基于遙感生態指數的廣東石門臺國家級自然保護區生態環境質量評價

黎 毅，戴克元，唐國平，杜建會，陳 桃，江 南，牛香豫，余揚波

（1.廣東省粵北巖溶區碳水耦合野外科學觀測研究站//中山大學地理科學與規劃學院，廣州 511400；2.石門臺國家級自然保護區管理局，廣東 清遠 511500）

隨著人類活動的不斷擴展與加劇，自然生態環境受到極大的影響。全球氣候變化、森林砍伐、水土流失、生物滅絕等問題，已成為全球性的挑戰，生態環境保護愈加重要。自然保護區作為生態環境保護的重要一環，將典型的自然生態系統集中保護，為各種珍稀瀕危野生動植物提供適宜的生態環境（祝萍 等，2018），具有重要的生態學價值。因此，評估自然保護區的生態環境質量，探究不同保護區級別生態環境質量的變化及其驅動力，不僅可揭示自然保護區內生態環境的特征和演變規律，也可指導未來的生態環境保護工作，提高保護區生態環境質量。

生態環境質量指生態環境的優劣程度，即在特定時間和空間范圍內，從生態系統層次上反映生態環境對人類生存、社會經濟持續發展的適宜程度（中國環境監測總站，2004）。遙感生態指數（Remote Sensing Ecological Index, RSEI）綜合了綠度、濕度、干度、熱度4個人類直觀感受生態狀況優劣的指標，可快速地定量評價區域的生態環境質量，揭示其時空變化規律，受到廣泛關注（徐涵秋，2013）。如Liu等（2022）基于遙感生態指數分析了2000—2020年窟野河流域的生態環境質量，發現生態環境優良區主要分布在流域東段，流域南段部分區域呈惡化趨勢。李婷婷等（2021a）采用遙感生態指數對賀蘭山山地生態系統研究發現，賀蘭山生態環境質量呈波動上升趨勢，荒漠和草原區是生態環境改善的主要區域。楊繪婷等（2020）運用遙感生態指數分析武夷山國家級自然保護區生態環境質量時發現，生態變差區域集中于山頂和道路兩側，人類活動和地形因素對生態環境質量影響較大。相關研究表明遙感生態指數可以很好地開展不同地區生態環境質量評價。

廣東石門臺國家級自然保護區位于粵北地區，具有南亞熱帶季風常綠闊葉林向中亞熱帶典型常綠闊葉林過渡的特征。該保護區是國家重點保護的珍稀動植物（如蟒Python bivittatus、金雕Aquila chrysaetos、普陀樟Cinnamomum japonicum等）的棲息地，也是許多新物種（如石門臺白絲草Chamaelirium shimentaiense、擬日本蛇菰Balanophora parajaponica等）的原生地。該保護區作為珠江最大支流北江的水源地，是粵港澳大灣區粵北生態屏障的重要組成部分。目前，對石門臺自然保護區的研究多集中在動植物多樣性（Zeng et al., 2021; Wang et al.,2022）、群落結構（林苗芳 等，2019；陳泓宇 等，2022）、種群特征（張琪 等，2020）等方面，然而，該保護區自建立至升級為國家級自然保護區，其生態環境質量如何變化尚不清楚。因此，有必要評估石門臺自然保護區自成立以來的生態環境質量動態變化及驅動因素，為未來科學管理和保護提供依據。

由于廣東石門臺自然保護區內地勢起伏較大，而地形對于徑流的分布和積蓄有著重要的影響，同時改變氣溫、降水等物質和能量的分配，進而影響植被的生長和分布（Qiong et al., 2010）。氣候變化會直接影響不同動植物的豐度，改變生態資源的分布，對生態環境產生重要影響（Hoffmann et al.,2019）。保護區內土壤主要為赤紅壤、山地紅壤和山地草甸土，由于水熱條件豐富，赤紅壤在成土過程中有機質積累多，土壤質地和化學性質影響著植物生長、水分保持、養分循環等（Weigel et al.,2019；李婷婷 等，2021b）。人類活動可能導致土地開發、污染、生態破壞等。因此，本文基于1997—2021年遙感影像數據，應用遙感生態指數評估廣東石門臺自然保護區隨著保護級別的提高，生態環境質量的時空變化特征及其規律，并以保護區邊界向外5 km建立緩沖帶，對比保護區內外生態環境質量變化情況，同時選取地形、土壤、氣候、人類活動等因素，分析影響該區生態環境質量的主要驅動因素，以期為生態環境保護工作提供參考。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

