卡吾恰提·白山，王雪梅,2，黃曉宇

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院， 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”，烏魯木齊 830054；3.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，烏魯木齊 830054)

【研究意義】黨的十八大以來，習(xí)近平總書記從生態(tài)文明建設(shè)的整體視野提出了“山水林田湖草是生命共同體”的論斷，強(qiáng)調(diào)要“全方位、全地域、全過程開展生態(tài)文明建設(shè)”，生態(tài)環(huán)境保護(hù)越來越受到社會(huì)各界的廣泛重視。如何有效提升生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測無疑是至關(guān)重要的一步[1]。【前人研究進(jìn)展】目前國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測與評(píng)價(jià)的方法較為豐富，而遙感信息技術(shù)憑借其獲取信息時(shí)序短，監(jiān)測區(qū)域范圍較大的優(yōu)勢在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，是一種便捷且有效評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的研究手段[2-3]。其中徐涵秋[4]提出的新型遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)是一種完全基于遙感信息的綜合生態(tài)指數(shù)，該方法在監(jiān)測與評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況中具有一定的優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值。王勇等[5]基于遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)近20 年丹江流域(河南段)的生態(tài)質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量得到明顯改善，同時(shí)得出了植被覆蓋度的增加和建設(shè)用地的擴(kuò)張與生態(tài)質(zhì)量狀況之間有密切聯(lián)系的結(jié)論。候進(jìn)平等[6]利用遙感影像和溫濕度等數(shù)據(jù)，計(jì)算出遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)并對(duì)瑪納斯河流域不同土地利用和植被覆蓋的水土流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)。近年來基于遙感技術(shù)背景下的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究多見于森林保護(hù)區(qū)、流域單元以及城市建成區(qū)，而關(guān)于長時(shí)間序列下的城鎮(zhèn)化區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少[7]。【本研究切入點(diǎn)】和田市位于我國西北地區(qū)，作為“一帶一路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)”的中心城市，其生態(tài)環(huán)境健康快速發(fā)展將會(huì)大大促進(jìn)“一帶一路”倡議的順利完成以及新疆社會(huì)穩(wěn)定和長治久安總目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。作為人地關(guān)系矛盾突出、自然條件十分惡劣、水資源短缺，生態(tài)環(huán)境極為脆弱的欠發(fā)達(dá)地區(qū)，近幾十年來隨著人口的不斷增加，有限的自然資源和脆弱的生態(tài)環(huán)境導(dǎo)致和田市出現(xiàn)了一些嚴(yán)重的生態(tài)問題，對(duì)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善構(gòu)成了重大威脅[8]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為探討城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的和田市生態(tài)環(huán)境問題，本研究基于遙感技術(shù)，提取綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDBSI)和熱度(LST)4個(gè)重要指標(biāo)，采用主成分分析法( SPCA)構(gòu)建遙感生態(tài)指數(shù)并從自然和人為因素的共同干擾，對(duì)和田市近20年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，以期為和田市生態(tài)保護(hù)與環(huán)境恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

和田市位于新疆維吾爾自治區(qū)西南端，東經(jīng)79°50′20″～79°56′40″，北緯36°59′50″～37°14′23″，地處昆侖山與塔克拉瑪干沙漠交界，地勢南高北低，并由西向東緩傾，是和田地區(qū)的行政、經(jīng)濟(jì)、文化、教育、貿(mào)易中心和交通樞紐，也是古絲綢之路南道上的重鎮(zhèn)，自古就有“絲路明珠”的美稱[9]。屬溫帶大陸性極端干旱氣候，年降水量為28.9～47.1 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2198～2790 mm，降水稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈且多風(fēng)沙的氣候特征形成了該區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱的現(xiàn)實(shí)狀況(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location map of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究采用和田市2000—2019年Landsat系列的遙感影像，2000、2005年使用的是Landsat7 ETM數(shù)據(jù)，2010年使用的是Landsat5 TM數(shù)據(jù)，2015、2019年使用的是Landsat8 OLI數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey, USGS)網(wǎng)站。為保障分析結(jié)果的精確性，5期數(shù)據(jù)都為夏季7—8月份影像，選取了積云量少于10%、紋理豐富、特征明顯且信息可讀性高的遙感影像為研究數(shù)據(jù)。由于在美國 UGUS 網(wǎng)站上得到的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)已通過系統(tǒng)的輻射和幾何校正，為了進(jìn)一步提高影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，針對(duì)選取的5景影像分別進(jìn)行了輻射定標(biāo)、大氣校正和裁剪處理等操作。本研究降水量與氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，人口與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于新疆統(tǒng)計(jì)局。

