王麗春,焦 黎①,來(lái)風(fēng)兵,代鵬超

(1.新疆師范大學(xué)新疆維吾爾自治區(qū)干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830054; 2.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054； 3.烏魯木齊氣象衛(wèi)星地面站， 新疆 烏魯木齊 830011)

西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)脆弱,是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和全球氣候變化下的最敏感地區(qū)[1]。干旱區(qū)綠洲人口快速擴(kuò)張以及人類對(duì)資源的干預(yù)、破壞和無(wú)序開(kāi)發(fā)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,嚴(yán)重影響干旱區(qū)人類生存和生活質(zhì)量[2]。自然生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,有利于決策者認(rèn)識(shí)區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,進(jìn)而采取積極措施,更好地實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[3]。2006年頒布的HJ 192—2015《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中,以生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI),包括生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、土地退化和環(huán)境質(zhì)量為區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)依據(jù)[4],但是在實(shí)際應(yīng)用中,由于地域差異和現(xiàn)實(shí)因素,同一指標(biāo)權(quán)重差異、不同指標(biāo)提取精度均面臨挑戰(zhàn)。近年來(lái),遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但是大多數(shù)評(píng)價(jià)工作仍基于單一指標(biāo),如利用植被指數(shù)評(píng)價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)變化[5],利用不透水地表指數(shù)評(píng)價(jià)城市生態(tài)環(huán)境[6],利用地表溫度評(píng)價(jià)城市熱環(huán)境[7],構(gòu)建生態(tài)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)模型成為當(dāng)前區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。徐涵秋[8]基于遙感信息技術(shù)提出一個(gè)耦合植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù)4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的新型遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing based ecological index,RSEI),并對(duì)城市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行有效評(píng)估。RSEI集成了反映生態(tài)環(huán)境最為直觀、以自然因子為主的多重指標(biāo),既能實(shí)現(xiàn)客觀定量評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況,又能對(duì)生態(tài)環(huán)境演變進(jìn)行時(shí)空性分析和可視化顯示。

精河縣是我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)脆弱帶的重要組成部分,自1990年代開(kāi)始,人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的干擾強(qiáng)度日益增大,精河縣人工綠洲面積增加速度很快,大面積砍伐荒漠林和開(kāi)墾荒漠林草地,使當(dāng)?shù)刈匀恢脖辉獾絿?yán)重破壞,其生態(tài)系統(tǒng)潛在脆弱性正逐漸轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實(shí)的環(huán)境災(zāi)害[9-11]。林草地退化、土地沙化、土壤次生鹽漬化、湖泊萎縮和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡化等問(wèn)題的出現(xiàn),在一定程度上開(kāi)始制約精河縣經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。目前精河縣已成為西北干旱區(qū)典型生態(tài)退化區(qū)。以往的精河縣生態(tài)環(huán)境定量研究主要是借鑒前人經(jīng)驗(yàn)對(duì)土地覆被類型進(jìn)行生態(tài)指數(shù)賦值,或利用熵值法對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和一些遙感指標(biāo)確定權(quán)重以進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[12-13],缺少直接對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的研究。因此,結(jié)合1994、2002和2016年3期遙感數(shù)據(jù),利用RSEI指數(shù)對(duì)精河縣1994—2016年生態(tài)狀況及其影響因素進(jìn)行分析,基于人與自然關(guān)聯(lián)視角對(duì)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià),為我國(guó)西部干旱區(qū)艾比湖流域土地資源合理利用、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題治理和生態(tài)系統(tǒng)規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

