瑪納斯流域水土流失生態變化的遙感評估

侯進平

(新疆維吾爾自治區水利廳水土保持處，烏魯木齊 830000)

0 引 言

水土流失是當今世界面臨的一個嚴重問題，嚴重的水土流失已導致生態環境的迅速惡化。因此，及時、快速地監測水土流失區生態環境的變化十分重要。目前，遙感技術已被廣泛應用于生態環境領域。利用各種遙感指標監測和評價森林、草原、城市、河流，乃至整個流域的生態系統，已成為生態遙感領域的重要組成部分。

1 研究區概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北坡中段和準格爾盆地南端。行政區域包括石河子市、沙灣縣、瑪納斯縣以及新疆生產建設兵團第八師和第六師的農牧區(馮玲，2010)。在氣候、水文和地形綜合因素的作用下，干旱地區形成了典型的荒漠綠洲-沙漠生態系統。沙漠地區位于流域的下游，水資源不足，土壤貧瘠，植被覆蓋率低。該地區北部的低洼地區是古爾邦通古特沙漠，主要由沙脊和沙丘組成。大多數沙丘是半固定的沙丘，并且沙丘通常會向東南移動。天然植被主要包括沙漠植被，如白梭梭、三云草和殺拐[1]。

2 研究方法

2.1 研究方法

本文采用面向對象的方法對三相遙感數據進行分類，參照“土地利用現狀分類”的分類標準，結合無監督分類和視覺解釋對流域土地利用類型進行分類。無監督分類是基于特征空間中不同圖像特征的分類特征差異而沒有先驗分類標準的圖像分類，它是計算機對圖像進行統計分析的一種方法。視覺解釋方法基于對土地利用類型的先驗知識，并將圖像和特征與特征(例如圖像中特征的大小、形狀、陰影、顏色、紋理、圖案、位置和周圍環境)區分開。對應關系，并賦予它屬性特征[2]。

在眾多生態環境評價指標中，如何選擇適合研究區域的指標對后續的生態環境評價具有非常重要的影響。本文選擇的遙感生態環境指數(RSEI)方法基于ENVIS.1作為遙感數據處理平臺，ARCGIS作為數據分析和繪圖工具，從綠色、濕度、干燥和濕潤4個基本要素入手。研究區域的熱量分析區域生態環境質量狀況。首先，計算并歸一化這4個指標；然后對這4個指標進行主成分分析，以確定每個指標的權重；最后對RSEI指標進行分類和疊加分析。RSEI不適合水域大的區域，該研究區域的水域約占1.23%，因此不必獨立提取或掩蓋水體，更有利于RSEI的計算和模擬[3]。RSEI指數表示為4個指標的函數，可以綜合遙感綜合生態指數的各種指數因素，以快速監測土壤侵蝕區的生態質量。

RSEI的計算需要注意：①由于植被指數對大氣非常敏感，因此必須針對大氣進行校正。②必須將圖像的DN值轉換為反射率，不建議計算原始DN值。③濕度的計算選擇正確的濕度公式。不能使用TM公式來計算ETM +的濕度。不能使用基于DN值的公式來計算基于反射率的數據，反之亦然。④比較不同年份時，請嘗試選擇具有相同季節相位的遙感影像，但不確定的季節相位更好。

2.2 水土流失現狀

土地侵蝕和嚴重的河道淤積導致水利工程的有效性下降：灌溉區中低層的植被條件差，地表第四紀沉積物大部分散亂。夏季經常發生陣發性降雨或暴雨。山地侵蝕很激烈，大量泥沙進入河流，導致下游河道和平原水庫的沉積。

風蝕和土地資源破壞造成的沙土侵蝕：下野提灌區和摩梭灣灌區位于沙漠邊緣，綠洲內還分布著一些活躍的沙丘。風力將大量的沙子和灰塵帶入綠洲，從而增加了綠洲內部土地的沙漠化程度。所有這些都導致了受侵蝕土地的物理形狀發生變化，土地的肥力下降，嚴重造成廢棄耕種[4]。

生態環境的部分退化加劇了脆弱的生態環境：瑪納斯灌溉區位于天山北麓，準格爾盆地南緣，遠離海洋，降水稀少，蒸發量大，氣候干燥，風沙和頻繁的災難。在灌溉區沙漠邊緣的某些地區，土壤侵蝕更為嚴重。綠洲的外圍受到風沙的嚴重侵蝕，植被逐漸減少，土壤層變薄，裸土和裸巖的面積增加，生態環境惡化，自然災害頻發，區域生態環境嚴重受損。

