王瑋琳, 蘇鵬飛, 李繼園*

(1.陜西師范大學(xué) 西北國土資源研究中心, 陜西 西安 710119; 2.黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021)

近年來,隨著社會不斷進步和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展,人民的生活水平和質(zhì)量得到了極大程度的提高.為了滿足不斷增長的發(fā)展需求,原本的土地利用類型被改變,不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致了一系列生態(tài)環(huán)境問題,除此之外,現(xiàn)存的一些粗放型生產(chǎn)方式和傳統(tǒng)的發(fā)展理念也對生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉(zhuǎn)的損害.因此,為了協(xié)調(diào)好經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的關(guān)系,更好地發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)功能,貫徹可持續(xù)發(fā)展理念,對當(dāng)前的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價具有十分重要的研究意義.

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量反映人類賴以生存和發(fā)展的環(huán)境的優(yōu)劣程度,對人類社會的可持續(xù)發(fā)展有著直接的影響.截至目前,對特定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行評價有多種方法,但國內(nèi)外相關(guān)研究并沒有形成普適與完整的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系.遙感技術(shù)能夠有效反映生態(tài)系統(tǒng)要素的空間結(jié)構(gòu)和質(zhì)量特征[1],實現(xiàn)長時間大范圍的對地觀測,借助遙感技術(shù)對環(huán)境進行監(jiān)測和評價已經(jīng)成為生態(tài)領(lǐng)域極為重要的方法手段. 2013年,徐涵秋基于生態(tài)環(huán)境評價指數(shù)提出了新的遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing based Ecological Index, RSEI),該指數(shù)完全基于遙感技術(shù),涉及指標(biāo)較容易獲取、權(quán)重設(shè)定客觀合理,同時評價結(jié)果可視化效果好,逐漸成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境評價的新型方法[2].目前,已經(jīng)有諸多學(xué)者在不同地區(qū)使用RSEI進行應(yīng)用研究,趙嘉麗等利用AWRSEI模型評價干旱和半干旱區(qū)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[3],汪孝賢等改進遙感生態(tài)指數(shù)對祁連山國家級自然保護區(qū)進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價[4]. RSEI指數(shù)包括濕度、干度、熱度及綠度四個指數(shù),能夠較好地集成四個分量的信息,綜合反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況,但在水域面積占比較大的區(qū)域,其濕度分量不能很好的反映植被和土壤的濕度[5],同時考慮到人類活動對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要影響,所以本文在RSEI的基礎(chǔ)上進行改進,增加了生物豐度指數(shù)、人類活動指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)及土壤侵蝕指數(shù),共同構(gòu)建較為完整的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價體系.

湖南省株洲市作為典型的老工業(yè)基地,曾經(jīng)存在較為嚴(yán)重的環(huán)境污染問題,隨著發(fā)展模式的逐漸轉(zhuǎn)變,其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量近年來得到明顯改善.因此,本文借助改進的遙感生態(tài)指數(shù)和主成分分析方法,對株洲市2005—2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行時序評價與動態(tài)變化分析,以期為株洲市生態(tài)環(huán)境的進一步改善提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

湖南省株洲市是湖南省轄地級市(圖1),也是長株潭城市群的核心城市、長江中游城市群的城市之一,位于湖南省東部偏北、湘江下游地區(qū).所在地區(qū)屬于典型的丘陵地貌,地勢總體東南高、西北低,四面環(huán)山.湘江作為株洲市的主干水系從南到北將其一分為二,水系較為發(fā)達,因此,其境內(nèi)水土流失類型主要是水力侵蝕,部分山丘區(qū)存在滑坡、崩塌現(xiàn)象. “十一五”規(guī)劃以來,株洲市的國民經(jīng)濟總值不斷增長,2022年株洲市城鎮(zhèn)化率達到72.47%,較上年提升0.43個百分點,人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響起到越來越大的作用.

圖1 研究區(qū)概況圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文所用Landsat系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)集包括2005年、2011年的Landsat5 TM數(shù)據(jù)和2017年、2020年的Landsat8 OLI數(shù)據(jù),均從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(https://www.gscloud.cn/)獲取,空間分辨率為30m,影像的成像時間在4—8月份,云量均在20%以下,能夠較好的體現(xiàn)株洲市各土地利用類型的分布特征,對獲取的遙感影像數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、大氣校正、鑲嵌及裁剪等預(yù)處理操作;DEM數(shù)據(jù)是ASTER GDEM的第二版V2高程數(shù)據(jù),空間分辨率為30m;統(tǒng)計數(shù)據(jù)均由《株洲市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》《湖南省統(tǒng)計年鑒》《株洲市生態(tài)環(huán)境狀況公報》整理所得.