1.3 研究方法

遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)是完全基于遙感信息和自然因素的一種指標(biāo)，無需人為設(shè)定權(quán)重，具有容易獲得，客觀、快速、簡便等優(yōu)點(diǎn)，其計(jì)算過程采用主成分分析的方法，最終計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)行合理定義并對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定量分析與評(píng)價(jià)[10]。本研究通過對(duì)和田市2000—2019年Landsat(ETM/TM/OLI)系列遙感影像，分別提取綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)生態(tài)指標(biāo)，并對(duì)其歸一化處理后，運(yùn)用 ENVI 軟件采用主成分分析方法計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，并對(duì)和田市近20年以來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)價(jià)。

1.3.1 綠度 綠度指標(biāo)代表了地表植被覆蓋和生長情況，是反映區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的敏感因素[11]。常采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)作為綠度指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

NDVI=(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED)

(1)

式中:ρNIR和ρRED分別為遙感影像的近紅外和紅波段的反射率。

1.3.2 濕度 濕度指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間有著緊密的聯(lián)系，濕度越低，說明研究區(qū)土地退化情況越嚴(yán)重，植被覆蓋度越低，生態(tài)環(huán)境惡劣；反之，濕度較高則說明土壤中水分更加飽和，植被覆蓋度越高，生態(tài)環(huán)境良好[10]。由于Landsat5 TM、Landsat7 ETM和 Landsat8 OLI影像的傳感器不同，本研究中的濕度指標(biāo)(WET)提取公式則不同，具體公式如下[12]：

WET=B1ρBLUE+B2ρGREEN+B3ρRED+B4ρNIR-B5RSWIR1-B6ρSWIR2

(2)

式中：ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分別為TM/ETM和OLI影像藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外1、短波紅外2波段的反射率。由于傳感器不同，則參數(shù)也不同，B1～B6在TM 數(shù)據(jù)中分別為0.0315、0.2021、0.3102、0.1594、-0.6806、-0.6109；ETM數(shù)據(jù)中為0.2626、0.2141、0.0926、0.0656、-0.7629、-0.5388；OLI 數(shù)據(jù)中分別為0.1511、0.1973、0.3283、0.3407、-0.7117、-0.4559。

1.3.3 干度 地表的“干化”通常由裸土和建筑用地造成，所以，將裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)進(jìn)行綜合后表示干度(NDBSI)，計(jì)算公式如下[13]：

(3)

(4)

(5)

式中：ρBLUE、ρGREEN、ρRED、ρNIR、ρSWIR1分別表示影像在藍(lán)、綠、紅、近紅外、短波紅外 1 波段的反射率。

1.3.4 熱度 對(duì)地表溫度進(jìn)行反演所得結(jié)果可用來表示熱度指標(biāo)(LST)。采用Landsat用戶手冊的模型以及Chander等最新修訂的定標(biāo)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算地表溫度[14]：

L=gain×DN+bias6

(6)

T=K2/In(K1/L+1)

(7)

式中：L為 TM 熱紅外波段在傳感器處的輻射值；gain、DN 和 bias分別代表熱紅外波段的增益值、像元的灰度值與熱紅外波段的偏置值；K1和K2為定標(biāo)參數(shù)；T為傳感器處溫度值。經(jīng)過公式(6)和(7)得到溫度T，再通過地表比輻射率轉(zhuǎn)換為地表溫度，計(jì)算公式為[15]：

LST=T/(1+(λT/ρ)Lnε)

(8)

式中：LST代表地表溫度，λ為熱紅外波段中心波長，ρ=1.438×10-2m·k，ε為地表比輻射率。

1.3.5 RSEI 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)集成了多種遙感生態(tài)指標(biāo)因素，其大小可直觀判定生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣，常用于區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況的監(jiān)測與評(píng)價(jià)[14]。該指數(shù)選取與人們?nèi)粘Ｉ钶^貼切的4個(gè)生態(tài)因子即：綠度、濕度、干度以及熱度，為了避免不同生態(tài)因子之間量綱的影響，將上述 4 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理[16]。通用歸一化公式為：

