河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量時空演變及驅動因子分析

關鍵詞：生態(tài)環(huán)境質量；遙感生態(tài)指數(shù)；地理探測器；河南省沿黃地市

中圖分類號：ＴＰ７９；Ｘ８２１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０６．０１３

引用格式：張曉偉，王墨珂，劉昊，等．河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量時空演變及驅動因子分析［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（６）：７８－８４．

黃河流域是我國重要的生態(tài)屏障和經濟發(fā)展地帶，但其自然生態(tài)本底脆弱，人類長期開發(fā)建設導致生境破碎化、生物多樣性減少。２０２１年，中共中央、國務院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展規(guī)劃綱要》［１］ 。２０２２年，河南省人民政府印發(fā)了《河南省“十四五”國土空間生態(tài)修復和森林河南建設規(guī)劃》，指出要統(tǒng)籌推進大河治理和黃河沿線國土空間生態(tài)修復［２］ 。戰(zhàn)略層面，黃河流域面臨著生態(tài)保護修復、流域污染治理、沿黃城市高質量發(fā)展和區(qū)域產業(yè)結構調整等重大挑戰(zhàn)；實施層面，河南省作為我國糧食主產區(qū)和中原經濟區(qū)建設主體，內部發(fā)展不平衡問題突出。

美國《國家環(huán)境政策法》率先提出生態(tài)環(huán)境質量影響評價，英國等進一步完善了生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系［３－４］ 。國內關于生態(tài)環(huán)境質量評價研究集中在自然保護區(qū)、山區(qū)、市域和縣域等［５］ ，近年來流域層級的研究逐漸成為熱點。以黃河流域為例， 茹少峰等［６］ 、楊雯娜等［７］ 分別構建由自然因素和人為因素組成的指標體系，開展了黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價和空間異質性分析；左其亭等［８］ 基于ＳＭＩ－Ｐ 方法對黃河流域水生態(tài)安全進行了評價與分析。生態(tài)環(huán)境質量評價方法主要有指標體系法、模型模擬法和生態(tài)指數(shù)法等［９］ ，指標體系法在評價指標選擇、權重確定方面受研究者認知程度的影響，模型模擬法則面臨長時間序列數(shù)據(jù)獲取困難等問題，生態(tài)指數(shù)法因其評價的客觀性而逐漸被眾多學者重視。早期研究多采用植被覆蓋度、植被凈初級生產力等單一指數(shù)，無法綜合反映研究區(qū)生態(tài)狀況［１０－１１］ 。衛(wèi)星遙感技術具有覆蓋面廣、能快速有效獲取地表信息等優(yōu)勢，成為國內外學者進行生態(tài)環(huán)境質量評價的主要手段［１２－１３］ 。徐涵秋［１４］ 基于此構建了遙感生態(tài)指數(shù)（ＲＳＥＩ），可全面反映和綜合評估區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，該指數(shù)因數(shù)據(jù)可得、權重客觀、成果可視等優(yōu)勢而得以廣泛應用。

筆者以河南?。?個沿黃地市為研究區(qū)，以Ｌａｎｄｓａｔ遙感影像為數(shù)據(jù)源，構建遙感生態(tài)指數(shù)，分析該區(qū)域２０００—２０２０ 年生態(tài)環(huán)境質量時空變化特征及趨勢，并運用地理探測器分析影響生態(tài)環(huán)境質量的驅動因子，以期為河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量提升，區(qū)域社會、經濟和生態(tài)協(xié)同發(fā)展提供參考。

１研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

１．１研究區(qū)概況

黃河干流流經河南?。?個地市，黃河中游包括三門峽、焦作、洛陽、鄭州和濟源等地市，地貌類型主要是黃土丘陵和山地峽谷，河湖濕地生態(tài)系統(tǒng)特征較為典型；下游包括鄭州、開封、新鄉(xiāng)和濮陽等地市，地貌類型以平原為主、黃土丘陵也有少量分布，有地上懸河、濕地、農田，具有灘區(qū)寬闊等特征。該區(qū)域屬溫暖帶大陸性季風氣候區(qū)，年均氣溫１２～１６ ℃，年均降水量５００～９００ ｍｍ。

