干旱绿洲耕地生态质量的地块尺度遥感评价框架：基于空间变权重的功能分区——以新疆洛浦县为例

《Ecological Indicators》：Parcel-level remote sensing evaluation framework for cropland ecological quality in arid oasis regions: A case study of Luopu County, Xinjiang

　　

地块尺度评价使耕地质量评估与管理单元相衔接。空间变权重处理绿洲各分区间的生态梯度。该框架相较均匀权重和像元基线提高了与遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index, RSEI）的相关性。等级修正结果识别差异化管理的优先事项。

一、研究背景与问题

干旱绿洲是中国西北地区最具价值的生态资产和主要农业来源。在水资源稀缺和自然脆弱约束下，干旱绿洲以不足区域总面积10%的土地支撑了超过90%的人口和农业生产，是维持区域粮食安全、生态安全和社会稳定的关键屏障。绿洲耕地是水、土、气和生物因素深度耦合的人工-自然复合生态系统，其健康状况高度依赖区域生态条件的协调支撑。然而，长期高强度开发和气候变化使绿洲耕地面临水资源短缺、土壤盐碱化、荒漠化侵蚀和生态系统退化等严峻挑战。传统基于粮食产量的生产力评价已不能反映耕地真实状态，也不能有效支持绿洲农业的适应性管理和生态安全。

在此背景下，绿洲耕地功能价值已从单一生产力导向转向多功能协同供给，生态质量逐渐成为衡量多功能性的关键维度。对于干旱绿洲，耕地生态质量涵盖气候调节、水土保持、生物多样性维持和景观连通性等生态系统服务综合状态，并受到区域水热分配、植被活力、景观格局以及灌溉、防护林建设等人类管理措施协调作用的影响。传统耕地质量评估虽以土壤理化性质为主并辅以田间基础设施，但在绿洲评价中存在三方面限制：其一，土壤采样成本高、耗时长且只能提供离散点信息，难以刻画绿洲内部连续空间异质性；其二，土壤理化指标不能反映动态生态胁迫或对管理措施的主动响应；其三，绿洲内部存在显著“核心-边缘”生态梯度，不同位置的主导生态功能、胁迫类型和管理需求存在系统差异，均质化评价无法捕捉这种生态梯度分异及差异化驱动机制和管理需求。

遥感能够提供植被、水分、温度、景观格局等重复、空间连续观测，适合范围广、空间异质性强、地面可达性有限的干旱绿洲。然而，将遥感观测转化为决策相关评价仍面临挑战：现有研究常用行政单元、网格或像元作为评价单元，忽略耕地管理的基本空间单元——地块，导致评价结果与管理实践脱节；现有系统多关注自然状态，缺乏对灌溉和防护林建设等人类主动管理响应的有效量化；多数评价在全研究区采用统一权重，空间异质性主要体现为观测指标值差异，对核心-过渡-边缘梯度仍不足。因此，研究人员拟构建地块尺度、空间明确、功能导向且耦合人类管理的干旱绿洲耕地生态质量遥感评价框架，并以新疆洛浦县为例开展研究。其意义在于使评价结果与管理单元直接对齐，并为干旱区耕地生态质量精准监测和差异化治理提供方法支持。

二、关键技术方法

研究区为新疆洛浦县，统一时间基准为2024年。数据包括Sentinel-2 MSI、Landsat 8/9 OLI地表反射率产品、GF-2、DEM和OpenStreetMap（OSM）矢量，遥感处理依托Google Earth Engine（GEE）。以Richer Convolutional Features（RCF）深度学习模型提取耕地地块边界，交并比（Intersection over Union, IoU）达84.57%；以U-Net提取防护林网络。构建规则决策树进行功能分区，构建压力-状态-响应（Pressure-State-Response, PSR）指标体系，共19项指标（6压力、6状态、7响应），将栅格指标聚合至地块。采用熵权法确定指标权重，并赋予分区准则层空间变权重；以遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index, RSEI）作为参考进行相关验证，并开展准则层权重扰动稳定性分析。

三、研究内容与总体结论

研究人员构建了地块尺度干旱绿洲耕地生态质量遥感评价框架，整合功能分区、PSR指标和空间变权重。总体结论表明：地块尺度评价结果呈现明显核心-过渡-边缘梯度；空间变权重模型增强了对分区主导机制的表达，并较均匀权重和像元评价提高了与RSEI的一致性；等级修正将评价从静态分级推进到机制导向诊断，为差异化保护、恢复和田间管理提供空间明确目标。

四、研究结果

4.1 绿洲耕地功能分区结果
基于地理特征的规则决策树模型，将洛浦县耕地划分为核心灌溉区、生态过渡区和沙漠边缘区。核心灌溉区沿玉龙喀什河及中部平原渠系密集连片，含1346个地块，面积98.98 km²，占研究区耕地总面积23.38%；生态过渡区环绕核心区向东北和西南延伸，地块趋于破碎，含2650个地块，面积195.57 km²，占46.19%；沙漠边缘区沿绿洲-沙漠交界带状分布，含1671个地块，面积128.86 km²，占30.43%。分区变量均值符合预期梯度：D_desert由核心区6345 m降至边缘区1715 m；D_waterways在核心、过渡和边缘区分别为465、93和32 m/km²；P_shelter为核心区9.07%＞过渡区6.45%＞边缘区3.78%。

