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人口的增長和社會工業(yè)化程度的提高，使得區(qū)域人口、資源與環(huán)境的矛盾不斷加劇，荒漠化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題更加突出，正確認(rèn)識和評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況成為區(qū)域生態(tài)環(huán)境預(yù)測和預(yù)警的基礎(chǔ)．黃土高原因脆弱的生態(tài)環(huán)境、嚴(yán)重的水土流失成為我國生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域，中央和地方在政策和資金方面大力支持黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)．富縣是陜北黃土高原溝壑區(qū)向黃土丘陵溝壑區(qū)的過渡帶，是子午嶺國家級水土流失重點(diǎn)防治區(qū)水土保持重點(diǎn)縣之一．了解該地區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀及其變化，不僅能檢驗(yàn)封山禁牧、退耕還林草工程建設(shè)的成效，也可為黃土高原溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)及管理提供理論方法與科學(xué)依據(jù)．區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的方法有很多種，但目前尚沒有一個規(guī)范的評價體系．隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，越來越多基于遙感反演的生態(tài)環(huán)境指標(biāo)參與到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量評價中，為宏觀區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價提供了科學(xué)數(shù)據(jù)．2006年國家環(huán)境保護(hù)部規(guī)范了基于生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地退化指數(shù)和環(huán)境質(zhì)量指數(shù)的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)，在我國多個省、市、自治區(qū)、縣域及流域范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用．但在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)者們對規(guī)范中的指標(biāo)和權(quán)重均作了不同程度的調(diào)整，這是因?yàn)橐?guī)范中還存在諸多問題，如大部分評價指標(biāo)是基于土地利用來確定的，同質(zhì)性較高;環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)是以縣為單位的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，難以在空間上對生態(tài)環(huán)境狀況作出響應(yīng);在地形地貌復(fù)雜的縣域范圍內(nèi)，土地利用信息提取精度受限，EI的各項(xiàng)指標(biāo)提取都存在精度挑戰(zhàn)．因此，完全基于遙感信息技術(shù)的、與EI具有可比性的新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)受到青睞，可用來定量評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況．本文采用主成分分析的方法，耦合基于遙感反演的植被指數(shù)、裸土指數(shù)、濕度指數(shù)和地表溫度指標(biāo)，利用RSEI對黃土高原溝壑區(qū)陜西省富縣1995—2014年的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評價，分析研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布及其變化，探討生態(tài)環(huán)境變化的影響因素，以期為生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論方法和科學(xué)依據(jù)．

1研究地區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況陜西省富縣(35°44'6″—36°23'23″N，108°29'30″—109°42'54″E)東與宜川、洛川相鄰，西與甘肅省合水縣、寧縣相連，南與黃陵相靠，北與志丹、甘泉、延安相連(圖1)，海拔856～1680m，全縣轄8鎮(zhèn)5鄉(xiāng)．該區(qū)地形地貌包括以洛河和葫蘆河為主的河流階地，中部高塬溝壑區(qū)，塬區(qū)北部為丘陵溝壑，東部和西部為土石低山．全縣土壤以分布于丘陵溝壑和低山林草地帶的灰褐土為主，耕地土壤類型以黃綿土為主．屬中緯度半干旱地區(qū)，年均氣溫7．1～9．0℃，年日照時數(shù)2032～2428h，年無霜期平均130d，年均降水量500～600mm，多呈高強(qiáng)度的陣性降水過程．

1.2數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理遙感數(shù)據(jù)為美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站提供的1995年11月13日的Landsat5TM影像和2014年11月3日獲取的Landsat8OLI和TIRS影像．非遙感數(shù)據(jù)包括富縣15萬地形圖、行政區(qū)劃圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤圖和富縣統(tǒng)計(jì)文本資料．在ENVI5．0下對兩個時期的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，將像元灰度值(DN)轉(zhuǎn)換為輻射亮度值．采用FLAASH大氣校正工具和中緯度冬季標(biāo)準(zhǔn)大氣模型對兩期影像的可見光-近紅外波段進(jìn)行大氣校正．校正后的可見光-近紅外反射率波段和熱波段的輻射亮度影像通過波段組合(layerstacking)生成多波段圖像文件．基于1∶5萬地形圖，采用二次多項(xiàng)式和最近鄰法對多波段圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，均方根誤差(RMS)控制在0．5個像元以內(nèi)，同時利用富縣行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)提取研究區(qū)內(nèi)多波段遙感圖像．

