摘要：以1994、2002和2016年3期的Landsat遙感影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，借助新型遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，通過綜合綠度、濕度、干度和熱度4個指數(shù)和主成分分析，對精河縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行監(jiān)測和評價。結(jié)果表明，以綠度、濕度、熱度和干度為基礎(chǔ)建立的RSEI指數(shù)具有一定的適用性，可較好地對精河縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其時空變化進行監(jiān)測和評價。

　　1994、2002和2016年RSEI指數(shù)均值分別為0.377、0.323和0.327，對RSEI指數(shù)進行分級處理后，發(fā)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差等級居于主導(dǎo)地位，優(yōu)等級有所減少，區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況向差的方向發(fā)展。精河縣人工綠洲擴張顯著，天然綠洲面積減少，氣候變化和人類活動共同作用于精河縣的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差受人為干擾影響較大。人口壓力、城市化進程、不合理放牧、土地資源不合理配置、水資源低效利用等人為因素，仍是未來精河縣生態(tài)環(huán)境建設(shè)需要協(xié)調(diào)的重點。

　　關(guān)鍵詞：生態(tài)環(huán)境,遙感生態(tài)指數(shù),主成分分析,土地利用,精河縣

　　西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境基礎(chǔ)脆弱，是社會經(jīng)濟發(fā)展和全球氣候變化下的最敏感地區(qū)[1]。干旱區(qū)綠洲人口快速擴張以及人類對資源的干預(yù)、破壞和無序開發(fā)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重生態(tài)環(huán)境問題，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)是人類生存和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，準(zhǔn)確地評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，有利于決策者認(rèn)識區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，進而采取積極措施，更好地實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[3]。

　　2006年頒布的HJ192—2015《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(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)境狀況評價依據(jù)[4]，但是在實際應(yīng)用中，由于地域差異和現(xiàn)實因素，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，遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，但是大多數(shù)評價工作仍基于單一指標(biāo)，如利用植被指數(shù)評價森林生態(tài)系統(tǒng)變化[5]，利用不透水地表指數(shù)評價城市生態(tài)環(huán)境[6]，利用地表溫度評價城市熱環(huán)境[7]，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境綜合評價模型成為當(dāng)前區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的熱點與難點。徐涵秋[8]基于遙感信息技術(shù)提出一個耦合植被指數(shù)、濕度分量、地表溫度和土壤指數(shù)4個評價指標(biāo)的新型遙感生態(tài)指數(shù)(remotesensingbasedecologicalindex，RSEI)，并對城市生態(tài)環(huán)境進行有效評估。

　　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)，既能實現(xiàn)客觀定量評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況，又能對生態(tài)環(huán)境演變進行時空性分析和可視化顯示。精河縣是我國西北地區(qū)生態(tài)脆弱帶的重要組成部分，自1990年代開始，人類活動對生態(tài)環(huán)境的干擾強度日益增大，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)境惡化等問題的出現(xiàn)，在一定程度上開始制約精河縣經(jīng)濟與社會可持續(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)驗對土地覆被類型進行生態(tài)指數(shù)賦值，或利用熵值法對社會、經(jīng)濟、環(huán)境和一些遙感指標(biāo)確定權(quán)重以進行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量綜合評價[12-13]，缺少直接對生態(tài)環(huán)境進行客觀評價的研究。

　　因此，結(jié)合1994、2002和2016年3期遙感數(shù)據(jù)，利用RSEI指數(shù)對精河縣1994—2016年生態(tài)狀況及其影響因素進行分析，基于人與自然關(guān)聯(lián)視角對生態(tài)環(huán)境進行評價，為我國西部干旱區(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家自然保護區(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)濟戰(zhàn)略位置突顯，具有東聯(lián)西出、西引東進、商貿(mào)發(fā)展的優(yōu)勢。研究區(qū)地理坐標(biāo)為44°02′～45°19′N，81°46′～83°51′E，東西長為166km，南北寬為134km[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，地勢較為平坦，較宜于人類開發(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。精河縣太陽能、風(fēng)能、水力能豐富，光熱資源較為充沛，日照時間長，無霜期達170d，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149mm，多年平均蒸發(fā)量為2281mm[15]。

