新疆那拉提山地草原风景区生态环境质量评价∗

酒江涛 董婵婵 母俊景 穆洪洲 景一敏 阿丽亚·拜都热拉

新疆农业大学林学与风景园林学院 乌鲁木齐 830052

随着西部大开发和“一带一路”等国家重大战略决策的出台,新疆旅游业发展迎来了新机遇。那拉提旅游风景区作为新疆重要的草原型风景区之一,其可持续发展对于新疆旅游业具有重大意义。然而,以经济发展为先导的风景区开发思路使那拉提旅游风景区的生态环境遭受到了严峻的挑战。准确地评价草原型风景区的生态环境质量,有利于采取有效的管理措施实现风景区的可持续发展,将“绿水青山”转化为“金山银山”。

以往研究多以单一因子为变量对生态环境质量进行评价,难以反映风景区整体的环境质量及影响因素,如何对区域尺度内的多个因子进行综合性评价是目前风景区管理者需要解决的重要问题[1]。近年来,遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index,RSEI)[2－3]被广泛应用于自然环境生态质量综合评价中,如,Xu等[4]应用RSEI模型对福建省自然环境生态质量的空间变迁开展了深入研究；王士远等[5]利用RSEI模型对长白山自然保护区的生态环境质量进行了综合评价。但草原型风景区多以植被为主,RSEI模型对风景区植被的分析有限,而植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)则是描述植被质量的重要参数,能够反映地表植被覆盖和区域生态环境状况[6]。将FVC和RSEI综合运用于草原型风景区生态环境质量评价可以较好地反映风景区生态环境质量的变化情况[7]。因此,本研究采用FVC和RSEI对那拉提旅游风景区的生态质量进行评估,为旅游风景区生态环境质量的评估和科学开发提供理论基础。

1 研究区概况

那拉提旅游风景区位于新疆新源县,总规划面积960 km2。为消除农田等单一生态因子对风景区生态质量分析的影响,本研究去除了风景区西北角茵加尔村等以农田为主的区域,选取重点发展区域为研究对象,面积754 km2(图1)。那拉提旅游风景区属大陆性半干旱气候,平均海拔1 800 m,年平均气温在20℃左右。

图1 研究区地理位置及其高程

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

本研究选用的遥感影像数据为2007年8月10日的Landsat5TM卫星影像,以及2014年8月22日和2019年8月29日的Landsat8OLI卫星影像(图2),影像来源为美国地质勘探局官方网站http://glovis.usgs.gov/。3个时期均为植物的生长季,因而结果具有可比性[8]。

图2 那拉提旅游风景区遥感影像及道路、河滩分布图

首先,利用ENVI 5.3软件对3个时期的遥感影像进行辐射定标和FLAASH大气校正；然后,使用二次多项式(Polynomial)和图像处理中的三次卷积插值(Cubic Convolution)方法对影像进行配准,将均方根误差控制在0.5个像元之内；最后,使用风景区的矢量边界对处理后的影像进行裁剪,得到那拉提旅游风景区的影像数据。

2.2 遥感生态指数构建

2.2.1 分量指标的选取

用归一化植被指数(NDVI)、湿度指数(WET)、干度指数(NDSI)和地表温度(LST)分别表示绿度、湿度、干度和热度4个指标以衡量生态环境质量。采用RSEI提出者徐涵秋[2]的方法计算NDVI、WET和NDSI,采用Valor等[9－10]提出的方法计算LST,公式如式(1)至式(9):

式 (1) 至 式 (9) 中:ρBlue、ρGreen、ρRed、ρNIR、ρSWIR1、ρSWIR2分别为对应于各影像的蓝波段、绿波段、红波段、近红外波段、短波红外1波段和短波红外2波段的反射率；gain和offset为波段的增益和偏置；K1和K2为定标参数；λ为波段的中心波长；ε为地表辐射率,根据植被指数混合模型[9,11－12],当NDVI≤0,被看作是水体,ε＝0.995,当00.72时,被看作是纯植被像元,ε＝0.985,当0.1

