摘要：以新疆地區2000—2020年 MODIS地表溫度、地表反射、植被指數遙感數據產品與2000、2005、2010、2020年土地利用數據為基礎，采用 GoogleEarthEngine(GEE)遙感云平臺和遙感生態指數(RSEI)模型方法，研究了2000—2020年人類活動對新疆地區生態環境質量的影響，以期為協調我國西北干旱區人類活動與生態環境保護提供參考依據。結果表明：2000—2020年新疆地區土地以未利用地、草地為主，分別占區域總面積的59.32%、28.81%。研究時 段 內 耕 地 面 積 增 量 最 大，達3.09萬km2;建 設 用 地 面 積 增 幅 最 大，達118.18%。2000—2020 年新疆地區生態環境質量整體偏低并呈微弱下降趨勢，可 分 為2000—2010年快速下降階段和2010—2020年的緩慢上升階段，主要原因與前一時段林地和水體大面積轉為耕地有關。新疆地區生態環境質量提升區域主要分布在天山北坡經濟帶，下降區主要分布在塔克拉瑪干沙漠南部、準噶爾盆地與新疆東部。新疆地區土地利用變化對生態環境質量影響顯著，主要表現為耕地面積增加促使生態環境質量提升，而未利用地和建設用地增加，導致生態環境質量下降。綜上所述，新疆地區耕地增加能夠有力促進生態環境質量提升，但應選擇未利用地進行耕地開發，嚴格限制占用水體、林地的耕地開發行為。

　　關鍵詞：耕地變化;遙感生態指數;生態環境質量;MODIS遙感數據產品;新疆

　　土地利用變化及其生態環境效應研究一直是土地科學、地理學等學科關注的熱點問題[1]。土地利用變化研究相對較為成熟，已從結構研究轉向功能研究，以及生態環境效應的研究。由于土地利用與人類活動關系密切，可作為人類活動的替代指標反映人地關系的變化過程，開展土地利用及其生態環境效應的評價研究對于科學協調人-地關系具 有 重 要 理 論 與 實 踐 意 義。新 疆 地 區生態環境脆弱，也是對全球氣候變化響應敏感地區，氣候變化與人類活動共同作用于該區域的生態環境變化過程[2-4]。開展新疆地區土地利用變化對生態環境質量影響研究，可為協調我國西北干旱區人類活動與生態環境保護提供參考依據。國內外學者利用遙感技術在生態環境質量評價方 面 進 行 了 大 量 研 究[5-7]。單一生態指數或2種指數構建 模 型 的 研 究 方 法，已 無 法 滿 足 復 雜生態系統多方面質量評價要求。

　　因此，多指標分析成為區域生態環境質量評價的重要方法和熱點研究內容。遙 感 生 態 指 數(RSEI)是 徐 涵 秋[8]在2013年提出的新型生態環境質量評價方法，該方法利用綠 度(NDVI)、濕 度(Wet)、熱 度(LST)和干度(NDSI)4種 生 態 指 標，更 加 全 面、客 觀 的 反映與評價區域生態環境質量，表征區域生態環境質量提升與 下 降 空 間 格 局，但 由 于 RSEI指 標 所需數據量較大，計算相對復雜，導致其目前僅在小區域生態環 境 質 量 評 價 中 應 用 較 多[9-11]，而 大 范圍的研 究 較 少[12-14]。

　　目 前，國 內 學 者 利 用 RSEI已經開展了新疆地區部分區域的研究工作，如開展的新疆地區綠洲、城市與流域之間的環境質量評價，包括哈密綠洲、瑪納斯湖濕地、克拉瑪依市生態 環 境 質 量 評 價[15-17]。已 有 研 究 成 果 表 明，RSEI指數能夠客觀反映和科學評價干旱區內綠洲、流域、城市生態環境質量及其時空變化。由于新疆地區地域廣闊，需要數據量較大，運用 RSEI指數對新疆地區整體生態環境質量評價的研究較少。新疆地區具有復雜的“綠洲-山地-荒漠-盆地”生態系統，對氣候變化和人類活動極為敏感。目前開展新疆地區土地利用變化對生態環境質量影響研究較少，僅對部分境內流域開展了相關研究工作。因此，該 研 究 以 新 疆 地 區 MODIS遙 感 數據產品和土地利用數據為基礎，借助 GEE遙感云平臺計算 RSEI，分析研究區土地利用和 RSEI反映的生態環境質量變化過程及土地利用變化對生態環境質量的影響，以期為新疆地區生態環境保護和高質量發展提供參考依據。

