氣候變暖背景下柴達木盆地生態環境質量遙感監測

李倩琳, 沙占江,2,3,4,*

氣候變暖背景下柴達木盆地生態環境質量遙感監測

李倩琳1, 沙占江1,2,3,4,*

1. 青海師范大學, 地理科學學院, 西寧 810008 2. 青海省自然地理與環境過程重點實驗室, 西寧 810008 3. 青藏高原地表過程與生態保育教育部重點實驗室, 西寧 810008 4. 高原科學與可持續發展研究院, 西寧 810016

柴達木盆地為典型的高寒荒漠區, 生態環境脆弱, 快速全面地了解其在氣候變暖背景下生態環境質量變化具有重要意義。以2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI遙感影像為數據源, 提取綠度、濕度、干度、熱度和鹽度作為評價指標, 在主成分分析法的基礎上, 提出了柴達木盆地生態環境質量評價方法, 并對其時空變化規律進行了探討。結果表明: (1)柴達木盆地生態環境質量整體較為脆弱, 區域差異明顯, 呈東南優西北差的分布格局, 自東南向西北環狀遞減; (2)2000—2020年間, 柴達木盆地生態質量總體呈現改善的趨勢, 遙感生態指數均值由2000年的0.330上升到2020年的0.383; (3)生態環境質量改善、退化的區域占比分別為23.97%和5.81%, 改善的地區主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地, 退化的地區主要分布在盆地南側的昆侖山, 以及盆地內部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區, 盆地內部的沙漠戈壁和鹽堿地變化不明顯。

生態環境質量; 遙感生態指數; 主成分分析; 柴達木盆地

0 前言

生態環境質量評價是一項系統性的研究工作, 是資源開發利用、制定經濟社會可持續發展規劃和生態環境保護對策的重要依據[1-2]。位于青藏高原東北部的柴達木盆地為典型的高原荒漠生態系統, 其植被類型以荒漠植被為主, 人類活動較少, 生態環境脆弱, 是青藏高原氣候變化敏感和顯著的地區[3]。隨著全球氣候變暖和冰川融雪的發生, 該地區整體呈現暖濕化的趨勢, 其生態環境可能發生較大變化, 因此有必要對其生態環境質量進行及時準確的監測和評價。

目前許多學者已通過不同方法和角度對這一地區的生態環境因子開展了一些研究, 如張旺雄等[4]對柴達木盆地1961—2017年的干濕狀況及其影響因子進行了研究分析, 結果表明受降水量和氣溫的影響, 柴達木盆地具有整體變濕的趨勢, 且東部地區變濕趨勢大于西部。張斯琦等[5]對柴達木盆地2000—2015年的植被覆蓋度進行了研究, 結果表明柴達木盆地的植被覆蓋度自東南向西北內陸呈半環狀遞減的趨勢, 平均植被覆蓋度約為10%。另一項研究中, Jin等[6]表示柴達木盆地的蒸散發整體呈現增長的趨勢, 并指出由于盆地東部植被覆蓋度較高且降水量大, 導致其實際蒸散發要大于盆地西部地區。Li等[7]基于Landsat時間序列影像對柴達木盆地近40年的湖泊面積變化進行了監測, 結果顯示1977—2015年盆地內的湖泊面積共增加了29.8%, 同時其研究表明受氣候變暖影響柴達木盆地的冰川面積減少了259.16 km2, 但降水量增加仍是湖泊面積增長的主要因素。就現有研究來看, 前人對該盆地的生態環境研究主要集中于單一的生態指標, 無法對復雜的生態環境進行綜合評價, 而多個生態因子可以更為全面準確地評價區域生態環境質量[8]。