2 研究方法

2.1 最大似然法監(jiān)督分類

目前,傳統(tǒng)的遙感影像數(shù)據(jù)分類方法主要有監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類兩種.本文選擇的分類方法為監(jiān)督分類中的最大似然法,該方法是通過求出每個像元對于各個類別的似然度,將像元劃分到最大似然度的類別中去[6].分類標(biāo)準(zhǔn)基于2007年發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007),該標(biāo)準(zhǔn)是采用二級分類對土地利用類型進行分類,其中一級類共12類,二級類共56類[7].通過閱讀相關(guān)文獻,在選擇樣本時使用分層抽樣方案選取樣本點及驗證點[8],結(jié)合株洲市的實際情況,最終分成耕地、草地、林地、水體、建筑用地以及未利用地六類,分類后結(jié)合混淆矩陣計算各個類別的生產(chǎn)者精度PA、用戶精度UA,總體精度OA以及Kappa系數(shù),驗證分類精度.

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價體系

現(xiàn)行的遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing based Ecological Index,RSEI)主要包括熱度、濕度、干度以及綠度四個指數(shù)[9].除此之外,基于株洲市的土地利用類型信息,選擇了生物豐度指數(shù)和人類活動指數(shù)來研究該區(qū)域生物對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響,選擇水體密度指數(shù)反映研究區(qū)域的河流以及湖泊情況.最后,結(jié)合研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù),選擇土壤侵蝕指數(shù)來反映該地區(qū)的土壤侵蝕程度,基于以上8個評價因子共同構(gòu)建改進的遙感生態(tài)指數(shù)綜合評價體系.

2.2.1 熱度指標(biāo)

通過反演地表溫度可以獲取關(guān)于氣候變化研究的相關(guān)信息,從而研究城市熱島效應(yīng)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響.四期遙感數(shù)據(jù)采用單窗算法反演地表溫度,該方法的具體原理如下[10]:

TS=[a*(1-C-D)+(b*(1-C-D)+C+D)*Tb-D*Ta]/C,

(1)

C=ε*τ,

(2)

D=(1-ε)*(1+(1-ε)*τ),

(3)

其中:TS是地表真實溫度,a、b為常量,具體的值分別為a=-67.355351、b=0.458606,Tb是指行星亮度溫度,其計算需要結(jié)合相關(guān)的定標(biāo)參數(shù),通過對Landsat遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)來實現(xiàn)的,Ta是大氣平均作用溫度,ε是指地表比輻射率,τ是大氣透過率.

2.2.2 濕度指標(biāo)

濕度是纓帽變換后得到的三個參數(shù)之一,可以反映地表面水體、植被以及土壤的干濕情況[11],計算方法如下:對于Landsat 5 TM數(shù)據(jù)而言, 有

WetTM=0.0315ρband1+0.202ρband2+0.3102ρband3+0.1594ρband4-0.6806ρband5-0.6109ρband6,

(4)

對于Landsat 8 OLI數(shù)據(jù)而言, 有

WetOLI=0.0315ρband2+0.202ρband3+0.3102ρband4+0.1594ρband5-0.6806ρband6-0.6109ρband7,

(5)

式中:WetTM、WetOLI分別為TM數(shù)據(jù)、OLI數(shù)據(jù)的濕度指數(shù),ρbandi(i=1,2,…)代表第i波段的反射率.

2.2.3 綠度指標(biāo)

針對植被指數(shù)的研究近年來不斷發(fā)展,目前存在的植被指數(shù)模型有EVI、PVI、DVI、NDVI等幾十種,NDVI減少了土壤、地形等其他因素對植被的影響[12].因此本文基于像元二分模型[13]借助歸一化植被指數(shù)(NDVI)計算植被覆蓋度,具體公式如下:

NDVI=(ρNIR-ρR/(ρNIR+ρR),

(6)

Fvc=(NDVI-NDVIS)/(NDVIv-NDVIs),

(7)

式中:NDVI、Fvc分別表示歸一化植被指數(shù)及植被覆蓋度,ρNIR、ρR分別為近紅外波段和紅光波段的反射率,NDVIs、NDVIv表示無植被像元的NDVI值和純植被像元的NDVI值.

