王 劍, 管 瑤, 賀興宏,2, 代云豪, 陳藝偉, 王育強(qiáng),李會文, 范德寶
(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)南疆巖土工程研究中心,新疆 阿拉爾 843300;3.北川羌族自治縣公路運(yùn)輸管理所,四川 綿陽 621000)
新疆受地理條件限制,晝夜溫差大、降雨量少,導(dǎo)致新疆很多地區(qū)干旱缺水,新疆圖木舒克市生態(tài)環(huán)境脆弱,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響,所以準(zhǔn)確了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的質(zhì)量對于當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類生活、經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展有著重要意義[1]。
生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)可用來評價區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況[2-3],遙感技術(shù)在監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中已得到廣泛應(yīng)用,其具有高效性、及時性等特點,可為監(jiān)測研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提供實時數(shù)據(jù),也為監(jiān)測區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化提供了更多可能性[4-5]。近年來,眾多國內(nèi)外學(xué)者利用遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與評價,Boori 等[6]分別利用RSEI 和EI 對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行研究,表明傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)原理與遙感技術(shù)相結(jié)合的新興研究課題對區(qū)域環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。同時,有學(xué)者[7-10]利用RSEI對露天礦區(qū)、科爾沁沙地、新疆干旱區(qū)博樂市和濱海濕地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化進(jìn)行研究,研究表明RSEI適用于不同土地類型,可對不同類型研究區(qū)高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測。目前,利用RSEI對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與評價已廣泛應(yīng)用到城市[11-13]、礦區(qū)[14-15]、濕地[16-17]、干旱區(qū)[18-20]等眾多區(qū)域。現(xiàn)大多學(xué)者只對區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了監(jiān)測評估,研究區(qū)自然因素與社會因素對其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響沒有進(jìn)行多角度的客觀評價。由評價指標(biāo)構(gòu)成生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價體系,并分析探究其生態(tài)質(zhì)量變化與當(dāng)?shù)仳?qū)動因素之間的相互關(guān)系,既可對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測,也可為研究區(qū)規(guī)劃治理生態(tài)環(huán)境提供一定的參考依據(jù),對促進(jìn)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)與社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。
新疆圖木舒克市是南疆發(fā)展的重點城市,生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的“生命線”,本研究選取圖木舒克市2000—2021 年3 期遙感影像數(shù)據(jù),通過歸一化植被指數(shù)(NDVI)、土壤濕度(WET)、干度(NDSI)、地表溫度(LST)4個指標(biāo)構(gòu)建RSEI,對圖木舒克市近22 a來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與客觀評價,并分析其當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)與自然條件等驅(qū)動因素與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的相互關(guān)系,為圖木舒克市未來發(fā)展提供一定的理論依據(jù),從而促進(jìn)圖木舒克市未來可持續(xù)發(fā)展。
圖木舒克市(39°36′~40°04′N,78°38′~79°50′E)位于新疆塔里木盆地西北邊緣,全市總?cè)丝?2.66×104人,總面積1941 km2,地貌特征表現(xiàn)為平原、沙丘等[1]。圖木舒克市氣候?qū)儆谂瘻貛Т箨懶愿珊禋夂?,日照時間長,受太陽輻射較強(qiáng),晝夜溫差大,夏季炎熱,冬季寒冷,四季分明,年均氣溫10~13 ℃,年降水量12.3~30.1 mm,主要農(nóng)作物為棉花,是國家批準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)商品棉基地[21](圖1)。
圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area
在地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn)中下載Landsat影像數(shù)據(jù),選取2000年9月5日和2011年9月12 日Landsat 7 ETM+、2021 年8 月30 日Landsat 8 OLI共3期云量小于10%的遙感影像數(shù)據(jù)。人口、國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)、農(nóng)業(yè)種植面積等數(shù)據(jù)來源于新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計年鑒[1]。降雨量、氣溫數(shù)據(jù)來源于羲和能源大數(shù)據(jù)平臺(https://www.xihe-energy.com)。
