基于RSEI的張掖市甘州區生態環境質量動態評估

張曉山，張旺鋒，高新宇，韋建芳，劉 影

（1.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州市城鄉規劃設計研究院，甘肅 蘭州 730000）

1 引 言

生態環境不僅是人類生存發展的基礎條件，還是經濟社會可持續發展的保障。科學客觀的生態環境質量評價可以對生態系統起到鑒定、診斷、引導、激勵、治理等作用［1］。在當前的生態環境質量評價方法中構建評價指標體系的方法較普遍，如岳思妤等［2］基于PSR模型對甘肅省涇河流域農村生態環境質量進行評價，發現該流域農村生態環境質量逐漸趨于好轉；Zhang等［3］采用層次分析法對五壘島灣國家濕地公園生態環境質量進行評價，發現五壘島灣國家濕地公園生態環境質量總體良好；岳樹梅等［4］從公眾參與視角分析黃河流域生態保護過程中存在的問題，從搭建法律平臺、細化獎懲機制等方面提出了黃河流域生態保護舉措。2015年環境保護部發布的《生態環境狀況評價技術規范》（HJ 192— 2015）中提出用生態環境狀況指數（EI）來評價區域生態環境質量狀況。廖晉一等［5］基于EI指數評價了2013年和2016年合肥市生態環境質量狀況，結果表明2013年和2016年合肥市平均EI值均大于60，生態環境質量整體良好。但采用EI指數時存在權重確定主觀性強及數據獲取較難的問題，關于該指數的應用還處在探索階段。隨著遙感技術的迅速發展，基于遙感影像的生態環境質量評價方法愈發被學者們重視，如姜仁貴等［6］融合多源數據構建了黃河流域灌區生態環境演變仿真系統，該系統提供灌區多源信息融合、生態環境監測等應用服務，可為灌區生態環境保護提供決策支持；徐涵秋［7］采用遙感技術提出遙感生態指數（RSEI），基于該指數分析了福州市主城區的生態環境質量變化情況，發現該指數的表征效果較好且具有數據容易獲取、不受人為因素干擾的優點。RSEI指數被國內外學者廣泛應用到城市［7－12］、流域［13－15］、沙漠［16－17］、草原［18］、自然保護區［19］、礦區［20－21］等的生態環境質量評價。

受干旱、風沙、水資源短缺等因素的制約，張掖市甘州區生態環境面臨土地沙化、鹽漬化、地下水水位下降、草場退化等諸多問題。甘州區坐落于祁連山、黑河濕地2個國家級自然保護區，加大這2個國家級自然保護區的保護與修復力度、筑牢國家西部重要生態安全屏障是張掖市甘州區面臨的生態建設主要任務。基于此，本文選擇甘州區為研究區，基于Landsat遙感影像采用RSEI指數對1991—2020年甘州區生態環境質量變化規律進行研究，利用地理探測器分析其生態環境質量影響因子，以期為西北干旱區綠洲城市及其他區域的綠色發展提供參考。

2 研究區概況

甘州區位于河西走廊中部，巴丹吉林沙漠南部邊緣，祁連山北麓，屬青藏高原、蒙古高原的過渡地帶，氣候屬典型的溫帶大陸性氣候。地理特征表現為“兩山夾一盆”，由南部祁連山、北部合黎山與龍首山、中部走廊平原組成，地勢為南北高、中間低，海拔為1 400～2 000 m。甘州區不僅是國家西部重要的生態安全屏障，更是綠洲經濟社會可持續發展的承載區，近年來黑河流域生態治理、祁連山國家級自然保護區生態修復取得了有效進展，甘州區生態環境質量明顯提升，但因其地處西北干旱區仍受諸多因素制約，生態環境承受壓力極大，保護綠洲生態環境、堅持走綠色發展道路、筑牢國家西部重要生態安全屏障任務依舊艱巨。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源

選取甘州區1991—2020年6—9月共7期的Landsat遙感影像（云量低于5%）作為主要數據源，Landsat遙感影像具有時間序列連貫性較好的優點，同時6—9月甘州區植被生長狀況良好，不同區域的植被覆蓋度差異較為明顯，便于RSEI的計算。Landsat遙感影像及數字高程模型（DEM）數據源自地理空間數據云，人口數據源自《甘州區統計年鑒》。

