科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測
——以奈曼旗為例

劉 峰,楊 光,韓雪瑩,賈光普,王 寧

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院,呼和浩特 010018)

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)和人口的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境惡化一系列問題得到了社會(huì)的廣泛關(guān)注，能夠及時(shí)的監(jiān)測生態(tài)環(huán)境情況，并評價(jià)人為擾動(dòng)對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化的影響，為政府在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)能夠科學(xué)的實(shí)施生態(tài)環(huán)境治理措施提供參考依據(jù)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)可持續(xù)發(fā)展[1]。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)的方法眾多，其中遙感技術(shù)的時(shí)效快、范圍大和周期短等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用；近年來眾多學(xué)者研究了各種基于遙感衛(wèi)星技術(shù)對生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的方法,例如運(yùn)用像元二分法模型對植被覆蓋度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測[2]、運(yùn)用地表溫度反演(LST)監(jiān)測農(nóng)業(yè)生態(tài)干旱[3]、運(yùn)用歸一化水體指數(shù)(MNDWI)對陸地水體面積變化進(jìn)行監(jiān)測[4]和運(yùn)用沙漠化指數(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測荒漠化地區(qū)沙化土地變化[5]等，但生態(tài)環(huán)境變化受多方面因素影響，單一的生態(tài)因子只對生態(tài)環(huán)境中的特定生態(tài)特征有較好的解釋，并不能完全反映和評價(jià)整個(gè)生態(tài)環(huán)境特征[6]，特別是在生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱的沙漠化地區(qū)，需要一個(gè)綜合的生態(tài)指數(shù)來進(jìn)行評價(jià)。徐涵秋[7]提出RSEI(Remote Sensing Based Ecological Index)生態(tài)指數(shù)，其采用主成分變化方法集成了綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)和溫度(LST)4個(gè)生態(tài)指標(biāo)評價(jià)整個(gè)研究區(qū)域的生態(tài)環(huán)境[8]，RSEI生態(tài)指數(shù)所需要的因子均可以在遙感影像中快速獲取，無人為因素影響，在監(jiān)測和評價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等方面得到了廣泛研究，如徐涵秋、張燦等[9-10]利用RSEI生態(tài)指數(shù)監(jiān)測了水土流失區(qū)域的生態(tài)環(huán)境變化；王士遠(yuǎn)等[11]基于RSEI生態(tài)指數(shù)對長白山自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)，并分析其變化的主要原因；楊江燕等[12]構(gòu)建了雄安新區(qū)的3個(gè)時(shí)期的RSEI生態(tài)指數(shù)，分析其生態(tài)環(huán)境變化及影響因素。

奈曼旗地處于科爾沁沙地腹地，屬于典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地帶，20世紀(jì)以來在自然、人口、經(jīng)濟(jì)和政策等影響因素的驅(qū)動(dòng)下，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大的變化，本研究以2000年、2006年、2012年、2018年的Landsat TM/OLI影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用RSEI生態(tài)指數(shù)模型評價(jià)奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在時(shí)空上的變化規(guī)律與特征，并分析其主要影響因素，為科爾沁沙地生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

奈曼旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼境內(nèi)，地理坐標(biāo)位于：120°19′40′′—121°35′40′′E，42°14′40′′—43°32′20′′N，占地總面積約為8 159 km2，該區(qū)地勢是受兩大構(gòu)造體系控制下的沉降地帶，呈現(xiàn)西高東低、南北隆起的半封閉環(huán)狀地形特征，海拔高度為200～270 m[13]，由南到北的地貌類型依次是低山丘陵區(qū)、黃土臺(tái)區(qū)和沙區(qū)。水資源豐沛，河網(wǎng)縱橫，境內(nèi)共有七條河流，包括老哈河、西遼河、叫來河、孟可河、杜貴河及柳河的支流等河流[14]。境內(nèi)水資源總量6.75億m3，地下水含量5.92億m3，地表水含量1.45億m3。氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)干旱氣候。年平均氣溫7.0℃，年平均降水量354.3 mm[15]。冬季多西北風(fēng)，春季多西南風(fēng)，年平均風(fēng)速3.8 m/s。土壤類型主要為6個(gè)，分別是草甸土，沼澤土，栗鈣土，鹽土，風(fēng)沙土與褐土[14]。境內(nèi)分布的植被種主要有山杏(Armeniacasibirica)、白茅(Imperatacylindrica)、大針茅(Stipagrandis)、羊草(Leymuschinensis)、黃柳(Salixgordeivii)。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文選取2000年、2006年、2012年TM影像及2018年OLI影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源(http:∥glovis.usgs.gov/)，影像獲取時(shí)間均屬于奈曼旗植被生長季(6—9月)，使得研究結(jié)果具有可比性，基于ENVI5.3對基礎(chǔ)影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正等預(yù)處理；氣象數(shù)據(jù)主要來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局，收集了奈曼旗2000—2018年的6月、7月、8月份的平均降水與氣溫；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)主要來源于奈曼旗政府官方網(wǎng)站奈曼網(wǎng)(http:∥www.naimanwang.com/)。

