長株潭都市圈生態質量時空變化及生態保護優先區域識別?

王凡榮 肖景峰 李哲勤 余德

摘要： 基于遙感生態指數和恢復生態學理論，對1990—2020年長株潭都市圈生態質量時空變化特征進行分析，并識別其生態保護優先區域，以進一步推進長株潭都市圈的生態保護與修復。研究發現，1990—2020年長株潭都市圈生態質量呈現出“總體較好、有所改善”“四周高、中間低”的時空格局特征；大部分地區的生態質量沒有發生明顯變化，生態質量變好的地區主要分布在長沙縣、瀏陽市、醴陵市、岳麓區、寧鄉市等，生態質量變差的地區主要分布在瀏陽市、寧鄉市、湘潭縣、醴陵市、長沙縣等。就生態保護修復分區而言，長株潭都市圈面積最大的為自然恢復區，其次是一般保護區，而優先保護區面積較小，其主要分布在城鄉結合部且呈現出明顯的沿道路分布特征；望城區北部、長沙縣中部、瀏陽市西北部的優先保護區較多。在此基礎上，提出長株潭都市圈的優先保護區可進一步優化藍綠空間格局，加強道路沿線防護林、綠帶等基礎設施建設，結合全域土地綜合整治等工程的開展進一步優化國土空間格局等建議。

關鍵詞： 生態質量；優先保護；遙感生態指數；長株潭都市圈

中圖分類號：X321文獻標識碼：A文章編號：1006-060X（2024）02-0093-06

Temporal and Spatial Changes of Ecological Quality in Changzhutan Metropolitan Area and Identification of Priority Areas for Ecological Protection

WANG Fan-rong1，XIAO Jing-feng2，LI Zhe-qin3，YU De3

（1. Changsha Yongxin Land Planning Consulting Co.， Ltd.， Changsha 410014， PRC; 2. Hunan Institute of Agricultural

Economy and Agricultural Regionalization， Changsha 410125， PRC; 3. College of Landscape Architecture and

Art Design， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， PRC）

Abstract： Based on the remote sensing ecological index （RSEI） and restoration ecology theory， temporal and spatial change characteristics of ecological quality in Changzhutan metropolitan area from 1990 to 2020 were analyzed， and priority areas for ecological protection were identified， so as to further promote the ecological protection and restoration of Changzhutan metropolitan area. The results showed that from 1990 to 2020， the ecological quality of Changzhutan metropolitan area was generally good and improved， presenting a spatial pattern of "high in the surroundings， and low in the middle". There was no significant change in ecological quality of most areas， and areas with improved ecological quality were mainly distributed in Changsha County， Liuyang City， Liling City， Yuelu District and Ningxiang City， while areas with worse ecological quality were mainly distributed in Liuyang City， Ningxiang City， Xiangtan County， Liling City and Changsha County. In terms of ecological protection and restoration zoning， the largest area in Changzhutan metropolitan area was the natural restoration area， followed by the general protection area， while the priority protection area was relatively small， which was mainly distributed on the "rural-urban fringe" and showed obvious "along the road" distribution characteristics. There were more priority protection areas in northern Wangcheng District， central Changsha County and northwestern Liuyang City. Hence， the priority protection areas in Changzhutan metropolitan area could further optimize the pattern of Blue and Green Areas （the respective zones for water and plants）， strengthen the construction of infrastructure such as shelterbelts and green belts along roads， and further optimize the framework of territorial space combined with the development of comprehensive land consolidation and rehabilitation projects， etc.

