四川大雪山生态红线区生态环境评价与气候变化分析

张 亮 , 苑 跃* , 杨 杰 , 孙 蕊 , 王 姝

（1.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；2.四川省气象灾害防御技术中心，成都 610072；3.四川省气候中心，成都 610072）

1 引言

良好的生态环境是人类生存和社会可持续发展的基础和前提[1]。IPCC第六次评估报告第一工作组报告指出（简称IPCC AR6）[2]，在过去的一个世纪中，生态环境受到人类活动和气候变化的日益挑战。自20世纪50年代以来，全球增温达到1.5℃并仍在继续，极端天气和气候事件的风险进一步加剧，例如高温干旱、极端降雨事件、森林火灾，虫害等，使得生态系统面临越来越大的压力，并引发如环境退化、生物多样性退化以及水土流失等一系列生态环境问题[3-4]。生态环境及生态功能评价是对生态环境系统的优劣程度进行定量分析与描述的过程，其目的在于明确评价区内生态环境的现状及预测人类开发活动对生态环境产生的影响[5-7]。因此，科学及时地评价生态保护区内的生态环境与功能的时空变化，并掌握其气候变化趋势，对于环境保护和区域可持续发展至关重要。

相比于实地调查、地面自动观测等传统观测方法，卫星遥感观测以其大面积、实时、快速、周期性重复观测等优势，在生态学研究领域得到了广泛应用[8-11]。其中，卫星遥感数据结合《生态系统状态评价技术标准》(HJ192-2015)[12]中提出的生态环境状况指数（Ecological Environment Index，EI），在多个省、市、自治区、县、流域的生态环境状况及生态功能评价工作中被广泛应用。但是多项研究指出，EI中应用的不同土地利用方式的评价指标较多，导致其评价结果具有同质性，在某些地区难以正确反映其生态质量的空间变化[13-14]。近年来，基于遥感的生态指数（Remote Sensing Ecological Environment Index，RSEI），以绿度、湿度，干度，热度因子为指标，可以反映人类活动（如城市化）、环境状态变化（如植被覆盖）和气候变化响应（如温度和湿度）对生态环境造成的压力，有利于定量评价区域尺度上的生态环境质量变化[15]。此外，RSEI在不同时空尺度上具可扩展性和可比较性，其评价结果已被反复验证[16-18]。国内外学者将多种卫星遥感指标应用于森林、草原、城市、流域等生态系统的功能监测和评价中，例如生物多样性、水源涵养和水土保持功能等，并取得了许多丰富可靠的研究成果[19 - 20]。

大雪山位于四川省西部，生态系统涉及森林、高寒湿地、草甸等，是黑颈鹤、白唇鹿、雪豹、金丝猴、牛羚等珍稀野生动物的栖息地，为中国生物多样性保护的关键区域之一[21]。但目前该区域的生态环境质量、生物多样性功能以及气候变化的相关监测评价工作还未见报道，生态气象服务保障水平偏低。因此，本文基于卫星产品数据和地面气象观测数据，构建遥感生态指数（RSEI）、生物多样性维护功能指数（Biodiversity Maintenance Function Index，BMI），对近 20 a大雪山生态红线区的生态环境状况和生态功能进行评价，并分析大雪山红线区的气候变化情况，研究结果有助于更加科学准确地了解大雪山红线区的生态环境和功能的时空演变，为该区域的生态安全管理和保护、生态环境红线调整等生态气象保障工作提供科学依据。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

如图1 所示，大雪山保护区（29° 40′～31° 40′N，100°～102°40′E）位于四川省境内，属于川西北水源涵养与生物多样性保护重要区，行政区涉及康定市、泸定县、丹巴县、雅江县、道孚县、炉霍县，总面积1.47万 km2，占生态保护红线总面积的9.90%，占四川省面积的3.02%。大雪山以东属亚热带季风气候带，主要受来自印度洋的西南季风、太平洋的东南季风和西风带的影响，夏季多雨，冬季多雪。大雪山以西属亚寒带季风气候与高原大陆性气候的交揉区，气候温和偏寒，降雨较多，该区多雪峰和高山湖泊。大雪山保护区河流分属大渡河、雅砻江水系，植被类型以亚高山针叶林为主，代表性物种有冷杉、云杉、四川雉鹑、黑颈鹤、白唇鹿、雪豹、金丝猴、牛羚等，是生物多样性保护的重要区域。