式(10)、式(11)中:Pv为植被覆盖度；dε为地形几何形状,对于粗糙表面,dε可取均值0.015。

2.2.2 主成分分析

主成分分析[2,14]结果中RSEI值越大则表示生态环境越好[15]。RSEI并不适宜评价水域面积较大的区域,通过对水域面积的提取和计算,那拉提旅游风景区的水域面积所占比例小于1%,所以本研究不需要对水体进行掩膜处理[13]。对那拉提旅游风景区RSEI结果进行量化分析,将RSEI的值以0.2为间隔分为5个等级[2－3],从低值到高值分别对应的环境质量为差、较差、中、良、优[16]。

2.3 植被覆盖度构建

基于那拉提旅游风景区3期遥感影像的特征,选取累积概率为99%、5%的NDVI值作为2007、2019年的NDVImax和NDVImin,选取累积概率为90%、10%的NDVI值作为2014年的NDVImax和NDVImin,使用像元二分模型[17－18]对那拉提旅游风景区FVC进行计算,并划分等级。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖度变化特征

那拉提旅游风景区的FVC在2007—2019年先升后降。风景区的FVC均值从2007年的53.74%上升到2014年的63.90%,增幅为10.16%,标准差从28.37%降至22.40%,说明风景区在2007—2014年的FVC增加明显,差异性减小,FVC向高值区集中；风景区的FVC均值从2014年到2019年降至50.35%,降幅为13.55%,标准差从22.40%增至30.87%,说明风景区在2014—2019年的FVC明显下降,差异性增大,FVC向低值区集中。相较于2007年,2019年的FVC均值降幅为3.39%,标准差增幅为2.40%,说明2007—2019年的FVC总体呈轻微下降趋势,差异性有轻微增大(表1)。

表1 2007—2019年各级植被覆盖度

对比3期植被覆盖度分级结果(图3)可知:低和较低覆盖度区基本分布在北部河滩、道路及南部高海拔区域,且面积很小；较高和高覆盖度区几乎覆盖整个风景区,占总面积的95%以上。相较于2007年,2014年的低和较低覆盖度区明显缩小,但中西部区域的高覆盖度区明显向较高覆盖度转移；相较于2014年,2019年的高覆盖度区域大量夹杂着较高覆盖度,北部河滩和道路区域及南部高海拔区域的植被覆盖度有明显降低趋势。

图3 2007—2019年植被覆盖度分级图

3.2 生态环境质量变化特征

那拉提旅游风景区2007、2014和2019年RSEI的主成分分析结果(表2)表明,3个时期PC1的贡献率分别为96.88%、95.28%和97.35%,因此可以使用PC1代表4个分量指标和RSEI值。4个指标在3个时期中PC1荷载符号基本相同,说明3个时期风景区的生态条件与PC1呈正比,因此,PC1值越大代表生态条件越好。

表2 主成分分析结果

从表3可知,那拉提旅游风景区2007、2014和2019年的RSEI分别为0.834 6、0.890 3和0.908 2,其中,2007—2014增长了6.67%,2014—2019年增长了2.01%,表明风景区生态质量整体转好。3个时期分量指标中,NDVI和WET为RSEI中最大积极影响分量,NDVI和WET的均值与荷载值先降后升,与FVC变化趋于一致,表明NDVI和WET与FVC正相关；2007年LST的荷载值为负值,其他年份为正值,说明2007年的温度对RSEI有负作用；NDSI均值微弱上升,2007至2019年增加了7.25%,NDSI荷载值则大幅下降,说明NDSI对RSEI的作用逐渐降低。

表3 2007—2019年遥感生态指数变化

遥感生态指数分级结果如图4所示。由于风景区生态质量以优、良等级为主,故在研究生态等级变化时将低等级的1~3级合并(表4)。2007—2014年大面积RSEI为优的区域转为良,2014—2019年大面积RSEI为良的区域转为优(图4)。2007—2019年RSEI为优和良之间的变化幅度较大,RSEI为优的区域,2007—2014年减少了40.64%,2014—2019年增加了40.46%；RSEI为良的区域,2007—2014年和2014—2019年的变化幅度分别为39.93%和－38.73%,与RSEI为优的区域的变化幅度互补；RSEI为差、较差和中的区域(0~0.6)变化幅度较小。整体来说,2007—2019年那拉提旅游风景区RSEI为优、良的区域呈微弱增长趋势,增长了1.02%(表4)。