3.2 遙感生態指數（RSEI）

遙感生態指數（RSEI）是在4個生態指數的基礎上通過主成分變換得出的生態環境質量評價指標，4個生態指數包括綠度（NDVI）、濕度（WET）、干度（ND?SI）、熱度（LST）［9］，各生態指數的計算公式見表1。

表1 遙感生態指數計算公式

在對NDVI、WET、NDSI、LST進行耦合形成RSEI指數之前，需進行歸一化處理，公式為

式中：NIi為指標歸一化處理結果；Ii為第i個像元值；Imin、Imax分別為像元最小值、最大值。

采用主成分分析法對歸一化處理后的4個生態指數進行耦合，得到第一主成分PC1，即未經標準化處理的初始遙感生態指數（RSEI0）。對RSEI0進行標準化處理，得到RSEI，公式為

式中：RSEI0min、RSEI0max分別為RSEI0的最小值、最大值；RSEI值范圍為0～1，數值越接近1表示生態環境質量越好［11］。

3.3 景觀格局指數

采用景觀格局指數對生態環境質量空間格局變化狀況進行描述和分析，使用Fragstats 4.2軟件計算景觀格局指數，其包括斑塊密度（PD）、最大生態景觀斑塊指數（LPI）、景觀形狀指數（LSI）及集聚度指數（AI）4個指數。

3.4 空間自相關

空間自相關常被用于研究時空格局演變，分為全局自相關和局部空間自相關兩種類型，分別用全局Moran′s I指數、局部Moran′s I指數表示。采用GeoDa軟件計算甘州區的Moran′s I指數并繪制LISA聚類圖。

3.5 地理探測器

地理探測器是一種探測空間分異性以及揭示其背后驅動因子的統計學方法，由因子探測器、交互探測器、風險探測器和生態探測器4個探測器組成［22］，本文使用因子探測器和交互探測器分析各因子對生態環境質量的影響程度。

4 結果與分析

4.1 生態環境質量時間序列變化分析

統計計算的1991年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年甘州區RSEI值分別為0.306 9、0.294 0、0.297 2、0.324 2、0.337 3、0.354 3、0.368 0，這7 a的RSEI值一直較小，1991—2020年RSEI值整體在0.2～0.4范圍內波動上升，表明甘州區生態環境質量較差，但保持改善向好的趨勢。

參考《生態環境狀況評價技術規范》（HJ 192— 2015），依據RSEI值把生態環境質量劃分為5個等級：差（0～0. 2）、較差（0.2～0. 4）、一般（0.4～0. 6）、較好（0.6～0. 8）、好（0.8～1. 0），在此基礎上統計甘州區各典型年的生態環境質量等級面積及占比（見表 2）。

表2 1991—2020年甘州區各典型年的生態環境質量等級面積及占比

由表2可知，在時間尺度上，甘州區整體生態環境質量等級屬好的面積占比先下降后持續上升，到2020年面積為827.57 km2、占比為22.61%；較好等級面積占比在10%上下波動；一般等級面積占比在2010年之前變化較小，2010年之后迅速下降到2.35%；較差等級面積占比整體波動上升，從1991年2.38%上升到2020年8.54%；差等級面積占比整體表現為下降趨勢，從1991年65.58%下降到2020年55.83%，該等級的面積占比較大，使甘州區整體生態環境質量等級較低。1991—2020年甘州區生態環境質量較好和好這2個等級的面積占比之和從26.11%上升到33.28%，而較差和差這2個等級的面積占比之和從67.96%下降到64.37%，表明30 a內甘州區生態環境質量整體呈好轉趨勢。