　　1 材料與方法

　　1.1 研究地概況

　　新疆維吾爾自治區位于中國西北部，地 處 北緯34°25′～49°10′，東 經73°40′～96°23′，總 面 積約為166.49萬km2。南起昆侖山脈，北至阿爾泰山脈，中部為天山山脈，是中國內陸面積最大的自治區。新 疆 地 區 屬 溫 帶 大 陸 性 氣 候，日 照時間長、早晚溫差 大，冬 季 干 冷 漫 長，夏 季 干 燥少雨;由南至北多年平均氣溫由14 ℃降至-4 ℃以下、多年平均降水量由 50 mm 升 至 200 mm 以上;境內河流多為內陸河，主要有塔里木河、伊犁河等;此外，該區域湖泊眾多，主要有博斯騰湖、艾比湖、賽里木湖等。新疆地區植被類型多樣，包括針葉林、闊葉林、灌叢、沙漠、草原、草甸、高山植被等，其中以草原植被覆蓋面積最廣，占 總 面 積 的28%以上。“十二五”以來，新疆地區加強農業現代化改進，耕地擴張逐步由數量擴張向質量提升發展，耕地擴張方向的變化對區域生態環境質量影響受到廣泛關注。

　　1.2 試驗方法

　　1.2.1 數據來源與處理研究使用數據包括：

　　1)土地利用數 據。包 括2000、2005、2010、2015年 和2020年 共 5期 土 地利用數據。該 數 據 集 基 于 Landsat影 像，通 過 人工目視解譯生成，分辨率為1km，在 土 地 利 用 變化對 RSEI影 響 的 分 析 中，將 其 重 采 樣 為500 m分辨率。土地利用類型包括耕地、林地、草 地、水體、建設 用 地 和 未 利 用 地。

　　2)MODIS 遙 感 產 品數據。包括 MYD09A1500m 地表反射率8d產品、MOD13A1 500 m 植 被 指 數 16 d 產 品、MYD11A21km 地 表 溫 度/發 射 率 8d 產 品。MODIS 軌 道 號 為 h24v04、h24v05、h23v05、h23v04。對 MODIS 遙 感 產 品 數 據 中 NDVI、Wet、與 NDSI指標采用最大值合成，LST 采用均值合成得到年值數據，并將 MYD11A2地表溫度數據重采樣為500m 供 分 析 使 用。

　　3)新 疆 地 區矢量邊界數據。其中，1和3來源于中國科學院資源環 境 科 學 與 數 據 中 心 (www.resdc.cn)，2來源于 GEE 平臺數據庫提 供 的 MODIS數 據產品。

　　1.2.2 遙感生態指數(RSEI)計算為避免 水 體 對 RSEI計 算 結 果 的 影 響，計 算前首先采用 MNDWI水體指數剔除水體信息[8]，而后選用 綠 度(NDVI)、濕 度(Wet)、熱 度(LST)和干 度 (NDSI)4 個 指 標 構 建 遙 感 生 態 指 數(RSEI)。

　　1.2.3 土地利用變化對生態環境質量影響分析

　　為了開展2000—2020年土地利用變化 對 生態環境質量影響研究，采用一元線性回歸方法分析生態環境質量變化與各土地利用類型面積變化之間的關系，具體包括3個步驟。

　　1)劃 分 生 態 環 境 質 量 等 級：根 據 計 算 得 到RSEI結果，將其 按0.2間 隔 劃 分 為1(0～0.2)、2(0.2～0.4)、3(0.4～0.6)、4(0.6～0.8)、5(0.8～1.0)等級，分別 對 應 差、較 差、中 等、良 和優5個 級 別[18]。對 2020 年 和 2000 年 新 疆 地 區RSEI進行疊加 分 析，將2000—2020年 生 態 環 境質量等級升高的(2020年與2000年 RSEI等級差值為1、2)區域劃分為提升區，將生態環境質量等級降 低 的(2020 年 與 2000 年 RSEI等 級 差 值 為-1、-2)區域劃分為下降區，將等級未發 生 變 化的區域劃分為不變區。

　　2)計算格網中土地利用類型變化面積和生態環境質量提升區和下降區所占比例：建立3km×3km格網，并將2020年和2000年土地利用數據格網化，而后進行疊加分析，統計每個格網中土地利用類型變化面積占格網面積的比例值，以及統計每個格網中生態環境質量提升區、下降區所占比例。