2 研究方法

RSEI是由歸一化后的綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)和熱度(LST)4個(gè)指標(biāo)通過主成分分析方法得到的一個(gè)能夠反映整個(gè)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量集成指數(shù)[9]。

2.1 綠度指標(biāo)

本文選用應(yīng)用最廣泛的歸一化植被指數(shù)(NDVI)代表綠度[16]，其與后期反演地表溫度需要的植被覆蓋度有著密切的關(guān)系，見式(1)。

(1)

式中：ρNIR，ρRed分別代表Landsat的近紅外和紅光波段。

2.2 濕度指標(biāo)

組成纓帽變化結(jié)果的濕度分量能夠很好代表植被和土壤中的濕度，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評價(jià)中[17-18]，見式(2—3)[19]。

WET(TM)=0.0315ρBlue+0.2012ρGreen+0.3102ρRed+

0.1594ρNIR-0.6806ρSWIR1-0.6109ρSWIR2

(2)

式中：ρBlue，ρGreen，ρRed，ρNIR，ρSWIR1，ρSWIR2分別代表Landsat TM傳感器的1，2，3，4，5，7波段。

WET(OLI)=0.1511ρBlue+0.1972ρGreen+0.3283ρRed+

0.3407ρNIR-0.7117ρSWIR1-0.4559ρSWIR2

(3)

式中：ρBlue，ρGreen，ρRed，ρNIR，ρSWIR1，ρSWIR2分別代表Landsat OLI傳感器的2，3，4，5，6，7波段。

2.3 干度指標(biāo)

土壤干化主要由裸土地和建筑用地造成的，因此本研究采用裸土指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)的平均值作為干度指標(biāo)，見式(4—6)[9,20-21]。

(4)

(5)

(6)

式中：ρBlue，ρGreen，ρRed，ρNIR，ρSWIR1分別代表Landsat TM傳感器的1，2，3，4，5波段和OLI傳感器的2，3，4，5，6波段。

2.4 熱度指標(biāo)

本文選用大氣校正法反演地表真實(shí)溫度代表熱度指標(biāo)。

2.4.1 地表比輻射率計(jì)算 為使地表比輻射率數(shù)據(jù)更加精確，覃志豪在2004年提出分水體、自然表面和城鎮(zhèn)區(qū)3種類型分別計(jì)算地表比輻射率，見式(7—9)[22]。

水體：εwater=0.995

(7)

(8)

(9)

式中：Pv代表植被覆蓋度；ε代表地表比輻射率。

2.4.2 黑體輻射亮度與地表溫度計(jì)算 衛(wèi)星傳感器接收到的熱紅外輻射亮度值Lλ由大氣向上輻射亮度L↑,大氣向下輻射亮度L↓和大氣熱紅外波段透過率τ構(gòu)成，其值可在NASA公布的網(wǎng)站查詢(http:∥atmcorr.gsfc.nasa.gov)，見式(10)[23]。

Lλ=[εB(TS)+(1-ε)L↓]τ+L↑

(10)

由上式可以得到黑體輻射亮度B(TS)，見式(11)。

(11)

在獲取黑體輻射亮度B(TS)后，根據(jù)普朗克公式的反函數(shù)獲取地表真實(shí)溫度TS，見式(12)[23]。

(12)

