新疆地区土地利用变化及其对生态环境质量的影响

　　摘要：以新疆地区2000—2020年 MODIS地表温度、地表反射、植被指数遥感数据产品与2000、2005、2010、2020年土地利用数据为基础，采用 GoogleEarthEngine(GEE)遥感云平台和遥感生态指数(RSEI)模型方法，研究了2000—2020年人类活动对新疆地区生态环境质量的影响，以期为协调我国西北干旱区人类活动与生态环境保护提供参考依据。结果表明：2000—2020年新疆地区土地以未利用地、草地为主，分别占区域总面积的59.32%、28.81%。研究时 段 内 耕 地 面 积 增 量 最 大，达3.09万km2;建 设 用 地 面 积 增 幅 最 大，达118.18%。2000—2020 年新疆地区生态环境质量整体偏低并呈微弱下降趋势，可 分 为2000—2010年快速下降阶段和2010—2020年的缓慢上升阶段，主要原因与前一时段林地和水体大面积转为耕地有关。新疆地区生态环境质量提升区域主要分布在天山北坡经济带，下降区主要分布在塔克拉玛干沙漠南部、准噶尔盆地与新疆东部。新疆地区土地利用变化对生态环境质量影响显著，主要表现为耕地面积增加促使生态环境质量提升，而未利用地和建设用地增加，导致生态环境质量下降。综上所述，新疆地区耕地增加能够有力促进生态环境质量提升，但应选择未利用地进行耕地开发，严格限制占用水体、林地的耕地开发行为。

　　关键词：耕地变化;遥感生态指数;生态环境质量;MODIS遥感数据产品;新疆

　　土地利用变化及其生态环境效应研究一直是土地科学、地理学等学科关注的热点问题[1]。土地利用变化研究相对较为成熟，已从结构研究转向功能研究，以及生态环境效应的研究。由于土地利用与人类活动关系密切，可作为人类活动的替代指标反映人地关系的变化过程，开展土地利用及其生态环境效应的评价研究对于科学协调人-地关系具 有 重 要 理 论 与 实 践 意 义。新 疆 地 区生态环境脆弱，也是对全球气候变化响应敏感地区，气候变化与人类活动共同作用于该区域的生态环境变化过程[2-4]。开展新疆地区土地利用变化对生态环境质量影响研究，可为协调我国西北干旱区人类活动与生态环境保护提供参考依据。国内外学者利用遥感技术在生态环境质量评价方 面 进 行 了 大 量 研 究[5-7]。单一生态指数或2种指数构建 模 型 的 研 究 方 法，已 无 法 满 足 复 杂生态系统多方面质量评价要求。

　　因此，多指标分析成为区域生态环境质量评价的重要方法和热点研究内容。遥 感 生 态 指 数(RSEI)是 徐 涵 秋[8]在2013年提出的新型生态环境质量评价方法，该方法利用绿 度(NDVI)、湿 度(Wet)、热 度(LST)和干度(NDSI)4种 生 态 指 标，更 加 全 面、客 观 的 反映与评价区域生态环境质量，表征区域生态环境质量提升与 下 降 空 间 格 局，但 由 于 RSEI指 标 所需数据量较大，计算相对复杂，导致其目前仅在小区域生态环 境 质 量 评 价 中 应 用 较 多[9-11]，而 大 范围的研 究 较 少[12-14]。

