高鵬文，阿里木江·卡斯木,2，圖爾蓀阿依·如孜，趙永玉，朱增云

（1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆烏魯木齊830054；2.新疆師范大學(xué)絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶城鎮(zhèn)化發(fā)展研究中心，新疆烏魯木齊830054）

綠洲是干旱區(qū)水系分布不均及空間降水量不平衡共同作用下形成的特殊地理單元[1-3]。在土壤、濕度、地形等因素的共同影響下，綠洲成為干旱區(qū)內(nèi)對生命系統(tǒng)承載力較高的人類生產(chǎn)生活聚集地[4-6]。目前有關(guān)綠洲的研究主要為土地利用變化、荒漠化與綠洲化、綠洲時空演變，而在綠洲生態(tài)質(zhì)量方面研究較少。對生態(tài)質(zhì)量監(jiān)測的過程中，遙感手段又以其快速、時效性較高、觀測范圍大的特點(diǎn)被廣泛使用。徐涵秋[7-8]、徐涵秋和張好[9]提出了利用遙感影像反演地表環(huán)境因子的遙感生態(tài)指數(shù)(remote sensing ecological index，RSEI)，對區(qū)域生態(tài)質(zhì)量做出定量的客觀評價。該指數(shù)能夠較好地反映不同區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況，在水土流失區(qū)[10]、黃土高原區(qū)[11]、自然保護(hù)區(qū)[12]、濕地區(qū)[13]、農(nóng)牧交錯區(qū)[14]、城市[15-17]得到廣泛的應(yīng)用，也驗(yàn)證了該指數(shù)可以很好地反演不同區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

本文通過構(gòu)建RSEI 以期反映干旱區(qū)綠洲的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，同時利用3D 趨勢面分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化，利用景觀格局指數(shù)與移動窗口法探討干旱區(qū)綠洲內(nèi)部分異規(guī)律，分析不同等級及整體生態(tài)質(zhì)量的空間破碎性、斑塊的聚集程度。因?yàn)樵诟珊祬^(qū)生態(tài)較為脆弱[18]，不同生態(tài)用地在空間上呈現(xiàn)不連續(xù)的分布，故通過18 年的哈密綠洲變化來揭示生態(tài)質(zhì)量的空間格局變化規(guī)律，為干旱區(qū)內(nèi)綠洲的生態(tài)發(fā)展提供一定的借鑒。

1 研究區(qū)數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

哈密綠洲位于新疆東部，隸屬哈密市伊州區(qū)(圖1)。屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫少雨。年均降水量僅33.8mm，蒸發(fā)量卻高達(dá)33 0 0mm，氣候干燥，年均氣溫9.8℃。日照充足，年均日照時數(shù)為3358h。哈密綠洲位于哈密盆地內(nèi)，南側(cè)為大片戈壁，北部為東天山南側(cè)的洪積扇。其主要水源來自于地表水(降雪、山區(qū)降水)及地下水(天山冰川融化)，內(nèi)有哈密河流經(jīng)，但存在間歇性斷流，部分區(qū)域干涸。截止2018 年，哈密綠洲有43 萬人，其中農(nóng)業(yè)人口19 萬人，占比44%。主要農(nóng)作物為棉花(Gossypium spp.)、大豆(Glycine max)、蕎麥(Fagopyrum esculentu)、小麥(Triticum eastivum)、哈密瓜(Cucumis melo)、西瓜(Citrullus lanatus)、葡萄(Vitis vinifera)、大棗(Ziziphus jujuba)等。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

為了保證數(shù)據(jù)的一致性和結(jié)果的可比性，本研究選取時相基本一致、云量均低于1%的2000-09-06(TM)、2008-08-27(TM)和2018-09-15(OLI-TIRS)3 期Landsat 系列遙感影像作為數(shù)據(jù)源。影像從美國地質(zhì)勘探局官網(wǎng)(http://glovis.usgs.gov/)免費(fèi)獲取。

為保證影像的準(zhǔn)確性，利用ENVI 5.3 對3 期影像分別作輻射定標(biāo)及FLAASH 大氣校正(設(shè)定主城區(qū)的平均海拔為0.85 km，氣溶膠類型為鄉(xiāng)村類型，大氣模型根據(jù)成像時間和緯度選擇為SAS 標(biāo)準(zhǔn)大氣模式)，再對3 幅影像進(jìn)行配準(zhǔn)，使用二次多項(xiàng)式和最近鄰法使均方差小于0.5 像元。最后利用研究區(qū)矢量圖進(jìn)行裁剪。

