窦世卿， 张楠， 靖娟利， 徐勇， 张寒博， 侯清林

(桂林理工大学测绘地理信息学院， 桂林 541006)

在发展建设生态文明的大背景下，生态系统健康问题已经引起了全社会的广泛关注，对区域生态系统健康状况进行合理评价，及时掌握区域内生态系统健康状况，为各地区实现社会经济与生态系统健康和谐共存和持续发展提供决策支持具有十分重要的意义[1-2]。

目前，应用广泛且较成熟的生态系统健康评价方法[3]往往是通过某一固定模型结合相关评价指标及权重计算方法[4-5]对特定区域进行评价分析。例如，活力-组织力-恢复力(vigour-organization-resilience, VOR)模型和压力-状态-响应(pressure-state-response, PSR)模型等[6-7]。然而，VOR模型往往只从自然景观角度入手选取评价指标，PSR模型则以统计数据作为计算研究区生态系统健康的基础，都不能全面准确地评价生态系统健康状况[8]。生态系统服务是连接生态系统和人类社会的纽带，在区域生态健康评价中应该从人类社会的角度将其与自然生态变化过程相结合进行评价，这样就能够很大程度地提高生态健康评价的准确性和时效性[9-10]。另外，在现行的评价方法中权重指标的计算多采用的是层次分析法或者熵权法，这两种权重计算方法都有一定的缺陷，前者主要依赖专家经验知识对评价指标之间的相对关系进行打分过于主观，后者主要依赖指标统计值通过经验公式计算权重过于客观。指标权重的准确计算是全面准确地对生态系统健康进行评价和分析的基础。鉴于此，在相关研究基础上从评价体系与权重计算两个方面进行创新。评价体系方面：在VOR模型的基础上加入生态系统服务价值指标从自然景观和人类社会两个方面构建多指标评价体系，进一步完善理论模型。权重计算方面：构建最小二乘法优化组合赋权模型将层次分析法和熵权法相结合使权重结果更加科学、准确、合理。

广东省作为中国第一经济大省，其综合发展模式具有很强的引领作用，而其经济以及城镇化的快速发展对生态系统健康的胁迫作用日益明显，利用科学有效的方法对广东省生态系统健康进行长时间序列的动态变化监测，及时了解生态系统健康状况，对制定相应的生态系统保护政策来实现社会经济发展与生态环境的可持续发展具有重要意义。因此，现尝试利用VOR模型耦合生态系统服务价值建立新的评价指标体系，并结合最小二乘法优化组合赋权模型，借助遥感和 地理信息系统(geographic information system，GIS)手段对广东省2009—2019年长时间序列生态系统健康进行动态评价和分析，探究其生态系统健康时空变化特征，以期为合理开发利用当地自然资源，保护地区生态系统健康提供理论参考和科学依据[11]。

1 研究区概况

广东省地处中国大陆最南部，位于东经109°39′～117°19′，北纬20°13′～25°31′，全省陆地面积17.98万平方前千米，属于东亚季风气候区，气候温暖，雨水充沛，年平均气温为19～24 ℃，年均降雨量1 777 mm[12]。广东省海岸线长，港口资源丰富，是中国国内外交通和贸易的重要渠道[13]。广东省的经济总量连续多年位居全国第一，是经济综合竞争力最强省份，其中广东珠三角地区的粤港澳大湾区是世界四大湾区之一，在国家社会发展经济建设中具有重要的战略地位[14]。同时，广东省也是中国人多地少且“人才吸虹”能力最强的省份之一，由于人口日增，人均资源减少，其总体的生态健康状况面临着更大的挑战。

2 数据来源与预处理

所用的数据包括MOD13A3归一化植被指数(normalized differential vegetation index, NDVI)、MOD17A3HGF植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)、MOD11A2地表温度(land surface temperature, LST)和MCD12Q1土地覆盖类型数据，时间跨度为2009—2019年，均来源于NASA (National Aeronautics and Space Administration)的数据共享网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)。利用MODIS重投影工具(MODIS reprojection tool，MRT)分别对NDVI、NPP和LST遥感影像进行镶嵌、投影、重采样和数据格式转换等预处理，并结合广东省行政矢量边界图对预处理后的影像进行裁剪。土地覆盖类型数据[15]选用数据集1，将17类土地覆盖类型重分类为耕地、林地、草地、水体、灌木丛、建设用地和裸地7种类型，经过拼接、镶嵌及裁剪处理后基于Fragstats4.2提取景观格局指数，并利用ArcGIS10.6进行空间分析和制图[16]。

