新疆那拉提山地草原風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價?

酒江濤 董嬋嬋 母俊景 穆洪洲 景一敏 阿麗亞·拜都熱拉

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院 烏魯木齊 830052

隨著西部大開發(fā)和“一帶一路”等國家重大戰(zhàn)略決策的出臺,新疆旅游業(yè)發(fā)展迎來了新機(jī)遇。那拉提旅游風(fēng)景區(qū)作為新疆重要的草原型風(fēng)景區(qū)之一,其可持續(xù)發(fā)展對于新疆旅游業(yè)具有重大意義。然而,以經(jīng)濟(jì)發(fā)展為先導(dǎo)的風(fēng)景區(qū)開發(fā)思路使那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的生態(tài)環(huán)境遭受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確地評價草原型風(fēng)景區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,有利于采取有效的管理措施實(shí)現(xiàn)風(fēng)景區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,將“綠水青山”轉(zhuǎn)化為“金山銀山”。

以往研究多以單一因子為變量對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價,難以反映風(fēng)景區(qū)整體的環(huán)境質(zhì)量及影響因素,如何對區(qū)域尺度內(nèi)的多個因子進(jìn)行綜合性評價是目前風(fēng)景區(qū)管理者需要解決的重要問題[1]。近年來,遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)[2－3]被廣泛應(yīng)用于自然環(huán)境生態(tài)質(zhì)量綜合評價中,如,Xu等[4]應(yīng)用RSEI模型對福建省自然環(huán)境生態(tài)質(zhì)量的空間變遷開展了深入研究；王士遠(yuǎn)等[5]利用RSEI模型對長白山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價。但草原型風(fēng)景區(qū)多以植被為主,RSEI模型對風(fēng)景區(qū)植被的分析有限,而植被覆蓋度(fractional vegetation cover,FVC)則是描述植被質(zhì)量的重要參數(shù),能夠反映地表植被覆蓋和區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況[6]。將FVC和RSEI綜合運(yùn)用于草原型風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價可以較好地反映風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化情況[7]。因此,本研究采用FVC和RSEI對那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的生態(tài)質(zhì)量進(jìn)行評估,為旅游風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的評估和科學(xué)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

那拉提旅游風(fēng)景區(qū)位于新疆新源縣,總規(guī)劃面積960 km2。為消除農(nóng)田等單一生態(tài)因子對風(fēng)景區(qū)生態(tài)質(zhì)量分析的影響,本研究去除了風(fēng)景區(qū)西北角茵加爾村等以農(nóng)田為主的區(qū)域,選取重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域?yàn)檠芯繉ο?面積754 km2(圖1)。那拉提旅游風(fēng)景區(qū)屬大陸性半干旱氣候,平均海拔1 800 m,年平均氣溫在20℃左右。

圖1 研究區(qū)地理位置及其高程

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本研究選用的遙感影像數(shù)據(jù)為2007年8月10日的Landsat5TM衛(wèi)星影像,以及2014年8月22日和2019年8月29日的Landsat8OLI衛(wèi)星影像(圖2),影像來源為美國地質(zhì)勘探局官方網(wǎng)站http://glovis.usgs.gov/。3個時期均為植物的生長季,因而結(jié)果具有可比性[8]。

圖2 那拉提旅游風(fēng)景區(qū)遙感影像及道路、河灘分布圖

首先,利用ENVI 5.3軟件對3個時期的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和FLAASH大氣校正；然后,使用二次多項(xiàng)式(Polynomial)和圖像處理中的三次卷積插值(Cubic Convolution)方法對影像進(jìn)行配準(zhǔn),將均方根誤差控制在0.5個像元之內(nèi)；最后,使用風(fēng)景區(qū)的矢量邊界對處理后的影像進(jìn)行裁剪,得到那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的影像數(shù)據(jù)。

2.2 遙感生態(tài)指數(shù)構(gòu)建

2.2.1 分量指標(biāo)的選取

用歸一化植被指數(shù)(NDVI)、濕度指數(shù)(WET)、干度指數(shù)(NDSI)和地表溫度(LST)分別表示綠度、濕度、干度和熱度4個指標(biāo)以衡量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。采用RSEI提出者徐涵秋[2]的方法計算NDVI、WET和NDSI,采用Valor等[9－10]提出的方法計算LST,公式如式(1)至式(9):