1.3 研究方法

1.3.1 遙感生態(tài)指數(shù)

本文根據(jù)徐涵秋等[7-9]提出的RSEI 對哈密綠洲近18 年哈密綠洲生態(tài)變化做出量化研究，計算該區(qū)域內(nèi)濕度分量、綠度分量、干度分量、熱度分量，再通過主成分分析，得出各分量特征貢獻(xiàn)率，利用第一主成分表示該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。該方法相較于國家環(huán)保部《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》提出的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)[19]有較大的優(yōu)勢，主要在于EI 受人為主觀因素的影響較大，不同研究者對于因子的選取不同，同時不能可視化表達(dá)，在空間上不能直接判讀生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

圖 1 研究區(qū)位置示意圖Figure 1 Sketch map of the study area

(1)綠度分量

綠度指標(biāo)是植物生長狀態(tài)和營養(yǎng)信息指示的最佳因子，與植物的葉面積指數(shù)、覆蓋度以及生物量密切相關(guān)[20]。

式中： ρNIR和 ρR分別表示近紅外與紅外波段的反射率。

(2)濕度分量

利用遙感纓帽變換獲取的濕度分量可以較好地反映植被、水體和土壤的濕度狀況[21]。

式 中： ρB、 ρG、 ρR、 ρNIR、 ρSWIR1、 ρSWIR2依 次 是 藍(lán) 波 段、綠波段、紅波段、近紅外波段、短波紅外1 波段、短波紅外2 波段的反射率， A1、 A2、 A3、 A4、 A5、 A6分別是濕度系數(shù)，在Landsat5 影像中， A1= 0.0315、A2=0.2021、A3= 0.3102、A4= 0.1594、A5= ?0.6806、A6=?0.6109，在Landsat8 影像中A1= 0.1511、 A=20.1973、A3=0.3283、A4= 0.3407、A5= ?0.7117、A6=?0.4559。

(3)干度分量

造成綠洲變“干化”的主要原因是建筑用地的擴(kuò)展以及大片區(qū)的裸地，為此選用裸地指數(shù)(SI)和建筑指數(shù)(IBI)合成作為干度指標(biāo)，表示為(NDBSI)[7]。

(4)熱度分量

熱度指標(biāo)(LST)利用地表實(shí)際溫度來表示，本文對Landsat 系列熱紅外數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，其中Landsat8 影像是對第10 波段進(jìn)行反演，因?yàn)榈?1波段的精度不夠。

式中：LST 為地表溫度，T 為傳感器溫度值，K1、K2為定標(biāo)系數(shù)； L6/10分別為TM/TIRS 的熱紅外波段的輻射值，對應(yīng)B6、B10 波段；DN 為像元灰度值， gain、bias依 次為波段增益值、偏置值； λ為熱紅外波段的中心波長； ρ為波爾茲曼常數(shù)； ε為地表比輻射率，取值參見文獻(xiàn)[13]。在TM 影像中，K1=607.76W·(m2·sr·μm)?1，K2= 1 2 6 0.5 6 K， g ai=n 0.0 5 5、 bia s=1.1 8 2 43，λ=1 1.4 3 5 μm；在OLI/TIRS 影 像 中K，1=774.89 W·(m2·sr·μm)?1， K2= 1321.08K，ga in =3.342b、i as =0.1，λ=10.900μm； ρ=1.438×10?2m·K。

RSEI 是通過主成分分析方法來算4 個指標(biāo)，再算出每個指標(biāo)后會形成4 個單波段影像，因其每個波段的量綱不同，利用歸一化操作使其統(tǒng)一在0?1之間，再合成多波段影像進(jìn)行PCA 分析。

式 中： f(N,W,G,L)表 示4 個 分 量 的合 成； N,W,G,L分別表示綠度分量、濕度分量、干度分量及熱度分量；RS EI0表示生態(tài)指數(shù)初始化值， PC1表示主成分分析的第一成分；RSEI 表示歸一化后結(jié)果， RS EImin為RS EI0的最小值， RS EImax為 RS EI0的最大值。