Key words： ecological quality; priority protection; remote sensing ecological index; Changzhutan metropolitan area

生態保護與修復是生態文明建設和國土空間治理的重要內容。山水林田湖草沙是相互依存、緊密聯系的生命共同體。2021年3月5日，習近平總書記在參加十三屆全國人大四次會議內蒙古代表團審議時強調：“要統籌山水林田湖草沙系統治理，實施好生態保護修復工程，加大生態系統保護力度，提升生態系統穩定性和可持續性?！币虼?，國土空間治理與生態保護修復要堅持系統治理的原則[1]，同時堅持因地制宜、有序推進的原則，科學布局生態工程。隨著生態保護與修復工作的持續推進，我國開展了生態保護修復工程試點，并繼續大力開展相關研究工作，探尋生態綜合治理的新興模式與設計創新[2-4]。而進行生態保護修復分區及優先區域識別有助于正確認識區域生態系統組合特征及生態質量空間分異規律，進而為國土空間格局優化和國土空間治理提供有力支撐[5-6]。

目前，生態保護修復分區研究以基于多維特征數據的綜合評價為主，其對數據資料的要求較高，這在一定程度上限制了數據基礎較差地區相關工作的開展。而遙感生態指數（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）的提出與應用則在很大程度上解決了這一難題，其是基于植被覆蓋率、土壤濕度、地表干度、地表溫度等遙感指數進行綜合計算而得出的[7-9]，充分體現了遙感技術的優勢，通過多種遙感生態環境參數因子對生態環境進行綜合評價。已有較多研究表明，這4個指數可以較好地反映生態質量，因而，通過這4個指數計算出的RSEI也廣泛應用于生態質量變化監測研究[10-15]。此外，也有學者認為在資金有限的條件下，國土空間生態保護修復可以有先后順序，且需要采用多元化的模式，而基于生態環境質量監測來識別生態保護優先區域既有助于科學有序地制定修復方案，也能提高經濟效率[16]。目前國土空間生態保護修復關鍵區域識別研究主要基于生態安全格局、生境質量以及“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架等進行綜合評價[17-19]，但較少運用RSEI和恢復生態學理論。

鑒于此，該研究基于RSEI和恢復生態學理論，對1990—2020年長株潭都市圈生態質量時空變化特征進行分析，并識別其生態保護優先區域，以進一步推進長株潭都市圈生態保護與修復相關工作，提升其生態質量。

1 區域概況、數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

長株潭都市圈位于湖南省中東部，為長江中游城市群的重要組成部分，是湖南省經濟發展的核心增長區域。長株潭都市圈的范圍包括長沙市全域、株洲市中心城區及醴陵市、湘潭市中心城區及韶山市和湘潭縣，面積為1.89萬km2，是湖南省城鎮化水平較高、經濟相對發達的區域。

1.2 數據來源與處理

Google Earth Engine（GEE）平臺擁有超級計算能力，可在線對海量遙感影像進行處理并快速獲取結果，故GEE平臺在時間跨度長、空間范圍大的生態環境質量評價中有著顯著優勢與廣闊應用前景。因此，該研究使用的數據主要來源于GEE平臺數據庫的Landsat衛星數據。為了減少不同植被生長狀況、地表溫度等造成的影響，使結果具有可比性，該研究在計算RSEI時選擇采用全年遙感影像各波段的平均值進行相關計算。該研究首先對云量進行設置，獲得1990、2000、2010、2020年的全年影像及其各波段的平均值，然后通過GEE云計算平臺獲取各年份的RSEI值及其空間分布情況。此外，該研究以從天地圖湖南省地理信息公共服務平臺下載的審圖號為湘S（2020）037號的湖南省地圖行政區劃版為基礎底圖。

1.3 研究方法

1.3.1 RSEI計算方法 該研究選取綠度、濕度、干度、熱度對RSEI進行計算，采用主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）將4個指標的主要信息集中于第一主成分（PC1）上，使得RSEI模型能夠包含4個指標的信息[7-8]。RSEI的計算如公式（1）所示。

式（1）中：NDVI、WET、NDBSI、LST分別為綠度指標、濕度指標、干度指標、熱度指標。該研究根據徐涵秋[7-8]基于Landsat影像提出的各分量，在GEE云平臺上進行各年份分量指標的計算與歸一化處理，進而得到各年份長株潭都市圈RSEI分布結果。

