基于RSEI 指數(shù)的涇惠渠灌區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化評(píng)價(jià)

趙曉濤，陶汪海

（1.陜西省涇惠渠灌溉管理中心，陜西 咸陽(yáng) 713800；2.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

0 引言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量是生態(tài)系統(tǒng)要素、結(jié)構(gòu)和功能在時(shí)間和空間上的綜合表征［1］，反映了各種限制因素、景觀(guān)要素和生態(tài)水文過(guò)程相互作用的結(jié)果［2］。因此，正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)于我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)意義重大。遙感生態(tài)指數(shù)（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行高效、快速、大范圍的定量統(tǒng)計(jì)和制圖。RSEI是基于遙感影像數(shù)據(jù)，集成了綠度NDVI、濕度WET、干度NDSI和熱度LST這4個(gè)生態(tài)環(huán)境影響因素［3］，很好的解決了傳統(tǒng)生態(tài)環(huán)境指數(shù)（Ecological Index，EI）計(jì)算復(fù)雜、應(yīng)用受限等問(wèn)題［4，5］，可以全面、快速、客觀(guān)的反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量水平。目前，RSEI在區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中已得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好實(shí)驗(yàn)結(jié)果［6-9］。

灌溉農(nóng)業(yè)是黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要糧食保障區(qū)，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，其脆弱的區(qū)域生態(tài)環(huán)境迫切需要開(kāi)展針對(duì)黃土高原主要灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)生態(tài)安全評(píng)價(jià)的系統(tǒng)研究［10］。傳統(tǒng)灌區(qū)建設(shè)始終以工程效益最大化為目標(biāo)，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重視程度不夠，不合理開(kāi)發(fā)導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境惡化，化肥農(nóng)藥過(guò)量使用、地下水過(guò)量開(kāi)采等都給灌區(qū)帶來(lái)了很多負(fù)面影響，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展［11］。習(xí)近平在主持召開(kāi)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)時(shí)強(qiáng)調(diào)要“共同抓好大保護(hù)協(xié)同推進(jìn)大治理”，“讓黃河成為造福人民的幸福河”。涇惠渠灌區(qū)作為黃河流域大型灌區(qū)，年取水達(dá)8.9 億m3，其生態(tài)環(huán)境建設(shè)事關(guān)黃河流域生態(tài)保護(hù)的大事。

近幾十年來(lái)涇惠渠灌區(qū)在取得農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也產(chǎn)生了一些生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，如地表水和地下水環(huán)境問(wèn)題［12，13］、土壤環(huán)境問(wèn)題［14］等。因此，以涇惠渠灌區(qū)為研究對(duì)象，開(kāi)展灌區(qū)發(fā)展過(guò)程中（2000-2020 年）生態(tài)環(huán)境演變特征研究，監(jiān)測(cè)可能存在的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，并分析可能存在的原因，對(duì)全面、客觀(guān)地認(rèn)識(shí)人類(lèi)活動(dòng)給灌區(qū)帶來(lái)的發(fā)展和影響具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

涇惠渠灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，古都西安的北面，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108o34'34＂～109o21'35＂，北緯34o25'20＂～34o41'40＂（圖1）。灌區(qū)北依仲山、黃土臺(tái)塬，南臨涇、渭河谷，東有石川河環(huán)繞，清河自西向東穿過(guò)，地面和地下徑流排泄條件良好。灌區(qū)東西長(zhǎng)70 km，南北寬20 km，總土地面積201.8 萬(wàn)畝，設(shè)計(jì)灌溉面積135.5 萬(wàn)畝，有效灌溉面積131.9 萬(wàn)畝，其中自流灌溉面積110.2 萬(wàn)畝，抽水灌溉面積34.28 萬(wàn)畝，110.0 萬(wàn)畝農(nóng)田達(dá)到了渠井雙灌條件。涇惠渠灌區(qū)多年平均降水量503.77 mm，降水時(shí)空分布不均，每年7-9月降雨量占全年降雨量50%～60%，平均大于5 mm 的降雨天數(shù)30 d，大于10 mm 的降雨天數(shù)17 d，平均降水天數(shù)77.5 d。灌區(qū)年蒸發(fā)量1 212 mm。涇惠渠灌區(qū)西、南兩側(cè)有涇河、渭河自西向東流過(guò)，東有石川河自北向南環(huán)繞，中有清河自西向東橫穿而過(guò)，四條河流為流經(jīng)灌區(qū)的天然水系，同時(shí)也為灌區(qū)提供了良好的水源，其中水資源的利用以涇河為主涇惠渠灌區(qū)現(xiàn)代化改造和建設(shè)進(jìn)程的分析與思考［15］。

