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张晓山，张旺锋，高新宇，韦建芳，刘 影
（1.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000；
2.兰州市城乡规划设计研究院，甘肃 兰州 730000）
生态环境不仅是人类生存发展的基础条件，还是经济社会可持续发展的保障。科学客观的生态环境质量评价可以对生态系统起到鉴定、诊断、引导、激励、治理等作用［1］。在当前的生态环境质量评价方法中构建评价指标体系的方法较普遍，如岳思妤等［2］基于PSR模型对甘肃省泾河流域农村生态环境质量进行评价，发现该流域农村生态环境质量逐渐趋于好转；
Zhang等［3］采用层次分析法对五垒岛湾国家湿地公园生态环境质量进行评价，发现五垒岛湾国家湿地公园生态环境质量总体良好；
岳树梅等［4］从公众参与视角分析黄河流域生态保护过程中存在的问题，从搭建法律平台、细化奖惩机制等方面提出了黄河流域生态保护举措。2015年环境保护部发布的《生态环境状况评价技术规范》（HJ 192— 2015）中提出用生态环境状况指数（EI）来评价区域生态环境质量状况。廖晋一等［5］基于EI指数评价了2013年和2016年合肥市生态环境质量状况，结果表明2013年和2016年合肥市平均EI值均大于60，生态环境质量整体良好。但采用EI指数时存在权重确定主观性强及数据获取较难的问题，关于该指数的应用还处在探索阶段。随着遥感技术的迅速发展，基于遥感影像的生态环境质量评价方法愈发被学者们重视，如姜仁贵等［6］融合多源数据构建了黄河流域灌区生态环境演变仿真系统，该系统提供灌区多源信息融合、生态环境监测等应用服务，可为灌区生态环境保护提供决策支持；
徐涵秋［7］采用遥感技术提出遥感生态指数（RSEI），基于该指数分析了福州市主城区的生态环境质量变化情况，发现该指数的表征效果较好且具有数据容易获取、不受人为因素干扰的优点。RSEI指数被国内外学者广泛应用到城市［7－12］、流域［13－15］、沙漠［16－17］、草原［18］、自然保护区［19］、矿区［20－21］等的生态环境质量评价。
受干旱、风沙、水资源短缺等因素的制约，张掖市甘州区生态环境面临土地沙化、盐渍化、地下水水位下降、草场退化等诸多问题。甘州区坐落于祁连山、黑河湿地2个国家级自然保护区，加大这2个国家级自然保护区的保护与修复力度、筑牢国家西部重要生态安全屏障是张掖市甘州区面临的生态建设主要任务。基于此，本文选择甘州区为研究区，基于Landsat遥感影像采用RSEI指数对1991—2020年甘州区生态环境质量变化规律进行研究，利用地理探测器分析其生态环境质量影响因子，以期为西北干旱区绿洲城市及其他区域的绿色发展提供参考。
甘州区位于河西走廊中部，巴丹吉林沙漠南部边缘，祁连山北麓，属青藏高原、蒙古高原的过渡地带，气候属典型的温带大陆性气候。地理特征表现为“两山夹一盆”，由南部祁连山、北部合黎山与龙首山、中部走廊平原组成，地势为南北高、中间低，海拔为1 400～2 000 m。甘州区不仅是国家西部重要的生态安全屏障，更是绿洲经济社会可持续发展的承载区，近年来黑河流域生态治理、祁连山国家级自然保护区生态修复取得了有效进展，甘州区生态环境质量明显提升，但因其地处西北干旱区仍受诸多因素制约，生态环境承受压力极大，保护绿洲生态环境、坚持走绿色发展道路、筑牢国家西部重要生态安全屏障任务依旧艰巨。
3.1 数据来源
选取甘州区1991—2020年6—9月共7期的Landsat遥感影像（云量低于5%）作为主要数据源，Landsat遥感影像具有时间序列连贯性较好的优点，同时6—9月甘州区植被生长状况良好，不同区域的植被覆盖度差异较为明显，便于RSEI的计算。Landsat遥感影像及数字高程模型（DEM）数据源自地理空间数据云，人口数据源自《甘州区统计年鉴》。
