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自20世纪90年代以来,随着经济发展、城镇化进程,全球性生态问题和区域性环境问题层出不穷,全面客观评价区域生态质量,协调人类社会经济发展与生态环境平衡关系成为关注的重点和热点[1−2]。遥感生态指数是基于生态环境状况指数评价区域生态质量的时空局限性的一种新型遥感生态指数,可减少评价指标获取难度和评价过程的人为主观性[3]。自2013年提出以来,先后在中国北方的哈尔滨[1]、石家庄[4]、雄安新区[5],东部的义乌[2]、杭州[6],中西部的重庆[7]、乌鲁木齐[8]、阿克苏[9],南部的福州[10]、昆明[11]以及一些特殊地理单元[12−15]均有很好的评价示范和应用。但上述研究空间分辨率与研究范围大多没有实现同步提升,多集中于区域中心城市,时间序列也主要在近20 a;其次分析评价也大多集中于主成分分析结果的陈述,最终集成结果遥感生态指数的分级统计、变化监测与建模预测,没有进一步结合其他分析方法深入探究遥感生态指数的空间特征和关系。本研究在农兰萍等[11]、朱泓等[16]、周斯怡等[17]的研究基础上,从云南省省域空间层面和30 a的时间尺度上定量评价生态质量的变化情况,并以莫兰指数分析其空间分布特征,旨在更大时空尺度上作出遥感生态指数的应用拓展,探析区域生态质量变化的原因,以期发挥遥感生态指数的评价效益,为支持云南省生态环境修复及生态文明建设提供服务。
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如图1所示:遥感生态指数的计算结果可表征云南省1990—2020年生态质量的动态演变特征。相较于IRSEI不同生态条件下已有的测算结果而言[23],城市地区IRSEI为0.450~0.590,森林或植被茂盛的地区IRSEI高于0.630,但在土壤侵蚀严重地区IRSEI低至0.180,在沙漠地区IRSEI则低至0.240,可以更好地横向比较云南省生态质量的具体情况。1990年,滇东北、滇东南、滇南、滇西南以及滇中的大部分地区生态质量均达到了优良等级,IRSEI达0.800以上,而滇西、滇西北的高寒山区明显低于省平均水平。之后,随着人口增多导使土地依附性增强,再加上陡坡开荒、过度垦殖、顺坡耕种等不合理的开垦耕作方式,能源获取以及对森林的乱砍乱伐等[24],至2000年全域生态质量普遍下降,IRSEI省均值从1990年的0.795下降到2000年的0.558。随着退耕还林还草、集体林权制度改革以及石漠化综合治理等生态工程的陆续实施[24],2005年生态质量得到初步恢复,IRSEI省均值达0.664。2009—2011年连续3 a干旱导致云南曲靖珠江源石漠化面积持续扩展,滇东北、滇东南、滇南地区生态质量普遍下降,IRSEI地区均值跌至0.400以下,其他地区也受到影响。2010年以后,随着城镇化进程及生态修复政策的实施,IRSEI省均值从2010年0.449上升到2020年的0.757,平均每年增长6.86%。
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如图2所示:云南省1990—2020年IRSEI呈先减小、小幅回升后再减小、后又持续增加的变化趋势,并于2000和2010年2次跌至最低水平。其中,省均值2次位于良等级的高位水平,部分地区更是达到了优等级,3次位于良等级的低位水平,2次位于中等水平。从云南省IRSEI分区域统计结果来看,1995、2005、2015年地区均值差异较小,地区均值极差分别为0.013、0.020、0.027;1990年滇西、滇西北略有波动,与省均值的差值分别为0.029、0.090;而在人类活动干扰、连续干旱的影响下,2000、2010年云南省不同地区生态质量均有不同程度的恶化并呈现差异化分布,相较于前1个5 a省均值分别下降9.12%、32.38%,地区均值极差依次为0.093、0.186。
图 2 1990—2020年云南省遥感生态指数时空变化特征
Figure 2. Spatial-temporal variation characteristics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020
从整个研究时间序列来看,云南省IRSEI整体变化为“W”型,整体拟合斜率为−0.008,属于明显减小的变化等级,其中滇西属于轻度减小的变化等级,滇西北属于轻度增加的变化等级,其余皆属于明显减小的变化等级。下降阶段主要在1990—2000年,拟合斜率为−0.119,是明显减小变化等级阈值−0.005的23.8倍,具体表现为全域范围内生态质量普遍下降。低谷阶段主要在2000—2010年,2005年小幅回升后再度下降,拟合斜率为−0.054,属于明显减小的变化等级,其中滇西、滇西北位于−0.05以上,其主要贡献来源于生物多样性的保护及森林保育,而其余地区拟合斜率均小于−0.05,滇东南在岩溶环境影响下达−0.085。恢复阶段主要在2010—2020年,拟合斜率为0.154,是显著增加变化等级阈值0.005的30.8倍,其中滇东南作为石漠分布区中的典型代表,是近10 a生态质量恢复最快的地区,拟合斜率为0.194。