NIi=(Ini-Imin)/(Imax-Imin)

(9)

式中:NIi為上述 4 個(gè)指標(biāo)歸一化后的數(shù)值；Ini為該指標(biāo)在像元n處的數(shù)值；Imax為該指標(biāo)的最大值；Imin為該指標(biāo)的最小值，歸一化后各指標(biāo)的數(shù)值范圍應(yīng)在[0，1]。

繼而采用主成分分析的第1主成分生成 RSEI0。為了對(duì)不同時(shí)間階段的RSEI進(jìn)行對(duì)比分析，將 RSEI0再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終得到RSEI，構(gòu)建RSEI模型的函數(shù)為：

RESI0=1-PC1(G,W,D,T)

(10)

RSEI=(RESI0-RSEI0min)/(RSEI0max-RSEI0min)

(11)

式中：PC1是主成分分析的第一主成分，G表示綠度指標(biāo)；W表示濕度指標(biāo)，D表示干度指標(biāo)；T表示熱度指標(biāo)；RESI0min是RESI0的最小值；RESI0max是RESI0的最大值。

該模型首先利用ENVI軟件提取4個(gè)生態(tài)指標(biāo)因子之后，運(yùn)用主成分分析法對(duì)各指標(biāo)賦予權(quán)重，從而消除因主觀因素引起的權(quán)重不均的情況。最終結(jié)果可直觀展示出不同年份生態(tài)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化，達(dá)到快速、準(zhǔn)確進(jìn)行區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

通過對(duì)和田市5期Landsat系列影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各年份4個(gè)生態(tài)指標(biāo)，并利用 ENVI 軟件中主成分分析模塊進(jìn)行主成分分析。從表1可以看出，研究區(qū)5個(gè)年份主成分變換后第1主成分(PC1)貢獻(xiàn)率均較高，分別為 81.69%、82.98%、98.26%、76.35%和 82.61%，可以說明變換后第1主成分已經(jīng)涵蓋了原影像大部分屬性特征。除2005年外，其它年份第1主成分PC1的綠度與濕度的貢獻(xiàn)率都為正值，即可認(rèn)為反映植被覆蓋度與降水量的綠度和濕度指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間存在一定正比例關(guān)系。而5個(gè)年份PC1熱度與干度的貢獻(xiàn)率絕大多數(shù)為負(fù)值，說明地表溫度與土壤干度與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間存在反比關(guān)系，與實(shí)際情況相符合。從單項(xiàng)指標(biāo)來看，綠度指標(biāo)貢獻(xiàn)率在整個(gè)研究期間呈現(xiàn)下降趨勢，說明和田市植被覆蓋狀況在逐漸惡化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差。雖然濕度指標(biāo)在整個(gè)研究期間呈現(xiàn)上升趨勢，但是對(duì)于和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量沒有質(zhì)的貢獻(xiàn)。由干度和熱度指標(biāo)變化過程分析，說明和田市地表植被覆蓋稀疏、土地沙化和城鎮(zhèn)化等問題嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈惡化趨勢。

根據(jù)研究區(qū)不同年份的生態(tài)指標(biāo)由公式(9)～(11)計(jì)算出遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)并進(jìn)行歸一化處理，最終得到各年份生態(tài)指標(biāo)均值。由表2可知，綠度指標(biāo)在 2000—2019年間呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，2005年綠度指數(shù)達(dá)到最高為0.612，2015年達(dá)到最低為0.307。濕度指數(shù)的均值呈先上升后下降的趨勢，2015年達(dá)到最高為 0.852，2000年達(dá)到最低為0.543。干度指標(biāo)總體則呈下降趨勢，2000年最高為 0.793，2019年最低為0.490。熱度指標(biāo)持續(xù)上升，2019年最高達(dá)到了0.291。2000—2019年間干度指標(biāo)的下降說明和田市在近20年來裸土地有所減少；而熱度的增加說明20年間和田市地表硬化等情況有所增加，城鎮(zhèn)化進(jìn)程在加劇。遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢，在2000年達(dá)到最高為0.477，在2010年達(dá)到最低為0.360。RSEI在2000—2019年間總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在近20年來呈現(xiàn)惡化的趨勢。

