和田市生態環境質量時空演變分析

卡吾恰提·白山，王雪梅,2，黃曉宇

(1.新疆師范大學地理科學與旅游學院， 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區重點實驗室“新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室”，烏魯木齊 830054；3.新疆師范大學地理科學與旅游學院，烏魯木齊 830054)

【研究意義】黨的十八大以來，習近平總書記從生態文明建設的整體視野提出了“山水林田湖草是生命共同體”的論斷，強調要“全方位、全地域、全過程開展生態文明建設”，生態環境保護越來越受到社會各界的廣泛重視。如何有效提升生態環境質量，推動生態文明建設，生態環境監測無疑是至關重要的一步[1]。【前人研究進展】目前國內外關于生態環境質量監測與評價的方法較為豐富，而遙感信息技術憑借其獲取信息時序短，監測區域范圍較大的優勢在生態環境領域得到了廣泛的應用，是一種便捷且有效評價區域生態環境質量的研究手段[2-3]。其中徐涵秋[4]提出的新型遙感生態指數(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)是一種完全基于遙感信息的綜合生態指數，該方法在監測與評價區域生態環境狀況中具有一定的優勢和應用價值。王勇等[5]基于遙感生態指數對近20 年丹江流域(河南段)的生態質量動態變化進行監測，結果表明該區域生態質量得到明顯改善，同時得出了植被覆蓋度的增加和建設用地的擴張與生態質量狀況之間有密切聯系的結論。候進平等[6]利用遙感影像和溫濕度等數據，計算出遙感生態指數(RSEI)并對瑪納斯河流域不同土地利用和植被覆蓋的水土流失風險進行了客觀評價。近年來基于遙感技術背景下的生態環境質量評價研究多見于森林保護區、流域單元以及城市建成區，而關于長時間序列下的城鎮化區域生態環境評價研究相對較少[7]。【本研究切入點】和田市位于我國西北地區，作為“一帶一路經濟帶核心區”的中心城市，其生態環境健康快速發展將會大大促進“一帶一路”倡議的順利完成以及新疆社會穩定和長治久安總目標的實現。作為人地關系矛盾突出、自然條件十分惡劣、水資源短缺，生態環境極為脆弱的欠發達地區，近幾十年來隨著人口的不斷增加，有限的自然資源和脆弱的生態環境導致和田市出現了一些嚴重的生態問題，對當地社會經濟的可持續發展和生態環境的改善構成了重大威脅[8]。【擬解決的關鍵問題】為探討城鎮化進程中的和田市生態環境問題，本研究基于遙感技術，提取綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDBSI)和熱度(LST)4個重要指標，采用主成分分析法( SPCA)構建遙感生態指數并從自然和人為因素的共同干擾，對和田市近20年生態環境質量的時空演變規律進行定量評價，以期為和田市生態保護與環境恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

和田市位于新疆維吾爾自治區西南端，東經79°50′20″～79°56′40″，北緯36°59′50″～37°14′23″，地處昆侖山與塔克拉瑪干沙漠交界，地勢南高北低，并由西向東緩傾，是和田地區的行政、經濟、文化、教育、貿易中心和交通樞紐，也是古絲綢之路南道上的重鎮，自古就有“絲路明珠”的美稱[9]。屬溫帶大陸性極端干旱氣候，年降水量為28.9～47.1 mm，蒸發量高達2198～2790 mm，降水稀少而蒸發強烈且多風沙的氣候特征形成了該區生態環境十分脆弱的現實狀況(圖1)。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數據來源