　　目 前，国 内 学 者 利 用 RSEI已经开展了新疆地区部分区域的研究工作，如开展的新疆地区绿洲、城市与流域之间的环境质量评价，包括哈密绿洲、玛纳斯湖湿地、克拉玛依市生态 环 境 质 量 评 价[15-17]。已 有 研 究 成 果 表 明，RSEI指数能够客观反映和科学评价干旱区内绿洲、流域、城市生态环境质量及其时空变化。由于新疆地区地域广阔，需要数据量较大，运用 RSEI指数对新疆地区整体生态环境质量评价的研究较少。新疆地区具有复杂的“绿洲-山地-荒漠-盆地”生态系统，对气候变化和人类活动极为敏感。目前开展新疆地区土地利用变化对生态环境质量影响研究较少，仅对部分境内流域开展了相关研究工作。因此，该 研 究 以 新 疆 地 区 MODIS遥 感 数据产品和土地利用数据为基础，借助 GEE遥感云平台计算 RSEI，分析研究区土地利用和 RSEI反映的生态环境质量变化过程及土地利用变化对生态环境质量的影响，以期为新疆地区生态环境保护和高质量发展提供参考依据。

　　1 材料与方法

　　1.1 研究地概况

　　新疆维吾尔自治区位于中国西北部，地 处 北纬34°25′～49°10′，东 经73°40′～96°23′，总 面 积约为166.49万km2。南起昆仑山脉，北至阿尔泰山脉，中部为天山山脉，是中国内陆面积最大的自治区。新 疆 地 区 属 温 带 大 陆 性 气 候，日 照时间长、早晚温差 大，冬 季 干 冷 漫 长，夏 季 干 燥少雨;由南至北多年平均气温由14 ℃降至-4 ℃以下、多年平均降水量由 50 mm 升 至 200 mm 以上;境内河流多为内陆河，主要有塔里木河、伊犁河等;此外，该区域湖泊众多，主要有博斯腾湖、艾比湖、赛里木湖等。新疆地区植被类型多样，包括针叶林、阔叶林、灌丛、沙漠、草原、草甸、高山植被等，其中以草原植被覆盖面积最广，占 总 面 积 的28%以上。“十二五”以来，新疆地区加强农业现代化改进，耕地扩张逐步由数量扩张向质量提升发展，耕地扩张方向的变化对区域生态环境质量影响受到广泛关注。

　　1.2 试验方法

　　1.2.1 数据来源与处理研究使用数据包括：

　　1)土地利用数 据。包 括2000、2005、2010、2015年 和2020年 共 5期 土 地利用数据。该 数 据 集 基 于 Landsat影 像，通 过 人工目视解译生成，分辨率为1km，在 土 地 利 用 变化对 RSEI影 响 的 分 析 中，将 其 重 采 样 为500 m分辨率。土地利用类型包括耕地、林地、草 地、水体、建设 用 地 和 未 利 用 地。

　　2)MODIS 遥 感 产 品数据。包括 MYD09A1500m 地表反射率8d产品、MOD13A1 500 m 植 被 指 数 16 d 产 品、MYD11A21km 地 表 温 度/发 射 率 8d 产 品。MODIS 轨 道 号 为 h24v04、h24v05、h23v05、h23v04。对 MODIS 遥 感 产 品 数 据 中 NDVI、Wet、与 NDSI指标采用最大值合成，LST 采用均值合成得到年值数据，并将 MYD11A2地表温度数据重采样为500m 供 分 析 使 用。

　　3)新 疆 地 区矢量边界数据。其中，1和3来源于中国科学院资源环 境 科 学 与 数 据 中 心 (www.resdc.cn)，2来源于 GEE 平台数据库提 供 的 MODIS数 据产品。

　　1.2.2 遥感生态指数(RSEI)计算为避免 水 体 对 RSEI计 算 结 果 的 影 响，计 算前首先采用 MNDWI水体指数剔除水体信息[8]，而后选用 绿 度(NDVI)、湿 度(Wet)、热 度(LST)和干 度 (NDSI)4 个 指 标 构 建 遥 感 生 态 指 数(RSEI)。

　　1.2.3 土地利用变化对生态环境质量影响分析

　　为了开展2000—2020年土地利用变化 对 生态环境质量影响研究，采用一元线性回归方法分析生态环境质量变化与各土地利用类型面积变化之间的关系，具体包括3个步骤。