圖1 涇惠渠灌區(qū)行政區(qū)劃圖Fig.1 Administrative division map of Jinghui Canal Irrigation district

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究的關(guān)鍵數(shù)據(jù)源是Landsat遙感影像，其空間分辨率為30 m，時(shí)間分辨率為16 d。在Google earth engine 平臺(tái)上，利用JavaScript API 在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)2000、2005 和2010 年的Landsat-7 地表反射率數(shù)據(jù)集（LANDSAT/LE07/C02/T1_L2），以及2015 及2020年的Landsat-8 地表反射率數(shù)據(jù)集（LANDSAT/LC08/C02/T1_L2）。

為分析土地利用變化對(duì)涇惠渠灌區(qū)的生態(tài)質(zhì)量影響，本研究采用了武漢大學(xué)黃昕教授團(tuán)隊(duì)發(fā)布的中國(guó)30 m 年度土地覆蓋產(chǎn)品（CLCD）［16］，但由于該數(shù)據(jù)集缺少2020 年的數(shù)據(jù)，故2020 年采用的是歐洲航空局（ESA）發(fā)布的全球10 m 土地覆蓋數(shù)據(jù)［17］，并將ESA的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，得到與CLCD產(chǎn)品相同的分辨率。

1.3 研究方法

利用遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）來(lái)反映涇惠渠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，RSEI是通過(guò)綠度（NDVI）、濕度（WET）、熱度（LST）和干度（NDBSI）4 個(gè)指數(shù)的綜合［3］，來(lái)定量表征生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣程度。

（1）NDVI，歸一化植被指數(shù)，用于監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)狀況，根據(jù)紅光波段和近紅外波段的反射特征而構(gòu)建，計(jì)算方法為［18］：

式中：ρnir為近紅外波段反射率；ρred為紅光波段反射率。

（2）WET，遙感纓帽變換得到的濕度指數(shù)，可反映地表植被、水體和土壤的濕度狀況，基于TM 和基于OLI 反射率數(shù)據(jù)計(jì)算WET的公式分別為［19］：

式中：WETTM和WETOLI分別為基于Landsat TM 和OLI 遙感影像數(shù)據(jù)得到了濕度指數(shù)；ρblue、ρgreen、ρswiri、ρswir2分別表示藍(lán)光、綠光、短波紅外1和短波紅外2波段的光譜反射率。

（3）LST，通過(guò)地表溫度來(lái)表示，其計(jì)算公式為［7，20］：

式中：T為傳感器處溫度；λ 為熱紅外波段中心波長(zhǎng)，取11.48 μm；ε為地表比輻射率，可通過(guò)NDVI閾值法獲?。沪讶?.438×10-2mK。

（4）NDBSI，表示建筑用地和裸土干燥程度，選用建筑指數(shù)（IBI）和裸土指數(shù)（SI）合成干度指數(shù)［21］，計(jì)算公式為：

（5）綜合生態(tài)指數(shù)模型構(gòu)建。通過(guò)主成分分析的方法將4個(gè)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)耦合成一個(gè)綜合生態(tài)指數(shù)。因4個(gè)指標(biāo)在量綱和數(shù)值范圍上差異較大，為減少不同指標(biāo)數(shù)值大小對(duì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)結(jié)果的影響，需對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，使其值映射到［0，1］區(qū)間內(nèi)，歸一化方法如下：