图1 大雪山生态保护红线区范围及其位置

2.2 数据来源

本研究所用1990～2019年自动气象站逐日数据来源于四川省气象局，包括气温（℃） 、平均风速（m·s-1） 、日照时数（h）和降水（mm），所有数据均经过质量控制。卫星遥感数据为EOS/MODIS与Landsat卫星产品数据（表1），研究时段为2000～2019年，空间分辨率均为1 km。Landsat卫星产品为绿度指数（Green Vegetation Index，GVI）产品，空间分辨率30 m，为了与MODIS产品空间分辨率保持一致，将其重采样为1 km空间分辨率。高程数据采用ASTER GDEM数据。

表1 本研究所用卫星遥感数据

2.3 研究方法

2.3.1 生态环境状况（RSEI）遥感评价模型的构建

RSEI是近年来专门利用遥感数据来评价生态环境状况的综合生态指数，通过与生态环境质量密切相关的4个重要指标（绿度因子、湿度因子、干度因子和热度因子）进行构建。具体公式如下：

基于遥感数据并参考《生态保护红线划定指南》[22]，选用了绿度指数（GVI）、归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、总初级生产力（Gross Primary Productivity，GPP）、土壤湿度（Temperature Vegetation Dryness Index，TVDI）、地表温度（Land Surface Temperature，LST）和土地利用类型（Land Use and Land Cover Change，LUCC）共6个遥感指数表征式（1）中的4个指标，其中温度植被干旱指数（TVDI）由LST和NDVI计算得到。每个遥感指标的权重通过主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）确定，由于每个遥感指标的单位和数值范围差异很大，在主成分分析之前，需要将6个遥感指标在[0，1]范围内进行归一化处理。RSEI评价模型可表示为：

式（2）中：PCA为主成分分析法，RSEI由RSEI0通过归一化计算得到，取值范围为[0，1]。当RSEI值越接近1，表明生态环境质量越好；当RSEI值接近0时，表明生态环境质量较差。为了更好地分析生态环境质量，依据《生态环境状况评价技术规范》[12]将RSEI分为差（0～0.2）、较差（0.2～0.4）、一般（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）和优秀（0.8～1.0）共 5 个等级，每个等级的增量为0.2。

2.3.2 生物多样性维护功能（BMI）遥感评价模型的构建

生物多样性维护功能对生态功能以及提供生态系统服务（如粮食生产、土壤肥力、授粉和气候调节）至关重要。本研究参考《生态保护红线划定指南》[22]，选取生物多样性指数（Biodiversity Index，BI）、归一化植被指数（NDVI）、植被覆盖度指数（Fractional Vegetation Index，FVI）、植被总初级生产力（GPP）、土地胁迫指数（Land Stress Index，LSI）、高程数据（Digital Elevation Model，DEM）6个因子，利用主成分分析法（PCA）构建大雪山生态保护红线区生物多样性维护功能指数（BMI），其中生物多样性指数（BI）、土地利用土地胁迫指数（LSI）根据土地利用类型（LUCC）计算得到，植被覆盖度指数（FVI）根据NDVI数据利用像元二分法计算得到。最终，BMI评价模型可表示为：

式（3）中：与RSEI类似，所有因子在主成分分析前需进行归一化处理；BMI由BMI0通过归一化计算得到，取值范围为[0，1]。为了更好地分析生物多样性维护功能，采用等间距法对BMI等级进行划分，具体分级与RSEI一致。

3 结果分析

3.1 研究区生态环境状况（RSEI）评价分析

利用PCA方法对2000～2019年共8期的RSEI遥感因子（GVI、NDVI、GPP、TVDI、LST 和LUCC）进行分析，计算出每期各因子对生态环境状况的权重及平均值（表2），并以各因子的平均值作为生态环境状况评价指标的权重，得到表征大雪山生态保护红线区生态环境状况的遥感综合评价指数（RSEI）。具体计算公式如下：