1.3.2 趨勢面分析

利用自然斷點(diǎn)法將通過RSEI 計算的哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量分為極差、差、中、良和優(yōu)5 個等級。再構(gòu)建20 0 0m×2 0 0 0m 的格網(wǎng)單元，對每一類生態(tài)環(huán)境質(zhì)量與格網(wǎng)單元做相交處理，統(tǒng)計每個單元內(nèi)的面積。在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS10.5 平臺中的Geostatisticalanalyst 模塊進(jìn)行3D 趨勢面分析，以此分析近18 年來哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量各個等級的空間分布范圍。同時直觀地了解各等級對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積大小，對比3 期數(shù)據(jù)可以較為準(zhǔn)確地理解各生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積的變化過程，間接地可以在宏觀上分析哈密綠洲整體變化。

1.3.3 移動窗口法

移動窗口法廣泛應(yīng)用于景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域，用于研究不同類型景觀各要素的空間異質(zhì)性和結(jié)構(gòu)的空間分布狀況及動態(tài)變化的一種方法。其原理是以分類后的柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，選擇適當(dāng)?shù)木坝^指數(shù)，用不同大小的窗口做試驗(yàn)，在研究區(qū)域內(nèi)有序的移動，同時計算窗口經(jīng)過區(qū)域內(nèi)的指數(shù)，再對經(jīng)過的中心窗口柵格進(jìn)行賦值，最后形成完整的柵格圖層。移動窗口法能直觀地表現(xiàn)區(qū)域生態(tài)過程，使其用空間化的方式表達(dá)空間格局信息[22-23]。

通過對哈密綠洲的RSEI 計算得到該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間情況，考慮該地區(qū)處于干旱區(qū)大背景下，同時綠洲的范圍相對于整個行政區(qū)較小，本文合理利用移動窗口法，對哈密綠洲生態(tài)質(zhì)量的景觀破碎化現(xiàn)象進(jìn)行空間內(nèi)部差異剖析。移動窗口法在空間上可以明確綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的動態(tài)變化，由此可以從局部分析生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積轉(zhuǎn)移隨之引起的綠洲內(nèi)部變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量主成分分析結(jié)果

2000 年、2018 年及2018 年第一主成分的特征值貢獻(xiàn)率分別為81.85%、92.10%和84.41%(表1)，均超過了80%。第二主成分貢獻(xiàn)率均低于11.99%，表明第一主成分可以表示大部分的特征值，所以在本文構(gòu)建RSEI 成立。在干旱區(qū)綠洲內(nèi)第一主成分RSEI 的NDVI 值和NDBSI 值均高于WET 值和LST值，所以NDVI 與NDBSI 為主要影響因素。

2000 年、2008 年和2018 年的RSEI 均值分別為0.223、0.313 和0.396，呈現(xiàn)為增加的趨勢(表2)。但RSEI 的均值都低于0.5，表明哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較低，屬于低水平增加，這與哈密綠洲所處的干旱區(qū)背景相符。3 期NDVI 均值分別為0.489、0.527 和0.505，表現(xiàn)出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，但總的變化幅度不大，且均值都在0.5 上下。NDVI 對PC1 的載荷值也是4 個分量中最高的，且均在0.9 左右，表明哈密綠洲RSEI 主要受NDVI 的影響；3 期

WET 的均值分別為0.261、0.357、0.278，表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，變幅較小，且均值低于0.4，WET對PC1 的載荷同樣表現(xiàn)為先增加后減小。由此可知18 年里研究區(qū)濕度較差，總體波動不明顯，這與該地區(qū)降水稀少且蒸發(fā)量大的特點(diǎn)相統(tǒng)一。濕度與綠度的增加對于本就脆弱的干旱區(qū)綠洲有重要意義；3 期LST 的均值分別為0.633、0.580 和0.481，呈現(xiàn)為減小趨勢。但LST 的標(biāo)準(zhǔn)差是4 個分量中最大的，表明在該研究區(qū)中溫度的離散程度最大，分布范圍最廣；3 期NDBSI 的均值分別為0.905、0.876 和0.942，呈現(xiàn)出現(xiàn)減小后增加的趨勢，且均值在0.9 上下，但NDBSI 的標(biāo)準(zhǔn)差是4 個分量中最小的，表明干度的離散程度最小，分布范圍較為集中。NDBSI與LST 在3 期數(shù)據(jù)中對PC1 的載荷為負(fù)值，而NDVI與WET 對PC1 的載荷值為正值，由此認(rèn)為NDBSI與LST 為哈密綠洲RSEI 起負(fù)相關(guān)作用，NDVI 與WET對哈密綠洲RSEI 起正相關(guān)作用。LST 減小，NDVI 及WET 呈小幅增加變化的結(jié)果是相互耦合的，這種降溫增濕增綠的影響，使得哈密綠洲整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在近18 年內(nèi)在不斷提升。

