1990—2021年内蒙古...以呼伦贝尔市陈巴尔虎旗为例_张雨斯.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.1619902021年内蒙古遥感生态环境质量变化及趋势分析以呼伦贝尔市陈巴尔虎旗为例张雨斯1，2，包玉海1，2，贺忠华3（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特010022；3.浙江省气候中心，浙江 杭州310056）摘要：基于长时间序列遥感数据，提取能够反映生态环境质量的4个关键指标，利用主成分分析方法构建了遥感生态指数(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)，结合Mann-Kendall趋势显著性检验分析内蒙古呼伦贝尔草原19902021年生态环境质量变化情况及变化趋势。结果表明：（1）RSEI能够全面反应内蒙古草原生态环境质量。30 a间草原生态环境质量以改善为主，整体呈现每年0.0037的上升趋势（Pxj0,xixj(j=1,2,i;k=1,2,n)（13）式中：秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数。定义统计变量：UFk=()Sk-E SkvarSk（14）其中：E Sk=k(k-1)4,var Sk=k(k-1)(2k+5)72,1kn（15）E Sk为Sk的均值，var Sk为Sk的方差。给定显著性水平，如果|UFk|U，表示该序列有明显的趋势。参考这个方法逆序，可以存在UBk：UBk=-UFk，(k=n,n-1,1)（16）式中：UF为一条变化曲线；UB表征正确的逆序序列的发展趋势。如果UF和UB曲线的交点在显著水平之内，则交点的具体年份确定，说明该年份的参数呈现突增状态。基于Python实现了自动制图，直观展现UF和UB曲线的交汇点，用于M-K突变检测。2结果与分析2.1 RSEI与各指标统计值分析通过PCA对研究区进行生态环境质量分析，如表1所示PC1最稳定，特征值贡献率远大于其他3个主成分特征值贡献率。4个年份中PC1的特征值所占比例均在58%以上，说明PCA分析法效果显著，对遥感生态指数计算具有代表性。其他主成分分量值忽大忽小，说明其对生态指标的信息包含不完整。PC1中NDVI和WET为正值，说明NDVI和WET对生态环境起到了正面效应，而LST和NDBSI指数呈负值，说明其对环境产生了负面影响，符合实际生态情况，与前人研究一致7,9-10。由表 2 可知，19902020 年期间，研究区内RSEI 呈缓慢变好趋势，RSEI 均值由 0.46 上升至0.52，总体上升了约13.13%，30 a间RSEI总体趋势为先下降后上升。WET和NDBSI均值基本保持不变，但2020年WET均值低至0.283。LST均值基本呈现逐渐增大趋势。NDVI 均值由1990年逐渐下降，至2020年出现最大值0.705。总体说明虽然内蒙古呼伦贝尔草原农牧结合发展进程快速，但呼伦贝尔草原坚持生态优先、绿色发展理念19，人们环境保护意识的不断提升，草原植被长势总体偏好、草原生产能力明显提高20，使得草原畜牧业发展并没有对内蒙古呼伦贝尔草原造成巨大伤害19-21。图2 技术路线Fig.2 Technology roadmap32940卷干旱区研究2.2 土地利用类型变化研究区主要土地利用类型为农田、森林、草地、水体等几类22，全旗大部分为草地，东北部为森林，农田分布在中部与东部区域。图3中草地占比在81.7%87.4%左右，森林占比在7.7%11.3%左右，农田占比在 3.8%5.9%左右，水体占比在 0.52%0.69%左右。19902020年土地类型转移中草地是转移比例最高的土地类型，图 4 中主要列举了19902020年间转移最多的3种土地利用类型，草地与农田类型的转换多发生在研究区的东北部区域。从表3中可以看出，19902020年间草地覆盖与其他各类土地类型均有转入转出，且规模相对较大，土地利用结构属于不稳定状态。除相同土地类型转移外，其他类型转移中农田-草地面积约177.97 km2，占农田转出面积的26.89%；草地-农田面积约550.47 km2，占草地转出面积的3.61%；草地-森林面积约590.34 km2，占草地转出面积的3.88%。2.3 RSEI时空序列变化分析图 5 为陈巴尔虎旗各年份 RSEI 统计分析。2006 年 RSEI 平均值最低，为 0.33，而 2018 年 RSEI表1 主成分分析结果Tab.1 Principal component analysis参数NDVILSTNDBSIWET特征值特征值贡献率/%参数NDVILSTNDBSIWET特征值特征值贡献率/%1990年PC10.660-0.352-0.5880.3080.020165.502010年PC10.764-0.477-0.3020.3130.030957.77PC2-0.601-0.775-0.1350.1450.00722.85PC20.5170.855-0.03240.009850.019736.78PC3-0.4370.524-0.5550.4760.00289.12PC30.384-0.2030.563-0.7680.002394.47PC4-0.1130.0357-0.573-0.8110.00082.52PC4-0.04010.00253-0.703-0.6390.0005250.982000年PC10.64-0.611-0.4320.1770.033568.512020年PC10.549-0.331-0.7320.2290.033175.05PC2-0.593-0.7780.205-0.0390.011222.99PC2-0.692-0.695-0.1900.04880.007116.05PC3-0.4880.142-0.8270.2390.00367.41PC3-0.4680.639-0.5930.150.00357.95PC40.0204-0.046-0.295-0.9540.00051.09PC40.0231-0.015-0.277-0.9610.00040.95表2 