李倩琳, 沙占江,2,3,4,*

氣候變暖背景下柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)

李倩琳1, 沙占江1,2,3,4,*

1. 青海師范大學(xué), 地理科學(xué)學(xué)院, 西寧 810008 2. 青海省自然地理與環(huán)境過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810008 3. 青藏高原地表過程與生態(tài)保育教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西寧 810008 4. 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院, 西寧 810016

柴達(dá)木盆地為典型的高寒荒漠區(qū), 生態(tài)環(huán)境脆弱, 快速全面地了解其在氣候變暖背景下生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化具有重要意義。以2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源, 提取綠度、濕度、干度、熱度和鹽度作為評(píng)價(jià)指標(biāo), 在主成分分析法的基礎(chǔ)上, 提出了柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法, 并對(duì)其時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了探討。結(jié)果表明: (1)柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較為脆弱, 區(qū)域差異明顯, 呈東南優(yōu)西北差的分布格局, 自東南向西北環(huán)狀遞減; (2)2000—2020年間, 柴達(dá)木盆地生態(tài)質(zhì)量總體呈現(xiàn)改善的趨勢(shì), 遙感生態(tài)指數(shù)均值由2000年的0.330上升到2020年的0.383; (3)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善、退化的區(qū)域占比分別為23.97%和5.81%, 改善的地區(qū)主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地, 退化的地區(qū)主要分布在盆地南側(cè)的昆侖山, 以及盆地內(nèi)部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區(qū), 盆地內(nèi)部的沙漠戈壁和鹽堿地變化不明顯。

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量; 遙感生態(tài)指數(shù); 主成分分析; 柴達(dá)木盆地

0 前言

生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)是一項(xiàng)系統(tǒng)性的研究工作, 是資源開發(fā)利用、制定經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策的重要依據(jù)[1-2]。位于青藏高原東北部的柴達(dá)木盆地為典型的高原荒漠生態(tài)系統(tǒng), 其植被類型以荒漠植被為主, 人類活動(dòng)較少, 生態(tài)環(huán)境脆弱, 是青藏高原氣候變化敏感和顯著的地區(qū)[3]。隨著全球氣候變暖和冰川融雪的發(fā)生, 該地區(qū)整體呈現(xiàn)暖濕化的趨勢(shì), 其生態(tài)環(huán)境可能發(fā)生較大變化, 因此有必要對(duì)其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。

目前許多學(xué)者已通過不同方法和角度對(duì)這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境因子開展了一些研究, 如張旺雄等[4]對(duì)柴達(dá)木盆地1961—2017年的干濕狀況及其影響因子進(jìn)行了研究分析, 結(jié)果表明受降水量和氣溫的影響, 柴達(dá)木盆地具有整體變濕的趨勢(shì), 且東部地區(qū)變濕趨勢(shì)大于西部。張斯琦等[5]對(duì)柴達(dá)木盆地2000—2015年的植被覆蓋度進(jìn)行了研究, 結(jié)果表明柴達(dá)木盆地的植被覆蓋度自東南向西北內(nèi)陸呈半環(huán)狀遞減的趨勢(shì), 平均植被覆蓋度約為10%。另一項(xiàng)研究中, Jin等[6]表示柴達(dá)木盆地的蒸散發(fā)整體呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì), 并指出由于盆地東部植被覆蓋度較高且降水量大, 導(dǎo)致其實(shí)際蒸散發(fā)要大于盆地西部地區(qū)。Li等[7]基于Landsat時(shí)間序列影像對(duì)柴達(dá)木盆地近40年的湖泊面積變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè), 結(jié)果顯示1977—2015年盆地內(nèi)的湖泊面積共增加了29.8%, 同時(shí)其研究表明受氣候變暖影響柴達(dá)木盆地的冰川面積減少了259.16 km2, 但降水量增加仍是湖泊面積增長(zhǎng)的主要因素。就現(xiàn)有研究來看, 前人對(duì)該盆地的生態(tài)環(huán)境研究主要集中于單一的生態(tài)指標(biāo), 無法對(duì)復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 而多個(gè)生態(tài)因子可以更為全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[8]。

