本文内容来源于《测绘通报》2023年第2期，审图号：GS京（2023）0297号
2001-2019年洞庭湖流域生态环境质量时空变化及其影响因素
张睿1, 刘修国1, 徐栋2, 李芹1, 隋兵3,4, 陈磊士3,4
1. 中国地质大学(武汉)地理与信息工程学院, 湖北 武汉 430074;
2. 北京师范大学遥感科学 国家重点实验室, 北京 100875;
3. 湖南省气象科学研究所, 湖南 长沙 410118;
4. 气象防灾减灾 湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410118
基金项目：湖南省气象局科技项目(XQKJ21B007)
关键词：洞庭湖流域, CHEQ, 生态环境质量, 社会因素, 自然因素
引文格式：张睿, 刘修国, 徐栋, 等. 2001-2019年洞庭湖流域生态环境质量时空变化及其影响因素. 测绘通报，2023(2)：1-8. DOI: 10.13474/j.cnki.11-2246.2023.0032.摘要 ：近年来,自然灾害和人类不合理开发利用等因素给洞庭湖流域生态环境造成巨大压力。准确、实时地获取生态环境质量的时空格局和演变趋势,对洞庭湖流域生态环境保护和建设具有重要意义。针对洞庭湖流域多植被、生物多样性丰富的生态情况,本文基于中国高分辨率生态环境质量数据集(CHEQ)研究了洞庭湖流域生态环境质量时空演变特征,并通过标准化系数的多元线性回归法和随机森林算法从时间和空间角度分别探究了社会因素和自然因素对洞庭湖流域生态的影响。结果表明:①洞庭湖流域生态环境质量在2001-2009年为快速下降期,在2010-2019年为缓慢上升期;CHEQ平均趋势率为-0.17×10-3 a-1,即19年间洞庭湖流域生态环境呈恶化趋势。其中,洞庭湖流域的生态环境质量明显改善区域的面积占比约为20.31%,生态环境质量严重退化区域的面积占比约为24.33%。②平江县、桃源县、桃江县的生态环境质量排名稳居前3,且生态质量基本处于良好等级;排名处于末尾的芙蓉区在19年间生态质量从较差等级退化为差等级。③从时间角度探究近19年洞庭湖流域生态环境质量变化的驱动因素,主要为缺水量、裸土指数;从空间角度探究洞庭湖流域生态环境质量的驱动因素,主要为气温、土壤水分、地表径流量、裸土指数。今后,洞庭湖流域管理策略要以生态恢复为主,以促进经济与生态耦合协调发展,以及发展适应流域生态环境的产业群为主要目标,从而实现流域生态资源可持续利用。本文为探索洞庭湖流域的自然资源持续利用与切实保护相协调的方法提供了科学依据。
洞庭湖流域对于维护湖南省生态环境的稳定具有重要作用[1]，近年来由于受自然灾害和人类不合理开发利用等多重因素的影响，洞庭湖流域土地和植被退化，以及热岛效应、湿地面积萎缩等生态问题层出不穷[2]，给流域自然生态系统平衡和经济社会可持续发展带来了巨大威胁。目前亟需利用科学手段探究洞庭湖流域生态环境质量时空变化特征，以实现地区生态环境质量动态监测，为相关部门的政策制定提供数据支撑。
目前，针对洞庭湖流域生态的研究大多侧重于生态风险评价[3]、生态服务价值评估[4]等，缺乏关于洞庭湖流域整体生态环境质量评估的研究。2013年以来，一些综合多因素的评价指标在生态评价中得到广泛应用，如EI[5]、RSEI[6]等。RSEI指数弥补了EI指数部分分量指标难获取的缺点，得到国内外学者的广泛应用[7-8]。但目前RSEI指数未结合国家发布的EI指数数据进行精度验证，其评价指标涵盖不全的缺点也较为显著[9]。生境质量指标作为衡量洞庭湖流域生态环境优劣的重要因素之一必不可少，且人类活动威胁了湖泊湿地生物多样性和动物栖息地的稳定[2]，增加生态环境质量指标可提高衡量生态质量的全面性。
针对上述问题，本文选择经过精度验证的中国高分辨率生态环境质量数据集(China's historical 1 km resolution eco-environmental quality, CHEQ)[9]，全面分析洞庭湖流域2001—2019年34个县(地级市、区)的生态环境质量演变规律，并系统探讨自然因素和社会因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响情况，以期为深入了解洞庭湖流域生态环境质量提供科学数据参考，为湖南省人民政府评估《洞庭湖生态环境专项整治三年行动计划》[10]实施效果提供科学依据。