1.3.2 時空變化分析方法 該研究對RSEI的時空變化特征進行分析，以反映區域生態質量的變化情況。為了減少各類誤差帶來的影響，該研究首先對各個時期的RSEI值進行標準化；然后按照相關標準將標準化后的RSEI分為5個等級，具體標準為“差”（0～0.2）、“較差”（0.2～0.4）、“中等”（0.4～0.6）、“良好”（0.6～0.8）和“優”（0.8～1）[12-15]，以分析1990—2020年長株潭都市圈生態質量分布及其變化情況。

1.3.3 生態保護優先區域識別方法 恢復生態學研究認為，生態質量狀況是有可能通過自然修復或人工干預恢復到歷史時期最佳狀況的[20-22]。識別各柵格單元的生態質量是否能夠恢復到歷史時期最佳狀況的具體做法是，根據各柵格單元RSEI的時序變化特征分析當前生態質量與歷史時期最佳狀況的差距，進而開展生態保護修復分區研究。首先是對1990—2020年長株潭都市圈各年份的RSEI值進行最大值合成，形成研究區域各個柵格單元的最大值影像；其次是將2020年的RSEI值減去歷史時期最大值，其結果＜0表示生態質量變差，結果＞0表示生態質量變好，結果=0表示生態質量基本沒有變化。當生態質量變差時，我們需要采用自然修復或人工干預的措施恢復其生態：差值的絕對值越大表示該地的生態質量提升空間越大，差值的絕對值越小表明生態質量變化越??；我們可根據值的分布情況識別哪些區域需要通過人工干預進行優先保護、哪些區域可以通過自然修復來實現生態改善，這2種區域分別被認定為優先保護區、自然恢復區，中間范圍則被認定為一般保護區。在進行分區時，已經轉為建設用地的區域可不予以考慮。綜上，該研究通過自然斷點法將差值處于[–0.05，0）的區域認定為自然恢復區，將差值處于[–0.17，–0.05）的區域認定為一般保護區，將差值處于[–1，–0.17）的區域認定為優先保護區。

2 結果與分析

2.1 長株潭都市圈生態質量時空格局特征

由圖1可知，1990—2020年長株潭都市圈生態質量總體呈現出“四周高、中間低”“東部、南部最好，西部次之，中部城市發展核心區略差”的空間特征。從RSEI的統計情況來看，1990—2020年長株潭都市圈RSEI呈現“先下降后上升”的趨勢，其由1990年的0.720 0下降到2000年的0.701 9，然后上升到2010年的0.731 8，最后上升到2020年的0.762 2，總體上看處于相對較高水平?？梢?，1990—2020年長株潭都市圈生態質量時序變化情況呈現出“總體較好、有所改善”“東部、南部等地先變差后變好”的特征。由表1可知，長株潭都市圈生態質量等級主要為“良好”“優”。1990、2000、2010、2020年生態質量等級為“良好”的區域面積占比分別為50.32%、77.30%、62.77%、40.00%，等級為“優”的區域面積占比分別為32.06%、10.12%、28.46%、48.17%；而生態質量等級為“差”“較差”的區域面積占比極小，各年份兩者之和均不超過1.50%?？梢?，長株潭都市圈自然本底條件較好，生態質量較優。從具體結構變化來看，長株潭都市圈生態質量等級為“良好”的面積占比先增長后降低，在2000年達到峰值，為77.30%；而等級為“優”的面積占比先降低再增長，在2020年達到最高，為48.17%。隨著時間的推移，尤其是2010年之后，長株潭都市圈生態質量等級為“優”的區域面積占比越來越高，生態質量有了較大提升。

