塞罕坝机械林场生态环境质量评价.pdf

第4 5卷 第3期华北理工大学学报(自然科学版)V o l.4 5 N o.32 0 2 3年0 7月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-3 1 修回日期:2 0 2 3-0 6-0 9基金项目:唐山市科技局应用基础研究计划(N o.2 0 1 3 0 2 0 2 b);河北省自然科学基金青年基金(N o.D 2 0 1 9 2 0 9 3 2 2、N o.2 0 1 9 2 0 9 3 1 7);华北理工大学博士专项经费(N o.B S 2 0 1 8 1 8)。第一作者:王晓红,女,博士,副教授。研究方向:3 S技术在森林资源保护中的应用。通讯作者:焦琳琳,女,博士。E-m a i l:j i a o l i n l i n 1 9 8 81 6 3.c o m。D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 5-2 7 1 6.2 0 2 3.0 3.0 0 2文章编号:2 0 9 5-2 7 1 6(2 0 2 3)0 3-0 0 1 1-0 8塞罕坝机械林场生态环境质量评价王晓红,阳丽虹,马明浩,辛守英,焦琳琳(华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0)关键词:塞罕坝;遥感生态指数;生态环境质量;主成分分析摘 要:基于L a n d s a t数据,采用主成分分析法构建遥感生态指数(R S E I),分析塞罕坝生态环境质量时空分布特征,并探究其对地形因子与土地利用做出的响应。结果表明:1.在4个分量中,绿度和湿度对塞罕坝生态环境质量起促进作用,干度和热度则起抑制作用。2.研究区8 5%以上区域生态环境质量等级达到了中等及以上。2 0年来有超过5 0%的区域生态环境质量改善,主要分布在东北部和西部。3.塞罕坝生态环境质量与地形因子和土地利用密切相关。海拔越高,生态环境质量越好;坡度为6 1 5 时生态环境质量最优;阴坡生态环境质量好于阳坡;水域和林地等生态用地生态环境质量较好,2 0年间研究区西部大量草地转化为林地,生态环境质量改善。中图分类号:P 2 3 7 文献标识码:A生态环境与人类生存、生产和生活息息相关1,生态环境质量可以揭示生态环境与人类活动和社会经济发展的适宜程度2。近年来,随着城市化进程的快速推进、人口的急剧增长和自然资源的过度开采3,出现了土地退化、自然资源匮乏和气象灾害频发等多种生态环境问题4。因此,对区域内的生态环境质量状况进行准确评价,并探究其演变规律对于生态环境保护、绿色发展以及生态文明建设具有指导意义5。遥感数据因为其获取方便和长时序多尺度数据源等优点,遥感技术成为当前监测与评价生态环境质量的一种主流技术手段6。有学者依据不同的生态系统选用不同的遥感指数进行生态环境质量评价,如N D-V I7、地表温度8和改进的归一化差异水体指数9等,但多为应用单一的遥感指数进行评价,不能全面反映区域生态环境质量状况。国家环保部提出了生态环境状况指数(E c o l o g i c a l I n d e x,E I),该指数集成了多个指标,但其评价指标权重赋予存在较大主观性且结果较难实现空间可视化1 0。2 0 1 3年徐涵秋首次提出了遥感生态指数(R e m o t eS e n s i n gE c o l o g i c a l I n d e x,R S E I)1 1,1 2,该指数的各项指标可以直接从遥感影像上获取,且各个指标的权重依据各主成分的贡献率来确定,评价结果能够直观清晰地可视化表达1 3,该指数在湿地1 4、矿区1 5、自然保护区1 6、城市1 7等多种生态系统中均得到了广泛地应用,但依托遥感技术对塞罕坝机械林场进行生态环境质量评价的研究甚少。塞罕坝机械林场位于华北地区典型的森林草原交错地带,是京津冀地区防风固沙和涵养水源的重要生态屏障,能够有效阻碍浑善达克沙地的南侵。同时,塞罕坝是集森林、草原、草甸、水体、湿地等为一体的复杂生态系统,其生态环境质量状况受到自然因素、国家政策和人为活动等多方面的影响,因此探究其生态环境质量时空特征具有重大的生态意义。基于此,利用2 0 0 0年和2 0 2 0年塞罕坝生态环境L a n d a s t影像,应用R S E I模型构建遥感生态指数,把握塞罕坝生态环境质量时空演变规律,并分析其在不同地形因子与土地利用条件下做出的响应,以期为塞罕坝生态环境保护与社会经济可持续发展提供科学参考。1数据与方法1.1 研究区概况塞罕坝机械林场(1 1 6 5 1 1 1 7 3 9 E,4 2 0 2 4 2 3 6 N)位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县的北部(见图1),地处内蒙古高原和冀北山地的交界地带,属于国家级森林公园、国家级自然保护区和省属大型国有林场1 8,是我国面积最大的人工林林场,总面积9 2 6.3 4 7k m2,森林覆盖率为7 5.5%。总场下有三道河口、千层板、北曼甸、阴河、第三乡和大唤起6个林场。