　　1)划 分 生 态 环 境 质 量 等 级：根 据 计 算 得 到RSEI结果，将其 按0.2间 隔 划 分 为1(0～0.2)、2(0.2～0.4)、3(0.4～0.6)、4(0.6～0.8)、5(0.8～1.0)等级，分别 对 应 差、较 差、中 等、良 和优5个 级 别[18]。对 2020 年 和 2000 年 新 疆 地 区RSEI进行叠加 分 析，将2000—2020年 生 态 环 境质量等级升高的(2020年与2000年 RSEI等级差值为1、2)区域划分为提升区，将生态环境质量等级降 低 的(2020 年 与 2000 年 RSEI等 级 差 值 为-1、-2)区域划分为下降区，将等级未发 生 变 化的区域划分为不变区。

　　2)计算格网中土地利用类型变化面积和生态环境质量提升区和下降区所占比例：建立3km×3km格网，并将2020年和2000年土地利用数据格网化，而后进行叠加分析，统计每个格网中土地利用类型变化面积占格网面积的比例值，以及统计每个格网中生态环境质量提升区、下降区所占比例。

　　3)一元线性回归分析：分别统计每个格网中生态环境质量提升区、下降区中各土地利用类型变化面积占比。以格网中生态环境质量提升区和下降区面积比例为因变量，以格网中提升区、下降区所对应的各土地利用类型面积变化量占格网的比例为自变量，分别建立一元线性回归模型。用于分析土地利用类型面积变化对生态环境质量变化影响的定量关系。

　　1.3 数据分析采 用 GEE 数 据 平 台 进 行 遥 感 生 态 指 数(RSEI)计 算。 采 用 ArcGIS 10.2 软 件 对RSEI，土地利用数据进行特征分析及制图展示。采 用 SPSS23.0 软件对生态环境质量与土地变化进行相关性分析。并 采 用 Excel2019软 件 制 表 对 各 年 RSEI均值和土地利用变化进行 相 关 分 析。

　　2 结果与分析

　　2.1 土地利用时空变化新 疆 地 区 土 地 以 未 利 用 地 与 草 地 为 主，2020年 分 别 占 区 域 总 面 积 的 59.32% 和28.81%。

　　2000—2020年新疆地区耕地面积增加量最大，达 到 3.09 万 km2，其 中，2000—2010 年增加量 为 2.13 万 km2，2010—2020 年 增 加 量 为9600km2;建 设 用 地 面 积 增 幅 最 高，达118.18%，其 中 2000—2010 年 增 幅 为 81.82%，2010—2020年 为 20.00% 。可 见，2000—2010年是新疆地区耕地和建设用地大面积和大幅度扩张时期，之后耕地增加量和建设用地增幅有所放缓，可能与我国2000年西部大开发政策实施及新疆 经 济 快 速 发 展 有 关。2000—2020 年 耕地增加区域主要分布在天山山脉北坡和塔里木盆地北 部、西 部 和 西 南 部 。

　　分 阶 段 来 看，2000—2010年，受农业开发技术水平限制，耕 地增加主要 分 布 在 天 山 山 脉 北 部 和 塔 里 木 盆 地 北部，呈零散分布，该区域湿地较多，水资源充足，便于耕地开垦。期间耕地面积增加主要是草地、水体、林地和未利用地的转入导致，其中水体和林地占转入面积的32.48%;2010—2020年，耕地增加主要分布在天山山脉北部、西部和塔里盆地北部、西部和西南部，分布相对较为集中。期间耕地面积增加主要是草地、未利用地、林地和水体的转入导致，其 中 林 地 和 水 体 占 转 入 面 积 的4.41%，较2000—2010年下 降28.07%。新 疆 地 区“粮 食 保障为首位、城乡建设发展为目标、生态保育地控制为底线”的 政 策 背 景 下，生态农业大力发展促使2000—2010年和2010—2020年耕地转入类型中林地和水体的大面积下降，有力保护了区域生态环境，提升了生态环境质量。