表1 各指標(biāo)主成分分析

為了更直觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和田市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，將和田市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)以 0.2 為區(qū)間，劃分為5個(gè)不同的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)，分別是Ⅰ：0～0.2為極差、II：0.2～0.4為差、Ⅲ：0.4～0.6為中等、Ⅳ：0.6～0.8為良好、Ⅴ：0.8～1為優(yōu)。并通過不同等級(jí)的數(shù)量變化對(duì)和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖2、表2可以分析出，2000—2019年間，和田市遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)均值呈先下降再上升到再下降的趨勢，遙感生態(tài)指數(shù)總體平均水平較低，依次為0.477、0.394、0.360、0.466和0.381，說明該城市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低，綠化程度不高。而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)差和較差的區(qū)域始終集中在和田市的東北部和西南部地區(qū)以及有人類居住的中部地區(qū)，地表類型主要表現(xiàn)為未開發(fā)的裸巖及已開發(fā)的建筑用地等。說明隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，地表植被覆蓋度較為稀疏，市區(qū)人口稠密，生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞。自2000—2019年來，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級(jí)總體變化較大，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)先上升后下降，再上升后下降的波動(dòng)趨勢，2019年和田市RSEI等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域顯著減少，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域呈顯著增加，總體呈現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化的趨勢。

表2 不同年份各生態(tài)指標(biāo)與RESI歸一化均值統(tǒng)計(jì)

Ⅰ: 差；Ⅱ: 較差； Ⅲ: 中；Ⅳ: 良；Ⅴ: 優(yōu) Ⅰ: Worst; Ⅱ: Worse; Ⅲ: Middle; Ⅳ: Better; Ⅴ: Best圖2 遙感生態(tài)指數(shù)等級(jí)空間分布Fig.2 Spatial distribution of remote sensing ecological index

由表3可以看出，2000—2019年間，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)和良好等級(jí)的面積合計(jì)占比最低為14.60%、最高可達(dá)42.30%，而等級(jí)為極差和差等級(jí)的區(qū)域面積合計(jì)占比最低為38.20%、最高為53.50%，表明和田市整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)較低，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。自2000—2010年以來，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差和差的區(qū)域面積一直在快速增加，分別增長了2.40% 和12.90%；而在2010—2019年間，極差生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的區(qū)域面積呈大幅度下降，差的區(qū)域面積在大幅度增加，等級(jí)優(yōu)和良好的區(qū)域處于持續(xù)下降的趨勢。且等級(jí)為優(yōu)的區(qū)域占比在2000年達(dá)到了達(dá)到最高，為 10.70%；2010年達(dá)到了最低，為0.80%。生態(tài)環(huán)境狀況較差的地區(qū)主要分布于和田市北部、和田河沿岸人類居住區(qū)和中部的人口稠密區(qū)以及裸土區(qū)域，說明人為的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)與植被所覆蓋狀況會(huì)對(duì)其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣有明顯的影響；而未受到人類活動(dòng)影響的區(qū)域，其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要受限于自然條件的約束。

表3 不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)面積和比例

2.2 和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化分析

為進(jìn)一步分析和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化過程，在和田市不同年份生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同年份的遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)進(jìn)行差值處理，并將結(jié)果分為7個(gè)等級(jí)，分別為Ⅰ：[-1，-0.4]急劇變差，Ⅱ：[-0.4，-0.2]明顯變差，Ⅲ：[-0.2，-0.05]略微變差，Ⅳ：[-0.05，0.05]無明顯變化，Ⅴ：[0.05，0.2]略微變好，Ⅵ：[0.2，0.4]明顯變好，Ⅶ：[0.4，1]急劇變好。由圖3可以看出，在2015—2019和2000—2019年間，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降明顯；2010—2015年間，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有明顯好轉(zhuǎn)。研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯變差和急劇變差的區(qū)域主要集中在和田河沿岸人類居住區(qū)和中部的人口稠密區(qū)以及沙化的裸地；略微變差的部分主要在研究區(qū)東部、西部地區(qū)和人口聚集區(qū)；無明顯變化主要集中在中部和東北部戈壁；由于人口增長使得部分裸地變耕地，略微變好的區(qū)域主要在研究區(qū)東北部的戈壁地帶；明顯變好的區(qū)域主要分布在草地或林地以及沼澤處；急劇變好的區(qū)域主要為研究區(qū)東南部的戈壁。近20年來和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差和變好的區(qū)域錯(cuò)綜復(fù)雜地交織在一起，生態(tài)質(zhì)量不夠穩(wěn)定，總體表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有所下降。

