周啟剛, 彭春花, 劉栩位, 向宇峰, 周 浪

(1.重慶工商大學(xué) 公共管理學(xué)院, 重慶 400067; 2.生態(tài)環(huán)境空間信息數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)集成重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401320; 3.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院, 重慶 400067; 4.石柱土家族自治縣精繪勘測(cè)有限公司, 重慶 409100)

健康的生態(tài)系統(tǒng)是人類可持續(xù)發(fā)展的核心保障。近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步以及人口數(shù)量的增大，不斷消耗生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)資源，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力[1-2]，而人類生存活動(dòng)所需要的自然資源需要健康的生態(tài)環(huán)境來(lái)提供[3]。在全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)健康狀況日益惡化的嚴(yán)峻形勢(shì)下，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的定量監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)是評(píng)估區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要途經(jīng)[4]，生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)能夠客觀評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境的健康狀況，分析區(qū)域主要環(huán)境問(wèn)題及驅(qū)動(dòng)因素，可為區(qū)域環(huán)境的綜合管理提供新思路。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康研究主要集中于評(píng)價(jià)方法的選取和指標(biāo)體系的構(gòu)建，如何完善生態(tài)環(huán)境健康評(píng)價(jià)體系成為重點(diǎn)研究課題之一。目前評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康主要有物種指示法和指標(biāo)體系法[5-6]，物種指示法主要針對(duì)于單一的生態(tài)系統(tǒng)，綜合性的生態(tài)系統(tǒng)主要采用指標(biāo)體系法。國(guó)內(nèi)外主要采用指標(biāo)體系法對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，指標(biāo)體系法中比較成熟的模型方法有：綜合指數(shù)法[7-9]、層次分析法[10-14]、壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型(PSR模型)等[15-17]方法。其中，綜合指數(shù)法多用于水生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)，能很好體現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的綜合性、整體性和層次性[18-19]；層次分析法可全面分析區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化，但權(quán)重確定傾向于主觀因素，受人為因素影響較大[20]；PSR模型從壓力、狀態(tài)和響應(yīng)3個(gè)層次構(gòu)建多個(gè)重要指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)，此方法較多依賴主觀選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)的科學(xué)性難以保證[21]。研究發(fā)現(xiàn)，以往眾多學(xué)者應(yīng)用上述方法開(kāi)展研究過(guò)程中，指標(biāo)選取的主觀性、科學(xué)性以及指標(biāo)數(shù)量難以達(dá)成共識(shí)，而VOR模型從活力、組織力、恢復(fù)力3個(gè)方面綜合構(gòu)成為生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系，能全面反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的健康狀況，使生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)估從定性向定量轉(zhuǎn)變，可客觀評(píng)價(jià)區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)健康的綜合情況，是生態(tài)系統(tǒng)健康研究的重要評(píng)價(jià)模型[22-23]。同時(shí)，VOR模型可基于遙感影像數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，適用于小尺度下的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，該評(píng)價(jià)模型具有合理、有效且簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

三峽庫(kù)區(qū)消落帶是生態(tài)環(huán)境容易被破壞、較難恢復(fù)的一個(gè)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，該區(qū)域是庫(kù)區(qū)水域與周邊陸地環(huán)境的過(guò)渡地帶，對(duì)庫(kù)區(qū)水域系統(tǒng)和庫(kù)區(qū)兩岸坡地系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量交換起著重要作用。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，三峽庫(kù)區(qū)消落帶受土壤侵蝕、重金屬污染、城市建設(shè)等影響，其地表覆被發(fā)生相應(yīng)變化，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)健康帶來(lái)一定的影響。為探究2009年三峽大壩建成并全面蓄水后三峽庫(kù)區(qū)消落帶的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況，本研究以三峽庫(kù)區(qū)消落帶為研究區(qū)，以景觀生態(tài)學(xué)和地理統(tǒng)計(jì)學(xué)為理論基礎(chǔ)，基于高清遙感影像數(shù)據(jù)劃分生態(tài)系統(tǒng)類型，從生態(tài)系統(tǒng)活力(V)、組織力(O)、和恢復(fù)力(R)3個(gè)方面科學(xué)構(gòu)建VOR模型，定量評(píng)估2010—2020年三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康的動(dòng)態(tài)變化狀況。本研究旨在為三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和保護(hù)提供研究基礎(chǔ)和參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