　　3)一元線性回歸分析：分別統計每個格網中生態環境質量提升區、下降區中各土地利用類型變化面積占比。以格網中生態環境質量提升區和下降區面積比例為因變量，以格網中提升區、下降區所對應的各土地利用類型面積變化量占格網的比例為自變量，分別建立一元線性回歸模型。用于分析土地利用類型面積變化對生態環境質量變化影響的定量關系。

　　1.3 數據分析采 用 GEE 數 據 平 臺 進 行 遙 感 生 態 指 數(RSEI)計 算。 采 用 ArcGIS 10.2 軟 件 對RSEI，土地利用數據進行特征分析及制圖展示。采 用 SPSS23.0 軟件對生態環境質量與土地變化進行相關性分析。并 采 用 Excel2019軟 件 制 表 對 各 年 RSEI均值和土地利用變化進行 相 關 分 析。

　　2 結果與分析

　　2.1 土地利用時空變化新 疆 地 區 土 地 以 未 利 用 地 與 草 地 為 主，2020年 分 別 占 區 域 總 面 積 的 59.32% 和28.81%。

　　2000—2020年新疆地區耕地面積增加量最大，達 到 3.09 萬 km2，其 中，2000—2010 年增加量 為 2.13 萬 km2，2010—2020 年 增 加 量 為9600km2;建 設 用 地 面 積 增 幅 最 高，達118.18%，其 中 2000—2010 年 增 幅 為 81.82%，2010—2020年 為 20.00% 。可 見，2000—2010年是新疆地區耕地和建設用地大面積和大幅度擴張時期，之后耕地增加量和建設用地增幅有所放緩，可能與我國2000年西部大開發政策實施及新疆 經 濟 快 速 發 展 有 關。2000—2020 年 耕地增加區域主要分布在天山山脈北坡和塔里木盆地北 部、西 部 和 西 南 部 。

　　分 階 段 來 看，2000—2010年，受農業開發技術水平限制，耕 地增加主要 分 布 在 天 山 山 脈 北 部 和 塔 里 木 盆 地 北部，呈零散分布，該區域濕地較多，水資源充足，便于耕地開墾。期間耕地面積增加主要是草地、水體、林地和未利用地的轉入導致，其中水體和林地占轉入面積的32.48%;2010—2020年，耕地增加主要分布在天山山脈北部、西部和塔里盆地北部、西部和西南部，分布相對較為集中。期間耕地面積增加主要是草地、未利用地、林地和水體的轉入導致，其 中 林 地 和 水 體 占 轉 入 面 積 的4.41%，較2000—2010年下 降28.07%。新 疆 地 區“糧 食 保障為首位、城鄉建設發展為目標、生態保育地控制為底線”的 政 策 背 景 下，生態農業大力發展促使2000—2010年和2010—2020年耕地轉入類型中林地和水體的大面積下降，有力保護了區域生態環境，提升了生態環境質量。

　　2.2 生態環境質量時空格局

　　2.2.1 生態環境質量時間變化過程

　　新疆 地 區 生 態 環 境 質 量 整 體 偏 低，2000—2020年 RSEI均 值 在0.3～0.4。2000—2020年新疆地區 RSEI呈 不 顯 著 線 性 下 降 趨 勢，年 變 化速率為-0.002(P>0.05);以2010年為界，之前RSEI呈 顯 著 下 降 趨 勢，線性年變化速率為-0.025(P<0.05)，是 2000—2020 年 總 體 線 性變化速率的12.5倍，該時期 RSEI下降可能與林地、水體轉 為 耕 地 有 關;之 后，RSEI呈 不 顯 著 上升趨勢，線性年變化速率為0.003，略高于2000—2020年總體變化速率，該時段新疆地區耕地面積增量下降，并且林地和水體轉為耕地的比例顯 著 下 降，未利用地轉為耕地面積大幅提升。可見，2000—2020年新疆地區生態環境質量整體略微下降，但 下 降 主 要 發 生 在2000—2010年間，2010年后，生態環境質量逐步改善，呈上升趨勢。這一變化過程與新疆地區2000年初期對耕地的無序 開 發 和 2010 年 之 后 科 學 規 劃、有 序 開 發有關。

