基于土地利用/覆被变化的依格孜牙河流域生态环境质量评估

江康威，张青青，徐海量

（1.新疆农业大学草业学院，新疆乌鲁木齐 830000；2.2.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830000）

0 引言

土地利用∕覆被是土地资源一系列自然属性和特征的综合体［1］，在全球变化的背景下土地利用∕覆被的变化，会对生态系统产生影响，且土地利用∕覆被的变化是一个漫长的过程，受到气候变化和人类干扰的影响，其变化也会因影响因素的差异而表现出不同的特征［2，3］。众多学者在研究中表明，土地利用∕覆被变化是地球系统科学核心研究主题之一，是绿洲景观变异的直接驱动力［4，5］，影响着人类生存与发展及资源的可持续发展，土地利用∕覆被的变化，对生态系统、物质循环以及地气耦合系统等具有重要的影响［6，7］。同时，也是生态环境的重要表征，在全球变化的背景下，土地利用强度和覆被都在发生显著的变化，依格孜牙河也不例外。因此对依格孜牙河研究能够明确掌握区域生态环境现状，为生态管理建设提供理论依据。

依格孜牙河隶属于新疆喀什噶尔河水系，是塔里木河流域源流中重要的支流之一，它承担着向塔里木河输水的重要任务。然而近些年依格孜牙河流域上游灌区人口不断增长，毁林开荒、采集中草药等而破坏植被的现象时有发生；同时随着绿洲灌溉面积的增加，上、中游河段拦截水量也在增加，导致下游河段来水量减少，降低了河道两侧漫滩与阶地的地下水水位，使得距离河道较远依靠河道地下水生长的乔木与灌木的衰退或死亡，天然植被生态环境恶化，河岸林草呈现退化趋势，动物栖息地逐渐减少，沙漠逼近河床的威胁越来越严重，长年以来，绿洲受到人类活动和气候年际变化的干扰，稳定性亦受到威胁［8-12］。目前对依格孜牙河流域土地利用∕植被覆盖及生态问题的方面的研究甚少，仅吴秀兰等［13］基于FloodArea 对该流域洪水灾害进行了分析并进行了灾害等级区划；李革新等［14］分析了依格孜牙河流域河流水文特征；许应石等［15］对流域河流的演化过程进行了探讨。基于此现状，本文选择依格孜牙河流域为研究对象，利用1990、2000、2010和2019年4期Landsat TM 遥感影像，提取土地利用数据并进行分析，掌握流域中重要生态要素近30a间的具体变化特征。其目的是了解和认知该流域生态环境状况，从而弄清该区域的变化趋势，同时揭示其影响因素，为流域环境保护和自然资源合理开发提供科学依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

依格孜牙河流域属于喀什噶尔河水系，位于帕米尔高原东部下缘，塔里木盆地西缘山前洪积扇，地形西南高东北低，地理坐标为E75°48′～76°42′，N38°12′～38°48′。流域地形地貌以山地为主，出山口后为冲洪积扇地带，海拔约1 850 m。该河流发源于昆仑山北坡的阿克陶县克孜勒陶乡的加曼能别勒山口与阿克塔拉牧场的布拉格别勒山口（海拔约4 600 m），河流长度约85 km，流域平均宽度19.1 km，是一条狭长的河道，地表多年平均径流总量0.97 亿m³。依格孜牙河大部分山区为季节性积雪，河流流程相对短小；由于水系发育不全，右岸基本无支流汇入，形成流域面积左岸比右岸大得多；河流走向大致由西南向东北流入英吉沙县境内，出山口处河水经拦河渠首调度后进入较完整的农田灌溉系统。流经英吉沙县和阿克陶县的一个乡，最终消失于疏附县境内。整个流域多年平均气温11.8 ℃，极端高温40.4 ℃，极端低温-24.6 ℃，平均降水量67.99 mm，无霜期近212 d［14］。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用分析

采用的土地利用∕覆被数据为依格孜牙河流域Lansat-TM影像，成像时间分别为1990年、2000年、2010年及2019年，遥感图像分辨率为30 m，每景覆盖范围为185 km×185 km，其数字化工作利用Arc info 软件进行处理，并根据之前采集的数据对影像进行校正，另外波段合成只需2、3、4，最后再用Erads 修正即可。在遥感信息提取过程中，参照国土资源部组织修订的国家标准GB∕T21010-2007《土地利用现状分类》结合流域实地调查情况划分研究区土地利用类型确定整个流域区分出6个一级分类和19个小二级分类［16］。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview of the study area