三峽庫(kù)區(qū)消落帶位于北緯29°16′—31°25′、東經(jīng)106°—110°50′，主要范圍為三峽水庫(kù)水位線145～175 m的區(qū)域，涉及重慶市和湖北省的26個(gè)區(qū)縣，面積共計(jì)348.34 km2，其中重慶市三峽庫(kù)區(qū)消落帶總面積268.54 km2，占庫(kù)區(qū)消落帶總面積的77.09%；湖北省三峽庫(kù)區(qū)消落帶總面積79.80 km2，占庫(kù)區(qū)消落帶總面積的22.91%；在空間上庫(kù)首消落帶主要涵蓋巴東縣、秭歸縣、夷陵縣、興山縣共4個(gè)區(qū)縣，庫(kù)腹涵蓋奉節(jié)縣、巫山縣、巫溪縣、云陽(yáng)縣、萬(wàn)州區(qū)、開(kāi)州區(qū)、忠縣、石柱縣、豐都縣、涪陵區(qū)、武隆區(qū)共11個(gè)區(qū)縣，庫(kù)尾涵蓋長(zhǎng)壽區(qū)、渝北區(qū)、江北區(qū)、北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)、南岸區(qū)、巴南區(qū)、九龍坡區(qū)、渝中區(qū)、大渡口區(qū)、江津區(qū)共11個(gè)區(qū)縣。

三峽庫(kù)區(qū)地處四川盆地與長(zhǎng)江中下游平原的相交處，橫跨越渝、鄂中山區(qū)峽谷以及川東嶺谷地帶，屬南溫帶和亞熱帶過(guò)渡地帶，年均氣溫16～19℃，年均降水1 100～1 200 mm，年均相對(duì)濕度為 76%。三峽庫(kù)區(qū)消落帶是全球面積較大的水陸生態(tài)系統(tǒng)交替演變的過(guò)渡地帶，其主要是由三峽水庫(kù)調(diào)度引起的水位周期性變化形成的。三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)因其邊緣性、過(guò)渡性和脆弱性極易導(dǎo)致水土流失、水體環(huán)境污染、生物多樣性減少等問(wèn)題。我國(guó)水利工程建設(shè)各類水庫(kù)數(shù)量眾多，由于季節(jié)性蓄水變化形成大面積消落帶，研究三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)同類水庫(kù)具有借鑒意義。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于Google Earth發(fā)布的高分辨率遙感影像，其空間分辨率為2 m×2 m，采用的地理坐標(biāo)系為GCS_ Krasovsky_1940，投影坐標(biāo)系采用Albers圓錐等面積投影，其時(shí)間分辨率為2010年、2014年、2018年和2020年四期第二季度(4月、5月和6月)遙感數(shù)據(jù)。三峽庫(kù)區(qū)消落帶地表覆被類型采用中科院分類標(biāo)準(zhǔn)，將其分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和裸地6類。通過(guò)采用eCognition軟件，對(duì)基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行面向?qū)ο蟮慕庾g方式基礎(chǔ)上，采用人工目視解譯的方法提高遙感影像的解譯精度。為保證整體范圍不改變，每一時(shí)期的地表覆被數(shù)據(jù)均在前一期數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行變更修改。歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)，通過(guò)Google earth engine平臺(tái)獲取Landsat系列衛(wèi)星影像進(jìn)行編碼反演，分辨率為30 m×30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)建 本研究基于遙感影像的生態(tài)健康評(píng)價(jià)方法，從活力、組織力和恢復(fù)力3個(gè)方面來(lái)反映生態(tài)系統(tǒng)健康?；盍聪到y(tǒng)的活性、新陳代謝能力和初級(jí)生產(chǎn)力，可選取光合效率或光合產(chǎn)物、地上生物量等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，本次選取歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)表征系統(tǒng)活力。組織力用于表示生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在人類活動(dòng)干擾和自然景觀多樣性這兩方面，本次選用景觀多樣性，蔓延度，聚合度和人來(lái)干擾度4個(gè)指標(biāo)來(lái)表征系統(tǒng)組織力?；謴?fù)力是指系統(tǒng)受外界干擾的自我抵抗力和恢復(fù)速率，本次選用生態(tài)彈性度表征系統(tǒng)恢復(fù)力。所以本研究選用3個(gè)子系統(tǒng)，6類指標(biāo)，從環(huán)境資源，景觀生態(tài)和人為干擾3個(gè)角度，構(gòu)建了研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

