1990—2020年阿拉爾墾區生態環境質量動態監測與評價

代云豪, 管 瑤, 劉孟琴, 張欽凱, 賀興宏

(1.塔里木大學 水利與建筑工程學院, 新疆 阿拉爾 843300; 2.西南科技大學 環境與資源學院, 四川 綿陽 621000)

南疆干旱區沙塵天氣較多，年降雨量少，生態環境十分脆弱[1]。生態環境質量的優劣將直接影響干旱區人類生存、生活和生產[2-3]。準確了解干旱區生態環境質量狀況，探究區域發展對生態變化的影響，對保護區域的生態環境，維護新疆社會穩定和實現長治久安，加快絲綢之路經濟帶建設具有重大意義[4]。

遙感技術具有高效性、快速性、實時性監測等優點，多年來被廣泛應用于生態環境質量動態監測[5-10]。早期國外Carlson等[11]、Mozumder等[12]分別利用遙感指數評價城市氣候環境和自然區環境。2006年我國環保總局提出《生態環境狀況評價技術規范》規范生態環境狀況指數(EI)，2013年徐涵秋教授提出遙感生態指數(RSEI)并對福州城市進行生態環境質量評價[13-14]，結果表明RSEI對生態環境質量評價可行性較強。隨后RSEI被眾多學者作為對生態環境質量評價的常用指數，并不再局限于城市生態環境質量監測，張乃明等[15]基于RSEI對新疆干旱區博樂市生態變化分析，結果表明近20 a來博樂市生態環境質量明顯改善；王麗春等[16]基于RSEI并結合自然因素、人類生活因素對新疆瑪納斯湖濕地生態變化進行綜合評價；劉立冰等[17]基于RSEI對自然保護區龍溪—虹口的生態環境狀況進行評估。目前RSEI對生態環境質量評價廣泛應用在城市[18-23]、流域[24-25]、濕地[26]、干旱區等[27-30]研究區域，眾多研究表明RSEI耦合了生態環境質量的重要指標因子，對生態環境質量評價性較高，具有普遍適用性，能對研究區生態環境質量做出實時監測，對研究區生態環境質量保護和生態環境質量治理具有重要意義。

2014年新疆環保廳印發《貫徹落實第二次中央新疆工作座談會精神支持新疆生態環境保護的實施細則》明確“三條紅線”護駕南疆，2021年新疆生產建設兵團提出加強“三線一單”生態環境分區管控，對南疆三地州片區提出加強綠洲邊緣生態保護與修復，統籌推進山水林田湖草沙治理。阿拉爾墾區作為南疆地區重要的農業地之一，緊鄰塔克拉瑪干沙漠，生態環境十分脆弱，是南疆推進綠洲邊緣沙漠治理的重點地區之一。

本研究選取1990—2020年Landsat系列四期影像數據，耦合綠度指標(NDVI)、濕度指標(WI)、干度指標(NDSI)、熱度指標(LST)構建遙感生態指數(RSEI)，分析阿拉爾墾區近30 a來生態環境質量時空格局變化，結合驅動因素分析阿拉爾墾區生態質量變化規律，為阿拉爾墾區生態環境保護和可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

阿拉爾墾區(東經80°30′—81°58′，北緯40°22′—40°57′)位于我國新疆維吾爾自治區南部，是新疆維吾爾自治區直轄縣級市，緊鄰塔克拉瑪干沙漠。阿拉爾墾區總人口40.9萬人，總面積4 197.58 km2[31]，截至2020年末墾區國內生產總值已達332億元。墾區地勢由西北向東南傾斜，屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，年均氣溫10～12 ℃，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發量1 876.6～2 558.9 mm，墾區生產總值主要依靠農業生產，主要農作物以棉花、紅棗、蘋果、香梨為主[31-32]。

1.2 數據來源

數據來源地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，選取1990年8月2日的Landsat 5TM，2000年8月5日和2011年8月1日的Landsat 7ETM+，2020年9月5日的Landsat 8 OLI遙感影像4景。經濟狀況、人口數據等來源于阿拉爾墾區和新疆生產建設兵團統計年鑒。