１．２數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用遙感和高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，其中２０００ 年、２０１０ 年遙感影像選用Ｌａｎｄｓａｔ５ ＴＭ系列，２０２０年遙感影像選用Ｌａｎｄｓａｔ８ ＯＬＩ 系列，選取研究區(qū)云量低于１０％且處于植被繁茂期（６—７ 月）的影像。坡度數(shù)據(jù)由高程數(shù)據(jù)計算得出，夜間燈光數(shù)據(jù)來源于美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心（ＮＧＤＣ），氣溫和降水量數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心，研究區(qū)矢量邊界、土地利用類型數(shù)據(jù)、國內生產總值和人口密度網格數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心。

２研究方法

２．１遙感生態(tài)指數(shù)及歸一化

遙感生態(tài)指數(shù)（ＲＳＥＩ）綜合考慮了綠度（ＮＤＶＩ）、濕度（ＷＥＴ）、干度（ＮＤＳＩ）、熱度（ＬＳＴ）４ 個指標［１４］ 。綠度指標反映研究區(qū)植被覆蓋度，說明地表植被生長狀況。濕度反映研究區(qū)水域、地表土體和植被的濕潤程度。因研究區(qū)有水體，借助水體指數(shù)進行水體掩膜后，提取濕度指標。干度由裸土指數(shù)（ＳＩ）和建筑指數(shù)（ＩＢＩ） 構成，表征土地干化程度， 反映地表裸露狀況［１５］ 。采用大氣校正法進行地表溫度反演，將反演的地表溫度作為熱度指標［１６］ 。４ 個指標計算完成后，對其進行正向歸一化處理，使其值域為［０，１］，以消除量綱的影響。

２．２遙感生態(tài)指數(shù)

２．２．１遙感生態(tài)指數(shù)計算

主成分分析法（ＰＣＡ）通過對多個變量進行數(shù)學變換，將其轉換為少數(shù)不相關的變量，以達到降維的目的，克服人為分配權重的主觀性。利用主成分變換構建遙感生態(tài)指數(shù)，把主要信息集中到１ ～ ２ 個主成分上［１４］ 。首先將正向歸一化后的４ 個指標合成為一幅新圖層，并對新圖層進行主成分分析，然后計算初始遙感生態(tài)指數(shù)，最后對初始遙感生態(tài)指數(shù)進行歸一化處理，得到最終的遙感生態(tài)指數(shù)。

２．２．２遙感生態(tài)指數(shù)分級

參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》，并綜合考慮前人研究［１７－１８］ 和研究區(qū)ＲＳＥＩ 計算結果，進行生態(tài)環(huán)境質量等級劃分。采用相等間隔法，將ＲＳＥＩ 值域［０，１］以０．２ 為間隔劃分生態(tài)環(huán)境質量等級，劃分為差、較差、一般、良、優(yōu)５ 級，見表１。

２０００—２０２０ 年干度指標平均值先增大后減小。２０００—２０１０ 年隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的擴大，部分耕地轉化為建設用地，干度指標平均值由０．５１３ ８ 增大至０．５９２ ４；２０１０—２０２０ 年隨著耕地平衡占補指標的收緊，向城市存量建設用地挖潛和土地復墾政策的實施，建設用地擴張速度和土地退化裸露速度減緩，干度指標平均值由０．５９２ ４ 減小至０．５６４ ４。２０００—２０２０ 年熱度指標平均值先減小后增大，２０００—２０１０ 年熱度指標平均值由２８．０５７ １ 減小至１５．１１６ ５，２０１０—２０２０ 年熱度指標平均值由１５．１１６ ５ 增大至２９．９８５ １。地表溫度受多種因素影響，如人口密度、工業(yè)發(fā)展程度和海拔等，但主要取決于太陽輻射的強度。２０ ａ 整體上地表溫度有所升高，這與氣候變暖、人口增多和植被覆蓋度降低密切相關。