洞庭湖流域涵盖湖南、湖北两省，位于长江中下游，总面积约为52 760 km2。该区域包括湖北省的公安县、松滋市、石首市、监利县，以及湖南省人口最密集的长沙市等34个县(地级市、区)。洞庭湖流域属于湿润性大陆季风气候，四季分明，夏季炎热，冬季寒冷，雨季集中在春秋季节。土地覆盖类型主要为耕地和林地，农业生产基础雄厚[11]。洞庭湖流域气候温润适宜，土壤肥沃，自然条件优越，植被覆盖丰富；但土壤质量遭到破坏，许多植物已经退化甚至消失[12-13]，农工业用水不规范处理入湖[14]等污染事件频发，亟需解决生态环境保护与区域经济发展的矛盾。研究区概况如图 1所示。本文使用的CHEQ数据来源于国家地球系统科学数据中心[9]。用于探究洞庭湖流域生态环境质量时空分布驱动因素的数据主要包括Terra Climate数据集的实际蒸散量(AET)、缺水量(DEF)、饱和水汽压差(VPD)、潜在蒸散量(PET)、短波下行辐射(SRAD)、地表径流量(RO)、土壤水分(SOIL)、最低气温(TMN)、最高气温(TMX)、十米风速(VS)、裸土指数(IBI)、年总降水量(PRE)(国家地球系统科学数据中心)、夜间灯光数据(国家地球系统科学数据中心)及人口数据(POP)，见表 1。数据预处理过程包括统一坐标系(WGS-84)与空间分辨率(1000 m)、将月度数据合成年数据，所有数据预处理均在ArcGIS 10.2中进行。CHEQ数据集集成全国2001—2019年热度(LST)、绿度(NDVI)、生境质量(HQI)、干度(NDBSI)、湿度(WET)产品，依次对分量指标进行标准化、合成与主成分分析(principal component analysis，PCA)，排除人为赋权的主观影响；对该数据集进行裁剪，得到洞庭湖流域2001—2019年可视化的生态环境质量数据；利用Theil-Sen Median趋势分析方法探究19年间洞庭湖流域生态环境质量空间变化趋势；采用标准化系数的多元线性回归法和随机森林法，在时间序列和空间上探究自然和社会经济因素对生态环境质量变化的影响。针对洞庭湖湿地研究区多植被覆盖和生物多样性等生态状况，选取高质量、高精度的长时间序列CHEQ数据集。该数据集提出了一种基于生境质量、干度、湿度、绿度、热度的中国生态环境质量评估框架。其中，生境质量指标(habitat quality index, HQI)的计算方式为[5]式中，μ为生境质量的归一化系数；a1为水域湿地；a2为林地；a3为草地；a4为耕地；a5为建设用地；a6为未利用地；A为区域面积。参考RSEI指数的计算方法，对指标进行指标标准化、合成、主成分分析(PCA)，经PCA处理后得到PC1波段, 即为CHEQ，计算公式为为直观地展示研究区生态质量空间分布状况，将CHEQ值划分为5个等级[5]：差[0~0.250)、较差[0.250~0.350)、一般[0.350~0.550)、良[0.550~0.750)、优[0.750~1]。Theil-Sen Median趋势分析是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法，常被用于长时间序列数据的趋势分析中[15]。本文利用该方法计算洞庭湖流域2001—2019年CHEQ的变化趋势，减少异常值的影响，提高计算效率，公式为式中，Slope表示CHEQ变化趋势；CHEQj和CHEQi分别为第j年和第i年的CHEQ值; 2001≤i < j≤2019。采用Mann-Kendall检验对2001—2019年洞庭湖流域CHEQ趋势进行显著性判断。从时空角度探究自然和社会因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响，有利于进一步理解洞庭湖流域生态环境质量演变规律。基于像元的多元线性回归方法[16]从时间角度探究自然和社会因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响，具体公式为式中，CHEQ为中洞庭湖流域生态环境质量；ai由最小二乘法计算得出；Xi为自然或社会因素19年间的像元值；Zi为各因子的标准化回归系数；SXi为各因子的标准差；SCHEQ为CHEQ的标准差; 2001≤i < j≤2019。随机森林中的特征重要性评估从空间角度探究自然和社会因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响。