精河縣位于艾比湖流域,其縣域包含艾比湖濕地國(guó)家自然保護(hù)區(qū)和精河綠洲,屬“絲綢之路”新北道重鎮(zhèn),是北疆交通要沖,經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略位置突顯,具有東聯(lián)西出、西引東進(jìn)、商貿(mào)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。研究區(qū)地理坐標(biāo)為44°02′～45°19′ N,81°46′～83°51′ E,東西長(zhǎng)為166 km,南北寬為134 km[14]。研究區(qū)南部主要為山地(婆羅科努山脈);中部為山前沖積平原,地勢(shì)較為平坦,較宜于人類開(kāi)發(fā)及利用;北部為沖積湖積平原,地下水位偏高,多為鹽堿沼澤地帶。精河縣太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力能豐富,光熱資源較為充沛,日照時(shí)間長(zhǎng),無(wú)霜期達(dá)170 d,年平均氣溫為7.36 ℃,年極端最高溫為41.0 ℃,年極端最低溫為-34.7 ℃,多年平均降水量為149 mm,多年平均蒸發(fā)量為2 281 mm[15]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

遙感數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/),分別為1994年9月Landsat 5 TM影像,2002年9月Landsat 7 ETM+影像、2016年8月Landsat OLI影像,空間分辨率為30 m,影像云量較少,質(zhì)量完好。使用ENVI 5.3軟件對(duì)每景遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正,然后進(jìn)行影像拼接與研究區(qū)裁剪工作。根據(jù)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》并結(jié)合干旱區(qū)自然與經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn),將研究區(qū)土地利用類型分為草地、林地、耕地、水體、建設(shè)用地和未利用地6種。使用ENVI 5.3軟件進(jìn)行監(jiān)督分類,結(jié)合野外實(shí)地調(diào)研、Google Earth高分辨率數(shù)據(jù)及不同土地利用類型紋理、形態(tài)和色調(diào)特征建立目視解譯進(jìn)行修正,并計(jì)算混淆矩陣精度,分類精度和kappa系數(shù)均在80%以上。

人口和GDP數(shù)據(jù)來(lái)源于1970—2016年新疆統(tǒng)計(jì)年鑒,降水和溫度數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。

2.2 研究方法

RSEI通過(guò)主成分變換集成綠度、濕度、熱度和干度4個(gè)人類直觀判斷生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的指標(biāo)。

(1)綠度指標(biāo)

綠度指標(biāo)由歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI,INDV)表示,NDVI 是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù),常被用于植被和植物物候研究[16],計(jì)算公式為

INDV=(N-R)/(N+R)。

(1)

式(1)中,N為近紅外波段反射率,R為紅色波段反射率。

(2)濕度指標(biāo)

濕度指標(biāo)由濕度分量(Wet,W)表示,濕度分量與植被和土壤濕度緊密相關(guān)。因Landsat傳感器不同,數(shù)據(jù)表達(dá)式也不同[17],Wet計(jì)算公式分別為

WETM=0.150 9B1+0.197 3B2+0.327 9B3+0.340 6B4-0.711 2B5-0.457 2B7,

(2)

WTM=0.031 5B1+0.202 1B2+0.310 2B3+0.159 4B4-0.680 6B5-0.610 9B7,

(3)

WOLI=0.151 1B1+0.197 3B2+0.328 3B3+0.340 7B4-0.711 7B5-0.455 9B7。

(4)

式(2)～(4)中,B1、B2、B3、B4、B5和B7分別為ETM和TM數(shù)據(jù)1、2、3、4、5和7波段反射率和OLI數(shù)據(jù)2、3、4、5、6和7波段反射率。

(3)熱度指標(biāo)

熱度指標(biāo)對(duì)城市熱島、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面有著重要意義,由地表溫度(land surface temperature,LST,TLS)表示。LST計(jì)算公式為

TLS=Tb/{1+[(λTb)/ρ]lnε}-273.15,

(5)

Tb=K2/ln (K1/L6+1),

(6)

L6=gND+b。

(7)

