环境科学  2024, Vol. 45 Issue (12): 6899-6909   PDF    
引用本文
叶博文, 孙标, 史小红, 赵云靓, 庞嘉琪, 郭玉颖, 姚卫泽. 巴彦淖尔市土地利用变化及其对生态环境质量的影响[J]. 环境科学, 2024, 45(12): 6899-6909.
YE Bo-wen, SUN Biao, SHI Xiao-hong, ZHAO Yun-liang, PANG Jia-qi, GUO Yu-ying, YAO Wei-ze. Land Use Changes and Its Impact on Ecological Environment Quality in Bayannur City[J]. Environmental Science, 2024, 45(12): 6899-6909.
巴彦淖尔市土地利用变化及其对生态环境质量的影响
叶博文1, 孙标1,2,3, 史小红1,2,3, 赵云靓1, 庞嘉琪1, 郭玉颖1, 姚卫泽1     
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018;
2. 内蒙古自治区水资源保护与利用自治区重点实验室，呼和浩特 010018;
3. 内蒙古乌梁素海湿地生态系统国家定位观测研究站，巴彦淖尔 014404
收稿日期: 2023-12-13; 修订日期: 2024-02-28
基金项目: 内蒙古重点研发和成果转化计划项目（2023YFDZ0022）；国家自然科学基金项目（52060022）；国家自然科学基金地区科学基金项目（52260028, 52369014）
作者简介: 叶博文（1998~）, 男, 硕士研究生, 主要研究方向为资源环境遥感, E-mail：albertwein@emails.imau.edu.cn
通信作者: 孙标, E-mail：sunbiao@imau.edu.cn
摘要: 巴彦淖尔地区作为我国北方重要的生态屏障, 监测与评价其生境质量动态变化及其与土地利用变化的关系, 对维护地区生态平衡和物种多样性具有至关重要的作用. 基于GEE平台调用多期遥感影像耦合构建遥感生态指数（RSEI）, 分析2000~2022年巴彦淖尔市生境质量变化并探究其与土地利用变化的关系. 结果表明：①2000~2022年, 巴彦淖尔生境质量虽有缓慢提升但整体较差, 年变化速率为0.000 8 a-1（P > 0.05）, 呈不显著上升趋势, 且南部生境质量明显高于北部地区；②巴彦淖尔地类变化主要发生在乌拉特中旗和乌拉特后旗, 草地面积变化最大, 其次为荒地和耕地；③2000~2010年, 研究区生境质量上升主要与其他地类转为耕地以及荒地和部分耕地转化为草地有关, 而2010~2022年, 生境质量下降与草地面积萎缩, 大面积转为荒地有关；④草地对生境质量上升区和下降区的影响最大, 草地面积每增加10%, 上升区面积相应增加6.33%, 下降区面积减少4.58%. 研究可为干旱半干旱区城市土地格局优化、生态环境治理以及生态文明城市建设提供科学依据.
关键词: 生态环境质量      MODIS遥感数据      遥感生态指数      土地利用变化      巴彦淖尔市     
Land Use Changes and Its Impact on Ecological Environment Quality in Bayannur City
YE Bo-wen1 , SUN Biao1,2,3 , SHI Xiao-hong1,2,3 , ZHAO Yun-liang1 , PANG Jia-qi1 , GUO Yu-ying1 , YAO Wei-ze1     
1. College of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;
2. Inner Mongolia Water Resource Protection and Utilization Key Laboratory, Hohhot 010018, China;
3. State Gauge and Research Station of Wetland Ecosystem, Wuliangsuhai Lake, Inner Mongolia, Bayannur 014404, China
Abstract: As an important ecological protective screen in northern China, monitoring and evaluating the dynamic changes in habitat quality and their relationship with land use changes in Bayannur played a notable role in maintaining regional ecological balance and species diversity. Based on the Google earth engine (GEE) platform, this study employed multi-period remote sensing image coupling to construct a remote sensing ecological index (RSEI), analyzed the changes in habitat quality in Bayannur City from 2000 to 2022, and explored its relationship with land use changes. The results showed that: ① From 2000 to 2022, although the habitat quality of Bayannur improved slowly, the overall quality was poor. The annual change rate was 0.000 8 a-1 (P > 0.05), showing an insignificant upward trend, and the habitat quality in the south was significantly higher than that in the north. ② The changes of land types in Bayannur mainly occurred in Urad Middle Banner and Urad Back Banner. The changes in grassland area were the largest, followed by those of wasteland and cultivated land. ③ From 2000 to 2010, the increase in habitat quality in the study area was mainly related to the conversion of other land types to cultivated land and the conversion of wasteland and some cultivated land to grassland. From 2010 to 2022, the decrease in habitat quality was related to the shrinkage of grassland areas and the conversion of large areas to wastelands. ④ Grassland had the greatest impact on the rising and falling areas of habitat quality. For every 10% increase in grassland area, the rising area increased by 6.33%, and the falling area decreased by 4.58%. The research could provide a scientific theoretical basis for urban land pattern optimization, ecological environment management, and ecological civilization city construction in arid and semi-arid areas.
Key words: ecological environment quality      MODIS remote sensing data      remote sensing ecological index      land use changes      Bayannur City     

