。大量陡坡地區(qū)被開(kāi)墾為耕地后，植被覆蓋度降低，會(huì)導(dǎo)致水土流失加重、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。對(duì)比2001年和2018年耕地在坡度梯度上的分布變化，不難發(fā)現(xiàn)各坡度等級(jí)的耕地面積均有不同程度的下降，特別是坡度大于25°的耕地面積減少尤為明顯，占總減少面積的64.74%。而在所有減少的耕地中有75.49%轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀f(shuō)明瀘水市的耕地在18 a中發(fā)生這樣的變化與退耕還林工程密不可分。以上統(tǒng)計(jì)都證明了瀘水市退耕還林工程的效果顯著，基本達(dá)到了工程實(shí)施的預(yù)期目標(biāo)。得到退耕還林的耕地在轉(zhuǎn)為林地和草地后，會(huì)對(duì)局部地區(qū)乃至怒江州的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。

3.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化與退耕還林面積的相關(guān)性 對(duì)2001—2006年和2013—2018年兩個(gè)時(shí)段的瀘水市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)累計(jì)退耕還林面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后依據(jù)公式(13)，求出每期各鄉(xiāng)鎮(zhèn)退耕還林率(表6)。

S=(N/K)×100%

(13)

式中:S是某期該鄉(xiāng)鎮(zhèn)退耕還林率；N為某期該鄉(xiāng)鎮(zhèn)退耕還林面積;K是該鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地總面積。

表6 瀘水市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)累積退耕還林面積、退耕還林率和RSEI變化

分別將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果序列與對(duì)應(yīng)區(qū)域的RSEI期內(nèi)差值在SPSS 26統(tǒng)計(jì)軟件中進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。2001—2006年，退耕還林率與遙感生態(tài)指數(shù)RSEI變化在0.05級(jí)別顯著性水平下，相關(guān)系數(shù)為0.767，為強(qiáng)相關(guān)；2013—2018年，退耕還林率與遙感生態(tài)指數(shù)RSEI變化在0.01級(jí)別顯著性水平下，相關(guān)系數(shù)為0.817，為強(qiáng)相關(guān)。可見(jiàn)，瀘水市退耕還林率與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的相關(guān)性較高，也說(shuō)明退耕還林工程對(duì)實(shí)施地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著積極影響。

圖5 瀘水市RSEI變化和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)退耕還林率關(guān)系

4 結(jié)論與討論

(1) 從時(shí)間變化上看，瀘水市2001年、2006年、2013年、2018年RSEI均值分別為0.750，0.759，0.667，0.683，總體呈小幅波動(dòng)下降趨勢(shì)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良及以上等級(jí)所占比例分別為33.80%，33.51%，27.33%，32.77%。瀘水市2001—2018年期間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體上逐漸惡化，但在2001—2006年和2013—2018年兩個(gè)時(shí)間區(qū)間又有所反彈好轉(zhuǎn)。

(2) 從空間分布上看，瀘水市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的南北向狹長(zhǎng)型分布特征，且怒江東西兩岸的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)區(qū)域表現(xiàn)出一定的對(duì)稱性，這與其高山峽谷的地貌特征吻合。分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化成因后發(fā)現(xiàn)，瀘水市總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化除了與怒江流域氣候的變化有一定關(guān)系外，更與2 000 m以下區(qū)域人類(lèi)活動(dòng)的活躍和干擾密切相關(guān)，說(shuō)明了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量對(duì)人類(lèi)活動(dòng)反應(yīng)的敏感性。

(3) 退耕還林工程的實(shí)施，對(duì)工程實(shí)施期內(nèi)瀘水市的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生著積極影響。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，瀘水市退耕還林工程效果顯著，大量坡耕地得到退耕。在2001—2006年和2013—2018年兩輪退耕還林工程主要實(shí)施期內(nèi)的相關(guān)性分析中，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化也與退耕還林工程有較高的相關(guān)性。

進(jìn)入21世紀(jì)后，瀘水市響應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略方針，重點(diǎn)開(kāi)展了退耕還林工程，并配合天然林保護(hù)、陡坡地生態(tài)治理、自然保護(hù)區(qū)建設(shè)、林業(yè)改造等其他生態(tài)恢復(fù)工程，主要修復(fù)了怒江流域生態(tài)脆弱區(qū)、生態(tài)重要區(qū)的生態(tài)環(huán)境。各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)工程互為配合、多頭并進(jìn)，有助于調(diào)節(jié)氣候環(huán)境、增加植被覆蓋度、優(yōu)化利用林業(yè)資源、遏制水土流失和自然災(zāi)害，提升生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生態(tài)服務(wù)功能，促進(jìn)形成有效的國(guó)土生態(tài)安全體系。

但是從本研究的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分析不難發(fā)現(xiàn)，瀘水市退耕還林工程及其他生態(tài)恢復(fù)工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)效果依然有限，綠度等指標(biāo)在18 a中依然呈小幅下降趨勢(shì)，且2 000 m以下人類(lèi)活動(dòng)活躍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化形勢(shì)也不容樂(lè)觀。今后應(yīng)擴(kuò)大生態(tài)環(huán)境保護(hù)的范圍，并加大投入，將保護(hù)工作的重心向2 000 m以下人類(lèi)活躍地區(qū)傾斜，制定出針對(duì)性的生態(tài)修復(fù)方案。同時(shí)，也應(yīng)及時(shí)調(diào)整經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式，保護(hù)與減少破壞并行，通過(guò)優(yōu)化資源利用模式，降低對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

由于在數(shù)據(jù)、技術(shù)等方面的限制，本研究會(huì)存在一些不足之處，如遙感影像時(shí)相無(wú)法完全一致、影像分辨率不高、影像中山體光照陰影的存在等問(wèn)題都會(huì)對(duì)RSEI結(jié)果產(chǎn)生影響。此外，雖然對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的成因進(jìn)行了一定分析，但對(duì)氣候、人類(lèi)活動(dòng)等因素的驅(qū)動(dòng)內(nèi)因未有深入的探討，因此也將進(jìn)一步加深這方面的研究。