式(5)～(7)中,ND為遙感數(shù)據(jù)像元灰度值;g和b分別為波段增益值(gain)和偏置值(bias);L6為T(mén)M/TIRS熱紅外波段輻射值;K1和K2為定標(biāo)參數(shù);Tb為傳感器處溫度值;λ為波長(zhǎng),使用TM數(shù)據(jù)時(shí)為第6波段中心波長(zhǎng)11.5 μm,使用Landsat 8數(shù)據(jù)時(shí)為第10波段中心波長(zhǎng)10.9 μm;ρ為1.438×10-2mK;ε為比輻射率,利用NDVI閾值處理得到[18]。

(4)干度指標(biāo)

干度指數(shù)用來(lái)分析干旱區(qū)土地荒漠化、土地退化情況,由土壤指數(shù)(NDBSI,INDBS)表示。NDBSI計(jì)算公式為

INDBS=(IS+IIB)/2,

(8)

IS=[(B5+B3)-(B4+B1)]/[(B5+B3)+(B4+B1)],

(9)

(10)

式(8)～(10)中,IS為裸土指數(shù)(SI)[19],IIB為建筑指數(shù)(IBI)[20]。

(5)遙感生態(tài)指數(shù)RSEI的構(gòu)建

RSEI采用主成分分析(principal component analysis,PCA)法集成NDVI、Wet、LST和NDBSI這4個(gè)指標(biāo),并根據(jù)各指標(biāo)性質(zhì)及其對(duì)各主分量的貢獻(xiàn)度來(lái)自動(dòng)客觀地確定各指標(biāo)權(quán)重。由于4個(gè)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一,在做主成分變換前,需要先分別對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,將指標(biāo)值統(tǒng)一到0～1之間。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式為

Ii，N=(Ii-Imin)/(Imax-Imin)。

(11)

式(11)中,Ii，N為各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果;Ii為各個(gè)指標(biāo)在像元i的值;Imax為各指標(biāo)最大值;Imin為各指標(biāo)最小值。

由于研究區(qū)包含水域,利用修正過(guò)的歸一化水指數(shù)(modified normalized difference water index,MNDWI)進(jìn)行水體提取,掩膜去掉水體信息。將標(biāo)準(zhǔn)化后的4個(gè)指標(biāo)使用ENVI 5.3軟件合成新影像,借助軟件中主成分分析模塊進(jìn)行主成分分析,得到第1主成分(PC1,PC1)及相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。為了便于分析,對(duì)第1主成分進(jìn)行正負(fù)值轉(zhuǎn)置和標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得RSEI。

IRSE，0=1-PC1,

(12)

IRSE=(IRSE，0-IRSE，0，min)/(IRSE，0，max-

IRSE，0，min)。

(13)

式(12)～(13)中,IRSE為標(biāo)準(zhǔn)化處理后遙感生態(tài)指數(shù),值越大，表示生態(tài)質(zhì)量越好;IRSE,0,min、IRSE,0,max分別為IRSE,0的最小值和最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 精河縣生態(tài)質(zhì)量時(shí)空變化分析

表1為1994—2016年NDVI、Wet、LST和NDBSI這4個(gè)指標(biāo)及RSEI值。

表11994—2016年精河縣4個(gè)指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)統(tǒng)計(jì)值

Table1FourstatisticalindicatorsofeachyearandthestatisticalvalueofRSEIinJingheCounty

年份參量NDVIWetLSTNDBSIRSEI 1994均值0.6480.7040.2930.6590.377標(biāo)準(zhǔn)差0.1390.1350.0450.1420.162 荷載值0.597-0.4740.157-0.628 2002均值0.5440.6960.0280.0630.323標(biāo)準(zhǔn)差0.0780.1330.0040.0070.121 荷載值0.221-0.9750.008-0.0182016均值0.6570.6960.2900.6660.327標(biāo)準(zhǔn)差0.1230.1430.0390.1340.173 荷載值0.581-0.5130.152-0.613

NDVI為歸一化植被指數(shù),Wet為濕度分量,LST為地表溫度,NDBSI為干度指數(shù),RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)。