土地利用变化是指土地特性自身变化以及在人类活动的作用下引起的土地覆被和土地利用方式的变化[1]. 而土地利用动态变化及其生态环境效应一直是地理学、环境科学等学科学者研究的热点话题[2]. 作为生态系统的重要载体, 土地利用变化会影响水文循环、碳循环以及物质能量的转换等生态过程, 最终引发生境质量的动态变化[3]. 巴彦淖尔市生境质量较为脆弱, 同时也是全球气候敏感地带, 气候变化和人类活动共同作用于该地区的生境变化过程[4]. 开展巴彦淖尔市土地利用对生境质量变化的影响研究, 可为我国西北干旱区生态环境保护提供科学理论依据.

目前, 关于生境质量评估研究的方法主要可以分为两类, 一类是利用遥感影像提取单一遥感指数对区域生境质量进行评价, 如叶面积指数（LAI）[5]、归一化植被指数（NDVI）[6]、增强型植被指数（EVI）[7]以及植被覆盖度（FVC）[8]等, 但是区域生态环境受气候和人类活动等多种因素的共同影响, 使用单一遥感指数难以全面而准确地评价生境质量[9]；另一类方法是利用综合评价体系, 如生态承载力[10]和耦合协调度模型[11]等, 但是这类方法的权重依赖专家打分和统计数据, 其受人为主观影响较大、存在部分统计数据难以获取的问题且难以实现空间可视化[12]. 作为一种新型生境质量评价方法, 遥感生态指数（RSEI）耦合绿度（NDVI）、湿度（WET）、干度（NDBSI）和热度（LST）这4种生态指标, 更加全面而客观地反映研究区生境质量时空分布状况[13]. 但由于RSEI指标计算所需数据量较大, 计算过程复杂, 导致目前的研究多集中在小区域生境质量评价[14 ~ 17], 大范围的研究较少, 此外, 局限于Landsat时间分辨率及影像质量的影响, 难以获取同一时期大尺度的影像, 而MODIS遥感影像具备时间分辨率高、大范围观测且易于获取等优势, 可以利用MODIS影像构建RSEI指数实现市级和省级等大尺度区域生境质量评价[18 ~ 20], 此外, ENVI等传统遥感软件在处理遥感数据时会占用大量本地空间且耗费时间, Google earth engine（GEE）以高效、快速和在线处理海量数据的优势为这一问题提供了解决方法[21].

巴彦淖尔市作为全国唯一集“山水林田湖草沙”于一体的生命共同体, 其复杂的生态环境系统对气候变化以及人类活动极为敏感. 为防止乌兰布和沙漠东扩以及建设良好的生态环境, 政府陆续实施退耕还林、退耕还草、京津风沙源治理等生态环境保护工程, 而目前鲜有关于生态工程实施后土地利用变化对生境质量影响的研究, 尽管也有一些相关研究, 如李鑫磊等[8]对影响河套灌区植被覆盖度的因素分析后发现, 区域含水量是影响该地区植被生长状况的主要驱动力, 但利用单一指标反映生境质量明显不足. 李尚志等[22]对河套灌区2010年、2016年以及2020年遥感生态指数进行研究后发现, 研究期间内生境质量呈上升趋势. 难以充分反映巴彦淖尔市生境演变的全貌, 且未量化生境质量对土地利用类型变化的响应关系. 因此, 本研究基于GEE平台, 调用近23 a巴彦淖尔市MODIS遥感数据, 提取绿度（NDVI）、热度（LST）、湿度（WET）和干度（NDBSI）生态指标耦合构建遥感生态指数（RSEI）, 旨在监测巴彦淖尔市近23 a的生境质量动态变化, 定量分析其时空变化规律及其与土地利用的定量关系, 以期为政府及相关部门提供理论依据和科学技术支持, 以制定更有效的生态环境保护政策.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

