陈 光

(福建省林业勘察设计院，福建 福州 350002)

水土流失导致生态环境质量下降的同时，也给人们的生产生活带来了严重的影响，因此，适时对水土流失区的生态环境进行监测显得尤为重要[1-2]。目前，相关文献根据其研究目的不同，在生态环境评价指标的选取和体系的构建方面各有侧重，但针对水土流失区的生态环境质量评价研究较少。徐涵秋[3]等基于遥感技术，选取绿度、湿度、干度、热度四大生态要素构建遥感生态指数对南方水土流失区进行生态变化评估。王红岩[4]等基于RS和GIS技术，选取植被覆盖度、地形起伏度及土地利用类型三个因子对水土流失区的敏感性进行评价及动态监测。可见，将遥感技术运用在水土流失区生态环境评价上，不但能够快速监测，节省人力与物力，还能对生态环境质量的时空变化进行研究。压力—状态—响应(PSR，Pressure-State-Response)模型最早是由联合国经济合作组织(OECD)提出，其中，压力表征人类对生态环境的作用力；状态是指特定时间段生态环境的状态；响应是指对生态环境变化进行补救的措施。该模型能够很好的体现人与环境之间的作用与反作用关系[5-6]。水土流失区生态环境质量的变化主要受自然演变和人为干预两方面的影响。本文结合遥感技术与PSR模型构建水土流失区生态环境评价体系，选取典型水土流失区福建省长汀县为研究区，利用遥感技术与地理信息系统空间分析对研究区的生态环境质量进行动态评价，旨在为水土流失区生态环境评价提供参考，为水土流失区进一步治理和生态环境的改善提供依据。

1 研究区概况与数据预处理

1.1 研究区概况

长汀县隶属于福建省龙岩市，地处闽西山区，武夷山脉南麓，地理坐标为25°18′40″～26°02′05″N、116°00′45″～116°39′20″E，东西宽66 km，南北长80 km。全县森林覆盖率总体较高，但树种过于单一，林分结构简单，生长差，林下植被稀疏，水土流失严重，被列为中国重点水土保持试验区。经过长期的封山育林、植树造林，长汀取得了良好的水土流失治理效果，成为全国水土流失治理的典型。

1.2 数据预处理

选取长汀县的2004年、2010年、2016年的3期Landsat TM/OIL遥感影像作为基础数据源，影像地物信息丰富、云量少、清晰度较高。运用ENVI5.3对影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、裁剪等预处理，根据遥感影像的相关特性，结合实地调查情况，通过支持向量机(SVM)的方法进行分类，将研究区划分为林地、耕地、水域、建筑用地、交通用地及未利用地6种土地利用类型，分类精度均达到83%以上。

2 研究方法

2.1 生态环境评价指标的构建

2.1.1 生态环境压力层

在人类干预与自然演变的影响下，土地利用与覆被将会产生变化，尤其是人类活动成为改变景区和原有自然特征的重要因素。人类活动对自然的干扰主要体现在人口密度的变化及建筑用地的扩张程度。基于长汀县各乡镇人口统计数据通过插值得到人口密度分布图。建筑在中红外波段反射率高，在近红外反射率低，因此采用用归一化建筑用地指数反映研究区城市扩张的强度。

(1)

式中，NDBI指城市扩张强度；ρMIR、ρNIR分别代表中红外波段和近红外波段的象元反射率或者象元亮度值，Landsat5 TM分别为第5、4波段的象元亮度值，Landsat8 OIL分别为第6、5波段的象元亮度值。

2.1.2 生态环境状态层

(1)生态系统稳定性指数

不同土地利用类型在维护生态系统稳定性、对外界的抗干扰能力上有较大的区别。研究将土地利用类型与生态系统的稳定性进行关联分析，根据各种土地利用类型自我调节能力、生态恢复能力、人类改造程度进行稳定性分析，其中稳定性最大的为林地，稳定性最低的为建筑用地。由此进行分级作为该土地利用类型的生态稳定性指数。林地、耕地、未利用地、水域、交通用地、建筑用地分别赋值为6、5、4、3、2、1。

(2)区域自然背景指数

区域自然背景是指影响区域自然生态系统生态过程的因素，主要受土壤类型和地形地貌特点的影响。因此，采用土壤指数和地形起伏度来表征区域的自然背景质量。

NBI=λaIa+λbIb

(2)