　　2材料與方法

　　2.1數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

　　遙感數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http：∥www.gscloud.cn/)，分別為1994年9月Landsat5TM影像，2002年9月Landsat7ETM+影像、2016年8月LandsatOLI影像，空間分辨率為30m，影像云量較少，質(zhì)量完好。使用ENVI5.3軟件對每景遙感數(shù)據(jù)進行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正，然后進行影像拼接與研究區(qū)裁剪工作。

　　根據(jù)GB/T21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》并結(jié)合干旱區(qū)自然與經(jīng)濟發(fā)展特點，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ENVI5.3軟件進行監(jiān)督分類，結(jié)合野外實地調(diào)研、GoogleEarth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行修正，并計算混淆矩陣精度，分類精度和kappa系數(shù)均在80%以上。

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

　　2.2研究方法

　　RSEI通過主成分變換集成綠度、濕度、熱度和干度4個人類直觀判斷生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的指標(biāo)。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，說明精河縣生態(tài)環(huán)境趨向惡化。分析各指標(biāo)對PC1的荷載值可以發(fā)現(xiàn)，NDVI和Wet為正值，對精河縣生態(tài)質(zhì)量起正面影響作用;而NDBSI和LST為負(fù)值，對生態(tài)質(zhì)量起負(fù)面作用。進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，1994—2016年NDBSI和LST對PC1荷載值絕對值之和均大于NDVI和Wet特征值之和，表明精河縣土壤干度和區(qū)域溫度對整體生態(tài)環(huán)境的破壞作用大于植被和濕度對生態(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)計算結(jié)果劃分為優(yōu)、良、中、較差、差5個等級

　　。1994年精河縣總體生態(tài)狀況以較差等級為主，其面積占比超過60%;其次為中等級，所占面積比例為20.60%;差等級占3.86%;良、優(yōu)等級面積占11.63%。

　　2002年生態(tài)狀況差等級面積占比為14.13%，相比1994年其面積增加879.57km2;較差等級面積減少630.88km2，占總面積的61.33%;中等級面積波動較小;良、優(yōu)等級面積都有所減少，占比減少至2.42%。2016年生態(tài)狀況差等級占比為25.22%;較差等級占比為48.18%;中等級占比為16.38%;良、優(yōu)等級面積占比為10.22%。

　　2.3精河縣生態(tài)質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程分析

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

　　2002—2016年，差等級共轉(zhuǎn)出497.65km2，其中79.60%的差等級轉(zhuǎn)化為較差等級，4.24%轉(zhuǎn)化為中等級，16.05%轉(zhuǎn)化為良等級，0.11%轉(zhuǎn)化為優(yōu)等級;較差等級未發(fā)生變化的有2985.01km2，變化的有2367.33km2，其中58.01%、22.37%、19.59%和0.03%的較差等級分別轉(zhuǎn)入差、中、良和優(yōu)等級;中等級主要向較差等級轉(zhuǎn)化，占轉(zhuǎn)出面積的59.87%;良等級轉(zhuǎn)出面積為163.7km2，主要向較差和中等級轉(zhuǎn)化;優(yōu)等級幾乎全部轉(zhuǎn)出為其他等級，5.72%、59.14%、31.00%和4.13%的優(yōu)等級分別轉(zhuǎn)入差、較差、中和良等級。

　　1994—2016年，各生態(tài)等級之間的轉(zhuǎn)換較為簡單。差等級沒有轉(zhuǎn)出到其他生態(tài)等級，轉(zhuǎn)入面積主要由較差等級轉(zhuǎn)入，中等級面積全部單一地轉(zhuǎn)入較差等級，良等級主要轉(zhuǎn)出到中等級，優(yōu)等級單一地向良等級轉(zhuǎn)入。可以看出，精河縣RSEI等級整體下降一個層次，最終導(dǎo)致近20a來精河縣生態(tài)環(huán)境趨向惡劣。

　　2.4精河縣生態(tài)質(zhì)量時空差異分析

　　對1994和2016年RSEI指數(shù)差值變化進行檢測。1994—2016年精河縣生態(tài)環(huán)境狀況等級不變的面積為7385.29km2，占總面積的65.73%;狀況改善的面積為582.23km2，占總面積的5.18%;狀況變差的面積為3269.29km2，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法提供適宜多數(shù)動植物的生長空間，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]。