　　2.2.2 生態環境質量空間變化過程

　　新疆地區生態環境質量以差和較差為主，占區域總面積 的60%，主要分布在塔里木盆地、吐魯番盆地和準噶爾盆地，與盆地地貌區地表溫度較高有關;生態環境質量優和良的區域集中分布天山山脈北坡、阿爾泰山脈南部等主要人類活動區域。

　　根 據 2000 年 和 2020 年 RSEI等 級 變 化 幅度，將新疆地區生態環境質量變化區域劃分為提升區、下降區和不變區。2000—2020年提升區總面積為71922.72km2，占區域總面積的4.32%，主要分布在天山山脈南北部、昆侖山脈北部及新疆 西 部，其 中 2010—2020 年 提 升 區 面 積 較2000—2010年有所 提 升，占 比 提 高3.42%，主 要分布在新疆西部、天山山脈南部。

　　2000—2020年下降區面積為490920.22km2，占區域總面積的29.50%，主要分布在塔克拉瑪干 沙 漠 南 部、準 噶爾盆地與新疆東部，其中2010—2020年下降區面積較2000—2010年降幅較大，占比下降7.92%，主要分布在昆侖山脈北部、新疆東部。總體上看，2000—2020年新疆地區生態環境質量較低，生態環境質量以下降為主，下降區面積是提升區面積的6.82倍。但從變化過程可以看出，新疆 地 區 生 態 環 境 質 量 正 在 逐 步 改 善，2010—2020年較2000—2010年生態環境質量提升區面積占比逐步增高，下降區面積占比逐步降低。這一轉變可能與新疆地區2010年左右實施的生態農業發展和生態環境保護政策有關。

　　2.3 土地利用變化對生態環境質量的影響

　　根據土地利用變化對生態環境質量影響分析方法，分別建立提升區和下降區占格網的比例與不同土地利用類型變化面積占格網比例的一元線性回歸方程。提升區中，2000—2020年新疆地區生態環境質量變化與耕地和草地面積變化呈顯著正相關，系數 分 別 為 1.395(P <0.05)和 0.848(P <0.05)，反映出生態環境質量隨耕地和草地面積的增加，呈 提 升 態 勢。 耕 地 和 草 地 面 積 每 增 加10%，新疆地區生態環境質量提升區面積增加13.95%和8.48%，表明相對草地而言，耕地對新疆地區生態環境質量提升更具重要性。

　　分 時 段看，2000—2010年和2010—2020年，新疆地區生態環境質量變化也主要與耕地和草地面積提升有關，但系數在2個階段存在較大差異，耕地與生態環境變化的系數變小，而草地與生態環境質量的系數增大，反映出耕地對新疆生態環境質量的影響可能逐步縮小，而草地對生態環境質量的影響逐步提升。可能與耕地開發面積增加，引起地表水或地下水耗水量增大，導致區域內水資源短缺，從而影響生態環境質量有關。

　　下降區中，2000—2020年新疆地區生態環境質量變化與未利用地、草地與建設用地面積變化呈顯 著 正 相 關，系 數 分 別 為 0.758(P<0.05)、0.618(P<0.05)與0.105(P<0.05)，反 映 出 生態環境質量隨未利用地、草地與建設用地面積的增加而下降。未利用地、草地與建設用地面積每增加10%，生態環境質量下降區面積分別增加7.58%、6.18%與1.05%，表明未利用地相對于草地與建設用地而言，對新疆地區生態環境質量更具有影響力。

　　分時段來看，2000—2010年新疆地區生態環境質量下降主要與未利用地、建設用面積增 加 地 有 關，2010—2020 年主要與未利用地、草地和建設用地有關。2個階段中，生態環境質量與未利用地、建設用地的回歸系數變小，草地成為僅次于未利用地的導致生態環境質量下降的地類。新 疆 地區草地對生態環境質量變化具有雙向作用，草地面積增 加 10%，生態環境質量提升區面積增加8.48%，而下降區面積增加6.18%。但草地增加對生態環 境 質 量 的 影 響 具 有 明 顯 的 空 間 分 異 特征，阿爾泰山南部草地面積增加對生態環境的提升起促進作用，但在昆侖山脈區域，草地面積增加導致生態環境質量下降，其原因有待進一步研究。