1991—2020年甘州區各典型年的生態環境質量等級分布見圖1，可以看出，甘州區生態環境質量等級為較好的區域集中于甘州區中部，中部走廊綠洲盆地是甘州區主要的農耕區，地勢平坦、土地肥沃，黑河貫穿全境，灌溉條件便利，因此該區域植被覆蓋度高、生態環境質量較好。等級為一般和較差的區域位于綠洲北部的城鎮居民點附近，人類活動不可避免地會破壞生態環境。等級為差的區域位于北部平山湖蒙古族鄉、三閘鎮紅沙窩村北山坡灘以及南部神沙窩灘、安陽灘、新廟灘等地，這些區域地貌以荒漠戈壁、裸巖沙地為主，植被覆蓋度低，因此生態環境質量差。

圖1 1991—2020年甘州區各典型年的生態環境質量等級分布

4.2 生態環境質量空間格局變化分析

4.2.1 景觀格局變化特征

1991—2020年甘州區生態環境景觀格局指數（PD、LPI、LSI、AI）平均值的變化情況見圖2，1991—2010年甘州區總體生態環境景觀格局較穩定，2010年以后總體生態環境景觀格局變化較大，表明在甘州區發展過程中生態環境景觀斑塊數量增加，生態環境景觀格局趨于復雜，破碎化程度逐漸提高。

圖2 1991—2020年甘州區生態環境景觀格局指數變化情況

具體來看，等級為差的景觀格局PD和LSI在2010年前變化不大、2010年之后先上升后下降，LPI在21%上下波動，AI穩定在97.5左右，表明差等級對應的生態環境景觀格局斑塊在空間布局上較為集聚，景觀格局內部以少量大斑塊為主，2010年之后斑塊破碎化程度有所提高，景觀異質性增強；較差等級的景觀格局PD和LSI波動較大，而LPI和AI變化不明顯，說明較差等級的生態環境景觀格局斑塊先朝著破碎化方向發展后轉向集聚化發展；一般等級的景觀格局指數變化最明顯，表明一般等級的生態環境景觀格局在30 a內發生了明顯變化，斑塊破碎化程度持續提高；較好等級的景觀格局變化與較差等級的極為相似，斑塊布局也是先朝著破碎化方向發展后轉向集聚化發展；好等級的景觀格局指數變化不明顯，表明這個等級對應的生態環境景觀格局較穩定。

4.2.2 空間自相關

采用500 m×500 m的單元格網分析甘州區生態環境質量的空間自相關并繪制LISA聚類圖（見圖 3）。

圖3 1991—2020年甘州區各年度的生態環境質量LISA聚類圖

由圖3可知，1991—2020年甘州區Moran′s I指數都大于0.7且z（I）統計值（表示Moran′s I指數是否顯著）都高于臨界值（為1. 96），通過了顯著性水平為5%的檢驗，說明甘州區生態環境質量的空間分布并不是完全隨機的，而是存在顯著的相關性。整體上甘州區生態環境質量較好的高－高聚類區主要分布在中部綠洲，而生態環境質量較差的低－低聚類區分布在北部、南部未利用地。2015年之前甘州區生態環境質量的空間分布較穩定，2015年之后雖然中部高－高聚類區范圍擴大，但內部不顯著區域及低－高聚類區也明顯增多，表明2015年之后生態環境質量較好的中部綠洲高－高聚類的穩定性變差，這與該時期城鎮建設用地面積擴大有一定關系。

從局部來看，30 a內變化最明顯的區域有南端花寨鄉和安陽鄉（圖3紅色框），1991—2020年南端花寨鄉和安陽鄉呈現高－高聚類—不顯著—高－高聚類—不顯著—小范圍高－高聚類的空間集聚狀況，表明此區域的生態環境質量穩定性極差，極易受到自然及人為因素的擾動，原因是安陽鄉和花寨鄉海拔超過2 000 m，水資源匱乏，生態環境較脆弱；1991—2020年中部張掖市城區及工業園區（圖3綠色框）不顯著區域逐漸擴大，原因是30 a內隨著建設用地不斷擴大以及人類活動加劇，此區域的生態環境質量逐漸下降且范圍逐漸擴大；2005年西北部烏江鎮（圖3黃色框）形成高－高聚類合圍之勢，此處靠近黑河，土地肥沃，加上國有林場持續推進植樹造林工作，生態環境質量改善明顯。