林场属寒温带半干旱半湿润大陆性季风气候,年平均气温为-1.4,年降雨量为4 9 0mm。冬季受内蒙古高压控制,盛行西北风且风力大,气候寒冷;夏季为太平洋气压边缘,多东南风,风力小,降雨频繁。塞罕坝地形复杂,可以分为坝上和坝下两部分。北部坝上属内蒙古高原的一部分,土壤类型主要为风沙土,伴随有草甸土和沼泽土;中部和南部属坝下山地,土壤类型以棕壤和灰色森林土为主1 9。图1 研究区位置与地形1.2 数据源与预处理该项研究采用的是L a n d s a t系列卫星遥感影像数据,来源于美国地质勘测局(h t t p s:/e a r t h e x p l o r e r.u s g s.g o v/)。由于研究区上空69月云量较大,故选择了2 0 0 0年1 0月1 5日与2 0 2 0年1 0月0 6日2期遥感数据,云量均少于2%,下载的是C 2 L 2级产品影像数据,影像的像元值经过E NV I波段运算即可得到地表反射率和地表温度。D EM数据源自地理空间数据云G D EMV 3 3 0m分辨率数据集(h t t p:/www.g s c l o u d.c n/s e a r c h)。土地利用数来源于1 9 9 02 0 2 0年中国3 0m土地覆被数据集2 0(h t t p s:/www.z e n o d o.o r g/),在A r c G I S中将其重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和其他用地六大类。1.3 数据源与预处理1.3.1 R S E I分量指标计算R S E I集成了绿度、湿度、干度和热度4个重要的生态环境指标用来反映区域生态环境质量状况,各指标21 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 计算方法如下:(1)绿度指标:归一化植被指数(N D V I)是反映植被生长状况、植被覆盖程度、植被生产力和生物量最有效的植被指数,被广泛应用于区域或全球植被变化监测2 1。计算公式如下:ND V I=N I R-r e d()/N I R+r e d()(1)式中N I R和r e d分别为影像中近红外波段和红波段的反射率。(2)湿度指标:缨帽变换中的湿度分量(WE T)与地表植被和土壤的含水量密切相关,可用于监测土壤退化等生态环境问题2 2。L a n d s a t 5TM和L a n d s a t 8O L I影像的湿度分量计算方法如下:WE TTM=0.0 3 15b l u e+0.2 0 21g r e e n+0.3 1 02r e d+0.1 5 94n i r-0.6 8 06s w i r 1-0.6 1 09s w i r 2(2)WE TO L I=0.1 5 11b l u e+0.1 9 73g r e e n+0.3 2 83r e d+0.3 4 07n i r-0.7 1 17s w i r 1-0.4 5 59s w i r 2(3)式中WE TTM和WE TO L I分别为L a n d s a t 5TM和L a n d s a t 8O L I影像的湿度分量,b l u e、g r e e n、s w i r 1和s w i r 2分别为影像中蓝波段、绿波段、短波红外1波段和短波红外2波段的反射率。(3)干度指标:引起地表干化的主要原因是建设用地的扩张和大面积裸土,故选用建筑指数(I B I)和裸土指数(S I)耦合构建干度指标(N D B S I),计算公式为:I B I=2s w i r 1s w i r 1+n i r-n i rn i r+r e d+g r e e ng r e e n+s w i r 12s w i r 1s w i r 1+n i r+n i rn i r+r e d+g r e e ng r e e n+s w i r1(4)S I=s w i r 1+r e d()-b l u e+n i r()s w i r 1+r e d()+b l u e+n i r()(5)ND B S I=I B I+S I()/2(6)(4)热度指标:可通过影像的热红外波段反演地表温度(L S T)来进行表征,可将L a n d s a tC 2 L 2热红外波段灰度值乘以某一比例因子,再将其转换为摄氏温度,转换公式为:L S T=DN*0.0 0 34 1 80 2+1 4 9-2 7 3.1 5(7)式中D N为L a n d s a t影像热红外波段的像元值。1.3.2 R S E I模型构建R S E I是通过耦合上述4个指标来构建一个综合的生态环境质量指数,由于指标之间的量纲各不相同,需要对各指标进行归一化,将其值转化为01之间,归一化的公式为:N I=I-Im i n()/Im a x-Im i n()(8)式中N I为归一化之后的值,I为初始值,Im i n和Im a x分别为该指标的最小值和最大值。将归一化之后的4个分量进行主成分分析,主成分分析是一种将多种数据信息集中于少量不相关变量的降维方法,将4个分量集中于第一主成分(P C 1),得到了初始遥感生态指数2 3(R S E I0),同样需要将其进行归一化。