巴彦淖尔市作为我国北方重要的生态屏障, 位于内蒙古自治区西部, 北临蒙古国, 西部与阿拉善交界, 南靠乌海市和鄂尔多斯市, 东临包头市郊, 地处北纬40°13′~42°28′, 东经105°12′~109°53′之间（图 1）, 行政区包括乌拉特后旗、乌拉特中旗、乌拉特前旗、五原县、临河区、杭锦后旗和磴口县等6县1区, 全市总面积约为6.51×104 km2. DEM处于789~2 353 m, 地形特征复杂, 多以平原为主, 地势由南向北倾斜, 起伏较小, 日照时间长, 气候寒冷干燥, 多年平均气温为8.4℃, 多年平均降水量约为200 mm, 年蒸发量为2 032~3 179 mm, 属于典型的中温带大陆性季风气候[23, 24], 低降水和高蒸发导致巴彦淖尔市水资源较为匮乏[25, 26], 生境较为脆弱, 土地类型主要为草地和荒漠, 其中以草地植被覆盖面积最广, 占总面积的50%以上[27].

图 1 巴彦淖尔市概况示意 Fig. 1 Overview of Bayannur City

1.2 研究方法 1.2.1 数据来源与处理

中分辨率成像光谱仪MODIS具有大尺度、时间序列完整、覆盖范围广及方便获取等优点, 在大尺度生境质量监测与评估研究中应用较为广泛[28, 29]. 为保证各生态指标提取结果的准确性, 选取研究区7~8月云量小于5%的MODIS遥感影像进行耦合构建RSEI, 研究区植被的生长状况在该时段内基本一致. 在进行PCA分析之前, 需要对获取到的各期遥感影像进行预处理. 预处理步骤主要包括：影像去云、裁剪与镶嵌、水体掩膜、重分类、重采样、各生态指标计算以及RSEI指数的批量计算等. 将预处理后的数据统一转换为500 m × 500 m分辨率栅格数据. 研究区2000~2022年土地利用类型数据来源于CLCD全国土地覆盖数据集[30], 共划分为9种地类, 包括：耕地、林地、灌木、草地、水体、雪/冰、荒地、不透水面和湿地, 空间分辨率为30 m, 通过Google earth在2022年巴彦淖尔市的历史影像上随机抽样精度验证, 土地利用分类已通过Kappa检验, 且Kappa系数均在0.85以上；MODIS遥感影像数据（MOD13A1、MOD11A2及MOD09A1）来源于GEE平台（https://earthengine.google.com/）；高程（DEM）数据空间分辨率为30 m, 来源于地理空间数据云（https://www.gscloud.cn/）；巴彦淖尔市矢量边界来自国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn/）. 本研究中使用的地理坐标系为WGS_1984, 投影坐标系为WGS_1984_UTM_ZONE_48N.

1.2.2 遥感生态指数（RSEI）构建

本文基于GEE遥感处理云平台, 以中分辨率遥感影像（MODIS）为数据源, 通过计算提取绿度、湿度、干度以及热度指数, 并利用PCA耦合构建遥感生态指数（RSEI）. 其中, 归一化植被指数（NDVI）应用广泛, 可以有效反映区域内植被覆盖和植被生长状况[31], 因此, 可用NDVI表征绿度指标；湿度指标可以直观反映出植被和土壤中含水量的多少且与生境质量关系密切[32], 可用经过缨帽变换后得到的湿度分量（WET）表征；干度指标用表征建筑用地相关信息的IBI指数和裸土信息的SI指数的平均值表示, 可以反映地表的“干化”程度[31]；热度指标作为研究地表温度的关键指标, 与区域人类活动和气候变化关系密切, 可用大气校正法得到的地表温度指数（LST）表示[31, 33]. 各生态指标的计算公式及参数说明见表 1, 为消除各生态指标分量因量纲不同而造成的影响, 在进行PCA分析前后, 需要对各生态指标分量以及初始遥感生态指数（RSEI0）进行正向标准化处理, 使其值位于[0, 1]之间, 且值越接近于1, 则表明区域生境质量越好. 正向标准化公式如下：

