關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(xiàn)標(biāo)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(zhì)量時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)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(jīng)濟(jì)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(shè)導(dǎo)致生境破碎化、生物多樣性減少。２０２１年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)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(fù)和森林河南建設(shè)規(guī)劃》，指出要統(tǒng)籌推進(jìn)大河治理和黃河沿線國土空間生態(tài)修復(fù)［２］ 。戰(zhàn)略層面，黃河流域面臨著生態(tài)保護(hù)修復(fù)、流域污染治理、沿黃城市高質(zhì)量發(fā)展和區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等重大挑戰(zhàn)；實(shí)施層面，河南省作為我國糧食主產(chǎn)區(qū)和中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)主體，內(nèi)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(zhì)量影響評價(jià)，英國等進(jìn)一步完善了生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系［３－４］ 。國內(nèi)關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)研究集中在自然保護(hù)區(qū)、山區(qū)、市域和縣域等［５］ ，近年來流域?qū)蛹壍难芯恐饾u成為熱點(diǎn)。以黃河流域?yàn)槔?茹少峰等［６］ 、楊雯娜等［７］ 分別構(gòu)建由自然因素和人為因素組成的指標(biāo)體系，開展了黃河流域生態(tài)環(huán)境脆弱性評價(jià)和空間異質(zhì)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(jìn)行了評價(jià)與分析。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)方法主要有指標(biāo)體系法、模型模擬法和生態(tài)指數(shù)法等［９］ ，指標(biāo)體系法在評價(jià)指標(biāo)選擇、權(quán)重確定方面受研究者認(rèn)知程度的影響，模型模擬法則面臨長時(shí)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(jià)的客觀性而逐漸被眾多學(xué)者重視。早期研究多采用植被覆蓋度、植被凈初級生產(chǎn)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(shù)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(nèi)外學(xué)者進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的主要手段［１２－１３］ 。徐涵秋［１４］ 基于此構(gòu)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(quán)重客觀、成果可視等優(yōu)勢而得以廣泛應(yīng)用。

筆者以河南?。?個(gè)沿黃地市為研究區(qū)，以Ｌａｎｄｓａｔ遙感影像為數(shù)據(jù)源，構(gòu)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(zhì)量時(shí)空變化特征及趨勢，并運(yùn)用地理探測器分析影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)因子，以期為河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提升，區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)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(jīng)河南?。?個(gè)地市，黃河中游包括三門峽、焦作、洛陽、鄭州和濟(jì)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(nóng)田，具有灘區(qū)寬闊等特征。該區(qū)域?qū)贉嘏瘞Т箨懶约撅L(fēng)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(jì)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(xué)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(nèi)生產(chǎn)總值和人口密度網(wǎng)格數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)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(gè)指標(biāo)［１４］ 。綠度指標(biāo)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(jìn)行水體掩膜后，提取濕度指標(biāo)。干度由裸土指數(shù)（ＳＩ）和建筑指數(shù)（ＩＢＩ） 構(gòu)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(jìn)行地表溫度反演，將反演的地表溫度作為熱度指標(biāo)［１６］ 。４ 個(gè)指標(biāo)計(jì)算完成后，對其進(jìn)行正向歸一化處理，使其值域?yàn)椋郏?，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(jì)算

主成分分析法（ＰＣＡ）通過對多個(gè)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，將其轉(zhuǎn)換為少數(shù)不相關(guān)的變量，以達(dá)到降維的目的，克服人為分配權(quán)重的主觀性。利用主成分變換構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)，把主要信息集中到１ ～ ２ 個(gè)主成分上［１４］ 。首先將正向歸一化后的４ 個(gè)指標(biāo)合成為一幅新圖層，并對新圖層進(jìn)行主成分分析，然后計(jì)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(jìn)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(jià)技術(shù)規(guī)范》，并綜合考慮前人研究［１７－１８］ 和研究區(qū)ＲＳＥＩ 計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(biāo)平均值先增大后減小。２０００—２０１０ 年隨著城鎮(zhèn)化規(guī)模的擴(kuò)大，部分耕地轉(zhuǎn)化為建設(shè)用地，干度指標(biāo)平均值由０．５１３ ８ 增大至０．５９２ ４；２０１０—２０２０ 年隨著耕地平衡占補(bǔ)指標(biāo)的收緊，向城市存量建設(shè)用地挖潛和土地復(fù)墾政策的實(shí)施，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張速度和土地退化裸露速度減緩，干度指標(biāo)平均值由０．５９２ ４ 減小至０．５６４ ４。２０００—２０２０ 年熱度指標(biāo)平均值先減小后增大，２０００—２０１０ 年熱度指標(biāo)平均值由２８．０５７ １ 減小至１５．１１６ ５，２０１０—２０２０ 年熱度指標(biāo)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(qiáng)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(guān)。

３．２．２生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)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(zhì)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(zhì)量變差，原因是研究區(qū)經(jīng)濟(jì)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(zhì)量下降趨勢得到遏制并趨向好轉(zhuǎn)，這與實(shí)施的一系列生態(tài)修復(fù)工程有關(guān)，如加大新鄉(xiāng)黃河濕地鳥類國家級自然保護(hù)區(qū)、濮陽縣黃河濕地省級自然保護(hù)區(qū)、鄭州黃河國家濕地公園等多個(gè)保護(hù)區(qū)的投資建設(shè)力度，積極推進(jìn)林地提質(zhì)改造、沿黃生態(tài)廊道建設(shè)和礦山生態(tài)修復(fù)等生態(tài)環(huán)境保護(hù)措施有關(guān)。