R S E I0=P C1ND V I,WE T,ND B S I,L S T()(9)R S E I=R S E I0-R S E Im i n()/R S E Im a x-R S E Im i n()(1 0)式中R S E I为归一化之后的遥感生态指数,其值介于01之间,该值越高,生态环境质量越好。1.3.3 R S E I定量分析将归一化之后的R S E I按已有标准进行分级,以0.2作为等间隔分为5级,由低到高分别代表生态环境质量差、较差、中等、良以及优;将2期的R S E I相减,进行差值分析,按照R S E I差值将其分为生态环境质量31 第3期 王晓红,等:塞罕坝机械林场生态环境质量评价退化(-1,-0.0 5)、不变-0.0 5,0.0 5 和改善(0.0 5,1)3种情况。2结果与分析2.1 各分量指标主成分分析该项研究对绿度(ND V I)、湿度(WE T)、干度(ND S I)和热度(L S T)4个变量进行主成分分析,主成分分析结果如表1所示。一般而言,选取代表绝大部分特征的第一主成分构建R S E I指数2 4。表1 第一主成分载荷及贡献率年份ND V IWE TND S IL S T贡献率/%2 0 0 0年0.0 0 970.1 0 16-0.0 5 63-0.1 2 606 8.2 02 0 2 0年0.0 2 630.1 1 58-0.0 4 34-0.1 1 987 1.3 0 在第一主成分中,2个时期的载荷符号相同,且绿度和湿度载荷均为正,干度和热度载荷均为负,说明绿度和湿度对生态环境质量起到积极作用,而干度和热度则起负面作用。其中湿度是导致生态环境质量好转的主要因素,热度是导致生态环境质量下降的首要因素。2.2 生态环境质量时空分布表2为2 0 0 0年和2 0 2 0年各个指标和R S E I的均值。从表2可知,R S E I均值呈现上升趋势,生态环境质量改善。此外,对生态环境质量起促进作用的湿度和绿度均值和载荷也呈现增长趋势,说明湿度和绿度的促进作用越来越明显。干度一般认定为与城市建设用地变化有关,而塞罕坝是国家级森林公园和自然保护区,建设用地转入和转出甚少,所以干度指标变化不大。热度均值升高,载荷的绝对值减少,说明热度对生态环境的消极作用正逐步减弱。表2 各指标与R S E I均值年份ND V IWE TND S IL S TR S E I2 0 0 0年0.2 7 68-0.1 6 330.1 6 177.1 5 810.5 3 682 0 2 0年0.4 7 68-0.0 8 110.0 3 381 2.2 5 080.5 9 98 图2所示为塞罕坝生态环境质量空间分布图,表3所示为塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年生态环境质量等级面积占比情况。由图2和表3可知,2个时期塞罕坝主要的生态环境质量等级为中等和良好,其面积占比高达8 0%以上,有所不同的是,2 0 0 0年有超5 0%区域生态环境质量为中等,而2 0 2 0年有将近5 0%的区域生态环境质量为良好,这反映了生态环境质量有所改善。从空间分布的角度来看,北曼甸林场生态环境质量较其他区域略好。图2 2 0 0 02 0 2 0年塞罕坝生态环境质量空间分布41 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 表3 塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年生态环境质量等级面积占比/%年份差较差中等良优2 0 0 0年0.3 81 3.4 75 0.93 4.7 80.4 72 0 2 0年0.3 99.3 63 5.5 44 7.8 86.8 32.3 生态环境质量动态变化图3所示为2 0 0 02 0 2 0年塞罕坝生态环境质量动态变化空间分布图,表4所示为塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年生态环境质量变化情。由图3和表4可知,2 0年来塞罕坝生态环境质量以改善为主,改善区域达到了5 2.6 7%,主要分布在研究区的东北部和西部,东北部生态环境质量由良好向优转变,西部则由中等向良好转变。这主要依托于西部造林计划的实施,大量草地转为林地,植被覆盖情况改善。东北部海拔多在17 0 0m以上,人类活动受限,且降水较多,故生态环境质量逐渐好转;生态环境质量发生退化的区域仅8.5%,零星分布在研究区内;生态环境质量较稳定的区域约占研究区的4 0%,主要分布在塞罕坝的东南部。图3 2 0 0 02 0 2 0年塞罕坝生态环境质量动态变化空间分布表4 塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年生态环境质量动态变化统计变化情况退化不变改善面积占比/%8.53 8.8 35 2.6 72.4 生态环境质量影响因素分析2.4.1 R S E I对地形因子的响应图4所示为R S E I地形分区统计。基于D EM数据提取了高程图4(a)、坡度图4(b)和坡向图4(c)3个地形因子,将2期R S E I均值与地形因子进行重分类和叠加分析。