(1)
表 1 MODIS遥感生态指数计算公式 Table 1 MODIS remote sensing ecological index calculation formula

式中, I表示正向标准化处理后的指标值, Ii表示对应指标在该像元处的值, Imax和Imin分别表示对应指标的最大值和最小值.

1.2.3 土地利用变化对生态环境质量影响分析

为进一步探究土地利用变化与生境质量之间的关系, 本文通过建立一元线性回归方程分析各种地类变化与生境质量升降之间的关系. 包括如下步骤：①将RSEI结果按等间隔划分为5个等级：差[0~0.2）、较差[0.2~0.4）、一般[0.4~0.6）、良好[0.6~0.8）和优秀[0.8~1]. ②利用差值分析将2000~2010、2010~2022以及2000~2022年生境质量等级划分为下降区（DRSEI < -0.02）, 不变区（-0.02≤DRSEI < 0.02）和上升区（DRSEI≥0.02）. ③建立5 km×5 km渔网网格, 并将2000年、2010年和2022年土地利用数据格网化, 通过ArcGIS 10.8的叠加分析统计每个渔网网格中土地利用类型变化面积占格网面积的比例值以及格网中生境质量上升区、下降区的占比. 以格网中生境质量上升区和下降区面积占比作为因变量, 以对应的各地类面积变化量占比作为自变量, 分别建立一元线性回归模型, 定量分析土地利用类型面积变化对生境质量变化影响的关系. 计算公式如下[34]：

(2)
(3)
(4)

式中, a表示各地类面积变化量占比的一元线性回归方程的斜率, i表示时间变量, bi表示第i年各种地类的面积变化量占比, n表示研究年份, n=23.

文中采用SPSS27.0软件中的Pearson相关性分析工具对生境质量与土地利用类型变化进行相关性分析, 采用t检验来检验相关系数的显著性, 将结果划分为极显著（P < 0.01）和显著（P < 0.05）两个等级. 其计算公式如下[35]：

(5)

式中，x表示生境质量变化区的均值，xi表示生境质量各变化区类型，i = 3；y表示各土地利用类型变化的均值，yi表示各地类变化值，i=9. r>0表示两者呈正相关，r＜0表示两者呈负相关. 绝对值越接近1，则相关性越强，越接近0，则相关性越弱.

(6)

式中, n表示时间序列周期, m表示自变量个数, r表示相关系数. t检验结果的显著性水平设为α = 0.05.

2 结果与分析 2.1 巴彦淖尔市RSEI合理性分析

从RSEI各指标主成分分析结果可以看出（表 2）, 近23 a来, 4项生态指标的平均贡献率为80.1%, 表明第一主成分（PC1）集成了生态环境的绝大部分生态特征信息, 因此可以使用耦合绿度、湿度、干度和热度指标的PC1构建RSEI. 绿度和湿度指标的特征值为正, 且与RSEI的相关关系均为正相关；干度和热度指标的特征值均为负, 二者与RSEI的相关关系始终为负, 这与该地区生境质量实际情况相符合, 表明RSEI适用于巴彦淖尔市生境质量评价. 此外, WET特征值的均值大于NDVI特征值的均值, LST特征值均值的绝对值大于NDBSI特征值均值的绝对值, 说明WET和LST对巴彦淖尔市生境质量具有较大的影响.