式中：K1,K2是常數(shù)；TM數(shù)據(jù)K1為607.76 W/(m2·μm·sr)；K2為1 260.56 K；OLI數(shù)據(jù)K1為774.89 W/(m2·μm·sr)；K2為1282.71 K[23]。

2.5 構(gòu)建RSEI生態(tài)指數(shù)模型

以上4個(gè)指標(biāo)量綱不統(tǒng)一，用主成分變化方法直接集成各個(gè)指標(biāo)，會(huì)使各指標(biāo)權(quán)重失衡，因此，需要對各指標(biāo)歸一化，使其數(shù)值在[0，1]范圍內(nèi)，見式(13)[9]。

(13)

式中：Ii是指標(biāo)在像元i的值；Imax為指標(biāo)的最大值；Imin為最小值。

利用ENVI 5.3將各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，然后對PC1進(jìn)行正負(fù)轉(zhuǎn)置，得到原始遙感生態(tài)指數(shù)RSEI0，最后對原始生態(tài)指數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到RESI生態(tài)指數(shù)，見式(14—15)[1,9]。

RSEI0=1-PC1[f(NDVI,WET,NDSI,LST)]

(14)

(15)

式中：RESI0_max為原始遙感生態(tài)指數(shù)最大值；RESI0_min為最小值；PC1為第一主成分值；RESI取值在[0，1]范圍內(nèi)，值越大生態(tài)環(huán)境越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 RSEI構(gòu)建與指標(biāo)分析

由表1可以看出，奈曼旗2000—2018年生態(tài)因子第一主成分貢獻(xiàn)率均大于70%，分別為74.55%，80.2%，86.88%和92.65%，說明第一主成分PC1集合了4個(gè)指標(biāo)大部分特征，其綠度和濕度均呈正值，這可以被理解為二者共同對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化起到正面作用，干度和熱度均呈負(fù)值，二者共同起到了負(fù)面作用，PC2，PC3和PC4中各個(gè)指標(biāo)與實(shí)際情況不相符，難以解釋實(shí)際的生態(tài)現(xiàn)象，這與的實(shí)際情況和研究思路基本相吻合，因此RSEI的構(gòu)建采用第一主成分。

表1 2000-2018年奈曼旗生態(tài)因子主成分分析

3.2 奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體分析

構(gòu)建RSEI生態(tài)指數(shù)模型，對2000—2018年奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行整體分析(表2)，2000—2018年奈曼旗RSEI均值由0.304 1上升到0.536 7，漲幅為76.49%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈高速改善趨勢；對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起正面作用的綠度和濕度均值在2000—2018年漲幅分別為35.96%和15.94%，起負(fù)面作用的干度和熱度均值呈下降趨勢，減少幅度分別為25.17%和61.70%；由各指標(biāo)特征值的絕對值看出濕度和干度的值較大，說明主要影響奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的指數(shù)為濕度和干度。

表2 2000-2018年各指標(biāo)與RSEI均值

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文計(jì)算的各個(gè)因子的準(zhǔn)確性，統(tǒng)計(jì)2000—2018年奈曼旗夏季的平均氣溫和降水量(圖1)，可以得出降水量由2000年的40.6 mm上升為2018年的73.8 mm，氣溫由25.1℃下降到了24.3℃，降水和氣溫能夠間接的反映各個(gè)指標(biāo)變化規(guī)律，這與本文各指標(biāo)變化規(guī)律基本一致。

圖1 2000-2018年奈曼旗夏季平均氣溫與降水量

3.3 奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化分析

為更好地對比奈曼旗各年份RSEI生態(tài)指數(shù)，了解RSEI在空間上的分布情況，將RSEI值以0.2為間隔分為5個(gè)等級，分別為差、較差、一般、良好和優(yōu)[11]，統(tǒng)計(jì)各等級面積及占比(表3)。

