新疆那拉提山地草原風景區生態環境質量評價?

酒江濤 董嬋嬋 母俊景 穆洪洲 景一敏 阿麗亞·拜都熱拉

新疆農業大學林學與風景園林學院 烏魯木齊 830052

隨著西部大開發和“一帶一路”等國家重大戰略決策的出臺,新疆旅游業發展迎來了新機遇。那拉提旅游風景區作為新疆重要的草原型風景區之一,其可持續發展對于新疆旅游業具有重大意義。然而,以經濟發展為先導的風景區開發思路使那拉提旅游風景區的生態環境遭受到了嚴峻的挑戰。準確地評價草原型風景區的生態環境質量,有利于采取有效的管理措施實現風景區的可持續發展,將“綠水青山”轉化為“金山銀山”。

以往研究多以單一因子為變量對生態環境質量進行評價,難以反映風景區整體的環境質量及影響因素,如何對區域尺度內的多個因子進行綜合性評價是目前風景區管理者需要解決的重要問題[1]。近年來,遙感生態指數(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)[2－3]被廣泛應用于自然環境生態質量綜合評價中,如,Xu等[4]應用RSEI模型對福建省自然環境生態質量的空間變遷開展了深入研究；王士遠等[5]利用RSEI模型對長白山自然保護區的生態環境質量進行了綜合評價。但草原型風景區多以植被為主,RSEI模型對風景區植被的分析有限,而植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)則是描述植被質量的重要參數,能夠反映地表植被覆蓋和區域生態環境狀況[6]。將FVC和RSEI綜合運用于草原型風景區生態環境質量評價可以較好地反映風景區生態環境質量的變化情況[7]。因此,本研究采用FVC和RSEI對那拉提旅游風景區的生態質量進行評估,為旅游風景區生態環境質量的評估和科學開發提供理論基礎。

1 研究區概況

那拉提旅游風景區位于新疆新源縣,總規劃面積960 km2。為消除農田等單一生態因子對風景區生態質量分析的影響,本研究去除了風景區西北角茵加爾村等以農田為主的區域,選取重點發展區域為研究對象,面積754 km2(圖1)。那拉提旅游風景區屬大陸性半干旱氣候,平均海拔1 800 m,年平均氣溫在20℃左右。

圖1 研究區地理位置及其高程

2 研究方法

2.1 數據來源與預處理

本研究選用的遙感影像數據為2007年8月10日的Landsat5TM衛星影像,以及2014年8月22日和2019年8月29日的Landsat8OLI衛星影像(圖2),影像來源為美國地質勘探局官方網站http://glovis.usgs.gov/。3個時期均為植物的生長季,因而結果具有可比性[8]。

圖2 那拉提旅游風景區遙感影像及道路、河灘分布圖

首先,利用ENVI 5.3軟件對3個時期的遙感影像進行輻射定標和FLAASH大氣校正；然后,使用二次多項式(Polynomial)和圖像處理中的三次卷積插值(Cubic Convolution)方法對影像進行配準,將均方根誤差控制在0.5個像元之內；最后,使用風景區的矢量邊界對處理后的影像進行裁剪,得到那拉提旅游風景區的影像數據。

2.2 遙感生態指數構建

2.2.1 分量指標的選取

用歸一化植被指數(NDVI)、濕度指數(WET)、干度指數(NDSI)和地表溫度(LST)分別表示綠度、濕度、干度和熱度4個指標以衡量生態環境質量。采用RSEI提出者徐涵秋[2]的方法計算NDVI、WET和NDSI,采用Valor等[9－10]提出的方法計算LST,公式如式(1)至式(9):

式 (1) 至 式 (9) 中:ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為對應于各影像的藍波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1波段和短波紅外2波段的反射率；gain和offset為波段的增益和偏置；K1和K2為定標參數；λ為波段的中心波長；ε為地表輻射率,根據植被指數混合模型[9,11－12],當NDVI≤0,被看作是水體,ε＝0.995,當00.72時,被看作是純植被像元,ε＝0.985,當0.1