石門臺自然保護區位于廣東省清遠市北部，屬中亞熱帶與南亞熱帶過渡區（24°28′42″—24°28′43″ N、113°14′15″—113°14′17″ E）。據英德氣象站數據，保護區內氣候為典型的亞熱帶季風氣候，光照充足，溫暖濕潤，雨量充沛，海拔高度46～1 570 m，年均溫19～22 ℃，年均降水量1 500～1 800 mm。保護區植被以天然常綠闊葉林為主，地形具有山地、丘陵和平原等多樣性地貌，其中以山地面積最大，土壤主要為赤紅壤、山地紅壤和山地草甸土（張金泉，2017）。20世紀90年代石門臺地區居民大量砍伐闊葉林，嚴重影響了當地森林的生態平衡，因此政府于1998年成立縣級自然保護區，旨在保護生態系統的完整性和生物多樣性，同年升為省級自然保護區，2012 年成為國家級自然保護區。石門臺自然保護區按照生態功能劃分為核心區、功能區和實驗區（圖1）。

圖1 研究區位置Fig.1 The location of the study area

1.2 數據來源及預處理

本文選用的遙感數據均來自Google Earth Engine的公開數據集①https://earthengine.google.com（表1）。其中，Landsat 5/7/8地表反射率數據由GEE收集和處理，已完成大氣校正等預處理操作，可直接使用，同時利用CFMASK算法對影像進行去云處理。首先，計算每個月的歸一 化 植 被 指 數（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI），繼而選取NDVI 值最高的月份及其前后各2 個月作為該年遙感影像采集的時間（Zheng et al., 2022），獲取研究區內每一點在采集時期的RSEI 中值，代表該年的生態環境質量（其中1998、2004、2012、2020年受云層影像較大，存在大量空值，故剔除）。同時，考慮到水體對RSEI評價結果影響較大，借助全球水體數據集將保護區內的水體排除。

表1 遙感數據所對應數據集Table 1 Dataset corresponding to remote sensing data

驅動因子數據包括土壤酸堿度、有機碳質量分數和黏土質量分數數據、人口分布數據（簡稱為“人口分布數”）、數字高程模型數據、坡度數據、坡向數據、氣候數據。其中，氣候數據包括2021年氣溫與降水空間插值數據集，源于國家地球系統科學數據中心②http://loess.geodata.cn；人口分布數據來自全球人口分布數據集，用于代表保護區中居民活動的影響；坡度與坡向數據由數字高程模型計算得到，氣候數據、土壤數據和人口分布數據統一重采樣至30 m。這些數據主要用于分析保護區生態環境質量的空間差異及影響因素。此外，使用1997—2021年的年平均氣象站數據（降水、氣溫）分析氣候對石門臺自然保護區生態環境質量年際變化的響應。氣象站數據從國家氣象科學數據中心③https://data.cma.cn/獲取，依據研究區的地理位置選取英德站作為氣象站數據來源。

1.3 遙感生態指數

生態環境質量與自然生態環境的綠度、濕度、干度、熱度等密切相關，這4個指標可直接反映生態環境質量的優劣。綠度指標選取NDVI（Huete et al., 2002）度量，NDVI是評價植被生長狀況的重要指標，也是反映植物營養狀況的關鍵參數；濕度（WET）是表征土壤與地表植被濕度狀況，是評價自然保護區生態環境質量的重要指標，選用纓帽變換（Crist, 1985）提取地表濕度；干度指標（NDBSI）選取建筑指數（IBI）（Xu, 2008）和裸土指數（SI）（Asner, 2009）的平均值反映建筑用地面積和地表裸露造成的干化情況；熱度指標（Land Surface Temperature, LST）用地表溫度度量，可通過Landsat影像中的紅外波段反演獲得（Nichol, 2005;Yu et al., 2014）。

為消除不同指標量綱差異所帶來的影響，對4個指標進行歸一化處理，公式（賈俊平，2009）為：

式中：X為各指標歸一化后的值；x為各指標待歸一化前的值；xmin為該指標的最小值；xmax為該指標的最大值。對歸一化后的新指標進行主成分分析，選擇包含4個指標主要特征的主成分（PC），然后用1減去PC 作為初始生態指數RSEI0（Xu, 2013），公式為：