表 1 遙感生態(tài)指數(shù)的主成分分析Table 1 Principal component analysis of remote sensing ecological index

表 2 4 個指標(biāo)及遙感生態(tài)指數(shù)的均值變化Table 2 Mean changes of four indicators and remote sensing ecological index

2.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級空間趨勢面分析

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差區(qū)域如圖2(A1、A2、A3)所示，2000 年(圖2，A1)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差的區(qū)域在XY 平面內(nèi)分布較多，從XZ 以及YZ 平面可以一起看出來主要分布的區(qū)域在東北和西南的廣大區(qū)域內(nèi)；2008 年(圖2，A2)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差的區(qū)域依舊分布在東北和西南部區(qū)域內(nèi)，說明在這8年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域沒有改變。且從南北方向的趨勢線(紅色)可知，2000 年與2008 年的趨勢線變化一致，表明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量依舊是北部區(qū)域低于南部區(qū)域。從2018 年(圖2，A3)的XY 平面內(nèi)看出生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差的區(qū)域相較于2008 年明顯減少，但依舊集中在東北和西南的區(qū)域內(nèi)。從18年的變化可知，哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差的區(qū)域減少明顯，說明哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善較快。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域如圖2(B1、B2、B3)所示，2000 年(圖2，B1)生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域集中在東南–西北軸線上，且分布面積中間大，軸兩端小，在東北–西南區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)域，說明生態(tài)環(huán)境較差的分布相對集中，這也可被南北方向的趨勢線變化印證；2008 年(圖2，B2)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域分布方向與2000 年一致，但在分布范圍上有向東北–西南方向擴(kuò)展的趨勢；2018(圖2，B3)年生態(tài)環(huán)境差區(qū)域分布較為廣泛，相較于A3，B3生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差的區(qū)域在增大，說明生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差的區(qū)域向生態(tài)環(huán)境差的區(qū)域轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)好的情況在增加，從南北趨勢線也可看出南部的和分布范圍較大，呈現(xiàn)北低南高的趨勢。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等的區(qū)域如圖2(C1、C2、C3)所示，圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)域分布從2000 年到2018 年一直在增加。從趨勢線分析，自北向南生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等的區(qū)域在增加，且主要為西南方向。表面上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)域增加是源于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差與差區(qū)域的轉(zhuǎn)變，但其背后的驅(qū)動因素是哈密綠洲內(nèi)人工綠洲的擴(kuò)展。綠洲是干旱區(qū)內(nèi)人類活動的聚集區(qū)域，經(jīng)過18 年的變化，在人們對哈密綠洲生產(chǎn)生活的區(qū)域需求量增大，這迫使人工綠洲增加。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良的區(qū)域如圖2(D1、D2、D3)所示，可以看到，2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級區(qū)域在哈密綠洲內(nèi)存在較小，主要分布在哈密綠洲西北部東南部，以及圍繞哈密河存在的南部區(qū)域，在XY 平面內(nèi)呈T 狀分布；2008 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級區(qū)域在2000 年良等級基礎(chǔ)上整體上向西南部擴(kuò)展，而哈密河周圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級的區(qū)域消失。原因在于8 年間哈密綠洲西南部區(qū)域2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等的區(qū)域基礎(chǔ)上拓展了人工綠洲，且該區(qū)域地勢較為平坦，因此，到2008 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級區(qū)域出現(xiàn)擴(kuò)展。同時哈密河附近生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級的區(qū)域消失是由于哈密河在2003 年出現(xiàn)斷流并且部分區(qū)域已經(jīng)干涸。2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級單位格網(wǎng)面積最大值出現(xiàn)在西北部，但空間上分布更加均勻?？傮w上生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級區(qū)域從2000 年開始呈輻射狀向周圍區(qū)域擴(kuò)展，經(jīng)過18 年發(fā)展，哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級的區(qū)域增幅明顯。

圖 2 哈密綠洲生態(tài)質(zhì)量等級3D 趨勢面分析Figure 2 3D trend surface analysis of ecological quality grade in Ham i Oasis