社会经济数据用于计算生态系统服务价值，主要包括广东省2009—2019年粮食总产量、单位面积平均粮食产量以及广东省粮食种植面积和全国年平均单位面积粮食产量等，该数据来源于《广东省统计年鉴》和《中国统计年鉴》，各数据集的详细说明如表1所示。

表1 研究采用的数据集及说明Table 1 Dataset and description used in the study

3 研究方法

3.1 评价指标体系构建

基于VOR模型的活力、组织力和恢复力3个子系统耦合反映人类活动的生态系统服务子系统构建新的多指标评价体系。

活力指生态系统的能量积累和营养循环，是衡量系统新陈代谢和生产力的主要指标，由绿色植物的覆盖率和光合作用来决定，因此，选取NDVI[17]、NPP[18]和LST[19]表征系统活力；组织力是指生态系统的复杂性，一般来说组织结构越复杂，生态就越健康。因此，选用蔓延度指数[20]、香农均匀度[21]、香农多样性[22]、散布与并列指数[23]来表征生态系统组织结构的复杂性；恢复力是系统受外来干扰后逐步恢复的能力是系统弹性的相对程度，主要受景观要素的影响较大，所以，选择生态弹性度[24]表征系统恢复力；人类的活动导致了土地覆盖类型的变化，一方面改变了地表的生态格局，另一方面引起了生态系统功能发生变化，从而导致生态系统所能提供的服务种类和价值大小发生了变化，因此，选用生态系统服务价值[25]来表征人类活动对生态环境的影响。从资源环境、景观生态、人类活动3个角度选择了4个子系统的9类指标共同构成新的多指标评价体系，具体介绍及计算方法详见表2。

针对表2中的对不同景观类型的生态弹性度的具体分值，参考有关学者研究并结合研究区实际情况[26]，详见表3。生态系统服务价值指标的计算，采用以农田为基准的地区修正方法[27-28]计算研究区的生态系统服务价值系数，然后计算出研究区2009—2019年不同土地覆盖类型的生态系统服务价值。

表2 生态系统健康评价指标体系及指标类型与说明Table 2 Ecosystem health evaluation index system and index types and description in Guangdong Province

表3 不同景观类型生态弹性度分值Table 3 Ecological elasticity score of different landscape types

3.2 最小二乘法的优化组合赋权模型

为了避免层次分析法依靠专家经验知识计算权重过于主观和熵权法只利用评价指标权重过于客观的不足，采用最小二乘法将层次分析法与熵权法相结合的最小二乘法优化组合赋权模型[29]使指标权重的计算更加科学、合理、准确。具体模型介绍如下，假设评价指标综合权重为

R=(r1,r2,…,rn)T

(1)

建立最小二乘法组合赋权模型为

(2)

式(2)中：Wj1为层次分析法计算后的各指标权重；Wj2为熵权法计算后的各指标权重；rj为各指标综合权重；pij为标准化后的评价矩阵。

依据式(2)计算得到研究区的生态系统健康评价体系中的指标权重如表4所示。

表4 研究区生态系统健康评价指标及其权重Table 4 Ecological health evaluation index system and weight in Guangdong Province

3.3 评价指标归一化及健康等级划分

3.3.1 评价指标归一化

为避免不同指标数据来源和类型等不同造成的各个指标间不能进行综合计算与相互比较的问题，采用极差法[30]将表2中的各个指标进行标准化处理，计算公式如下。

(1)正向健康意义指标：

Y=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(3)

(2)负向健康意义指标：

Y=(Xmax-X)/(Xmax-Xmin)

(4)

式中：Y为指标标准化值；X为指标实际值；Xmax为指标观测数据中的最大值；Xmin为指标观测数据中的最小值。

3.3.2 生态系统健康等级划分

根据新构建的指标体系及权重构建生态系统健康多指标评价模型[式(5)]，计算生态系统健康指数，并将研究区生态系统健康水平按照等间断法划分为5个级别[31-32]，如表5所示。

生态系统健康多指标评价模型为

(5)

式(5)中：E为生态系统健康指数；Yi为i项指标标准化后的值；Ri为i项指标权重；n为评价指标数量。

表5 生态系统健康等级划分Table 5 Classification of ecosystem health

4 结果分析

通过构建的多指标评价模型计算得出广东省生态系统健康综合评价值，并根据生态系统健康等级对研究区域进行等级划分，绘制了研究区生态系统健康等级空间分布图，如图1所示，各等级面积占比如图2所示。