３．２．２生態(tài)環(huán)境質量時間變化

２０００ 年、２０１０ 年和２０２０ 年研究區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)（ＲＳＥＩ）均值為０．７３１ １，表明河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量處于中等偏上水平。２０００—２０１０年ＲＳＥＩ 平均值由０．７９６ １ 減小至０．６１１ ０，減幅為２３．２５％，生態(tài)環(huán)境質量變差，原因是研究區(qū)經濟快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化速率加快，帶來生態(tài)用地被擠占、土地退化和生境破碎化等問題。２０１０—２０２０年ＲＳＥＩ均值由０．６１１ ０ 增大至０．７８６３，增幅為２８．６９％，生態(tài)環(huán)境質量下降趨勢得到遏制并趨向好轉，這與實施的一系列生態(tài)修復工程有關，如加大新鄉(xiāng)黃河濕地鳥類國家級自然保護區(qū)、濮陽縣黃河濕地省級自然保護區(qū)、鄭州黃河國家濕地公園等多個保護區(qū)的投資建設力度，積極推進林地提質改造、沿黃生態(tài)廊道建設和礦山生態(tài)修復等生態(tài)環(huán)境保護措施有關。

３．２．３生態(tài)環(huán)境質量空間變化

根據(jù)表１ 的分級標準，逐像元統(tǒng)計２０００年、２０１０年和２０２０年河南省沿黃地市不同等級生態(tài)環(huán)境質量面積、占比，見圖１、表５。２０００—２０２０年河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量呈現(xiàn)明顯空間異質性。植被覆蓋度高、人類活動干擾少的山地和丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量較好，主要分布在洛陽市新安縣、孟津區(qū)和濟源示范區(qū)等。沿河地帶的城鎮(zhèn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量較差，主要為洛陽到鄭州的中部及焦作市武陟縣，該地區(qū)以耕地為主，礦產資源豐富，開采活動頻繁。

由表５和濕地保護等生態(tài)修復措施，與２０１０年相比，２０２０年生態(tài)環(huán)境質量整體趨向好轉，新鄉(xiāng)市封丘縣、長垣市和原陽縣，焦作市武陟縣，開封市，洛陽市孟津區(qū)和新安縣生態(tài)環(huán)境質量優(yōu)和良等級面積明顯增加。２０２０年研究區(qū)優(yōu)和良等級面積占比之和為６３．０４％，相對于２０００ 年下降了１６．０８％，原因是，在某種程度上人類活動對生態(tài)環(huán)境造成的影響是很難逆轉的，雖然可以通過環(huán)境保護和生態(tài)修復措施來優(yōu)化局部生態(tài)環(huán)境質量，但恢復到較優(yōu)的狀態(tài)仍需要長期投入。

３．３ ＲＳＥＩ空間變化趨勢分析

對２０００—２０２０年河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量進行Ｓｌｏｐｅ趨勢分析，結果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量局部改善趨勢與局部退化趨勢并存，見圖２。由圖２可知，生態(tài)環(huán)境質量改善的面積大于退化的面積，極顯著退化的面積較少，研究區(qū)大部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量有所改善。開封市、洛陽市新安縣和孟津區(qū)、焦作市武陟縣和新鄉(xiāng)市原陽縣生態(tài)環(huán)境質量顯著改善，部分區(qū)域為極顯著改善。洛陽市新安縣和孟津區(qū)生態(tài)環(huán)境質量整體偏優(yōu)，這與當?shù)厣降厍鹆甑茸匀画h(huán)境有關系。三門峽靈寶市，鄭州市金水區(qū)、鞏義市和滎陽市等生態(tài)環(huán)境質量呈退化趨勢，部分區(qū)域呈顯著退化趨勢。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量退化區(qū)域主要分布在黃河沿岸，與黃河流域水土流失，濕地生態(tài)系統(tǒng)退化以及區(qū)域經濟發(fā)展和城市擴張等存在必然聯(lián)系。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量變化趨勢為：大部分區(qū)域呈改善趨勢，下游生態(tài)環(huán)境質量改善情況明顯優(yōu)于中游。

３．４驅動因子探測分析

３．４．１單因子探測分析

為分析影響河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量變化的驅動因子，將ＲＳＥＩ作為因變量，選取年均氣溫、年降水量、高程和坡度等自然因素和土地利用類型、國內生產總值、人口密度、夜間燈光數(shù)據(jù)等人為因素作為自變量進行單因子探測分析，其中土地利用類型分為林地、草地、濕地、耕地、建設用地和裸土地６ 個一級地類，結果見表６。