得到初始RSEI0后，通過方程1 對RSEI0進行歸一化處理，進而得到RSEI。同時，為了定量分析石門臺自然保護區的生態環境質量，參考已有分類標準（Xu, 2013），將RSEI按照 [0, 0.2）、[0.2, 0.4）、[0.4, 0.6）、[0.6, 0.8）、[0.8, 1] 分為5個等級：較差、一般、中等、良好、優秀。

1.4 相關性分析

Spearman 相關系數（R）表示變量之間的相關性。對年際變化上生態環境評價指標中的RSEI、氣候因子中的降水和氣溫進行相關性分析，以探究生態環境質量對氣候的響應。公式（賈俊平 等，2009）為：

式中：Rx，y為相關系數；n為觀測次數；xi為自變量；yi為因變量，xˉ、yˉ分別為自變量、因變量的平均值。

1.5 隨機森林

隨機森林是一種由決策樹組成、對樣本數據進行學習訓練并實現預測的集成算法（Liaw and Wiener, 2002）。該算法采用Bagging思想，從總體樣本中隨機選取部分樣本進行訓練，利用選取的樣本數據建立決策樹，通過多棵決策樹進行投票獲取算術平均值，得票最多的作為回歸的最終結果。隨機森林可以克服過度擬合問題，在降低噪聲方面更加穩定，被廣泛應用于生態環境評價、水文模擬、遙感反演等研究（Chen et al., 2021）。

按照空間位置對應關系，將2021年遙感生態指數、高程、坡度、坡向、人口分布數、土壤酸堿度、黏土質量分數、有機碳質量分數、氣溫、降水等數據隨機分為2組，其中70%的數據用于模型訓練，30%用于模型檢驗，經多重共線性檢驗，不存在多重共線性問題。此外，采用Spearman相關系數（R）、均方根誤差（RMSE）對模型精度進行評價。同時，將評估隨機森林模型中影響因素的重要性并繪制偏依賴圖，以分析各影響因素的重要程度和對RSEI的響應，探究各影響因素對生態環境質量變化的作用機制。重要性指在模型預測過程中，各特征變量的貢獻率大小，貢獻率越大，特征變量重要程度越高，其總和為1。偏依賴圖是在弱化其他特征變量的情況下，可反映一個特征變量與模型預測函數的依賴關系，是對隨機森林模型結果的有效解釋（Guidotti et al., 2019）。本研究隨機森林相關分析均在Python+Anaconda 3平臺上完成。

2 結果與討論

2.1 生態環境質量的時空變化

研究時段內，石門臺自然保護區遙感生態指數在波動中上升，平均每年提升0.005，明顯大于保護區外部（0.003），表明保護區的建立對于提升生態環境質量有重要作用，但研究時段保護區生態環境質量也有波動（圖2）。1997—2003年，生態環境質量明顯提升，從0.637 上升至0.747；而2003—2011 年波動較為明顯，生態環境質量呈下降－上升－下降的趨勢；自2012年石門臺省級自然保護區升為國家級自然保護區以后，生態環境質量穩步提升至較高水平，并處于相對穩定狀態。到2021年，自然保護區遙感生態指數達到0.788。

圖2 1997—2021年石門臺自然保護區遙感生態指數變化Fig.2 Change of remote sensing ecological index in Shimentai Nature Reserve from 1997 to 2021

自1998年成立自然保護區以來，石門臺自然保護區生態環境質量為“優秀”的區域面積顯著增加，生態環境質量得到顯著改善（表2）。到2021年，保護區93.33%的地區生態環境質量為“優秀”或“良好”。生態環境質量為“優秀”的面積從1997 年的5.01 km2上升至2011 年的52.21 km2，再增加到2021 年 的228.75 km2。而 在1997—2011 年，生態環境質量為“中等”的面積減少75.95 km2，說明這類生態環境質量區是該時期石門臺省級自然保護區的重點保護區域；而在2011—2021 年，生態環境質量為“良好”“中等”和“一般”的面積都有不同程度的減少，這3類生態環境質量總面積從2011 年的360.33 km2下降至2021年的182.76 km2。因為這3類生態環境質量區是石門臺國家級自然保護區自成立以來的重點保護區域，生態環境保護措施使得生態環境質量為“優秀”的區域不斷增加。

表2 石門臺自然保護區各項等級面積和比例Table 2 Area and percent changes of each class in Shimentai Nature Reserve