關于生態環境質量評價方法, 聯合國“經濟合作開發署”與“環境規劃署”提出了“壓力—狀態—響應”(PSR)概念模型[9], 用于評價人類活動對生態環境的影響程度, 是較為成熟的多指標評價體系, 但數據多涉及社會經濟等人文方面, 在人類活動較少的地區難以準確開展生態環境質量評價。而國內多以環保部提出的生態環境指數(Ecological index, EI)作為評價標準[10], 該指數包括生物豐度、植被覆蓋、水網密度、環境質量和土地退化5個指標, 但其各指標的權重自發布以來就一直存在爭議[11]。同時其結果僅為一個數值, 只能整體說明一個地區的生態狀況, 無法描述不同生態環境狀況的空間分布情況[12]。基于此徐涵秋等[12]提出了生態遙感指數(Remote sensing ecology index, RSEI),它完全基于遙感信息, 耦合了綠度、濕度、干度和熱度４個指標, 可實現對區域生態環境的快速監測與評價。RSEI采用了一種基于協方差的主成分分析法來發現每個相關指標的重要性, 避免了由于個體特征而導致的權重定義的誤差, 同時該方法能夠形成“面”上的評價數據, 有助于進行空間和時間上的變化檢測, 因此該指數得到了較為廣泛的認可和應用[13-15]。但RSEI的提出主要適用于城市地區, 而柴達木盆地多為自然生態系統, 城市環境較少, 盆地內鹽沼、鹽湖和荒漠廣布, 擁有大小鹽湖28個, 地表鹵水面積約1000 km2, “干鹽湖”及“干鹽灘”總面積約10 000 km2, 同時受鹽塵暴影響, 盆地內鹽漬化現象嚴重[16]。因此本文在RSEI的基礎上增加了鹽度(SI)指標, 強調區域環境特征對整體生態環境質量的影響, 結合綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)和熱度(LST)共五個指標, 對柴達木盆地生態環境進行評價。這一改進既延續了RSEI基于遙感信息的可獲取性, 同時能夠更好地反映柴達木盆地內的自然荒漠景觀。

1 研究區概況與數據源

1.1 研究區概況

柴達木盆地位于青藏高原北緣(34°50—39°20′ N, 88°50′—99°17′ E), 海拔為2650—6628 m, 為典型的高原內陸型盆地, 四面環山, 西北為阿爾金山, 東北為祁連山, 東部為鄂拉山, 南部為昆侖山, 從盆地邊緣至中心分布有高山、戈壁荒漠、風蝕殘丘、沙漠、平原、鹽殼、鹽湖等地貌類型[17]。柴達木盆地屬于大陸性荒漠氣候, 盆地年平均氣溫在3.5 ℃左右, 氣溫變化強烈, 年降水量自東南部高山區的200 mm遞減到西北部荒漠區的15 mm, 盆地內日照充足, 蒸發強烈, 年均蒸發量約為1500 mm, 年均相對濕度為30%—40%, 風力強盛, 西部甚至可出現40 m/s的強風, 風力侵蝕強烈。

1.2 數據源及預處理

論文采用的遙感影像數據為2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI 影像, 由美國地質調查局提供(https://earthexplorer.usgs.gov), 影像空間分辨率為30 m, 均選擇當年7—9月質量較好、季相接近的數據, 植被具有相近的生長狀態, 以保證研究結果的可比性。采用ENVI5.3軟件對遙感影像數據進行預處理, 主要包括輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌和裁剪等工作。

2 研究方法

2.1 評價指標計算

(1)綠度(NDVI)

采用歸一化植被指數計算綠度指標。計算公式如下:

式中:ρ與ρ分別代表近紅外波段與可見光紅波段的反射率。

(2) 濕度(WET)

采用遙感纓帽變換的濕度分量作為濕度指標, 可反映水體、地表土壤和植被的濕度狀況?；赥M影像和OLI影像的濕度的計算公式[18-19]如下:

式中:ρ表示相應波段的反射率。

(3) 干度(NDSI)

研究區內有大面積的荒漠區, 而大面積的裸露土地是整個盆地的重要的生態弊病, 因此選則裸土指數(SI)[20]來表達研究區的裸露狀態, 其計算公式如下:

式中:ρ表示相應波段的反射率。

(4) 熱度(LST)

用地表溫度(LST)來表示, 其公式為:

式中: T為傳感器溫度值; λ為熱紅外波段的中心波長,為波段反射率, ε為地表比輻射率。

(5) 鹽度(SI)

盆地內干鹽湖及干鹽灘分布眾多, 土壤鹽漬化現象嚴重, 選用鹽度(salinity index, SI)[21]進行表征, 其計算公式如下:

式中,ρρ分別為的藍光波段與紅光波段的反射率。

2.2 評價模型構建

根據徐涵秋等[12]提出的RSEI計算方法, 將上述5個指標進行歸一化處理并掩膜掉水體信息后, 使用主成分分析得到第1主成分PCA1。為了使遙感生態指數與生態環境狀況成正比, 此處用1減去PCA1來獲得初始生態指數(RSEI0), 再對結果進行標準化處理獲得遙感生態指數(。

式中,為所求的遙感生態指數, 它反映了區域的生態狀況, 其值越大表示生態質量越好, 反之越差;RSEI和RSEI分別代表RSEI的最小值和最大值。

3 結果與分析

3.1 遙感生態指數評價模型檢驗分析

從表１中可以看出, 就平均相關度(MC)來說, 在綠度、濕度、干度、鹽度和熱度5個指標中, 干度指標的平均相關度值最高, 3期平均值達到0.716, 濕度指標的平均相關度最低, 值為0.505, 符合柴達木盆地氣候干旱的特點。而3期的RSEI與各指標的平均相關度均大于0.760, 其平均相關度達0.787, 比5個指標的平均值(0.638)高23.4%, 相比單指標中值最高的荒漠化指標高出9.9%, 比單指標中值最低的濕度指標高出55.8%。由于單指標的受控因素比較單一, 而生態系統是多個因子的耦合結果, RSEI是在綜合了不同環境指標的影響下所得, 與各指標間的相關度比其他單指標更高, 因此可以更為全面的反映柴達木盆地的生態環境質量狀況。

表1 柴達木盆地各指標與RSEI的相關系數矩陣

3.2 生態環境評價指標變化特征

表2為柴達木盆地各年份生態評價指標和RSEI的均值變化情況, 其空間分布情況如圖1所示。從表2中可以看出, 2000—2020年間3期RSEI均值分別為0.330、0.371、0.383, 呈逐漸上升趨勢, 變化幅度分別為12.4%和3.2%, 說明2000—2010年柴達木盆地生態環境質量有較大幅度的改善, 2010—2020年保持良性發展。對生態指數起正面影響的綠度和濕度指標呈上升的趨勢, 均值分別從2000年的0.246、0.318上升到2020年的0.320、0.361, 增幅分別為30.1%和13.5%, 這是由于柴達木盆植被覆蓋和降水量增加所導致的; 對生態指數起負面影響的干度、鹽度和熱度指數有所下降, 均值由2000年的0.735、0.681、0.630下降到2020年的0.721、0.661、0.587, 減幅為1.90%、2.9%、6.8%, 表明該盆地荒漠化地區的地表裸露程度有所降低, 而地表溫度隨著綠地和湖泊面積的擴大呈下降趨勢。

表2 柴達木盆地各年份5個指標和遙感生態指數均值變化

3.3 柴達木生態環境質量總體評價

通過上述5個指標計算出RSEI,為了方便指標的度量, 將歸一化后的RSEI以0.2為間隔劃分5個等級, 分別對應差、較差、中、良和優(圖2), 得到3期生態環境質量等級空間分布, 并對各等級的面積和所占比例進行統計(表3), 以此來分析盆地生態環境質量的時空演變。表3顯示, 柴達木盆地各年份1/2以上的地區生態環境質量處于差和較差的水平, 表明柴達木盆地生態環境質量整體較差, RSEI中等以下等級所占比例之在各年份分別為82.9%、76.5%、74.3%, 呈逐漸下降趨, 良以上等級所占比例在各年份為別為17.1%、23.5%、25.7%, 呈逐漸上升趨, 說明柴達木盆地生態環境質量呈現逐年變好的趨勢。

