2000—2021 年图木舒克市生态环境质量动态监测与评价

王 剑， 管 瑶， 贺兴宏,2， 代云豪， 陈艺伟， 王育强，李会文， 范德宝

（1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木大学南疆岩土工程研究中心，新疆 阿拉尔 843300；3.北川羌族自治县公路运输管理所，四川 绵阳 621000）

新疆受地理条件限制，昼夜温差大、降雨量少，导致新疆很多地区干旱缺水，新疆图木舒克市生态环境脆弱，农业生产受到严重影响，所以准确了解当地生态环境的质量对于当地农业生产、人类生活、经济建设发展有着重要意义［1］。

生态环境状况指数（EI）可用来评价区域生态环境质量状况［2-3］，遥感技术在监测区域生态环境质量中已得到广泛应用，其具有高效性、及时性等特点，可为监测研究区生态环境质量提供实时数据，也为监测区域生态环境质量变化提供了更多可能性［4-5］。近年来，众多国内外学者利用遥感生态指数（RSEI）对区域生态环境质量进行动态监测与评价，Boori 等［6］分别利用RSEI 和EI 对区域生态环境质量进行研究，表明传统生态学原理与遥感技术相结合的新兴研究课题对区域环境保护和可持续发展具有重要意义。同时，有学者［7-10］利用RSEI对露天矿区、科尔沁沙地、新疆干旱区博乐市和滨海湿地的生态环境质量变化进行研究，研究表明RSEI适用于不同土地类型，可对不同类型研究区高效、准确地进行生态环境动态监测。目前，利用RSEI对区域生态环境质量进行动态监测与评价已广泛应用到城市［11-13］、矿区［14-15］、湿地［16-17］、干旱区［18-20］等众多区域。现大多学者只对区域生态环境质量进行了监测评估，研究区自然因素与社会因素对其生态环境质量的影响没有进行多角度的客观评价。由评价指标构成生态环境质量评价体系，并分析探究其生态质量变化与当地驱动因素之间的相互关系，既可对研究区生态环境动态监测，也可为研究区规划治理生态环境提供一定的参考依据，对促进研究区生态环境的保护与社会经济的可持续发展具有重要意义［4］。

新疆图木舒克市是南疆发展的重点城市，生态环境监测是生态环境保护工作的“生命线”，本研究选取图木舒克市2000—2021 年3 期遥感影像数据，通过归一化植被指数（NDVI）、土壤湿度（WET）、干度（NDSI）、地表温度（LST）4个指标构建RSEI，对图木舒克市近22 a来生态环境质量进行动态监测与客观评价，并分析其当地社会经济与自然条件等驱动因素与生态环境质量的相互关系，为图木舒克市未来发展提供一定的理论依据，从而促进图木舒克市未来可持续发展。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图木舒克市（39°36′～40°04′N，78°38′～79°50′E）位于新疆塔里木盆地西北边缘，全市总人口32.66×104人，总面积1941 km2，地貌特征表现为平原、沙丘等［1］。图木舒克市气候属于暖温带大陆性干旱气候，日照时间长，受太阳辐射较强，昼夜温差大，夏季炎热，冬季寒冷，四季分明，年均气温10～13 ℃，年降水量12.3～30.1 mm，主要农作物为棉花，是国家批准的优质商品棉基地［21］（图1）。

图1 研究区示意图Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 数据来源

在地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）中下载Landsat影像数据，选取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%的遥感影像数据。人口、国内生产总值（GDP）、农业种植面积等数据来源于新疆生产建设兵团统计年鉴［1］。降雨量、气温数据来源于羲和能源大数据平台（https://www.xihe-energy.com）。

1.3 研究方法

1.3.1 数据预处理研究区原始影像利用ENVI 5.3对其进行几何校正、辐射定标、大气校正等预处理操作［22］，对统计年鉴中人口、GDP、农业种植面积、降雨量等数据进行整理，利用Origin 2018对数据分析。