通过计算每个因子对森林中所有决策树节点不纯度的影响，导致所有节点不纯度降低越多的因子越重要[17]，Gini数值越大代表参数变量的重要性越强，具体公式为式中，K为训练样本类别数目；Pmk为节点m处样本属于第k类的概率估计值；当分类结果为“对生态环境有影响”和“对生态环境无影响”时，即K=2时，Gini=2p(1-p)。图 2为洞庭湖流域2001—2019年生态环境质量CHEQ平均值的空间分布。整体上，洞庭湖流域生态质量较差的区域主要集中在洞庭湖流域的主城区，如芙蓉区、岳麓区、天心区等，这些区域多为密集型居民区、商业用地等人类频繁活动的地区，生物多样性薄弱；而生态环境优良的区域主要分布在洞庭湖周边区域，以及洞庭湖区的边缘县，如平江县、桃源县等，这些地区多为山丘湿地区，有利于生态系统的自我修复和当地水土保持[18]。近19年来，CHEQ值处于0.210~0.390范围内的占地面积最小，约占洞庭湖流域总面积的1.16%；处于0.600~0.720范围内的占地面积最大，约占洞庭湖流域总面积的35.49%。图 2 2001—2019年洞庭湖流域CHEQ平均值空间分布图 3展示了洞庭湖流域2001—2019年不同等级的生态环境质量CHEQ面积占比及年均CHEQ变化。结果表明，2001—2019年洞庭湖流域生态环境质量呈波动式下降趋势，19年间CHEQ平均值为0.573，CHEQ最高值为2001年的0.582，最低值为2009年的0.569。2001—2019年洞庭湖流域生态环境质量呈恶化趋势，可大致分为两个阶段：第1个阶段为快速下降期(2001—2009年)，CHEQ均值由2001年的0.582下降至2009年的0.569；第2个阶段为缓慢上升期(2010—2019年)，CHEQ均值由2010年的0.571上升至2019年的0.572。19年间，洞庭湖流域生态环境质量分类等级中，一般与良等级的面积占比较大，差与较差等级的面积占比较小。图 3 生态综合质量(CHEQ)不同等级占比及年均生态环境质量(CHEQ)变化表 2为2001—2019年洞庭湖流域县级市的生态环境质量排名，选取前3名和后2名县级市。平江县、桃源县、桃江县在2001—2019年稳居前三，19年间基本处于良好等级，平江县是全国生态建设示范区，森林覆盖率达63.20%，是湖南省重点林业县之一[19]；19年间生态质量处于末尾的基本都是天心区和芙蓉区，其中，芙蓉区19年间生态质量由较差等级退到差等级，天心区处于一般等级。图 4为2001—2019年平江县、桃园县、桃江县、岳阳楼区、天心区及芙蓉区的经济水平。其中，天心区和芙蓉区位于长沙市主城区，城市化水平较高，人类活动频繁[20]。在整个流域发展重心侧重于快速城市化时，岳阳楼区的政府注重生态经济可持续发展[21]，生态环境质量呈缓慢恢复趋势，使得生态环境质量逐渐优于天心区和芙蓉区。表2 2001—2019年洞庭湖流域县级市生态环境质量排名图 4 2001—2019年洞庭湖流域典型地区经济(夜间灯光)空间分布基于MODIS土地覆盖数据提取洞庭湖流域建成区并进行针对分析，进一步研究城市化进程与生态环境间的关系。如图 5所示，2001—2019年洞庭湖流域5个主要市的建成区生态环境质量呈明显下降趋势，其中长沙市建成区CHEQ下降幅度最大，且长沙市城市化发展水平相对于其余4个市较高，表明城市化水平越高，给生态环境带来的负面影响就越大。由于城市化进程中人口大量增加，地表覆被与下垫面自然生态环境不断退化与丧失，导致生物多样性大大降低[22]，因此，应重视区域城市化和生态耦合协调发展。图 5 2001—2019年洞庭湖流域建成区CHEQ变化为进一步分析洞庭湖生态环境质量变化，基于Theil-Sen Median趋势分析拟合2001—2019年的CHEQ空间变化趋势。图 6为洞庭湖流域2001—2019年CHEQ空间变化趋势，表 3为CHEQ趋势变化不同类型的面积占比。可以看出，洞庭湖流域生态环境质量明显改善区域的面积占比约为20.31%，主要分布在常德市的西部、岳阳市的东部，以及洞庭湖的周边县市(如南县、沅江市、安乡县)，这些地区的土地利用类型大多为湿地、林地，生态系统状态良好，自我调节功能和恢复弹性较好；生态环境质量严重退化区域的面积占比约为24.33%，主要分布在人类干扰严重的地区，如城市化进程较快的长沙市，以工业农业商贸为发展重点的松滋市、公安县、石首市；生态环境质量趋势保持稳定不变的区域占总面积的一半，为48.12%。图 6 2001—2019年洞庭湖流域CHEQ变化趋势表3 洞庭湖流域CHEQ变化趋势分级面积占比