為進一步分析石門臺自然保護區生態環境質量的時空變化，分別計算了1997、2011、2021年的生態環境質量等級差值，并按“降低2個等級及以上”“降低1 個等級”“等級不變”“提升1 個等級”“提升2個等級及以上”分為“明顯變差”“輕微變差”“基本不變”“輕微變好”“明顯變好”5個等級（圖3）。從時間上看，1997—2021年，保護區生態環境質量變好的區域占比高達64.5%，生態環境質量明顯提升，不同時期保護區的生態環境質量變化存在明顯差異。1997—2011年，石門臺省級自然保護區有32.1%的面積生態環境質量變好，61.9%基本不變，6.0%變差。生態環境質量變差的面積明顯小于變好的，說明該時期石門臺省級自然保護區生態環境質量得到顯著提升。2011—2021年，石門臺自然保護區生態環境質量變化較為明顯，生態環境質量基本不變的區域占保護區的35.4%，變差的占11.4%，變好的占53.2%。同1997—2011 年相比，生態環境質量變差的面積有一定的增加，但變好的面積依舊遠大于變差的。從空間上看，核心區東部、緩沖區和實驗區東部與中部生態環境質量變好，實驗區西部和核心區西北角處生態環境質量波動較大。實驗區為整個保護區的最外圍區域，受人類活動干擾影響大，其西部有大小型水庫等建設工程，給生態環境質量帶來不利影響，而核心區生態環境質量變差的區域主要位于海拔高的山頂，高海拔的氣候條件相對惡劣，不利于植被的生長，生態較為脆弱。

從功能區看，各功能區生態環境質量變化顯著，均有較顯著的提升（表3）。1997—2021年，核心區有54.39%的區域生態環境質量變好，7.95%區域變差；緩沖區有73.42%區域生態環境質量變好，2.50% 的區域變差；實驗區有70.34%的區域生態環境質量變好，2.59%的區域變差。其中，2011—2021 年核心區有19.83%的區域變差，主要分布在山頂高海拔地區，該區域水土保持能力較差，植被的生長受到限制?？傮w上，緩沖區的生態環境質量提升最明顯，實驗區次之，最后為核心區。上述變化趨勢與石門臺自然保護區植樹護林等生態保護措施密切相關。

表3 石門臺自然保護區各功能區各等級面積百分比變化Table 3 Percentage change in area of each functional zone in Shimentai Nature Reserve %

2.2 隨機森林模型精度及重要性分析

基于隨機森林模型，綜合高程、坡向、坡度、人口分布數、土壤酸堿度、黏土質量分數、有機碳質量分數、氣溫、降水等因子，從空間上對RSEI進行回歸分析（圖4）?；貧w模型預測值與實際值的相關系數為0.89，均方根誤差為0.086，擬合效果較好，所選特征變量對目標變量的解釋程度高（圖4-a）。通過重要性分析發現，高程對RSEI的影響程度最大，其次為降水、氣溫、土壤有機碳質量分數、土壤黏土質量分數和人口分布數，而坡度對生態環境質量的影響最小?？傮w上，地形因子影響最大，氣候因子次之，土壤因子和人口分布數影響相對較?。▓D4-b）。

圖4 隨機森林模型精度（a）及特征重要性（b）Fig.4 Accuracy of random forest model(a) and the importance of features(b)

基于隨機森林算法探究石門臺自然保護區3個功能區生態環境質量的影響因素重要性（圖5）。在實驗區，高程是影響生態環境質量的最主要因素，其次為土壤有機碳質量分數與人口分布數，坡度最??；而在緩沖區，土壤酸堿度與高程的影響最大，降水和氣溫次之，坡度的影響相對較??；在核心區，高程和氣候因素是影響生態環境質量的主要因素，居民活動的影響最低。從影響因素變化看，氣溫和降水的重要性程度由外向內（即實驗區－緩沖區－核心區）逐漸升高，而人口分布數由外向內逐漸降低。這也與各分區的功能相一致，核心區禁止單位和個人進入，緩沖區只準進入從事科學研究觀測活動，實驗區可以進入從事科學實驗、教學實習、參觀考察等活動。實驗區海拔東部低，西部高，低海拔地區道路、房屋等建設工程多、人類活動頻繁，高海拔地區人類活動相對較弱，植被從低海拔的農田、草地變為中海拔的天然闊葉林、經濟竹林等，高海拔以高山草甸為主，不同海拔間生態環境質量差異顯著。相比核心區與實驗區，緩沖區地形起伏較小，但其土壤酸堿度的分布差異顯著，東部主要為中性土壤，而中、西部以弱酸性和酸性為主，土壤因素為該區生態環境質量的主要驅動力。