1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理研究區(qū)原始影像利用ENVI 5.3對其進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理操作[22],對統(tǒng)計年鑒中人口、GDP、農(nóng)業(yè)種植面積、降雨量等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,利用Origin 2018對數(shù)據(jù)分析。
1.3.2 生態(tài)指數(shù)因子遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)由NDVI、WET、NDSI、LST 4個生態(tài)指數(shù)構(gòu)建。
(1)歸一化植被指數(shù)(NDVI)。
NDVI 常應(yīng)用于植物生長狀況和生態(tài)環(huán)境變化的監(jiān)測,監(jiān)測靈敏度高,能夠較為真實地反映出研究區(qū)的地表變化規(guī)律,已得到廣泛應(yīng)用[5]。計算公式為:
(2)土壤濕度(WET)。
研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的好壞可以由土壤濕度的高低來反映,濕度是監(jiān)測地表環(huán)境的重要指標(biāo),為能有效地去除冗余數(shù)據(jù),本文采用遙感纓帽變換來反演土壤濕度[23]。WETTM、WETOLI分別為在Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI中土壤濕度的值。計算公式為:
(3)干度(NDSI)。
利用建筑指數(shù)(IBI)與裸土指數(shù)(SI)構(gòu)建NDSI[5],計算公式為:
式中:ρb、ρg、ρr、ρn、ρs1、ρs2分別為藍(lán)、綠、紅、近紅外、短紅外1、短紅外2波段反射率[24]。
(4)地表溫度(LST)
本文熱度指數(shù)利用大氣校正法進(jìn)行反演,熱度指數(shù)由地表溫度表示,在Landsat ETM+中熱輻射強(qiáng)度由灰度值轉(zhuǎn)換得到,地表亮度溫度值由熱輻射強(qiáng)度推算得到[22,25]。在Landsat OLI中利用大氣校正法反演LST[23]。
在Landsat ETM+中,計算公式為:
式中:Lα、Lmax(α)、Lmin(α)分別為衛(wèi)星傳感器所接收到的熱紅外波段的輻射值、最大和最小輻射長度;Qdn、Qmax、Qmin分別為像元灰度值、最大和最小灰度值;T為黑體在熱紅外波段的輻射亮度[22];K1、K2為定標(biāo)參數(shù),K1=60.6093 MW·cm-2?sr-1?μm-1,K2=1282.7108 K。
在Landsat OLI中,計算公式為:
式中:LST、BLST、Lα、τ、ε分別為地表溫度(K)、黑體熱輻射亮度、熱紅外波段的輻射值、大氣在熱紅外波段的透過率、地表比輻射率;L↑、L↓分別為大氣向上、向下輻射亮度[23];K1=774.89 MW·cm-2?sr-1?μm-1,K2=1321.08 K[26]。
1.3.3 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)考慮水體對濕度指標(biāo)的影響,圖木舒克市內(nèi)有西北地區(qū)最大的小海子水庫和永安壩南北水庫[21],故將該研究內(nèi)水域進(jìn)行掩膜處理,不再考慮水體面積的變化[27]。為避免NDVI、WET、NDSI、LST 4個指標(biāo)權(quán)重失衡,本文采用主成分分析法將4 個指標(biāo)集成,對4 個指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后,再進(jìn)行主成分分析,從而保證結(jié)果準(zhǔn)確性[5]。RSEI數(shù)值在[0,1]之間,數(shù)值越大表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好[22]。
式中:Ix為各指標(biāo)值(NDVI、WET、NDSI、LST);Ii為各指標(biāo)歸一化后的值;Imax、Imin分別為各指標(biāo)歸一化后的最大、最小值;PC1[f(NDVI,WET,NDSI,LST)]為第一主成分;RSEI0、RSEI0_max、RSEI0_min分別為遙感生態(tài)指數(shù)初始值、最大和最小初始值[9]。
2000—2021 年圖木舒克市RSEI 主成分分析結(jié)果(表1),PC1貢獻(xiàn)率最高,分別為88.33%、91.30%、93.11%,平均高達(dá)90.91%;PC2、PC3、PC4 貢獻(xiàn)率平均分別為6.86%、1.79%、0.44%。PC1 的4 個指標(biāo)貢獻(xiàn)率均超過85%,表明PC1 最大程度地集中了各指標(biāo)特征,可用來構(gòu)建RSEI,且能較為全面地反映出圖木舒克市的生態(tài)環(huán)境綜合狀況,能對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好評價。
表1 遙感生態(tài)指數(shù)主成分分析結(jié)果Tab.1 Principal component analysis results of remote sensing ecological index
2.2.1 RSEI 均值利用ENVI 5.3 對2000—2021 年圖木舒克市3 期RSEI 統(tǒng)計,計算得到RSEI 均值(表2),2000—2011 年RSEI 均值從0.406 增至0.417,增量為0.011,增長率為2.71%;2011—2021 年RSEI 均值從0.417 增至0.476,增量為0.059,增長率為14.15%;22 a 來RSEI 均值從0.406 增至0.476,增量為0.07,增長率為17.24%。2000—2021年圖木舒克市RSEI均值呈持續(xù)上升趨勢,但均在0.5以下,表明當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量還仍繼續(xù)保護(hù)和提升。
表2 2000—2021年圖木舒克市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)均值Tab.2 Average RSEI in Tumshuk City from 2000 to 2021
2.2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間分布為直觀反映出圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化,以0.2 為區(qū)間將RSEI 劃分為5 個等級:差[0, 0.2)、較差[0.2, 0.4)、中等[0.4,0.6)、良[0.6,0.8)和優(yōu)[0.8,1.0][5]。繪制2000—2021年圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級的空間分布狀況圖(圖2a~c),統(tǒng)計2000—2021年圖木舒克市不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積和所占比例(表3)。
表3 不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積Tab.3 Area of different ecological environment quality levels