Ⅰ：急劇變差； Ⅱ：明顯變差；Ⅲ：略微變差；Ⅳ：無明顯變化；Ⅴ：略微變好；Ⅵ：明顯變好；Ⅶ：急劇變好Ⅰ:Rapidly worse; Ⅱ:Obviously worse; Ⅲ:Slightly worse; Ⅳ:No change; Ⅴ:Slightly better; Ⅵ:Obviously better; Ⅶ:Rapidly worse圖3 遙感生態(tài)指數(shù)變化檢測Fig.3 Detection of remote sensing ecological index changes

由表4可以看出，2000—2005年間，和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量無明顯變化所占比例最大，為59.21%，急劇變差區(qū)域所占比例最低，僅為0.04%；在2005—2010年間，無明顯變化和略微變好區(qū)域占比最高，分別為63.68% 和24.42%，急劇變差比例最小為0.04%；2010—2015年間，略微變好區(qū)域占比最高為42.18%，說明2000—2015期間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)明顯。在2015—2019年間，略微變差區(qū)域占比最高，急劇變好和明顯變好區(qū)域占比較小，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量向惡化趨勢發(fā)展。在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)為略微變差等級(jí)面積最大，占比為37.03%，其次為無明顯變化，比例為 23.60%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的3個(gè)等級(jí)所占的面積比例僅為18.03%，研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量下降明顯。和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的3個(gè)等級(jí)所占的面積比例高達(dá)58.37%，表明城鎮(zhèn)化對(duì)生態(tài)環(huán)境起一定的負(fù)面作用。部分裸地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)由差變好，表明植樹造林以及城市綠化工程對(duì)生態(tài)環(huán)境起著重要的影響。

表4 2000—2019 年和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各等級(jí)變化統(tǒng)計(jì)

3 討 論

由于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量容易受到多種因素的影響, 因此在描述區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的過程中需要從多方面進(jìn)行考慮，只用單方面或者某2個(gè)生態(tài)因子去反映區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化并不十分客觀。因此，本文在上述研究的基礎(chǔ)上又從自然因素與人為因素兩個(gè)方面來分析和田市近20年來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

3.1 影響和田市生態(tài)環(huán)境變化的自然因素

提取4個(gè)主要的生態(tài)因子，即綠度、濕度、熱度和干度構(gòu)建出來的RSEI較好的反映出和田市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。降水量與平均氣溫是能夠影響區(qū)域的植被覆蓋狀況，進(jìn)而影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的主要的兩個(gè)因子。由圖4可以看出，和田市將近20 年的年降水量和年平均氣溫呈現(xiàn)上升的趨勢，說明和田市氣候有暖濕發(fā)展傾向。但在人類活動(dòng)的影響下，全市的干度指數(shù)不減反增，說明氣候暖濕化發(fā)展并沒有對(duì)和田市生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生積極作用。

圖4 2000—2019年和田市年降水量與平均氣溫變化Fig.4 Rainfall and mean temperature change of Hotan city from 2000 to 2019

在整個(gè)研究區(qū)域中, 植被覆蓋度與降水量的綠度和濕度指標(biāo)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間存在一定的正比例關(guān)系, 地表溫度與土壤干度與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量之間存在反比關(guān)系，這與全球氣候變化背景下，中國西北干旱區(qū)氣候呈現(xiàn)明顯的熱島效應(yīng)相對(duì)應(yīng)。在研究期間內(nèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境呈正比例關(guān)系的濕度對(duì) RSEI 指數(shù)的貢獻(xiàn)率最小, 主要是由于研究區(qū)屬于典型的干旱區(qū), 近百年來，地球氣候正經(jīng)歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化，我國的氣候變化與全球氣候變化的總趨勢基本一致。和田市處于中國西北地區(qū)，具有干旱少雨的特征，50 年來溫度升高受全球變暖影響較大。2000—2019年，和田市熱度指標(biāo)呈不斷上升趨勢，表明氣溫升高， 氣候干燥，造成土壤缺水，嚴(yán)重影響植被生長狀況，從而影響了和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