表3 2000-2018年奈曼旗RSEI各等級面積及百分比

2000—2018年奈曼旗生態(tài)環(huán)境差和較差的地區(qū)面積所占比例分別為86.11%，73.3%，70.34%和65.69%，呈逐年減少趨勢，共減少了1 654.06 km2，屬于高速衰退型，其中生態(tài)環(huán)境差的面積在2012—2018年出現(xiàn)上漲趨勢，但上漲幅度較小，所占比例增加了1.76%，較差的面積則呈現(xiàn)逐年下降趨勢；生態(tài)環(huán)境一般的面積呈現(xiàn)逐年增加趨勢，增漲了102.87 km2，所占比例僅增加了1.27%；良好和優(yōu)等級呈現(xiàn)逐年增加趨勢，共增加面積1 551.19 km2，其中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)等級的面積所占比例由2000年1.98%上漲到2018年14.92%，共上漲了12.31%，屬于高速擴(kuò)展型；由此看出奈曼旗的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主要是差和較差為主，但所占比例逐年減少，良好和優(yōu)所占比例逐年增漲，總體來看其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的到改善。

為更加直觀的了解RSEI生態(tài)指數(shù)各等級在空間上的分布情況，本文根據(jù)地勢地貌將奈曼旗分為3個(gè)亞區(qū)進(jìn)行分析(圖2)，3個(gè)亞區(qū)分別為南部黃土區(qū)、中部沙區(qū)和北部沖積平原區(qū)[24]；，2000年差和較差等級幾乎占據(jù)了整個(gè)中部沙區(qū)和南部黃土區(qū)，優(yōu)和良好零星分布在北部沖積平原區(qū)和中部沙區(qū)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較低，其主要原因之一是人口的增加對自然資源的需求量增加，政府實(shí)施的生態(tài)環(huán)境治理措施滯后；2006年差和較差等級主要分布在中部沙區(qū)和北部沖積平原區(qū)，較2000年差等級面積減少，較差等級占主導(dǎo)地位，南部黃土區(qū)主要分布為一般和良好等級，緊挨中部沙區(qū)還有差和較差等級分布，但生態(tài)環(huán)境恢復(fù)效果明顯；2012年差和較差等級主要分布亞區(qū)較2006年無明顯變化，其中一部分差等級轉(zhuǎn)化為較差等級，北部沖積平原區(qū)一般和良好等級面積明顯增加，較2006年，一般和良好等級幾乎分布在整個(gè)南部黃土區(qū)；2018年可以明顯看出北部沖積平原區(qū)優(yōu)等級的面積增加，差和較差等級只是零星分布，中部沙區(qū)依舊由差和較差等級占主導(dǎo)地位，并且西部主要沙區(qū)的差等級面積有些增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)局部惡化，南部黃土區(qū)變化最為明顯，一般等級大部分向優(yōu)和良好等級轉(zhuǎn)移。

圖2 2000-2018年奈曼旗RSEI等級分布

總體上來看奈曼旗生態(tài)環(huán)境改善效果明顯，其改善的主要因素可以分為自然和人為因素，其中自然因素主要包括2000—2018年奈曼旗植物生長季的降水逐漸增加，溫度小幅度上漲，地表植被得到充足的水源，使得各沙化土地面積減少，林草地面積增加；人為因素主要包括奈曼旗經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對薪柴的需求降低，濫砍濫發(fā)現(xiàn)象減少，以及“三北防護(hù)林”體系、退耕還林還草、退牧還草、舍飼禁牧等一系列的生態(tài)環(huán)境治理政策的實(shí)施，使得奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐漸好轉(zhuǎn)。

3.4 奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差值分析

為揭示奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2000—2006年、2006—2012年、2012—2018年3個(gè)時(shí)間段上的動(dòng)態(tài)變化，分析各時(shí)間段RSEI生態(tài)指數(shù)的差值，并參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)技術(shù)規(guī)范》和文獻(xiàn)，將變化類型分為嚴(yán)重退化、輕微退化、穩(wěn)定、輕微改善和顯著改善5個(gè)等級[25-26]。