1.3 方 法

1.3.1 數據處理 原始影像利用ENVI 5.3進行幾何校正、輻射定標、大氣校正等預處理工作。其中Landsat 7機載掃描行校正器在2003年5月發生故障，導致影像出現數據條帶丟失，故2011年影像數據利用ENVI 5.3中的Landsat_gapfill插件去條帶再預處理。

1.3.2 生態指數因子

(1) 綠度指標。NDVI(歸一化植被指數)，常作為植物生長狀況監測與生態環境應用等[13]，NDVI負值表示地面覆蓋為云、水、雪等；0表示有巖石或裸土等；NDVI正值表示有植被覆蓋。計算公式為：

(1)

(2) 濕度指標。WET。通過遙感纓帽變換獲取濕度指標，該指標與生態密切相關，可反映水體和植物、土壤的濕度情況[13,16]。計算公式為：

WET=C1·ρblue+C2·ρgreen+C3·ρred+

C4·ρnir+C5·ρswir1+C6·ρswir2

(2)

(3) 干度指標。NDSI(干度指數)由IBI(建筑指數)和SI(裸土指數)構建[13]。計算公式為：

(3)

(4)

NDSI=(IBI+SI)/2

(5)

式中：ρblue，ρgreen，ρred，ρnir，ρswir1，ρswir2分別為藍光波段、綠光波段、紅光波段、近紅外波段、短紅外波段1和短紅外波段2反射率。Landsat TM/ETM+中C1=0.031 5,C2=0.202,C3=0.310 2,C4=0.159 4,C5=-0.680 6,C6=-0.610 9； Landsat OLI中C1=0.151 1,C2=0.197 2,C3=0.0.328 3,C4=0.340 7,C5=-0.711 7,C6=-0.455 9。

(4) 熱度指標。LST(地表溫度)，本研究中Landsat TM/ETM+將灰度值(DN)轉換成相應的熱輻射強度，然后根據熱輻射強度推算相應的地表亮度溫度值[30]。Landsat OLI采用大氣校正法反演LST[33]。計算公式分別為：

Landsat TM/ETM+：

Lλ=Lmin(λ)+〔Lmax(λ)-Lmin(λ)〕Qdn/(Qmax-Qmin)，

T=K2/ln[K1/Lλ+1]， LST=T-273.15

(6)

式中：Lλ為傳感器所接收到的輻射強度；Qdn為像元灰度值；Qmax為最大DN值；Qmin為最小DN值；Lmax(λ)為接收到最大輻射強度；Lmin(λ)為接收到最小輻射強度；T為黑體在熱紅外波段的輻射亮度,式中各參數可分別從Landsat TM/ETM+影響數據頭文件中讀??； Landsat TM中K1=60.776 MW/(cm2·sr·μm)，K2=1 260.56K。Landsat ETM+中K1=66.609 3 MW/(cm2·sr·μm)，K2=1 282.710 8K。

Landsat OLI：

Lλ=〔εB(LST)+(1-ε)L↑〕τ+L↓，

B(LST)=〔Lλ-L↓-τ(1-ε)L↑〕/τε，

LST=K2/ln〔K1/B(LST)+1〕

(7)

式中：Lλ為熱紅外輻射亮度值；ε代表地表比輻射率；L↑為大氣向上輻射亮度；L↓為大氣向下輻射亮度；B(LST)是黑體熱輻射亮度； LST則是地表真實溫度(K)；τ指大氣在熱紅外波段的透過率；K1=774.89 MW/(cm2·sr·μm)，K2= 1 321.08K。

1.3.3 遙感生態指數 考慮水體對濕度指標的影響，阿拉爾墾區內多浪水庫、勝利水庫、上游水庫及塔里木河水域面積較大，故將其研究區水域掩膜處理，不再考慮水體面積變化[21]?？紤]到4個指標的量綱不統一，將綠度指標、濕度指標、干度指標、熱度指標歸一化處理后耦合進行主成分分析，獲取PC1做減法運算得到初始RSEI0。RSEI0歸一化處理后數值介于0～1，當遙感生態指數值越高，則表明生態環境質量越好。