表2 生态环境状况（RSEI）各年指标权重与平均值

利用公式（4）对大雪山生态保护红线区2000 年、2003 年、2006 年、2008 年、2011 年、2014 年、2017 年和2019 年共8期的生态环境状况（RSEI）进行评价，得到大雪山红线区的生态环境状况分级（图2）。如图所示，红线区生态环境状况的区域差异明显，整体上北部优于南部；其中，RSEI为一般及以上等级主要位于红线区北部、中部和西部部分地区，较差和差以下等级主要位于红线区东南部；2000～2019年红线区西部生态环境改善面积大于生态恶化面积，而东南部改善效果不太明显。

图2 2000～2019年研究区 RSEI等级分布（a.2000年，b.2003年，c.2006年，d.2008年，e.2011年，f.2014年，g.2017年，h.2019年）

图3给出了各年份不同RSEI等级的所占面积比例。如图所示，2000～2019年大雪山红线区RSEI等级为良和一般的所占面积比例较大，平均值分别为44.936%和30.627%；其次为优等级，平均值为14.451%；较差和差等级所占的面积比例较小，平均值分别为7.773%和2.212%。从时间变化上看，RSEI等级为优的面积比例呈缓慢增加趋势，良和一般等级所占比例呈缓慢减小趋势，一般及以上等级所占比例呈波动增加趋势，差和较差等级的面积比例呈波动减小趋势。

图3 2000～2019年研究区RSEI各等级面积比例分布

3.2 研究区生物多样性维护功能（BMI）评价分析

利用PCA方法对2000～2019年共8期的BMI遥感因子（BI、NDVI、FVI、GPP、LSI和 DEM）进行分析，计算出每期各因子对生物多样性维护功能的权重及平均值（表3），并以各因子的平均值作为生物多样性维护功能评价指标的权重，得到表征大雪山生态保护红线区生物多样性维护功能（BMI）的遥感评价模型，具体计算公式如下：

表3 生物多样性维护功能（BMI）各年指标权重与平均值

利用公式（5）对大雪山生态保护红线区2000 年、2003 年、2006 年、2008 年、2011 年、2014 年、2017 年和2019 年共8期的生物多样性维护功能（BMI）进行评价，得到2000～2019年大雪山红线区生物多样性维护功能分级（图4）。如图所示，与RSEI等级分布类似，红线区BMI等级在整体上表现为北部优于南部；其中，BMI为一般及以上等级主要位于红线区北部、中部和西部部分地区，较差和差等级主要位于红线区东南部；2000～2019年红线区中部和西部部分地区生物多样性维护功能有所改善，而东南部改善效果不太明显。

图4 同图2，但为 BMI

图5给出了各年份不同BMI等级的所占面积比例。如图所示，2000～2019年大雪山红线区BMI等级为一般和较强的所占面积比例较大，平均值分别为41.654%和26.697%；其次为强等级，平均值为16.516%；较差和差等级所占的面积比例较小，平均值分别为12.113%和3.021%。从时间变化上看，BMI等级为优的面积比例近20 a变化不大，较强和一般等级的面积比例呈现波动增加趋势，差和较差等级的面积比例呈波动减小趋势。由此可见，近年来大雪山红线区生物多样性功能呈缓慢增强趋势，但不同区域改善的效果存在差异。

图5 同图3，但为 BMI

3.3 研究区气候变化特征分析

气候变化是生态系统变化的主要驱动因素，同时生态系统的改变又会进一步对气候变化产生反馈作用[23-26]。大雪山红线区属于川西北水源涵养与生物多样性保护重要区，因此研究大雪山地区气候的时空变化特征，对于该区域的生态环境保护和管理具有重要意义。本节利用1990～2019年大雪山地区6个自动气象站的气象数据，计算不同气象要素（气温、降水、日照、风速）的年平均值及植被生长季（4～9月）平均值，分析大雪山红线区的气候变化特征。

1990～2019 年，大雪山红线区多年平均气温为10.649℃，植被生长季多年平均气温为15.260℃，二者均呈明显的上升趋势（图6）。其中，年平均气温变化速率为0.298℃·(10 a)-1，生长季平均气温变化速率为0.341℃·(10 a)-1。年平均气温和生长季平均气温在1990～2000年波动较大，变化趋势不明显，但在2000～2019年二者均表现出较为明显的上升趋势。