1.2.2 植被覆盖度分析

研究中植被盖度提取用到的植被指数数据的时间序列为2000-2019年，时间分辨率为16 d，空间分辨率为250 m，主要来源于美国国家航空航天局（NASA）提供的数据产品（https：∕∕glo‐vis.usgs.gov∕），选取植物生长较旺盛的生长季（6-9月）作为研究时段以便最大程度消除云、雾、大气和非生长季的干扰，采用最大值合成法（MVC）［17］合成生长季每月最大NDVI数据集，再将这4个月的数据进行合成平均获得代表植被生长最好状况的年NDVI数据。

像元二分模型是目前植被覆盖度反演较为有效的方法，其计算公式如下：

式中：Fc为植被覆盖度，并采用两位小数表示，以与百分比区分；NDVIsoil为研究区纯裸土像元NDVI值；NDVIveg为纯植被像元NDVI值。

文章分别取研究区NDVI图像直方图的5%处和95%处EVI值代表NDVIsoil值和NDVIveg值。

1.2.3 Mann-Kendall单调趋势检验

在非参数检验中，原假设认为时间序列的增减趋势或者阶段转换的跳跃不明显；而备择性假设认为时间序列变化趋势显著［18］。从检验能力上看，使用非参数Mann-Kendall单调趋势检验和Mann-Whitney 阶段转换检验要优于参数t检验，并且无须事先假定样本的统计分布［19］。在Mann-Kendall检验中，常用倾斜度β来量化单调趋势，表示单位时间内的变化量；当β为正时，表示上升趋势；当β为负时，表示下降趋势，计算公式：

首先，对时间序列（X1，X2，X3，…，Xn）依次比较，结果记为sgn（θ）：

接着便可用如下公式计算出Mann-Kendall统计值：

式中：xk、xi为要进行检验的随机变量；n为所选数据序列的长度。

则与此相关的检验统计量为：

随着n的逐渐增加，Zc很快收敛于标准化正态分布，当-Z1-a∕2≤Zc≤Z1-a∕2时，接受原假设，表明样本没有明显变化趋势，其中，±Z1-a∕2是标准正态分布中值为1-a∕2 时对应的显著性水平a下的统计值。当统计量Zc为正值，说明序列有上升趋势；Zc为负值，则表示有下降趋势。

在Mann-Kendall 检验中，常用β表示时间序列变化率，其公式为：

式中：1

1.2.4 环境质量评价分析

依据《生态环境状况评价技术规范》（HJ∕T192-2015）［20］，参照杜清等［21］研究方法，并结合研究区实际情况，选择采用了生物丰度指数、土地覆盖指数、水网密度指数和土地退化指数，进行依格孜牙河流域生态环境质量评价。

式中：Abio为生物丰度指数的归一化系数。

式中：Ariv为河流长度的归一化系数，参考值为84.370 408 398 1；Alak为湖库面积的归一化系数，参考值为591.790 864 200 5；Ares为水资源量的归一化系数，参考值为86.386 954 828 1。

式中：Aero是土地退化指数的归一化系数，参考值为236.043 567 794 8。

根据专家现场打分法对克孜河流域生态环境质量各项评价指标赋予权重。

生态环境质量指数计算方法：

根据生态环境质量指数，将生态环境分为五个等级，即高、较高、中等、较低和低（表1）。同时根据我国生态环境质量变化幅度，将生态环境质量变化幅度分为4 级，即无明显变化、略有变化、明显变化、显著变化（表2）。