(1) 活力?；盍?Vigor,V)是指生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝或初級(jí)生產(chǎn)力，一般用植被生產(chǎn)力表示，由于歸一化植被指數(shù)(NDVI)與植被生產(chǎn)力高度正相關(guān)，本文選取研究區(qū)的NDVI作為生態(tài)系統(tǒng)活力指標(biāo)[24-26]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是利用植物葉面在紅光波段的較強(qiáng)吸收特性和在近紅外波段強(qiáng)烈的反射特性進(jìn)行組合而成，其可以綜合反映出研究區(qū)域的植被覆蓋率，在遙感影像中，其計(jì)算公式為：

(1)

式中:NIR為近紅外波段的反射值;R為紅外光波段的反射值。當(dāng)綠度指標(biāo)(NDVI)>0時(shí),則表示有植被覆蓋,且綠度指標(biāo)(NDVI)越大時(shí),表示覆蓋度越大。

表1 生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2) 組織力。組織力(Organization,O)是指生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，描述生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在人為活動(dòng)影響和自然景觀多樣性上，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，生態(tài)就越健康[27]。本研究選用景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、聚集度指數(shù)(AI)、人為干擾度指數(shù)(HDI)作為組織力的指標(biāo)因子，其中景觀多樣性指數(shù)(SHDI)揭示景觀的復(fù)雜程度；蔓延度指數(shù)(CONTAG)描述不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)；聚集度指數(shù)(AI)體現(xiàn)相應(yīng)斑塊類型的自然狀態(tài)連通度；人為干擾度指數(shù)(HDI)能表征生態(tài)系統(tǒng)的受到人類活動(dòng)的干擾程度。

(1) 景觀多樣性指數(shù)指不同類型的景觀在空間結(jié)構(gòu)、功能機(jī)制和時(shí)間動(dòng)態(tài)方面的多樣化和變異性，反映景觀類型的多少和所占比例的變化，揭示景觀的復(fù)雜程度。該指數(shù)與生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度呈正相關(guān)，屬于正向指標(biāo)，計(jì)算公式如下:

(2)

式中:H為研究區(qū)景觀多樣性指數(shù);Pi為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用類型占土地總面積的比例;m為研究區(qū)土地利用類型的總數(shù)。

(2) 蔓延度指數(shù)描述景觀里不同斑塊類型的團(tuán)聚程度或延展趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，高蔓延度值說(shuō)明景觀中的某種優(yōu)勢(shì)斑塊類型形成了良好的連接性，反之則表明景觀具有多種要素的密集格局，景觀的破碎化程度較高。

(3)

式中:Pij是隨機(jī)選擇的兩個(gè)相鄰柵格屬于類型i與j的概率。

(3) 聚集度指數(shù)，其數(shù)值越大，聚集度越高，反映了生態(tài)系統(tǒng)各成分間相互依賴的程度越強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈加穩(wěn)定，計(jì)算公式如下：

(4)

式中:fij為根據(jù)單一算法類型I相鄰斑塊數(shù)。

(4) 人為干擾度指數(shù)(HDI)為人類生產(chǎn)生活中對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾強(qiáng)度，即為人為干擾度，不同的地表覆被類型代表著不同的人類開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度。本文參考孫永光、陳愛(ài)蓮等研究成果[28-29]，結(jié)合三峽庫(kù)區(qū)消落帶地表覆被類型和人為活動(dòng)因素，確定干擾度系數(shù)(表2)，通過(guò)構(gòu)建人為干擾度(HDI)模型來(lái)表示三峽庫(kù)區(qū)消落帶的人類活動(dòng)影響強(qiáng)度，其表達(dá)式為：

(5)

式中:n為地表覆被類型;Ax為采樣網(wǎng)格中第x種地表覆被的面積(km2);Ay為采樣網(wǎng)格的面積(km2);Px為第x種地表覆被類型所反映的人為干擾度系數(shù)。