4.1 生态系统健康状况时间变化特征

从图1和图2可以看出，广东省2009—2019年来生态系统健康等级没有一级区域且三级以上的区域约占研究区总面积的90%，整体生态系统健康状态均处于二级亚健康及以下。处于二级区域的面积占比波动起伏较大，但三级以上的区域面积占比变化较为稳定；其中2012—2018年二级区域面积占比在40%以上，研究区生态系统健康状况较好；而2009—2011年以及2019年处于二级区域的面积占比不到30%，生态系统健康状况出现较大波动；2019年相较于2018年生态系统健康等级为二级的区域面积占比出现大幅度下降，生态系统健康状况呈现下降趋势。

图1 2009—2019年广东省生态系统健康等级空间分布Fig.1 The spatial distribution of ecosystem health levels from 2009 to 2019 in Guangdong Province

图2 2009—2019年广东省生态健康等级面积占比Fig.2 The proportion of ecological health grade area from 2009 to 2019 in Guangdong Province

广东省近11年间生态系统健康等级为二级的区域面积占比呈现波动状态，其中2009—2011年，生态系统健康等级为二级的区域面积占比呈阶梯状上升，年均上升1.39%；四级与五级区域面积占比起伏程度较小；三级区域面积占比呈现阶梯状下降，年均下降1.25%。2012—2016年研究区生态系统健康等级为二级的区域面积占比呈现“V”形起伏；2014年生态系统健康等级为二级的区域面积占比达到最小值，年均下降1.15%；2016年又增长到最大面积占比56.33%，年均增长4.24%；生态系统健康状况有明显向好趋势。但2017—2019年生态系统健康等级为二级的区域面积占比又出现较大起伏，在2017—2018年二级区域面积占比有较大提升，从41.09%上升到56.44%，年增长近15.35%；然而到2019年又大幅度下降至29.43%，年下降近27.01%，生态系统健康状况出现骤降变差趋势。

4.2 生态系统健康状况空间分布特征

图3 广东省生态系统健康等级变化空间分布Fig.3 The spatial distribution of changes in ecosystem health levels in Guangdong Province

从图1和图2可以看出，广东省2009—2019年来生态系统健康等级为三级以上的区域面积占比起伏较小，生态系统健康状况处于稳定且相对较好的状态。广东省生态系统健康状况总体上呈现北部内陆地区优于南部沿海地区的空间分布差异，主要是因为地势分布影响，北部地区(清远、河源、潮州、梅州、韶关、肇庆、云浮等市)多高山，人类干扰程度较小，土地利用类型主要由林地、草地、灌木丛等植被构成，自然环境得到较好保存，NPP、NDVI和生态弹性度以及蔓延度指数、香农均匀度等正向意义的指标值较高导致生态系统活力、组织力和恢复力相对较高。而位于广东省东部地区的汕头、揭阳和“珠江三角洲”的佛山、东莞、中山、深圳以及西南部地区的湛江、茂名等8个沿海城市在11年的发展历程中，生态系统健康状况一直处于不健康状态，是由于经济发展较为迅速，人类聚集度较高，干扰程度较大，2009—2019年建设用地增加19.65万hm2，灌木丛和草地等景观面积占比分别减少0.88和71.51万hm2，导致LST值增高，NPP值和NDVI值相对降低，景观破碎度增大，景观斑块之间联系程度降低，生态系统活力、组织力和恢复力降低。

2012—2018年生态系统健康等级为二级的区域主要分布于清远、韶关、广州、惠州、河源等市，且面积占比大幅度上升近10%，占总面积的近50%，带动广东省整体生态系统健康状况由三级一般健康向二级亚健康状态转化。但其中2017年梅州、河源、韶关等市生态系统健康等级为二级的区域相比2016年和2018年面积占比明显下降，茂名市生态系统健康等级为四级的区域面积占比上升，局部生态系统健康状况在该年份有一定程度恶化。

