摘要：以1994、2002和2016年3期的Landsat遙感影像為基礎數據源，借助新型遙感生態指數(RSEI)，通過綜合綠度、濕度、干度和熱度4個指數和主成分分析，對精河縣生態環境質量進行監測和評價。結果表明，以綠度、濕度、熱度和干度為基礎建立的RSEI指數具有一定的適用性，可較好地對精河縣生態環境質量狀況及其時空變化進行監測和評價。

　　1994、2002和2016年RSEI指數均值分別為0.377、0.323和0.327，對RSEI指數進行分級處理后，發現流域生態環境質量較差等級居于主導地位，優等級有所減少，區內生態環境狀況向差的方向發展。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環境，生態環境質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環境建設需要協調的重點。

　　關鍵詞：生態環境,遙感生態指數,主成分分析,土地利用,精河縣

　　西北干旱區生態環境基礎脆弱，是社會經濟發展和全球氣候變化下的最敏感地區[1]。干旱區綠洲人口快速擴張以及人類對資源的干預、破壞和無序開發導致一系列嚴重生態環境問題，嚴重影響干旱區人類生存和生活質量[2]。自然生態系統是人類生存和社會發展的物質基礎，準確地評價區域生態環境狀況，有利于決策者認識區域生態環境現狀，進而采取積極措施，更好地實現區域可持續發展[3]。

　　2006年頒布的HJ192—2015《生態環境狀況評價技術規范》中，以生態環境狀況指數(EI)，包括生物豐度、植被覆蓋、水網密度、土地退化和環境質量為區域生態環境狀況評價依據[4]，但是在實際應用中，由于地域差異和現實因素，同一指標權重差異、不同指標提取精度均面臨挑戰。

　　近年來，遙感技術在生態環境領域的應用越來越廣泛，但是大多數評價工作仍基于單一指標，如利用植被指數評價森林生態系統變化[5]，利用不透水地表指數評價城市生態環境[6]，利用地表溫度評價城市熱環境[7]，構建生態環境綜合評價模型成為當前區域生態環境質量評價的熱點與難點。徐涵秋[8]基于遙感信息技術提出一個耦合植被指數、濕度分量、地表溫度和土壤指數4個評價指標的新型遙感生態指數(remotesensingbasedecologicalindex，RSEI)，并對城市生態環境進行有效評估。

　　RSEI集成了反映生態環境最為直觀、以自然因子為主的多重指標，既能實現客觀定量評價區域生態環境狀況，又能對生態環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生態脆弱帶的重要組成部分，自1990年代開始，人類活動對生態環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，使當地自然植被遭到嚴重破壞，其生態系統潛在脆弱性正逐漸轉變成現實的環境災害[9-11]。

　　林草地退化、土地沙化、土壤次生鹽漬化、湖泊萎縮和農業生產環境惡化等問題的出現，在一定程度上開始制約精河縣經濟與社會可持續發展。目前精河縣已成為西北干旱區典型生態退化區。以往的精河縣生態環境定量研究主要是借鑒前人經驗對土地覆被類型進行生態指數賦值，或利用熵值法對社會、經濟、環境和一些遙感指標確定權重以進行生態環境質量綜合評價[12-13]，缺少直接對生態環境進行客觀評價的研究。

　　因此，結合1994、2002和2016年3期遙感數據，利用RSEI指數對精河縣1994—2016年生態狀況及其影響因素進行分析，基于人與自然關聯視角對生態環境進行評價，為我國西部干旱區艾比湖流域土地資源合理利用、生態環境問題治理和生態系統規劃提供依據。

　　1研究區概況

　　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和精河綠洲，屬“絲綢之路”新北道重鎮，是北疆交通要沖，經濟戰略位置突顯，具有東聯西出、西引東進、商貿發展的優勢。研究區地理坐標為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，多年平均蒸發量為2281mm[15]。

　　2材料與方法

　　2.1數據來源及預處理

　　遙感數據來源于地理空間數據云(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，質量完好。使用ENVI5.3軟件對每景遙感數據進行輻射定標、大氣校正、幾何校正，然后進行影像拼接與研究區裁剪工作。

　　根據GB/T21010—2017《土地利用現狀分類》并結合干旱區自然與經濟發展特點，將研究區土地利用類型分為草地、林地、耕地、水體、建設用地和未利用地6種。使用ENVI5.3軟件進行監督分類，結合野外實地調研、GoogleEarth高分辨率數據及不同土地利用類型紋理、形態和色調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系數均在80%以上。

　　人口和GDP數據來源于1970—2016年新疆統計年鑒，降水和溫度數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(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環境優劣的指標。1994—2016年研究區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指數總體呈下降趨勢，說明精河縣生態環境趨向惡化。分析各指標對PC1的荷載值可以發現，NDVI和Wet為正值，對精河縣生態質量起正面影響作用;而NDBSI和LST為負值，對生態質量起負面作用。進一步分析可以發現，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域溫度對整體生態環境的破壞作用大于植被和濕度對生態環境的優化作用。

　　為了更好地分析RSEI的代表性，進一步將1994、2002和2016年3期經主成分變換得到的生態環境質量指數計算結果劃分為優、良、中、較差、差5個等級

　　。1994年精河縣總體生態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、優等級面積占11.63%。

　　2002年生態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、優等級面積都有所減少，占比減少至2.42%。2016年生態狀況差等級占比為25.22%;較差等級占比為48.18%;中等級占比為16.38%;良、優等級面積占比為10.22%。