式 (1) 至 式 (9) 中:ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為對應(yīng)于各影像的藍(lán)波段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1波段和短波紅外2波段的反射率；gain和offset為波段的增益和偏置；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)；λ為波段的中心波長；ε為地表輻射率,根據(jù)植被指數(shù)混合模型[9,11－12],當(dāng)NDVI≤0,被看作是水體,ε＝0.995,當(dāng)00.72時,被看作是純植被像元,ε＝0.985,當(dāng)0.1

式(10)、式(11)中:Pv為植被覆蓋度；dε為地形幾何形狀,對于粗糙表面,dε可取均值0.015。

2.2.2 主成分分析

主成分分析[2,14]結(jié)果中RSEI值越大則表示生態(tài)環(huán)境越好[15]。RSEI并不適宜評價水域面積較大的區(qū)域,通過對水域面積的提取和計算,那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的水域面積所占比例小于1%,所以本研究不需要對水體進(jìn)行掩膜處理[13]。對那拉提旅游風(fēng)景區(qū)RSEI結(jié)果進(jìn)行量化分析,將RSEI的值以0.2為間隔分為5個等級[2－3],從低值到高值分別對應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量為差、較差、中、良、優(yōu)[16]。

2.3 植被覆蓋度構(gòu)建

基于那拉提旅游風(fēng)景區(qū)3期遙感影像的特征,選取累積概率為99%、5%的NDVI值作為2007、2019年的NDVImax和NDVImin,選取累積概率為90%、10%的NDVI值作為2014年的NDVImax和NDVImin,使用像元二分模型[17－18]對那拉提旅游風(fēng)景區(qū)FVC進(jìn)行計算,并劃分等級。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被覆蓋度變化特征

那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的FVC在2007—2019年先升后降。風(fēng)景區(qū)的FVC均值從2007年的53.74%上升到2014年的63.90%,增幅為10.16%,標(biāo)準(zhǔn)差從28.37%降至22.40%,說明風(fēng)景區(qū)在2007—2014年的FVC增加明顯,差異性減小,FVC向高值區(qū)集中；風(fēng)景區(qū)的FVC均值從2014年到2019年降至50.35%,降幅為13.55%,標(biāo)準(zhǔn)差從22.40%增至30.87%,說明風(fēng)景區(qū)在2014—2019年的FVC明顯下降,差異性增大,FVC向低值區(qū)集中。相較于2007年,2019年的FVC均值降幅為3.39%,標(biāo)準(zhǔn)差增幅為2.40%,說明2007—2019年的FVC總體呈輕微下降趨勢,差異性有輕微增大(表1)。

表1 2007—2019年各級植被覆蓋度

對比3期植被覆蓋度分級結(jié)果(圖3)可知:低和較低覆蓋度區(qū)基本分布在北部河灘、道路及南部高海拔區(qū)域,且面積很小；較高和高覆蓋度區(qū)幾乎覆蓋整個風(fēng)景區(qū),占總面積的95%以上。相較于2007年,2014年的低和較低覆蓋度區(qū)明顯縮小,但中西部區(qū)域的高覆蓋度區(qū)明顯向較高覆蓋度轉(zhuǎn)移；相較于2014年,2019年的高覆蓋度區(qū)域大量夾雜著較高覆蓋度,北部河灘和道路區(qū)域及南部高海拔區(qū)域的植被覆蓋度有明顯降低趨勢。

圖3 2007—2019年植被覆蓋度分級圖

3.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征

那拉提旅游風(fēng)景區(qū)2007、2014和2019年RSEI的主成分分析結(jié)果(表2)表明,3個時期PC1的貢獻(xiàn)率分別為96.88%、95.28%和97.35%,因此可以使用PC1代表4個分量指標(biāo)和RSEI值。4個指標(biāo)在3個時期中PC1荷載符號基本相同,說明3個時期風(fēng)景區(qū)的生態(tài)條件與PC1呈正比,因此,PC1值越大代表生態(tài)條件越好。