２０００年土地利用類型ｑ值最大，表明土地利用類型對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的影響較大。２０２０年國內生產總值的ｑ值最大，其次為土地利用類型的ｑ 值，與２０００年相比，２０２０年國內生產總值和人口密度ｑ值排序提前，表明隨著經濟的快速發(fā)展，人口聚集、土地利用方式改變和土地開發(fā)程度提高等人類活動對河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量的影響逐漸擴大。

３．４．２多因子探測分析

交互因子探測可以反映多個因子共同作用時對生態(tài)環(huán)境質量的影響。對研究區(qū)２０００年、２０２０年影響ＲＳＥＩ的８個自變量的交互作用進行探測，結果見圖３。多因子交互探測結果表明，生態(tài)環(huán)境質量驅動因子兩兩交互共同作用時，表現(xiàn)為雙因子增強效應和非線性增強效應，表明兩個因子交互作用增強了對生態(tài)環(huán)境質量影響的解釋力。２０００年土地利用類型與自然驅動因子和人為驅動因子的交互作用均呈現(xiàn)較強的交互作用，解釋力均大于７５％，表明在自然地理環(huán)境和人類活動下土地利用類型是影響研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的主要驅動因子，這與２０００年單因子探測結果以及現(xiàn)實情況相符。２０２０年國內生產總值、人口密度和土地利用類型三者的相互交互以及三者與自然驅動因子的交互均呈現(xiàn)較強的交互作用，而自然驅動因子之間的相互交互作用不強，表明人類活動在２０２０年對生態(tài)環(huán)境質量的影響較大，人類活動與自然因素共同作用時對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的影響更大。在２０００—２０２０年的２０ａ 中，研究區(qū)經濟快速發(fā)展，人口密度增大，建設用地、耕地、林地、草地、濕地等土地利用類型的面積發(fā)生變化，這些變化均與研究區(qū)綠度、濕度、干度密切相關，進而影響了研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量。

４討論

２０００—２０２０年研究區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)（ＲＳＥＩ）先減小后增大，且具有明顯的空間異質性，這與河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質量大部分區(qū)域以改善趨勢為主，但局部地區(qū)仍有退化的實際情況相符合。政府部門實施的退耕還林還草、天然林保護、黃河濕地恢復工程等措施是部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量改善的原因，經濟發(fā)展迅速、人類活動強烈、城市化規(guī)模擴張以及擠占生態(tài)用地等是局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量退化的主要原因。因此，河南省沿黃地市應在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略、河南省黃河流域實施重大生態(tài)修復工程等政策的驅動下，加強黃河生態(tài)廊道建設和濕地保護，提升林地質量，提高植被覆蓋度，優(yōu)化土地利用結構，控制建設用地的無序擴張，實施山水林田湖草沙綜合治理，促進研究區(qū)生態(tài)恢復和區(qū)域社會經濟高質量發(fā)展。

５結論

２０００—２０２０年研究區(qū)綠度和熱度平均值先減小后增大，濕度平均值呈增大趨勢，干度平均值先增大后減小。研究區(qū)２０ａ間ＲＳＥＩ平均值為０．７３１１，生態(tài)環(huán)境質量整體處于中等偏上水平。２０００—２０２０ 年研究區(qū)ＲＳＥＩ 平均值由０．７９６ １減小至０．６１１０，然后增大至０．７８６ ３。從數(shù)量等級看，２０００—２０２０年生態(tài)環(huán)境質量呈現(xiàn)變差－好轉的變化特征。研究區(qū)２０ａ間生態(tài)環(huán)境質量大部分區(qū)域呈改善趨勢，下游生態(tài)環(huán)境質量改善情況優(yōu)于中游，開封市、洛陽市新安縣和孟津區(qū)、焦作市武陟縣和新鄉(xiāng)市原陽縣生態(tài)環(huán)境質量顯著改善，三門峽靈寶市和鄭州市金水區(qū)、鞏義市、滎陽市等地區(qū)生態(tài)環(huán)境質量呈退化趨勢。單因子探測結果表明，土地利用類型、國民生產總值等表征人類活動的驅動因子對生態(tài)環(huán)境質量的影響較大，表明人類活動的影響逐漸增強。多因子交互探測結果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量驅動因子的兩兩交互作用為雙因子增強效應和非線性增強效應，２０００年在自然地理環(huán)境和人類活動驅動下的土地利用類型對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質量的影響較強，２０２０年國內生產總值、土地利用類型和人口密度與其他各因子交互作用較強。