(8)

RSEI=f(NDVI,WET,NDSI,LST)

(9)

RSEI0=1-{PC1〔f(NDVI,

WET,NDSI,LST)〕}

(10)

RSEI=(RSEI0-RSEImin)/

(RSEImax-RSEImin)

(11)

式中：Xi為各指標歸一化后值；X為各個指標；Xmin，Xmax分別代表各指標的最小值和最大值；f(NDVI,WET,NDSI,LST)為4個指標合成； PC1〔f(NDVI,WET,NDSI,LST)〕表示第一主成分； RSEI0為遙感生態指數初始值； RSEImin表示遙感生態初始值中的最小值； RSEImax表示遙感生態初始值中的最大值。

2 結果與分析

2.1 遙感生態指數主成分分析

遙感生態指數進行主成分分析(表1)，由分析結果可知，1990—2020年PC1，PC2，PC3，PC4貢獻率依次降低，1990—2020年PC1的特征值貢獻率分別為91.53%，89.41%，91.17%和84.00%，平均89.03%。由此可見PC1涵蓋了超過85%的4類指標信息，表明PC1適用于構建遙感生態指數且可對阿拉爾墾區生態環境質量進行評價。

2.2 阿拉爾墾區生態環境質量變化分析

2.2.1 遙感生態指數均值 ENVI 5.3中統計1990—2020年4期遙感生態指數均值(表2)，1990—2000年RSEI均值上升了0.027，增長幅度較小。2000—2011年RSEI均值上升趨勢明顯，2000—2011年RESI均值從0.371增加到0.468，上升了0.105，增長率為22.06%。2011—2020年RSEI均值降低了0.008，略有下降。1990—2020年期間，RSEI均值呈現“上升→上升→下降”過程，整體表現為增長狀態，增長率達到26.49%，但RSEI均值均低于0.5，生態環境質量有待繼續保持和提升。由此，近30 a阿拉爾墾區生態環境質量變化可從1990—2011年和2011—2020年2個階段分析。

2.2.2 生態環境質量空間分布 為了直觀反映阿拉爾墾區生態環境質量變化，將RSEI劃分為差(0～0.2)、較差(0.2～0.4)、中(0.4～0.6)、良(0.6～0.8)和優(0.8～1)5個等級[13]，繪制1990—2020年阿拉爾墾區生態環境質量等級分布圖(圖1)，統計1990—2020年各年份阿拉爾墾區生態環境質量等級面積(表3)。結合奧維地圖和實地考察，阿拉爾墾區生態環境質量等級中差等級主要為沙漠區域，較差等級主要為重度鹽堿地，中等級主要為稀疏草地和城市居民地，良等級主要是水域附近和部分耕地，優等級主要為林地、耕地。1990年阿拉爾墾區生態環境質量以差等級和較差等級為主，差、較差等級面積所占比例達到近65%，墾區生態環境質量中等級以上區域均勻分布在塔里木河兩岸；2000年生態環境質量分布變化不大，但優等級面積增加193.5 km2，較1990年上升4.96%；2011年阿拉爾墾區的RSEI均值上升，差、較差等級面積較2000年分別下降14.35%和4.89%，中等級以上面積大幅度增加，中優良等級增幅分別達6.85%和5.65%，墾區西北部地區分布變化最為明顯，表明生態環境質量得到較大改善；2020年較2011年良等級面積增加6.29%，優等級面積下降5.34%。1990—2011年，阿拉爾墾區生態質量分布發生明顯變化，中等級以上面積占比超過58%；2011—2020年中等級以上面積超過56%。以2011年為分界點，1990—2020年阿拉爾墾區生態環境質量中，差等級變化為“升—降—降”，較差等級為“降—降—升”，中等級為“降—升—降”，良等級為“升—升—升”，優等級為“升—升—降”，良等級面積增幅12.91%，增加面積499.03 km2，優等級面積增幅6.54%，增加面積253.39 km2。綜上所述，阿拉爾墾區近30 a生態環境質量整體得到改善，生態保護和發展取得較好成績。