式中：NI為第i年歸一化處理后的指標(biāo)值；I為第i年的指標(biāo)數(shù)值；Imax和Imin分別為第i年指標(biāo)的最大值和最小值。

對(duì)歸一化后的4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到初始生態(tài)指數(shù)，表達(dá)式為：

式中：RSEI0為初始遙感生態(tài)指數(shù)；PC1 為第一主成分；NINDVI，NIWET，NILST，NISI分別為4個(gè)指標(biāo)歸一化處理后的指標(biāo)值。

為了便于長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，再對(duì)初始遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算方法為：

式中：RSEI為遙感生態(tài)指數(shù)，RSEI0_min，RSEI0_max分別為初始遙感生態(tài)指數(shù)的最小值和最大值。RSEI的取值范圍在［0，1］之間，數(shù)值越接近1 表示生態(tài)質(zhì)量越好。為了便于分析生態(tài)變化特征，本文根據(jù)等間距法將RSEI分成了5 個(gè)等級(jí)來(lái)表征生態(tài)質(zhì)量狀況，分別為差（0～0.2）、較差（0.2～0.4）、中等（0.4～0.6）、良好（0.6～0.8）、優(yōu)（0.8～1.0）。參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ192-2015）中的等級(jí)表述，差表示生態(tài)環(huán)境惡劣，不適宜人類(lèi)生活發(fā)展；較差表示植被覆蓋程度較低，存在明顯的限制人類(lèi)活動(dòng)的因素；中等表示植被覆蓋中等，較適合人類(lèi)居住，但有一定限制因素存在；良好表示植被覆蓋較好，適合人類(lèi)生活；優(yōu)表示植被覆蓋度較高，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定［7］。

本研究主要分析了2000、2005、2010、2015和2020年的4個(gè)生態(tài)質(zhì)量指標(biāo)（NDVI、WET、LST、NDBSI），對(duì)選取的遙感影響進(jìn)行預(yù)處理后，提取了4個(gè)生態(tài)治理指標(biāo)，并將歸一化后的指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，分析結(jié)果如表1 所示。5 個(gè)監(jiān)測(cè)年份中，第一主成分PC1 的特征值貢獻(xiàn)率最高為80.25%（2020 年），最低為75.38%（2000 年），平均為77.63%。因此，PC1 集中了大部分的信息特征，可以作為定量表征涇惠渠地區(qū)的生態(tài)指數(shù)依據(jù)。

表1 主成分分析結(jié)果Tab.1 Results of principal component analysis

2 結(jié)果與分析

2.1 涇惠渠灌區(qū)RSEI時(shí)間變化

2000-2020年的涇惠渠灌區(qū)遙感生態(tài)指數(shù)的等級(jí)分布情況如圖2所示，5個(gè)年份的生態(tài)指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，涇惠渠灌區(qū)的平均RSEI值從2000 年的0.63（最大值）下降到2010 年的0.52（最低值），此后又逐漸上升到2020 年的0.56，總體呈現(xiàn)先下降后緩慢轉(zhuǎn)好的特征。從RSEI的概率分布情況來(lái)看，2010 年之前的分布相對(duì)集中，而2010 年以后相對(duì)分散一些。為了進(jìn)一步分析涇惠渠灌區(qū)的RSEI等級(jí)變化特征，圖4 顯示了涇惠渠灌區(qū)各RSEI等級(jí)所占的總面積比例在2000-2020年的變化。結(jié)果表明，差等級(jí)的面積比例均較小，其最大值出現(xiàn)在2000 年，為3.46%；較差等級(jí)總體表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，其最大值出現(xiàn)在2015 年，為16.96%；中等級(jí)別的面積占比表現(xiàn)為先快速增加后略有下降的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在2010 年，為38.80%；良好等級(jí)的面積占比表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，從2000 年的40.12%逐漸下降到2020 年的31.33%；優(yōu)等級(jí)的面積占比表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，其最大值為2000 年的35.25%，最小值為2010年的5.90%，到2020年恢復(fù)到21.30%。