由表1可知,1994—2016年研究區(qū)RSEI由1994年的0.377下降到2002年的0.323;再由2002年的0.323上升到2016年的0.327。RSEI指數(shù)總體呈下降趨勢(shì),說(shuō)明精河縣生態(tài)環(huán)境趨向惡化。分析各指標(biāo)對(duì)PC1的荷載值可以發(fā)現(xiàn),NDVI和Wet為正值,對(duì)精河縣生態(tài)質(zhì)量起正面影響作用;而NDBSI和LST為負(fù)值,對(duì)生態(tài)質(zhì)量起負(fù)面作用。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn),1994—2016年NDBSI和LST對(duì)PC1荷載值絕對(duì)值之和均大于NDVI和Wet特征值之和,表明精河縣土壤干度和區(qū)域溫度對(duì)整體生態(tài)環(huán)境的破壞作用大于植被和濕度對(duì)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化作用。

為了更好地分析RSEI的代表性,進(jìn)一步將1994、2002和2016年3期經(jīng)主成分變換得到的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)計(jì)算結(jié)果劃分為優(yōu)、良、中、較差、差5個(gè)等級(jí)(圖1,表2)。由圖1和表2可知,1994年精河縣總體生態(tài)狀況以較差等級(jí)為主,其面積占比超過(guò)60%；其次為中等級(jí),所占面積比例為20.60%；差等級(jí)占3.86%；良、優(yōu)等級(jí)面積占11.63%。2002年生態(tài)狀況差等級(jí)面積占比為14.13%,相比1994年其面積增加879.57 km2;較差等級(jí)面積減少630.88 km2,占總面積的61.33%；中等級(jí)面積波動(dòng)較??；良、優(yōu)等級(jí)面積都有所減少,占比減少至2.42%。2016年生態(tài)狀況差等級(jí)占比為25.22%；較差等級(jí)占比為48.18%；中等級(jí)占比為16.38%；良、優(yōu)等級(jí)面積占比為10.22%。

圖1 精河縣1994—2016年生態(tài)指數(shù)Fig.1 Ecological index map of Jinghe County from 1994 to 2016

表2精河縣各生態(tài)等級(jí)面積和比例

Table2AreaandproportionofdifferentecologicalgradesinJingheCounty

RSEI等級(jí)劃分依據(jù)1994年2002年2016年面積/km2百分比/%面積/km2百分比/%面積/km2百分比/% 差0～0.2363.113.861 242.6814.132 433.2925.22 較差>0.2～0.46 022.2563.915 391.3761.334 648.1048.18 中>0.4～0.61 941.3120.601 944.3122.121 579.9216.38 良>0.6～0.8932.719.90205.862.34984.5110.21 優(yōu)>0.8～1.0163.251.737.150.081.390.01

3.2 精河縣生態(tài)質(zhì)量轉(zhuǎn)移過(guò)程分析

分析轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可知,1994—2002年,差等級(jí)主要由較差等級(jí)轉(zhuǎn)入,占差等級(jí)總轉(zhuǎn)入面積的88.89%,差、中、良和優(yōu)等級(jí)主要轉(zhuǎn)出為較差等級(jí),分別占較差等級(jí)總轉(zhuǎn)入面積的8.39%、56.07%、29.70%和5.84%。差和中等級(jí)轉(zhuǎn)出面積小于轉(zhuǎn)入面積,導(dǎo)致差和中等級(jí)面積增加。而較差、良和優(yōu)等級(jí)轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積,各等級(jí)面積均有所減少。