从表1可见:1990—2000年属于生态质量的下降阶段,优良等级(4~5级)所占比例从1990年的95.82%下降到2000年的34.88%,平均每年下降6.09%;1~3级所占比例从1990年的4.18%上升到2000年的65.13%,生态条件变差等级下降面积为3.68×105 km2。1990—2000年云南省生态质量的下降主要表现在优良生态等级的持续下跌,从1990年的4~5级(95.82%)下降到1995年的3~4级(99.97%),再到2000年的3~4级(96.49%),其中1995年以4级(68.15%)居多,而2000年以3级(61.73%)居多。
表 1 1990—2020云南省遥感生态指数分类统计表
Table 1. Classification statistics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020
等级 1990年 1995年 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年 面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%1 93.35 0.02 2.86 0.00 72.83 0.02 40.43 0.01 3 042.65 0.79 592.76 0.15 2 823.70 0.73 2 453.15 0.12 66.26 0.02 12 979.65 3.38 184.29 0.05 126 806.00 32.98 1 873.63 0.49 2 327.44 0.61 3 15 540.20 4.04 122 142.34 31.82 237 312.70 61.73 72 931.29 18.97 220 653.20 57.40 150 410.82 39.12 38 949.59 10.13 4 135 083.38 35.14 261 597.93 68.15 133 616.73 34.76 310 307.88 80.72 32 746.93 8.52 223 129.75 58.04 157 526.67 40.98 5 233 267.86 60.68 40.89 0.01 456.47 0.12 975.64 0.25 1 190.67 0.31 8 432.58 2.19 182 811.85 47.55 说明:5级为优(IRSEI>0.8),4级为良(0.8≥IRSEI>0.6),3级为中等(0.6≥IRSEI>0.4),2级为较差(0.4≥IRSEI>0.2),1级为差(IRSEI≤0.2)。 2000—2010年属于生态质量的低谷阶段,主要表现为2000年的3~4级(96.49%)且以3级居多,初步恢复到2005年3~4级(99.69%)且以4级居多,又在持续干旱因素影响下下降到2010年的2~3级(90.38%)。从空间分布上来看,2000年主要表现为滇东北、滇东南、滇南乃至滇中的局部地区不合理的开垦方式造成水土流失,毁林取薪造成植被破坏,岩溶环境背景的脆弱性进一步凸显;2010年主要表现为连续3 a干旱导致云南曲靖珠江源石漠化面积持续扩展,滇东北、滇东南生态质量均受到影响。
2010—2020年属于生态质量的恢复阶段,主要表现为低位水平生态质量的持续恢复,从2010年的2~3级(90.38%)恢复到2015年的3~4级(97.16%),再次恢复到2020年的4~5级(88.53%);生态条件转好等级上升面积为3.75×105 km2,占比为97.56%,而生态质量变差等级下降面积占比仅2.44%。
相较于1990年的初始水平,云南省2020年生态质量整体得到不同程度的恢复,面积为1.59×105 km2,但1~3级的面积占比均有上升,集中于滇东北、滇东南、滇南以及滇中局部的石漠化分布区。
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从横向统计结果来看:云南省7个区域IRSEI在1995、2005年区域整体变异程度较小,普遍属于稳定和变异较小的变化等级,变异系数极差分别为0.011、0.022;在2000、2010年区域整体波动性较大,变异系数极差分别为0.044、0.106,其中2010年大部分地区超过变异剧烈变化等级阈值0.120的近1倍;滇西、滇西北在1990年与省内其他地区相比波动性较大,变异系数分别为0.115、0.171。从纵向统计结果来看:云南省7个区域以及全省不同年份的IRSEI变异程度均较大,遥感生态指数极差波动范围为0.20~0.50,其中滇东南最大,为0.468,滇西最小,为0.216;变异系数极差波动范围为0.15~0.20,滇南最大,为0.206,滇西南最小,为0.094 (图2)。