2009—2011以及2019年生态系统健康等级为三级的区域主要分布于云浮、肇庆、梅州、汕尾等市，占广东省区域面积的55%以上，生态系统健康等级为二级的区域面积占比不到30%，广东省生态系统健康总体处于三级一般健康状态。其中尤以2019年生态系统健康等级变化最为剧烈，相比2018年二级区域面积占比下降27.01%，三级区域面积占比上升21.83%，主要分布在茂名、阳江、云浮、梅州、肇庆等市；而四级、五级区域主要在东莞、湛江、茂名、阳江等市发生面积占比变化，面积占比分别上升4.74%和0.44%，其他市都有不同程度的生态系统健康变差情况，生态系统健康有恶化趋势。对比人类活动和经济发展，2018—2019年相比2017—2018年广东省GDP上升2994.76亿元，受经济区建设以及大力发展经济的影响，研究区生态系统健康在2019年出现一定程度的恶化。

4.3 生态系统健康空间变化特征

为进一步研究2009—2019年间广东省生态系统健康的空间变化特征，对其生态系统健康等级空间变化进行分析，并按照2009—2014和2014—2019年两个时间段将变化状态分为改善二级(五级→三级和四级→二级)、改善一级(五级→四级、四级→三级和三级→二级)、稳定、退化一级(二级→三级、三级→四级和四级→五级)和退化二级(二级→四级和三级→五级)5种类型，绘制生态系统健康等级变化空间分布图(图3)，生成等级转移矩阵(表6)，统计等级转移面积占比(表7)。

表6 广东省生态系统健康等级转移矩阵Table 6 Ecosystem health level transfer matrixin Guangdong Province

表7 广东省生态系统健康等级转移面积占比Table 7 Proportion of grade transfer area in Guangdong Province

由图3、表6以及表7中可以看出，2009—2019年广东省生态系统健康呈现以稳定变化为主，呈改善趋势的面积大于呈退化趋势面积的空间变化特征，且改善型和退化型相间分布在全省各个地区。生态系统健康等级转移处于稳定不变的区域面积为110 698.24 km2，占总面积的64.45%，主要分布于云浮、佛山、梅州以及汕尾等市；生态系统健康等级改善的部分主要由改善一级构成，面积为35 158.32 km2，占总面积的20.05%；而改善二级的区域主要分布在珠海市，仅占研究区总面积的0.06%；生态系统健康等级退化的部分主要由退化一级构成，面积为26 814.39 km2，占总面积的15.26%；退化二级的区域主要分布在清远市和广州市的交界处以及汕头市的西部地区。占研究区总面积的0.18%。2009—2019年广东省生态系统健康等级处于改善型的区域比退化型的区域面积占比高4.79%，11年间广东省生态系统健康状况有较小程度的改善。

2009—2014年研究区生态系统健康等级稳定区域的面积为119 586.21 km2，占总面积的68.57%。等级转化的部分主要由改善一级构成，面积为48 265.50 km2，占总面积的27.69%；其中退化型区域面积占比为3.73%，主要由退化一级构成，主要分布在湛江市的中西部地区以及汕头市；2014—2019年研究区生态系统健康等级稳定的区域面积为112 175.30 km2，占总面积的65.41%，处于稳定型的生态系统健康等级面积相比2009—2014年时间段出现小幅度下降。生态系统健康等级为改善型的面积为14 084.76 km2，占总面积7.80%，主要分布在河源、梅州以及揭阳等市。其中阳江、茂名、肇庆、清远、广州、惠州、江门、河源以及东莞市等市相较于2009—2014年等级转化由改善型向退化型的变化最为明显，该地区人类活动强度增加，土地利用开垦程度增大导致研究时段地表温度以及生态系统服务价值等负向健康意义指标变化起伏较大致使生态系统健康等级退化幅度较大。

综上可知，2009—2019年广东省生态系统健康状况有较小程度的改善，总体上呈改善趋势的面积大于呈退化趋势的面积。其中2009—2014年时间段，呈改善趋势的面积远远大于呈退化趋势的面积，研究区整体生态系统健康状况明显改善。但在2014—2019年时间段，呈退化趋势的面积占比大幅度上升，呈改善趋势的面积减少，研究区生态系统健康状况有恶化趋势。

5 讨论

人类活动是导致生态系统健康空间分布异化的主要原因，广东省2009—2019年来生态系统健康状况处于较稳定、较好的状态，在时间上，呈现健康等级二级区域的面积占比波动起伏较大，三级以上的区域面积占比较为稳定的特征。可以想见的是，与广东省飞速发展的经济及地位相比，广东省在生态系统健康方面是付出了极大的努力的。面对发展过程中对生态系统健康的破坏，省政府在2011年末2012年初推出印发了《广东省环境保护厅关于省级生态建设示范区的申报和管理办法》以及进一步推荐建设项目环境监试点工作的通知，在广东省北部建立生态示范区，广东省地区林地面积占比从18.23%增长到23.66%，面积占比增长5.43%，导致NPP以及NDVI值明显增高，生态系统活力和恢复力值明显增高，生态系统健康状态整体得以提升。但在2017年随着粤港澳大湾区发展规划的提出，提速粤东西北振兴发展，广东省生态建设受到了一定的影响，但在2018年广东省出台《广东省人民政府办公厅关于印发广东省控制污染物排放许可制实施计划的通知》以及《广东省自然保护区建立和调整管理规定》等一系列生态建设的政策导致生态系统健康状态又有所改善。