2.2.4 干度指標(biāo)

研究區(qū)域地表除了裸露的土地表面外,還有部分建筑物,所以本文選擇使用裸土指數(shù)(SI)和建筑物指數(shù)(IBI)共同構(gòu)建干度指數(shù)(NDBSI)[14],具體的計算公式如下:

(8)

(9)

NDBSI=(IBI+SI)/2,

(10)

式中:ρSWIR1、ρNIR、ρR、ρG、ρB分別為遙感影像熱紅外波段1、近紅外波段、紅波段、綠波段、藍波段的反射率.

2.2.5 生物豐度指數(shù)

生物多樣性是判斷一個生態(tài)系統(tǒng)是否穩(wěn)定的重要評價指標(biāo)之一.衡量生物對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響是通過生物豐度指數(shù)體現(xiàn)的,該指數(shù)通過給各個地物類別賦予權(quán)重來建立,參考已有研究[15,16],同時考慮株洲市生態(tài)環(huán)境的實際情況,確定六類地物在構(gòu)建生物豐度指數(shù)時的權(quán)重:

(11)

式中:Abio為生物豐度指數(shù)的歸一化指數(shù),S林地、S耕地、S建筑用地、S水體、S草地、S未利用地分別為研究區(qū)內(nèi)林地、耕地、建筑用地、水體、草地、未利用地的面積,S為研究區(qū)面積.

2.2.6 人類活動指數(shù)

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與人類活動密切相關(guān),人類活動指數(shù)通過提取的土地利用類型信息構(gòu)建,在設(shè)定每種地物類別的權(quán)重時,基于人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾越強烈則生態(tài)環(huán)境越脆弱的原則,因此,受人類活動影響較大的地物應(yīng)賦予較大的權(quán)重,反之則賦予較小的權(quán)重,參考前人對該指數(shù)的研究進行賦值[16]:

(12)

式中:Apop為人類活動指數(shù)的歸一化指數(shù),S林地、S耕地、S建筑用地、S水體、S草地、S未利用地分別為研究區(qū)內(nèi)林地、耕地、建筑用地、水體、草地、未利用地的面積,S為研究區(qū)面積.

2.2.7 水體密度指數(shù)

本研究只考慮地表水資源,包括株洲市主要的湖泊、水庫以及河流等,不考慮地下水資源以及占比較小的水體區(qū)域,具體計算公式如下[16]:

水體密度指數(shù)=Awat*水體面積/區(qū)域總面積,

(13)

式中:Awat為水體密度指數(shù)的歸一化指數(shù).

2.2.8 土壤侵蝕指數(shù)

土壤侵蝕是多個因子共同作用的結(jié)果,其中最主要的因素是地形地貌以及植被覆蓋.通過這兩個因素與土壤侵蝕的關(guān)系,借助株洲市的DEM高程數(shù)據(jù),獲得研究區(qū)坡度數(shù)據(jù),綜合坡度及植被覆蓋度獲得研究區(qū)的各類土壤侵蝕程度[17],借鑒已有的研究確定各類土壤侵蝕強度的權(quán)重[16]:

(14)

式中:Asoi為土壤侵蝕指數(shù)的歸一化系數(shù),S微度侵蝕、S輕度侵蝕、S中度侵蝕、S強度侵蝕、S極強侵蝕、S劇烈侵蝕分別代表各個侵蝕等級的面積,S表示研究區(qū)的面積.

2.3 主成分分析法

主成分分析(Principal component analysis, PCA)是由英國數(shù)學(xué)家Karl Pearson首先引入并應(yīng)用于數(shù)理建模和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的一種方法,該方法是基于統(tǒng)計學(xué)分析原理從多個指標(biāo)中提取少數(shù)幾個能代替大量信息且彼此之間不相關(guān)指標(biāo)的一種統(tǒng)計方法[18].

由于選用的8個指標(biāo)因子量綱不同,為了避免量綱問題對研究結(jié)果產(chǎn)生影響,在進行主成分分析前選擇最小極差法對數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理,具體公式如下[19]:

2.3.1 正向指標(biāo)

(15)

2.3.2 負向指標(biāo)

(16)

式中:Xi為第i個像元的提取值,min(Xi)、max(Xi)分別為指標(biāo)提取值中的最小值和最大值,正向指標(biāo)與負向指標(biāo)的區(qū)分在于對最終的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正向影響還是負向影響,如指標(biāo)值越大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好,則為正向指標(biāo),反之則為負向指標(biāo).