4.2 指标差异特征与综合评价结果
17个连续指标在三类功能区箱线图中均表现出清晰梯度变化，且梯度方向与指标属性一致。例如，P1水压力指数中位数由核心区约0.37升至边缘区0.51，S6植被覆盖持续时间由0.76降至0.46。基于空间变权重模型计算地块生态质量综合指数并分为优、良、中、差、极差（L₁–L₅）。核心灌溉区优和良地块合计占区域面积92.87%，其中优占73.48%，无极差地块；生态过渡区以良和中等为主，合计61.85%，并开始出现差和极差；沙漠边缘区差和极差合计55.95%，优不足6%。局部异常地块比较表明，核心区内差地块在权重倾向管理响应时仍可被识别，边缘区内优地块在邻近灌溉系统且防护林网络完善时，响应指标高值可支持较优生态状态。

4.3 空间变权重与传统均匀权重比较
与均匀权重模型相比，约20.02%的地块发生等级变化，共涉及1135个地块，其中升级地块约占65%。核心灌溉区升级比例为37.22%，无降级；生态过渡区升级5.55%、降级9.21%，降级略占主导；沙漠边缘区降级比例高于升级。等级变化地块空间分散，未形成明显聚集，说明变权重模型依据地块尺度实际指标值调整综合得分，而非基于空间位置平滑或聚类，反映地块个体属性与分区权重之间的交互。

4.4 评价结果对准则层权重扰动的敏感性
对每个功能区主导准则层权重进行Δw=-0.10、-0.05、+0.05和+0.10扰动，其余权重按比例重缩放，分区、地块数据和指标层熵权保持不变。结果表明，扰动结果与基线高度一致：Pearson相关系数（r）为0.9961–0.9991，Spearman秩相关（ρ）为0.9941–0.9987，均方根误差（RMSE）为0.0067–0.0138；90.15%–96.47%地块保持原等级，且无地块跨超过一个等级。这说明地块排序和生态质量分类在合理权重变化下具有良好稳定性。

五、讨论总结

研究人员以RSEI验证评价结果。RSEI通过主成分分析整合绿度、湿度、干度和热度，客观、可重复且空间连续，但主要面向自然和城市生态系统，并非耕地专用，研究中将其作为代理真值和参考基准。地块尺度变权重结果与RSEI的Pearson相关系数为0.867，高于均匀权重模型的0.858，显著高于像元尺度方案的0.814且RMSE更高，说明以地块为基本评价单元可消除像元尺度椒盐噪声和随机波动，更准确反映耕地整体生态质量。

分区评价结果的生态解释表明，灌溉网络重新分配水资源，导致土壤水分和植被生长空间差异；设施密集和分布良好区域供水潜力强，植被覆盖、遮阴和蒸腾冷却较好，而交通差、分布不均和地块破碎区域供水不均。水盐过程可局部改变梯度，排水畅通时灌溉淋洗促进盐分下移，但过度补给和排水不良会抬高浅地下水位，导致盐分累积，因此核心灌溉区内也可能出现低质量地块。风作用也会强化差异，保护中断或植被稀疏区风速增加，沙粒起动和搬运造成表土损失或沙埋，进而形成植被退化与风蚀加剧的正反馈。管理启示为：核心区应协调灌溉、排水和防护林维护以防次生盐碱化；过渡区应关注生态条件对水分分配和景观格局的响应，提高田块整合和保护连续性；沙漠边缘区应优先环境压力，重视防风固沙和供水。

局限、适用性和可迁移性方面，准则层权重为机制启发估计而非数据导出最优参数；扰动实验证明测试范围内稳定，但不证明基线唯一最优。RSEI只能作为代理真值，不能替代独立实地验证，未来需获取空间匹配的地块级地面数据如作物产量以校准自适应权重。框架仅在洛浦县应用，向其他绿洲的可迁移性尚未实证验证；它是机制导向的地块级评估框架，而非可直接复制到所有绿洲的固定模型。不同规模、灌溉模式、种植结构或主导生态胁迫的绿洲需重新校准功能分区变量和准则层优先事项。地块划分精度也会影响评价可靠性，边界误差会改变地块内聚合的像元和空间特征。该框架适用于地块边界大、清晰、与实际管理单元一致且生态梯度明显的绿洲耕地；在地块高度破碎、梯度弱或仅需区域比较时，传统方法可能更合适。未来应应用于多种绿洲类型，结合多情景分析和空间优化，从生态诊断扩展至决策支持系统。

六、研究结论翻译

本研究通过整合功能分区、基于PSR的指标和空间变权重，评价了新疆洛浦县干旱绿洲地块尺度耕地生态质量。主要结论如下：其一，地块尺度评价结果在绿洲内呈现明显的核心-过渡-边缘梯度，核心灌溉区优和良地块占92.87%，沙漠边缘区差和极差地块占55.95%，生态过渡区以良和中等为主，表现为绿洲核心与沙漠边缘之间的中间格局。其二，空间变权重模型增强了对分区主导机制的表达能力，相较均匀权重模型，更好刻画了核心区管理响应、过渡区生态状态和边缘区自然压力的作用；地块尺度变权重结果与RSEI的Pearson相关系数为0.867，高于均匀权重模型和像元尺度评价，表明其与生态参考信息及耕地管理单元具有更好一致性。其三，变权重与均匀权重比较进一步将评价从静态分级转化为机制导向诊断，约20.02%地块发生等级变化，识别出对分区生态优先事项敏感的地块；这些等级修正为判断应优先关注环境压力、生态状况还是管理支持提供空间明确目标，从而支持差异化保护、恢复和田间管理。扰动分析进一步确认该诊断信息在合理权重变化下具有稳定性。所提框架将耕地生态质量评价从区域尺度描述转向地块尺度诊断，通过整合遥感指标、功能分区和管理单元，为干旱绿洲地区耕地生态质量常规监测和差异化治理提供了可操作途径。未来工作应纳入地块尺度地面观测，在其他绿洲类型中测试该框架，并探索自适应权重和空间优化以支持决策。