1.3.2 生态指数因子遥感生态指数（RSEI）由NDVI、WET、NDSI、LST 4个生态指数构建。

（1）归一化植被指数（NDVI）。

NDVI 常应用于植物生长状况和生态环境变化的监测，监测灵敏度高，能够较为真实地反映出研究区的地表变化规律，已得到广泛应用［5］。计算公式为：

（2）土壤湿度（WET）。

研究区生态环境质量状况的好坏可以由土壤湿度的高低来反映，湿度是监测地表环境的重要指标，为能有效地去除冗余数据，本文采用遥感缨帽变换来反演土壤湿度［23］。WETTM、WETOLI分别为在Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI中土壤湿度的值。计算公式为：

（3）干度（NDSI）。

利用建筑指数（IBI）与裸土指数（SI）构建NDSI［5］，计算公式为：

式中：ρb、ρg、ρr、ρn、ρs1、ρs2分别为蓝、绿、红、近红外、短红外1、短红外2波段反射率［24］。

（4）地表温度（LST）

本文热度指数利用大气校正法进行反演，热度指数由地表温度表示，在Landsat ETM+中热辐射强度由灰度值转换得到，地表亮度温度值由热辐射强度推算得到［22,25］。在Landsat OLI中利用大气校正法反演LST［23］。

在Landsat ETM+中，计算公式为：

式中：Lα、Lmax(α)、Lmin(α)分别为卫星传感器所接收到的热红外波段的辐射值、最大和最小辐射长度；Qdn、Qmax、Qmin分别为像元灰度值、最大和最小灰度值；T为黑体在热红外波段的辐射亮度［22］；K1、K2为定标参数，K1=60.6093 MW·cm-2⋅sr-1⋅μm-1，K2=1282.7108 K。

在Landsat OLI中，计算公式为：

式中：LST、BLST、Lα、τ、ε分别为地表温度（K）、黑体热辐射亮度、热红外波段的辐射值、大气在热红外波段的透过率、地表比辐射率；L↑、L↓分别为大气向上、向下辐射亮度［23］；K1=774.89 MW·cm-2⋅sr-1⋅μm-1，K2=1321.08 K［26］。

1.3.3 遥感生态指数（RSEI）考虑水体对湿度指标的影响，图木舒克市内有西北地区最大的小海子水库和永安坝南北水库［21］，故将该研究内水域进行掩膜处理，不再考虑水体面积的变化［27］。为避免NDVI、WET、NDSI、LST 4个指标权重失衡，本文采用主成分分析法将4 个指标集成，对4 个指标进行归一化处理后，再进行主成分分析，从而保证结果准确性［5］。RSEI数值在[0,1]之间，数值越大表明生态环境质量越好［22］。

式中：Ix为各指标值（NDVI、WET、NDSI、LST）；Ii为各指标归一化后的值；Imax、Imin分别为各指标归一化后的最大、最小值；PC1[f(NDVI，WET，NDSI，LST)]为第一主成分；RSEI0、RSEI0_max、RSEI0_min分别为遥感生态指数初始值、最大和最小初始值［9］。

2 结果与分析

2.1 RSEI主成分分析

2000—2021 年图木舒克市RSEI 主成分分析结果（表1），PC1贡献率最高，分别为88.33%、91.30%、93.11%，平均高达90.91%；PC2、PC3、PC4 贡献率平均分别为6.86%、1.79%、0.44%。PC1 的4 个指标贡献率均超过85%，表明PC1 最大程度地集中了各指标特征，可用来构建RSEI，且能较为全面地反映出图木舒克市的生态环境综合状况，能对研究区生态环境质量较好评价。

表1 遥感生态指数主成分分析结果Tab.1 Principal component analysis results of remote sensing ecological index

2.2 图木舒克市生态环境质量变化分析

2.2.1 RSEI 均值利用ENVI 5.3 对2000—2021 年图木舒克市3 期RSEI 统计，计算得到RSEI 均值（表2），2000—2011 年RSEI 均值从0.406 增至0.417，增量为0.011，增长率为2.71%；2011—2021 年RSEI 均值从0.417 增至0.476，增量为0.059，增长率为14.15%；22 a 来RSEI 均值从0.406 增至0.476，增量为0.07，增长率为17.24%。2000—2021年图木舒克市RSEI均值呈持续上升趋势，但均在0.5以下，表明当地生态环境质量还仍继续保护和提升。

表2 2000—2021年图木舒克市遥感生态指数（RSEI）均值Tab.2 Average RSEI in Tumshuk City from 2000 to 2021