表 2 2000~2022年巴彦淖尔市遥感生态指数主成分分析结果 Table 2 Principal component analysis results of RSEI in Bayannur City from 2000 to 2022

2.2 巴彦淖尔市土地利用时空变化分析

巴彦淖尔市土地利用类型以草地、耕地和荒地为主, 2022年分别占区域总面积的42.76%、16.93%和37.95%. 2000~2022年巴彦淖尔市荒地增加面积最大, 达到2 482.59 km2, 其中, 2000~2010年增加量为-1 345.32 km2, 2010~2022年增加量为3 827.91 km2；2000~2022年, 林地和灌木面积增幅为105.65%, 不透水面为84.17%. 其中, 林地在2000~2010年增幅为69.83%, 2010~2022年为21.05%（表 3）. 可见, 2000~2010年是巴彦淖尔市耕地、草地、林地和灌木、以及不透水面大面积扩张时期, 耕地、草地、林地和灌木、以及不透水面面积分别增加551.38、490.09、68.08和230.13 km2. 2010~2022年, 耕地、林地和灌木、水体及湿地、荒地和不透水面面积进一步增加, 分别增加922.56、34.88、27.77、3 827.91和233.60 km2, 草地面积大幅度下降, 减少了5 034.74 km2, 可能与我国2000年西部大开发政策实施及巴彦淖尔市经济快速发展有关.

表 3 2000~2022年巴彦淖尔市土地利用类型面积变化及其占比 Table 3 Area changes and proportion of land use types in Bayannur City from 2000 to 2022

局限于农业技术发展条件, 2000~2022年的耕地增加区域主要集中分布在研究区南部的河套灌区（图 2）, 该区域水资源相比北部地区较为充足, 较多的河流水系为耕地开垦和灌溉提供了便利, 而林地、荒地、草地、不透水面和水体的转入又使得耕地面积增加, 其中, 2000~2010年, 水体及湿地、草地、林地和灌木占转入面积的11.11%, 不透水面和荒地占转入面积的0.45%；2010~2022年, 水体及湿地、草地、林地和灌木占转入面积的12.47%, 不透水面和荒地占转入面积的2.53%, 较2000~2010年分别上升1.36%和2.08%；巴彦淖尔市先后推进农田高标准建设、提升和改善耕地质量、节水控水、土壤地力提升等多项生态项目, 促使2000~2010年和2010~2022年转入为耕地类型中的林地、草地、水体及湿地呈现大面积下降趋势, 显著提升了该地区的生境质量, 有效实现了生态环境的保护和治理（图 3）.

图 2 各研究时段内土地利用类型面积增加区域空间分布 Fig. 2 Spatial distribution of land use type area increases in each study period

图 3 各研究时段内土地利用类型转移面积占比变化 Fig. 3 Changes in the proportion of land use type transfer area in each study period

2.3 巴彦淖尔市生态环境质量时空变化特征

巴彦淖尔市2000~2022年RSEI均值在0.26~0.40之间, 从2000年的0.309上升到2022年的0.347, 生境质量整体较差（图 4）. 2000~2022年巴彦淖尔市RSEI呈不显著线性上升趋势, 年变化速率为0.000 8 a-1（P > 0.05）；以2010年为界, 2000~2010年RSEI呈不显著上升趋势, 年均增长速率为0.005 a-1（P > 0.05）, 该时段内RSEI的上升可能与荒地转化为林地和草地有关；2010~2022年, RSEI呈不显著下降趋势, 年均增长速率为-0.003 a-1（P > 0.05）, 该时段内巴彦淖尔市草地面积减少, 耕地和荒地面积增加, 部分草地转化为荒地和不透水面. 可见, 2000~2022年巴彦淖尔市整体生境质量虽然略有上升, 但上升主要发生在2000~2010年期间, 2010~2022年生境质量缓慢退化, 呈下降趋势. 这一过程与巴彦淖尔市自2000年起对西部风沙源治理、抵御风沙入侵、退耕还林还草、合理开发利用耕地有关.