2.2 長株潭都市圈生態質量時空演變特征

2.2.1 長株潭都市圈生態質量時間變化特征 由表2和圖2可知，1990—2000年長株潭都市圈生態質量變差的面積有6 445.41 km2，比例為30.81%；生態質量基本不變的面積為11 451.83 km2，占比為54.74%；生態質量變好的面積為3 022.38 km2，占比為14.45%。2000—2010年長株潭都市圈生態質量變差的面積有1 608.54 km2，占比為7.70%；生態質量不變的面積為13 263.49 km2，占比為63.45%；生態質量變好的面積有6 031.11 km2，占比為28.85%。2010—2020年長株潭都市圈生態質量變差的面積為2 054.69 km2，占比為9.85%；生態質量不變的面積為13 391.66 km2，占比為64.17%；生態質量變好的面積為5 421.48 km2，占比為25.98%。1990—2020年長株潭都市圈大部分地區的生態質量沒有發生明顯變化，其面積占比為51.96%；生態質量變好的面積占比為33.31%；生態質量變差的面積占比為14.73%?？梢?，1990—2020年長株潭都市圈生態環境保護效果較好，整體生態質量好轉。

2.2.2 長株潭都市圈各縣市區生態質量變化情況 為了更好地掌握1990—2020年長株潭都市圈生態質量變化的空間分布情況，該研究統計了其各縣市區生態質量變差、變好的面積（圖3）?？芍?，生態質量變差面積較大的有瀏陽市、寧鄉市、湘潭縣、醴陵市、長沙縣、望城區和淥口區，而生態質量變好面積較大的有長沙縣、瀏陽市、醴陵市、岳麓區、寧鄉市、望城區、雨花區。而從各縣市區生態質量變化面積占該行政區域總面積的比例（表3）來看，生態質量變差面積占比較大的是瀏陽市、韶山市、開福區、芙蓉區和望城區，生態質量變好面積占比較大的是岳麓區、雨花區、長沙縣、望城區和天心區。同時結合圖2可知，1990—2020年長株潭都市圈生態質量有所改善，這在很大程度上得益于長株潭城市群對生態保護的重視以及生態“綠心”政策的嚴格實施。

2.3 長株潭都市圈生態保護優先區域識別

從圖4可以看出，就生態保護修復分區而言，長株潭都市圈面積最大的為自然恢復區，其次是一般保護區，而優先保護區面積較小。從空間分布來看，需要通過人工干預進行優先保護的區域主要分布在城鄉結合部，呈現出明顯的沿道路分布特征，說明城鎮建設開發過程對道路沿線的生態質量造成了一定的破壞；一般保護區則主要分布在優先保護區和自然恢復區之間的過渡空間。從集中連片分布情況來看，望城區北部、長沙縣中部、瀏陽市西北部需要通過人工干預進行優先保護的區域較多。

3 結論與建議

該研究得出主要結論如下。其一，1990—2020年長株潭都市圈生態質量呈現出“總體較好、有所改善”“四周高、中間低”的時空格局特征。其二，1990—2020年長株潭都市圈大部分地區的生態質量沒有發生明顯變化，其面積占比為51.96%；生態質量變好的地區面積占比為33.31%，主要分布在長沙縣、瀏陽市、醴陵市、岳麓區、寧鄉市、望城區、雨花區；生態質量變差的地區面積占比為14.73%，主要分布在瀏陽市、寧鄉市、湘潭縣、醴陵市、長沙縣、望城區和淥口區。其三，就生態保護修復分區而言，長株潭都市圈面積最大的為自然恢復區，其次是一般保護區，而需要通過人工干預進行優先保護的區域面積較??；優先保護區主要分布在城鄉結合部，呈現出明顯的沿道路分布特征，說明城鎮建設開發過程對道路沿線的生態質量造成了一定的破壞；從集中連片分布情況來看，望城區北部、長沙縣中部、瀏陽市西北部的優先保護區較多。

在對長株潭都市圈進行生態保護修復分區并識別出優先保護區的基礎上，該研究提出以下建議以進一步推進長株潭都市圈生態保護與修復相關工作，提升其生態質量。其一，長株潭都市圈的自然恢復區和一般保護區要繼續宣傳生態保護政策，進一步營造良好的生態環境保護氛圍。其二，優先保護區則要進一步優化藍綠空間格局，發揮綠地、水體等生態系統的輻射功能，改善區域小氣候；可在進行線狀工程開發建設時，加強沿線防護林、綠帶等基礎設施建設，以減緩生態退化的速度，進一步推進生態恢復；可結合全域土地綜合整治等工程的開展，進一步優化國土空間格局，以逐步改善和恢復區域生態。

參考文獻：

[1] 白中科，周偉，王金滿，等. 試論國土空間整體保護、系統修復與綜合治理[J]. 中國土地科學，2019，33（2）：1-11.