1.3生態(tài)質(zhì)量遙感評價指標(biāo)在反映生態(tài)質(zhì)量的諸多自然因素中，綠度、濕度、熱度、干度與人類的生存息息相關(guān)，是人類直觀感覺生態(tài)條件優(yōu)劣的最重要指標(biāo)，遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)采用植被指數(shù)、裸土指數(shù)、濕度指數(shù)、地表溫度分別代表綠度、干度、濕度和熱度作為生態(tài)指數(shù)的評價指標(biāo)．

1.3.1濕度指標(biāo)土壤濕度是進(jìn)行土壤退化等生態(tài)環(huán)境研究的重要指標(biāo)．遙感纓帽變換所獲取的濕度分量反映了地表水體、植被和土壤的濕度狀況，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用．基于TM和OLI反射率數(shù)據(jù)的濕度分量(Wet)提取公式。

1.3.2綠度指標(biāo)植被是對區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況最為敏感的指示因子．歸一化植被指數(shù)(NDVI)利用植物葉面在紅光波段強(qiáng)的吸收和近紅外波段強(qiáng)的反射特性組合而成，是遙感監(jiān)測植被覆蓋度、生物量、葉面積指數(shù)等生理參數(shù)的重要指標(biāo)．

1.3.3熱度指標(biāo)地表溫度(LST)與植被的生長與分布、農(nóng)作物產(chǎn)量、地表水資源蒸發(fā)循環(huán)等許多自然、人文現(xiàn)象和過程密切相關(guān)，是反映地表環(huán)境的一個重要參數(shù)．對于Landsat5TM6波段，利用熱紅外波段輻射定標(biāo)參數(shù)將像元灰度值(DN)轉(zhuǎn)換為傳感器處的輻射亮度值(L6)，通過Planck輻射函數(shù)求出包含了大氣影響的像元亮度溫度(Tb)，進(jìn)而通過比輻射率(ε6)轉(zhuǎn)換為地表溫度(Ts)，基于TM6的地表溫度提取公式如下。

1.3.4干度指標(biāo)裸土和建筑用地均會造成地表“干化”，因此，干度指標(biāo)由裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)合成，記為裸土指數(shù)(NDSI)。

1.3.5指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為了消除量綱以及不同指標(biāo)數(shù)值大小對遙感生態(tài)指數(shù)結(jié)果的影響，采用下式將4個指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化為［0，1］之間的無量綱．

1.4遙感生態(tài)指數(shù)生態(tài)環(huán)境評價的關(guān)鍵是將由遙感調(diào)查獲得的濕度指數(shù)、植被指數(shù)、地表溫度和裸土指數(shù)轉(zhuǎn)化為綜合評價指標(biāo)．本研究對標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，富縣遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)可以表示為:代表綠度的NDVI和代表濕度的Wet變量系數(shù)為正值，它們共同對生態(tài)起正面的貢獻(xiàn);而代表熱度和干度的LST、NDSI變量系數(shù)為負(fù)值，說明它們協(xié)同對生態(tài)起負(fù)面影響．利用式(12)對兩個時期的遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后的RSEI值越接近于1，說明生態(tài)環(huán)境越好．在ArcGIS中利用重分類函數(shù)，采用自然斷點(diǎn)法，按照數(shù)值由小到大將遙感生態(tài)指數(shù)RSEI劃分為差、較差、中等、良和優(yōu)5個生態(tài)等級，分別量化為1、2、3、4、5等級數(shù)值．