圖2 圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級分布Fig.2 Distribution of ecological environment quality levels in Tumshuk City
利用衛(wèi)星地圖觀測和實地調(diào)查的方式對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化狀況進(jìn)行勘察驗證,發(fā)現(xiàn)圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯示差等級的區(qū)域主要為干旱沙漠,較差等級的區(qū)域主要為重度鹽堿地,中等級區(qū)域主要為城市居地和稀疏草地,良等級區(qū)域主要為水域附近的少量耕地,優(yōu)等級主要為林地和耕地。
由圖木舒克市不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級面積(表3)可知,2000—2021年圖木舒克市中等級面積呈逐年“降低”趨勢,共減少71.82 km2,下降23.83%;差和較差兩等級面積占比較高,兩等級占比呈“降低-升高”變化趨勢,總體呈降低變化,共減少73.08 km2,下降8.11%;良等級呈“升高-降低”變化趨勢,良等級面積共增加66.46 km2,增長率為29.45%;優(yōu)等級呈持續(xù)“升高”變化趨勢,面積占比從15.57%增至23.19%,共增加143.96 km2,增長率為54.64%。綜上所述,圖木舒克市近22 a來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈變好趨勢。
2.2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化對圖木舒克市2000、2011年和2021年RSEI進(jìn)行等級變化監(jiān)測,得到圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化(圖3)、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化面積轉(zhuǎn)移矩陣(表4)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化級差面積(表5)。
表4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化面積轉(zhuǎn)移矩陣Tab.4 Stochastic matrix of ecological environment quality change area /km2
表5 2000—2021年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化級差面積統(tǒng)計Tab.5 Statistics of the difference area of ecological environment quality change from 2000 to 2021
圖3 2000—2021年圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化Fig.3 Changes of ecological environment quality levels in Tumshuk City from 2000 to 2021
2000—2021年圖木舒克市生態(tài)環(huán)境等級變化區(qū)域分布廣泛,2000—2021年圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不變的面積為740.483 km2,占總面積的42.55%,主要分布在研究區(qū)北部和南部地區(qū);變差面積為438.610 km2,占總面積的25.21%,主要分布在研究區(qū)東北、西南地區(qū);變好面積為560.994 km2,占總面積的32.24%,主要分布在研究區(qū)中部、東南、西北地區(qū)。2000—2021年圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好面積遠(yuǎn)大于變差面積,表明圖木舒克市近22 a來生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體得到提升,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境得到有效改善。
RSEI 能較好地反映圖木舒克市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化同時也受其相關(guān)驅(qū)動因素的影響。通過查閱新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計年鑒[1],提取2000—2021 年圖木舒克市社會經(jīng)濟(jì)因素和自然因素等驅(qū)動因素數(shù)據(jù)(表6),分析得到圖木舒克市2000—2021 年人口與GDP 變化趨勢(圖4);種植業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值與農(nóng)業(yè)種植面積變化趨勢(圖5);年均氣溫和年降水量變化趨勢(圖6)。
表6 2000—2021年圖木舒克市驅(qū)動因素數(shù)據(jù)信息Tab.6 Driver data information in Tumshuk City from 2000 to 2021
圖4 2000—2021年圖木舒克市人口與國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)變化趨勢Fig.4 Change trends of population and GDP in Tumshuk City from 2000 to 2021
圖5 2000—2021年圖木舒克市種植業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值與農(nóng)業(yè)種植面積變化趨勢Fig.5 Change trends of planting industry,gross agricultural product,and agricultural planting area in Tumshuk City from 2000 to 2021
圖6 2000—2021年圖木舒克市氣溫與降水量變化趨勢Fig.6 Change trends of temperature and precipitation in Tumshuk City from 2000 to 2021