(5) 組織力(O)計(jì)算模型為：

(6)

式中:O為組織力；X為i類指標(biāo)因子的值；1≥n≥4。

表2 研究區(qū)地表覆被類型與人為干擾強(qiáng)度系數(shù)

(3) 恢復(fù)力?；謴?fù)力(Resilience,R)是指景觀斑塊在自然界和人為干擾情況下，保持其原有結(jié)構(gòu)和功能的能力，反映其在生態(tài)系統(tǒng)中自我抗干擾與適應(yīng)的能力[30]。地表覆被類型的屬性越接近自然生態(tài)系統(tǒng)，越容易在受到干擾之后自我恢復(fù)。本研究根據(jù)不同的地表覆被類型，參考前人研究[18,24,30]，設(shè)定其生態(tài)彈力系數(shù)(表3)：

表3 地表覆被類型與生態(tài)彈力系數(shù)RC

在自然及人為外界壓力下，接近自然生態(tài)系統(tǒng)的地表覆被類型更易恢復(fù)，而以人為主導(dǎo)的地表覆被類型在外部壓力下的恢復(fù)能力較低，從而遭受更大的破壞。地表覆被中的水體和裸地，可以從水循環(huán)中迅速恢復(fù)，而地表覆被為裸地的區(qū)域在目視解譯和野外考察中多為消落帶鄰近水域的灘地和灘涂，特別是呈荒地狀態(tài)的區(qū)域，對(duì)自然災(zāi)害具有很強(qiáng)的抵抗性，在外界干擾消失后能夠自我更新或保持原狀，因此具有最高的恢復(fù)潛力。

2.2.2 VOR生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)模型 本研究基于活力、組織力和恢復(fù)力3個(gè)評(píng)估因子，構(gòu)建三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，公式如下：

(7)

式中:EHI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù),V,O,R分別為生態(tài)系統(tǒng)活力、組織力和恢復(fù)力,三者均是評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因子,具有同等重要性,因此采用乘法運(yùn)算。由于不同的指標(biāo)因子的增量會(huì)使生態(tài)系統(tǒng)健康更加健康和穩(wěn)定或使生態(tài)系統(tǒng)健康更脆弱和不穩(wěn)定,為綜合評(píng)價(jià)研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康,根據(jù)表1中的指標(biāo)類型對(duì)其進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算公式如下。

積極意義指標(biāo)：

(8)

消極意義指標(biāo)：

(9)

式中:Y為歸一化后得結(jié)果值,范圍[0,1]；X為樣本值,Xmax為樣本數(shù)據(jù)最大值；Xmin為樣本數(shù)據(jù)最小值。

2.2.3 生態(tài)健康評(píng)價(jià)等級(jí)劃分 本研究參考相關(guān)專家學(xué)者提出的生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[30-31]，將三峽庫(kù)區(qū)消落帶區(qū)域的活力、組織力和恢復(fù)力生態(tài)健康子系統(tǒng)及生態(tài)健康指數(shù)按照等值法劃分為5類等級(jí)，見(jiàn)表4。

3 結(jié)果與分析

3.1 消落帶生態(tài)系統(tǒng)活力健康分析

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)活力健康由圖1可知，庫(kù)首消落帶部分生態(tài)系統(tǒng)健康活力等級(jí)總體變化趨勢(shì)一致，均在2018年出現(xiàn)明顯變化，其中活力健康水平等級(jí)為Ⅰ時(shí)，突變尤為劇烈，其空間面積占比為55.37%；在2010—2020年，在活力健康水平等級(jí)為Ⅴ時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)活力呈現(xiàn)較為明顯的轉(zhuǎn)好趨勢(shì)。庫(kù)腹消落帶在時(shí)序上活力健康水平主要呈現(xiàn)為Ⅳ級(jí)，其各年空間面積占比分別為34.54%，36.89%，34.92%，38.41%，占比均超過(guò)庫(kù)腹面積的1/3，其活力整體波動(dòng)不大，穩(wěn)定性較好；庫(kù)尾消落帶在10 a間生態(tài)系統(tǒng)活力健康水平在Ⅴ級(jí)的占比均出現(xiàn)最低，分別為0.14%，5.65%，3.27%，2.86%，其他4類生態(tài)系統(tǒng)活力健康水平等級(jí)在空間面積占比差異較小，庫(kù)尾消落帶部分區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況整體偏低。