研究采用和田市2000—2019年Landsat系列的遙感影像，2000、2005年使用的是Landsat7 ETM數據，2010年使用的是Landsat5 TM數據，2015、2019年使用的是Landsat8 OLI數據，數據來源于美國地質調查局(United States Geological Survey, USGS)網站。為保障分析結果的精確性，5期數據都為夏季7—8月份影像，選取了積云量少于10%、紋理豐富、特征明顯且信息可讀性高的遙感影像為研究數據。由于在美國 UGUS 網站上得到的衛星影像數據已通過系統的輻射和幾何校正，為了進一步提高影像數據的準確性和精度，針對選取的5景影像分別進行了輻射定標、大氣校正和裁剪處理等操作。本研究降水量與氣溫數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn)，人口與經濟數據來源于新疆統計局。

1.3 研究方法

遙感生態指數(RSEI)是完全基于遙感信息和自然因素的一種指標，無需人為設定權重，具有容易獲得，客觀、快速、簡便等優點，其計算過程采用主成分分析的方法，最終計算結果可以進行合理定義并對研究區生態環境質量進行定量分析與評價[10]。本研究通過對和田市2000—2019年Landsat(ETM/TM/OLI)系列遙感影像，分別提取綠度、濕度、干度和熱度4個生態指標，并對其歸一化處理后，運用 ENVI 軟件采用主成分分析方法計算遙感生態指數(RSEI)，并對和田市近20年以來的生態環境質量進行監測與評價。

1.3.1 綠度 綠度指標代表了地表植被覆蓋和生長情況，是反映區域生態環境質量的敏感因素[11]。常采用歸一化植被指數(NDVI)作為綠度指標，其計算公式如下：

NDVI=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED)

(1)

式中:ρNIR和ρRED分別為遙感影像的近紅外和紅波段的反射率。

1.3.2 濕度 濕度指標與生態環境質量之間有著緊密的聯系，濕度越低，說明研究區土地退化情況越嚴重，植被覆蓋度越低，生態環境惡劣；反之，濕度較高則說明土壤中水分更加飽和，植被覆蓋度越高，生態環境良好[10]。由于Landsat5 TM、Landsat7 ETM和 Landsat8 OLI影像的傳感器不同，本研究中的濕度指標(WET)提取公式則不同，具體公式如下[12]：

WET=B1ρBLUE+B2ρGREEN+B3ρRED+B4ρNIR-B5RSWIR1-B6ρSWIR2

(2)

式中：ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為TM/ETM和OLI影像藍、綠、紅、近紅外、短波紅外1、短波紅外2波段的反射率。由于傳感器不同，則參數也不同，B1～B6在TM 數據中分別為0.0315、0.2021、0.3102、0.1594、-0.6806、-0.6109；ETM數據中為0.2626、0.2141、0.0926、0.0656、-0.7629、-0.5388；OLI 數據中分別為0.1511、0.1973、0.3283、0.3407、-0.7117、-0.4559。

1.3.3 干度 地表的“干化”通常由裸土和建筑用地造成，所以，將裸土指數(SI)和建筑指數(IBI)進行綜合后表示干度(NDBSI)，計算公式如下[13]：

(3)

(4)

(5)

式中：ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1分別表示影像在藍、綠、紅、近紅外、短波紅外 1 波段的反射率。

1.3.4 熱度 對地表溫度進行反演所得結果可用來表示熱度指標(LST)。采用Landsat用戶手冊的模型以及Chander等最新修訂的定標參數進行計算地表溫度[14]：

L=gain×DN+bias6

(6)

T=K2/In(K1/L+1)

(7)

式中：L為 TM 熱紅外波段在傳感器處的輻射值；gain、DN 和 bias分別代表熱紅外波段的增益值、像元的灰度值與熱紅外波段的偏置值；K1和K2為定標參數；T為傳感器處溫度值。經過公式(6)和(7)得到溫度T，再通過地表比輻射率轉換為地表溫度，計算公式為[15]：

LST=T/(1+(λT/ρ)Lnε)

(8)