3.2 遥感生态指数（RSEI）
遥感生态指数（RSEI）是在4个生态指数的基础上通过主成分变换得出的生态环境质量评价指标，4个生态指数包括绿度（NDVI）、湿度（WET）、干度（ND⁃SI）、热度（LST）［9］，各生态指数的计算公式见表1。
表1 遥感生态指数计算公式
在对NDVI、WET、NDSI、LST进行耦合形成RSEI指数之前，需进行归一化处理，公式为
式中：NIi为指标归一化处理结果；
Ii为第i个像元值；
Imin、Imax分别为像元最小值、最大值。
采用主成分分析法对归一化处理后的4个生态指数进行耦合，得到第一主成分PC1，即未经标准化处理的初始遥感生态指数（RSEI0）。对RSEI0进行标准化处理，得到RSEI，公式为
式中：RSEI0min、RSEI0max分别为RSEI0的最小值、最大值；
RSEI值范围为0～1，数值越接近1表示生态环境质量越好［11］。
3.3 景观格局指数
采用景观格局指数对生态环境质量空间格局变化状况进行描述和分析，使用Fragstats 4.2软件计算景观格局指数，其包括斑块密度（PD）、最大生态景观斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）及集聚度指数（AI）4个指数。
3.4 空间自相关
空间自相关常被用于研究时空格局演变，分为全局自相关和局部空间自相关两种类型，分别用全局Moran′s I指数、局部Moran′s I指数表示。采用GeoDa软件计算甘州区的Moran′s I指数并绘制LISA聚类图。
3.5 地理探测器
地理探测器是一种探测空间分异性以及揭示其背后驱动因子的统计学方法，由因子探测器、交互探测器、风险探测器和生态探测器4个探测器组成［22］，本文使用因子探测器和交互探测器分析各因子对生态环境质量的影响程度。
4.1 生态环境质量时间序列变化分析
统计计算的1991年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年、2020年甘州区RSEI值分别为0.306 9、0.294 0、0.297 2、0.324 2、0.337 3、0.354 3、0.368 0，这7 a的RSEI值一直较小，1991—2020年RSEI值整体在0.2～0.4范围内波动上升，表明甘州区生态环境质量较差，但保持改善向好的趋势。
参考《生态环境状况评价技术规范》（HJ 192— 2015），依据RSEI值把生态环境质量划分为5个等级：差（0～0. 2）、较差（0.2～0. 4）、一般（0.4～0. 6）、较好（0.6～0. 8）、好（0.8～1. 0），在此基础上统计甘州区各典型年的生态环境质量等级面积及占比（见表 2）。
表2 1991—2020年甘州区各典型年的生态环境质量等级面积及占比
由表2可知，在时间尺度上，甘州区整体生态环境质量等级属好的面积占比先下降后持续上升，到2020年面积为827.57 km2、占比为22.61%；
较好等级面积占比在10%上下波动；
一般等级面积占比在2010年之前变化较小，2010年之后迅速下降到2.35%；
较差等级面积占比整体波动上升，从1991年2.38%上升到2020年8.54%；
差等级面积占比整体表现为下降趋势，从1991年65.58%下降到2020年55.83%，该等级的面积占比较大，使甘州区整体生态环境质量等级较低。1991—2020年甘州区生态环境质量较好和好这2个等级的面积占比之和从26.11%上升到33.28%，而较差和差这2个等级的面积占比之和从67.96%下降到64.37%，表明30 a内甘州区生态环境质量整体呈好转趋势。