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)如圖2(E1、E2、E3)所示，可以看出，2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域集中在西北角和東南角，總體面積較小，且呈相對獨(dú)立的團(tuán)狀分布，東南角生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)等級的面積多于西北部；2008 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域集中在哈密綠洲中心以西的區(qū)域內(nèi)。而2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域較為分散，且面積較小。從2000 年到2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域呈現(xiàn)為先增加后減小的趨勢。但分布范圍在空間范圍內(nèi)一直在擴(kuò)展。2018 年哈密綠洲南部區(qū)域出現(xiàn)了大量生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)的區(qū)域，而這在18 年前為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差區(qū)域。由此可知，哈密綠洲內(nèi)部不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級之間轉(zhuǎn)化較為劇烈，也正是這種變化促成了目前哈密綠洲整體較好的局面。

總體上從趨勢面分析，2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等、較好和優(yōu)的分布較為集中，均在東南–西北走向的軸線上，這也是哈密綠洲主要分布的區(qū)域，而生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差和差的區(qū)域分布廣泛，主要在東北角和西南部區(qū)域內(nèi)；2008 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從極差、差、中等、良到優(yōu)等級，相比于2000 年均向生態(tài)環(huán)境質(zhì)量轉(zhuǎn)好的方向發(fā)展，且在這個時期，哈密綠洲整體擴(kuò)展迅速，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體較高；2018 年內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等、較好和優(yōu)的范圍相互交錯，混合分布，且分布范圍較大，但也存在著生態(tài)質(zhì)量相互轉(zhuǎn)好或變差的情況，生態(tài)質(zhì)量不夠穩(wěn)定。在這個時期哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在2008 年基礎(chǔ)上擴(kuò)展緩慢，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低等級的區(qū)域明顯減少，大部分區(qū)域均為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良等級與中等級區(qū)域。

2.3 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的移動窗口法分析

哈密綠洲的景觀指數(shù)分布存在一定的規(guī)律性，綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)部空間也存在一定關(guān)聯(lián)度(圖3)。斑塊密度(PD)在2000–2018 年間變化比較明顯，圖中深綠色的區(qū)域代表斑塊密度值小，而深紅色表示斑塊密度高值區(qū)，也表示景觀異質(zhì)性越高。從2000 年到2018 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量PD 值的范圍呈現(xiàn)出先縮小后增加的趨勢。2000 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體相對集中，大片高值區(qū)與大片最低值區(qū)劃分異常明顯，這表明哈密綠洲的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2000 年僅在局部區(qū)域破碎化程度高，景觀異質(zhì)性明顯；2008 年高值區(qū)范圍相對減少，綠洲中心區(qū)域(建成區(qū))破碎化程度降低，表明建成區(qū)的斑塊面積較大且單一；2018 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的PD 高值區(qū)總體分布相對分散，但在建成區(qū)內(nèi)高值區(qū)域較大。這是由于哈密綠洲經(jīng)過10 年的變化生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在提高，斑塊數(shù)量也在增加，不同斑塊在空間內(nèi)呈“攤大餅”狀分開也表明不同區(qū)域都在被開發(fā)。這些建成區(qū)從2008 年的低值區(qū)到2018 年的高值區(qū)，破碎化程度增加，從側(cè)面表明城市化進(jìn)程加快，對原始地表的改造較大。

最大斑塊指數(shù)(LPI)表示最大斑塊對整個景觀的影響程度。從圖3 可知LPI 從2000 到2018 年總體呈現(xiàn)出從綠洲內(nèi)部向外部變化，同時出現(xiàn)近似環(huán)狀嵌套的現(xiàn)象。2000 年的LPI 由內(nèi)部向外部依次是高值區(qū)–低值區(qū)–高值區(qū)–低值區(qū)，2000 年的低值區(qū)集中在東北部及西南部，呈現(xiàn)為對稱分布，也是因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)槲撮_發(fā)區(qū)域，說明該地區(qū)的生態(tài)質(zhì)量變化較?。?008 年的LPI 由內(nèi)部向外部為低值區(qū)–高值區(qū)–低值區(qū)，相對2000 年單一斑塊的影響較大，在2008 年整體上LPI 較為平均；2018 年則從內(nèi)向外依次是低值區(qū)–高值區(qū)–低值區(qū)–高值區(qū)。外圍高值區(qū)域主要集中在東北部、東南部、西部，由于該區(qū)域內(nèi)生態(tài)質(zhì)量較低，也說明生態(tài)質(zhì)量變化較為復(fù)雜。