　　3驅(qū)動力分析

　　3.1土地利用類型時空變化對生態(tài)環(huán)境的影響

　　土地利用現(xiàn)狀是長期以來人類根據(jù)土地自然特性和社會需要對土地進行改造、培育、使用的結(jié)果[10]。土地利用類型的變化會引起區(qū)域內(nèi)物質(zhì)能量循環(huán)發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而會對區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來重大影響，并產(chǎn)生明顯的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。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-荒漠交錯帶和艾比湖周邊濕地區(qū)域。

　　1994—2002年耕地面積從243.74km2增加到572.92km2，水體面積從555.82km2增加到811.20km2，建設(shè)用地從5.78km2增加到6.52km2。

　　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81.51km2，比例增長至8.35%和0.73%。林地和未利用地面積分別增加到448.85和81.51km2，比例增長至3.99%和70.43%，草地和水體面積減少到1191.07和663.51km2，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，而林地、草地和未利用地總體呈現(xiàn)減少趨勢。

　　從空間分布上看，1994年精河縣生態(tài)環(huán)境狀況差等級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)入差等級的區(qū)域逐漸擴大，隨著精河縣綠洲區(qū)人口的增長，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，且呈向周圍擴張趨勢，主要是因為1990年后中央及地方政府推出一系列優(yōu)惠政策，尤其是1998—1999年形成開荒熱，允許并鼓勵個人和集體開墾土地[10]。

　　此外，在耕地增加的同時，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)境差等級面積在此期間擴大的原因。2016年差等級區(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，整個艾比湖流域風(fēng)沙天氣越來越頻繁。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-荒漠交錯帶的未利用地生態(tài)環(huán)境也逐漸惡化。

　　3.2自然因素對生態(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。在整個研究期與生態(tài)環(huán)境呈負(fù)相關(guān)的溫度對生態(tài)指數(shù)RSEI的貢獻率呈總體上升趨勢，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者對生態(tài)環(huán)境的貢獻率均有所下降。

　　總體來看，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)，帶動土壤鹽分向上移動，導(dǎo)致研究區(qū)耕地與其他地類的過渡帶、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。

　　3.3社會發(fā)展對生態(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，由于人口不斷增加，耕地擴充，資源配置和開發(fā)利用不合理，對艾比湖地區(qū)環(huán)境惡化影響加劇。精河縣人口從1988年的9.66萬人增長到2016年的14.31萬人，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值從1988年的0.49億元增長到2016年的43.19億元。艾比湖流域是傳統(tǒng)游牧區(qū)，清朝末年開始大規(guī)模開墾耕地，近幾十年來，在人口增長的驅(qū)動下，農(nóng)業(yè)耕地面積逐漸擴大，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)近年來變化很大，大面積荒漠林被砍伐，荒漠林草地被無序開墾，使自然植被遭到嚴(yán)重破壞。流域人類活動耗水最主要方式為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水，蓄水項目建成致使非農(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，精河縣牲畜數(shù)量由1988年的20.97萬頭增長至2016年的41.68萬頭，有限草場過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。

　　4結(jié)論

　　(1)通過對精河縣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、較差等級整體向次等級轉(zhuǎn)移。近20a來，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。

　　(2)1994—2016年，精河縣人工綠洲擴明顯，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�府的高度重視和�?yán)格保護，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)動力。精河縣作為新亞歐大陸橋進出我國的西大門，是新疆維吾爾自治區(qū)重點發(fā)展的天山北坡經(jīng)濟帶的重要組成部分。新世紀(jì)，在國家“五位一體”的現(xiàn)代化布局下，在促進經(jīng)濟社會發(fā)展的同時，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。

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　　環(huán)境生態(tài)刊物推薦：《中國環(huán)境科學(xué)》(月刊)1981年創(chuàng)刊，是中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會主辦的學(xué)報級綜合性學(xué)術(shù)刊物。《中國環(huán)境科學(xué)》近年來對環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域中的諸多學(xué)科如環(huán)境地學(xué)、環(huán)境化學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程等基礎(chǔ)理論研究;對各種環(huán)境污染物的監(jiān)測、分析及其防治;對區(qū)域環(huán)境的綜合整治與規(guī)劃;以及對全球環(huán)境問題等多方面的研究進行了全面綜合報道，反映了中國環(huán)境科學(xué)的發(fā)展方向、研究水平、最新成就與突破性進展。