玛纳斯流域水土流失生态变化的遥感评估

侯进平

(新疆维吾尔自治区水利厅水土保持处，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

水土流失是当今世界面临的一个严重问题，严重的水土流失已导致生态环境的迅速恶化。因此，及时、快速地监测水土流失区生态环境的变化十分重要。目前，遥感技术已被广泛应用于生态环境领域。利用各种遥感指标监测和评价森林、草原、城市、河流，乃至整个流域的生态系统，已成为生态遥感领域的重要组成部分。

1 研究区概况

玛纳斯河流域位于新疆天山北坡中段和准格尔盆地南端。行政区域包括石河子市、沙湾县、玛纳斯县以及新疆生产建设兵团第八师和第六师的农牧区(冯玲，2010)。在气候、水文和地形综合因素的作用下，干旱地区形成了典型的荒漠绿洲-沙漠生态系统。沙漠地区位于流域的下游，水资源不足，土壤贫瘠，植被覆盖率低。该地区北部的低洼地区是古尔邦通古特沙漠，主要由沙脊和沙丘组成。大多数沙丘是半固定的沙丘，并且沙丘通常会向东南移动。天然植被主要包括沙漠植被，如白梭梭、三云草和杀拐[1]。

2 研究方法

2.1 研究方法

本文采用面向对象的方法对三相遥感数据进行分类，参照“土地利用现状分类”的分类标准，结合无监督分类和视觉解释对流域土地利用类型进行分类。无监督分类是基于特征空间中不同图像特征的分类特征差异而没有先验分类标准的图像分类，它是计算机对图像进行统计分析的一种方法。视觉解释方法基于对土地利用类型的先验知识，并将图像和特征与特征(例如图像中特征的大小、形状、阴影、颜色、纹理、图案、位置和周围环境)区分开。对应关系，并赋予它属性特征[2]。

在众多生态环境评价指标中，如何选择适合研究区域的指标对后续的生态环境评价具有非常重要的影响。本文选择的遥感生态环境指数(RSEI)方法基于ENVIS.1作为遥感数据处理平台，ARCGIS作为数据分析和绘图工具，从绿色、湿度、干燥和湿润4个基本要素入手。研究区域的热量分析区域生态环境质量状况。首先，计算并归一化这4个指标；然后对这4个指标进行主成分分析，以确定每个指标的权重；最后对RSEI指标进行分类和叠加分析。RSEI不适合水域大的区域，该研究区域的水域约占1.23%，因此不必独立提取或掩盖水体，更有利于RSEI的计算和模拟[3]。RSEI指数表示为4个指标的函数，可以综合遥感综合生态指数的各种指数因素，以快速监测土壤侵蚀区的生态质量。

RSEI的计算需要注意：①由于植被指数对大气非常敏感，因此必须针对大气进行校正。②必须将图像的DN值转换为反射率，不建议计算原始DN值。③湿度的计算选择正确的湿度公式。不能使用TM公式来计算ETM +的湿度。不能使用基于DN值的公式来计算基于反射率的数据，反之亦然。④比较不同年份时，请尝试选择具有相同季节相位的遥感影像，但不确定的季节相位更好。

2.2 水土流失现状

土地侵蚀和严重的河道淤积导致水利工程的有效性下降：灌溉区中低层的植被条件差，地表第四纪沉积物大部分散乱。夏季经常发生阵发性降雨或暴雨。山地侵蚀很激烈，大量泥沙进入河流，导致下游河道和平原水库的沉积。

风蚀和土地资源破坏造成的沙土侵蚀：下野提灌区和摩梭湾灌区位于沙漠边缘，绿洲内还分布着一些活跃的沙丘。风力将大量的沙子和灰尘带入绿洲，从而增加了绿洲内部土地的沙漠化程度。所有这些都导致了受侵蚀土地的物理形状发生变化，土地的肥力下降，严重造成废弃耕种[4]。

生态环境的部分退化加剧了脆弱的生态环境：玛纳斯灌溉区位于天山北麓，准格尔盆地南缘，远离海洋，降水稀少，蒸发量大，气候干燥，风沙和频繁的灾难。在灌溉区沙漠边缘的某些地区，土壤侵蚀更为严重。绿洲的外围受到风沙的严重侵蚀，植被逐渐减少，土壤层变薄，裸土和裸岩的面积增加，生态环境恶化，自然灾害频发，区域生态环境严重受损。