關(guān)于生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)方法, 聯(lián)合國(guó)“經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署”與“環(huán)境規(guī)劃署”提出了“壓力—狀態(tài)—響應(yīng)”(PSR)概念模型[9], 用于評(píng)價(jià)人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度, 是較為成熟的多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系, 但數(shù)據(jù)多涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等人文方面, 在人類活動(dòng)較少的地區(qū)難以準(zhǔn)確開展生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)。而國(guó)內(nèi)多以環(huán)保部提出的生態(tài)環(huán)境指數(shù)(Ecological index, EI)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10], 該指數(shù)包括生物豐度、植被覆蓋、水網(wǎng)密度、環(huán)境質(zhì)量和土地退化5個(gè)指標(biāo), 但其各指標(biāo)的權(quán)重自發(fā)布以來就一直存在爭(zhēng)議[11]。同時(shí)其結(jié)果僅為一個(gè)數(shù)值, 只能整體說明一個(gè)地區(qū)的生態(tài)狀況, 無法描述不同生態(tài)環(huán)境狀況的空間分布情況[12]。基于此徐涵秋等[12]提出了生態(tài)遙感指數(shù)(Remote sensing ecology index, RSEI),它完全基于遙感信息, 耦合了綠度、濕度、干度和熱度４個(gè)指標(biāo), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。RSEI采用了一種基于協(xié)方差的主成分分析法來發(fā)現(xiàn)每個(gè)相關(guān)指標(biāo)的重要性, 避免了由于個(gè)體特征而導(dǎo)致的權(quán)重定義的誤差, 同時(shí)該方法能夠形成“面”上的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù), 有助于進(jìn)行空間和時(shí)間上的變化檢測(cè), 因此該指數(shù)得到了較為廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[13-15]。但RSEI的提出主要適用于城市地區(qū), 而柴達(dá)木盆地多為自然生態(tài)系統(tǒng), 城市環(huán)境較少, 盆地內(nèi)鹽沼、鹽湖和荒漠廣布, 擁有大小鹽湖28個(gè), 地表鹵水面積約1000 km2, “干鹽湖”及“干鹽灘”總面積約10 000 km2, 同時(shí)受鹽塵暴影響, 盆地內(nèi)鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重[16]。因此本文在RSEI的基礎(chǔ)上增加了鹽度(SI)指標(biāo), 強(qiáng)調(diào)區(qū)域環(huán)境特征對(duì)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響, 結(jié)合綠度(NDVI)、濕度(WET)、干度(NDSI)和熱度(LST)共五個(gè)指標(biāo), 對(duì)柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。這一改進(jìn)既延續(xù)了RSEI基于遙感信息的可獲取性, 同時(shí)能夠更好地反映柴達(dá)木盆地內(nèi)的自然荒漠景觀。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北緣(34°50—39°20′ N, 88°50′—99°17′ E), 海拔為2650—6628 m, 為典型的高原內(nèi)陸型盆地, 四面環(huán)山, 西北為阿爾金山, 東北為祁連山, 東部為鄂拉山, 南部為昆侖山, 從盆地邊緣至中心分布有高山、戈壁荒漠、風(fēng)蝕殘丘、沙漠、平原、鹽殼、鹽湖等地貌類型[17]。柴達(dá)木盆地屬于大陸性荒漠氣候, 盆地年平均氣溫在3.5 ℃左右, 氣溫變化強(qiáng)烈, 年降水量自東南部高山區(qū)的200 mm遞減到西北部荒漠區(qū)的15 mm, 盆地內(nèi)日照充足, 蒸發(fā)強(qiáng)烈, 年均蒸發(fā)量約為1500 mm, 年均相對(duì)濕度為30%—40%, 風(fēng)力強(qiáng)盛, 西部甚至可出現(xiàn)40 m/s的強(qiáng)風(fēng), 風(fēng)力侵蝕強(qiáng)烈。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