如何科學(xué)選擇綜合評價方法計算多個評價指標(biāo)的權(quán)重并進行耦合,是對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行客觀、準(zhǔn)確評價的關(guān)鍵所在,僅對多個評價指標(biāo)進行簡單加權(quán)疊加主觀性較強,不能反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價過程中的主導(dǎo)因子[20].因此本文選擇主成分分析法來確定各個評價指標(biāo)的權(quán)重,借助SPSS軟件提取特征值>1的主成分,通過因子分析的方差、總貢獻率,特征值以及特征向量等參數(shù)計算每個指標(biāo)在所提取的主成分中的權(quán)重,具體公式如下:

(17)

F=λ1z1+λ2z2+…+λmzm,

(18)

式中:Z1,Z2,…,Zm分別為原變量經(jīng)過主成分變化后的第1、第2、…、第m主成分,lij表示各主成分的特征值,可以通過相關(guān)系數(shù)矩陣的單位化特征向量組成的正交矩陣獲得,F是耦合后的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù),λi為相應(yīng)主成分的貢獻率.

3 研究結(jié)果

3.1 土地利用類型提取結(jié)果

根據(jù)各年份確定的訓(xùn)練樣本對相應(yīng)的遙感影像進行最大似然法監(jiān)督分類,得到株洲市2005年、2011年、2017年以及2020年的土地利用類型分類結(jié)果如圖2所示,之后選取與訓(xùn)練樣本比例為3∶7的驗證樣本對分類結(jié)果進行精度檢驗,結(jié)果如表1所示:

表1 株洲市2005—2020年監(jiān)督分類精度評價表

圖2 株洲市土地利用類型分布圖

由表1可知,株洲市2005年、2011年、2017年以及2020年四期遙感數(shù)據(jù)監(jiān)督分類的總體精度均在80%以上,Kappa系數(shù)也均大于0.70,分類精度達到了提取土地利用類型的基本精度要求.在所分類別中,水體和林地的分類精度最高,都高達0.90以上,但是耕地和草地,建筑用地和未利用地的區(qū)分度并不高,這可能與獲取的遙感影像的質(zhì)量及分類方法的選取有關(guān).

統(tǒng)計每種地類的面積如表2所示,從土地利用的類型上看,株洲市土地利用主要以林地為主,其次是耕地、草地兩類生態(tài)用地,建筑用地、未利用地及水體所占面積較小;從土地利用類型的空間分布來看,株洲市的建筑用地集中分布在西北地區(qū)及茶陵縣中部區(qū)域,耕地主要分布在北部,與研究區(qū)內(nèi)河流的分布存在密切聯(lián)系,而林地則較為均勻地分布在整個株洲市;從土地利用類型的時間變化上看,2005—2020年之間株洲市的草地面積大幅增加,耕地、建筑用地、水體及未利用地面積減少,而林地面積未發(fā)生明顯變化,生態(tài)用地增加,非生態(tài)用地減少,在一定程度上說明株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體表現(xiàn)為上升趨勢.

表2 株洲市2005—2020年土地利用類型面積統(tǒng)計表

3.2 主成分分析結(jié)果

本文基于SPSS軟件對8個生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)進行耦合,提取特征值大于1的主成分進行分析,計算各個評價因子的權(quán)重.由于SPSS軟件本身并不帶有主成分分析功能,但是其因子分析工具能夠獲取載荷矩陣,可以用來計算各個指標(biāo)的權(quán)重.主成分分析的結(jié)果如表3所示,可以看出根據(jù)特征值>1的原則及累積貢獻率>80%的原則,2005年、2011年、2017年、2020年分別提取了3、3、3、2個主成分,通過因子分析的方差、總貢獻率,特征值以及特征向量等參數(shù)可以計算每個指標(biāo)在所提取的主成分中的權(quán)重,得到了圖3所示結(jié)果.

表3 主成分分析提取分量的特征值

圖3 主成分分析計算各指標(biāo)因子權(quán)重

從圖3中可以明顯看出,2005年、2017年及2020年各指標(biāo)的權(quán)重差異較小,曲線的整體趨勢基本相同,2011年生物豐度指數(shù)、人類活動指數(shù)、干度、濕度四個因子的權(quán)重與其他三年數(shù)據(jù)相比存在較大差異.從四期數(shù)據(jù)總體分析來看,生物豐度指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)及人類活動指數(shù)在8個評價指標(biāo)中所占權(quán)重比較大,說明這三個評價因子對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較大,其余指標(biāo)則對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響相對較小,在一定程度上表明生物豐度指數(shù)、人類活動指數(shù)及土壤侵蝕指數(shù)是影響株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主導(dǎo)因子,與株洲市近年來生態(tài)環(huán)境變化的背景大致吻合.通過分析主成分分析結(jié)果中各個評價指標(biāo)在各個主成分中的特征向量可以得出,人類活動指數(shù)、熱度、干度以及土壤侵蝕指數(shù)的特征向量多為負數(shù),表示這些參數(shù)為負向指標(biāo),值越大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越差;其余參數(shù)的特征向量多為正數(shù),表示這些指標(biāo)為正向指標(biāo),值越大,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好.