1.5生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)為定量表達(dá)兩個時期生態(tài)環(huán)境的整體狀況，客觀分析生態(tài)環(huán)境的動態(tài)變化，定義生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)(ESI)的公式如下。

2結(jié)果與分析

2.1研究區(qū)的生態(tài)質(zhì)量總體評價1995年，富縣遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)值在0．09～0．99，平均值為0．55，45．8%的地區(qū)RSEI在0．4～0.6;2014年，其RSEI值介于0．03～0．99，平均值為0.57，較1995年略有增加，63．8%的地區(qū)RSEI在0.4～0．6(表1)．根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》，富縣生態(tài)環(huán)境整體屬于良好級別，植被覆蓋度較高，生物多樣性較豐富，與卓靜［24］的研究結(jié)果一致．1995—2014年間，研究區(qū)生態(tài)等級為差和較差所占的面積比例明顯下降，從33．8%下降到16．3%;中等級別和良好級別的面積比例分別由1995年的23．5%和23．0%上升到2014年的30．5%和34．6%;而優(yōu)等級所占的比例從20．8%下降到18．7%．2014年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)ESI由1995年的3.17上升到3．53，表明研究期間富縣生態(tài)環(huán)境得到了較大改善．2014年，富縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的面積為114．2km2，占全縣總面積的2．8%，主要分布于縣城和富城鎮(zhèn)洛陽村，土地利用為城鎮(zhèn)和工礦建設(shè)用地，少量分布在中部塬面，零星分布在洛河、葫蘆河、川子河、余渠溝以及青蘭高速以北的埝溝等川道地．生態(tài)環(huán)境較差的地區(qū)主要分布在各大塬面和河谷川道地以及部分溝坡地上，土地利用以農(nóng)耕地為主，易受城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村建設(shè)和農(nóng)事活動的干擾．中等級別占到富縣總面積的30．5%，廣泛分布在塬面邊緣、塬間溝壑區(qū)、低山丘陵、梁峁緩坡和半陽向溝坡地，土地利用以天然草地和灌木林地為主．塬面和川道以外的地區(qū)生態(tài)環(huán)境以良和優(yōu)等級為主，優(yōu)等級主要分布在縣西北部、東北部和葫蘆河南岸的丘陵溝壑區(qū)．

2.2富縣生態(tài)質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測在生態(tài)質(zhì)量指數(shù)5個等級的基礎(chǔ)上，對富縣的生態(tài)變化進(jìn)行差值變化檢測(圖2)．從變化檢測的結(jié)果來看(表2和表3)，1995—2014年間，該區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級下降的面積為688．26km2，生態(tài)轉(zhuǎn)好的面積則達(dá)1763．14km2，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量維持不變的面積有1674．79km2，約占富縣總面積的41%．研究區(qū)生態(tài)環(huán)境等級為差的地區(qū)環(huán)境質(zhì)量明顯提高，其中，45．2%的生態(tài)質(zhì)量差的地區(qū)增加1個等級，40.3%的地區(qū)增加2個等級，但是另有40．3%的生態(tài)質(zhì)量為優(yōu)的地區(qū)下降1個等級，總體上等級上升的幅度和比例高于下降的幅度和比例，生態(tài)質(zhì)量明顯得到改善．從空間上看，相對于1995年，生態(tài)環(huán)境得到改善的地區(qū)主要分布在縣域中部的高塬和丘陵溝壑地，縣東北部的土石低山區(qū)和西南的子午嶺自然保護(hù)區(qū)．生態(tài)質(zhì)量變差的地區(qū)主要是縣西北部的丘陵溝壑區(qū)、川子河沿岸和洛河河流階地，其中，川子河和葫蘆河沿岸主要是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)等級的面積下降．