如图3所示:在1990—2000年生态质量下降阶段,云南省各区域IRSEI的下降幅度从大到小依次为滇东北、滇东南、滇南、滇中、滇西、滇西南、滇西北;除滇西北(76.32%)外,其余地区生态质量变差等级下降面积占比在90%以上。在2000—2010年生态质量低谷阶段,云南省各区域IRSEI的下降幅度普遍约0.10,其中最大为滇东南(0.169),最小为滇西北(0.059),除滇西、滇西北外,其余地区生态质量变差等级下降面积占比在90%以上。在2010—2020年生态质量恢复阶段,云南省各区域IRSEI的上升幅度从大到小依次为滇东南、滇东北、滇南、滇西南、滇中、滇西、滇西北;除滇西北(93.88%)外,其余地区生态条件转好等级上升面积占比在95%以上。从整个研究时间序列看,滇西北IRSEI为上升,而其余地区皆为下降,其中以滇西下降最小(0.005),而滇南下降最大(0.095)。
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1990、1995、2000、2005、2010、2015、2020年,云南省129个县IRSEI的全局莫兰指数分别为0.586、0.225、0.409、0.394、0.374、0.278、0.321,并结合P值和Z得分,说明在99%置信度下IRSEI在相邻空间单元上呈现聚集状态,即区域生态质量具有空间异质性。从整个研究时间序列看,全局莫兰指数呈下降趋势并趋于平缓,说明研究区内县域间IRSEI空间自相关程度不断下降。结合云南省生态质量的动态演变特征,说明研究区内局部县域生态质量的提升使原本的生态高值(或低值)的聚集状态得到了一定程度的缓和。
由图4可知:20世纪90年代,云南省县域层面IRSEI的高值聚类主要分布在滇东北、滇东南以及滇南局部地区,低值聚类主要分布在滇西、滇西北以及滇西南的局部高寒山区。随着滇西、滇西北、滇西南各流域生物多样性的保护,中部哀牢山-无量山、南部热带森林的保育,IRSEI的低值聚类则逐渐转移到了滇东北、滇东南、滇南以及滇中地区,特别是石漠化分布区。在聚集特征上,IRSEI高—高聚集与低—低聚集在空间分布上一般不直接相邻且通过不显著的空间类别进行过渡,说明生态质量外在分布上一般是渐变式的,而内在呈现高值(或低值)的聚集状态。
Evaluation and evolution characteristics of ecological quality in Yunnan based on long-time series satellite remote sensing
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摘要:
目的 探析云南省自20世纪90年代以来的生态质量变化,可为进一步保护和建设西南生态安全屏障提供支持。 方法 基于遥感生态指数(IRSEI)和空间自相关分析,从时间和空间2个维度对云南省的生态质量变化规律及特征进行研究。 结果 ①从时间尺度上看,云南省1990—2020年遥感生态指数整体变化为“W”型,呈现先减小、小幅回升后再减小、后又持续增加的变化趋势,并于2000和2010年2次跌至最低水平,30 a间遥感生态指数降低了0.038,线性拟合斜率为−0.008;②从空间尺度上看,云南省7个区域遥感生态指数在1995和2005年区域整体变异程度较小,普遍属于稳定和变异较小的变化等级,在2000和2010年区域整体波动性较大,滇西、滇西北在1990年与省内其他地区相比波动性较大,变异系数分别为0.115、0.171;③在县域尺度上,云南省1990—2020年遥感生态指数空间自相关程度呈下降并趋缓的变化趋势,高值聚类主要由滇东北、滇东南以及滇南地区转移到了滇西、滇西北以及滇西南地区,低值聚类则逐渐转移到了滇东北、滇东南、滇南以及滇中地区,特别是石漠化分布区。 结论 云南省生态质量整体在逐步改善,特别是2010年以后,但仍有提升空间,尤其应重点关注岩溶石漠化及气象灾害对生态质量的影响。图4表1参39 Abstract:Objective This study, with an analysis of the changes of ecological quality in Yunnan Province since the 1990s, is aimed to provide support for the further protection, restoration and promotion of ecological security barriers in Southwest China. Method Remote Sensing based Ecological Index (IRSEI) and spatial auto-correlation analysis were employed to study the regularities and characteristics of ecological quality from two dimensions (time and space). Result (1) In terms of time scale, the overall change of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020 is featured with the “W” type, showing a trend of first decreasing, then decreasing after a slight rise, and continuously