2.2.2 生态环境质量空间分布为直观反映出图木舒克市生态环境质量变化，以0.2 为区间将RSEI 划分为5 个等级：差[0, 0.2）、较差[0.2, 0.4）、中等[0.4,0.6）、良[0.6,0.8）和优[0.8,1.0]［5］。绘制2000—2021年图木舒克市生态环境质量各等级的空间分布状况图（图2a～c），统计2000—2021年图木舒克市不同生态环境质量等级面积和所占比例（表3）。

表3 不同生态环境质量等级面积Tab.3 Area of different ecological environment quality levels

图2 图木舒克市生态环境质量等级分布Fig.2 Distribution of ecological environment quality levels in Tumshuk City

利用卫星地图观测和实地调查的方式对研究区生态环境质量变化状况进行勘察验证，发现图木舒克市生态环境质量显示差等级的区域主要为干旱沙漠，较差等级的区域主要为重度盐碱地，中等级区域主要为城市居地和稀疏草地，良等级区域主要为水域附近的少量耕地，优等级主要为林地和耕地。

由图木舒克市不同生态环境质量等级面积（表3）可知，2000—2021年图木舒克市中等级面积呈逐年“降低”趋势，共减少71.82 km2，下降23.83%；差和较差两等级面积占比较高，两等级占比呈“降低-升高”变化趋势，总体呈降低变化，共减少73.08 km2，下降8.11%；良等级呈“升高-降低”变化趋势，良等级面积共增加66.46 km2，增长率为29.45%；优等级呈持续“升高”变化趋势，面积占比从15.57%增至23.19%，共增加143.96 km2，增长率为54.64%。综上所述，图木舒克市近22 a来生态环境质量总体呈变好趋势。

2.2.3 生态环境质量时空变化对图木舒克市2000、2011年和2021年RSEI进行等级变化监测，得到图木舒克市生态环境质量等级变化（图3）、生态环境质量变化面积转移矩阵（表4）和生态环境质量变化级差面积（表5）。

表4 生态环境质量变化面积转移矩阵Tab.4 Stochastic matrix of ecological environment quality change area /km2

表5 2000—2021年生态环境质量变化级差面积统计Tab.5 Statistics of the difference area of ecological environment quality change from 2000 to 2021

图3 2000—2021年图木舒克市生态环境质量等级变化Fig.3 Changes of ecological environment quality levels in Tumshuk City from 2000 to 2021

2000—2021年图木舒克市生态环境等级变化区域分布广泛，2000—2021年图木舒克市生态环境质量不变的面积为740.483 km2，占总面积的42.55%，主要分布在研究区北部和南部地区；变差面积为438.610 km2，占总面积的25.21%，主要分布在研究区东北、西南地区；变好面积为560.994 km2，占总面积的32.24%，主要分布在研究区中部、东南、西北地区。2000—2021年图木舒克市生态环境质量变好面积远大于变差面积，表明图木舒克市近22 a来生态环境质量总体得到提升，当地生态环境得到有效改善。

2.3 驱动因素分析

RSEI 能较好地反映图木舒克市的生态环境质量，当地生态环境质量的变化同时也受其相关驱动因素的影响。通过查阅新疆生产建设兵团统计年鉴［1］，提取2000—2021 年图木舒克市社会经济因素和自然因素等驱动因素数据（表6），分析得到图木舒克市2000—2021 年人口与GDP 变化趋势（图4）；种植业、农业生产总值与农业种植面积变化趋势（图5）；年均气温和年降水量变化趋势（图6）。

表6 2000—2021年图木舒克市驱动因素数据信息Tab.6 Driver data information in Tumshuk City from 2000 to 2021

图4 2000—2021年图木舒克市人口与国内生产总值（GDP）变化趋势Fig.4 Change trends of population and GDP in Tumshuk City from 2000 to 2021

图5 2000—2021年图木舒克市种植业和农业生产总值与农业种植面积变化趋势Fig.5 Change trends of planting industry,gross agricultural product,and agricultural planting area in Tumshuk City from 2000 to 2021

图6 2000—2021年图木舒克市气温与降水量变化趋势Fig.6 Change trends of temperature and precipitation in Tumshuk City from 2000 to 2021