式中：LST代表地表溫度，λ為熱紅外波段中心波長，ρ=1.438×10-2m·k，ε為地表比輻射率。

1.3.5 RSEI 遙感生態指數(RSEI)集成了多種遙感生態指標因素，其大小可直觀判定生態環境質量的優劣，常用于區域生態環境狀況的監測與評價[14]。該指數選取與人們日常生活較貼切的4個生態因子即：綠度、濕度、干度以及熱度，為了避免不同生態因子之間量綱的影響，將上述 4 個指標進行歸一化處理[16]。通用歸一化公式為：

NIi=(Ini-Imin)/(Imax-Imin)

(9)

式中:NIi為上述 4 個指標歸一化后的數值；Ini為該指標在像元n處的數值；Imax為該指標的最大值；Imin為該指標的最小值，歸一化后各指標的數值范圍應在[0，1]。

繼而采用主成分分析的第1主成分生成 RSEI0。為了對不同時間階段的RSEI進行對比分析，將 RSEI0再進行標準化處理，最終得到RSEI，構建RSEI模型的函數為：

RESI0=1-PC1(G,W,D,T)

(10)

RSEI=(RESI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(11)

式中：PC1是主成分分析的第一主成分，G表示綠度指標；W表示濕度指標，D表示干度指標；T表示熱度指標；RESI0min是RESI0的最小值；RESI0max是RESI0的最大值。

該模型首先利用ENVI軟件提取4個生態指標因子之后，運用主成分分析法對各指標賦予權重，從而消除因主觀因素引起的權重不均的情況。最終結果可直觀展示出不同年份生態環境的動態變化，達到快速、準確進行區域生態環境質量評價。

2 結果與分析

2.1 和田市生態環境質量評價

通過對和田市5期Landsat系列影像數據進行處理，得到各年份4個生態指標，并利用 ENVI 軟件中主成分分析模塊進行主成分分析。從表1可以看出，研究區5個年份主成分變換后第1主成分(PC1)貢獻率均較高，分別為 81.69%、82.98%、98.26%、76.35%和 82.61%，可以說明變換后第1主成分已經涵蓋了原影像大部分屬性特征。除2005年外，其它年份第1主成分PC1的綠度與濕度的貢獻率都為正值，即可認為反映植被覆蓋度與降水量的綠度和濕度指標與生態環境質量之間存在一定正比例關系。而5個年份PC1熱度與干度的貢獻率絕大多數為負值，說明地表溫度與土壤干度與生態環境質量之間存在反比關系，與實際情況相符合。從單項指標來看，綠度指標貢獻率在整個研究期間呈現下降趨勢，說明和田市植被覆蓋狀況在逐漸惡化，生態環境質量變差。雖然濕度指標在整個研究期間呈現上升趨勢，但是對于和田市生態環境質量沒有質的貢獻。由干度和熱度指標變化過程分析，說明和田市地表植被覆蓋稀疏、土地沙化和城鎮化等問題嚴重，生態環境質量呈惡化趨勢。

根據研究區不同年份的生態指標由公式(9)～(11)計算出遙感生態指數(RSEI)并進行歸一化處理，最終得到各年份生態指標均值。由表2可知，綠度指標在 2000—2019年間呈現波動趨勢，2005年綠度指數達到最高為0.612，2015年達到最低為0.307。濕度指數的均值呈先上升后下降的趨勢，2015年達到最高為 0.852，2000年達到最低為0.543。干度指標總體則呈下降趨勢，2000年最高為 0.793，2019年最低為0.490。熱度指標持續上升，2019年最高達到了0.291。2000—2019年間干度指標的下降說明和田市在近20年來裸土地有所減少；而熱度的增加說明20年間和田市地表硬化等情況有所增加，城鎮化進程在加劇。遙感生態指數(RSEI)呈現波動趨勢，在2000年達到最高為0.477，在2010年達到最低為0.360。RSEI在2000—2019年間總體呈現下降趨勢，說明和田市生態環境質量在近20年來呈現惡化的趨勢。