結(jié)合表4和圖3分析，第一時(shí)間段奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善面積達(dá)到5 327.6 km2，占總面積的65.77%，其中以輕微改善為主，主要變好區(qū)域?yàn)橹胁可硡^(qū)和南部黃土區(qū)，其中顯著改善主要集中在耕地為主的南部黃土區(qū)，這說明生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程起到了積極作用，變差區(qū)域僅占總面積的14.95%，且以輕微退化為主，主要集中在北部沖積平原區(qū)；第二時(shí)間段相較于第一時(shí)間段生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善程度較為緩慢，面積總和為3 324.72 km2，面積占比降低了2.73%，穩(wěn)定面積增加了571.93 km2，部分區(qū)域出現(xiàn)退化趨勢，其以中輕微退化為主，為1 976.27 km2，面積占比相較于第一時(shí)間段增加了13.25%，退化區(qū)域主要分布在中部沙區(qū)和南部黃土區(qū)，這與2006—2012年降水減少導(dǎo)致地表植被長勢較差以及城鎮(zhèn)化建設(shè)導(dǎo)致的土地利用結(jié)構(gòu)不平衡有著密不可分的關(guān)系；第三時(shí)間段，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以穩(wěn)定為主，面積達(dá)到了2 509.54 km2，占總面積的30.98%，改善區(qū)域集中在北部沖積平原區(qū)和南部黃土區(qū)，面積3 797.03 km2，占總面積的46.88%，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化區(qū)域主要以輕微退化為主，面積為1 617.57 km2，占總面積的19.97%，主要分布在中部沙區(qū)，只有零星區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重退化，只占總面積的2.17%，中部沙區(qū)退化的主要因素是不合理的人為擾動(dòng)導(dǎo)致沙化土地自然環(huán)境被破壞。

圖3 2000-2018年奈曼旗RSEI差值變化等級

表4 2000-2018年奈曼旗RSEI差值變化

2000—2018年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善區(qū)域面積均大于退化區(qū)域，2000—2006年達(dá)到了峰值，后期改善和退化面積逐漸減少，穩(wěn)定面積逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，這表明生態(tài)環(huán)境治理措施已逐漸成熟，效果顯著?？傮w上來看奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈逆轉(zhuǎn)趨勢，并逐漸趨于穩(wěn)定，但局部區(qū)域仍然會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象，需繼續(xù)加大生態(tài)環(huán)境治理。

4 結(jié) 論

(1) NDVI，WET，NDSI和LST構(gòu)建的RSEI生態(tài)指數(shù)能夠很好反映奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化特征及在時(shí)空上的差異，其中NDVI和WEI對生態(tài)環(huán)境起正面作用，NDSI和LST起負(fù)面作用，其中WET和NDSI的特征值的絕對值較大，說明WET與NDSI是奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量重要的影響因子。

(2) 研究期間奈曼旗RESI均值增長了0.232 6，起正面作用的NDVI和WET均值逐年增長，起負(fù)面作用的NDSI和LST均值逐年減少，降水增加、溫度的降低是其變化的主要因素，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)改善趨勢。

(3) 研究期間奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差和較差的區(qū)域面積共減少1 654.06 km2，一般、良好和優(yōu)的區(qū)域面積逐年增長，優(yōu)等級區(qū)域增長高達(dá)1 048.17 km2，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著改善，到2018年差和較差等級主要分布在中部沙區(qū)，南部黃土區(qū)和北部沖積平原區(qū)主要以一般、良好和優(yōu)等級為主。

(4) 研究期間奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善區(qū)域面積均大于退化區(qū)域，并在2000—2006年達(dá)到峰值，改善面積高達(dá)5 327.6 km2，占總面積的65.77%，穩(wěn)定區(qū)域面積在2012—2018年占據(jù)主導(dǎo)地位，占總面積的30.98%，研究期間退化區(qū)域主要出現(xiàn)在中部沙區(qū)，改善區(qū)域主要集中在北部沖積平原區(qū)和南部黃土區(qū)，生態(tài)環(huán)境局部仍會(huì)出現(xiàn)退化現(xiàn)象，但整體得到改善。

在自然因素和人為因素共同作用下，2000—2018年奈曼旗生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體呈現(xiàn)改善趨勢，但由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增多致使人為擾動(dòng)程度加強(qiáng)，導(dǎo)致局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)退化現(xiàn)象，因此政府在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)需繼續(xù)加大生態(tài)環(huán)境治理力度，堅(jiān)持生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。