图4 2007—2019年遥感生态指数分级图

表4 2007—2019年生态等级变化

对比3期RSEI结果(图4),3期的低RSEI区与FVC趋于一致,分布在北部河滩、道路及南部高海拔地区,面积较小。相较于2007年,2014中西部RSEI为优的区域明显向RSEI为良的区域转移,2019年中西部RSEI为良的区域又转为优；相较于2007年,2019年RSEI为良的区域破碎化更为严重。

3.3 FVC和RSEI的时空差异和相关性

为了更好地了解风景区生态质量的时空变化,对相邻时期的FVC和RSEI分别进行差值分析,并将结果划分为显著变差区、轻微变差区、基本不变区、轻微变好区和显著变好区5个等级(图5、表5)。

表5 那拉提旅游风景区植被覆盖度和遥感生态指数空间变化统计

图5 2007—2019年植被覆盖度和遥感生态指数空间变化特征

在2007—2014年,FVC退化区主要分布在西北部草场区域和北部道路沿线,稳定不变区主要分布在中部,改善区则主要分布于东部和南部；2014—2019年,原西北部退化区域转为轻微改善区和显著改善区,东部和南部区域则出现轻微退化。整体来说,稳定不变区面积稳中有增,改善区面积有所减少,退化区轻微增加(图5a、图5b)。

在2007—2014年,RSEI退化区和FVC退化区基本相符,都分布于西北部,但RSEI退化区占比更大；在2014—2019年,整个风景区有着较大的改善,西北部显著退化区和轻微退化区基本转变为轻微改善区和显著改善区,东南部则主要为稳定不变区(图5c)。

从表5可知:植被覆盖度退化区在2014—2019年面积占比为32.34%,与2007—2014年的28.6%相比,增加了3.74%；2007—2019年植被覆盖度稳定不变区面积增加了11.07%；改善区在2007—2014年的面积占比为22.67%,与2007—2014年的37.49%相比,减少了14.82%。遥感生态指数退化区在2014—2019年的面积占比为2.53%,与2007—2014年的51.3%相比,减少了48.77%；2007—2019年遥感生态指数稳定不变区增加了1.55%；2014—2019年改善区面积占比为53.35%,与2007—2014年的6.12相比,增加了47.23%。

通过对FVC和RSEI进行相关性分析,得出3期的相关系数分别为0.89、0.88和0.91,其均值为0.89,说明那拉提旅游风景区的FVC与RSEI有较好的相关性,FVC的变化对RSEI有着较大影响,这与前文中绿度为RSEI主要正向影响分量的结论相符。FVC和RSEI在空间上也具有较强的相关性,FVC值的减小或增大的区域,RSEI值也相应的减小或增大,反之亦然。

3.4 植被覆盖度和生态环境质量的影响因素

1)高程。结合数字高程模型(DEM)数据,将那拉提旅游风景区分为6个高程区,分别统计3个时期每个高程区的FVC和RSEI均值及其在垂直高程上的变化。结果(图6)表明,随着高程升高,3期的FVC和RSEI都先升后降,由此可见,高程是影响风景区FVC和RSEI的重要因素之一,海拔在1 277~1 700 m时对FVC和RSEI有利,1 700~2 900 m时FVC和RSEI出现不同程度的波动,超过2 900 m后FVC和RSEI急剧下降。

图6 植被覆盖度和遥感生态指数随高程变化趋势

2)坡向。对那拉提旅游风景区坡向进行分区统计3个时期每个坡向分区内FVC和RSEI的均值。结果(图7)表明,FVC和RSEI在2007年时受坡向影响较小,分布较为均匀；2014年时,平面、东南、南、西南方向减小较为明显,RSEI整体变小；2019年时这几个方向略有恢复,其他方向变化较小。

图7 植被覆盖度和遥感生态指数随坡向变化趋势

3)地形起伏度。将那拉提旅游风景区的DEM数据进行地形起伏度运算并分区统计3个时期每个分区FVC和RSEI的均值,结果表明,FVC和RSEI的均值呈现先增后降趋势,在起伏度为50—100 m时FVC和RSEI的均值均为最优,之后小幅度下降。