論文采用的遙感影像數(shù)據(jù)為2000年、2010年和2020年Landsat TM/OLI 影像, 由美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局提供(https://earthexplorer.usgs.gov), 影像空間分辨率為30 m, 均選擇當(dāng)年7—9月質(zhì)量較好、季相接近的數(shù)據(jù), 植被具有相近的生長(zhǎng)狀態(tài), 以保證研究結(jié)果的可比性。采用ENVI5.3軟件對(duì)遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 主要包括輻射定標(biāo)、大氣校正、影像鑲嵌和裁剪等工作。

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

(1)綠度(NDVI)

采用歸一化植被指數(shù)計(jì)算綠度指標(biāo)。計(jì)算公式如下:

式中:ρ與ρ分別代表近紅外波段與可見光紅波段的反射率。

(2) 濕度(WET)

采用遙感纓帽變換的濕度分量作為濕度指標(biāo), 可反映水體、地表土壤和植被的濕度狀況?；赥M影像和OLI影像的濕度的計(jì)算公式[18-19]如下:

式中:ρ表示相應(yīng)波段的反射率。

(3) 干度(NDSI)

研究區(qū)內(nèi)有大面積的荒漠區(qū), 而大面積的裸露土地是整個(gè)盆地的重要的生態(tài)弊病, 因此選則裸土指數(shù)(SI)[20]來表達(dá)研究區(qū)的裸露狀態(tài), 其計(jì)算公式如下:

式中:ρ表示相應(yīng)波段的反射率。

(4) 熱度(LST)

用地表溫度(LST)來表示, 其公式為:

式中: T為傳感器溫度值; λ為熱紅外波段的中心波長(zhǎng),為波段反射率, ε為地表比輻射率。

(5) 鹽度(SI)

盆地內(nèi)干鹽湖及干鹽灘分布眾多, 土壤鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重, 選用鹽度(salinity index, SI)[21]進(jìn)行表征, 其計(jì)算公式如下:

式中,ρρ分別為的藍(lán)光波段與紅光波段的反射率。

2.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

根據(jù)徐涵秋等[12]提出的RSEI計(jì)算方法, 將上述5個(gè)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理并掩膜掉水體信息后, 使用主成分分析得到第1主成分PCA1。為了使遙感生態(tài)指數(shù)與生態(tài)環(huán)境狀況成正比, 此處用1減去PCA1來獲得初始生態(tài)指數(shù)(RSEI0), 再對(duì)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得遙感生態(tài)指數(shù)(。

式中,為所求的遙感生態(tài)指數(shù), 它反映了區(qū)域的生態(tài)狀況, 其值越大表示生態(tài)質(zhì)量越好, 反之越差;RSEI和RSEI分別代表RSEI的最小值和最大值。

3 結(jié)果與分析

3.1 遙感生態(tài)指數(shù)評(píng)價(jià)模型檢驗(yàn)分析

從表１中可以看出, 就平均相關(guān)度(MC)來說, 在綠度、濕度、干度、鹽度和熱度5個(gè)指標(biāo)中, 干度指標(biāo)的平均相關(guān)度值最高, 3期平均值達(dá)到0.716, 濕度指標(biāo)的平均相關(guān)度最低, 值為0.505, 符合柴達(dá)木盆地氣候干旱的特點(diǎn)。而3期的RSEI與各指標(biāo)的平均相關(guān)度均大于0.760, 其平均相關(guān)度達(dá)0.787, 比5個(gè)指標(biāo)的平均值(0.638)高23.4%, 相比單指標(biāo)中值最高的荒漠化指標(biāo)高出9.9%, 比單指標(biāo)中值最低的濕度指標(biāo)高出55.8%。由于單指標(biāo)的受控因素比較單一, 而生態(tài)系統(tǒng)是多個(gè)因子的耦合結(jié)果, RSEI是在綜合了不同環(huán)境指標(biāo)的影響下所得, 與各指標(biāo)間的相關(guān)度比其他單指標(biāo)更高, 因此可以更為全面的反映柴達(dá)木盆地的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