圖2 2000-2020年涇惠渠灌區(qū)RSEI等級(jí)分布Fig.2 Distribution of classified RSEI in Jinghui Canal irrigation district from 2000 to 2020

圖3 2000-2020年涇惠渠灌區(qū)RSEI統(tǒng)計(jì)分析Fig.3 Statistical analysis of RSEI in Jinhui Canal district from 2000 to 2020

圖4 2000-2020年涇惠渠灌區(qū)RSEI等級(jí)的面積比例Fig.4 Area ratio of classified RSEI in Jinghui Canal from 2000 to 2020

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量演變特征

為了分析涇惠渠灌區(qū)的生態(tài)變化特征，對(duì)2000-2005、2005-2010、2010-2015和2015-2020時(shí)間段內(nèi)的RSEI差值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。本研究得到了3 種變化類(lèi)型，分別是退化、不變和改善。分析發(fā)現(xiàn)，2000-2020涇惠渠灌區(qū)生態(tài)質(zhì)量退化的區(qū)域高達(dá)71.83%，生態(tài)沒(méi)有發(fā)生明顯變化的區(qū)域占比為15.61%，僅有12.56%的區(qū)域有所改善。因此，近20 年來(lái)，涇惠渠灌區(qū)總體生態(tài)治理發(fā)生了大面積的退化現(xiàn)象。對(duì)于4個(gè)時(shí)間段：①2000-2005 年，生態(tài)不變的區(qū)域占40.90%，生態(tài)退化的面積占32.27%，生態(tài)改善的區(qū)域占28.63%，總體表現(xiàn)為略有退化；②2005-2010 年，生態(tài)不變的區(qū)域占37.12%，生態(tài)退化區(qū)域?yàn)?2.78%，生態(tài)改善的區(qū)域占10.11%，總體表現(xiàn)為大面積退化；③2010-2015 年，生態(tài)不變的區(qū)域占46.51%，生態(tài)退化的區(qū)域占24.17%，生態(tài)改善的區(qū)域占29.31%，總體表現(xiàn)為略有改善；④2015-2020 年，生態(tài)不變的區(qū)域占53.49%，生態(tài)退化的區(qū)域占13.09%，生態(tài)改善的區(qū)域占33.41%，總體表現(xiàn)為生態(tài)改善。

圖5 2000-2020年涇惠渠灌區(qū)RSEI變化Fig.5 Changes of RSEI in Jinghui Canal from 2000 to 2020

2.3 土地利用變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響

2000-2020 年涇惠渠灌區(qū)土地利用類(lèi)型分布如圖6 所示。從圖中可知，涇惠渠灌區(qū)的土地利用類(lèi)型主要為耕地和建設(shè)用地，林草地和水體區(qū)域相對(duì)較少，且無(wú)明顯變化。耕地面積在5個(gè)年份的數(shù)值分別為1 240.74、1 198.46、1 170.41、1 098.92 和1 072.59 km2，在近20 年中總體為下降趨勢(shì)，2020 年較2000 年下降了86.45%；建設(shè)用地面積分別為99.97、140.30、168.28、237.96 和264.21 km2，在近20 年中總體表現(xiàn)為快速增加趨勢(shì)，2020 年較2000 年增加了2.64 倍。為了進(jìn)一步分析耕地和建設(shè)用地的生態(tài)質(zhì)量變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)分析了兩種土地利用類(lèi)型下的RSEI在2000-2020 年內(nèi)的分布情況，結(jié)果如圖7 所示。耕地區(qū)域的RSEI平均值從2000 年的0.638，減小到2010 年的0.54，然后到2020 年恢復(fù)至0.58，近20 年總體下降9.09%；建設(shè)用地的RSEI從2000年的0.58，下降到2000年的0.45，到2020年恢復(fù)到0.49，總體近20 年下降9.26%；建設(shè)用地的RSEI值整體上要小于耕地區(qū)域。由此可見(jiàn)，一方面涇惠渠灌區(qū)耕地區(qū)域的生態(tài)質(zhì)量下降了，另一方面涇惠渠灌區(qū)建設(shè)用地的快速擴(kuò)展加劇了生態(tài)質(zhì)量的下降，雖然從2010 年開(kāi)始生態(tài)質(zhì)量有所改善，但是仍然處于較低水平。此外，林草地和水體濕地區(qū)域面積過(guò)低，涇惠渠灌區(qū)需大量擴(kuò)增林草地等生態(tài)建設(shè)區(qū)域，才能更好的恢復(fù)生態(tài)。