表1 各指標主成分分析

為了更直觀、準確評價和田市的生態環境質量，將和田市遙感生態指數(RSEI)以 0.2 為區間，劃分為5個不同的生態環境質量等級，分別是Ⅰ：0～0.2為極差、II：0.2～0.4為差、Ⅲ：0.4～0.6為中等、Ⅳ：0.6～0.8為良好、Ⅴ：0.8～1為優。并通過不同等級的數量變化對和田市生態環境質量進行評價。由圖2、表2可以分析出，2000—2019年間，和田市遙感生態指數(RSEI)均值呈先下降再上升到再下降的趨勢，遙感生態指數總體平均水平較低，依次為0.477、0.394、0.360、0.466和0.381，說明該城市整體生態環境質量較低，綠化程度不高。而生態環境質量等級差和較差的區域始終集中在和田市的東北部和西南部地區以及有人類居住的中部地區，地表類型主要表現為未開發的裸巖及已開發的建筑用地等。說明隨著城鎮化進程的加快，地表植被覆蓋度較為稀疏，市區人口稠密，生態環境遭到嚴重破壞。自2000—2019年來，和田市生態環境質量各等級總體變化較大，生態環境質量整體呈現先上升后下降，再上升后下降的波動趨勢，2019年和田市RSEI等級為優的區域顯著減少，生態環境質量差的區域呈顯著增加，總體呈現出生態環境質量惡化的趨勢。

表2 不同年份各生態指標與RESI歸一化均值統計

Ⅰ: 差；Ⅱ: 較差； Ⅲ: 中；Ⅳ: 良；Ⅴ: 優 Ⅰ: Worst; Ⅱ: Worse; Ⅲ: Middle; Ⅳ: Better; Ⅴ: Best圖2 遙感生態指數等級空間分布Fig.2 Spatial distribution of remote sensing ecological index

由表3可以看出，2000—2019年間，和田市生態環境質量為優和良好等級的面積合計占比最低為14.60%、最高可達42.30%，而等級為極差和差等級的區域面積合計占比最低為38.20%、最高為53.50%，表明和田市整體生態環境質量等級較低，生態環境質量較差。自2000—2010年以來，和田市生態環境質量極差和差的區域面積一直在快速增加，分別增長了2.40% 和12.90%；而在2010—2019年間，極差生態環境質量的區域面積呈大幅度下降，差的區域面積在大幅度增加，等級優和良好的區域處于持續下降的趨勢。且等級為優的區域占比在2000年達到了達到最高，為 10.70%；2010年達到了最低，為0.80%。生態環境狀況較差的地區主要分布于和田市北部、和田河沿岸人類居住區和中部的人口稠密區以及裸土區域，說明人為的農業生產經營活動與植被所覆蓋狀況會對其生態環境質量的優劣有明顯的影響；而未受到人類活動影響的區域，其生態環境質量主要受限于自然條件的約束。

表3 不同生態環境質量等級面積和比例

2.2 和田市生態環境質量的時空變化分析

為進一步分析和田市生態環境質量的動態變化過程，在和田市不同年份生態環境質量評價的基礎上，對不同年份的遙感生態指數(RSEI)進行差值處理，并將結果分為7個等級，分別為Ⅰ：[-1，-0.4]急劇變差，Ⅱ：[-0.4，-0.2]明顯變差，Ⅲ：[-0.2，-0.05]略微變差，Ⅳ：[-0.05，0.05]無明顯變化，Ⅴ：[0.05，0.2]略微變好，Ⅵ：[0.2，0.4]明顯變好，Ⅶ：[0.4，1]急劇變好。由圖3可以看出，在2015—2019和2000—2019年間，研究區生態環境質量下降明顯；2010—2015年間，和田市生態環境質量有明顯好轉。研究區生態環境質量明顯變差和急劇變差的區域主要集中在和田河沿岸人類居住區和中部的人口稠密區以及沙化的裸地；略微變差的部分主要在研究區東部、西部地區和人口聚集區；無明顯變化主要集中在中部和東北部戈壁；由于人口增長使得部分裸地變耕地，略微變好的區域主要在研究區東北部的戈壁地帶；明顯變好的區域主要分布在草地或林地以及沼澤處；急劇變好的區域主要為研究區東南部的戈壁。近20年來和田市生態環境質量變差和變好的區域錯綜復雜地交織在一起，生態質量不夠穩定，總體表現為生態環境質量有所下降。