　　2.2 生态环境质量时空格局

　　2.2.1 生态环境质量时间变化过程

　　新疆 地 区 生 态 环 境 质 量 整 体 偏 低，2000—2020年 RSEI均 值 在0.3～0.4。2000—2020年新疆地区 RSEI呈 不 显 著 线 性 下 降 趋 势，年 变 化速率为-0.002(P>0.05);以2010年为界，之前RSEI呈 显 著 下 降 趋 势，线性年变化速率为-0.025(P<0.05)，是 2000—2020 年 总 体 线 性变化速率的12.5倍，该时期 RSEI下降可能与林地、水体转 为 耕 地 有 关;之 后，RSEI呈 不 显 著 上升趋势，线性年变化速率为0.003，略高于2000—2020年总体变化速率，该时段新疆地区耕地面积增量下降，并且林地和水体转为耕地的比例显 著 下 降，未利用地转为耕地面积大幅提升。可见，2000—2020年新疆地区生态环境质量整体略微下降，但 下 降 主 要 发 生 在2000—2010年间，2010年后，生态环境质量逐步改善，呈上升趋势。这一变化过程与新疆地区2000年初期对耕地的无序 开 发 和 2010 年 之 后 科 学 规 划、有 序 开 发有关。

　　2.2.2 生态环境质量空间变化过程

　　新疆地区生态环境质量以差和较差为主，占区域总面积 的60%，主要分布在塔里木盆地、吐鲁番盆地和准噶尔盆地，与盆地地貌区地表温度较高有关;生态环境质量优和良的区域集中分布天山山脉北坡、阿尔泰山脉南部等主要人类活动区域。

　　根 据 2000 年 和 2020 年 RSEI等 级 变 化 幅度，将新疆地区生态环境质量变化区域划分为提升区、下降区和不变区。2000—2020年提升区总面积为71922.72km2，占区域总面积的4.32%，主要分布在天山山脉南北部、昆仑山脉北部及新疆 西 部，其 中 2010—2020 年 提 升 区 面 积 较2000—2010年有所 提 升，占 比 提 高3.42%，主 要分布在新疆西部、天山山脉南部。

　　2000—2020年下降区面积为490920.22km2，占区域总面积的29.50%，主要分布在塔克拉玛干 沙 漠 南 部、准 噶尔盆地与新疆东部，其中2010—2020年下降区面积较2000—2010年降幅较大，占比下降7.92%，主要分布在昆仑山脉北部、新疆东部。总体上看，2000—2020年新疆地区生态环境质量较低，生态环境质量以下降为主，下降区面积是提升区面积的6.82倍。但从变化过程可以看出，新疆 地 区 生 态 环 境 质 量 正 在 逐 步 改 善，2010—2020年较2000—2010年生态环境质量提升区面积占比逐步增高，下降区面积占比逐步降低。这一转变可能与新疆地区2010年左右实施的生态农业发展和生态环境保护政策有关。

　　2.3 土地利用变化对生态环境质量的影响

　　根据土地利用变化对生态环境质量影响分析方法，分别建立提升区和下降区占格网的比例与不同土地利用类型变化面积占格网比例的一元线性回归方程。提升区中，2000—2020年新疆地区生态环境质量变化与耕地和草地面积变化呈显著正相关，系数 分 别 为 1.395(P <0.05)和 0.848(P <0.05)，反映出生态环境质量随耕地和草地面积的增加，呈 提 升 态 势。 耕 地 和 草 地 面 积 每 增 加10%，新疆地区生态环境质量提升区面积增加13.95%和8.48%，表明相对草地而言，耕地对新疆地区生态环境质量提升更具重要性。

　　分 时 段看，2000—2010年和2010—2020年，新疆地区生态环境质量变化也主要与耕地和草地面积提升有关，但系数在2个阶段存在较大差异，耕地与生态环境变化的系数变小，而草地与生态环境质量的系数增大，反映出耕地对新疆生态环境质量的影响可能逐步缩小，而草地对生态环境质量的影响逐步提升。可能与耕地开发面积增加，引起地表水或地下水耗水量增大，导致区域内水资源短缺，从而影响生态环境质量有关。