表4 研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)等級(jí)

圖1 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)活力等級(jí)分布占比圖

研究發(fā)現(xiàn)，近10 a間三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)活力健康水平總體偏低，但在2010—2018年期間，消落帶生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況整體呈現(xiàn)由差向好發(fā)展趨勢(shì)，活力健康水平有所改善。在2018—2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況發(fā)生明顯變化，庫(kù)首和庫(kù)尾生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況好轉(zhuǎn)，庫(kù)腹生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況有所下降，其原因?yàn)楫?dāng)年上游連降大雨，導(dǎo)致三峽入庫(kù)量增加，庫(kù)腹大部分消落帶區(qū)域被淹沒(méi)，導(dǎo)致其生態(tài)系統(tǒng)活力下降明顯。

3.2 消落帶生態(tài)系統(tǒng)組織力健康分析

生態(tài)系統(tǒng)組織力的健康主要表現(xiàn)在其復(fù)雜性，組織結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其生態(tài)系統(tǒng)越健康。研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)組織力健康狀況由圖2可知。10 a間，庫(kù)首消落帶組織力健康水平較差和一般的區(qū)域面積有所增加，增加了10.23%和6.9%，健康水平較好和好的區(qū)域，面積減少了10%和5.44%，庫(kù)首消落帶生態(tài)系統(tǒng)組織力健康水平有所下降；庫(kù)腹消落帶組織力健康水平一般的區(qū)域明顯增加，面積占比增加了10%，而健康水平為較好和好區(qū)域的面積減少程度高于差和較差的區(qū)域，表明庫(kù)腹消落帶組織力健康水平也有所降低；庫(kù)尾消落帶組織力健康水平為一般的區(qū)域面積增加了16.42%，健康水平為差和好的區(qū)域面積分別減少了11.68%和5.22%，庫(kù)尾消落帶生態(tài)系統(tǒng)組織力健康性有所提高。

圖2 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)組織力等級(jí)分布占比

研究發(fā)現(xiàn)，2010—2020年，庫(kù)首、庫(kù)腹和庫(kù)尾消落帶生態(tài)系統(tǒng)組織力健康水平變化呈I級(jí)和Ⅳ級(jí)向Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)轉(zhuǎn)換趨勢(shì)。其中，2010—2018年研究區(qū)各級(jí)生態(tài)系統(tǒng)組織力健康水平面積占比波動(dòng)幅度較小，健康水平整體較好。2018—2020年變化幅度較大，整體向Ⅲ級(jí)一般健康狀態(tài)發(fā)展。

3.3 消落帶生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力健康分析

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力健康狀況由圖3可知。2010—2020年，三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)力等級(jí)空間面積占比整體保持穩(wěn)定狀態(tài)，各水平等級(jí)的恢復(fù)力在時(shí)序上未發(fā)生明顯變化，恢復(fù)力等級(jí)Ⅳ級(jí)占比在時(shí)序上占比最大，均超過(guò)50%，恢復(fù)力最差的Ⅰ級(jí)空間上的占比均小于2%。庫(kù)腹部分消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)力在空間上占比較大的部分表現(xiàn)為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)，與Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅴ級(jí)3個(gè)等級(jí)之間空間占比差別較大。庫(kù)尾部分在研究時(shí)序上均以Ⅳ級(jí)占比最大，生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)力Ⅴ級(jí)整體上呈現(xiàn)一個(gè)“凹”型變化。

總體上看，三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康恢復(fù)力整體上以Ⅳ級(jí)的占比為主導(dǎo)。其中庫(kù)首Ⅳ級(jí)區(qū)域面積占比高達(dá)約69%，占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)，這部分區(qū)域主要由林地和水域組成，林地作為以木本植物為主體的高級(jí)生物群落，擁有更完善的自然生態(tài)系統(tǒng)，面對(duì)外部壓力能及時(shí)完成自我更新，更容易恢復(fù)。同時(shí)，消落帶水位漲落頻繁，水體作為消落帶的一部分，易從水循環(huán)中恢復(fù)，恢復(fù)力較高。Ⅴ級(jí)和Ⅲ級(jí)區(qū)域面積占比次之，且?guī)旄沟蘑蠹?jí)區(qū)域面積占比遠(yuǎn)大于庫(kù)首和庫(kù)尾，Ⅲ級(jí)區(qū)域以草地為主，屬于較次等的自然生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)速率一般，因此恢復(fù)力居于中等水平。在空間上庫(kù)尾和庫(kù)腹的Ⅰ級(jí)區(qū)域面積占比均持續(xù)上升，恢復(fù)力健康水平最低。