2.3富縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)(ESI值)越大，說明生態(tài)環(huán)境越好;其值越小，說明生態(tài)環(huán)境越脆弱．2014年各鄉(xiāng)鎮(zhèn)ESI值(表4)由大到小依次為牛武鎮(zhèn)、張村驛鎮(zhèn)、寺仙鄉(xiāng)、張家灣鄉(xiāng)、茶坊鎮(zhèn)、直羅鎮(zhèn)、北道德鄉(xiāng)、交道鎮(zhèn)、南道德鄉(xiāng)、吉子現(xiàn)鄉(xiāng)、富城鎮(zhèn)、羊泉鎮(zhèn)，表明當(dāng)前牛武鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體狀況最好，最差的是羊泉鎮(zhèn)．研究期間，全縣13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)中，只有張家灣鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)略微下降，由3．62下降到3.57，但整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)在全縣仍然靠前．其他12鄉(xiāng)鎮(zhèn)的綜合指數(shù)都呈現(xiàn)不同幅度的上升，說明近20年來富縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量均得到了一定程度的改善．從空間上看，由西北到東南方向，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改變的幅度逐漸遞增，變化最大的是交道鎮(zhèn)和南道德鄉(xiāng)，ESI分別提升0．87和0．83，其次是鉗二鄉(xiāng)、羊泉鎮(zhèn)和吉子現(xiàn)鄉(xiāng)，變化最小的是張家灣鄉(xiāng)．鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級的變化差異較大，羊泉鎮(zhèn)和鉗二鄉(xiāng)差等級的比例減少最多，分別減少了各自鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積的32．5%和31．2%．寺仙鄉(xiāng)較差等級的下降比例和良等級增加的比例最高，分別占寺仙鄉(xiāng)面積的23．4%和16．9%．張村驛鎮(zhèn)、張家灣鄉(xiāng)和直羅鎮(zhèn)生態(tài)質(zhì)量優(yōu)等級的比例下降，牛武鎮(zhèn)優(yōu)等級的增加幅度最大，占牛武鎮(zhèn)面積的9．7%，而牛武鎮(zhèn)差、較差和中等級的比例都有所下降，成為全縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)．

2.4生態(tài)環(huán)境變化成因植被覆蓋度因受人類活動干擾的影響，對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的等級有明顯影響．縣域范圍內(nèi)地形、水熱條件和土壤類型相對穩(wěn)定，土地植被覆蓋度增加，土壤侵蝕等級明顯下降，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著提高．自國家退耕還林還草政策實(shí)施以來，全縣不僅保質(zhì)保量完成了1999—2010年15773hm2退耕還林工程的檢驗(yàn)，此后每年就天然林保護(hù)工程飛播造林、天保工程人工造林、“三北”防護(hù)林造林、“三北”防護(hù)林封山育林、退耕還林進(jìn)行補(bǔ)植．基于像元二分模型［25］遙感估算植被覆蓋度的結(jié)果表明(圖2B)，1995年研究區(qū)67．7%的植被覆蓋度在20%～40%，僅1%的植被覆蓋度在60%～80%，全縣平均植被覆蓋度為31.7%;2014年全縣平均植被覆蓋度為62%，50．1%的地區(qū)植被覆蓋度在60%～80%．植被覆蓋度較高的石泓寺至直羅鎮(zhèn)段、葫蘆河南岸、張家灣鄉(xiāng)海拔1370m以上丘陵梁脊地區(qū)、茶坊鎮(zhèn)西北部和縣城東北部牛武鎮(zhèn)也是生態(tài)環(huán)境質(zhì)量最優(yōu)的地區(qū)．退耕還林還草工程的實(shí)施和集雨工程的推廣運(yùn)用對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善成效顯著．富縣已經(jīng)成為陜北地區(qū)土壤侵蝕等級比例下降最快的地區(qū)［．