3.3 改進遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)的時空特征

對四期數(shù)據(jù)的8個評價指標(biāo)分別進行加權(quán)疊加得到株洲市2005年、2011年、2017年及2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù),由于計算2011年的生物豐度指數(shù)過程中發(fā)現(xiàn)該指數(shù)在區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)規(guī)則的格網(wǎng)狀分布,因此疊加所有評價因子后形成的2011年株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)有區(qū)域呈現(xiàn)規(guī)則網(wǎng)格狀分布.從結(jié)果來看,株洲市大部分區(qū)域四期數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)得分均較高,生態(tài)質(zhì)量整體水平高,為了更好地可視化、定量化地研究株洲市15年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體情況,結(jié)合《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范(試行)》[21]中EI的生態(tài)環(huán)境狀況分級以及株洲市整體生態(tài)環(huán)境實際情況將生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)得分按照下表規(guī)則分成差、較差、一般、良好及優(yōu)秀五個等級,分類標(biāo)準(zhǔn)及描述如表4所示,分類結(jié)果如圖4所示.

表4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)分級規(guī)則及描述

圖4 株洲市2005—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級圖

從圖4中可以看出,株洲市15年間的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好,2005年、2011年、2017年及2020年四個研究時段的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均較高,較少地區(qū)被分成差或者較差等級,大部分地區(qū)都為一般或者良好等級,少數(shù)地區(qū)為優(yōu)秀等級.對株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分類圖進行統(tǒng)計分析,得到每類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量類別所占的面積,提取結(jié)果如表5所示,根據(jù)結(jié)果分析可得,2005年、2011年、2017年及2020年環(huán)境質(zhì)量為良好和優(yōu)秀的面積占比分別為85.69%、96.14%、78.95%、89.05%.

表5 株洲市2005—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分級面積統(tǒng)計表

結(jié)合生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間分布特征來看,株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的區(qū)域大部分分布在蘆淞區(qū)與醴陵市交界區(qū)域、攸縣北部區(qū)域及茶陵縣中部區(qū)域,這些地區(qū)多為林地,植被覆蓋度高,生物多樣性豐富,受人類活動影響較小,因此生態(tài)環(huán)境較好;茶陵縣與攸縣的交界區(qū)地勢較高,植被覆蓋度相對較小,因此易發(fā)生水土流失現(xiàn)象,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般;而西北部四區(qū)交界處為株洲市的城市中心,人口分布密集,人類活動范圍大,因此生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差,這也在一定程度上反映了城市的發(fā)展和擴張對生態(tài)環(huán)境有一定的負面影響;除此之外,湘江及其支流流域的環(huán)境質(zhì)量也相對較差,一方面可能是因為河流周圍地勢平坦、水源充足,城鎮(zhèn)多布設(shè)在河流附近,另一方面可能是人類生產(chǎn)生活產(chǎn)生的污水處理以后向河流排放導(dǎo)致水源被污染.

3.4 改進遙感生態(tài)環(huán)境指數(shù)的動態(tài)變化分析

對株洲市各年份的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積進行占比統(tǒng)計分析可得表6, 2005—2020年株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量被評為差或較差地區(qū)的面積占比較少,僅占不到1%;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般的地區(qū)面積占比從2005年先下降后上升,最后又下降,與2005年相比有所下降;等級為“良好”的區(qū)域面積所占比例則呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,較2005年沒有明顯變化;生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為“優(yōu)秀”的區(qū)域面積所占比例則先上升后下降,最后再上升,較2005年有所上升.綜上所述,株洲市在2017年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差,處于一般等級的面積較多,處于良好等級的面積較少,其余三年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量一般的區(qū)域面積都低于2017年,良好及優(yōu)秀等級面積均高于2017年,且2011年株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最佳,其次為2020年,然后是2005年,即株洲市2005—2020年15年來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化總體上呈現(xiàn)先上升后下降,最后再上升的趨勢,2020年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較2005年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善.