圖3 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力等級(jí)分布占比

3.4 消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況分析

3.4.1 三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況時(shí)空變化特征 本研究從生態(tài)系統(tǒng)活力、組織力和恢復(fù)力3個(gè)方面得出三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。在時(shí)間變化上(表5)，2010—2020年，生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)的面積呈明顯減小趨勢(shì)，表明研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康為差和較差水平的區(qū)域在逐漸減少，整體健康狀況逐漸好轉(zhuǎn)；生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)為Ⅲ級(jí)的面積呈小幅度波動(dòng)變化，研究區(qū)健康狀態(tài)變化不明顯；生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)為Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)的面積發(fā)生明顯變化，在2010—2018年，Ⅳ級(jí)面積逐年增加，健康水平為良好的區(qū)域明顯增多，Ⅴ級(jí)面積逐年減少，健康水平為好的區(qū)域有所下降，在2018—2020年，Ⅳ級(jí)面積大幅度減少，減少了19.27 km2，Ⅴ級(jí)面積大幅度增加，增加了23.91 km2，研究區(qū)健康狀況上升幅度明顯。

表5 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況等級(jí)面積占比

從整體情況看，研究區(qū)在4個(gè)時(shí)期各級(jí)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況數(shù)量結(jié)構(gòu)保持一致，均呈“中間高兩端低”的分布趨勢(shì)，近10 a研究區(qū)各級(jí)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況過(guò)渡情況較為穩(wěn)定，差到一般等級(jí)的健康水平區(qū)域正逐步向健康水平為良好和好的區(qū)域發(fā)展，三峽庫(kù)區(qū)消落帶整體生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈明顯改善趨勢(shì)。

從空間分布來(lái)看(表6)，本研究生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)空間分布主要從三峽庫(kù)區(qū)的庫(kù)首、庫(kù)腹和庫(kù)尾3個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析研究。在2010—2020年，庫(kù)首消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)主要為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)，面積占比超過(guò)庫(kù)首總面積的55%，健康狀況主要處于較差和一般水平，但庫(kù)首消落帶健康等級(jí)為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)面積占比明顯逐年減小，Ⅲ級(jí)到Ⅴ級(jí)面積占比逐年增加，表明庫(kù)首消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康水平在逐年提升；庫(kù)腹消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)主要為Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)，面積占比大于庫(kù)腹總面積的50%，健康狀況主要處于一般和良好水平，但庫(kù)腹消落帶處于Ⅱ級(jí)到Ⅳ級(jí)的面積呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，為Ⅰ級(jí)和Ⅴ級(jí)的面積呈波動(dòng)增加趨勢(shì)，整體生態(tài)系統(tǒng)健康向好；在2010—2014年，庫(kù)尾消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈較差和一般水平，在2014—2020年，庫(kù)尾消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康狀況呈一般和較好水平，但庫(kù)尾消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康整體向Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，健康水平明顯提高。

表6 2010-2020年研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康 等級(jí)空間分布面積占比

研究發(fā)現(xiàn)，庫(kù)首、庫(kù)腹和庫(kù)尾消落帶的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況空間分布上生態(tài)系統(tǒng)健康狀況整體呈現(xiàn)穩(wěn)定并健康的發(fā)展趨勢(shì)，各區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)數(shù)量結(jié)構(gòu)均以Ⅲ級(jí)在各年保持一致。呈“凸”形分布態(tài)勢(shì)。10 a間，各級(jí)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況面積占比由低等級(jí)向高等級(jí)逐年過(guò)渡，差和較差健康水平面積占比明顯下降，良好和好健康水平面積占比明顯上升，健康程度大幅度提高。