2002—2016年,差等級(jí)共轉(zhuǎn)出497.65 km2,其中79.60%的差等級(jí)轉(zhuǎn)化為較差等級(jí),4.24%轉(zhuǎn)化為中等級(jí),16.05%轉(zhuǎn)化為良等級(jí),0.11%轉(zhuǎn)化為優(yōu)等級(jí);較差等級(jí)未發(fā)生變化的有2 985.01 km2,變化的有2 367.33 km2,其中58.01%、22.37%、19.59%和0.03%的較差等級(jí)分別轉(zhuǎn)入差、中、良和優(yōu)等級(jí);中等級(jí)主要向較差等級(jí)轉(zhuǎn)化,占轉(zhuǎn)出面積的59.87%;良等級(jí)轉(zhuǎn)出面積為163.7 km2，主要向較差和中等級(jí)轉(zhuǎn)化;優(yōu)等級(jí)幾乎全部轉(zhuǎn)出為其他等級(jí),5.72%、59.14%、31.00%和4.13%的優(yōu)等級(jí)分別轉(zhuǎn)入差、較差、中和良等級(jí)。

1994—2016年,各生態(tài)等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換較為簡(jiǎn)單。差等級(jí)沒(méi)有轉(zhuǎn)出到其他生態(tài)等級(jí),轉(zhuǎn)入面積主要由較差等級(jí)轉(zhuǎn)入,中等級(jí)面積全部單一地轉(zhuǎn)入較差等級(jí),良等級(jí)主要轉(zhuǎn)出到中等級(jí),優(yōu)等級(jí)單一地向良等級(jí)轉(zhuǎn)入。可以看出,精河縣RSEI等級(jí)整體下降一個(gè)層次,最終導(dǎo)致近20 a來(lái)精河縣生態(tài)環(huán)境趨向惡劣。

表31994—2016年精河縣RSEI轉(zhuǎn)移矩陣

Table3RSEItransfermatrixfortheyearsof1994-2016inJingheCounty

km2

T1、T2和T3分別為1994—2002、2002—2016和1994—2016年3個(gè)時(shí)段。

3.3 精河縣生態(tài)質(zhì)量時(shí)空差異分析

對(duì)1994和2016年RSEI指數(shù)差值變化進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)圖2。1994—2016年精河縣生態(tài)環(huán)境狀況等級(jí)不變的面積為7 385.29 km2,占總面積的65.73%;狀況改善的面積為582.23 km2,占總面積的5.18%;狀況變差的面積為3 269.29 km2,占總面積的29.09%。3類面積占比由大到小依次為不變、變差和改善。精河縣生態(tài)環(huán)境變差主要是由于隨著耕地的大規(guī)模開(kāi)發(fā),灌溉用水需求加劇,地下水位上升,區(qū)域非農(nóng)田系統(tǒng)持水量降低,加上干旱區(qū)氣候條件以及林草地屬性脆弱,林草地面積逐年縮減,鹽漬地和其他用地因無(wú)法提供適宜多數(shù)動(dòng)植物的生長(zhǎng)空間,土地生態(tài)系統(tǒng)退化,生物多樣性差,導(dǎo)致區(qū)域部分地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化[10]。

4 驅(qū)動(dòng)力分析

4.1 土地利用類型時(shí)空變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

土地利用現(xiàn)狀是長(zhǎng)期以來(lái)人類根據(jù)土地自然特性和社會(huì)需要對(duì)土地進(jìn)行改造、培育、使用的結(jié)果[10]。土地利用類型的變化會(huì)引起區(qū)域內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)變,從而會(huì)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)重大影響,并產(chǎn)生明顯的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。從圖3可以看出,精河縣土地利用/覆被空間分異明顯,耕地所處研究區(qū)中心區(qū)域,呈大片連續(xù)狀,林草地處于邊緣及山區(qū),呈零星分布,未利用地多處于外圍區(qū)域的山區(qū)、綠洲-荒漠交錯(cuò)帶和艾比湖周邊濕地區(qū)域。