表1 生态环境质量分级Tab.1 Eco-environmental quality classification

表2 生态环境状况变化度分级Tab.2 Classification of changes in ecological environment status

2 结果与分析

2.1 土地利用现状及动态变化特征

图2 是1990 年、2000 年、2010 年及2019 年依格孜牙河流域土地利用∕覆被变化情况图，从图中各土地类型的变化情况可以看出在29 年间流域耕地、其他林地、农村居民点及其他建设用地面积呈增加的变化趋势；而冰川、滩涂湿地等土地利用类型则呈面积下降的变化趋势。具体变化表现为1990-2019年依格孜牙河流域耕地面积呈增加的态势［图3（a）］，29年间共计增加面积52.06 km2，增长幅度54.81%；其中在1990-2000 年间耕地面积变化并不明显，变化幅度不足1%，但在2000-2010 年及2010-2019 年两个时段内，依格孜牙河流域耕地分别增长面积13.37 及38.86 km2，变化幅度分别为14.10%及35.93%；而1990年建筑用地约11.20 km²，2000 年、2010 年、2019 年分别较1990年增加面积0.50、1.73、6.31 km2，增加幅度4.46%、15.43%和56.36%［图3（b）］，29 年间共计增长面积9.10 km2，增长幅度56.38%。可以看出3 个时期中耕地与建筑用地均在2010-2019年这一时段变化幅度最大。最后，依格孜牙河流域内土地退化主要是以中度退化为主（表3），1990 年、2000 年土地退化相对较大，而2010 年和2019 年的土地退化程度相对减弱。四期的研究状况表明，依格孜牙河流域土地退化情况相对改善，趋向于好的情况发展。

图2 依格孜牙河流域土地利用图Fig.2 Land use map of Yigeziya River Basin

图3 1990-2019年依格孜牙河流域耕地、建设用地面积变化Fig.3 Changes in the area of arable land and construction land in the Yigeziya River Basin from 1990 to 2019

表3 依格孜牙河流域1990-2019年土地退化面积 km2Tab.3 The area of land degradation in the Yigziya River Basin from 1990 to 2019

1990-2010 年依格孜牙河流域水域面积变化见图4。根据图4（a）显示，1990-2019年依格孜牙河流域水域面积减少明显，29 年间共计减少面积16.36 km2，减少幅度42.91%。水域面积在1990-2000 年这一时期减少幅度最明显，减少面积15.75 km2；图4（b）、（c）、（d）显示了1990-2019 年间水域二级土地类型面积变化情况，可以看出水域面积中的湖泊水库面积在29年间变化并不明显，几乎没有面积变化；滩涂湿地与河渠面积的变化则呈减小趋势，29年间分别减少5.9%与7.32%。

图4 1990-2019年依格孜牙河流域水域面积变化Fig.4 Changes in the area of the waters of the Yigeziya River Basin from 1990 to 2019

依格孜牙河流域林草面积变化也十分明显，其中林地在1990-2000年、2000-2010年及2010-2019年间均有所增长［图5（a）］，分别增加面积0.05、34.97 及52.53 km2，增长幅度31.00%、216.40%及325.06%。林地二级土地类型中天然林地变化表现为有林地［图5（b）］与疏林地［图5（c）］面积无明显变化，而灌木林地［图5（d）］呈现明显的减少趋势，至2019 年较1990 年减少面积1.57 km2，下降幅度9.96%。1990-2019 年依格孜牙河流域草地面积变化如图6 所示。通过计算，其中低覆盖草地占总草地面积的比例在1990、2000、2010、2019年四个时期分别达到了33.12%、32.97%、28.84%、27.54%，中覆盖草地所占比例分别为16.77%、17.73%、13.43%、28.83%，高覆盖草地所占比例分别为50.11%、49.30%、57.73%、43.63%，可见依格孜牙河流域高覆盖草地所占比例最大。29 年间依格孜牙河流域总面积呈持续减少趋势，且显著减少［图6（a）］。高、低覆盖度草地面积［图6（b）、图6（d）］与草地总面积变化一致呈减少趋势，至2019 年较1990 年面积分别减少面积182.98 与131.61 km²，减少幅度33.61%与36.59%；而中覆盖草地［图6（c）］则呈增加趋势，至2019年较1990年增加面积56.60 km²，增加幅度31.06%。

图5 1990-2010年依格孜牙河流域林地面积变化Fig.5 Changes in the area of forest land in the Yigeziya River Basin，1990-2010

图6 1990-2019年依格孜牙河流域草地面积变化Fig.6 Changes in grassland area in the Yigeziya River Basin，1990-2019