各年份统计结果Tab.2 Statistical results of each year参数RSEINDVILSTNDBSIWET参数RSEINDVILSTNDBSIWET1990年最大值0.9920.95732.2481.6000.9232010年最大值0.9680.99845.5011.7880.99最小值0.0186-0.5973.942-3.228-0.820最小值0.00632-0.6968.182-11.760-0.894平均值0.4630.61019.578-0.06940.627平均值0.4810.55229.2150.06520.6005标准差0.1640.1092.4020.09780.056标准差0.1790.1605.200.1260.06662000年最大值0.9920.97346.6050.6321.00442020年最大值0.994150.6870.2910.793最小值0.0240-0.46510.466-0.731-1.122最小值0.00232-0.498-19.225-0.729-0.227平均值0.4120.55927.2410.04140.772平均值0.5230.70537.574-0.03710.283标准差0.1320.1364.6480.1040.0419标准差0.1310.1316.4240.1320.04713302期张雨斯等：19902021年内蒙古遥感生态环境质量变化及趋势分析以呼伦贝尔市陈巴尔虎旗为例平均值达30 a最大值（0.57），较1990年RSEI平均值（0.46）增长了0.11，涨幅达23.9%。NDVI整体趋势与RSEI走势表现相近，其中，2007年NDVI平均值最小为0.49，最大值出现在2021年为0.76，较1990年NDVI（0.61）增长了24.6%。LST呈现增加-减少-增加的波动变化，波动范围在2040 之间。因研究区内建筑、裸土分布相对较少，所以NDBSI平均值并不是很高，在0.1左右。总体来看，RSEI均值在19902021年整体呈上升趋势，表明30 a干度和热度对生态环境的负效应明显小于绿度和湿度对生态环境的正效应。由图6可知，空间尺度上，由于研究区土地利用类型不同，研究区西部分布多为草甸草原，生产方式以纯牧业为主；东部多为农田和森林结合地带，生产方式以牧业耕地为主，植被覆盖度呈现由西向东逐渐递增的趋势16。RSEI与植被覆盖度呈现由高向低的转化趋势一致，可以清晰地观察到RSEI空间分布格局呈现为由西向东逐渐变好的态势17。时间尺度上，从19902021年，草地与森林、农田RSEI值在120E附近出现明显界限，并随时间增加逐渐东移。2.4 RSEI等级变化由图7可知，各年份RSEI面积变化除优等级呈下降趋势外，其他各等级均有不同程度的上升趋势，其中较差等级趋势变化最大，R2=0.41，其次为一般和优，R2分别为0.35和0.34。对19902021年各生态等级面积进行统计分析，优占比13%28.8%之间，良好占比25.1%49.2%之间，一般占比20.3%36.8%，较差占比1.5%27.9%，差占比0%2.3%，因此优、良好和一般的面积占比较大。由图8可知，陈巴尔虎旗西北方向草原牧业区域19902020年间RSEI变化趋势呈现显著变好，其他大部分是略微变好和无变化部分。19902000 年、20102020 年间大部分为略微变好，20002010 年间大部分为无变化与略微变好，19902020年绝大部分是略微变好与显著变好，表明陈巴尔虎旗30 a间生态环境质量状况总体呈现变图3 2020年土地利用类型现状Fig.3 Land use type of 2020图4 19902020年土地利用类型转移Fig.4 Land use type transfer from 1990 to 2020表3 研究区19902020年土地类型转移Tab.3 Land use type transfer in the study area from 1990 to 2020/km21990年2020年草地草地建筑裸地农田森林湿地水体总计13993.3629.07348.155550.467590.3420.11417.47615228.99建筑0.0572.176940.0029300.010500.1092.357裸地11.002310.21310.2150.01640.024000.12721.598农田177.9712.6490.545440.13736.9400.09983.598661.939森林15.9390.367034.6741301.9380.007040.08921353.014湿地24.1700.2540.03512.9506.004751.1881.92136.522水体19.04554.04040.9022.35815.2160.038267.497109.096总计14241.5538.77459.8541030.6041950.4751.44690.81717413.5233140卷干旱区研究好趋势，其中20102020年间变好趋势最高。2.5 M-K趋势分析如图9可知，从19902001年间RSEI呈现下降趋势；自2001年以来，平均RSEI呈现出较明显上升趋势。UF曲线在20122021年间远远超过置信水平，在此期间RSEI急剧上升。30 a 间，UF 曲线与 UB 曲线产生 1 个交点，即20102011 年间出现突变点，但范围并没有突破0.05 置信水平区间，因此可以初步判定陈巴尔虎旗19902021年的RSEI变化整体比较平稳。图5 各指标时间序列变化Fig.5 Time series changes