表2 主成分分析結(jié)果

從表3可知,那拉提旅游風(fēng)景區(qū)2007、2014和2019年的RSEI分別為0.834 6、0.890 3和0.908 2,其中,2007—2014增長了6.67%,2014—2019年增長了2.01%,表明風(fēng)景區(qū)生態(tài)質(zhì)量整體轉(zhuǎn)好。3個時期分量指標(biāo)中,NDVI和WET為RSEI中最大積極影響分量,NDVI和WET的均值與荷載值先降后升,與FVC變化趨于一致,表明NDVI和WET與FVC正相關(guān)；2007年LST的荷載值為負(fù)值,其他年份為正值,說明2007年的溫度對RSEI有負(fù)作用；NDSI均值微弱上升,2007至2019年增加了7.25%,NDSI荷載值則大幅下降,說明NDSI對RSEI的作用逐漸降低。

表3 2007—2019年遙感生態(tài)指數(shù)變化

遙感生態(tài)指數(shù)分級結(jié)果如圖4所示。由于風(fēng)景區(qū)生態(tài)質(zhì)量以優(yōu)、良等級為主,故在研究生態(tài)等級變化時將低等級的1~3級合并(表4)。2007—2014年大面積RSEI為優(yōu)的區(qū)域轉(zhuǎn)為良,2014—2019年大面積RSEI為良的區(qū)域轉(zhuǎn)為優(yōu)(圖4)。2007—2019年RSEI為優(yōu)和良之間的變化幅度較大,RSEI為優(yōu)的區(qū)域,2007—2014年減少了40.64%,2014—2019年增加了40.46%；RSEI為良的區(qū)域,2007—2014年和2014—2019年的變化幅度分別為39.93%和－38.73%,與RSEI為優(yōu)的區(qū)域的變化幅度互補(bǔ)；RSEI為差、較差和中的區(qū)域(0~0.6)變化幅度較小。整體來說,2007—2019年那拉提旅游風(fēng)景區(qū)RSEI為優(yōu)、良的區(qū)域呈微弱增長趨勢,增長了1.02%(表4)。

圖4 2007—2019年遙感生態(tài)指數(shù)分級圖

表4 2007—2019年生態(tài)等級變化

對比3期RSEI結(jié)果(圖4),3期的低RSEI區(qū)與FVC趨于一致,分布在北部河灘、道路及南部高海拔地區(qū),面積較小。相較于2007年,2014中西部RSEI為優(yōu)的區(qū)域明顯向RSEI為良的區(qū)域轉(zhuǎn)移,2019年中西部RSEI為良的區(qū)域又轉(zhuǎn)為優(yōu)；相較于2007年,2019年RSEI為良的區(qū)域破碎化更為嚴(yán)重。

3.3 FVC和RSEI的時空差異和相關(guān)性

為了更好地了解風(fēng)景區(qū)生態(tài)質(zhì)量的時空變化,對相鄰時期的FVC和RSEI分別進(jìn)行差值分析,并將結(jié)果劃分為顯著變差區(qū)、輕微變差區(qū)、基本不變區(qū)、輕微變好區(qū)和顯著變好區(qū)5個等級(圖5、表5)。

表5 那拉提旅游風(fēng)景區(qū)植被覆蓋度和遙感生態(tài)指數(shù)空間變化統(tǒng)計

圖5 2007—2019年植被覆蓋度和遙感生態(tài)指數(shù)空間變化特征

在2007—2014年,FVC退化區(qū)主要分布在西北部草場區(qū)域和北部道路沿線,穩(wěn)定不變區(qū)主要分布在中部,改善區(qū)則主要分布于東部和南部；2014—2019年,原西北部退化區(qū)域轉(zhuǎn)為輕微改善區(qū)和顯著改善區(qū),東部和南部區(qū)域則出現(xiàn)輕微退化。整體來說,穩(wěn)定不變區(qū)面積穩(wěn)中有增,改善區(qū)面積有所減少,退化區(qū)輕微增加(圖5a、圖5b)。

在2007—2014年,RSEI退化區(qū)和FVC退化區(qū)基本相符,都分布于西北部,但RSEI退化區(qū)占比更大；在2014—2019年,整個風(fēng)景區(qū)有著較大的改善,西北部顯著退化區(qū)和輕微退化區(qū)基本轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微改善區(qū)和顯著改善區(qū),東南部則主要為穩(wěn)定不變區(qū)(圖5c)。