4.3 生態環境質量動態變化分析

為對甘州區30 a生態環境質量變化進行深入分析，把生態環境質量的變化程度分為極度惡化、重度惡化、中度惡化、輕度惡化、基本不變、輕微改善、一般改善、明顯改善、顯著改善9個等級，在此基礎上統計1991—2020年甘州區各時段生態環境質量各級變化面積見圖4（未統計生態環境質量基本不變的面積）。1991—1995年甘州區生態環境質量改善面積（輕微改善、一般改善、明顯改善、顯著改善的面積之和，下同）占8.07%、惡化面積（極度惡化、中度惡化、重度惡化、輕度惡化的面積之和，下同）占12.24%，1995—2000年生態環境質量改善面積占9.72%、惡化面積占9.44%，2000—2005年生態環境質量改善面積占12.92%、惡化面積占5.64%，2005—2010年生態環境質量改善面積占11.38%、惡化面積占5.66%，2010—2015年生態環境質量改善面積占16.72%、惡化面積占10.73%，2015—2020年生態環境質量改善面積占14.17%、惡化面積占13.47%。30 a內甘州區生態環境質量整體呈改善趨勢，其中改善面積為7.62 km2、占比為20.81%，以輕微改善為主；惡化面積為3.42 km2、占比為9.35%，以輕度惡化和中度惡化為主。

圖4 各時段生態環境質量各級變化面積

1991—2020年甘州區各時段生態環境質量各級變化空間分布見圖5。

圖5 各時段生態環境質量各級變化空間分布

由圖5可知，1991—1995年甘州區生態環境質量整體表現為惡化，其中惡化區域主要分布在南端安陽鄉和花寨鄉，輕度惡化區域遍布整個綠洲，生態環境質量改善的區域較少，主要分布在綠洲西北部國有林場、龍首山以及東部、北部外圍；1995—2000年甘州區生態環境質量明顯改善的區域有平原堡國有林場、黑河附近以及東南部堿灘鎮石崗墩灘，一般改善、輕微改善的區域集中在中部綠洲以及南端安陽鄉、花寨鄉少部分區域，生態環境質量惡化的區域分布在北部龍首山以及南端安陽鄉、花寨鄉大部分區域、東部堿灘鎮綠洲部分區域以及中部綠洲外圍小部分區域；2000—2005年甘州區生態環境質量明顯改善，尤其體現在南端花寨鄉、安陽鄉以及東部堿灘鎮、西北部沙井鎮、烏江鎮、黑河附近，生態環境質量明顯變差的區域集中在中部城區以及東部堿灘鎮和上秦鎮的國有林場；2005—2010年甘州區中部綠洲生態環境質量整體明顯改善，僅北部東大山國有林場、城區附近、黑河部分區域以及南端安陽鄉、花寨鄉部分區域有所惡化；2010—2015年甘州區生態環境質量改善區域和惡化區域分布較為分明，中部綠洲大部分區域及東大山國有林場生態環境質量惡化，而綠洲東北部、東部外圍及南端花寨鄉、安陽鄉部分區域生態環境質量改善；2015—2020年甘州區中部城區及附近的新墩鎮、長安鄉、梁家墩鎮、上秦鎮以及南端安陽鄉、花寨鄉部分區域生態環境質量惡化，綠洲西側、東側以及東大山國有林場生態環境質量改善。

4.4 生態環境質量影響因子探測分析

4.4.1 單因子探測分析

引入地理探測器揭示影響生態環境質量的因子，以RSEI為因變量，選取人口密度、海拔、綠度、濕度、干度、熱度6個指標為自變量（因子），單因子探測結果見表3（其中q值代表影響因子對RSEI的影響程度，q值越大說明影響力越大）。整體來看，1991年、2000年、2010年對甘州區生態環境質量影響最大的因子都是干度，這與甘州區超過一半的區域為荒漠戈壁等未利用地有關，大面積植被覆蓋度較低的土地導致干度值較大，而2020年的主導因子變為綠度，原因是隨著“關井壓田”政策、“綠水青山就是金山銀山”理念的提出，促進了甘州區生態建設，綠洲逐漸向外圍擴展，使綠度的影響力超過了干度的。