图6 1990～2019年研究区气温变化趋势（a.年平均，b.生长季平均）

1990～2019 年，大雪山红线区多年平均降水量为723.291 mm，植被生长季多年平均降水量为642.498 mm。由此可见大雪山降雨主要集中在生长季，占全年总降水量的90%左右。年均降水量和生长季降水量呈波动变化趋势（图7），其中年均降水量呈弱的增加趋势，上升速率仅为2.705 mm·(10 a)-1，生长季降水量呈不明显的减少趋势，减少速率仅为-5.943 mm·(10 a)-1。1990～2019年大雪山红线区年降水量（＞600 mm）和生长季降水量（＞500 mm）始终维持在较高水平，表明该区域降水量较为充沛。

图7 同图6，但为降水

1990～2019 年，大雪山红线区多年平均日照时数为1912.816 h，植被生长季多年平均日照时数为940.827 h。年均日照时数和生长季日照时数呈波动变化较大（图8），其中年均日照时数呈不明显的增加趋势，上升速率仅为2.778 h·(10 a)-1，生长季日照时数呈不明显的减少趋势，减少速率仅为-0.199 h·(10 a)-1。年日照时数及生长季日照时数在1990～2016年波动较大，变化趋势不明显， 但二者在2016年后均呈现出明显的减少趋势。

图8 同图6，但为日照时数

1990～2019 年，大雪山红线区多年平均风速为1.957 m·s-1，植被生长季多年平均风速为 1.907 m·s-1，二者波动变化幅度较大，均呈不明显的减少趋势（图9）。其中，年平均风速减少速率仅为-0.024 m·s-1·(10 a)-1，生长季平均风速减少速率仅为-0.022 m·s-1·(10 a)-1。年平均风速及生长季平均风速在1990～2000年呈显著的减小趋势，2000～2015年变化幅度不大，2015年后呈明显增加趋势。近年来，植被生长季风速的增大使得植被种子更好地扩散且植被覆盖度增加，有利于红线区的生态恢复。

图9 同图6，但为风速

4 结论与讨论

本文基于卫星产品数据和地面气象观测数据，构建遥感生态指数（RSEI）和生物多样性维护功能指数（BMI），对 2000～2019年大雪山生态红线区的生态环境状况和生物多样性维护功能进行评价，并分析红线区气候变化特征，得到以下主要结论：

（1）大雪山红线区生态环境状况区域差异明显，整体上北部优于南部。2000～2019年红线区生态环境状况呈现出变好趋势，其中红线区中部生态环境改善面积大于生态恶化面积，生态环境状况得到明显改善，而东南部改善效果不太明显。红线区多年平均生态环境状况等级为优的面积比例占14.451%、良占44.936%、一般占30.627%、较差占7.773%、差占2.212%，一般以上等级所占比例达90%。

（2）近年来，大雪山红线区生物多样性维护功能持续改善并始终保持在较高的水平，整体上表现为北部优于南部，其中一般及以上等级主要位于北部、中部和西部部分地区，差和较差等级主要位于东南部地区。从多年平均所占面积比例来看，红线区生物多样性等级为强占16.516%、较强占26.697%、一般占41.654%、较差占12.113%、差占3.021%，一般以上等级所占比例达84.912%。

（3）1990～2019年，大雪山生态红线区增暖显著，降水充足，日照时数略增，风速略微下降。其中，红线区年均气温和生长季平均气温分别为10.649℃和15.260℃，年均降水量和生长季平均降水量分别为723.291 mm和642.498 mm，年均日照时数和生长季平均日照时数分别为1912.816 h和940.827 h，年均风速和生长季平均风速分别为1.957 m·s-1和1.907 m·s-1。暖湿气候条件利于红线区生态的恢复，使生态环境状况和生态功能趋于好转。

此外，除本文讨论的气温、降水、日照和风速4个气象因子外，还有其他气象因子可以间接影响生态环境状况及生态功能，如蒸散、云量、相对湿度、气溶胶浓度等，未来还需进一步深入分析。