表1 柴達(dá)木盆地各指標(biāo)與RSEI的相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)變化特征

表2為柴達(dá)木盆地各年份生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)和RSEI的均值變化情況, 其空間分布情況如圖1所示。從表2中可以看出, 2000—2020年間3期RSEI均值分別為0.330、0.371、0.383, 呈逐漸上升趨勢(shì), 變化幅度分別為12.4%和3.2%, 說明2000—2010年柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量有較大幅度的改善, 2010—2020年保持良性發(fā)展。對(duì)生態(tài)指數(shù)起正面影響的綠度和濕度指標(biāo)呈上升的趨勢(shì), 均值分別從2000年的0.246、0.318上升到2020年的0.320、0.361, 增幅分別為30.1%和13.5%, 這是由于柴達(dá)木盆植被覆蓋和降水量增加所導(dǎo)致的; 對(duì)生態(tài)指數(shù)起負(fù)面影響的干度、鹽度和熱度指數(shù)有所下降, 均值由2000年的0.735、0.681、0.630下降到2020年的0.721、0.661、0.587, 減幅為1.90%、2.9%、6.8%, 表明該盆地荒漠化地區(qū)的地表裸露程度有所降低, 而地表溫度隨著綠地和湖泊面積的擴(kuò)大呈下降趨勢(shì)。

表2 柴達(dá)木盆地各年份5個(gè)指標(biāo)和遙感生態(tài)指數(shù)均值變化

3.3 柴達(dá)木生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體評(píng)價(jià)

通過上述5個(gè)指標(biāo)計(jì)算出RSEI,為了方便指標(biāo)的度量, 將歸一化后的RSEI以0.2為間隔劃分5個(gè)等級(jí), 分別對(duì)應(yīng)差、較差、中、良和優(yōu)(圖2), 得到3期生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)空間分布, 并對(duì)各等級(jí)的面積和所占比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表3), 以此來分析盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空演變。表3顯示, 柴達(dá)木盆地各年份1/2以上的地區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量處于差和較差的水平, 表明柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較差, RSEI中等以下等級(jí)所占比例之在各年份分別為82.9%、76.5%、74.3%, 呈逐漸下降趨, 良以上等級(jí)所占比例在各年份為別為17.1%、23.5%、25.7%, 呈逐漸上升趨, 說明柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)逐年變好的趨勢(shì)。

從空間分布上看, 柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較為脆弱, 且區(qū)域差異明顯, 呈現(xiàn)東南優(yōu)西北差的分布格局, 由東南向西北環(huán)狀遞減, 盆地內(nèi)部以鹽堿地、沙漠和戈壁為主, 氣候干燥, 植被稀少, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差, 盆地南部和東北部的山地植被覆蓋度較高, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好, 盆地中部沖洪擊扇前緣的綠洲具有良好的水源, 生態(tài)環(huán)境優(yōu)于盆地內(nèi)的其他區(qū)域。但就整體上來看, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量以差為主, 生態(tài)較差和中等的區(qū)域次之, 生態(tài)等級(jí)為優(yōu)良的區(qū)域較少。

3.4 柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時(shí)空變化

為了分析柴達(dá)木盆地近20年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空差異變化, 基于RSEI指數(shù)對(duì)柴達(dá)木盆地2000年、2010年和2020年生態(tài)指數(shù)進(jìn)行比較, 從生態(tài)質(zhì)量變好、不變、退化三個(gè)層面進(jìn)行劃分, 得到表4和圖3。2000—2010年間柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積為63031.85 km2, 占總面積的26.4%, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差區(qū)域的面積為15331.72 km2, 占總面積的6.42%, 生態(tài)環(huán)境變好的地區(qū)主要分布在盆地周圍高山地區(qū), 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的地區(qū)主要分布在盆地中部的綠洲核心區(qū)。2010—2020年間柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積為23064.18 km2, 占總面積的9.66%, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差的區(qū)域面積為23653.92 km2, 占總面積的9.91%, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的地區(qū)主要分布在綠洲核心區(qū), 生態(tài)質(zhì)量變差的地區(qū)主要分布在盆地南部的山地。