3.4.2 三峽庫(kù)區(qū)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)差值變化特征 通過(guò)對(duì)研究區(qū)前后4個(gè)時(shí)點(diǎn)生態(tài)健康狀況等級(jí)值進(jìn)行計(jì)算得到3個(gè)時(shí)期的差值，將等級(jí)差值分為以下7種變化類型：高度退化型(-3，-4)、中度退化型(-2)、輕度退化型(-1)、穩(wěn)定型(0)、輕度改善型(+1)、中度改善型(+2) 和高度改善型(+3，+4) ，對(duì)7種變化類型分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分類結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 研究區(qū)生態(tài)健康狀況變化類型面積統(tǒng)計(jì)

第一時(shí)期(2010—2014年)，研究區(qū)穩(wěn)定型面積最大，為200.30 km2，改善型總面積微高于退化型總面積，面積分別為74.16 km2和73.88 km2。其中，輕度改善型占研究區(qū)總面積的18.16%，輕度退化型占研究區(qū)總面積的17.34%；中度退化型和中度改善型面積差異較小，分別為10.18 km2和9.92 km2；高度退化型和和高度改善型面積僅為3.31 km2和0.98 km2。

在空間分布上(表8)，庫(kù)首消落帶生態(tài)健康以輕度退化型為主，占庫(kù)首總面積的61.57%，其次為穩(wěn)定型和中度退化型，高度改善型面積0.98 km2；庫(kù)腹和庫(kù)尾消落帶均以穩(wěn)定型為主，中、高度退化型和改善型面積占比較小。

第二時(shí)期(2014—2018年)，研究區(qū)穩(wěn)定型面積仍最大，相比第一時(shí)期面積有所增加，增加了11.53 km2，退化型總面積相比第一時(shí)期有所減小，減小了18.68 km2，改善型總面積有所增加，增加了7.15 km2。其中，輕度改善型和輕度退化型分別占研究區(qū)總面積的20.38%和13.94%；中度改善型高于中度退化型面積，分別為9.80 km2、5.54 km2；高度退化型和高度改善型面積僅為1.10 km2和0.51 km2。在空間分布上，庫(kù)首消落帶生態(tài)健康以穩(wěn)定型為主，占庫(kù)首消落帶面積的61.04%，相比第一時(shí)期，高度退化型面積幾乎為0，高度改善型面積小幅度增加，庫(kù)腹和庫(kù)尾消落帶仍以穩(wěn)定型為主，中度退化型、改善型面積均增加，高度退化型、改善型面積均減小。

第三時(shí)期(2018—2020年)，研究區(qū)改善型總面積最大，為145.75 km2，退化型總面積微高于穩(wěn)定型，面積分別為102.82 km2，99.76 km2。其中，輕度改善型面積占研究區(qū)總面積的27.92%，面積為70.99 km2，稍低于穩(wěn)定性面積，遠(yuǎn)高于輕度退化型面積，為57.60 km2。中度改善型面積占消落帶面積11.61%，為40.44 km2，高于中度退化型面積，為35.64 km2。高度改善型面積占消落帶總面積的2.31%，為8.06 km2，低于高度退化型面積，為9.58 km2。在空間分布上，消落帶庫(kù)首、庫(kù)腹和庫(kù)尾生態(tài)健康均以穩(wěn)定性和輕度改善型為主，分別占該區(qū)域總面積的67.49%，56.72%和53.59%。

第四時(shí)期(2010—2020年)，10 a間研究區(qū)改善型總面積占比最大，為44.47%，退化型總面積高于穩(wěn)定型，分別為103.64 km2，89.78 km2。其中輕度、中度和高度改善型面積均大于輕度、中度和高度退化型面積。在空間分布上，庫(kù)首、庫(kù)腹和庫(kù)尾消落帶生態(tài)健康主要以穩(wěn)定和輕度改善型為主，整體生態(tài)健康狀況呈穩(wěn)定偏改善型方向發(fā)展。