广东省生态系统健康状况在空间上呈现北部内陆地区优于南部沿海地区的空间分布差异。北部地区在近11年的发展历程中生态系统健康一直处于较好水平，主要得益于优越的自然地理环境以及政府部门在生态建设中的投入。在今后的发展中应当以维持目前生态健康状态为前提，继续践行《广东省环境保护厅关于省级生态建设示范区的申报和管理办法》、进一步推荐建设项目环境监试点工作的通知以及《广东省自然保护区建立和调整管理规定》等生态建设政策，在保护北部地区当前资源环境与自然景观生态的基础上，减小人类活动影响，通过政府立法等手段进一步推进北部生态示范区建设，加大生态文明建设，优化北部生态系统健康状态。

处于广东省南部沿海地区的珠三角城市群和东部的湛江市以及西部的汕潮揭城市群是生态系统健康状况较差的地区，这三部分地区的经济总量占全省的95%左右，由于南部沿海地区经济的快速发展，人员大量聚集，为满足人口增长需求，大量自然景观向人为社会景观改造，耕地和建设用地面积分别增多3.89万hm2和30.40万hm2，生态系统健康状态较差。珠三角核心区地区是广东省经济发展最快的地区，生产总值占全省比重为80.7%，人类活动对该地区生态系统健康影响尤为严重，该地区生态系统健康状况一直处于不健康状态。因此管理的重点应是在保持经济快速发展的同时缓解生态系统压力，在今后的发展中优化产业结构以及植被覆盖率问题，在人口集聚度高的地区提高建设用地利用率，减小人类活动对生态环境产生的影响，加大节能减排力度，通过城市规划修复、集约利用土地和生态系修复等措施进一步推进生态文明建设，优化自然景观生态，改善生态系统健康状况。

6 结论

依据生态系统健康理论，通过耦合VOR模型与生态系统服务子系统并基于最小二乘法优化组合赋权构建新的多指标评价模型，以遥感数据和统计数据为基础，对广东省的生态系统健康进行评价，得出以下结论。

(1)从时间变化来看，研究区生态系统健康在近11年间整体生态系统健康状况处于二级亚健康及以下水平；生态系统健康等级变化主要在二级和三级之间相互转化，生态系统健康等级为二级的区域面积占比呈现起伏状态。

(2)从空间分布来看，研究区近11年来生态系统健康状况总体呈现北部内陆地区优于南部沿海地区。生态系统健康状况较好区域主要分布于清远市以及与其相邻的北部内陆地区；生态系统健康状况较差区域主要分布于以东莞市为主的珠江三角洲地区以及沿海部分城市。

(3)从空间变化来看，研究区2009—2019年生态系统健康等级变化呈改善型的区域比退化型的区域面积占比高4.79%，生态系统健康状况有一定程度的改善；但2014—2019年相对于2009—2014年生态系统健康等级处于稳定的区域面积占比下降3.16%，生态系统健康等级呈改善型的区域面积占比下降19.89%，生态系统健康等级呈退化型的部分面积占比上升23.05%，生态系统健康状况在2019年出现明显恶化趋势。

本文中建立的耦合模型对广东省生态系统健康时空动态变化状况的评价方法具有以下优势：①通过开展连续长时间序列的广东省生态系统健康监测，研究生态系统健康的动态变化更有助于发现广东省在社会经济高速发展中出现的生态及环境问题；②采用反映人类活动的生态系统服务价值耦合VOR模型构建的新的多指标评价模型能更加准确的反映研究区实际生态系统健康状况；③通过最小二乘法优化组合赋权模型结合层次分析法与熵权法，使指标权重值更加科学、合理、准确；④从地方颁布的政策入手，分析政策的变化与生态环境健康变化之间的关系并提供相应的生态系统健康管理建议，能够为该地区推动生态文明建设和生态系统健康管理与修复提供参考依据。