式(10)、式(11)中:Pv為植被覆蓋度；dε為地形幾何形狀,對于粗糙表面,dε可取均值0.015。

2.2.2 主成分分析

主成分分析[2,14]結果中RSEI值越大則表示生態環境越好[15]。RSEI并不適宜評價水域面積較大的區域,通過對水域面積的提取和計算,那拉提旅游風景區的水域面積所占比例小于1%,所以本研究不需要對水體進行掩膜處理[13]。對那拉提旅游風景區RSEI結果進行量化分析,將RSEI的值以0.2為間隔分為5個等級[2－3],從低值到高值分別對應的環境質量為差、較差、中、良、優[16]。

2.3 植被覆蓋度構建

基于那拉提旅游風景區3期遙感影像的特征,選取累積概率為99%、5%的NDVI值作為2007、2019年的NDVImax和NDVImin,選取累積概率為90%、10%的NDVI值作為2014年的NDVImax和NDVImin,使用像元二分模型[17－18]對那拉提旅游風景區FVC進行計算,并劃分等級。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋度變化特征

那拉提旅游風景區的FVC在2007—2019年先升后降。風景區的FVC均值從2007年的53.74%上升到2014年的63.90%,增幅為10.16%,標準差從28.37%降至22.40%,說明風景區在2007—2014年的FVC增加明顯,差異性減小,FVC向高值區集中；風景區的FVC均值從2014年到2019年降至50.35%,降幅為13.55%,標準差從22.40%增至30.87%,說明風景區在2014—2019年的FVC明顯下降,差異性增大,FVC向低值區集中。相較于2007年,2019年的FVC均值降幅為3.39%,標準差增幅為2.40%,說明2007—2019年的FVC總體呈輕微下降趨勢,差異性有輕微增大(表1)。

表1 2007—2019年各級植被覆蓋度

對比3期植被覆蓋度分級結果(圖3)可知:低和較低覆蓋度區基本分布在北部河灘、道路及南部高海拔區域,且面積很小；較高和高覆蓋度區幾乎覆蓋整個風景區,占總面積的95%以上。相較于2007年,2014年的低和較低覆蓋度區明顯縮小,但中西部區域的高覆蓋度區明顯向較高覆蓋度轉移；相較于2014年,2019年的高覆蓋度區域大量夾雜著較高覆蓋度,北部河灘和道路區域及南部高海拔區域的植被覆蓋度有明顯降低趨勢。

圖3 2007—2019年植被覆蓋度分級圖

3.2 生態環境質量變化特征

那拉提旅游風景區2007、2014和2019年RSEI的主成分分析結果(表2)表明,3個時期PC1的貢獻率分別為96.88%、95.28%和97.35%,因此可以使用PC1代表4個分量指標和RSEI值。4個指標在3個時期中PC1荷載符號基本相同,說明3個時期風景區的生態條件與PC1呈正比,因此,PC1值越大代表生態條件越好。

表2 主成分分析結果

從表3可知,那拉提旅游風景區2007、2014和2019年的RSEI分別為0.834 6、0.890 3和0.908 2,其中,2007—2014增長了6.67%,2014—2019年增長了2.01%,表明風景區生態質量整體轉好。3個時期分量指標中,NDVI和WET為RSEI中最大積極影響分量,NDVI和WET的均值與荷載值先降后升,與FVC變化趨于一致,表明NDVI和WET與FVC正相關；2007年LST的荷載值為負值,其他年份為正值,說明2007年的溫度對RSEI有負作用；NDSI均值微弱上升,2007至2019年增加了7.25%,NDSI荷載值則大幅下降,說明NDSI對RSEI的作用逐漸降低。

表3 2007—2019年遙感生態指數變化

遙感生態指數分級結果如圖4所示。由于風景區生態質量以優、良等級為主,故在研究生態等級變化時將低等級的1~3級合并(表4)。2007—2014年大面積RSEI為優的區域轉為良,2014—2019年大面積RSEI為良的區域轉為優(圖4)。2007—2019年RSEI為優和良之間的變化幅度較大,RSEI為優的區域,2007—2014年減少了40.64%,2014—2019年增加了40.46%；RSEI為良的區域,2007—2014年和2014—2019年的變化幅度分別為39.93%和－38.73%,與RSEI為優的區域的變化幅度互補；RSEI為差、較差和中的區域(0~0.6)變化幅度較小。整體來說,2007—2019年那拉提旅游風景區RSEI為優、良的區域呈微弱增長趨勢,增長了1.02%(表4)。