图 4 2000~2022年巴彦淖尔市RESI的时间变化过程 Fig. 4 Temporal change process of RESI in Bayannur City from 2000 to 2022

进一步分析RSEI各等级的空间分布和比例变化情况可以发现（图 5和图 6）, 巴彦淖尔市生境质量等级以差和较差为主, 2000年为77.27%, 2010年为80.15%, 2022年为75.32%, 占全市总面积的75%以上, 主要分布在乌拉特中旗、乌拉特后旗以及乌拉特前旗北部地区；生境质量优秀和良好等级的区域集中分布在南部的临河区、杭锦后旗、五原县以及乌拉特前旗等主要人类活动地区, 与此同时, 2022年优秀和良好等级的比例高于任何其他年份, 但研究期间各年占比均不超过17%；2000年, 巴彦淖尔市的生境质量中优秀和良好等级占比为5.54%, 而差和较差等级占比超过77%, 表明其总体上的生境质量较差；2010年, 差和较差等级的比例进一步上升, 生态环境持续恶化；2022年, 良好和优秀等级的比例较2010年上升了约6.35%, 差和较差等级的比例减少了约4.83%, 表明2010~2022年期间生境质量持续改善.

图 5 2000~2022年巴彦淖尔市RSEI各等级空间分布 Fig. 5 Spatial distribution of RSEI levels in Bayannur City from 2000 to 2022

图 6 2000~2022年RSEI各等级面积占比统计 Fig. 6 Area percentages of RSEI level from 2000 to 2022

综上所述, 研究区的生境质量总体较差. 尤其是在前期阶段（2000~2010年）出现明显的恶化趋势, 但在后期阶段（2010~2022年）呈现出明显的改善趋势. 因此, 有必要继续进行监测, 并加强生态环境的保护和改善工作.

根据2000~2022年各时段内RSEI等级变化幅度, 将巴彦淖尔市生境质量变化区域划分为：下降区（DRSEI < -0.02）、不变区（-0.02≤DRSEI < 0.02）和上升区（DRSEI≥0.02）. 如图 7和表 4所示, 2000~2022年生境质量上升区总面积为19 242.12 km2, 占全市总面积的29.45%, 主要分布在研究区南部的杭锦后旗、临河区、磴口县、五原县以及乌拉特前旗等；生境质量下降区总面积为35 117.85 km2, 占全市总面积的52.74%, 主要集中分布在研究区北部的乌拉特中旗以及乌拉特后旗, 生境质量不变区则零散分布在巴彦淖尔市境内. 其中, 2000~2010年生境质量下降最为显著, 达到45 395.92 km2, 占全市的69.47%；2010~2022年生境质量改善最为显著, 达到35 542.35 km2, 占全市的54.37%. 综上所述, 近23 a来, 巴彦淖尔市生境质量下降区总面积大于上升区, 生境质量总体较差, 应加强对北部生境质量下降区的治理, 同时应对南部生境质量上升区进行稳定持续的保护.

图 7 2000~2022年巴彦淖尔市生境质量变化区空间分布 Fig. 7 Spatial distribution of habitat quality change areas in Bayannur City from 2000 to 2022

表 4 2000~2022年RSEI变化分区面积统计 Table 4 Regional area statistics of RSEI changes from 2000 to 2022

2.4 土地利用变化对生境质量的影响

根据土地利用类型变化对生境质量影响分析方法, 利用一元线性回归分析的方法, 分别建立每个渔网格网生境质量上升区和下降区占比与各渔网格网中不同土地利用类型变化面积占比的一元线性回归方程.

上升区中（表 5）, 2000~2022年巴彦淖尔市生境质量变化与草地面积变化呈显著正相关（R=0.659, P < 0.01）, 与灌木和不透水面面积变化呈显著负相关（R=-0.392, P < 0.01；R=-0.062, P < 0.01）, 反映出生态环境质量随草地面积增加, 林地和灌木、以及不透水面面积的减少, 呈改善态势. 草地面积每增加10%, 生境质量上升区面积相应增加6.33%, 林地和灌木、以及不透水面面积每增加10%, 生境质量上升区面积相应减少3.77%和0.07%, 表明相比于林地和灌木、以及不透水面, 草地对巴彦淖尔市生境质量的改善影响更大. 其中, 2000~2010年, 巴彦淖尔市生境质量与草地面积的增加呈显著负相关（R=-0.474, P < 0.01）, 生境质量随草地面积的增加而下降, 与耕地（R=0.617, P < 0.01）、林地和灌木（R=0.356, P < 0.01）则呈显著正相关；2010~2022年, 生境质量的上升则与草地面积的增加呈显著弱正相关（R=0.134, P < 0.01）, 随草地面积的增加而上升. 综上所述, 2个研究时段中, 耕地、林地和灌木面积增加对生境质量上升的影响均大于草地, 且草地面积增加在不同时段内对生境质量的影响方向不同, 在前一时段（2000~2010年）对生境质量上升呈积极影响, 后一时段（2010~2022年）对生境质量上升具有消极影响.