1991—2020年甘州区各典型年的生态环境质量等级分布见图1，可以看出，甘州区生态环境质量等级为较好的区域集中于甘州区中部，中部走廊绿洲盆地是甘州区主要的农耕区，地势平坦、土地肥沃，黑河贯穿全境，灌溉条件便利，因此该区域植被覆盖度高、生态环境质量较好。等级为一般和较差的区域位于绿洲北部的城镇居民点附近，人类活动不可避免地会破坏生态环境。等级为差的区域位于北部平山湖蒙古族乡、三闸镇红沙窝村北山坡滩以及南部神沙窝滩、安阳滩、新庙滩等地，这些区域地貌以荒漠戈壁、裸岩沙地为主，植被覆盖度低，因此生态环境质量差。
图1 1991—2020年甘州区各典型年的生态环境质量等级分布
4.2 生态环境质量空间格局变化分析
4.2.1 景观格局变化特征
1991—2020年甘州区生态环境景观格局指数（PD、LPI、LSI、AI）平均值的变化情况见图2，1991—2010年甘州区总体生态环境景观格局较稳定，2010年以后总体生态环境景观格局变化较大，表明在甘州区发展过程中生态环境景观斑块数量增加，生态环境景观格局趋于复杂，破碎化程度逐渐提高。
图2 1991—2020年甘州区生态环境景观格局指数变化情况
具体来看，等级为差的景观格局PD和LSI在2010年前变化不大、2010年之后先上升后下降，LPI在21%上下波动，AI稳定在97.5左右，表明差等级对应的生态环境景观格局斑块在空间布局上较为集聚，景观格局内部以少量大斑块为主，2010年之后斑块破碎化程度有所提高，景观异质性增强；
较差等级的景观格局PD和LSI波动较大，而LPI和AI变化不明显，说明较差等级的生态环境景观格局斑块先朝着破碎化方向发展后转向集聚化发展；
一般等级的景观格局指数变化最明显，表明一般等级的生态环境景观格局在30 a内发生了明显变化，斑块破碎化程度持续提高；
较好等级的景观格局变化与较差等级的极为相似，斑块布局也是先朝着破碎化方向发展后转向集聚化发展；
好等级的景观格局指数变化不明显，表明这个等级对应的生态环境景观格局较稳定。
4.2.2 空间自相关
采用500 m×500 m的单元格网分析甘州区生态环境质量的空间自相关并绘制LISA聚类图（见图 3）。
图3 1991—2020年甘州区各年度的生态环境质量LISA聚类图
由图3可知，1991—2020年甘州区Moran′s I指数都大于0.7且z（I）统计值（表示Moran′s I指数是否显著）都高于临界值（为1. 96），通过了显著性水平为5%的检验，说明甘州区生态环境质量的空间分布并不是完全随机的，而是存在显著的相关性。整体上甘州区生态环境质量较好的高－高聚类区主要分布在中部绿洲，而生态环境质量较差的低－低聚类区分布在北部、南部未利用地。2015年之前甘州区生态环境质量的空间分布较稳定，2015年之后虽然中部高－高聚类区范围扩大，但内部不显著区域及低－高聚类区也明显增多，表明2015年之后生态环境质量较好的中部绿洲高－高聚类的稳定性变差，这与该时期城镇建设用地面积扩大有一定关系。
从局部来看，30 a内变化最明显的区域有南端花寨乡和安阳乡（图3红色框），1991—2020年南端花寨乡和安阳乡呈现高－高聚类—不显著—高－高聚类—不显著—小范围高－高聚类的空间集聚状况，表明此区域的生态环境质量稳定性极差，极易受到自然及人为因素的扰动，原因是安阳乡和花寨乡海拔超过2 000 m，水资源匮乏，生态环境较脆弱；
1991—2020年中部张掖市城区及工业园区（图3绿色框）不显著区域逐渐扩大，原因是30 a内随着建设用地不断扩大以及人类活动加剧，此区域的生态环境质量逐渐下降且范围逐渐扩大；