[2] 朱振肖，王夏暉，饒勝，等. 國土空間生態保護修復分區方法研究；以承德市為例[J]. 環境生態學，2020，2（Z1）：1-7.

[3] 張瀠文，蘇騰，張富剛，等. 新時期我國國土空間生態修復理念與模式探討[J]. 應用生態學報，2021，32（5）：1573-1580.

[4] 王志芳，高世昌，苗利梅，等. 國土空間生態保護修復范式研

究[J]. 中國土地科學，2020，34（3）：1-8.

[5] 王晨旭，劉焱序，于超月，等. 國土空間生態修復布局研究進

展[J]. 地理科學進展，2021，40（11）：1925-1941.

[6] 傅伯杰. 國土空間生態修復亟待把握的幾個要點[J]. 中國科學院院刊，2021，36（1）：64-69.

[7] 徐涵秋. 城市遙感生態指數的創建及其應用[J]. 生態學報，2013，33（24）：7853-7862.

[8] 徐涵秋. 區域生態環境變化的遙感評價指數[J]. 中國環境科學，2013，33（5）：889-897.

[9] 徐涵秋，鄧文慧. MRSEI指數的合理性分析及其與RSEI指數的區別[J]. 遙感技術與應用，2022，37（1）：1-7.

[10] 范德芹，邱玥，孫文彬，等. 基于遙感生態指數的神府礦區生態環境評價[J]. 測繪通報，2021（7）：23-28.

[11] HU X S，XU H Q. A new remote sensing index for assessing the spatial heterogeneity in urban ecological quality： A case from Fuzhou City，China[J]. Ecological Indicators，2018，89（1）：11-21.

[12] 劉盼，任春穎，王宗明，等. 南甕河自然保護區生態環境質量遙感評價[J]. 應用生態學報，2018，29（10）：3347-3356.

[13] 繆鑫輝，梁勤歐. 基于遙感生態指數的甬江流域生態環境變化分析[J]. 長江流域資源與環境，2021，30（2）：427-438.

[14] 楊江燕，吳田，潘肖燕，等. 基于遙感生態指數的雄安新區生態質量評估[J]. 應用生態學報，2019，30（1）：277-284.

[15] 應奎，李旭東，程東亞. 巖溶槽谷流域生態環境質量的遙感評

定[J]. 國土資源遙感，2020，32（3）：173-182.

[16] 王夏暉，張簫. 我國新時期生態保護修復總體戰略與重大任務[J]. 中國環境管理，2020，12（6）：82-87.

[17] 方瑩，王靜，黃隆楊，等. 基于生態安全格局的國土空間生態保護修復關鍵區域診斷與識別：以煙臺市為例[J]. 自然資源學報，2020，35（1）：190-203.

[18] 樊影，王宏衛，楊勝天，等. 基于生境質量和生態安全格局的阿勒泰地區生態保護關鍵區域識別[J]. 生態學報，2021，41（19）：7614-7626.

[19] 丹宇卓，彭建，張子墨，等. 基于“退化壓力-供給狀態-修復潛力”框架的國土空間生態修復分區：以珠江三角洲為例[J]. 生態學報，2020，40（23）：8451-8460.

[20] 楊勝蘇，劉衛柏. 基于恢復生態學的洞庭湖區“山水林田湖草”生態修復研究[J]. 生態學報，2021，41（16）：6430-6439.

[21] 彭少麟. 恢復生態學與退化生態系統的恢復[J]. 中國科學院院刊，2000（3）：188-192.

[22] 曹宇，王嘉怡，李國煜. 國土空間生態修復；概念思辨與理論認知[J]. 中國土地科學，2019，33（7）：1-10.

（責任編輯：袁萍萍）