increasing finally, falling to the lowest level twice in 2000 and 2010 with a general decrease of 0.038 in 30 years and an overall slope of linear fitting of −0.008. (2) In terms of spatial scale, the overall variation of the seven regions’ IRSEI in Yunnan Province is relatively small in 1995 and 2005, with generally stable and minor variation grades but a relatively large fluctuation in 2000 and 2010 and the volatility of Western and Northwestern Yunnan where the coefficient of variation is 0.115 and 0.171 respectively is larger than that of other regions in 1990. (3) At the county scale, the spatial auto-correlation degree of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020 shows a tendency of decreasing and gradually slowing down. At the same time, high-high cluster shifts from Northeastern, Southeastern and Southern Yunnan to Western, Northwestern and Southwestern Yunnan, while low-low cluster shifts to Northeastern, Southeastern, Southern and Central Yunnan, especially where rocky desertification is distributed. Conclusion The overall ecological quality of Yunnan Province enjoys a gradual improvement, especially after 2010, of which more attention should be paid to the impact of karst rocky desertification and meteorological disaster on the ecological quality. [Ch, 4 fig. 1 tab. 39 ref.] -
表 1 1990—2020云南省遥感生态指数分类统计表
Table 1. Classification statistics of IRSEI in Yunnan Province from 1990 to 2020
等级 1990年 1995年 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年 面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%面积/
km2百分
比/%1 93.35 0.02 2.86 0.00 72.83 0.02 40.43 0.01 3 042.65 0.79 592.76 0.15 2 823.70 0.73 2 453.15 0.12 66.26 0.02 12 979.65 3.38 184.29 0.05 126 806.00 32.98 1 873.63 0.49 2 327.44 0.61 3 15 540.20 4.04 122 142.34 31.82 237 312.70 61.73 72 931.29 18.97 220 653.20 57.40 150 410.82 39.12 38 949.59 10.13 4 135 083.38 35.14 261 597.93 68.15 133 616.73 34.76 310 307.88 80.72 32 746.93 8.52 223 129.75 58.04 157 526.67 40.98 5 233 267.86 60.68 40.89 0.01 456.47 0.12 975.64 0.25 1 190.67 0.31 8 432.58 2.19 182 811.85 47.55 说明:5级为优(IRSEI>0.8),4级为良(0.8≥IRSEI>0.6),3级为中等(0.6≥IRSEI>0.4),2级为较差(0.4≥IRSEI>0.2),1级为差(IRSEI≤0.2)。 -
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