川西北土地沙化區生態環境質量遙感動態監測

高 飛, 李娜娜, 駱勁濤

(四川省林業和草原調查規劃院, 成都 610000)

生態環境是人類賴以生存的物質基礎，也是區域社會經濟發展的基礎與核心[1]。在自然條件變化和人類活動的雙重影響下，區域范圍內出現了土地沙化、水土流失、森林減少、生物多樣性喪失等各種生態環境問題[2-3]。其中，土地沙化直接導致土壤細顆粒含量減少、土地生產力退化、土地資源銳減，進而加劇沙區人民貧困，給國民經濟和社會可持續發展造成了極大危害[4-7]，被列為全球十大環境問題之首[8]。四川位于長江上游，生態環境質量狀況會對長江下游地區產生巨大影響[9]。長期以來，受全球氣候變化和人類活動影響，以川西北為主的土地沙化呈蔓延趨勢，區域生態惡化加劇，嚴重影響群眾生產生活、制約區域經濟社會發展，成為全面建成長江上游生態安全屏障的重點、難點和焦點[10-11]。2007年四川省啟動防沙治沙工程，累計投資逾12億元用于沙化土地治理(http:∥www.sc.gov.cn/10 462/12 771/2 017/8/31/10 432 234.shtml)。川西北沙化土地區生態環境質量如何，防沙治沙工程實施前后生態環境質量究竟發生了怎樣的變化，防沙治沙工程的實施是否發揮了應有的治理作用，對于政府部門來說都是亟需回答的問題。

目前，對川西北高寒草原的土地沙化現狀、動態變化與驅動力、沙化成因、沙化土壤特征、沙化治理措施及成效評估等方面進行了較多的研究[12-16]。但大部分有關土地沙化治理成效的研究，主要是通過地面調查的方式，對沙化治理后的植被蓋度、造林保存率、沙障保存率等進行調查，或對沙化治理后的土壤基本理化性質等進行研究，研究結果揭示治理后生態系統某一方面的特征，尚不能說明治理對生態環境的綜合作用；且研究區面積較小，把川西北整個土地沙化區域作為一個整體進行治理成效動態監測的研究還較欠缺。為此，本研究以川西北沙化土地作為研究對象，選取治理前(2004年)和治理后(2014年)的Landsat的TM和OLI影像，通過構建遙感生態指數(RSEI)評價模型，分析沙化土地治理前后生態環境質量時空動態變化，旨在為川西北沙化土地生態環境的治理與保護及相關政策法規的制定提供科學依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

川西北土地沙化區域包括四川省阿壩藏族羌族自治州和甘孜藏族自治州的31個縣，位于長江、黃河上游水系的源頭，地處青藏高原東南緣與四川盆地相交的山地峽谷連接地帶，地勢高聳，地形復雜。其中西北部為川西北高原，氣候寒冷，無明顯四季，冬季漫長，幾乎全年無夏，年均溫-2.5～6℃，降水主要集中在6—8月，年降水量500～800 mm，年蒸發量1 000 mm以上，適宜各種耐寒牧草的生長，繼而發育成高寒草甸；東南部為高山峽谷，溝谷地勢較低，氣候溫和，年均溫11.5℃，年降雨量500～600 mm，植被稀疏，主要由耐旱植物組成。川西北沙區人煙稀少，草地資源豐富，以畜牧業為主要產業。

1.2 數據來源

遙感影像數據下載自中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺(http:∥www.gscloud.cn)，分別為2004年和2014年的TM，OLI數據，每期為16景，共32景遙感影像。通過選擇7—9月間云量在0.2以下的影像數據，保證了植被、氣溫等因素在相似季節具有相似狀態，使研究結果具有可比性。影像預處理基于ENVI 5.3平臺，分別進行輻射校正[17-18]、大氣校正、影像鑲嵌、配準等預處理，在此基礎上進行研究區的裁剪。

1.3 研究方法

RSEI是完全基于遙感信息綜合反映研究區域生態環境質量的指數[19]。該指數耦合了濕度、綠度、干度和熱度4個可直觀判斷生態環境優劣的指標，快速獲得區域生態環境質量狀況。這4個分量指標通過利用遙感影像技術，獲取濕度指數(WET)、歸一化植被指數(NDVI)、建筑物—裸土指數(NDBSI)和地表溫度(LST)來代表。對各個分量指標進行標準化消除量綱上的差異后，借助遙感軟件進行主成分分析，根據不同因子對主成分的貢獻率，自動、客觀地給構建遙感生態指數的每個因子賦予不同的權值，建立RSEI評價模型，避免主觀經驗賦權值造成的偏差。RSEI的函數表示：