圖6 2000-2020涇惠渠灌區(qū)土地利用分布Fig.6 Land use type distribution of Jinghui Canal from 2000 to 2020

圖7 2000-2020年涇惠渠灌區(qū)耕地和建設(shè)用地區(qū)域的RSEI分布Fig.7 Distribution of RSEI for cultivated land and construction land in Jinghui Canal from 2000 to 2020.

3 結(jié)論

根據(jù)2000-2020 年5 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的Landsat 遙感影像，2000-2015 年CLCD 的土地利用數(shù)據(jù)，和2020 年ESA 土地利用數(shù)據(jù)，通過(guò)遙感生態(tài)質(zhì)量指數(shù)RSEI獲取了涇惠渠灌區(qū)近20 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化情況，并結(jié)合土地利用情況分析了耕地和建設(shè)用地的生態(tài)質(zhì)量變化。主要結(jié)論如下：

（1）2000-2020 年間，涇惠渠灌區(qū)RSEI平均值呈現(xiàn)先降低后略有上升的趨勢(shì)，總體上由0.63 下降到0.52，表明近20 年涇惠渠生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化了。

（2）RSEI等級(jí)變化中，良好和優(yōu)等級(jí)（RSEI＞0.6）區(qū)域面積占比從75.36%下降到52.61%；中等（0.4＜RSEI＜0.6）區(qū)域面積占比從14.03%上升到30.75%；較差和差等級(jí)（RSEI＜0.4）區(qū)域面積占比從10.60%上升到16.62%。

（3）RSEI差值分析中，涇惠渠灌區(qū)近20 年總體生態(tài)退化區(qū)域占71.82%，無(wú)明顯變化區(qū)域占15.61%，生態(tài)改善區(qū)域占12.56%；2000-2010 年以生態(tài)退化為主，2010-2020 年以生態(tài)改善為主。

（4）涇惠渠灌區(qū)主要的土地利用類(lèi)型為耕地和建設(shè)用地（占比大于99%），耕地區(qū)域的RSEI值整體大于建設(shè)用地區(qū)域；近20 年耕地面積逐漸減小，建設(shè)用地面積逐漸增大；耕地區(qū)域的RSEI值2000-2020 年下降了9.09%，建設(shè)用地的RSEI值下降了9.26%。

本研究采用的是Landsat 30 m 分辨率的遙感影像，但本研究的區(qū)域面積相對(duì)較小，還需要進(jìn)一步結(jié)合高分辨率影像及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。此外，RSEI指數(shù)僅考慮生態(tài)環(huán)境方面的特征，后續(xù)研究應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步考慮經(jīng)濟(jì)、社會(huì)保障和文化等方面的指標(biāo)，從多個(gè)視角分析生態(tài)環(huán)境建設(shè)與農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的協(xié)調(diào)關(guān)系。生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)非一日之功，需要進(jìn)一步完善生態(tài)政策，加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度。