表 5 巴彦淖尔市生境质量上升与土地利用类型面积变化的关系1） Table 5 Relationship between the improvement of ecological environmental quality and the changes of land use type in Bayannur City

下降区中（表 6）, 2000~2022年巴彦淖尔市生境质量变化与草地和不透水面面积变化呈显著负相关, 相关系数分别为-0.556（P < 0.01）和-0.127（P < 0.01）, 反映出生境质量下降区的减少主要与草地有关, 随草地的增加而下降. 草地面积每增加10%, 生态环境质量下降区面积减少4.58%. 其中, 2000~2010年, 巴彦淖尔市生境质量变化与草地面积变化呈显著正相关（R=0.423, P < 0.01）, 随草地面积的增加而增加, 与耕地、林地和灌木面积变化呈显著负相关（R=-0.695, P < 0.01；R=-0.356, P < 0.01）；相比前一时段, 2010~2022年系数与之存在较大差异, 生境质量与草地呈显著负相关（R=-0.203, P < 0.01）.

表 6 巴彦淖尔市生境质量下降与土地利用类型面积变化的关系 Table 6 Relationship between the decline of ecological environmental quality and the changes of land use type in Bayannur City

从研究期间的各个时段来看, 2000~2010年, 巴彦淖尔市生境质量下降主要与草地、林地和灌木、以及耕地有关；2010~2022年, 生境质量变化主要与草地、林地和灌木有关, 2个时段中生境质量虽均与草地有关, 但前一时段内草地与生境质量呈正相关（R=0.423, P < 0.01）, 可能与2000~2010年草地面积增加, 进而增大了对地表水或地下土壤水分的消耗有关, 从而导致研究区内水资源发生短缺, 地表“干化”, 影响生境质量的变化；后一时段内草地则与生境质量呈负相关（R=-0.203, P < 0.01）, 研究区西部风沙源入侵, 草地大面积减少, 转化为荒地, 蒸发加剧, 地表干化, 使得研究区整体生境质量下降.

3 讨论

巴彦淖尔市RSEI均值从2000年的0.309下降到2022年的0.347, 该时段内生境质量虽略有上升, 但生境质量整体较差. 以2010年为界, 2000~2010年RSEI呈不显著上升趋势, 在2010~2022年呈不显著下降趋势, 表明生境质量在此期间呈现出先改善后退化的趋势. 巴彦淖尔市自2000年开始实施退耕还林、草原奖补、“三北”防护林、退牧还草以及乌梁素海流域山水林田湖草生态保护修复等多项重点生态工程[36, 37]. 由于采用大量先进的沙漠治理技术治理乌兰布和沙漠和巴音温都尔沙漠, 使得2005~2007年间沙漠地区生境质量得到显著改善[38]. 耕地和草地面积进一步增加, 荒漠面积减少, 表明政策因素是巴彦淖尔市生境质量变化的主要驱动因素之一.

研究区南部地区生境质量等级明显高于北部地区, 生境质量低值区集中分布在乌拉特后旗和乌拉特中旗. 在研究期间内, 南部河套灌区的植被覆盖整体转好, 随着耕地面积增加, 单位面积上的植被生长质量也在加强[7, 39], 土壤含水率上升, 较高的植被覆盖度使得水土保持和防风固沙能力得到有效提升[40]. 而北部地区受到来自乌兰布和沙漠的沙尘暴影响、加之农牧业、草原开垦和矿产资源开发等人类活动的影响, 以及干旱少雨、蒸发强烈及土壤风蚀[24]等不同气候灾害的影响, 使得地表变得更加“干化”, 进而导致该地区的生态质量下降[41]. 随着政策的实施, 西部地区的风沙得到有效治理, 巴音温都尔沙漠和乌兰布和沙漠面积增加速度逐年减小[42, 43], 乌拉特草地面积逐年增加[42], 生境质量呈向好趋势, 这与研究期间内生境质量得到改善且北部的生境质量较南部差这一研究结果相一致.