圖1 柴達(dá)木盆地各年份5個(gè)生態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)空間分布

Figure 1 Spatial distribution of five ecological evaluation indicators in each year in Qaidam Basin

表3 2000年到2020年柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量面積變化

注: Ⅰ.差; Ⅱ.較差; Ⅲ.中等; Ⅳ.良; Ⅴ.優(yōu)。

Figure 2 Spatial patterns of Qaidam Basin leveled by RSEI from 2000 to 2020

總的來看, 2000—2020年間, 柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域面積為57248.93 km2, 占總面積的23.97%, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變差區(qū)域的面積為13884.59 km2, 占總面積的5.81%, 圖3顯示柴達(dá)木盆地內(nèi)部的荒漠和鹽堿地等生態(tài)質(zhì)量總體保持不變, 而周圍山地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化程度明顯高于內(nèi)部地區(qū), 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的地區(qū)主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地(包括吐爾根達(dá)坂山, 柴達(dá)木山, 宗務(wù)隆山, 阿爾漢布達(dá)山, 北鄂拉山, 阿祁漫塔格山等); 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量退化的地區(qū)主要分布在柴達(dá)木盆地南側(cè)的昆侖山, 以及盆地內(nèi)部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區(qū)。

表4 柴達(dá)木盆地生態(tài)等級(jí)和面積比例的變化

圖3 2000—2020年柴達(dá)木盆地RSEI變化

Figure 3 RSEI changes of the Qaidam Basin from 2000 to 2020

4 討論

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的代表性分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)該具體取決于評(píng)價(jià)的對(duì)象及區(qū)域特點(diǎn)等因素, 如徐涵秋等[8]對(duì)廈門島進(jìn)行生態(tài)效應(yīng)分析時(shí)使用的新型RSEI, 將原RSEI中的土壤指數(shù)用建筑指數(shù)進(jìn)行了替換。本文在繼承RSEI基于遙感優(yōu)勢(shì)的同時(shí), 結(jié)合柴達(dá)木盆地干旱荒漠區(qū)的自然條件, 從綠洲和荒漠的角度出發(fā), 以綠度和濕度作為干旱區(qū)生態(tài)質(zhì)量的主要決定因素, 以干度、熱度和鹽度作為代表干旱區(qū)生態(tài)脆弱性的主要特征, 其中鹽度指標(biāo)突出了柴達(dá)木盆地鹽漬化現(xiàn)象普遍的區(qū)域特征。在上述基礎(chǔ)上利用遙感數(shù)據(jù)構(gòu)建的遙感生態(tài)指標(biāo), 對(duì)柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境在宏觀層面上進(jìn)行了評(píng)價(jià), 對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量可視化。

4.2 柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化驅(qū)動(dòng)力分析

1)影響柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境變化的自然因素

在柴達(dá)木盆地人類活動(dòng)整體較弱的情況下, 氣溫和降水是影響其生態(tài)的主要因素。柴達(dá)木盆地作為青藏高原氣候變化敏感的區(qū)域, 受全球氣候變暖的影響, 氣溫和降水自1961—2017年顯著增強(qiáng), 總體呈現(xiàn)暖濕化趨勢(shì)[4](圖4), 導(dǎo)致了在該時(shí)期柴達(dá)木盆地生態(tài)質(zhì)量總體呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)。同時(shí)受蒙古高壓和大陸熱低壓影響, 盆地內(nèi)氣候干燥, 降水自東至西逐漸減少, 變濕趨勢(shì)存在明顯的空間差異, 西部地區(qū)日照充足風(fēng)速較大, 東部則受微弱的東南季風(fēng)影響, 更為濕潤(rùn)[4], 這與本研究中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好的的地區(qū)主要分布于東部相符合。