從空間分布上看, 柴達木盆地生態環境質量整體較為脆弱, 且區域差異明顯, 呈現東南優西北差的分布格局, 由東南向西北環狀遞減, 盆地內部以鹽堿地、沙漠和戈壁為主, 氣候干燥, 植被稀少, 生態環境質量差, 盆地南部和東北部的山地植被覆蓋度較高, 生態環境質量較好, 盆地中部沖洪擊扇前緣的綠洲具有良好的水源, 生態環境優于盆地內的其他區域。但就整體上來看, 生態環境質量以差為主, 生態較差和中等的區域次之, 生態等級為優良的區域較少。

3.4 柴達木盆地生態環境質量時空變化

為了分析柴達木盆地近20年生態環境質量的時空差異變化, 基于RSEI指數對柴達木盆地2000年、2010年和2020年生態指數進行比較, 從生態質量變好、不變、退化三個層面進行劃分, 得到表4和圖3。2000—2010年間柴達木盆地生態環境質量變好的區域面積為63031.85 km2, 占總面積的26.4%, 生態環境質量變差區域的面積為15331.72 km2, 占總面積的6.42%, 生態環境變好的地區主要分布在盆地周圍高山地區, 生態環境質量變差的地區主要分布在盆地中部的綠洲核心區。2010—2020年間柴達木盆地生態環境質量變好的區域面積為23064.18 km2, 占總面積的9.66%, 生態環境質量變差的區域面積為23653.92 km2, 占總面積的9.91%, 生態環境質量變好的地區主要分布在綠洲核心區, 生態質量變差的地區主要分布在盆地南部的山地。

圖1 柴達木盆地各年份5個生態評價指標空間分布

Figure 1 Spatial distribution of five ecological evaluation indicators in each year in Qaidam Basin

表3 2000年到2020年柴達木盆地生態環境質量面積變化

注: Ⅰ.差; Ⅱ.較差; Ⅲ.中等; Ⅳ.良; Ⅴ.優。

Figure 2 Spatial patterns of Qaidam Basin leveled by RSEI from 2000 to 2020

總的來看, 2000—2020年間, 柴達木盆地生態環境質量變好的區域面積為57248.93 km2, 占總面積的23.97%, 生態環境質量變差區域的面積為13884.59 km2, 占總面積的5.81%, 圖3顯示柴達木盆地內部的荒漠和鹽堿地等生態質量總體保持不變, 而周圍山地生態環境質量變化程度明顯高于內部地區, 生態環境質量變好的地區主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地(包括吐爾根達坂山, 柴達木山, 宗務隆山, 阿爾漢布達山, 北鄂拉山, 阿祁漫塔格山等); 生態環境質量退化的地區主要分布在柴達木盆地南側的昆侖山, 以及盆地內部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區。

表4 柴達木盆地生態等級和面積比例的變化

圖3 2000—2020年柴達木盆地RSEI變化

Figure 3 RSEI changes of the Qaidam Basin from 2000 to 2020

4 討論

4.1 評價指標體系的代表性分析

評價指標的選取應該具體取決于評價的對象及區域特點等因素, 如徐涵秋等[8]對廈門島進行生態效應分析時使用的新型RSEI, 將原RSEI中的土壤指數用建筑指數進行了替換。本文在繼承RSEI基于遙感優勢的同時, 結合柴達木盆地干旱荒漠區的自然條件, 從綠洲和荒漠的角度出發, 以綠度和濕度作為干旱區生態質量的主要決定因素, 以干度、熱度和鹽度作為代表干旱區生態脆弱性的主要特征, 其中鹽度指標突出了柴達木盆地鹽漬化現象普遍的區域特征。在上述基礎上利用遙感數據構建的遙感生態指標, 對柴達木盆地生態環境在宏觀層面上進行了評價, 對區域生態環境質量可視化。