2期R S E I对地形因子的响应呈现基本相似的规律。研究区R S E I随着高程的升高而升高,这可能是因为塞罕坝地势起伏较大,地形复杂,人类活动常受到高海拔的限制。随着坡度的增加R S E I呈现先升高后降低的趋势,在坡度为6 1 5 时达到最大值,各坡度级别R S E I差异较小,说明坡度对于R S E I的影响不大。R S E I对不同坡向的响应较大,极差超过了0.1,其中阴坡(南、西南、西和西北)R S E I均值整体上高于阳坡(北、东北、东和东南),平面R S E I居中,这主要归因于阳坡热量条件好,而塞罕坝雨量条件较差,在阳坡容易形成高蒸发的现象,因而阳坡生态环境质量不如阴坡。51 第3期 王晓红,等:塞罕坝机械林场生态环境质量评价图4 R S E I地形分区统计2.4.2 R S E I对土地利用的响应土地利用与生态环境演变密切相关,可以反映人类活动作用下的生态环境质量。为了更进一步地探讨生态环境质量与土地利用的关系,得到了各土地利用类型R S E I均值(见表5)。表5 塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年土地利用类型下的R S E I均值年份耕地林地草地水域建设用地其他用地2 0 0 0年0.3 7 480.5 9 220.4 3 050.6 2 80.4 90.5 0 742 0 2 0年0.5 0 960.6 3 780.4 3 260.7 3 720.5 5 980.5 4 64 不同土地利用类型下的R S E I差异明显,其中水域的R S E I均值最高,生态环境质量良好,其次为林地,生态环境质量介于一般和良好之间。建设用地和其他用地R S E I均值差异较小,除草地外,其他土地利用类型R S E I均明显提高,其中耕地增长幅度最大,2 0 2 0年耕地R S E I超过了草地。为了更加详尽地了解塞罕坝土地利用情况,分别得到了2 0 0 0年图5(a)和2 0 2 0年图5(b)土地利用空间分布图和转移矩阵桑基图(图6)。由图5和图6可知,林地占据塞罕坝土地利用类型绝大部分,草地次之,耕地也有少量分布,土地利用转移主要发生在三者之间,其余土地利用类型面积占比不到1%。土地利用变化最为明显的是草地转化为林地,植被覆盖情况改善,生态环境质量好转,主要发生在研究区西部,这可能是因为西部地势平坦,塞罕坝造林工程在西部取得显著成效。图5 塞罕坝土地利用类型空间分布61 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷 图5 塞罕坝2 0 0 02 0 2 0年土地利用转移矩阵桑基图3结论(1)在绿度、湿度、干度、热度4个指标中,绿度和湿度对生态环境质量起积极作用,干度和热度对生态环境质量起负面作用,其中湿度对塞罕坝生态环境改善尤为重要,热度则是引起生态环境退化的潜在威胁,在生态环境保护中应做好旱灾及高温天气的预防与应对。(2)塞罕坝8 0%以上区域生态环境质量达到了中等及以上,且在2 0 2 0年塞罕坝主要的生态环境质量等级改善为良好。2 0年来,塞罕坝生态环境质量得到改善,改善区域的面积占研究区的5 2.6 7%。空间上也呈现一定的规律,即北曼甸林场生态环境质量略高于其他区域,生态环境质量改善的区域主要分布在研究区东北部和西部。(3)从地形因子的角度来看,海拔越高,塞罕坝生态环境质量越好,在坡度为6 1 5 时,生态环境质量达到最优,整体上阴坡生态环境质量高于阳坡。从土地利用类型的角度来看,水域和林地等生态用地生态环境质量较好,塞罕坝土地利用转移主要发生在研究区西部,大量草地转为林地,生态环境质量提高。参考文献:1 胡克宏,张震.陕西秦岭山区留坝县生态质量时空特征及影响因素分析J.生态与农村环境学报,2 0 2 1,3 7(0 6):7 5 1-7 6 0.2 刘盼,任春颖,王宗明,等.南瓮河自然保护区生态环境质量遥感评价J.应用生态学报,2 0 1 8,2 9(1 0):3 3 4 7-3 3 5 6.3 张华,宋金岳,李明,等.基于G E E的祁连山国家公园生态环境质量评价及成因分析J.生态学杂志,2 0 2 1,4 0(0 6):1 8 8 3-1 8 9 4.4 左璐,孙雷刚,鲁军景,等.基于MO D I S的京津冀地区生态质量综合评价及其时空变化监测J.自然资源遥感,2 0 2 2,3 4(0 2):2 0 3-2 1 4.5 朱青,国佳欣,郭熙,等.鄱阳湖区生态环境质量的空间分异特征及其影响因素J.应用生态学报,2 0 1 9,3 0(1 2):4 1 0 8-4 1 1 6.6 赵恒谦,贾梁,尹政然,等.基于多源遥感数据的北京市通州区土地利用/覆盖与生态环境变化监测研究J.地理与地理信息科学,2 0 1 9,3 5(0 1):3 8-4 3+2.7 蔡朝朝.新疆草地覆盖变化及其对气候变化的响应D.北京:北京林业大学,2 0 2 1.8 乐通潮,聂森,潘辉,等.基于L a n d s a t 8卫星影像的地表温度反演及福州春季城市热岛效应分析J.西北林学院学报,2 0 1 9,3 4(0 5):1 5 4-1 6 0.9 刘垚燚.