Ⅰ：急劇變差； Ⅱ：明顯變差；Ⅲ：略微變差；Ⅳ：無明顯變化；Ⅴ：略微變好；Ⅵ：明顯變好；Ⅶ：急劇變好Ⅰ:Rapidly worse; Ⅱ:Obviously worse; Ⅲ:Slightly worse; Ⅳ:No change; Ⅴ:Slightly better; Ⅵ:Obviously better; Ⅶ:Rapidly worse圖3 遙感生態指數變化檢測Fig.3 Detection of remote sensing ecological index changes

由表4可以看出，2000—2005年間，和田市生態環境質量無明顯變化所占比例最大，為59.21%，急劇變差區域所占比例最低，僅為0.04%；在2005—2010年間，無明顯變化和略微變好區域占比最高，分別為63.68% 和24.42%，急劇變差比例最小為0.04%；2010—2015年間，略微變好區域占比最高為42.18%，說明2000—2015期間研究區生態環境質量好轉明顯。在2015—2019年間，略微變差區域占比最高，急劇變好和明顯變好區域占比較小，研究區生態環境質量向惡化趨勢發展。在整個研究時段內，研究區生態環境質量表現為略微變差等級面積最大，占比為37.03%，其次為無明顯變化，比例為 23.60%，生態環境質量變好的3個等級所占的面積比例僅為18.03%，研究區生態質量下降明顯。和田市生態環境質量變差的3個等級所占的面積比例高達58.37%，表明城鎮化對生態環境起一定的負面作用。部分裸地的生態環境質量等級由差變好，表明植樹造林以及城市綠化工程對生態環境起著重要的影響。

表4 2000—2019 年和田市生態環境質量各等級變化統計

3 討 論

由于生態環境質量容易受到多種因素的影響, 因此在描述區域生態環境質量狀況的過程中需要從多方面進行考慮，只用單方面或者某2個生態因子去反映區域的生態環境質量變化并不十分客觀。因此，本文在上述研究的基礎上又從自然因素與人為因素兩個方面來分析和田市近20年來的生態環境質量。

3.1 影響和田市生態環境變化的自然因素

提取4個主要的生態因子，即綠度、濕度、熱度和干度構建出來的RSEI較好的反映出和田市的生態環境質量狀況。降水量與平均氣溫是能夠影響區域的植被覆蓋狀況，進而影響區域的生態環境質量的主要的兩個因子。由圖4可以看出，和田市將近20 年的年降水量和年平均氣溫呈現上升的趨勢，說明和田市氣候有暖濕發展傾向。但在人類活動的影響下，全市的干度指數不減反增，說明氣候暖濕化發展并沒有對和田市生態環境產生積極作用。

圖4 2000—2019年和田市年降水量與平均氣溫變化Fig.4 Rainfall and mean temperature change of Hotan city from 2000 to 2019

在整個研究區域中, 植被覆蓋度與降水量的綠度和濕度指標與生態環境質量之間存在一定的正比例關系, 地表溫度與土壤干度與生態環境質量之間存在反比關系，這與全球氣候變化背景下，中國西北干旱區氣候呈現明顯的熱島效應相對應。在研究期間內對生態環境呈正比例關系的濕度對 RSEI 指數的貢獻率最小, 主要是由于研究區屬于典型的干旱區, 近百年來，地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化，我國的氣候變化與全球氣候變化的總趨勢基本一致。和田市處于中國西北地區，具有干旱少雨的特征，50 年來溫度升高受全球變暖影響較大。2000—2019年，和田市熱度指標呈不斷上升趨勢，表明氣溫升高， 氣候干燥，造成土壤缺水，嚴重影響植被生長狀況，從而影響了和田市生態環境質量。