4.2 柴達木盆地生態環境質量變化驅動力分析

1)影響柴達木盆地生態環境變化的自然因素

在柴達木盆地人類活動整體較弱的情況下, 氣溫和降水是影響其生態的主要因素。柴達木盆地作為青藏高原氣候變化敏感的區域, 受全球氣候變暖的影響, 氣溫和降水自1961—2017年顯著增強, 總體呈現暖濕化趨勢[4](圖4), 導致了在該時期柴達木盆地生態質量總體呈現變好的趨勢。同時受蒙古高壓和大陸熱低壓影響, 盆地內氣候干燥, 降水自東至西逐漸減少, 變濕趨勢存在明顯的空間差異, 西部地區日照充足風速較大, 東部則受微弱的東南季風影響, 更為濕潤[4], 這與本研究中生態環境質量較好的的地區主要分布于東部相符合。

RESI的變化實質是對土地覆被信息變化的一種響應, 后者的變化主要包括同一地物的類內程度變化和不同地物的類間轉換兩種情況。徐國印等[22]基于歐空局的ESA-CCI-LC產品, 對柴達木盆地2000—2015年的土地覆被變化情況進行了綜合評價, 其研究指出柴達木盆地的土地覆被類型主要為未利用地和草地, 兩者約占盆地總面積的96%以上, 其中草地主要分布在盆地的東南部, 該地區的植被受暖濕化影響, 在近20年中出現了明顯增強, 導致這一地區的生態環境質量顯著提升; 同時其研究表示盆地內的土地覆被變化情況總體穩定, 主要表現為盆地西南和祁連山區的未利用地轉換為草地[22], 與本文中其他生態環境質量改善的區域基本一致。

圖4 柴達木盆地氣溫、降水年際變化

Figure 4 Annual change of temperature and precipitation in Qaidam Basin from 1961 to 2017

盆地南部地區從2000—2020年生態環境質量呈現先變好后變差的趨勢, 這可能是因為2000—2010年隨著全球氣候變暖, 導致冰川消融[23-24], 地表水量補給增多, 山區的植被覆蓋度增加, 生態環境質量出現改善。2010年后冰蓋面積減少, 冰川的消融速度減慢, 地表水量補給也隨之減小, 土地的裸露的狀態增加。同時冰川消融導致雪線遷移, 使原來永久性凍轉變成為季節性凍土, 其季節性的消融加劇了盆地南部的凍融侵蝕, 使得植被退化, 導致了區域生態環境質量惡化。徐浩杰等[25]以MODIS NDVI數據為基礎, 對柴達木盆地2001—2010年的植被時空分布特征進行了研究, 其得出的植被改善及退化區域與本研究中的生態環境質量變化區基本一致。雖然該研究與本文在時間上存在一定差異, 但也一定程度上表明植被是這些地區生態環境變化的主要影響因素。

2) 影響柴達木盆地生態環境變化的人為因素

盆地內主要的人口聚集區——都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區生態環境質量出現先變差后變好的趨勢, 杜玉娥等[26]表示這主要是因為2008年以前主要以春小麥等糧食作物為主, 2008年后開始種植枸杞, 覆蓋度明顯比糧食作物低, 所以植被NDVI大幅度降低, 后期隨著枸杞長大和面積的擴張, 其覆蓋度也隨之增大, 但其發育期的最大NDVI 仍明顯小于糧食作物。同時青海省于2007年提出了“生態立省”, 防沙治沙工作開始有了較大起色, 這也導致了2010—2020年間盆地中的綠洲核心區周邊生態環境質量出現了一定的改善。