表6 株洲市2005—2020年各等級生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的面積占比

為了更加直觀地分析株洲市2005—2020年15年來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況,對四期評價結(jié)果進行動態(tài)轉(zhuǎn)移分析,將相鄰研究時段進行兩兩對比,得到相鄰兩個年份之間株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況,同時,結(jié)合株洲市實際情況,將其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況分成顯著變差、略微變差、無明顯變化、略微變好以及顯著變好五類,分類結(jié)果如圖5所示.

圖5 株洲市2005—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化分級圖

從圖5中可以看出,株洲市15年間大多數(shù)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級均未發(fā)生明顯變化,有少數(shù)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量略微變差或變好,極少數(shù)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量發(fā)生明顯變化. 2005—2011年間,株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯改善的區(qū)域位于醴陵市的北部區(qū)域、攸縣的東北部區(qū)域以及淥口區(qū)的西北部地區(qū),變差區(qū)域較少;2011—2017年間,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善的地區(qū)集中在醴陵市與蘆淞區(qū)交界處、攸縣的西北部地區(qū)以及茶陵縣的中部地區(qū),而北部三區(qū)交界處生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯變差,除此之外,株洲市南部攸縣及茶陵縣交界區(qū)域、炎陵縣南部部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也發(fā)生不同程度的惡化;2017—2020年間,該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到改善,改善地區(qū)集中位于天元區(qū)、蘆淞區(qū)及石峰區(qū)交界處、攸縣中部地區(qū)以及炎陵縣南部部分地區(qū);從整體來看,株洲市2005—2020年間生態(tài)環(huán)境有所改善的地區(qū)位于淥口區(qū)北部區(qū)域、攸縣北部區(qū)域以及茶陵縣中部區(qū)域,而生態(tài)環(huán)境變差區(qū)域則分布在茶陵縣與炎陵縣交界地區(qū).

為了更好地定量化分析株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況,對株洲市四期數(shù)據(jù)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的各個等級進行面積統(tǒng)計及占比分析,結(jié)果如表7所示.通過統(tǒng)計,2011年與2005年相比,株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差區(qū)域面積占明顯比較少,大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生明顯變化,環(huán)境得到改善的區(qū)域占比較大,為31%～32%;2017年與2011年相比,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差區(qū)域的面積明顯增加,從9%增至37%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量未發(fā)生明顯變化的地區(qū)面積占比略微下降,而變好區(qū)域面積占比僅為9%;2020年與2017年相比,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差區(qū)域占比下降至8%～9%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好區(qū)域的面積占比也相應(yīng)有所上升.總體來說,2005—2020年株洲市大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化不明顯,環(huán)境改善區(qū)域面積大于環(huán)境惡化區(qū)域面積,因此株洲市2005—2020年15年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)改善趨勢.

表7 株洲市2005—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各類別面積統(tǒng)計表

4 討論及結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 土地利用對生態(tài)環(huán)境的影響

區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的好壞受到多方面因素的共同影響,其中土地利用類型變化起著至關(guān)重要的作用,楊述河等以陜西省榆林市為研究區(qū),對該市15年來的土地利用類型變化勢態(tài)進行模擬分析,同時在縣域尺度上對變化區(qū)域生態(tài)環(huán)境進行定量評價,揭示了土地利用類型變化主導(dǎo)的環(huán)境效應(yīng)[22].通過對株洲市2005年、2011年、2017年及2020年的土地利用數(shù)據(jù)進行可視化處理得到圖6所示結(jié)果,可以明顯看出株洲市2005—2020年間,林地、草地等生態(tài)用地占主導(dǎo)地位,這在一定程度上與區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈現(xiàn)優(yōu)良狀況存在密切聯(lián)系;在2005—2011年間,耕地、建筑用地等非生態(tài)用地呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢,林地面積大幅增加,與該時間段內(nèi)株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸改善的評價結(jié)果相符;但在2017年,株洲市在林地、草地面積占比較大,建設(shè)用地、耕地面積占比較小的情況下,總體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況卻沒有增加反而下降,可能與該地區(qū)自然條件變化、經(jīng)濟發(fā)展、人口流動等其他因素有關(guān);2020年,株洲市草地、耕地面積有所增加,建設(shè)用地面積變化較小,因此整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所改善.此外,土地利用類型的變化與政府采取的各項政策有著極大的相關(guān)性,株洲市自2002—2017年大力推進退耕還林還草政策,隨著可用造林地減少,退耕還林任務(wù)逐年減少,生態(tài)用地增加,非生態(tài)用地減少,可以在一定程度上促進區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善,因此,合理利用土地資源、對城市建設(shè)進行合理布局及規(guī)劃是株洲市今后維持良好生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要措施之一.