2.2 流域植被覆盖度（NDVI）变化特征

在研究中选取2000-2018年依格孜牙河流域不同覆盖等级的植被覆盖度数据，在参照相关研究方法的基础上［22］，结合依格孜牙河流域植被具体生长状况，将植被覆盖度划分为四个等级：高覆盖度植被（覆盖度＞60%）、中覆盖度植被（覆盖度60%≥x＞40%）、中低覆盖度植被（覆盖度40%≥x＞20%）、低覆盖度植被（覆盖度20%≥x＞0）。具体变化表现为：高覆盖、中覆盖、中低覆盖及低覆盖面积占比如图7 所示、18 年间不同时期植被覆盖度空间分布如图8所示。结合二者可以看出高覆盖度植被面积呈增加趋势、低覆盖度植被面积呈减小趋势，其他类型变化不大。最后通过Mann-Kendall 检验整个时段依格孜牙河流域NDVI指数变化趋势（表4），结果为整个流域平均NDVI呈极显著增加趋势（|Z|统计量＞2.58），其中，高覆盖、中覆盖、中低覆盖、低覆盖类型分别呈极显著增加、极显著增加、极显著增加、极显著减小趋势（|Z|统计量＞2.58）。

表4 依格孜牙河流域不同覆盖类型NDVI指数变化显著性检验Tab.4 NDVI index change significance test for different coverage types in the Yigeziya River Basin

图7 1990-2019年不同类型植被覆盖度指数NDVI年际变化Fig.7 Interannual changes in the NDVI index of different types of vegetation cover

图8 2000-2018年依格孜牙河流域植被覆盖（NDVI）空间分布Fig.8 Spatial distribution of vegetation cover（NDVI）in the Yigeziya River Basin

2.3 流域生态环境质量评价

根据生物丰度指数、水网密度指数、植被覆盖指数和土地退化指数计算得到依格孜牙河流域的生态环境状况指数（表5）。流域内生物丰富度指数表现出先升后降的趋势，该项指数的变化主要是受土地利用面积变化影响较大；水网密度指数大体呈下降趋势，但各年份数值变化不大；土地退化指数呈先升后降趋势，该项主要受到中度侵蚀面积的影响；植被覆盖指数表现出先降后升再降的趋势，该项指数的变化主要是由于气候变化及人类活动导致。在四项生态环境质量因子的综合影响下，依格孜牙河流域总体EI指数范围为20≤EI＜35，因此可以判断在1990-2019年属于较差范围，整体流域生态状况可表述为：区域内植被密度较小，生物丰富度低，水资源量少且存在着明显限制人类生存的因素。根据EI指数，从时间尺度上看（表5），从1990 年到2000 年环境质量是下降的，2000 年到2019 年环境质量是逐渐好转的。

表5 依格孜牙河流域各项生态环境评价指标汇总表Tab.5 Summary of ecological environment evaluation indicators in the Yigeziya River Basin

3 讨论

1990-2019 年湖泊水库面积在整个时间段几乎没有变化，滩涂湿地面积呈减小趋势，究其原因是人类对水资源的过度开发形成天然湿地面积萎缩［23］。在2019年流域有林地、疏林地面积几乎未发生变化，同时从天然林和人工林两方面考虑依格孜牙河流域林地状况，将有林地、疏林地、灌木林地面积相加后得到天然林面积［图9（a）］，人工林面积是其他林地面积［图9（b）］。1990-2019 年天然林地面积整体有所减少，整个时间段2019 年天然林面积较1990 年减少了9.80%；人工林面积持续增加，从1990 年的0.15 km²增加到2019 年的89.28 km²，增加了594倍。由此可以看出依格孜牙流域总林地面积的增加主要是由人工林面积的增加引起。

图9 1990-2019年依格孜牙河流域天然林与其他林地面积变化Fig.9 Changes in the area of natural forests and other forests in the Yigeziya River Basin from 1990 to 2019

1990-2019 年依格孜牙河流域建设用地、耕地面积与流域内人类活动密切相关，而建设用地、耕地面积均呈增加趋势，主要是由于随城市化和工业发展，人口的增长对耕地的需求增加，新开垦的耕地需要大量的灌溉用水，在水资源总量没有增加的前提下，大量的农业灌溉用水会导致部分生态用水被占用，形成水域面积大幅下降，但这并没有影响该流域的林地面积，但对草地有一定的影响，形成草地总面积下降、草地退化［24，25］。虽然依格孜牙河流域高覆盖草地所占比例最大，但是1990-2019年依格孜牙河流域草地总面积显著减少趋势。中覆盖草地呈增加趋势，主要原因是由于高覆盖草地退化、转化成了中覆盖草地。