圖5 實驗區、緩沖區、核心區生態環境質量影響因素重要性Fig.5 Importance of factors affecting ecological environment quality in experimental areas, buffer areas and core areas

2.3 影響因素分析

2.3.1 地形因素 石門臺自然保護區生態環境復雜多樣，不同海拔處生態環境差異明顯。由RSEI 對高程的響應變化（圖6-a）可以發現，當高程低于340 m時，RSEI隨著高程的增加而升高；當高程超過340 m時，RSEI隨著高程的增加而降低，具有顯著的負相關性。由RSEI與高程的關系（圖7-a）可以發現，300～600 m 海拔區生態環境最好；300 m以下的低海拔區域和900 m 以上的高海拔區生態環境質量相對較差。當海拔處于46～300 m時，人類活動頻繁是造成生態環境質量相對較差的主要原因，但隨著海拔的升高，人類活動逐漸減少，生態環境質量逐步提升；當海拔位于300～600 m 時，人為因素干擾較小，RSEI 變化于0.85～0.95，生態環境質量最好，主要植被類型為常綠闊葉林，且覆蓋度高。土壤類型為山地紅壤，質地疏松濕潤，土壤肥沃（張琪 等，2018）。當海拔超過900 m 時，RSEI隨著高程的升高明顯降低，其值主要在0～0.7，低于RSEI 平均值。經實地考察，發現在高海拔生態環境質量較差區域主要位于高山頂部。山頂區域太陽輻射較強，風速大，溫度低，雨水侵蝕強，土壤養分流失大，地表多為裸露坡地或灌草叢（張金泉，2017），因此，RSEI值較低?？傮w上，高海拔裸土或灌草叢區與低海拔人類活動強度大的區域應是未來重點保護和治理的區域。

圖6 影響因素對RSEI的偏依賴Fig.6 Partial dependence of factors on RSEI

圖7 RSEI隨地形因素分布情況Fig.7 Distribution of RSEI with topographic factors

坡向不同，氣溫和降水也差異顯著，生物量的分布也不同，生態環境質量也受到影響。當坡向位于0～180°（即北坡－東北坡－東坡－東南坡－南坡）時，RSEI隨著坡向的增大而提升，在180°處達到最大；當坡向位于180～360°（即南坡－西南坡－西坡－西北坡－北坡）時，RSEI隨著坡向的增大而降低（圖6-b）。石門臺國家級自然保護區位于北回歸線北緣，按朝向可將坡向分為陰坡（0～45°、315°～360°）、半陰坡（45°～135°）、陽坡（135°～225°）、半陽坡（225°～315°）。生態環境質量優劣按坡向排序為：陽坡＞半陽坡＞半陰坡＞陰坡，即RSEI高值區域主要分布在陽坡和半陽坡（圖7-b）。石門臺自然保護區內植被類型以天然常綠闊葉林為主（陳泓宇 等，2022），常綠闊葉林全年均為生長季，雨熱同期時生長最為茂盛。相對于陰坡，陽坡光照時間更長，熱量更加充足，蒸散發更大，更適宜常綠闊葉林的生長，因此生態環境質量更好。

相比高程和坡向，坡度對RSEI 的影響相對較小。當坡度＜15°時，RSEI 值隨著坡度的增加而增大；當坡度超過15°時，RSEI隨著坡度的增加而降低（圖6-c）。石門臺自然保護區生態環境質量在不同坡度下差異較為顯著，坡度15°～35°區域生態環境質量最好（圖7-c）。RSEI＜0.5 的區域，坡度在0～15°，人類活動較為頻繁，保護區內修建的公路大部分位于該區域，公路的兩側區域多為人工建設用地（張金泉，2017）。受人類活動影響較大，因而生態環境質量相對較差。此外，由于石門臺自然保護區地形以山地為主，絕大部分區域坡度都在0～45°。當坡度≥45°時，山體較為陡峭，土壤的穩定性與滲透能力較差，水土流失相對強，植被一旦遭到破壞則難以恢復，因此該區域生態環境相對脆弱，RSEI均值相對較低。