　　3 討論

　　受全球氣候變暖影響，中國西北干旱 區 氣 候呈暖濕化趨勢，新疆地區1997年之前氣候以暖濕化為主，之后出現了“濕干轉折”現象[19-20]。該 研究時段2000—2020年屬于 新 疆 地 區 氣 候 由 濕 轉干階段，而農業生產、生態環境改善等均需要相應水資源的支撐。新疆屬于干旱區，水資源分配直接影響區域生態環境質量變化，新疆地區核心區域位于天山北坡經濟帶，人為調控促使水資源傾向于經濟發展與農業。已有研究表明，人類活動、農業生產、經濟水平等對生態環境變化具有重要影響[21-22]。

　　2000年以來，新疆地區城市范圍不斷擴大，已由2000年的4400km2 增長至2020年的9600km2，其中包括修筑的大型水利工程。由于水利工程對地形要求較高，大多分布在山地或河流區域，導致山地林、草土地利用類型向耕地和建設用地轉移[23]。該研究認為，2000—2010年新疆地區生態環境質量下降區內部分耕地增加占用濕地、林地，導致生態環境質量下降。

　　2010—2020年，耕地開墾主要占用未利用地和草地，促使生態環境質量不斷提升，逐漸形成了“以人為中心”的生態環境改善特征。反映出在土地利用變化中，耕地與草地的增加可以提升新疆地區整體生態環境質量，但由水體、林地轉變為的耕地，將會導致生態環境質量下降;而未利用地、草地轉變為的耕地將會促進生態環境質量提升。因此，與我國東南部等雨水充足地區相比，新疆地區人為生態治理是改善環境的主要手段。耕地種植不僅可以提升區域植被覆蓋水平，還將間接集中水資源，促進以農業為主導產業的經濟發展帶動生態環境的改善，在發展經濟的同時達到提升生態環境質量的目的。但耕地的擴張也不是無止境的，農業種植的增加也將引起水資源消耗加劇，相對于林地與水體，耕地對生態環境質量改善較弱，盲目和不加控制的將林地、水體轉變為耕地將會導致生態環境質量的惡化。應優先開墾未利用地與草地，挑選耐旱型農作物品種，在保持水資源與土地資源平衡的基礎上，逐步擴大耕地面 積，通過農業種植改善生態環境。

　　4 結論

　　該研究結果表明，2000—2020年新疆地區土地利用格局以未利用地與草地為主，共占區域總面積88.13%。土地利用變化中耕地面積增加量最大，達到3.09萬km2;建設用地面積增幅最高，達118.18%。其中，2000—2010年耕地增加主要是 草 地、林 地、水 體 轉 入 所 致，增 加 量 為2.13萬km2;2010—2020年 主 要 是 草 地、未 利 用地、林地的轉入，增加量為9600km2。

　　耕地增加區域主要分布在天山山脈北坡和塔里木盆地北部、西部和西南部。新疆地區2000—2020年生態環境質量 整 體偏低，RSEI均值在0.3～0.4之間，整體變化呈不顯著線性下 降 趨 勢，年 變 化 速 率 為-0.002(P>0.05)。其中，2000—2010年呈顯著下降趨勢，線性年變化速率為-0.025(P<0.05)，主要分布在新疆 西 部、天 山 山 脈 南 部;2010—2020年 呈 不 顯著緩慢上升趨勢。研究時段內生態環境質量提升區面積占比逐步增高，下降區面積占比逐步降低，生態環境質量正在逐步改善。新疆地區生態環境質量提升區與耕地和草地面積變化呈顯著正相關，耕地和草地面積每增加10.00%，生 態 環 境 質 量 提 升 區 面 積 分 別 增 加13.95%和8.48%，耕地面積增加對生態環境質量提升作用強于草地。

　　生態環境質量下降區與未利用地和建設用地面積變化有關，未利用地和建設用 地 面 積 每 增 加10.00%，生 態 環 境 質 量 下 降區面積分別增加7.58%與1.05%，表明未利用地擴大導致新疆地區生態環境質量下降作用明顯。新疆地區2000—2010年生態環境質量下降，主 要 與 林 地、水 體 大 面 積 轉 為 耕 地 有 關，而2010—2020年生態環境質量提升，與未利用地大面積轉為耕地、林地和水體轉為耕地面積大幅下降有關。該研究認為新疆地區耕地開發應主要在未利用地實施，在增加耕地面積的同時能夠促進生態環境質量提升。反之，占用林地、水體的耕地開發導致生態環境質量下降，不可持續。

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　　作者：李 朋 軒1，楊 永 崇1，王 濤1，趙 剛2，楊 梅 煥1