圖6 株洲市四期數(shù)據(jù)土地利用類型面積占比圖

4.1.2 城市建設(shè)與發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的影響

城市的建設(shè)與擴張在促進社會經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時,不可避免地對生態(tài)環(huán)境保護造成威脅.通過分析株洲市2005—2020年15年來的GDP增幅及三大產(chǎn)業(yè)占比情況,得到如圖7所示結(jié)果.從圖中可以看出,株洲市生產(chǎn)總值整體呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢,但GDP增幅卻有明顯變化,特別是在2010年左右,全市GDP增幅明顯減緩,一直持續(xù)到2016年,此后GDP增幅保持穩(wěn)定狀態(tài),在2020年時出現(xiàn)明顯下降. 2011年GDP增幅減緩以及2020年GDP增幅驟減,意味著此時間段經(jīng)濟發(fā)展速度減緩,這對生態(tài)環(huán)境的修復(fù)及改善有著一定程度的正向影響.除此之外,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也對生態(tài)環(huán)境有著重要影響,株洲市原是我國典型的老工業(yè)基地,素以江南工業(yè)重鎮(zhèn)著稱,重工業(yè)發(fā)達,十八大以來株洲市逐漸推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化工作,三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)從2012年的8.2∶60.3∶31.5調(diào)整至2016年的7.9∶53.0∶39.1,到2020年調(diào)整為8.2∶46.3∶45.5,第三產(chǎn)業(yè)與第二產(chǎn)業(yè)占比幾乎相等.從圖中也可以看出,在2018年之前,第二產(chǎn)業(yè)在各產(chǎn)業(yè)中占比最大,第三產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展但前期增速較慢,經(jīng)濟發(fā)展及社會進步對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的負面影響比較明顯,2016—2018年,第二產(chǎn)業(yè)占比有所下降,服務(wù)業(yè)蓬勃發(fā)展,到2020年,第三產(chǎn)業(yè)占比幾乎與第二產(chǎn)業(yè)持平,第三產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展在一定程度上會促進了其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善.

圖7 株洲市2005—2020年GDP增幅及三大產(chǎn)業(yè)占比情況圖

基于上文的評價結(jié)果,發(fā)現(xiàn)株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化明顯地區(qū)集中在天元區(qū)、蘆淞區(qū)及荷塘區(qū)交界處,該地區(qū)屬于株洲市市區(qū)所在地,是研究區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達及人口集聚地區(qū).株洲市市區(qū)最新一輪城市發(fā)展規(guī)劃《株洲市城市總體規(guī)劃(2006—2020)》,在城市發(fā)展定位中首次提出將株洲市建設(shè)成具較強區(qū)域服務(wù)職能和山水生態(tài)特色的現(xiàn)代化綜合性大城市,在城市發(fā)展中突出了生態(tài)建設(shè)的重要地位[23],同時綜合城市性質(zhì)定位與功能分區(qū),調(diào)整城市用地結(jié)構(gòu)和比例;其次,為了優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境和改善城市交通條件,在城市內(nèi)部湘江河巷周圍建設(shè)綠化帶及生態(tài)隔離區(qū).這些措施的提出都對株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善有著重要影響.

4.1.3 大氣污染對生態(tài)環(huán)境的影響

株洲市前期依靠其優(yōu)越的交通條件大力發(fā)展重工業(yè),借由南北、東西方向的兩條重要鐵路線——京廣線和滬昆線聚集物資和人力,躋身于1級鐵路樞紐城市,重工業(yè)和交通的迅速發(fā)展、人員和物資的廣泛流動帶來了嚴(yán)重的空氣污染及生態(tài)環(huán)境破壞,也成為后期株洲市改善環(huán)境質(zhì)量的一大難題.通過統(tǒng)計株洲市2005—2020年15年間空氣質(zhì)量良好天數(shù)及空氣質(zhì)量優(yōu)良率得到如圖8所示結(jié)果,從圖中可以明顯看出,株洲市的空氣質(zhì)量總體變化幅度較大,從2005—2013年空氣質(zhì)量良好天數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步增加趨勢,且一直維持在300天以上,而2013年后空氣質(zhì)量明顯變差,空氣質(zhì)量優(yōu)良率降至58%,之后呈現(xiàn)緩慢回升階段,到2017年空氣質(zhì)量優(yōu)良率小幅度下降,最后到2020年空氣質(zhì)量有所改善,株洲市大氣污染狀況在一定程度上可以解釋該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2005—2011年逐漸改善,在2011—2017年間略有下降,最后在2017—2020年緩慢回升的變化趨勢,通過上述分析,株洲市在今后進一步改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量工作推進中應(yīng)更加注重大氣污染物的處理,改善空氣質(zhì)量.