表3 單因子探測結果

從1991—2020年各指標因子對應的q值變化情況來看，在所有因子中人口密度的q值偏小，但數值在逐漸增大，表明人類活動對甘州區生態環境質量的影響較小，但影響力在逐步提升；在所有因子中海拔的q值最小且隨時間變化不明顯，說明甘州區“兩山夾一盆”的地形對甘州區生態環境質量的影響較小；1991—2010年綠度和濕度的q值波動較小，2020年明顯減小，說明受降水等因素的影響，中部綠洲植被覆蓋度下降，對生態環境質量的影響有所降低；1991—2010年干度的q值超過0.95，到2020年驟降到0.822 3，說明1991—2010年大面積的荒漠戈壁制約著甘州區生態環境質量的提高，而2020年甘州區未利用地面積有所減小，使生態環境質量明顯提升；1991—2020年熱度的q值先增大后減小，表明氣溫對甘州區的生態環境質量較重要，但影響力在下降。

4.4.2 多因子探測分析

通過交互作用探測可反映出多因子交互作用對生態環境質量的影響，相比單因子，雙因子的交互作用增強了對生態環境質量影響的解釋力，分別將甘州區4 a的RSEI與6個因子進行交互作用探測，得出結果見圖6。1991年、2000年、2010年、2020年對甘州區RSEI影響最大的雙因子分別是濕度∩綠度、干度∩綠度、干度∩綠度、濕度∩綠度，此外綠度與其他所有因子的交互q值都明顯增大且都大于0.9，這說明綠度與其他因子的交互作用對甘州區生態環境質量的影響很大。值得注意的是，雖然人口密度和海拔對甘州區生態環境質量的影響較小，但雙因子交互作用下兩者交互q值明顯增大，說明受地形的影響，人類活動對生態環境質量的干擾能力明顯增強。以上結果表明，綠洲是甘州區維持生態環境質量的關鍵，而綠洲之上的人類活動影響著綠洲，從而影響甘州區整個生態環境質量并且這種影響力在逐漸增強，因此需要重視人類活動對甘州區生態環境質量的影響，充分發揮其有利的一面，減弱其造成的負面影響。

圖6 多因子探測結果

5 結 論

基于甘州區1991—2020年7期Landsat遙感影像，利用RSEI指數對甘州區生態環境質量進行動態評估，得出以下結論。

（1）30 a內甘州區RSEI在0.2～0.4范圍內波動上升，生態環境質量整體較差，但呈改善向好的趨勢。30 a內生態環境質量較好和好這2個等級的面積占比之和增長了7.17%，主要分布于甘州區中部綠洲，而較差和差這2個等級的面積占比之和減少了3.59%，主要分布于北部平山湖鄉及南部神沙窩灘、安陽灘、新廟灘等地。

（2）30 a內甘州區生態環境景觀斑塊數量增加，生態環境景觀格局趨于復雜，破碎化程度逐漸提高，這種變化在生態環境質量等級為一般、較好、較差中表現最明顯。

（3）甘州區生態環境質量在空間上存在顯著相關性，生態環境質量較好的高－高聚類區主要分布在研究區中部綠洲，而質量較差的低－低聚類區集中在北部、南部未利用地，2015年之前甘州區生態環境質量的空間分布較為穩定，2015年之后雖然甘州區中部的高－高聚類區范圍逐漸擴大，但內部不顯著區及低－高聚類區也明顯增多，表明2015年之后中部綠洲生態環境質量較好的區域高－高聚類的穩定性變差，這與這一時期城鎮建設用地大面積擴展有一定的關系。

（4）30 a內甘州區生態環境質量明顯改善，其中改善面積為7.62 km2、占比為20.81%，以輕微改善為主；惡化面積為3.42 km2、占比為9.35%，以輕度惡化和中度惡化為主。

（5）從單因子探測結果來看，30 a內對甘州區生態環境質量影響最明顯的因子是綠度和干度，人口密度的影響在逐漸提高；從多因子交互探測結果來看，所有因子交互作用都表現出雙因子增強效果，綠度與其他因子的交互作用對RSEI空間異質性的解釋力最強。