蔓延度指數(shù)(CONTAG)反映不同類型斑塊類型間的團(tuán)聚及延展趨勢，蔓延度較大，則表明景觀中斑塊具有良好連接；反之，景觀破碎化較高。2000年、2008 年及2018 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的內(nèi)部蔓延度均較大，斑塊間的鏈接良好，但在綠洲邊緣地帶出現(xiàn)了高值，表明破碎化程度最高的區(qū)域出現(xiàn)于此(圖3)；2000 年綠洲內(nèi)部的城市建成區(qū)有明顯的高值區(qū)，這表明建成區(qū)對于綠洲整體的連接狀態(tài)有影響。同時在不同生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級的連接處蔓延度指數(shù)也都在38～74，表明不同斑塊之間在進(jìn)行轉(zhuǎn)化時會破壞斑塊之間的關(guān)聯(lián)度，是造成生態(tài)質(zhì)量破碎化的重要表現(xiàn)之一；2000 年高值區(qū)域依舊出現(xiàn)在建成區(qū)及綠洲邊緣區(qū)域，同時相較于2000 年建成區(qū)，2008 年建成區(qū)蔓延度較高且范圍更大，在南北方向上延伸較大；2018 年高值區(qū)域出現(xiàn)的頻率及范圍明顯多于2000 年和2008 年。進(jìn)一步分析可知，2018 年的建成區(qū)域內(nèi)高值在減少，這是由于經(jīng)過18 年的生態(tài)改善，建成區(qū)綠化增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級提高后對于綠洲整體連接狀態(tài)有了較好的影響。同時不同生態(tài)等級的轉(zhuǎn)變在18 年的變化中更加劇烈，在轉(zhuǎn)變過程中連接度減小，同時破碎化程度增加。

香濃多樣性指數(shù)(SHDI)表示主要景觀中各斑塊類型非均衡分布狀況較為敏感，即強(qiáng)調(diào)面積最小斑塊類型對信息的貢獻(xiàn)。同時也表示在一個景觀系統(tǒng)中，生態(tài)環(huán)境越復(fù)雜，破碎化程度越高，SHDI 值就越高。2000 年的SHDI 高值區(qū)普遍出現(xiàn)在綠洲中心的外圍區(qū)域，2008 年高值區(qū)出現(xiàn)在綠洲西北部和西南部，2018 年的SHDI 高值區(qū)僅出現(xiàn)在綠洲中心的西南部區(qū)域(圖3)。其原因在于2000 年和2008年哈密綠洲生態(tài)質(zhì)量差等級與中等級之間過渡的較差等級的面積較小，導(dǎo)致差等級與中等級之間距離較近，3 種生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級集中在較小區(qū)域，所以該區(qū)域SHDI 的值較高。同理2018 年的綠洲中心西南部的區(qū)域內(nèi)集中出現(xiàn)了4 種生態(tài)質(zhì)量等級，導(dǎo)致該區(qū)域SHDI 值較高。但在2018 年的綠洲其他區(qū)域各生態(tài)質(zhì)量等級呈現(xiàn)階梯型變化，不同生態(tài)質(zhì)量等級的面積相對均等，故SHDI 值不高。綜上可知，2000 年和2008 年相對于2018 年綠洲外圍的變化更加劇烈，綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量擴(kuò)展的趨勢更加明顯。

圖 3 2000?2018 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量移動窗口法分析Figure 3 Analysis of the mobile w indow method of the ecological environment quality of Ham i Oasis from 2000 to 2018

斑塊密度指數(shù)與斑塊形狀指數(shù)較為相似，當(dāng)LSI 值越大，則斑塊形狀就越不規(guī)則。從圖3 中可以看出，2000 年的高值區(qū)在綠洲內(nèi)分布較為均勻，表示在2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積規(guī)模較小且不規(guī)則。同時分布較為分散，沒有形成連片的大區(qū)域，所以LSI 值比較大。同理在北部和南部地區(qū)因?yàn)槎际俏撮_發(fā)的區(qū)域，沒有生態(tài)用地，所以該地區(qū)的斑塊形狀很規(guī)則，故呈現(xiàn)為0 的低值區(qū)；2008 年的LSI高值區(qū)域也較為分散，但分布更靠近西部和南部區(qū)域。而該區(qū)域內(nèi)的綠洲是從2000 年新擴(kuò)展的，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量也較差且各等級分布較為集中，導(dǎo)致各斑塊之間不規(guī)則，LSI 值增高。2018 年因?yàn)樯鷳B(tài)用地的合理性規(guī)劃，在區(qū)域上顯示出較為規(guī)則，故LSI的值均不高，中值區(qū)域較為均勻的分散在研究區(qū)內(nèi)。進(jìn)一步說明了哈密綠洲的合理性規(guī)劃開發(fā)，綠洲生態(tài)質(zhì)量也在轉(zhuǎn)好。