圖4 2007—2019年遙感生態指數分級圖

表4 2007—2019年生態等級變化

對比3期RSEI結果(圖4),3期的低RSEI區與FVC趨于一致,分布在北部河灘、道路及南部高海拔地區,面積較小。相較于2007年,2014中西部RSEI為優的區域明顯向RSEI為良的區域轉移,2019年中西部RSEI為良的區域又轉為優；相較于2007年,2019年RSEI為良的區域破碎化更為嚴重。

3.3 FVC和RSEI的時空差異和相關性

為了更好地了解風景區生態質量的時空變化,對相鄰時期的FVC和RSEI分別進行差值分析,并將結果劃分為顯著變差區、輕微變差區、基本不變區、輕微變好區和顯著變好區5個等級(圖5、表5)。

表5 那拉提旅游風景區植被覆蓋度和遙感生態指數空間變化統計

圖5 2007—2019年植被覆蓋度和遙感生態指數空間變化特征

在2007—2014年,FVC退化區主要分布在西北部草場區域和北部道路沿線,穩定不變區主要分布在中部,改善區則主要分布于東部和南部；2014—2019年,原西北部退化區域轉為輕微改善區和顯著改善區,東部和南部區域則出現輕微退化。整體來說,穩定不變區面積穩中有增,改善區面積有所減少,退化區輕微增加(圖5a、圖5b)。

在2007—2014年,RSEI退化區和FVC退化區基本相符,都分布于西北部,但RSEI退化區占比更大；在2014—2019年,整個風景區有著較大的改善,西北部顯著退化區和輕微退化區基本轉變為輕微改善區和顯著改善區,東南部則主要為穩定不變區(圖5c)。

從表5可知:植被覆蓋度退化區在2014—2019年面積占比為32.34%,與2007—2014年的28.6%相比,增加了3.74%；2007—2019年植被覆蓋度穩定不變區面積增加了11.07%；改善區在2007—2014年的面積占比為22.67%,與2007—2014年的37.49%相比,減少了14.82%。遙感生態指數退化區在2014—2019年的面積占比為2.53%,與2007—2014年的51.3%相比,減少了48.77%；2007—2019年遙感生態指數穩定不變區增加了1.55%；2014—2019年改善區面積占比為53.35%,與2007—2014年的6.12相比,增加了47.23%。

通過對FVC和RSEI進行相關性分析,得出3期的相關系數分別為0.89、0.88和0.91,其均值為0.89,說明那拉提旅游風景區的FVC與RSEI有較好的相關性,FVC的變化對RSEI有著較大影響,這與前文中綠度為RSEI主要正向影響分量的結論相符。FVC和RSEI在空間上也具有較強的相關性,FVC值的減小或增大的區域,RSEI值也相應的減小或增大,反之亦然。

3.4 植被覆蓋度和生態環境質量的影響因素

1)高程。結合數字高程模型(DEM)數據,將那拉提旅游風景區分為6個高程區,分別統計3個時期每個高程區的FVC和RSEI均值及其在垂直高程上的變化。結果(圖6)表明,隨著高程升高,3期的FVC和RSEI都先升后降,由此可見,高程是影響風景區FVC和RSEI的重要因素之一,海拔在1 277~1 700 m時對FVC和RSEI有利,1 700~2 900 m時FVC和RSEI出現不同程度的波動,超過2 900 m后FVC和RSEI急劇下降。

圖6 植被覆蓋度和遙感生態指數隨高程變化趨勢

2)坡向。對那拉提旅游風景區坡向進行分區統計3個時期每個坡向分區內FVC和RSEI的均值。結果(圖7)表明,FVC和RSEI在2007年時受坡向影響較小,分布較為均勻；2014年時,平面、東南、南、西南方向減小較為明顯,RSEI整體變??；2019年時這幾個方向略有恢復,其他方向變化較小。

圖7 植被覆蓋度和遙感生態指數隨坡向變化趨勢

3)地形起伏度。將那拉提旅游風景區的DEM數據進行地形起伏度運算并分區統計3個時期每個分區FVC和RSEI的均值,結果表明,FVC和RSEI的均值呈現先增后降趨勢,在起伏度為50—100 m時FVC和RSEI的均值均為最優,之后小幅度下降。