表4為地表類型的面積統(tǒng)計(jì),1994—2002年耕地面積從243.74 km2增加到572.92 km2,水體面積從555.82 km2增加到811.20 km2,建設(shè)用地從5.78 km2增加到6.52 km2。林地面積所占比例由4.97%下降至2.39%,草地面積所占比例由15.87%降低至15.13%,未利用地比例由71.99%降低至70.08%;2002—2016年,耕地和建設(shè)用地面積持續(xù)增加,分別增加到938.11和81.51 km2,比例增長(zhǎng)至8.35%和0.73%。林地和未利用地面積分別增加到448.85和81.51 km2,比例增長(zhǎng)至3.99%和70.43%,草地和水體面積減少到1 191.07和663.51 km2,比例降低至10.6%和5.90%。1994—2016年,耕地、建設(shè)用地、水體總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì),而林地、草地和未利用地總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

從空間分布上看,1994年精河縣生態(tài)環(huán)境狀況差等級(jí)大致分布在艾比湖周邊及其東部未利用地區(qū)域。2002年,生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)入差等級(jí)的區(qū)域逐漸擴(kuò)大,隨著精河縣綠洲區(qū)人口的增長(zhǎng),生產(chǎn)力水平的提高導(dǎo)致建設(shè)用地面積逐漸增加;耕地面積持續(xù)增加,且呈向周圍擴(kuò)張趨勢(shì),主要是因?yàn)?990年后中央及地方政府推出一系列優(yōu)惠政策,尤其是1998—1999年形成開(kāi)荒熱,允許并鼓勵(lì)個(gè)人和集體開(kāi)墾土地[10]。此外,在耕地增加的同時(shí),由于撂荒和不合理利用土地,或自然條件等原因造成小部分土地退化直至不可耕種，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境差等級(jí)面積在此期間擴(kuò)大的原因。2016年差等級(jí)區(qū)域主要集中在艾比湖周圍,艾比湖位于新疆年大風(fēng)日數(shù)最多的阿拉山口下風(fēng)向,整個(gè)艾比湖流域風(fēng)沙天氣越來(lái)越頻繁。水體面積的增加在一定程度上受全球氣候變化的影響，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉設(shè)施的進(jìn)一步推廣使得許多小河流、湖泊流量和蓄水量有一定增加[15]。干旱區(qū)林草地易受區(qū)域環(huán)境影響,由于人類活動(dòng)干擾度增加,原有的林草地被侵蝕,面積減少,處于綠洲-荒漠交錯(cuò)帶的未利用地生態(tài)環(huán)境也逐漸惡化。

圖2 精河縣1994—2016年RSEI變化情況

圖3 精河縣1994—2016年土地利用類型Fig.3 The surface type of Jinghe County for the years of 1994-2016

表4精河縣土地利用類型面積統(tǒng)計(jì)

Table4TheareastatisticsofthesurfacetypesofJingheCounty

土地利用類型1994年2002年2016年面積/km2百分比/%面積/km2百分比/%面積/km2百分比/% 耕地243.742.17572.925.11938.118.35 林地558.764.97268.682.39448.853.99 草地1 782.8315.871 697.6715.131 191.0710.60 水體555.824.95811.207.23663.515.90 建設(shè)用地5.780.056.520.0681.510.73 未利用地8 089.8571.997 864.9270.087 913.7670.43

4.2 自然因素對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

氣溫和降水是影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的主要因素,在全球氣候變化背景下,中國(guó)西北干旱區(qū)氣候呈現(xiàn)明顯的暖濕化轉(zhuǎn)型[21],1970—2016年精河縣年降水量和年平均溫度均呈增加趨勢(shì)。在整個(gè)研究期與生態(tài)環(huán)境呈負(fù)相關(guān)的溫度對(duì)生態(tài)指數(shù)RSEI的貢獻(xiàn)率呈總體上升趨勢(shì)，NDVI均值從1994年的0.648增加到2016年的0.657,Wet均值總體變化較小,NDBSI值從0.659增加到0.666,3者對(duì)生態(tài)環(huán)境的貢獻(xiàn)率均有所下降?？傮w來(lái)看，上述結(jié)果表明精河縣氣溫升高,區(qū)域氣候逐漸干燥,加劇土壤水分蒸發(fā),帶動(dòng)土壤鹽分向上移動(dòng),導(dǎo)致研究區(qū)耕地與其他地類的過(guò)渡帶、艾比湖湖泊灘地以及東部荒漠區(qū)出現(xiàn)或加重生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 社會(huì)發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