圖8 株洲市2005—2020年空氣質(zhì)量總體情況圖

4.1.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善措施及建議

本文對新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)進行改進,增加生物豐度指數(shù)、水體密度指數(shù)、人類活動指數(shù)及土壤侵蝕指數(shù),綜合評價株洲市2005—2020年15年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況,基于上文的評價結(jié)果及討論分析,結(jié)合株洲市的實際發(fā)展情況,對株洲市今后進一步改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提出以下措施.

(1)合理開發(fā)利用水資源,注重河流流域環(huán)境保護.通過評價結(jié)果可以明顯看出,株洲市主要河流湘江及其支流流域附近生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價得分較低,有些河流整體水體污染較嚴(yán)重,在這一方面,株洲市今后還應(yīng)加強管理,如采取一些政策措施,規(guī)范重度及中度污染企業(yè)排放污水標(biāo)準(zhǔn),限制企業(yè)過度用水等.

(2)合理開發(fā)土地資源,調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu).土地資源是人類賴以生存的重要資源之一,且資源結(jié)構(gòu)比較脆弱.因此,為了更好地利用區(qū)域自然資源,實現(xiàn)“發(fā)展”和“環(huán)?！眱刹徽`的期望,必須要及時進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造,提高自然資源綜合利用效率和土地集約利用水平,優(yōu)先發(fā)展資源節(jié)約型及環(huán)境友好型兩大產(chǎn)業(yè)[24].對于第一產(chǎn)業(yè)農(nóng)業(yè),可以在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,發(fā)展特色農(nóng)業(yè),注重農(nóng)產(chǎn)品深加工發(fā)展;對于第二產(chǎn)業(yè)工業(yè),要保持現(xiàn)有的新型企業(yè)發(fā)展,推進重工業(yè)企業(yè)轉(zhuǎn)型,淘汰落后的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備;對于第三產(chǎn)業(yè)服務(wù)業(yè),需要發(fā)揮株洲市生態(tài)環(huán)境良好的優(yōu)勢,如適當(dāng)發(fā)展旅游業(yè),帶動經(jīng)濟發(fā)展,同時進一步維護株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量.

(3)堅持生態(tài)優(yōu)先,推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè).株洲市市區(qū)城市規(guī)模擴張及沿江、沿河地區(qū)城市發(fā)展是造成該區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞的重要原因之一.因此,株洲市在今后的可持續(xù)發(fā)展工作中應(yīng)合理規(guī)劃城市發(fā)展區(qū)域和擴張規(guī)模,在城市內(nèi)部推行低碳交通出行模式,減少大氣污染物的排放,改善空氣污染狀況;以創(chuàng)建國家環(huán)保模范城市和全國文明城市為目標(biāo),通過重點項目建設(shè)來帶動城市綠化水平的提高[25];同時不斷提升環(huán)保技術(shù)水平,強化對自然生態(tài)環(huán)境的保護修復(fù)以及環(huán)境污染的綜合防治,從源頭上減少對生態(tài)環(huán)境的破壞.

4.2 結(jié)論

(1)株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的地區(qū)集中分布在茶陵縣南部、炎陵縣北部、攸縣北部等地區(qū),這些地區(qū)地勢相對平坦,植被覆蓋度高,生物多樣性豐富,適宜人類居住;該研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的地區(qū)分布在西北部四區(qū)交界處及炎陵縣南部等地區(qū),西北部四區(qū)交界處為株洲市的城市中心,人類活動強烈,而炎陵縣南部地勢較高,水土流失嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差.

(2)株洲市從2005年到2020年15年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的總體變化趨勢為先上升后下降再上升,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的均值從2005年的0.57上升到2011年的0.61,然后下降到2017年的0.56,最后再次上升到2020年的0.58,整體的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好,變化幅度不大,適合人類居住.

(3)通過分析8個生態(tài)因子在綜合指數(shù)中的權(quán)重,得到影響株洲市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的主要因子為生物豐度指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)、人類活動指數(shù),所占權(quán)重在20%左右,由此可見,生物多樣性、土壤的抗侵蝕能力以及人類活動程度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有著重要影響,生物多樣性豐富、土壤侵蝕度低、人類活動影響小的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好,反之,生態(tài)環(huán)境較差.