3.2 影響和田市生態(tài)環(huán)境變化的人為因素

如圖5所示，隨著人口的不斷增加與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)而對(duì)糧食等需求也不斷的加大。隨著引起耕地面積擴(kuò)大與農(nóng)業(yè)用水超量，這就引起大部分的河流春水徑流量和年徑流總量不斷的減少，萎縮大面積的積水湖泊，使靠湖泊生長的林地、草地等大量枯死使其面積大量減少，使風(fēng)沙氣候增生等一系列的問題。加上和田市新老城區(qū)并動(dòng)，實(shí)施工業(yè)化城市化帶動(dòng)戰(zhàn)略，在很大程度上使工業(yè)用地和建設(shè)用地面積不斷擴(kuò)張，一定程度上引起環(huán)境變化，從而使生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遭到一定的破壞。

圖5 2000—2019年和田市人口與GDP增長趨勢Fig.5 Hotan population and GDP growth trend from 2000 to 2019

前人關(guān)于生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測與評(píng)價(jià)方法較為豐富，遙感信息技術(shù)憑借其獲取信息時(shí)序短，監(jiān)測區(qū)域范圍較大的優(yōu)勢在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[17]，是一種便捷且有效評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的研究手段[18]。本研究采用遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)對(duì)和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法在應(yīng)用過程中，針對(duì)較大的水域面積需要剔除水體，從而避免主觀因素造成的偏差。由于和田市水域面積僅占總面積的4%，因此本研究沒有進(jìn)行水體剔除，但研究結(jié)果仍能對(duì)和田市的生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行客觀分析。同時(shí)，生態(tài)環(huán)境的變化受各種因素的綜合影響，一方面城鎮(zhèn)化發(fā)展對(duì)生態(tài)環(huán)境起負(fù)面作用；但另一方面，城市建設(shè)過程中施行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳鷳B(tài)保護(hù)和管理措施，可以改善和提高城市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。朱青等[19]綜合地形因子、氣候因子、土地利用類型和社會(huì)經(jīng)濟(jì)4方面探討，得出坡度因子是影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的最重要指標(biāo)因子；本研究只選取自然與人文因素兩方面探討了影響和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的因素，本研究在生態(tài)環(huán)境指標(biāo)的選取上仍存在著一些不足，評(píng)價(jià)方法以及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系尚不夠科學(xué)全面。因此，在今后的研究中，還有待于進(jìn)一步探索和構(gòu)建科學(xué)、合理和全面的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4 結(jié) 論

通過對(duì)和田市2000—2019年Landsat(ETM/TM/OLI)系列遙感影像，分別提取綠度、濕度、干度和熱度4個(gè)生態(tài)指標(biāo)，采用主成分分析方法計(jì)算遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)，并對(duì)和田市近20年以來的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測與評(píng)價(jià)。①和田市RSEI均值由2000年的0.477下降至 2019年的 0.381，下降幅度達(dá)到20.12%，表明隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口與工業(yè)趨于密集，人類活動(dòng)活躍產(chǎn)生和排放了大量的污染物，進(jìn)而導(dǎo)致了和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的惡化。②通過進(jìn)一步分析和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化發(fā)現(xiàn)，2010—2015年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積達(dá)到299.57 km2，占研究區(qū)總面積的64.38%，生態(tài)質(zhì)量變差的地區(qū)總面積大約為32.51 km2，占研究區(qū)總面積的6.99%。生態(tài)質(zhì)量無明顯變化的區(qū)域面積為133.20 km2，占比約為 28.63%。 2010—2015年間生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯變好，表明這期間和田市加大了自然環(huán)境保護(hù)力度，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到了逐步改善。③2000—2019年隨著人口數(shù)量的不斷增長，加劇了和田市的城市化發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)的區(qū)域隨城鎮(zhèn)化發(fā)展的方向發(fā)生遷移，說明城鎮(zhèn)化進(jìn)程對(duì)生態(tài)環(huán)境具有負(fù)面影響。和田市生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體呈下降趨勢，生態(tài)環(huán)境問題亟待進(jìn)一步解決，本研究為和田市生態(tài)保護(hù)措施與環(huán)境恢復(fù)提供參考依據(jù)。