在北部生境质量下降区土地利用类型主要为草地和荒地, 而耕地、不透水面和水体集中分布在南部的河套灌区, 在人为的积极干预下, 沙漠扩张得到了有效的遏制, 虽有“沙退草进”的向好趋势, 但北部生境质量本底较为脆弱[38], 而南部河套灌区内乌梁素海湖泊面积有所扩大[44], 耕地面积有所增长[45], 水资源与北部相比较为丰富. 因此, 研究期间北部地区草地增加, 生境质量反而下降, 南部耕地增加, 生境质量得到提升, 生境质量得到有效改善. 在对巴彦淖尔市生态环境发展与建设中, 有必要对该地区生境质量进行长期监测, 同时加强对风沙源和荒漠的治理力度, 经济发展与环境保护并重, 防止生态环境的恶化. 本研究认为研究区内耕地和不透水面用地的开发应主要在荒地实施, 防止草地进一步退化, 耕地增加的同时使生境质量得到改善. 而对湿地、水体、草地和林地的占用会使生境质量下降, 不利于生态环境保护的可持续发展.

本研究通过构建RSEI模型分析巴彦淖尔市近23 a的生境质量时空动态变化特征, 并从多角度分析土地利用变化状况, 包括土地利用动态度以及转移矩阵；通过建立一元线性方程探究了各种地类对生境质量上升区和下降区的影响, 并结合土地利用现状对生境质量保护提出针对性建议. 这些研究方法可以推广至其它干旱半干旱区城市生境质量的研究中, 但是本文仍存在一些局限性, 例如, 由于遥感影像时间分辨率、质量和空间分辨率的限制, 本文仅考虑了生境保护政策实施后巴彦淖尔市生境质量的变化, 对研究区内生境质量细节上的变化考虑还存在不足, 此外, 缺少土地利用变化对生境质量变化的预测分析等. 在将来的研究中, 可以利用更具有优势的遥感卫星和预测性分析研究的方法, 以期科学准确地分析生境质量的动态变化及其对土地利用格局变化的响应.

4 结论

（1）利用MODIS遥感影像耦合构建的RSEI适用于巴彦淖尔市生境质量的监测与评价, 在RSEI的构成指标中, 绿度（NDVI）及湿度（WET）对研究区生境质量具有正向积极作用, 而干度（NDBSI）及热度指数（LST）则表现为负向的消极作用, 故利用遥感生态指数可有效反映研究区生境质量现状.

（2）近23 a巴彦淖尔市土地类型以草地、荒地和耕地为主, 占区域总面积的97.64%. 草地面积减少量最大（4 544.65 km2）, 其次为荒地和耕地, 分别增加2 482.59 km2和1 473.94 km2. 2000~2010年草地面积增加490.09 km2, 主要是由荒地和耕地的转入, 2010~2022年, 草地转出为荒地、耕地和不透水面, 导致其减少5 034.74 km2, 变化区域主要分布在乌拉特中旗和乌拉特后旗.

（3）2000~2022年, 巴彦淖尔市生境质量整体较差, RSEI均值在0.26~0.40之间, 呈不显著上升趋势, 年变化速率为0.000 8 a-1（P > 0.05）. 前期（2000~2010年）RSEI呈不显著上升趋势, 增长率为0.005 a-1（P > 0.05）, 主要分布在南部的河套灌区；后期（2010~2022年）呈不显著下降趋势. 研究时段内生境质量上升区面积占比提升, 下降区面积在持续下降, 生境质量逐步得到改善.

（4）巴彦淖尔市生境质量上升区和下降区均与草地、林地和灌木、以及不透水面面积显著相关, 草地对生境质量上升区和下降区的影响强于林地和灌木、以及不透水面, 其面积每增加10%, 生境质量上升区相应增加6.33%, 生态环境质量下降区相应减少4.58%. 2000~2010年, 研究区生境质量上升主要与其他地类转为耕地以及荒地和部分耕地转化为草地有关, 而2010~2022年, 生境质量下降, 与草地面积萎缩, 其大面积转为荒地有关.

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