4)降雨。通過獲取巴音布魯克氣象站(51542號)2006—2019年的全年降雨數據(2006降雨數可影響2007年的FVC和RSEI),分別計算2007年、2014年和2019年月平均降雨量和2007—2019年的年均降雨量。結果(圖8a)表明,3期月均降雨量均值分別為23.81 mm、18.93 mm和32.87 mm,與2007年相比,2014年月均降雨量均值有所減少,2019明顯提升；2014年7—8月降雨量出現大幅度下降,造成8月份植物長勢衰退較早,這也造成當年WET荷載值上升,影響了RSEI。年均降雨量2006—2007年、2013—2014年都有所下降,2014年處于低谷期,2014—2019年穩中有升,2019年為最高值(圖8b)。由此可見,降雨量的變化對FVC和RSEI的影響較為明顯,前一年的降雨量對次年的FVC和RSEI也有一定影響。

圖8 降雨量變化趨勢

5)人文。那拉提旅游旅游風景區于2011年被評為國家5A級名勝風景區。通過2007—2019年風景區的年均客流量統計分析可知:2007—2014年風景區年均游客量穩中有增,2014—2019年快速增長,2019年風景區年游客總量破百萬。風景區7—8月為旅游旺季,日平均接待量超過萬人,日最高接待量超過2萬人,而風景區理論最大游客容量在1.4萬人左右[19－20]?？梢?客流量過大給風景區生態環境帶來巨大壓力。對3期遙感影像分類提取的道路和建筑用地進行多環緩沖區劃分[15－16],并分析3個時期不同緩沖區內FVC和RSEI的均值。結果表明,距離道路和建筑5 m以內時FVC和RSEI值最低,隨著距離的增加,FVC和RSEI值逐漸增大,生態環境越好。那拉提旅游風景區內還存在違法占用草場開墾耕地和私自放牧現象,2016—2018年那拉提旅游風景區管委會處置違法占用草場開墾耕地面積3.47 hm2,現均已恢復為草場,而且放牧總數也維持在理論載畜量以下。這也是2019年那拉提旅游風景區生態環境質量明顯提升的原因之一。

4 結論與建議

4.1 結論

1)那拉提旅游風景區RSEI和FVC有著較強的相關性,其空間分布和變化趨勢有較強的一致性,FVC和RSEI的結合能夠較好反映2007—2019年研究區生態質量及其空間變化特點。風景區總體生態質量呈現先降后升趨勢,2007—2019年風景區RSEI為優、良的區域呈微弱增長趨勢。在分量指標中,NDVI和WET對RSEI影響較大,NDSI和LST對RSEI影響較小。

2)影響植被和生態因素有多種類型。降雨量通過影響植物生長,進而影響NDVI值,是影響風景區生態環境最重要的因素之一；風景區的開發保護策略間接影響植物的生長,對道路和建筑周邊的環境質量影響較大。在垂直分布上,風景區西北部海拔較低區域的FVC和RSEI變化幅度較大,東南部海拔較高區域變化幅度較??；坡向對平面、東南、南、西南方向的FVC和RSEI有輕微影響,其他方向影響不大；地形起伏度對FVC和RSEI均值的影響呈現先增后降趨勢。

4.2 建議

1)科學規劃、穩步開發。在風景區規劃與開發的過程中,嚴格落實“兩山論”的科學內涵,有序、有效地開發利用風景區自然資源,注重保護生態環境,在獲得經濟效益的同時,保障生態效益,使人與自然和諧共生；盡可能使用透水路面,減少硬質水泥路面的使用,注重道路和建筑等人流密集環境周邊的植物養護,同時在道路和建筑周邊環境較差區域設置植被恢復區,確保周邊生態環境快速恢復；在海拔超過2 900 m區域設置為限制開發區,以保護較為脆弱的生態環境。

2)強化管理、統籌全局。風景區應控制峰值游客數量,防止超過風景區游客容量,合理劃定游覽路線,減少植被恢復區客流量；在降雨量較少的年份,利用遙感分析當年風景區生態質量,設立短期恢復區和可開發利用區域,劃定放牧區域和限定放牧強度,使天然草原休養生息,保持草原生態平衡,促進旅游業、畜牧業的健康協調持續發展。

致謝:感謝那拉提旅游風景區管理委員會對本文的支持。