2005年西北部乌江镇（图3黄色框）形成高－高聚类合围之势，此处靠近黑河，土地肥沃，加上国有林场持续推进植树造林工作，生态环境质量改善明显。
4.3 生态环境质量动态变化分析
为对甘州区30 a生态环境质量变化进行深入分析，把生态环境质量的变化程度分为极度恶化、重度恶化、中度恶化、轻度恶化、基本不变、轻微改善、一般改善、明显改善、显著改善9个等级，在此基础上统计1991—2020年甘州区各时段生态环境质量各级变化面积见图4（未统计生态环境质量基本不变的面积）。1991—1995年甘州区生态环境质量改善面积（轻微改善、一般改善、明显改善、显著改善的面积之和，下同）占8.07%、恶化面积（极度恶化、中度恶化、重度恶化、轻度恶化的面积之和，下同）占12.24%，1995—2000年生态环境质量改善面积占9.72%、恶化面积占9.44%，2000—2005年生态环境质量改善面积占12.92%、恶化面积占5.64%，2005—2010年生态环境质量改善面积占11.38%、恶化面积占5.66%，2010—2015年生态环境质量改善面积占16.72%、恶化面积占10.73%，2015—2020年生态环境质量改善面积占14.17%、恶化面积占13.47%。30 a内甘州区生态环境质量整体呈改善趋势，其中改善面积为7.62 km2、占比为20.81%，以轻微改善为主；
恶化面积为3.42 km2、占比为9.35%，以轻度恶化和中度恶化为主。
图4 各时段生态环境质量各级变化面积
1991—2020年甘州区各时段生态环境质量各级变化空间分布见图5。
图5 各时段生态环境质量各级变化空间分布
由图5可知，1991—1995年甘州区生态环境质量整体表现为恶化，其中恶化区域主要分布在南端安阳乡和花寨乡，轻度恶化区域遍布整个绿洲，生态环境质量改善的区域较少，主要分布在绿洲西北部国有林场、龙首山以及东部、北部外围；
1995—2000年甘州区生态环境质量明显改善的区域有平原堡国有林场、黑河附近以及东南部碱滩镇石岗墩滩，一般改善、轻微改善的区域集中在中部绿洲以及南端安阳乡、花寨乡少部分区域，生态环境质量恶化的区域分布在北部龙首山以及南端安阳乡、花寨乡大部分区域、东部碱滩镇绿洲部分区域以及中部绿洲外围小部分区域；
2000—2005年甘州区生态环境质量明显改善，尤其体现在南端花寨乡、安阳乡以及东部碱滩镇、西北部沙井镇、乌江镇、黑河附近，生态环境质量明显变差的区域集中在中部城区以及东部碱滩镇和上秦镇的国有林场；
2005—2010年甘州区中部绿洲生态环境质量整体明显改善，仅北部东大山国有林场、城区附近、黑河部分区域以及南端安阳乡、花寨乡部分区域有所恶化；
2010—2015年甘州区生态环境质量改善区域和恶化区域分布较为分明，中部绿洲大部分区域及东大山国有林场生态环境质量恶化，而绿洲东北部、东部外围及南端花寨乡、安阳乡部分区域生态环境质量改善；
2015—2020年甘州区中部城区及附近的新墩镇、长安乡、梁家墩镇、上秦镇以及南端安阳乡、花寨乡部分区域生态环境质量恶化，绿洲西侧、东侧以及东大山国有林场生态环境质量改善。
4.4 生态环境质量影响因子探测分析
4.4.1 单因子探测分析
引入地理探测器揭示影响生态环境质量的因子，以RSEI为因变量，选取人口密度、海拔、绿度、湿度、干度、热度6个指标为自变量（因子），单因子探测结果见表3（其中q值代表影响因子对RSEI的影响程度，q值越大说明影响力越大）。整体来看，1991年、2000年、2010年对甘州区生态环境质量影响最大的因子都是干度，这与甘州区超过一半的区域为荒漠戈壁等未利用地有关，大面积植被覆盖度较低的土地导致干度值较大，而2020年的主导因子变为绿度，原因是随着“关井压田”政策、“绿水青山就是金山银山”理念的提出，促进了甘州区生态建设，绿洲逐渐向外围扩展，使绿度的影响力超过了干度的。