3.2 影響和田市生態環境變化的人為因素

如圖5所示，隨著人口的不斷增加與經濟的發展，進而對糧食等需求也不斷的加大。隨著引起耕地面積擴大與農業用水超量，這就引起大部分的河流春水徑流量和年徑流總量不斷的減少，萎縮大面積的積水湖泊，使靠湖泊生長的林地、草地等大量枯死使其面積大量減少，使風沙氣候增生等一系列的問題。加上和田市新老城區并動，實施工業化城市化帶動戰略，在很大程度上使工業用地和建設用地面積不斷擴張，一定程度上引起環境變化，從而使生態環境質量遭到一定的破壞。

圖5 2000—2019年和田市人口與GDP增長趨勢Fig.5 Hotan population and GDP growth trend from 2000 to 2019

前人關于生態環境的監測與評價方法較為豐富，遙感信息技術憑借其獲取信息時序短，監測區域范圍較大的優勢在生態環境領域得到了廣泛的應用[17]，是一種便捷且有效評價區域生態環境的研究手段[18]。本研究采用遙感生態指數(RSEI)對和田市生態環境質量進行評價，該方法在應用過程中，針對較大的水域面積需要剔除水體，從而避免主觀因素造成的偏差。由于和田市水域面積僅占總面積的4%，因此本研究沒有進行水體剔除，但研究結果仍能對和田市的生態環境變化進行客觀分析。同時，生態環境的變化受各種因素的綜合影響，一方面城鎮化發展對生態環境起負面作用；但另一方面，城市建設過程中施行嚴謹的生態保護和管理措施，可以改善和提高城市的生態環境質量。朱青等[19]綜合地形因子、氣候因子、土地利用類型和社會經濟4方面探討，得出坡度因子是影響該區域生態環境質量的最重要指標因子；本研究只選取自然與人文因素兩方面探討了影響和田市生態環境質量的因素，本研究在生態環境指標的選取上仍存在著一些不足，評價方法以及評價指標體系尚不夠科學全面。因此，在今后的研究中，還有待于進一步探索和構建科學、合理和全面的生態環境質量評價指標體系。

4 結 論

通過對和田市2000—2019年Landsat(ETM/TM/OLI)系列遙感影像，分別提取綠度、濕度、干度和熱度4個生態指標，采用主成分分析方法計算遙感生態指數(RSEI)，并對和田市近20年以來的生態環境質量進行監測與評價。①和田市RSEI均值由2000年的0.477下降至 2019年的 0.381，下降幅度達到20.12%，表明隨著經濟的發展，人口與工業趨于密集，人類活動活躍產生和排放了大量的污染物，進而導致了和田市生態環境質量的惡化。②通過進一步分析和田市生態環境質量的時空變化發現，2010—2015年生態環境質量變好的區域面積達到299.57 km2，占研究區總面積的64.38%，生態質量變差的地區總面積大約為32.51 km2，占研究區總面積的6.99%。生態質量無明顯變化的區域面積為133.20 km2，占比約為 28.63%。 2010—2015年間生態環境質量明顯變好，表明這期間和田市加大了自然環境保護力度，生態環境質量得到了逐步改善。③2000—2019年隨著人口數量的不斷增長，加劇了和田市的城市化發展，進而導致低生態環境質量等級的區域隨城鎮化發展的方向發生遷移，說明城鎮化進程對生態環境具有負面影響。和田市生態環境質量總體呈下降趨勢，生態環境問題亟待進一步解決，本研究為和田市生態保護措施與環境恢復提供參考依據。