研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與海拔、坡度無明顯相關(guān)，不同坡向、地貌形態(tài)和土地利用方式下的生態(tài)環(huán)境差異顯著．高塬溝壑區(qū)海拔在1000～1390m，塬面地形平坦，土壤為黑壚土，土層深厚，理化性能良好，全縣60%以上的耕地和農(nóng)業(yè)人口分布在水源欠缺、水利條件差的塬區(qū)，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和土地人口承載壓力的加大，使土地利用類型急劇變化，直接造成地表形態(tài)與植被的破壞．塬周溝壑發(fā)育，溝谷深切，坡度較大的塬邊耕地和以灌草覆蓋為主的塬間溝壑地容易發(fā)生面蝕，生態(tài)環(huán)境較為脆弱，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以差等級為主．河谷川道占地242km2，水利資源豐富，侵蝕輕微，是富縣主要的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)．該區(qū)人類活動強(qiáng)度相對劇烈，如新修基本農(nóng)田、新建田間配套設(shè)施、大面積發(fā)展蔬菜大弓棚和日光溫室等，隨著城鎮(zhèn)化的進(jìn)程和川道地區(qū)產(chǎn)業(yè)開發(fā)的推進(jìn)，差等級和優(yōu)等級的面積下降，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以中等為主．丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境以良為主，該區(qū)植被為保存較好的次生林區(qū)，以灌木林地占優(yōu)，現(xiàn)代侵蝕緩慢，水土流失較輕．次生林邊緣地帶，因植被稀疏而水土流失較為嚴(yán)重．縣西部子午嶺和東緣黃龍山為不連續(xù)薄層黃土覆蓋的低山土石地貌區(qū)．洛河?xùn)|側(cè)黃龍山山系的北端，地形起伏大，土體厚度和腐殖質(zhì)層厚度低，但隨著人工造林和退耕還林的開展，植被覆蓋度大幅增加，局部小氣候環(huán)境優(yōu)越，生態(tài)環(huán)境優(yōu)等級別所占的面積比例較大，但此區(qū)坡耕地由于表層土壤質(zhì)地疏松，易漏肥和產(chǎn)生水土流失，因此溝底河道生態(tài)環(huán)境相對較差．縣西南部子午嶺國家級自然保護(hù)區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以良為主，植被屬暖溫帶半濕潤落葉闊葉林帶的北部西段，是森林草原向草原植被的過渡地帶，土壤深厚肥沃的陰坡、半陽向溝坡地和梁峁緩坡，森林植被生長良好;陽坡陡壁，基質(zhì)裸露，坡度較大，有機(jī)質(zhì)含量較少，因此林木稀疏，生長較差．保護(hù)區(qū)人為活動較為頻繁，加之受傳統(tǒng)耕作觀念的影響，林緣地帶仍有非法占用林地和毀林開荒等現(xiàn)象．

3結(jié)論

本文基于Landsat5和Landsat8的遙感數(shù)據(jù)，通過建立遙感生態(tài)指數(shù)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指標(biāo)，對陜北丘陵溝壑區(qū)富縣1995和2014年的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，結(jié)果顯示，基于Landsat5和Landsat8數(shù)據(jù)提取的各項(xiàng)遙感指標(biāo)數(shù)值分布一致，結(jié)果具有對比性．完全基于遙感指標(biāo)，采用主成分分析方法確定權(quán)重的生態(tài)環(huán)境指數(shù)(RSEI)克服了以往生態(tài)質(zhì)量評價因子難以空間化和權(quán)重確定主觀性太強(qiáng)的缺點(diǎn)，通過遙感空間變量的解譯和耦合，能客觀定量揭示區(qū)域生態(tài)環(huán)境的空間分布與變化，為政府部門決策提供翔實(shí)的科學(xué)數(shù)據(jù)．1995—2014年間，富縣的林草覆蓋率明顯增加，土壤侵蝕顯著減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)由1995年的3．17上升到3．53，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量普遍提高，牛武鎮(zhèn)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體狀況最好．全縣由西北到東南方向，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的幅度逐漸遞增，變化最大的是交道鎮(zhèn)和南道德鄉(xiāng)．建議全縣積極發(fā)展水土保持型生態(tài)農(nóng)業(yè)，加強(qiáng)農(nóng)耕區(qū)水土流失治理力度，保護(hù)好天然林和退耕林，維護(hù)本縣良好的生態(tài)環(huán)境．

作者：李粉玲 常慶瑞 申健 劉京 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室