表3 单因子探测结果
从1991—2020年各指标因子对应的q值变化情况来看，在所有因子中人口密度的q值偏小，但数值在逐渐增大，表明人类活动对甘州区生态环境质量的影响较小，但影响力在逐步提升；
在所有因子中海拔的q值最小且随时间变化不明显，说明甘州区“两山夹一盆”的地形对甘州区生态环境质量的影响较小；
1991—2010年绿度和湿度的q值波动较小，2020年明显减小，说明受降水等因素的影响，中部绿洲植被覆盖度下降，对生态环境质量的影响有所降低；
1991—2010年干度的q值超过0.95，到2020年骤降到0.822 3，说明1991—2010年大面积的荒漠戈壁制约着甘州区生态环境质量的提高，而2020年甘州区未利用地面积有所减小，使生态环境质量明显提升；
1991—2020年热度的q值先增大后减小，表明气温对甘州区的生态环境质量较重要，但影响力在下降。
4.4.2 多因子探测分析
通过交互作用探测可反映出多因子交互作用对生态环境质量的影响，相比单因子，双因子的交互作用增强了对生态环境质量影响的解释力，分别将甘州区4 a的RSEI与6个因子进行交互作用探测，得出结果见图6。1991年、2000年、2010年、2020年对甘州区RSEI影响最大的双因子分别是湿度∩绿度、干度∩绿度、干度∩绿度、湿度∩绿度，此外绿度与其他所有因子的交互q值都明显增大且都大于0.9，这说明绿度与其他因子的交互作用对甘州区生态环境质量的影响很大。值得注意的是，虽然人口密度和海拔对甘州区生态环境质量的影响较小，但双因子交互作用下两者交互q值明显增大，说明受地形的影响，人类活动对生态环境质量的干扰能力明显增强。以上结果表明，绿洲是甘州区维持生态环境质量的关键，而绿洲之上的人类活动影响着绿洲，从而影响甘州区整个生态环境质量并且这种影响力在逐渐增强，因此需要重视人类活动对甘州区生态环境质量的影响，充分发挥其有利的一面，减弱其造成的负面影响。
图6 多因子探测结果
基于甘州区1991—2020年7期Landsat遥感影像，利用RSEI指数对甘州区生态环境质量进行动态评估，得出以下结论。
（1）30 a内甘州区RSEI在0.2～0.4范围内波动上升，生态环境质量整体较差，但呈改善向好的趋势。30 a内生态环境质量较好和好这2个等级的面积占比之和增长了7.17%，主要分布于甘州区中部绿洲，而较差和差这2个等级的面积占比之和减少了3.59%，主要分布于北部平山湖乡及南部神沙窝滩、安阳滩、新庙滩等地。
（2）30 a内甘州区生态环境景观斑块数量增加，生态环境景观格局趋于复杂，破碎化程度逐渐提高，这种变化在生态环境质量等级为一般、较好、较差中表现最明显。
（3）甘州区生态环境质量在空间上存在显著相关性，生态环境质量较好的高－高聚类区主要分布在研究区中部绿洲，而质量较差的低－低聚类区集中在北部、南部未利用地，2015年之前甘州区生态环境质量的空间分布较为稳定，2015年之后虽然甘州区中部的高－高聚类区范围逐渐扩大，但内部不显著区及低－高聚类区也明显增多，表明2015年之后中部绿洲生态环境质量较好的区域高－高聚类的稳定性变差，这与这一时期城镇建设用地大面积扩展有一定的关系。
（4）30 a内甘州区生态环境质量明显改善，其中改善面积为7.62 km2、占比为20.81%，以轻微改善为主；
恶化面积为3.42 km2、占比为9.35%，以轻度恶化和中度恶化为主。
（5）从单因子探测结果来看，30 a内对甘州区生态环境质量影响最明显的因子是绿度和干度，人口密度的影响在逐渐提高；
从多因子交互探测结果来看，所有因子交互作用都表现出双因子增强效果，绿度与其他因子的交互作用对RSEI空间异质性的解释力最强。