３．２．３生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化

根據(jù)表１ 的分級標(biāo)準(zhǔn)，逐像元統(tǒng)計(jì)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(zhì)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(zhì)量呈現(xiàn)明顯空間異質(zhì)性。植被覆蓋度高、人類活動(dòng)干擾少的山地和丘陵地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好，主要分布在洛陽市新安縣、孟津區(qū)和濟(jì)源示范區(qū)等。沿河地帶的城鎮(zhèn)地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(chǎn)資源豐富，開采活動(dòng)頻繁。

由表５和濕地保護(hù)等生態(tài)修復(fù)措施，與２０１０年相比，２０２０年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體趨向好轉(zhuǎn)，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(zhì)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(dòng)對生態(tài)環(huán)境造成的影響是很難逆轉(zhuǎn)的，雖然可以通過環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)措施來優(yōu)化局部生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，但恢復(fù)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(zhì)量進(jìn)行Ｓｌｏｐｅ趨勢分析，結(jié)果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量顯著改善，部分區(qū)域?yàn)闃O顯著改善。洛陽市新安縣和孟津區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體偏優(yōu)，這與當(dāng)?shù)厣降厍鹆甑茸匀画h(huán)境有關(guān)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(zhì)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(zhì)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(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市擴(kuò)張等存在必然聯(lián)系。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(zhì)量改善情況明顯優(yōu)于中游。

３．４驅(qū)動(dòng)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(zhì)量變化的驅(qū)動(dòng)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(nèi)生產(chǎn)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(jìn)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(shè)用地和裸土地６ 個(gè)一級地類，結(jié)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(zhì)量的影響較大。２０２０年國內(nèi)生產(chǎn)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(nèi)生產(chǎn)總值和人口密度ｑ值排序提前，表明隨著經(jīng)濟(jì)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(dòng)對河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響逐漸擴(kuò)大。

３．４．２多因子探測分析

交互因子探測可以反映多個(gè)因子共同作用時(shí)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響。對研究區(qū)２０００年、２０２０年影響ＲＳＥＩ的８個(gè)自變量的交互作用進(jìn)行探測，結(jié)果見圖３。多因子交互探測結(jié)果表明，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子兩兩交互共同作用時(shí)，表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)效應(yīng)和非線性增強(qiáng)效應(yīng)，表明兩個(gè)因子交互作用增強(qiáng)了對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響的解釋力。２０００年土地利用類型與自然驅(qū)動(dòng)因子和人為驅(qū)動(dòng)因子的交互作用均呈現(xiàn)較強(qiáng)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(dòng)下土地利用類型是影響研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要驅(qū)動(dòng)因子，這與２０００年單因子探測結(jié)果以及現(xiàn)實(shí)情況相符。２０２０年國內(nèi)生產(chǎn)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(qū)動(dòng)因子的交互均呈現(xiàn)較強(qiáng)的交互作用，而自然驅(qū)動(dòng)因子之間的相互交互作用不強(qiáng)，表明人類活動(dòng)在２０２０年對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較大，人類活動(dòng)與自然因素共同作用時(shí)對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響更大。在２０００—２０２０年的２０ａ 中，研究區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口密度增大，建設(shè)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(guān)，進(jìn)而影響了研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(zhì)性，這與河南省沿黃地市生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(shí)際情況相符合。政府部門實(shí)施的退耕還林還草、天然林保護(hù)、黃河濕地恢復(fù)工程等措施是部分區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的原因，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速、人類活動(dòng)強(qiáng)烈、城市化規(guī)模擴(kuò)張以及擠占生態(tài)用地等是局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的主要原因。因此，河南省沿黃地市應(yīng)在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展重大國家戰(zhàn)略、河南省黃河流域?qū)嵤┲卮笊鷳B(tài)修復(fù)工程等政策的驅(qū)動(dòng)下，加強(qiáng)黃河生態(tài)廊道建設(shè)和濕地保護(hù)，提升林地質(zhì)量，提高植被覆蓋度，優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，控制建設(shè)用地的無序擴(kuò)張，實(shí)施山水林田湖草沙綜合治理，促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

５結(jié)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(zhì)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(zhì)量呈現(xiàn)變差－好轉(zhuǎn)的變化特征。研究區(qū)２０ａ間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量大部分區(qū)域呈改善趨勢，下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(zhì)量呈退化趨勢。單因子探測結(jié)果表明，土地利用類型、國民生產(chǎn)總值等表征人類活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)因子對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較大，表明人類活動(dòng)的影響逐漸增強(qiáng)。多因子交互探測結(jié)果表明，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量驅(qū)動(dòng)因子的兩兩交互作用為雙因子增強(qiáng)效應(yīng)和非線性增強(qiáng)效應(yīng)，２０００年在自然地理環(huán)境和人類活動(dòng)驅(qū)動(dòng)下的土地利用類型對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響較強(qiáng)，２０２０年國內(nèi)生產(chǎn)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(qiáng)。