式中，NBI为区域自然背景指数；Ia代表土壤指数；Ib表示地形起伏度；λa、λb分别为这两个指数的权重，因为两者对于生态环境重要程度一致，因此将两权重均赋值为0.5。其中，土壤指数将土壤类型赋值并归一化；地形起伏度是区域内最高点海拔和最低点海拔的差值，以DEM为数据源，利用GIS空间分析工具获得并进行分级和归一化处理。

(3)景观结构指数

以景观分离度和景观破碎度两个指标所计算出的景观结构指数来反映景观类型的空间配置结构对生态系统的影响程度。

STI=1-∑(λCI×CIk+λsr×SIk)AK/A

(3)

式中，STI为景观结构指数；Ai为景观i的总面积；A景观总面积；SIk为景观分离度；CIk是景观的破碎度；λSI和λCI为各自的权重。结合前期研究与研究区的实际情况，分析各指标因子对生态环境的贡献，λSI和λCI分别为0.6和0.4[7]。

2.1.3 生态环境响应层

生态环境响应层是指生态系统在所承受的压力下所产生的反映。植被覆盖度是刻画地表植被覆盖的重要参数，可以反映出多年水土流失治理下生态环境的变化。城市热岛效应作为人类活动与城市景观共同作用的结果，是城市生态环境的重要指标。目前城市热环境主要通过温度的空间分布情况来体现。因此，文章利用象元二分模型测算植被覆盖度，采用地表温度反演来研究城市热岛效应。

(4)

式中，FVC是植被覆盖度；NDVI是指归一化植被指数；NDVIsoil代表研究区内无植被覆盖象元值，NDVIveg表示全植被覆盖象元值。

T=K2/ln(K2/L+1)

(5)

式中，T表示辐射亮温；L代表温度为T的黑体在热红外波段的辐射亮度；K1、K2为校订系数，对于TM影像，K1=607.76W/(m2μm*sr)，K2=1260.56K，对于TIRBand10，K1=774.89W/(m2μm*sr)，K2=1321.08K。

表1 生态环境评价指标框架

2.2 生态环境评价指标的标准化处理

由于各个因子评价量纲不统一，不能进行线性分析，因此需要对原始因子进行标准化处理。研究采用最大离差法对指标进行标准化处理，若数值越大越好则将其分为“效益型”指标，为正向指标；若指标越小越好则将其分为“成本型”指标，为负向指标[8]。

(6)

(7)

式中，Y1为“效益型”指标，Y2为“成本型”指标，Xmin为该指标的最小值，Xmax为该指标的最大值[9]。

2.3 生态环境评价指标权重的确定

生态环境评价指标权重反映了各个指标在评价体系中的相对重要性。常用的评价方法有熵值法和层次分析法，两种方法各有利弊。研究将两种方法结合起来，能够有效避免层次分析法过于主观的弊端，也能避免熵值法可能与指标实际重要性相悖的问题，使指标的权重具有准确性与客观性(表2)。

表2 长汀县生态环境评价因子权重分配

2.4 生态环境综合指数的计算

生态环境综合指数通过各指标因子加权综合而得到。

S=∑Wi·Xi

(8)

式中，S为生态环境综合指数，Wi为第i指标的权重向量，Xi为第i个因子的评价向量。

结合相关文献与专家意见，对生态环境综合指数进行生态安全等级划分以便更好的分析(表3)。

表3 长汀县生态环境综合指数分级标准

3 结果分析

3.1 长汀县生态环境单因子评价结果

从各年份7个指标及生态环境综合指数的平均值，可以看出，对生态有利的植被覆盖度、生态系统稳定性指数、区域自然背景指数在这12年间大幅度上升，而与生态环境呈负相关的人口密度、建筑地归一化指数等也有上升的趋势，温度则表现为先增后减(表4)。各个指标的均值变化说明了生态环境在改善的同时，人类干扰的压力也在上升。综合分析表明，长汀县生态环境综合指数从2004年的0.6706上升到2016年的0.7757。

表4 研究区各年份7个指标与生态环境综合指数均值变化

3.2 长汀县生态环境综合评价结果分析

统计结果表明长汀县生态环境质量等级以较安全、理想安全为主，2004年、2010年、2016年分别占了总面积的82.79%、90.24%、92.31%，两等级所占的面积比也在不断上升，反映出生态环境的不断改善(表5)。具体表现为生态综合指数等级为较安全、理想安全的所占的面积从82.79%上升到92.31%；生态环境综合指数等级为很不安全、不安全的所占的面积从6.25%下降到1.35%，面积减少了151.75 km2，主要分布在长汀县策武乡、河田镇、三洲镇等乡镇。但是2010～2016年等级为理想安全的面积比例从14.08%下降到13.78%，出现生态环境质量微下降的现象，可能是由于城市发展需要，建筑地不断扩张、人口压力增加导致的。