2.3.1 社会经济因素2000—2010年图木舒克市人口和GDP增长趋势均较为缓慢，2010年开始人口增长和经济发展开始加速，2010—2021年图木舒克市人口和GDP 增长趋势较大。农业种植面积在2000—2009 年逐年增长，2010 年有所下降，2010—2021 年农业种植面积在9.5×104～13.5×104hm2内波动变化。由于图木舒克市生态环境质量逐渐提高，在2010年开始改善当地的农业生产条件，加大农业机械器具数量，扩大机械耕地范围，生产建设逐渐加强；同时增加交通运输车辆，使货物运输和周转更加方便，进而促进图木舒克市在2010年间经济快速发展，社会经济方面全面大幅度提升。人口的增长和经济的快速发展会导致人类在研究区内人口密度和活动轨迹增加，导致区域内土地类型发生变化，对研究区生态环境质量等级变化有一定影响。

2.3.2 自然因素为研究气候、降水量等自然因素对图木舒克市生态环境质量的影响，获取并分析图木舒克市近22 a气象数据，发现2000—2021年图木舒克市年均气温在10～13 ℃之间波动，年降水量在10～35 mm 之间波动；近22 a 来图木舒克年均气温、年降雨水在一个区间内不断波动。2000—2011 年图木舒克市年均气温波动范围为11.5～13.0 ℃，年降雨量较低；2011—2021 年年均气温波动范围为10.5～12.6 ℃，年降水量逐渐增长。年均气温的稳定和降水量的增多会对图木舒克市生态环境质量变化起到积极作用，年均气温波动范围较大和降水量减少对生态环境质量改善会产生一定消极影响。

综上所述，结合图木舒克市RSEI和生态环境质量时空变化分析，图木舒克市生态环境质量受社会因素和自然因素的影响，研究区自然因素对生态环境质量影响较小，社会经济因素对生态环境质量影响较大。

3 讨论

3.1 生态环境质量变化趋势

城市的植被覆盖度对其生态环境保护具有一定贡献作用［14-15］。白松［28］对图木舒克市植被覆盖情况进行研究，显示研究区1993—2019年植被覆盖面积大幅度增加；土地利用类型变化会引起生态环境质量的变化［20］，如克亚·热合曼等［29］对图木舒克市1998—2018年土地利用类型变化做出研究，研究表明图木舒克市耕地、建设用地面积呈增加趋势。通过研究城市的植被覆盖率和土地利用变化可以反映出当地人类活动与自然环境、社会经济发展对生态环境质量变化特征，研究区植被覆盖面积和耕地面积的增加，对当地生态环境质量变好起到积极作用［18,30］。通过对近22 a 图木舒克市RSEI 分析，总体生态环境逐渐变好，与当地的植被覆盖率和耕地面积增加有密切关系，未来应继续加强当地生态环境的保护措施，进一步提升当地生态环境质量。

3.2 驱动因素

气候变化是影响生态环境的自然因素之一，社会经济与生态系统之间的关系尤为复杂［12］。气温和降水量的变化会影响土壤的湿度，气温升高导致空气中水分降低，降水量增多提高了土壤湿度［17］；人口的增长会引起城市的扩张，社会经济发展与生态环境保护需要相互协调［13,19］。本文对研究区人口、GDP、气候、农业等驱动因素进行变化分析，显示社会经济因素对当地生态环境质量变化具有显著影响，耕地面积的增多和农业大力发展，提高了当地居民的收益，使经济效益不断提升，促进了当地社会经济的发展，也使生态环境质量得到提升，这与众多学者研究结果大致相同［12-13,19,31］。为了促进图木舒克市未来可持续发展，当地生态环境的保护仍是需要持续关注的问题。

4 结论

（1）2000、2011 年和2021 年图木舒克市RSEI均值分别为0.406、0.417 和0.476，生态环境质量变好面积远大于变差面积，改善区域主要分布在研究区中部、东南、西北地区，近22 a生态环境质量得到有效改善。

（2）通过对图木舒克市自然因素和社会经济因素进行分析，当地生态环境质量受人口、GDP、耕地面积、气候等因素影响，在驱动因素中社会经济因素对当地生态环境质量有显著影响。

（3）由NDVI、WET、NDSI 及LST 构建RSEI，可以高效、准确地对当地生态环境质量进行动态监测与客观评价，可为今后图木舒克市生态环境保护和社会经济发展提供一定理论依据。