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

(1)

各分量指標內涵及計算公式為：

(1) 濕度指標(Wet)：由遙感纓帽變換所獲得的濕度分量代表，反映水體、土壤和植被的濕度?；赥M影像濕度指數的計算公式參見文獻[20]，基于OLI影像的濕度指數計算公式參見文獻[21]。

(2) 綠度指標(NDVI)：由歸一化植被指數(NDVI)代表，定量反映了地表的植被狀況[22]。

(3) 干度指標(NDSI)：選用建筑指數IBI和裸土指數SI合成干度指數，代表土壤干化程度[23]。

(4) 熱度指標(LST)：由經比輻射率校正的溫度來表示。溫度在一日之內變化性大，基于每日絕對溫度值之間的LST對比可能不可靠，因此將其正規化后再進行比較[24]。

1.3.1 遙感生態指數的構建

(1) 分量指標的標準化處理。為減少4個指標量綱的不同對遙感生態指數結果的影響[25-26]，分別對這4個指標進行正規化處理，公式為：

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

(2)

式中:NIi為各個指標的正規化處理結果;Ii表示各個指標在像元i的數值大小;Imax和Imin分別為各指標統計的最大值和最小值。

(2) 遙感生態指數的計算。4個指標經正規化處理后，借助遙感軟件進行主成分分析，根據不同因子對主成分的貢獻率，自動、客觀地給構建遙感生態指數的每個因子賦予不同的權值，避免主觀經驗賦權值造成的偏差[27]。

(3)

式中:ωi為第i主成分的貢獻率;PCi為第i主成分。

根據標準化公式，將RSEI指數標準化到0～1，RSEI越接近于1，代表生態環境越好。

1.3.2 生態環境質量分析 參考徐涵秋的研究結果[19]，將RSEI數值分為優(0.8～1.0)、良(0.6～0.8)、中(0.4～0.6)、較差(0.2～0.4)和差(0～0.2)等5個等級，統計2004年和2014年各等級相對應的面積和比例；然后將2004年、2014年的RSEI等級圖進行疊加分析，進行差值變化監測，分析研究區生態環境質量變化的時空分布。

2 結果與分析

2.1 遙感生態指數的主成分變換

由表1可知，在2004年、2014年兩個時期中，研究區濕度、綠度、干度和熱度的第一主成分和第二主成分對遙感生態指數(RSEI)的貢獻率合計均超過85%，表明第一主成分和第二主成分已經集成了4個指標中絕大多數和生態環境質量相關的信息。在兩個年份的第一主成分中，代表綠度的NDVI和代表濕度的WET指標都為正值，說明二者與生態環境質量呈正相關關系；代表干度的NDSI和代表熱度的LST指標都為負值，它們與生態環境質量呈負相關關系，這與實際情況相符。

2.2 生態環境質量狀況總體評價

表2可知，2004年川西北土地沙化區的RSEI均值為-0.059 8，2014年為-0.068 6，下降了14.72%，說明川西北土地沙化區的生態環境質量發生了一定程度的退化。

從4個指標變化情況來看，對生態指數起到正面影響的綠度和濕度指標，表現為不同的變化趨勢，其中濕度均值呈增加趨勢，增加了36.19%；綠度均值呈下降趨勢，下降了12.76%；對生態指數起負面作用的干度和熱度指標表現為不同程度的上升，分別上升了89.28%和6.45%。由此可見，總體表現為濕度的增加對生態環境質量正面影響增強，綠度、干度和熱度的變化對生態環境質量的負面作用加劇，負面因素的作用相對較強，促使川西北土地沙化區RSEI的下降，生態環境質量發生了退化。

表1 2004年、2014年各生態指標主成分分析

表2 2004年、2014年4個指標和遙感生態指數 RSEI的均值變化

2.3 生態環境質量分級

由表3可以看出，2004年，川西北沙化土地總體生態狀況以較差等級和中等級為主，面積占比分別為48.83%和38.42%，其次為差和良等級，分別為6.88%和5.73%，優等級的區域占比很小，僅為0.15%；到2014 年，川西北沙化土地的生態狀況發生了較為明顯的變化，整體來說生態質量中和差等級的占比減少，分別較2004年減少1.91%和1.30%，優、良和較差等區域占比增加，分別增加0.7%，1.77%和0.72%，整個研究區的生態環境質量下降。