2.2.3 生態環境質量時空變化 對阿拉爾墾區1990，2011和2020年RSEI指數進行差值變化檢測[16]，得到圖2和表4。

圖2 阿拉爾墾區生態環境質量變化

由圖2和表4可以得出，1990—2011年期間，阿拉爾墾區生態環境質量變好區域分布廣泛，生態環境質量變差區域較小，變差區域主要位于墾區中部地區和西北地區。2011—2020年期間，阿拉爾墾區生態環境質量變化以變差為主，主要集中在墾區中部區域，生態環境質量變好區域則主要位于墾區北部、東南和東北地區。總體分析，1990—2020年期間，阿拉爾墾區生態環境質量變優主要在墾區的北部、南部、東北和東南地區，生態環境質量變差主要集中在墾區中部和西北地區。生態環境質量變化中3類面積比例從大到小依次為：變好、不變、變差，由此分析得到，墾區生態環境質量改善面積達1 756.36 km2，占總面積45.92%，墾區生態環境質量不變面積達1 534.09 km2，占總面積的40.10%，墾區生態環境質量變差面積達534.69 km2，占總面積的13.98%。生態環境質量變好面積比變差面積多出近3倍，由此可知，近30 a來阿拉爾墾區生態環境質量總體得到提升，區域生態環境得到有效改善。

表4 阿拉爾墾區1990-2000年生態環境質量變化面積統計

2.3 驅動因素分析

2.3.1 社會經濟因素 遙感生態指數能較好反映阿拉爾墾區生態環境質量，但生態環境質量變化影響受多因素影響。查閱阿拉爾墾區和新疆生產建設兵團統計年鑒[32]，由歷年人口、經濟變化可知(見圖3)，墾區人口數量在2 000年前總體增長趨勢較大，但在2000—2011年總體增長趨勢也開始放緩，2011—2020年人口數量總體增長趨勢變大。1990—2011年阿拉爾墾區GDP總體趨勢為緩慢增長，2011—2020年阿拉爾墾區GDP總體增長趨勢較大。由交通因素可知，2005年后阿拉爾墾區開始修建公路，截至2012年建成“阿塔”“玉阿”“夏攔”“阿圖”“阿和”“阿沙”公路等，極大改善墾區交通，帶動經濟快速發展，同時GDP增長帶動經濟發展方式轉變，墾區由農業化轉向工業化城鎮發展，進一步推進兵團“三化”建設，對生態環境質量產生一定影響。

2.3.2 自然因素 為研究氣候、降水等自然條件對阿拉爾墾區生態環境質量影響。查詢農業農村部規劃設計研究院設施農業研究所溫室數據共享平臺(http:∥data.sheshiyuanyi.com/)獲取阿拉爾墾區近30 a氣候數據，分析年均氣溫和年降水量可知(見圖4)，年均氣溫波動范圍在10～12 ℃之間，年降水量波動范圍在20～100 mm左右，近30 a來阿拉爾墾區年均氣溫、年降水量處于一個區間波動?？傮w變化趨勢表現為，1990—2011年，阿拉爾墾區年平氣溫降低，年降水量增長；2011—2020年，阿拉爾墾區年均氣溫上漲，年降水量降低。綜上所述，年均氣溫相對穩定和降雨量增多對阿拉爾墾區生態環境質量起積極作用，年均氣溫波動大和降雨量減少對阿拉爾墾區生態環境質量產生一定影響。結合遙感生態指數均值變化分析，1990—2011年阿拉爾墾區遙感生態指數均值均為上升趨勢，2011—2020年阿拉爾墾區遙感生態指數均值略有下降。由上述分析得知，生態環境質量受自然因素和人為因素影響，阿拉爾墾區自然因素對生態環境質量影響較小，社會經濟因素對生態環境質量影響較大，社會經濟因素中GDP又是生態環境質量變化的主要驅動因素。