RESI的變化實(shí)質(zhì)是對(duì)土地覆被信息變化的一種響應(yīng), 后者的變化主要包括同一地物的類內(nèi)程度變化和不同地物的類間轉(zhuǎn)換兩種情況。徐國(guó)印等[22]基于歐空局的ESA-CCI-LC產(chǎn)品, 對(duì)柴達(dá)木盆地2000—2015年的土地覆被變化情況進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià), 其研究指出柴達(dá)木盆地的土地覆被類型主要為未利用地和草地, 兩者約占盆地總面積的96%以上, 其中草地主要分布在盆地的東南部, 該地區(qū)的植被受暖濕化影響, 在近20年中出現(xiàn)了明顯增強(qiáng), 導(dǎo)致這一地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量顯著提升; 同時(shí)其研究表示盆地內(nèi)的土地覆被變化情況總體穩(wěn)定, 主要表現(xiàn)為盆地西南和祁連山區(qū)的未利用地轉(zhuǎn)換為草地[22], 與本文中其他生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善的區(qū)域基本一致。

圖4 柴達(dá)木盆地氣溫、降水年際變化

Figure 4 Annual change of temperature and precipitation in Qaidam Basin from 1961 to 2017

盆地南部地區(qū)從2000—2020年生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)先變好后變差的趨勢(shì), 這可能是因?yàn)?000—2010年隨著全球氣候變暖, 導(dǎo)致冰川消融[23-24], 地表水量補(bǔ)給增多, 山區(qū)的植被覆蓋度增加, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)改善。2010年后冰蓋面積減少, 冰川的消融速度減慢, 地表水量補(bǔ)給也隨之減小, 土地的裸露的狀態(tài)增加。同時(shí)冰川消融導(dǎo)致雪線遷移, 使原來永久性凍轉(zhuǎn)變成為季節(jié)性凍土, 其季節(jié)性的消融加劇了盆地南部的凍融侵蝕, 使得植被退化, 導(dǎo)致了區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量惡化。徐浩杰等[25]以MODIS NDVI數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 對(duì)柴達(dá)木盆地2001—2010年的植被時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究, 其得出的植被改善及退化區(qū)域與本研究中的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化區(qū)基本一致。雖然該研究與本文在時(shí)間上存在一定差異, 但也一定程度上表明植被是這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化的主要影響因素。

2) 影響柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境變化的人為因素

盆地內(nèi)主要的人口聚集區(qū)——都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)先變差后變好的趨勢(shì), 杜玉娥等[26]表示這主要是因?yàn)?008年以前主要以春小麥等糧食作物為主, 2008年后開始種植枸杞, 覆蓋度明顯比糧食作物低, 所以植被NDVI大幅度降低, 后期隨著枸杞長(zhǎng)大和面積的擴(kuò)張, 其覆蓋度也隨之增大, 但其發(fā)育期的最大NDVI 仍明顯小于糧食作物。同時(shí)青海省于2007年提出了“生態(tài)立省”, 防沙治沙工作開始有了較大起色, 這也導(dǎo)致了2010—2020年間盆地中的綠洲核心區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境質(zhì)量出現(xiàn)了一定的改善。

5 結(jié)論

1)由5個(gè)生態(tài)遙感指數(shù)構(gòu)建的RSEI能夠較好地反映柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況及其時(shí)空差異。其中, 綠度和濕度對(duì)RSEI指數(shù)起正相關(guān)作用, 干度、鹽度和熱度起負(fù)相關(guān)作用。植被指數(shù)和濕度呈上升趨勢(shì), 干度、鹽度和熱度有所下降。