2.3.2 土壤因素 土壤提供植被生長所需的營養物質和水分，在一定程度上影響生態環境質量。石門臺自然保護區土壤酸堿度（圖6-d）主要為4.5～6.5，當土壤酸堿度＜5.3 時，土壤逐漸由強酸性變為酸性，RSEI隨土壤酸堿度升高而上升；當土壤酸堿度

＞5.3 時，土壤逐漸由酸性變為中性，RSEI 隨土壤酸堿度升高而降低。由于強酸性土壤吸收的養分生物有效性低、微生物的活性較弱，導致土壤肥力較低，不利于植物的生長（魏興琥 等，2021）。而酸性土壤多分布在高溫多雨、濕熱同季的地區，生物物質循環迅速，比中性土壤更適宜常綠闊葉林的生長。土壤有機碳質量分數（圖6-e）與RSEI的分布總體呈先上升后下降趨勢，當土壤有機碳質量分數≥4.1%時，RSEI隨土壤有機碳質量分數的升高而降低。適宜的土壤有機碳可以提高土壤肥力、水分保持能力和生態系統穩定性，但土壤有機碳質量分數過高會導致高量土壤有機質礦化，從而引起土壤中礦質養分流失、肥力降低，影響土壤中微生物的生存以及植被的生長（張維理 等，2020）。土壤黏土質量分數（圖6-f）與RSEI的分布呈上升－下降的趨勢，當土壤黏土質量分數處于22%～32%時，RSEI隨土壤黏土質量分數的提高而上升，該區間范圍內土壤黏土質量分數愈高，肥力也愈高，更能滿足植被生長的需要。當土壤黏土質量分數＞32%時，RSEI隨土壤黏土質量分數的升高而顯著下降，這是由于土壤黏土質量分數過高容易排水不暢，導致下雨時地表易積水、滯水，高溫時易結板干裂，因而影響生態環境質量（吳?；?等，2021）?？傮w上，當土壤酸堿度為5.3、有機碳質量分數為4.1%、黏土質量分數為32%時，最有利于植被的生長，RSEI最高，生態環境質量最好。

2.3.3 氣候因素 從空間上看，石門臺自然保護區RSEI與氣溫和降水都呈正相關趨勢，保護區地形以山地為主，氣溫很大程度上受海拔影響，隨海拔的升高而降低，海拔超過900 m 區域生態環境質量較差，300～600 m 海拔地區生態環境質量較好（圖7-a），RSEI整體隨氣溫的升高而提升（圖6-h）；從時間上看，石門臺自然保護區RSEI 與降水的區域相關性以正相關為主，其中23.6%的區域通過顯著性檢驗（P＜0.05）。RSEI 與降水呈現正相關區域面積占比90.7%，遠高于負相關區域。同時，RSEI對降水的響應有顯著的區域性特征，區域整體相關性由核心區向實驗區逐漸減弱，其變化趨勢與人類活動一致。在禁止人類活動的核心區，92.9%的區域為正相關，其中，中、高度相關區域占比72.5%，而在人類活動相對頻繁的實驗區，中、高度相關區域占比下降為62.9%，實驗區西部與東部外圍還存在部分區域RSEI與降水呈負相關（圖8-a）?？傮w上，降水對RSEI 有正向促進作用，充足的降水有助于維持植物的水分平衡，為植物的生長提供必要的養分，有利于植被恢復與生態環境改善。石門臺自然保護區RSEI 與氣溫的區域相關性呈現正、負相關性交錯分布（圖8-b），其中6.4%的區域通過顯著性檢驗（P＜0.05）。RSEI 與氣溫呈現正、負相關區域面積占比分別為64.1%和35.9%，其中，中、高度負相關區域主要分布在高海拔的山脊區域，由于該區域基本處于假林線分布區域，風大坡陡、土壤貯水性和地貌穩定較差、部分區域巖石裸露，限制了森林的生長，因此生態系統相對脆弱，隨著溫度的升高，生態環境質量進一步惡化（張琪 等，2018）。在局部年份（2002—2006 年），保護區生態環境質量呈先下降后上升的趨勢，其變化趨勢與降水量一致，降水量從2002 年的2 113.1 mm 下降至1 426.7 mm，在2006 年突增至1 961.2 mm，降水的大幅度變化對生態環境質量產生較大影響。