從表5可知:植被覆蓋度退化區(qū)在2014—2019年面積占比為32.34%,與2007—2014年的28.6%相比,增加了3.74%；2007—2019年植被覆蓋度穩(wěn)定不變區(qū)面積增加了11.07%；改善區(qū)在2007—2014年的面積占比為22.67%,與2007—2014年的37.49%相比,減少了14.82%。遙感生態(tài)指數(shù)退化區(qū)在2014—2019年的面積占比為2.53%,與2007—2014年的51.3%相比,減少了48.77%；2007—2019年遙感生態(tài)指數(shù)穩(wěn)定不變區(qū)增加了1.55%；2014—2019年改善區(qū)面積占比為53.35%,與2007—2014年的6.12相比,增加了47.23%。

通過對FVC和RSEI進(jìn)行相關(guān)性分析,得出3期的相關(guān)系數(shù)分別為0.89、0.88和0.91,其均值為0.89,說明那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的FVC與RSEI有較好的相關(guān)性,FVC的變化對RSEI有著較大影響,這與前文中綠度為RSEI主要正向影響分量的結(jié)論相符。FVC和RSEI在空間上也具有較強(qiáng)的相關(guān)性,FVC值的減小或增大的區(qū)域,RSEI值也相應(yīng)的減小或增大,反之亦然。

3.4 植被覆蓋度和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響因素

1)高程。結(jié)合數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù),將那拉提旅游風(fēng)景區(qū)分為6個高程區(qū),分別統(tǒng)計3個時期每個高程區(qū)的FVC和RSEI均值及其在垂直高程上的變化。結(jié)果(圖6)表明,隨著高程升高,3期的FVC和RSEI都先升后降,由此可見,高程是影響風(fēng)景區(qū)FVC和RSEI的重要因素之一,海拔在1 277~1 700 m時對FVC和RSEI有利,1 700~2 900 m時FVC和RSEI出現(xiàn)不同程度的波動,超過2 900 m后FVC和RSEI急劇下降。

圖6 植被覆蓋度和遙感生態(tài)指數(shù)隨高程變化趨勢

2)坡向。對那拉提旅游風(fēng)景區(qū)坡向進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計3個時期每個坡向分區(qū)內(nèi)FVC和RSEI的均值。結(jié)果(圖7)表明,FVC和RSEI在2007年時受坡向影響較小,分布較為均勻；2014年時,平面、東南、南、西南方向減小較為明顯,RSEI整體變?。?019年時這幾個方向略有恢復(fù),其他方向變化較小。

圖7 植被覆蓋度和遙感生態(tài)指數(shù)隨坡向變化趨勢

3)地形起伏度。將那拉提旅游風(fēng)景區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形起伏度運(yùn)算并分區(qū)統(tǒng)計3個時期每個分區(qū)FVC和RSEI的均值,結(jié)果表明,FVC和RSEI的均值呈現(xiàn)先增后降趨勢,在起伏度為50—100 m時FVC和RSEI的均值均為最優(yōu),之后小幅度下降。

4)降雨。通過獲取巴音布魯克氣象站(51542號)2006—2019年的全年降雨數(shù)據(jù)(2006降雨數(shù)可影響2007年的FVC和RSEI),分別計算2007年、2014年和2019年月平均降雨量和2007—2019年的年均降雨量。結(jié)果(圖8a)表明,3期月均降雨量均值分別為23.81 mm、18.93 mm和32.87 mm,與2007年相比,2014年月均降雨量均值有所減少,2019明顯提升；2014年7—8月降雨量出現(xiàn)大幅度下降,造成8月份植物長勢衰退較早,這也造成當(dāng)年WET荷載值上升,影響了RSEI。年均降雨量2006—2007年、2013—2014年都有所下降,2014年處于低谷期,2014—2019年穩(wěn)中有升,2019年為最高值(圖8b)。由此可見,降雨量的變化對FVC和RSEI的影響較為明顯,前一年的降雨量對次年的FVC和RSEI也有一定影響。