2)柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體較差, 且較為脆弱, 區(qū)域差異明顯, 在空間上呈現(xiàn)由西北向東南半環(huán)狀改善的分布格局。盆地內(nèi)部以鹽堿地、沙漠和戈壁為主, 氣候干燥, 植被稀少, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差, 盆地東部、南部和東北部的山地植被覆蓋度較高, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較好, 中部沖洪擊扇前緣的綠洲具有良好的水源, 生態(tài)環(huán)境優(yōu)于盆地內(nèi)的其他區(qū)域。

3)2000—2020年間, RSEI由0.330上升到2020年的0.383, 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)整體變好的趨勢(shì), 20年間研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變好的區(qū)域占總面積的23.97%, 變差的區(qū)域面積為占總面積的5.81%。柴達(dá)木盆地周圍山區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化程度明顯高于盆地內(nèi)部, 內(nèi)部的生態(tài)質(zhì)量總體保持不變, 改善的地區(qū)主要分布在盆地東部、東北部和西部的山地, 生態(tài)環(huán)境惡化的地區(qū)主要分布在柴達(dá)木盆地南側(cè)的昆侖山, 以及盆地內(nèi)部的都蘭—諾木洪—格爾木—烏圖美仁一線沖洪擊扇前緣的綠洲核心區(qū)。

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Remote sensing monitoring of ecological environment quality in Qaidam Basin under the background of climate warming

Li Qianlin1, Sha Zhanjiang1,2,3,4,*

1. College of Geographical Sciences, Qinghai Normal University, Xining, 810008, China 2. Qinghai Province Key Laboratory of Physical Geography and Environmental Process, Xining, 810008, China 3. MOE Key Laboratory of Tibetan Plateau Land Surface Processes and Ecological Conservation, Xining, 810008, China 4. Academy of Plateau Science and Sustainability, Xining, 810008, China

Qaidam Basin is a typical alpine desert area withfragile ecological environment. It is of great significance to quickly and comprehensively understand the changes of ecological environment quality under the background of climate warming.In this study, five ecological indexes including greenness, wetness, dryness, heat and salinity were extractedfrom the Landsat TM/OLI datain 2000, 2010 and 2020. On the basis of principal component analysis, the evaluation method for the ecological environment quality of Qaidam Basin was proposed, and its spatio-temporal variation was discussed.The results show that:(1) The overall ecological environment quality of the Qaidam Basin was relatively fragile, and the regional differences were obvious, showing the spatial distribution pattern of the southeast-superior and the northwest-poor, with decreasing from southeast to northwest.(2) From 2000 to 2020, the overall ecological quality of Qaidam Basin showed an improvementtrend, with the average of remote sensing ecological index increasing from 0.330 in 2000 to 0.383 in 2020. (3) The proportion of areas with the improved and degraded ecological environment was 15.46% and 5.03% respectively. The improved areas were mainly distributed in the eastern,northeastern and western mountainous areas. The degraded areas were mainly distributed in the Kunlun Mountains located in the south side of the basin and the oasis core areas of the front of the alluvial flood fan along Dulan-Nuomuhong-Golmud-Utumeri in the basin. There was no significant change in the ecological environment quality of the desert Gobi and the saline-alkali land in the basin.

ecological environment quality;remote sensing ecological index;principal component analysis;Qaidam Basin

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.06.011

X87

A

1008-8873(2022)06-092-08

2020-10-02;

2020-11-10基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2019QZKK030606); 青海省科技廳重大科技專項(xiàng)(2019-SF-A12)

李倩琳(1994—), 女, 青海西寧人, 碩士, 研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感與地理信息系統(tǒng), E-mail: 2727682372@qq.com

通信作者:沙占江(1971—), 男, 青海西寧人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 主要從事高原現(xiàn)狀、變化及過程研究, E-mail: sazhanjiang@sina.com

李倩琳, 沙占江. 氣候變暖背景下柴達(dá)木盆地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量遙感監(jiān)測(cè)[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(6): 92–99.

Li Qianlin, Sha Zhanjiang. Remote sensing monitoring of ecological environment quality in Qaidam Basin under the background of climate warming[J]. Ecological Science, 2022, 41(6): 92–99.