　　下降区中，2000—2020年新疆地区生态环境质量变化与未利用地、草地与建设用地面积变化呈显 著 正 相 关，系 数 分 别 为 0.758(P<0.05)、0.618(P<0.05)与0.105(P<0.05)，反 映 出 生态环境质量随未利用地、草地与建设用地面积的增加而下降。未利用地、草地与建设用地面积每增加10%，生态环境质量下降区面积分别增加7.58%、6.18%与1.05%，表明未利用地相对于草地与建设用地而言，对新疆地区生态环境质量更具有影响力。

　　分时段来看，2000—2010年新疆地区生态环境质量下降主要与未利用地、建设用面积增 加 地 有 关，2010—2020 年主要与未利用地、草地和建设用地有关。2个阶段中，生态环境质量与未利用地、建设用地的回归系数变小，草地成为仅次于未利用地的导致生态环境质量下降的地类。新 疆 地区草地对生态环境质量变化具有双向作用，草地面积增 加 10%，生态环境质量提升区面积增加8.48%，而下降区面积增加6.18%。但草地增加对生态环 境 质 量 的 影 响 具 有 明 显 的 空 间 分 异 特征，阿尔泰山南部草地面积增加对生态环境的提升起促进作用，但在昆仑山脉区域，草地面积增加导致生态环境质量下降，其原因有待进一步研究。

　　3 讨论

　　受全球气候变暖影响，中国西北干旱 区 气 候呈暖湿化趋势，新疆地区1997年之前气候以暖湿化为主，之后出现了“湿干转折”现象[19-20]。该 研究时段2000—2020年属于 新 疆 地 区 气 候 由 湿 转干阶段，而农业生产、生态环境改善等均需要相应水资源的支撑。新疆属于干旱区，水资源分配直接影响区域生态环境质量变化，新疆地区核心区域位于天山北坡经济带，人为调控促使水资源倾向于经济发展与农业。已有研究表明，人类活动、农业生产、经济水平等对生态环境变化具有重要影响[21-22]。

　　2000年以来，新疆地区城市范围不断扩大，已由2000年的4400km2 增长至2020年的9600km2，其中包括修筑的大型水利工程。由于水利工程对地形要求较高，大多分布在山地或河流区域，导致山地林、草土地利用类型向耕地和建设用地转移[23]。该研究认为，2000—2010年新疆地区生态环境质量下降区内部分耕地增加占用湿地、林地，导致生态环境质量下降。

　　2010—2020年，耕地开垦主要占用未利用地和草地，促使生态环境质量不断提升，逐渐形成了“以人为中心”的生态环境改善特征。反映出在土地利用变化中，耕地与草地的增加可以提升新疆地区整体生态环境质量，但由水体、林地转变为的耕地，将会导致生态环境质量下降;而未利用地、草地转变为的耕地将会促进生态环境质量提升。因此，与我国东南部等雨水充足地区相比，新疆地区人为生态治理是改善环境的主要手段。耕地种植不仅可以提升区域植被覆盖水平，还将间接集中水资源，促进以农业为主导产业的经济发展带动生态环境的改善，在发展经济的同时达到提升生态环境质量的目的。但耕地的扩张也不是无止境的，农业种植的增加也将引起水资源消耗加剧，相对于林地与水体，耕地对生态环境质量改善较弱，盲目和不加控制的将林地、水体转变为耕地将会导致生态环境质量的恶化。应优先开垦未利用地与草地，挑选耐旱型农作物品种，在保持水资源与土地资源平衡的基础上，逐步扩大耕地面 积，通过农业种植改善生态环境。