3 討論

對綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的度量方法多為權(quán)重評價方法[24-27]，及利用遙感數(shù)據(jù)反演不同指數(shù)構(gòu)建的方法[28-30]。眾多研究發(fā)現(xiàn)基于遙感指數(shù)構(gòu)建的模型相對統(tǒng)一且有一定的普適性，當(dāng)然也存在部分人文指標(biāo)無法反演的問題。本研究構(gòu)建RSEI 來計算干旱區(qū)綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況，計算結(jié)果顯示哈密綠洲的RSEI 均值較小，這與同在干旱區(qū)背景下的瑪納斯綠洲[24]、渭–庫綠洲[26]、精河綠洲[31]的研究結(jié)果一致。

綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的空間格局，本文利用3D趨勢面法從外部較為宏觀的角度來表征，發(fā)現(xiàn)該方法能較好且細(xì)致地分析出綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間變化模式，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量擴(kuò)展方式主要為綠洲內(nèi)部填充式和綠洲邊緣拓展式。哈密綠洲擴(kuò)展方向主要表現(xiàn)為，以“西北–東南”為軸線的方向擴(kuò)展，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量在該軸兩側(cè)差異明顯，西南側(cè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)于東北側(cè)。在干旱區(qū)內(nèi)的綠洲普遍存在依靠交通干線發(fā)展的趨勢[32-33]。

從景觀格局指數(shù)層面討論干旱區(qū)綠洲內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，在近18 年的發(fā)展過程中綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的景觀破碎性呈減緩的趨勢，該變化最劇烈的區(qū)域均在綠洲外圍，景觀的連通性在增加，綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯提高。原因在于哈密綠洲整體經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平上升較快，同時農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高和灌溉條件改善，這為大面積地開墾人工綠洲提供了可能性。人口的增加也是重要原因，人對適宜土地的需求量也在增加，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善就成了迫切需求，干旱區(qū)綠洲的擴(kuò)展及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化離不開人類活動的影響，該影響呈正反饋進(jìn)行時綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量才會有良性發(fā)展。

4 結(jié)論

1)2000–2018 年，哈密綠洲內(nèi)綠度和濕度對RSEI 起正相關(guān)作用，熱度和干度對RSEI 起負(fù)相關(guān)作用。研究區(qū)內(nèi)RSEI 呈現(xiàn)增長趨勢，均值依次為0.223、0.313 和0.396。研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量總體水平不高，且在研究時間內(nèi)呈現(xiàn)遞增的趨勢，對干旱區(qū)綠洲人居環(huán)境有了極大的促進(jìn)作用。

2)2000 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等、較好和優(yōu)的范圍分布較集中且均在東南–西北走向的軸線上，與主要的綠洲、城鎮(zhèn)及團(tuán)場分布的區(qū)域相吻合。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差和差的區(qū)域分布廣泛，主要在東北角和西南部區(qū)域內(nèi)；2008 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量極差與差等級區(qū)域減少明顯，中等級、良等級和優(yōu)等級區(qū)域增加范圍較大，哈密綠洲整體擴(kuò)展迅速；2018 年哈密綠洲生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不穩(wěn)定，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量中等、較好和優(yōu)的范圍相互交錯、混合分布，且分布范圍較大，也存在小范圍生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相互轉(zhuǎn)好或變差的情況，表明在城市快速擴(kuò)展和用地不斷轉(zhuǎn)變的過程中，綠洲生態(tài)環(huán)境較為脆弱。

3)綠洲從內(nèi)部向外部出現(xiàn)了近似的環(huán)狀鑲嵌套的現(xiàn)象。2000 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量從內(nèi)部向外部依次是高值區(qū)–低值區(qū)–高值區(qū)–低值區(qū)；2008 年與2018 年則出現(xiàn)了與之相反的情況。從2000 年到2018 年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差到優(yōu)的面積均轉(zhuǎn)向生態(tài)較好的等級，研究區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量在好轉(zhuǎn)，且生態(tài)用地擴(kuò)展較快。