4)降雨。通过获取巴音布鲁克气象站(51542号)2006—2019年的全年降雨数据(2006降雨数可影响2007年的FVC和RSEI),分别计算2007年、2014年和2019年月平均降雨量和2007—2019年的年均降雨量。结果(图8a)表明,3期月均降雨量均值分别为23.81 mm、18.93 mm和32.87 mm,与2007年相比,2014年月均降雨量均值有所减少,2019明显提升；2014年7—8月降雨量出现大幅度下降,造成8月份植物长势衰退较早,这也造成当年WET荷载值上升,影响了RSEI。年均降雨量2006—2007年、2013—2014年都有所下降,2014年处于低谷期,2014—2019年稳中有升,2019年为最高值(图8b)。由此可见,降雨量的变化对FVC和RSEI的影响较为明显,前一年的降雨量对次年的FVC和RSEI也有一定影响。

图8 降雨量变化趋势

5)人文。那拉提旅游旅游风景区于2011年被评为国家5A级名胜风景区。通过2007—2019年风景区的年均客流量统计分析可知:2007—2014年风景区年均游客量稳中有增,2014—2019年快速增长,2019年风景区年游客总量破百万。风景区7—8月为旅游旺季,日平均接待量超过万人,日最高接待量超过2万人,而风景区理论最大游客容量在1.4万人左右[19－20]。可见,客流量过大给风景区生态环境带来巨大压力。对3期遥感影像分类提取的道路和建筑用地进行多环缓冲区划分[15－16],并分析3个时期不同缓冲区内FVC和RSEI的均值。结果表明,距离道路和建筑5 m以内时FVC和RSEI值最低,随着距离的增加,FVC和RSEI值逐渐增大,生态环境越好。那拉提旅游风景区内还存在违法占用草场开垦耕地和私自放牧现象,2016—2018年那拉提旅游风景区管委会处置违法占用草场开垦耕地面积3.47 hm2,现均已恢复为草场,而且放牧总数也维持在理论载畜量以下。这也是2019年那拉提旅游风景区生态环境质量明显提升的原因之一。

4 结论与建议

4.1 结论

1)那拉提旅游风景区RSEI和FVC有着较强的相关性,其空间分布和变化趋势有较强的一致性,FVC和RSEI的结合能够较好反映2007—2019年研究区生态质量及其空间变化特点。风景区总体生态质量呈现先降后升趋势,2007—2019年风景区RSEI为优、良的区域呈微弱增长趋势。在分量指标中,NDVI和WET对RSEI影响较大,NDSI和LST对RSEI影响较小。

2)影响植被和生态因素有多种类型。降雨量通过影响植物生长,进而影响NDVI值,是影响风景区生态环境最重要的因素之一；风景区的开发保护策略间接影响植物的生长,对道路和建筑周边的环境质量影响较大。在垂直分布上,风景区西北部海拔较低区域的FVC和RSEI变化幅度较大,东南部海拔较高区域变化幅度较小；坡向对平面、东南、南、西南方向的FVC和RSEI有轻微影响,其他方向影响不大；地形起伏度对FVC和RSEI均值的影响呈现先增后降趋势。

4.2 建议

1)科学规划、稳步开发。在风景区规划与开发的过程中,严格落实“两山论”的科学内涵,有序、有效地开发利用风景区自然资源,注重保护生态环境,在获得经济效益的同时,保障生态效益,使人与自然和谐共生；尽可能使用透水路面,减少硬质水泥路面的使用,注重道路和建筑等人流密集环境周边的植物养护,同时在道路和建筑周边环境较差区域设置植被恢复区,确保周边生态环境快速恢复；在海拔超过2 900 m区域设置为限制开发区,以保护较为脆弱的生态环境。

2)强化管理、统筹全局。风景区应控制峰值游客数量,防止超过风景区游客容量,合理划定游览路线,减少植被恢复区客流量；在降雨量较少的年份,利用遥感分析当年风景区生态质量,设立短期恢复区和可开发利用区域,划定放牧区域和限定放牧强度,使天然草原休养生息,保持草原生态平衡,促进旅游业、畜牧业的健康协调持续发展。

致谢:感谢那拉提旅游风景区管理委员会对本文的支持。