圖8 RSEI與降水的相關性（a）以及RSEI與氣溫的相關性（b）Fig.8 Correlation graph between RSEI and precipitation (a),Correlation graph between RSEI and temperature(b)

2.3.4 人類活動 從偏依賴分析結果看，居民活動對生態環境質量產生負面影響，生態環境質量隨著人口分布數的增加而降低（圖6-i）。早期石門臺地區居民大量砍伐闊葉林用于制煉鋼鐵，導致大面積的原始森林被破壞，生態環境受到嚴重的負面影響。自1998年石門臺自然保護區成立以來，封山育林、嚴禁砍伐等生態保護措施的實施使得該地區植被得到一定恢復，生態環境質量為“優秀”區域面積顯著提升，這得益于政府對保護區內毛竹林和土壤貧瘠區的改造，通過實施人工造林等生態保護措施（張金泉，2017），有效地提高了保護區植被的覆蓋度與生態環境質量。而在2006—2010 年，生態環境質量有一定程度的下降（見圖2），其原因可能與此期間實驗區西部水利工程的大量興建有關。自2006 年，石門臺自然保護區的實驗區開始修建大小型水庫與水電站，這對生態環境產生一定破壞。隨著2012年石門臺自然保護區升級為國家級自然保護區，相應的保護政策和力度明顯提升，保護站對出入保護區進行嚴格管控，在主要道路上設置嚴格關卡禁止無關人員進入，拆除了保護區內的違規建筑，對拆除區域進行生態修復，同時加大了退化土地及貧瘠區域的改造力度，大面積的裸土區域的植被生長情況得到改善，并且貫徹落實林長制，按時開展以森林資源管護和森林防火為重點的巡林工作，對保護區森林的主要蟲害（如線蟲）進行控制、治理與防治，設立森林紅外監測系統，以及時發現問題。此外，保護區采取一系列植樹造林、退耕還林、森林撫育、鼓勵居民遷出措施，降低人類活動對自然保護區的壓力，推動保護區森林生態系統的良性發展，這些都有助于生態環境質量的提升。

3 結論

本文基于Google Earth Engine，應用遙感生態指數對1997—2021年廣東石門臺國家級自然保護區的生態環境質量進行評價，并基于隨機森林模型對影響生態環境質量的因子進行探討。結果表明：

1）1997—2021 年，廣東省石門臺自然保護區生態環境質量總體呈動態上升趨勢。其中生態環境質量為“優秀”和“良好”的面積占比從1997年的74.5%上升到2021年的93.33%，生態環境質量顯著改善。隨著石門臺自然保護區從省級升級至國家級，政府實施了人工造林、森林撫育、動態監測等保護措施，各功能區生態環境質量變好面積明顯提升，生態環境質量更加穩定。

2）地形因素中，高程是影響自然保護區生態環境質量的主要因素。生態環境質量在海拔高度上以340 m 為分界點，呈現先上升后下降的趨勢；在坡向上以南坡為轉折點，按照順時針方向由北坡到南坡逐漸變好，再由南坡到北坡逐漸變差；在坡度上以15°為分界點，先短暫升高，后持續下降。氣候因素中，生態環境質量對降水的響應最為顯著，尤其在人類活動少的區域，降水對生態環境質量有明顯的促進作用。在人類活動因素中，居民活動以及建筑、建設工程等對生態環境質量產生負面影響，而植樹造林、退耕還林等生態保護措施產生積極影響。

3）自然保護區生態環境質量在空間上差異顯著。生態環境質量惡化的區域主要集中在核心區的高海拔地區和實驗區人類活動頻繁區域，緩沖區與核心區低海拔地區生態環境質量較好并且相對穩定。因此，高海拔的生態脆弱區和村莊等人類活動強度大的區域應是未來保護的重點。

本研究以遙感影像數據為基礎，運用遙感生態指數評價了廣東省石門臺國家級自然保護區1997—2021年的生態環境質量并分析其主要驅動因素，可為該區域生態保護提供參考，但仍存在以下不足之處：1）所使用遙感數據為Landsat 5/7/8數據，數據質量與連續性有待提高，未來可考慮使用多源遙感數據融合或無人機監測等方法增強數據的連續性；2）受限于數據的可獲取性，未能結合野外實測數據進行分析，僅通過野外考察驗證生態環境質量評價結果，未來應更多地結合實測數據或調查數據，以提高評價結果的準確性。