　　2.3精河縣生態質量轉移過程分析

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

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

　　1994—2016年，各生態等級之間的轉換較為簡單。差等級沒有轉出到其他生態等級，轉入面積主要由較差等級轉入，中等級面積全部單一地轉入較差等級，良等級主要轉出到中等級，優等級單一地向良等級轉入。可以看出，精河縣RSEI等級整體下降一個層次，最終導致近20a來精河縣生態環境趨向惡劣。

　　2.4精河縣生態質量時空差異分析

　　對1994和2016年RSEI指數差值變化進行檢測。1994—2016年精河縣生態環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。精河縣生態環境變差主要是由于隨著耕地的大規模開發，灌溉用水需求加劇，地下水位上升，區域非農田系統持水量降低，加上干旱區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動植物的生長空間，土地生態系統退化，生物多樣性差，導致區域部分地區生態系統遭到破壞，區域生態環境惡化[10]。

　　3驅動力分析

　　3.1土地利用類型時空變化對生態環境的影響

　　土地利用現狀是長期以來人類根據土地自然特性和社會需要對土地進行改造、培育、使用的結果[10]。土地利用類型的變化會引起區域內物質能量循環發生轉變，從而會對區域生態環境帶來重大影響，并產生明顯的生態環境效應。精河縣土地利用/覆被空間分異明顯，耕地所處研究區中心區域，呈大片連續狀，林草地處于邊緣及山區，呈零星分布，未利用地多處于外圍區域的山區、綠洲-荒漠交錯帶和艾比湖周邊濕地區域。

　　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，耕地和建設用地面積持續增加，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、建設用地、水體總體呈現增加趨勢，而林地、草地和未利用地總體呈現減少趨勢。

　　從空間分布上看，1994年精河縣生態環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域。2002年，生態環境轉入差等級的區域逐漸擴大，隨著精河縣綠洲區人口的增長，生產力水平的提高導致建設用地面積逐漸增加;耕地面積持續增加，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，也是導致生態環境差等級面積在此期間擴大的原因。2016年差等級區域主要集中在艾比湖周圍，艾比湖位于新疆年大風日數最多的阿拉山口下風向，整個艾比湖流域風沙天氣越來越頻繁。水體面積的增加在一定程度上受全球氣候變化的影響，農業節水灌溉設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]。干旱區林草地易受區域環境影響，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環境也逐漸惡化。

　　3.2自然因素對生態環境的影響

　　氣溫和降水是影響區域生態環境變化的主要因素，在全球氣候變化背景下，中國西北干旱區氣候呈現明顯的暖濕化轉型[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環境呈負相關的溫度對生態指數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者對生態環境的貢獻率均有所下降。

　　總體來看，上述結果表明精河縣氣溫升高，區域氣候逐漸干燥，加劇土壤水分蒸發，帶動土壤鹽分向上移動，導致研究區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出現或加重生態風險。

　　3.3社會發展對生態環境的影響

　　精河地區生態系統穩定性差，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，資源配置和開發利用不合理，對艾比湖地區環境惡化影響加劇。精河縣人口從1988年的9.66萬人增長到2016年的14.31萬人，農業生產總值從1988年的0.49億元增長到2016年的43.19億元。艾比湖流域是傳統游牧區，清朝末年開始大規模開墾耕地，近幾十年來，在人口增長的驅動下，農業耕地面積逐漸擴大，形成了“一紅(枸杞)二白(棉花、鹽業)一綠(瓜果蔬菜)”的農業發展模式。

　　然而，由于農業發展，荒漠生態和自然綠洲生態系統近年來變化很大，大面積荒漠林被砍伐，荒漠林草地被無序開墾，使自然植被遭到嚴重破壞。流域人類活動耗水最主要方式為農業生產用水，蓄水項目建成致使非農田區域及艾比湖周邊區域土地沙化、鹽堿化問題產生，最終導致艾比湖濕地的生態環境受損。

　　與此同時，精河縣牲畜數量由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，可最終部分解釋研究區中部及沿北方向的生態變化情形。

　　4結論

　　(1)通過對精河縣1994、2002和2016年3期遙感影像數據的處理分析，結果表明，遙感生態指數RSEI很好地集成了反映生態質量的4個指標，能夠綜合地反映精河縣生態環境質量的變化。1994、2002和2016年RSEI均值分別為0.377、0.323和0.327，RSEI優、良、中、較差等級整體向次等級轉移。近20a來，精河縣生態環境質量整體上較為脆弱，生態環境呈下降趨勢。

　　(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，生態環境質量改善的面積占總面積的5.18%，生態環境質量變差的面積占總面積的29.09%。生態改善區域主要位于精河縣南部山區，主要原因在于該區域大面積林地受到當地政府的高度重視和嚴格保護，生態質量惡化區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境和農業的不斷發展。

　　(3)精河縣生態環境變化受到自然和人為因素的共同影響，人口、政策、城市化程度和技術水平是其主要的驅動力。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重點發展的天山北坡經濟帶的重要組成部分。新世紀，在國家“五位一體”的現代化布局下，在促進經濟社會發展的同時，應遵循自然規律，合理配置資源和利用土地，科學地建設綠洲。

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