研究选用生态环境质量综合评价方法，该方法具有一定适应性，且适用范围较广，诸多学者运用此方法对各个地区的生态环境质量进行评价［20］，并表明此方法体系对于干旱区的生态环境质量评价具有比较良好的科学性和实践性［26］。本研究中依格孜牙河流域总体EI指数范围为20＜EI＜35，判断在1990-2019 年属于较差范围，整体流域生态环境质量较差，但各时段EI指数的变化范围均较小，|ΔEI|＜1，各时段流域生态环境质量状况稳定，无明显变化；且在1990-2019年各项生态环境评价指标变化较小，生物丰富度指数变化较小，原因可能是该指数是由多种林地面积决定的，且各个林地所占的权重不同，而干旱区的树种较少且变化短时间难以改变［27］；水网密度指数在各年份数值变化不大，究其原因为在近30 a 中流域面积变化较小，加上干旱区内降水量较低，总水资源量变化不大，而这种现象在其他河流流域中也有所体现［28］；土地退化指数主要受到中度侵蚀面积的影响，在1990-2019年工业发展较为迅速，土壤侵蚀面积逐渐变大，而根据遥感影像得到在2000年土地退化面积最大，进而形成土壤退化指数在该时期高于其他几个时期；植被覆盖指数的变化主要是由于气候变化及人类活动导致，该指数在2000 年是最小，原因为土壤侵蚀面积的增大，最终导致植被的退化，在退化的过程造成生态环境的恶化［29］，进而表现为在2000年生态环境质量较4个时期最差。

从1990-2019 年4 个时期依格孜牙河流域生态环境质量评价结果来看，2000年流域环境质量指数最小、环境质量较差，一是由于该时期流域水网密度指数同其他几个时期相比最小，无论是来水量还是水域面积均为4 个时期最小值；其次是根据NDVI结果显示流域该时期的植被覆盖度明显小于2010与2018年；再者是遥感结果得出该时期的土地退化面积最大。实际上，整个流域生态环境的变化是复杂的，一方面天然林地的减少造成生物丰度指数下降，但另一方面由于流域人工林、耕地面积的增加，导致植被覆盖度指数及水网密度指数上升，因此依格孜牙河流域同时存在生态环境改善和退化两种情况，但是生态环境退化的趋势稍大于生态环境改善趋势。

4 结论

（1）1990-2019年依格孜牙河流域2000年、2010年、2019年耕地面积分别较1990 年增加了24.29%、32.60%、225.02%。1990-2019年依格孜牙河流域建筑用地面积增加了56.36%。

（2）2019 年依格孜牙河流域总林地面积103.72 km2，1990年面积最少（16.2 km2），至2000 年、2010 年、2019 年林地总面积均有所增加，分别增加幅度31.00%、216.40%及325.06%。其中天然林地面积整体变化不大，整个时间段2019年天然林面积较1990 年减少了9.80%；人工林面积持续增加，从1990 年的0.15 km2增加到2019 年的89.28 km2，增加了594 倍。有林地、疏林地、灌木林地面积在整个时间段内均略微减少；2019 年以上3种林地总面积分别较1990 年减少9.80%。说明近29 年以来依格孜牙河流域天然林受破坏的程度最轻。

（3）1990-2019 年依格孜牙河流域草地总面积呈先稍增加后减少趋势，但大体变化趋势为减少。29 年间高、低覆盖度草地面积大体呈减少趋势，2019 年较1990 年面积分别减少了33.61%、36.59%。而中覆盖草地面积呈增加趋势，2019 年较1990年增加了31.06%，中覆盖草地面积的扩大部分原因是由于高覆盖草地退化、转化成了中覆盖草地。

（4）1990 年、2000 年、2010 年、2019 年，依格孜牙河流域EI指数范围为20＜EI＜35，属于较差范围，整体流域生态环境状况可表述为：区域内植被密度较小，生物丰富度低，降水量少且不适宜人类生存居住。在四期结果中，2000 年的EI指数最低，2010年EI指数最高。