圖8 降雨量變化趨勢

5)人文。那拉提旅游旅游風(fēng)景區(qū)于2011年被評為國家5A級名勝風(fēng)景區(qū)。通過2007—2019年風(fēng)景區(qū)的年均客流量統(tǒng)計分析可知:2007—2014年風(fēng)景區(qū)年均游客量穩(wěn)中有增,2014—2019年快速增長,2019年風(fēng)景區(qū)年游客總量破百萬。風(fēng)景區(qū)7—8月為旅游旺季,日平均接待量超過萬人,日最高接待量超過2萬人,而風(fēng)景區(qū)理論最大游客容量在1.4萬人左右[19－20]?？梢?客流量過大給風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力。對3期遙感影像分類提取的道路和建筑用地進(jìn)行多環(huán)緩沖區(qū)劃分[15－16],并分析3個時期不同緩沖區(qū)內(nèi)FVC和RSEI的均值。結(jié)果表明,距離道路和建筑5 m以內(nèi)時FVC和RSEI值最低,隨著距離的增加,FVC和RSEI值逐漸增大,生態(tài)環(huán)境越好。那拉提旅游風(fēng)景區(qū)內(nèi)還存在違法占用草場開墾耕地和私自放牧現(xiàn)象,2016—2018年那拉提旅游風(fēng)景區(qū)管委會處置違法占用草場開墾耕地面積3.47 hm2,現(xiàn)均已恢復(fù)為草場,而且放牧總數(shù)也維持在理論載畜量以下。這也是2019年那拉提旅游風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提升的原因之一。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)那拉提旅游風(fēng)景區(qū)RSEI和FVC有著較強(qiáng)的相關(guān)性,其空間分布和變化趨勢有較強(qiáng)的一致性,FVC和RSEI的結(jié)合能夠較好反映2007—2019年研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量及其空間變化特點(diǎn)。風(fēng)景區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)先降后升趨勢,2007—2019年風(fēng)景區(qū)RSEI為優(yōu)、良的區(qū)域呈微弱增長趨勢。在分量指標(biāo)中,NDVI和WET對RSEI影響較大,NDSI和LST對RSEI影響較小。

2)影響植被和生態(tài)因素有多種類型。降雨量通過影響植物生長,進(jìn)而影響NDVI值,是影響風(fēng)景區(qū)生態(tài)環(huán)境最重要的因素之一；風(fēng)景區(qū)的開發(fā)保護(hù)策略間接影響植物的生長,對道路和建筑周邊的環(huán)境質(zhì)量影響較大。在垂直分布上,風(fēng)景區(qū)西北部海拔較低區(qū)域的FVC和RSEI變化幅度較大,東南部海拔較高區(qū)域變化幅度較?。黄孪?qū)ζ矫?、東南、南、西南方向的FVC和RSEI有輕微影響,其他方向影響不大；地形起伏度對FVC和RSEI均值的影響呈現(xiàn)先增后降趨勢。

4.2 建議

1)科學(xué)規(guī)劃、穩(wěn)步開發(fā)。在風(fēng)景區(qū)規(guī)劃與開發(fā)的過程中,嚴(yán)格落實(shí)“兩山論”的科學(xué)內(nèi)涵,有序、有效地開發(fā)利用風(fēng)景區(qū)自然資源,注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境,在獲得經(jīng)濟(jì)效益的同時,保障生態(tài)效益,使人與自然和諧共生；盡可能使用透水路面,減少硬質(zhì)水泥路面的使用,注重道路和建筑等人流密集環(huán)境周邊的植物養(yǎng)護(hù),同時在道路和建筑周邊環(huán)境較差區(qū)域設(shè)置植被恢復(fù)區(qū),確保周邊生態(tài)環(huán)境快速恢復(fù)；在海拔超過2 900 m區(qū)域設(shè)置為限制開發(fā)區(qū),以保護(hù)較為脆弱的生態(tài)環(huán)境。

2)強(qiáng)化管理、統(tǒng)籌全局。風(fēng)景區(qū)應(yīng)控制峰值游客數(shù)量,防止超過風(fēng)景區(qū)游客容量,合理劃定游覽路線,減少植被恢復(fù)區(qū)客流量；在降雨量較少的年份,利用遙感分析當(dāng)年風(fēng)景區(qū)生態(tài)質(zhì)量,設(shè)立短期恢復(fù)區(qū)和可開發(fā)利用區(qū)域,劃定放牧區(qū)域和限定放牧強(qiáng)度,使天然草原休養(yǎng)生息,保持草原生態(tài)平衡,促進(jìn)旅游業(yè)、畜牧業(yè)的健康協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展。

致謝:感謝那拉提旅游風(fēng)景區(qū)管理委員會對本文的支持。