土地利用与水系结构影响下的太湖流域水环境特征研究D.上海:华东师范大学,2 0 2 0.1 0 魏凌伟,兰思仁,熊慧锦,等.1 9 8 8-2 0 1 8年武夷山国家自然保护区生境质量评价J.西南林业大学学报(自然科学),2 0 2 1,4 1(0 4):9 3-1 0 2.1 1 徐涵秋.城市遥感生态指数的创建及其应用J.生态学报,2 0 1 3,3 3(2 4):7 8 5 3-7 8 6 2.1 2 徐涵秋.区域生态环境变化的遥感评价指数J.中国环境科学,2 0 1 3,3 3(0 5):8 8 9-8 9 7.1 3 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s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t y i nS a i h a n b aw a sa n a l y z e d,a n di t sr e s p o n s et ot o p o g r a p h i cf a c t o r sa n dl a n du s ew a si n v e s t i g a t e d.T h er e s u l t s s h o w e dt h a t a m o n gt h e f o u r c o m p o n e n t s,g r e e n n e s sa n dh u m i d i t yp l a yap o s i t i v er o l e i nt h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tq u a l i t yo fS a i h a n b a,w h i l ed r y n e s sa n dh e a tp l a yan e g a t i v er o l e.M o r et h a n8 5%o f t h e s t u d ya r e a r e a c h e s t h e e c o l o g i c a l q u a l i t y l e v e l o fm e d i u ma n da b o v e.M o r e t h a nh a l f o f t h ee c o l o g i c a l q u a l i t y i nt h e r e g i o nh a sb e e n i m p r o v e d i nt h ep a s t 2 0y e a r s,m a i n l yd i s t r i b u t e d i nt h en o r t h e a s ta n dw e s to ft h er e g i o n.T h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t yo fS a i h a n b ai sc l o s e l yr e l a t e dt ot o p o g r a p h i cf a c t o r sa n dl a n du s e.T h eh i g h e rt h ea l t i t u d e,t h eb e t t e rt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t y;Wh e nt h es l o p e i s 6 -1 5,t h e e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t q u a l i t y i s t h eb e s t;t h e e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t q u a l i t yo f s h a d e ds l o p e i sb e t t e r t h a n t h a t o f s u n n ys l o p e;t h e e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t q u a l i t yo f e c o l o g i c a l l a n ds u c ha sw a t e ra n dw o o d l a n da r eb e t t e r,a n da l a r g e a m o u n t o f g r a s s l a n d i n t h ew e s t e r np a r t o f t h e s t u d ya r e a i s c o n v e r t e di n t ow o o d l a n dd u r i n g2 0y e a r s,a n dt h ee c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tq u a l i t y i m p r o v e d.81 华北理工大学学报(自然科学版)第4 5卷