表5 长汀县的生态级别面积与比例

3.3 长汀县生态环境级别转移分析

为直观了解长汀县生态环境质量的空间变化，对长汀县生态安全等级进一步进行统计分析(表6)。2004～2016年生态安全等级为很不安全的区域向临界安全、较安全分别转移11.13 km2、15.24 km2，等级为不安全的区域向临界安全、较安全分别转移47.55 km2、94.86 km2。可见,很不安全、不安全的区域向等级为临界安全、较安全转化明显。生态环境质量等级为临界安全转为较安全、较安全转化为理想安全的面积相对较大，分别为235.28 km2、317.83 km2，说明水土流失治理效果日益凸显，生态环境质量不断提高，主要由于长汀县大力开展水土流失治理，改善了生态环境。此外，2004～2016年有223.19 km2生态环境为理想安全的区域降低为较安全、有53.69 km2生态环境为较安全的区域转变为临界安全，说明这些区域人类干扰程度过大，导致生态环境下降。

表6 长汀县2004～2016年生态安全等级转移矩阵

4 结论与展望

本文基于遥感技术，通过PSR模型分析长汀县2004～2016年生态环境分布及时空动态变化，研究分析结果能定量反映水土流失重点区治理效果。

(1)通过长汀县2004年、2010年、2016年生态环境质量等级统计分析发现，长汀县生态环境质量等级主要以较安全、理想安全为主，分别占了总面积的82.79%、90.24%、92.31%。较安全、理想安全的区域主要分布在盆地以外地势较高的林地区域，而生态环境质量等级为很不安全、不安全的区域在2004年所占的比例为6.25%，主要分布在盆地内地势低、人类干扰强度大的策武乡、河田镇、三洲镇等城镇区域。

(2)通过2004～2016年生态环境级别转移面积矩阵分析得出，长汀县生态环境质量等级为很不安全、不安全的区域向临界安全、较安全转化明显，临界安全转为较安全、较安全转化为理想安全的面积相对较大，分别为235.28 km2、317.83 km2，说明水土流失治理效果良好，生态环境在不断改善。

(3)虽近12年长汀县水土流失治理效果明显，但在有些区域出现生态环境质量下降状态，较安全转为临界安全的区域有53.69 km2，理想安全转为较安全的区域223.19 km2，主要原因是人类干扰强度过大。对于这些区域需要加大水土流失治理力度，因地制宜采取措施遏制生态环境质量的下降。

(4)生态环境影响因子具多面性，本研究选取的7个指标及指标权重确定具有一定片面性。在今后研究中将从自然、人为干扰两方面，选取较为全面的指标和更合适的权重进行评价，同时将对生态环境质量驱动力因子进行分析研究，为水土流失区生态环境评价提供依据。

[1] 徐涵秋. 水土流失区生态变化的遥感评估 [J]. 农业工程学报,2013(07):91-97，294.

[2] 林娜, 徐涵秋, 何慧. 南方红壤水土流失区土地利用动态变化——以长汀河田盆地区为例 [J]. 生态学报, 2013, 33(10):2983-2991.

[3] 徐涵秋. 城市遥感生态指数的创建及其应用 [J]. 生态学报,2013(24):7853-7862.

[4] 王红岩,李强子,吴利桥,等. 基于RS和GIS的水土流失敏感性评价及动态监测 [J]. 水土保持研究,2015(2):64-68.

[5] 朱一中,曹裕.基于PSR模型的广东省城市土地集约利用空间差异分析 [J].经济地理,2011(8):1375-1380.

[6] 周启刚,张晓媛,杨霏,等.基于PSR模型的三峡库区重庆段土地利用生态风险评价 [J].水土保持研究,2013(5):187-192.

[7] 李晓燕,张树文.基于景观结构的吉林西部生态安全动态分析 [J].干旱区研究,2005(1):57-62.

[8] 张洪祥.基于多维时间序列的信用评价建模及应用 [D].沈阳：东北大学,2013：12-35.

[9] 胡聪.围填海开发活动对海洋资源影响评价方法研究 [D].青岛：中国海洋大学,2014：17-23.