3 研究结果

3.1 土地利用类型

利用遥感数据和ENVI软件的人工目视解译功能，将1993、2006和2016年的土地利用覆盖情况进行解译，结果见图1。

图1 土地利用类型

玛纳斯河灌溉区位于典型的大陆干旱气候区。总体水土流失问题较为温和，但有些地区较为严重。根据调查，玛纳斯河灌区水土流失的类型主要是风蚀和水蚀。灌区的轻度侵蚀(包括轻度)侵蚀面积约占灌区总土地面积的58.81%。 对灌区人民的生产生活产生重大影响。玛纳斯河流域的沙漠和未利用土地主要集中在流域的中部和北部，那里的土壤侵蚀更为严重。但是，沙漠面积所占比例从33.85%下降至23.7%。见图2。

图2 土地利用类型占比

土地利用风险等级图主要将已经得到的土地利用图进行赋权处理，赋权值见表1。将土地利用按照赋值大小进行重分类，得到土地利用风险图，见图3。

图3 土地利用类型下的水土流失风险图

表1 赋值结果表

3.2 NDVI风险等级

植被是表征土壤侵蚀的间接有效指标，也是反映生态环境的重要指标。因此，选择植被指数作为土壤侵蚀的生态风险评估因子之一。在这里，我们使用归一化植被指数(NDVI)。本文基于遥感影像数据，利用ENVI和ArcGIS分别获得1989、2000和2016年NDVI的水土流失生态风险评估分布图。见图4。

图4 基于NDVI的水土流失风险等级图

从图4可以看出，玛纳斯盆地低风险地区集中在中部地区，但低风险地区的面积比呈逐年下降的趋势。从1993年的37%到2016年的15%。极高风险地区显示南部地区大量增加，而北部地区则减少。

3.3 生态指数

通过计算平均RSEI，1993、2006和2016年的生态环境质量指数分别为0.31、0.38和0.45。 RSEI值越大，生态环境质量越好。这表明在过去的20年中，流域的整体生态环境质量一直在不断提高。从图5可以看出，以红色表示的区域生态环境质量较差，主要集中在沙漠、冲积扇和绿洲。该地区植被覆盖率低，缺水，土壤贫瘠，生物量低，不适宜人类的生存与发展；以绿色为代表的生态环境质量好，集中在冲积平原上。该地区植被覆盖率高，水文条件良好，适合人类生产和生活。该地区的土壤侵蚀程度也相对较重。见表2。

RSEI的不良品位主要分布在北部的沙漠地区、冲积扇的内部以及绿洲内未使用的土地。该地区植被覆盖率低，缺水，地表裸露，地表温度高，生态环境差。从1993到2006年，差异等级区域逐渐扩大。一方面是由于绿洲内差异坡度面积略有减少；另一方面是由于洪泛区冲积扇内部的差异坡度面积明显增加所致，最终差异等级面积略有增加。

不良品位主要分布在冲积扇和绿洲内未利用的土地上。在过去的20年中，该地区持续减少，下降速度有所减缓。从1993年到2006年，由于冲积扇的生态环境恶化，大面积土地转为劣质土地，面积大大减少。在某些地区，生态环境有所改善，从低等级到高等级。2006-2016年的放缓主要是由于冲积扇生态环境质量的稳定和某些地区的改善，减缓了下降的速度。

图5 生态指数影像图

表2 遥感生态指数RSEI的均值变化

4 水土流失对策

为了保护和改善灌区的生态环境和农业生产条件，水土保持管理将带动社会和生态效益，促进灌区资源、环境和社会经济的协调发展。同时，针对灌区水土流失的两种主要类型，提出以下水土保持措施：

1) 建立防风固沙旱林。为了减缓和防止沙漠进一步发展到绿洲，建立防风沙固旱林，在绿洲和灌溉区的沙漠植被交界处融合乔木、灌木和草。风沙向农业地区发展。防风固沙的干旱森林使用地表水和地下水进行灌溉。

2) 大力建设农田防护林。目前，灌区农田防护林建设已取得一定成果，但仍存在防护林不足、结构不合理、树木成活率低、树龄大等现象。还需要进一步改善林业结构，促进农田林网的标准化，增加农田防护林建设改造和升级的强度，并提高灌区的抗风沙能力。

3) 灌区水土流失主要存在于河道和玛纳斯河两岸流经地区，可以采取防洪堤和护岸工程，防止水土流失。通过建设堤防和防洪堤，对河道两岸的耕地和居民区进行有效保护。

5 结 论

通过对玛纳斯流域的水土流失现状进行分析，利用三期遥感影像数据和温湿度等数据，对玛纳斯流域的土地利用、植被覆盖的水土流失风险进行评价，计算出生态指数RSEI，平均值从1993年的0.31升高至2016年的0.45。可以较为明显地观测流域的生态环境变化情况。并最终提出针对玛纳斯流域的水土流失治理对策，为区域的水土保持提供科学依据。