3 研究結果

3.1 土地利用類型

利用遙感數據和ENVI軟件的人工目視解譯功能，將1993、2006和2016年的土地利用覆蓋情況進行解譯，結果見圖1。

圖1 土地利用類型

瑪納斯河灌溉區位于典型的大陸干旱氣候區。總體水土流失問題較為溫和，但有些地區較為嚴重。根據調查，瑪納斯河灌區水土流失的類型主要是風蝕和水蝕。灌區的輕度侵蝕(包括輕度)侵蝕面積約占灌區總土地面積的58.81%。 對灌區人民的生產生活產生重大影響。瑪納斯河流域的沙漠和未利用土地主要集中在流域的中部和北部，那里的土壤侵蝕更為嚴重。但是，沙漠面積所占比例從33.85%下降至23.7%。見圖2。

圖2 土地利用類型占比

土地利用風險等級圖主要將已經得到的土地利用圖進行賦權處理，賦權值見表1。將土地利用按照賦值大小進行重分類，得到土地利用風險圖，見圖3。

圖3 土地利用類型下的水土流失風險圖

表1 賦值結果表

3.2 NDVI風險等級

植被是表征土壤侵蝕的間接有效指標，也是反映生態環境的重要指標。因此，選擇植被指數作為土壤侵蝕的生態風險評估因子之一。在這里，我們使用歸一化植被指數(NDVI)。本文基于遙感影像數據，利用ENVI和ArcGIS分別獲得1989、2000和2016年NDVI的水土流失生態風險評估分布圖。見圖4。

圖4 基于NDVI的水土流失風險等級圖

從圖4可以看出，瑪納斯盆地低風險地區集中在中部地區，但低風險地區的面積比呈逐年下降的趨勢。從1993年的37%到2016年的15%。極高風險地區顯示南部地區大量增加，而北部地區則減少。

3.3 生態指數

通過計算平均RSEI，1993、2006和2016年的生態環境質量指數分別為0.31、0.38和0.45。 RSEI值越大，生態環境質量越好。這表明在過去的20年中，流域的整體生態環境質量一直在不斷提高。從圖5可以看出，以紅色表示的區域生態環境質量較差，主要集中在沙漠、沖積扇和綠洲。該地區植被覆蓋率低，缺水，土壤貧瘠，生物量低，不適宜人類的生存與發展；以綠色為代表的生態環境質量好，集中在沖積平原上。該地區植被覆蓋率高，水文條件良好，適合人類生產和生活。該地區的土壤侵蝕程度也相對較重。見表2。

RSEI的不良品位主要分布在北部的沙漠地區、沖積扇的內部以及綠洲內未使用的土地。該地區植被覆蓋率低，缺水，地表裸露，地表溫度高，生態環境差。從1993到2006年，差異等級區域逐漸擴大。一方面是由于綠洲內差異坡度面積略有減少；另一方面是由于洪泛區沖積扇內部的差異坡度面積明顯增加所致，最終差異等級面積略有增加。

不良品位主要分布在沖積扇和綠洲內未利用的土地上。在過去的20年中，該地區持續減少，下降速度有所減緩。從1993年到2006年，由于沖積扇的生態環境惡化，大面積土地轉為劣質土地，面積大大減少。在某些地區，生態環境有所改善，從低等級到高等級。2006-2016年的放緩主要是由于沖積扇生態環境質量的穩定和某些地區的改善，減緩了下降的速度。

圖5 生態指數影像圖

表2 遙感生態指數RSEI的均值變化

4 水土流失對策

為了保護和改善灌區的生態環境和農業生產條件，水土保持管理將帶動社會和生態效益，促進灌區資源、環境和社會經濟的協調發展。同時，針對灌區水土流失的兩種主要類型，提出以下水土保持措施：

1) 建立防風固沙旱林。為了減緩和防止沙漠進一步發展到綠洲，建立防風沙固旱林，在綠洲和灌溉區的沙漠植被交界處融合喬木、灌木和草。風沙向農業地區發展。防風固沙的干旱森林使用地表水和地下水進行灌溉。

2) 大力建設農田防護林。目前，灌區農田防護林建設已取得一定成果，但仍存在防護林不足、結構不合理、樹木成活率低、樹齡大等現象。還需要進一步改善林業結構，促進農田林網的標準化，增加農田防護林建設改造和升級的強度，并提高灌區的抗風沙能力。

3) 灌區水土流失主要存在于河道和瑪納斯河兩岸流經地區，可以采取防洪堤和護岸工程，防止水土流失。通過建設堤防和防洪堤，對河道兩岸的耕地和居民區進行有效保護。

5 結 論

通過對瑪納斯流域的水土流失現狀進行分析，利用三期遙感影像數據和溫濕度等數據，對瑪納斯流域的土地利用、植被覆蓋的水土流失風險進行評價，計算出生態指數RSEI，平均值從1993年的0.31升高至2016年的0.45。可以較為明顯地觀測流域的生態環境變化情況。并最終提出針對瑪納斯流域的水土流失治理對策，為區域的水土保持提供科學依據。