2.4 生態環境質量變化的空間分布

變化監測的結果說明(表4)，川西北沙化土地區域RSEI空間分布以代表生態不變的斑塊為主，代表生態改善和生態退化的斑塊較少。2004—2014年，川西北土地沙化區生態環境質量主要表現為生態不變，占比達96.79%；生態改善總面積和退化總面積占比分別為1.25%和1.96%，生態退化總面積大于生態改善總面積。生態退化區域的空間分布呈現出分散狀，生態改善區域呈總體分散、零星聚集的特征，聚集區域主要位于沙化土地區的西北部。

表3 2004年、2014年RSEI等級面積變化

表4 不同時期RSEI差值變化監測

3 討 論

3.1 川西北土地沙化區生態環境質量的變化

本研究通過構建遙感生態指數(RSEI)，開展了2004—2014年川西北地區沙化土地的生態環境質量變化時空監測。研究結果顯示，10 a間RSEI均值下降了14.72%，生態環境質量總體呈下降趨勢。四川省第五次荒漠化和沙化監測數據也顯示，相較于2004年、2014年川西北沙化土地面積增加79 805.5 hm2，沙化程度增加(半固定沙地增加1 203.7 hm2，固定沙地增加92 243.2 hm2)[28]；土地沙化會破壞土壤結構、降低土壤肥力，破壞土壤微生物生存環境[29-30]，且隨著沙化程度的加劇，對土壤的這些影響進一步加大[14,31]；而土壤的這些變化直接導致其植被覆蓋度急劇下降[13,32]，區域生態環境質量退化[33-34]。

3.2 防沙治沙工程實施對生態環境的影響

在RSEI變化結構上，相較于2004年，2014年研究區內差等級比例減少，優、良等級比例增加。主要是由于自2007年起，四川實施了川西北防沙治沙工程，通過采取生物措施(植灌種草)和工程措施相結合的方法，使54 463 hm2的沙化土地的植被得到了一定程度的恢復[28,35]，改善了區域生態環境質量；此外，較差等級比例增加，表明沙化程度增加，與四川省第三次(2004年)和第五次(2014年)荒漠化和沙化監測結論一致。在RSEI空間分布上，生態改善區域呈總體分散、零星聚集的特征，聚集區域主要位于土地沙化區西北部的石渠縣和若爾蓋縣。石渠縣的沙化類型主要為露沙地，以輕度沙化為主，但沙化發展速度較快，是川西北防沙治沙工程實施的重點區域；自2008年以來石渠縣每年均實施防沙治沙工程項目，至2014年來共完成沙化治理面積7 954 hm2，較好地起到了增加植被覆蓋度的作用。因此，防沙工程的實施有效提高了區域生態環境質量。但由于川西北沙化土地面積較大，而工程治理的區域僅占其面積的2.67%[28]，加之沙化土地的治理是一項復雜、長期的生態工程，短期并不能顯著改善其特征[11,35]，但隨著治理年限的增加，植物種類、多樣性指數、群落總蓋度以及地上部分生物量將逐年增加[36-37]，治理區域的生態環境質量將得到逐步改善。

4 結 論

(1) 川西北沙化土地區的RSEI 2014年比2004年有所降低，表明研究區生態環境質量發生了一定程度的退化，主要原因是沙化土地面積和沙化程度的增加所致。(2) 防沙治沙工程實施區縣的生態環境質量得到了改善，且優、良等級比例增加，因此川西北防沙治沙工程的實施對改善區域生態環境質量起到了重要的作用。

本研究由于數據獲取來源等方面的限制，仍存在一定的不足之處。首先，僅對整個川西北沙化土地區的生態環境質量進行了監測，要全面評估防沙治沙工程的治理成效，還應進一步對工程實施區域的生態環境質量進行監測。其次，為了同四川省荒漠化和沙化監測數據進行對比、分析，本研究僅選擇了與其同期的2期影像數據，未來可結合第六次全省荒漠化和沙化監測數據，對生態環境質量進行更長時間的監測。