精河地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差,易受到人為因素破壞,特別是近年來(lái),由于人口不斷增加，耕地?cái)U(kuò)充,資源配置和開(kāi)發(fā)利用不合理,對(duì)艾比湖地區(qū)環(huán)境惡化影響加劇。精河縣人口從1988年的9.66萬(wàn)人增長(zhǎng)到2016年的14.31萬(wàn)人,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值從1988年的0.49億元增長(zhǎng)到2016年的43.19億元。艾比湖流域是傳統(tǒng)游牧區(qū),清朝末年開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)墾耕地,近幾十年來(lái),在人口增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)下,農(nóng)業(yè)耕地面積逐漸擴(kuò)大,形成了“一紅(枸杞)二白(棉花、鹽業(yè))一綠(瓜果蔬菜)”的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。然而,由于農(nóng)業(yè)發(fā)展,荒漠生態(tài)和自然綠洲生態(tài)系統(tǒng)近年來(lái)變化很大,大面積荒漠林被砍伐，荒漠林草地被無(wú)序開(kāi)墾,使自然植被遭到嚴(yán)重破壞。流域人類活動(dòng)耗水最主要方式為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水,蓄水項(xiàng)目建成致使非農(nóng)田區(qū)域及艾比湖周邊區(qū)域土地沙化、鹽堿化問(wèn)題產(chǎn)生,最終導(dǎo)致艾比湖濕地的生態(tài)環(huán)境受損。與此同時(shí),精河縣牲畜數(shù)量由1988年的20.97萬(wàn)頭增長(zhǎng)至2016年的41.68萬(wàn)頭,有限草場(chǎng)過(guò)度放牧不利于植被恢復(fù),可最終部分解釋研究區(qū)中部及沿北方向的生態(tài)變化情形。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)精河縣1994、2002和2016年3期遙感影像數(shù)據(jù)的處理分析,結(jié)果表明,遙感生態(tài)指數(shù)RSEI很好地集成了反映生態(tài)質(zhì)量的4個(gè)指標(biāo),能夠綜合地反映精河縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化。1994、2002和2016年RSEI均值分別為0.377、0.323和0.327,RSEI優(yōu)、良、中、較差等級(jí)整體向次等級(jí)轉(zhuǎn)移。近20 a來(lái),精河縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體上較為脆弱,生態(tài)環(huán)境呈下降趨勢(shì)。

(2)1994—2016年,精河縣人工綠洲擴(kuò)明顯,面積增加6.86%,林草地面積萎縮,減少6.25%。RSEI差值顯示,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的面積占總面積的5.18%,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的面積占總面積的29.09%。生態(tài)改善區(qū)域主要位于精河縣南部山區(qū),主要原因在于該區(qū)域大面積林地受到當(dāng)?shù)卣母叨戎匾暫蛧?yán)格保護(hù),生態(tài)質(zhì)量惡化區(qū)域主要位于艾比湖周邊和耕地外圍,原因在于惡劣的自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展。

(3)精河縣生態(tài)環(huán)境變化受到自然和人為因素的共同影響,人口、政策、城市化程度和技術(shù)水平是其主要的驅(qū)動(dòng)力。精河縣作為新亞歐大陸橋進(jìn)出我國(guó)的西大門(mén),是新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分。新世紀(jì),在國(guó)家“五位一體”的現(xiàn)代化布局下,在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的同時(shí),應(yīng)遵循自然規(guī)律,合理配置資源和利用土地,科學(xué)地建設(shè)綠洲。