5 結論

1)由5個生態遙感指數構建的RSEI能夠較好地反映柴達木盆地生態環境質量狀況及其時空差異。其中, 綠度和濕度對RSEI指數起正相關作用, 干度、鹽度和熱度起負相關作用。植被指數和濕度呈上升趨勢, 干度、鹽度和熱度有所下降。

2)柴達木盆地生態環境質量整體較差, 且較為脆弱, 區域差異明顯, 在空間上呈現由西北向東南半環狀改善的分布格局。盆地內部以鹽堿地、沙漠和戈壁為主, 氣候干燥, 植被稀少, 生態環境質量較差, 盆地東部、南部和東北部的山地植被覆蓋度較高, 生態環境質量較好, 中部沖洪擊扇前緣的綠洲具有良好的水源, 生態環境優于盆地內的其他區域。

3)2000—2020年間, RSEI由0.330上升到2020年的0.383, 生態環境質量呈現整體變好的趨勢, 20年間研究區生態環境質量變好的區域占總面積的23.97%, 變差的區域面積為占總面積的5.81%。柴達木盆地周圍山區生態環境質量變化程度明顯高于盆地內部, 內部的生態質量總體保持不變, 改善的地區主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地, 生態環境惡化的地區主要分布在柴達木盆地南側的昆侖山, 以及盆地內部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區。

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Remote sensing monitoring of ecological environment quality in Qaidam Basin under the background of climate warming

Li Qianlin1, Sha Zhanjiang1,2,3,4,*

1. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining, 810008, China 2. Qinghai Province Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process, Xining, 810008, China 3. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation, Xining, 810008, China 4. Academy of Plateau Science and Sustainability, Xining, 810008, China

Qaidam Basin is a typical alpine desert area withfragile ecological environment. It is of great significance to quickly and comprehensively understand the changes of ecological environment quality under the background of climate warming.In this study, five ecological indexes including greenness, wetness, dryness, heat and salinity were extractedfrom the Landsat TM/OLI datain 2000, 2010 and 2020. On the basis of principal component analysis, the evaluation method for the ecological environment quality of Qaidam Basin was proposed, and its spatio-temporal variation was discussed.The results show that:(1) The overall ecological environment quality of the Qaidam Basin was relatively fragile, and the regional differences were obvious, showing the spatial distribution pattern of the southeast-superior and the northwest-poor, with decreasing from southeast to northwest.(2) From 2000 to 2020, the overall ecological quality of Qaidam Basin showed an improvementtrend, with the average of remote sensing ecological index increasing from 0.330 in 2000 to 0.383 in 2020. (3) The proportion of areas with the improved and degraded ecological environment was 15.46% and 5.03% respectively. The improved areas were mainly distributed in the eastern,northeastern and western mountainous areas. The degraded areas were mainly distributed in the Kunlun Mountains located in the south side of the basin and the oasis core areas of the front of the alluvial flood fan along Dulan-Nuomuhong-Golmud-Utumeri in the basin. There was no significant change in the ecological environment quality of the desert Gobi and the saline-alkali land in the basin.

ecological environment quality;remote sensing ecological index;principal component analysis;Qaidam Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.011

X87

A

1008-8873(2022)06-092-08

2020-10-02;

2020-11-10基金項目:國家自然科學基金項目(2019QZKK030606); 青海省科技廳重大科技專項(2019-SF-A12)

李倩琳(1994—), 女, 青海西寧人, 碩士, 研究方向為環境遙感與地理信息系統, E-mail: 2727682372@qq.com

通信作者:沙占江(1971—), 男, 青海西寧人, 教授, 博士生導師, 主要從事高原現狀、變化及過程研究, E-mail: sazhanjiang@sina.com

李倩琳, 沙占江. 氣候變暖背景下柴達木盆地生態環境質量遙感監測[J]. 生態科學, 2022, 41(6): 92–99.

Li Qianlin, Sha Zhanjiang. Remote sensing monitoring of ecological environment quality in Qaidam Basin under the background of climate warming[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 92–99.