　　4 结论

　　该研究结果表明，2000—2020年新疆地区土地利用格局以未利用地与草地为主，共占区域总面积88.13%。土地利用变化中耕地面积增加量最大，达到3.09万km2;建设用地面积增幅最高，达118.18%。其中，2000—2010年耕地增加主要是 草 地、林 地、水 体 转 入 所 致，增 加 量 为2.13万km2;2010—2020年 主 要 是 草 地、未 利 用地、林地的转入，增加量为9600km2。

　　耕地增加区域主要分布在天山山脉北坡和塔里木盆地北部、西部和西南部。新疆地区2000—2020年生态环境质量 整 体偏低，RSEI均值在0.3～0.4之间，整体变化呈不显著线性下 降 趋 势，年 变 化 速 率 为-0.002(P>0.05)。其中，2000—2010年呈显著下降趋势，线性年变化速率为-0.025(P<0.05)，主要分布在新疆 西 部、天 山 山 脉 南 部;2010—2020年 呈 不 显著缓慢上升趋势。研究时段内生态环境质量提升区面积占比逐步增高，下降区面积占比逐步降低，生态环境质量正在逐步改善。新疆地区生态环境质量提升区与耕地和草地面积变化呈显著正相关，耕地和草地面积每增加10.00%，生 态 环 境 质 量 提 升 区 面 积 分 别 增 加13.95%和8.48%，耕地面积增加对生态环境质量提升作用强于草地。

　　生态环境质量下降区与未利用地和建设用地面积变化有关，未利用地和建设用 地 面 积 每 增 加10.00%，生 态 环 境 质 量 下 降区面积分别增加7.58%与1.05%，表明未利用地扩大导致新疆地区生态环境质量下降作用明显。新疆地区2000—2010年生态环境质量下降，主 要 与 林 地、水 体 大 面 积 转 为 耕 地 有 关，而2010—2020年生态环境质量提升，与未利用地大面积转为耕地、林地和水体转为耕地面积大幅下降有关。该研究认为新疆地区耕地开发应主要在未利用地实施，在增加耕地面积的同时能够促进生态环境质量提升。反之，占用林地、水体的耕地开发导致生态环境质量下降，不可持续。

　　参考文献

　　[1] ZHANG C，HE H，MOKHTAR A.TheimpactofclimatechangeandhumanactivityonspatiotemporalpatternsofmultiplecroppingindexinSouth WestChina[J].Sustainability，2019，11(19)：1-21.

　　[2] 李华林，白林燕，冯建中，等.新疆叶尔羌河流域胡杨林时空格局特征[J].生态学报，2019，39(14)：5080-5094.

　　[3] DUZQ，ZHAOJ，PAN H H，etal.ResponsesofvegetationactivitytothedaytimeandnighttimewarminginNorthwestChi-na[J].Environmental Monitoringand Assessment，2019，191(12)：1100-1109.

　　[4] 王永静，宋风娇.玛纳斯河流域土地利用时空演变及对生态系统服务价值的影响[J].生态经济，2021，37(7)：161-168.

　　[5] GUILHERMET，SUN L，CHEN R，etal.AssessingthepotentialofusinghighspatialresolutiondailyNDVI-time-seriesfromplanetcubesatimagesforcropmonitoring[J].InternationalJournalofRemoteSensing，2021，42(18)：7114-7142.

　　[6] 陆文涛，尹彩春，张扬，等.基于“三线一单”指标体系的生态承载力与产业布局一致性评价[J].北京大学学报(自然科学版)，2021，57(4)：749-755.

　　[7] LEONARDO V，LOUISE W，LARS H.Assessingtheca-pacityofecosystemstosupplyecosystemservicesusingremotesensingandanecosystemaccountingapproach[J].EnvironmentalManagement，2019，63(1)：1-15.

　　[8] 徐涵秋.城市遥感生态指数的创建及其应用[J].生态学报，2013，33(24)：7853-7862.

　　作者：李 朋 轩1，杨 永 崇1，王 涛1，赵 刚2，杨 梅 焕1