2.3.1 社會經(jīng)濟(jì)因素2000—2010年圖木舒克市人口和GDP增長趨勢均較為緩慢,2010年開始人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展開始加速,2010—2021年圖木舒克市人口和GDP 增長趨勢較大。農(nóng)業(yè)種植面積在2000—2009 年逐年增長,2010 年有所下降,2010—2021 年農(nóng)業(yè)種植面積在9.5×104~13.5×104hm2內(nèi)波動變化。由于圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸提高,在2010年開始改善當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,加大農(nóng)業(yè)機(jī)械器具數(shù)量,擴(kuò)大機(jī)械耕地范圍,生產(chǎn)建設(shè)逐漸加強(qiáng);同時增加交通運(yùn)輸車輛,使貨物運(yùn)輸和周轉(zhuǎn)更加方便,進(jìn)而促進(jìn)圖木舒克市在2010年間經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,社會經(jīng)濟(jì)方面全面大幅度提升。人口的增長和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展會導(dǎo)致人類在研究區(qū)內(nèi)人口密度和活動軌跡增加,導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)土地類型發(fā)生變化,對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級變化有一定影響。
2.3.2 自然因素為研究氣候、降水量等自然因素對圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響,獲取并分析圖木舒克市近22 a氣象數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)2000—2021年圖木舒克市年均氣溫在10~13 ℃之間波動,年降水量在10~35 mm 之間波動;近22 a 來圖木舒克年均氣溫、年降雨水在一個區(qū)間內(nèi)不斷波動。2000—2011 年圖木舒克市年均氣溫波動范圍為11.5~13.0 ℃,年降雨量較低;2011—2021 年年均氣溫波動范圍為10.5~12.6 ℃,年降水量逐漸增長。年均氣溫的穩(wěn)定和降水量的增多會對圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化起到積極作用,年均氣溫波動范圍較大和降水量減少對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善會產(chǎn)生一定消極影響。
綜上所述,結(jié)合圖木舒克市RSEI和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空變化分析,圖木舒克市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受社會因素和自然因素的影響,研究區(qū)自然因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響較小,社會經(jīng)濟(jì)因素對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量影響較大。
城市的植被覆蓋度對其生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有一定貢獻(xiàn)作用[14-15]。白松[28]對圖木舒克市植被覆蓋情況進(jìn)行研究,顯示研究區(qū)1993—2019年植被覆蓋面積大幅度增加;土地利用類型變化會引起生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的變化[20],如克亞·熱合曼等[29]對圖木舒克市1998—2018年土地利用類型變化做出研究,研究表明圖木舒克市耕地、建設(shè)用地面積呈增加趨勢。通過研究城市的植被覆蓋率和土地利用變化可以反映出當(dāng)?shù)厝祟惢顒优c自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征,研究區(qū)植被覆蓋面積和耕地面積的增加,對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量變好起到積極作用[18,30]。通過對近22 a 圖木舒克市RSEI 分析,總體生態(tài)環(huán)境逐漸變好,與當(dāng)?shù)氐闹脖桓采w率和耕地面積增加有密切關(guān)系,未來應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)措施,進(jìn)一步提升當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量。
氣候變化是影響生態(tài)環(huán)境的自然因素之一,社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系尤為復(fù)雜[12]。氣溫和降水量的變化會影響土壤的濕度,氣溫升高導(dǎo)致空氣中水分降低,降水量增多提高了土壤濕度[17];人口的增長會引起城市的擴(kuò)張,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)需要相互協(xié)調(diào)[13,19]。本文對研究區(qū)人口、GDP、氣候、農(nóng)業(yè)等驅(qū)動因素進(jìn)行變化分析,顯示社會經(jīng)濟(jì)因素對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量變化具有顯著影響,耕地面積的增多和農(nóng)業(yè)大力發(fā)展,提高了當(dāng)?shù)鼐用竦氖找妫菇?jīng)濟(jì)效益不斷提升,促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的發(fā)展,也使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到提升,這與眾多學(xué)者研究結(jié)果大致相同[12-13,19,31]。為了促進(jìn)圖木舒克市未來可持續(xù)發(fā)展,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的保護(hù)仍是需要持續(xù)關(guān)注的問題。
(1)2000、2011 年和2021 年圖木舒克市RSEI均值分別為0.406、0.417 和0.476,生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好面積遠(yuǎn)大于變差面積,改善區(qū)域主要分布在研究區(qū)中部、東南、西北地區(qū),近22 a生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到有效改善。
(2)通過對圖木舒克市自然因素和社會經(jīng)濟(jì)因素進(jìn)行分析,當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量受人口、GDP、耕地面積、氣候等因素影響,在驅(qū)動因素中社會經(jīng)濟(jì)因素對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量有顯著影響。
(3)由NDVI、WET、NDSI 及LST 構(gòu)建RSEI,可以高效、準(zhǔn)確地對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測與客觀評價,可為今后圖木舒克市生態(tài)環(huán)境保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供一定理論依據(jù)。