3.3 洞庭湖流域生态环境质量影响因素
生态环境质量受多方面因素的影响，为对比自然和社会经济因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响大小，采用基于像元的多元线性回归方法从时间角度探究了自然和社会因素对洞庭湖流域生态环境质量的影响。如图 7所示，缺水量起主导作用的面积最大，约占总面积的78.27%，主要原因为洞庭湖流域以农业为主，流域内土地利用类型大多为耕地和林地，水源是植被良好生长的重要影响因素，即缺水量对洞庭湖流域的生态变化起关键作用；而作为表征经济指标的夜间灯光面积最少，约占总面积的0.02%。裸土指数起主导作用的区域主要分布在洞庭湖湿地附近，主要原因为河流的生态系统易受人类活动的影响，且人类活动易造成土地类型结构的转变[23]。图 7 基于时间角度的洞庭湖流域生态环境质量空间分布驱动因素相对重要性统计为进一步分析影响洞庭湖生态环境质量的因素，基于随机森林算法，从自然和社会经济两个方面选择典型特征分析了洞庭湖流域生态环境质量的空间分布驱动机制，以2005、2010、2015、2019年的数据为例，共选取14个变量指标(同时间角度分析)进行评价。如图 8所示，2005—2010年影响洞庭湖流域生态环境质量的前3个驱动因素为气温、土壤水分、裸土指数；2015—2019年的前3个驱动因素为气温、地表径流量、裸土指数。洞庭湖流域生态环境质量的空间分布驱动因素主要为气温、土壤水分、地表径流量、裸土指数，而人口的重要性相对较低。可见人口数量对生态环境的影响较小，但城市化进程加快、建成区面积不断扩张，以及人类不合理的活动如围湖造田[24]、矿石开采[25]等因素，均导致洞庭湖流域的生态系统自我修复能力变弱，极端气象灾害事件发生次数增多，这对该区域的气候造成了较大影响[26]。因此，应重视洞庭湖流域的可持续发展，健全灾害预警系统，并结合当地生态和经济情况进行生态移民，最大限度降低生态和经济损失。图 8 基于空间角度的洞庭湖流域生态环境质量空间分布驱动因素相对重要性统计本文基于高质量、高精度的长时间序列CHEQ数据集，对2001—2019年洞庭湖流域生态环境质量进行了时空变化动态分析，并探讨了洞庭湖流域近19年的生态环境质量对自然和社会因素的响应，为政府部门制定相应的生态保护政策提供了科学依据，结论如下。(1) 2001—2019年，洞庭湖流域的生态环境质量总体呈小幅下降趋势，平均趋势率为-0.17×10-3 a-1，表明洞庭湖流域生态环境质量呈恶化趋势。洞庭湖流域生态环境质量较差的区域主要集中在长沙市的主城区，该区域城市化水平高，为人类经济活动的高频区。在开展洞庭湖生态环境专项整治3年行动计划(2018—2020年)后，该区域生态环境质量有所好转，CHEQ在2018年出现峰值，验证了洞庭湖生态环境专项整治3年行动计划初有成效，因此应继续大力开展该区域生态环境专项整治，促进洞庭湖流域生态和经济可持续发展。(2) 2001—2019年洞庭湖流域县级市生态环境质量排名中，平江县、桃源县、桃江县稳居前三，且19年来生态环境质量基本处于良好等级，处于末尾的芙蓉区19年间生态质量由较差等级退化到差等级。(3) 19年来从时间角度探究洞庭湖流域生态环境质量变化的驱动因素主要为缺水量、裸土指数；从空间角度探究洞庭湖流域生态环境质量的驱动因素主要为气温、土壤水分、地表径流量、裸土指数。综上所述，建议19年来以缺水量为生态环境质量变化主导因素的地区，如以林地与耕地为主的常德市西部、岳阳市东部，需统筹安排农业生产和生活用水，严禁任意打井和过量开采，旱地作物要杜绝漫灌，发展喷灌、滴灌；以裸土指数为生态环境质量变化主导因素的地区，如洞庭湖湿地附近的南县、沅江市、安乡县，在城市化过程中需注意黄土裸露问题，对裸土进行合理种植和覆盖，以解决裸土产生的扬尘污染。相关部门要以长沙市建成区为重点关注对象，因地制宜，科学规划城镇化进程，健全生态保护法律法规，以讲座、海报等形式普及生态环境保护知识，加强居民生态环境保护意识。洞庭湖流域管理策略要以生态恢复为主，以促进经济与生态耦合协调发展和发展适应流域生态环境的产业群为主要目标[27]，从而实现流域生态资源可持续利用。
作者简介：张睿(1999-),女,硕士生,研究方向为资源环境与遥感。E-mail:15195802088@163.com通信作者：刘修国。E-mail:liuxg318@163.com