通過(guò)對(duì)消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康等級(jí)差值變化特征分析。研究發(fā)現(xiàn)，在三峽庫(kù)區(qū)消落帶在第一時(shí)期和第二時(shí)期均以穩(wěn)定型為主，表明庫(kù)區(qū)消落帶整體的生態(tài)系統(tǒng)健康狀態(tài)整體保持相對(duì)穩(wěn)定；在第三時(shí)期和第四時(shí)期，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)整體改善型面積最大，表明在2018年后，我市對(duì)庫(kù)區(qū)消落帶有一定的治理和保護(hù)，整體健康狀態(tài)逐漸向好發(fā)展。

表8 研究區(qū)生態(tài)健康差值類型空間面積分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

研究發(fā)現(xiàn)，在近10 a庫(kù)腹消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康水平為差的區(qū)域面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，總體健康水平為差的區(qū)域仍在增加，增加了0.86%，2014年庫(kù)腹健康水平為差的面積占比最大，為10.44%。而庫(kù)首和庫(kù)尾消落帶健康狀況呈改善明顯趨勢(shì)。因此，在后續(xù)消落帶治理中，應(yīng)針對(duì)庫(kù)腹區(qū)域消落帶進(jìn)行大力度的生態(tài)修復(fù)工程，嚴(yán)格消落帶的保護(hù)，應(yīng)嚴(yán)厲禁止在消落帶區(qū)域從事的農(nóng)耕，畜禽養(yǎng)殖等活動(dòng)；加強(qiáng)面源污染防治，嚴(yán)控周邊耕作區(qū)域富營(yíng)養(yǎng)化和含重金屬污廢水向消落帶的排放；對(duì)消落帶實(shí)施耐淹植物種植及濕地公園示范區(qū)域建設(shè)等生態(tài)保護(hù)修護(hù)工程，增強(qiáng)消落帶的自我更新和恢復(fù)能力。

生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)對(duì)空間尺度比較敏感，生態(tài)系統(tǒng)健康狀況在不同尺度上會(huì)存在顯著差異[31]。三峽庫(kù)區(qū)消落帶區(qū)域自身具有長(zhǎng)、窄等形狀特點(diǎn)，不適合進(jìn)行大尺度研究。本研究為提高評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性，選擇適合小尺度下的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建適用于消落帶生態(tài)系統(tǒng)健康的VOR評(píng)價(jià)模型該評(píng)價(jià)模型既能反映生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，又能反映消落帶在外界干擾下的恢復(fù)能力，同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果能有效反映研究區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和空間分布特征。另外，本研究不足之處在于僅從三峽庫(kù)區(qū)消落帶的角度進(jìn)行了生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要基于遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行選取，未涉及到水質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和生物學(xué)群落等指標(biāo)，在后續(xù)研究中，可將研究區(qū)與周邊環(huán)境結(jié)合研究，探究其生態(tài)系統(tǒng)健康變化的影響因素和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，同時(shí)可進(jìn)一步完善生態(tài)系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性與完整性。

4.2 結(jié) 論

(1) 近10 a間，研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康狀況總體呈現(xiàn)穩(wěn)定并改善的趨勢(shì)；各年生態(tài)系統(tǒng)健康水平等級(jí)數(shù)量結(jié)構(gòu)均呈“凸”形分布態(tài)勢(shì)，健康水平整體向良好和好發(fā)展；在空間分布上，庫(kù)腹消落帶健康狀況最佳，庫(kù)首和庫(kù)尾消落帶健康水平逐年向好發(fā)展。

(2) 從4個(gè)研究時(shí)期的健康變化特征來(lái)看，第一時(shí)期和第二時(shí)期研究區(qū)均以穩(wěn)定型為主，面積分別為200.30 km2和211.83 km2；第三時(shí)期和第四時(shí)期研究區(qū)均以改善型為主，面積分別為145.75 km2，154.92 km2；表明三峽庫(kù)區(qū)消落帶整體生態(tài)健康狀況特征以穩(wěn)定偏改善型趨勢(shì)發(fā)展。

(3) 在生態(tài)系統(tǒng)活力健康狀況上，研究區(qū)整體活力健康水平總體偏低，發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)逐年向好發(fā)展；在生態(tài)系統(tǒng)組織力健康狀況上，健康水平呈現(xiàn)兩端向中間發(fā)展趨勢(shì)，健康水平向一般狀態(tài)發(fā)展；在生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力健康狀況上，整體以較好的恢復(fù)力水平保持健康穩(wěn)定。