圖3 阿拉爾墾區1990-2020年人口與GDP變化趨勢

圖4 阿拉爾墾區1990-2020年氣溫和降水變化趨勢

3 討 論

(1) 生態環境質量變化趨勢。宋奇等[34]對阿拉爾墾區近30植被覆蓋情況做出研究，表明墾區30 a植被覆蓋度面積增加。通過遙感生態指數RSEI分析，阿拉爾墾區30 a來生態環境質量總體變好，根據奧維地圖顯示，改善區域主要為林地、草地和開墾荒地等。墾區30 a來治沙防沙，不斷開墾荒地和植樹造林，一定程度改善了墾區生態環境質量。未來，可加大對墾區東北地區和東南地區生態保護力度，進一步提升區域生態環境質量。

(2) 驅動因素。通過對自然因素和社會經濟因素分析，近30 a來阿拉爾墾區生態環境受自然因素和社會經濟共同影響，自然因素中年均氣溫、年降水量始終保持在一個區間范圍波動，對墾區生態環境質量影響較小；社會經濟因素人口變化和GDP變化較為明顯，對墾區生態環境質量影響較大，與王麗春等[16]分析驅動因素對生態環境質量影響結果基本一致。社會經濟增長在一定時期下對阿拉爾墾區生態環境質量產生一定影響，阿拉爾墾區后續經濟發展要注重協調生態環境保護。

(3) 模型選取。研究選取常用4類指標NDVI，WET，NDSI，LST構建遙感生態指數RSEI對阿拉爾墾區生態環境質量進行評價，較單一指標反映研究區生態環境質量更具有說服性。遙感技術近年來在生態領域研究日益增多，眾多學者考慮研究區地形、氣候條件不一致，在RSEI基礎上引入新指標構建新的遙感生態指數，如RSEDI[23]、ARSI等[28]對其研究區域生態環境質量評價也可行。今后，對阿拉爾墾區生態環境質量監測中，可添加新的指標如PM 2.5等，以5類信息構建新的遙感生態指數，進行充分對比，選取最優遙感生態指數對研究區生態環境質量作出最優評價。

4 結 論

(1) 構建遙感生態指數(RSEI)在一定程度上可以快速、有效地反映1990—2020年阿拉爾墾區生態環境質量變化，能為阿拉爾墾區經濟社會發展與生態環境保護提供一定參考。

(2) 通過對阿拉爾墾區四期影像處理，耦合綠度指標、濕度指標、干度指標、熱度指標構建遙感生態指數(RSEI)，1990，2000，2011和2020年RSEI均值分別為0.344，0.371，0.476和0.468，表明阿拉爾墾區近30 a來整體生態環境質量得到有效改善。

(3) 根據遙感生態環境質量動態監測可知，1990—2011年阿拉爾墾區生態環境質量提升，2011—2020年阿拉爾墾區生態環境質量略有下降，1990—2020年期間，阿拉爾墾區的整體生態環境質量改善區域面積不斷擴大，明顯改善區域分布在西部、北部、西北和東南地區。

(4) 生態環境質量變化一定程度上受氣候、經濟、人口等驅動因素影響，阿拉爾墾區生態環境質量需考慮多方面因素。結合阿拉爾墾區氣象數據和新疆生產建設兵團統計年鑒可知，自然因素和社會經濟因素對阿拉爾生態環境質量變化有一定影響，其中社會經濟因素對生態環境質量變化起主導作用。

阿拉爾墾區屬于干旱區，生態環境脆弱，如何在生態環境保護和經濟社會發展中找到平衡點，實現區域經濟社會發展和生態環境改善“共贏”是阿拉爾墾區可持續發展的重點?；谶b感生態指數(RSEI)實現阿拉爾墾區生態環境質量動態監測和評價，可為墾區今后的社會經濟發展、生態環境保護提供重要參考和依據。