黃海廣，韓兆恩，黨曉宏，李元昊，張勝男，張 帆

(1. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 2. 沙地生物資源保護(hù)與培育國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010； 3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011； 4. 內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)和草原局 綜合保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

土地荒漠化一直都是人們較為關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題，而造成這一現(xiàn)象的主要因素一是自然因素、二是非自然因素[1]。土地荒漠化現(xiàn)象主要發(fā)生在我國(guó)西北地區(qū)，該區(qū)域少雨多旱，風(fēng)沙嚴(yán)重，湖泊、草場(chǎng)風(fēng)蝕危害現(xiàn)象頻發(fā)。根據(jù)我國(guó)第5次荒漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，截止到2014年，我國(guó)的荒漠化面積就已達(dá)到 2.61×108hm2，占世界整體荒漠化面積的 27.20%[2]。這也表明，我國(guó)荒漠化發(fā)展情況較為嚴(yán)重，所以降低西北地區(qū)的荒漠化程度對(duì)于我國(guó)治理荒漠化有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在過(guò)去的幾十年中，我國(guó)為此付出了大量的努力，并在一些地區(qū)得到了較好的防治效果。

只有積極監(jiān)測(cè)荒漠化的動(dòng)態(tài)變化，才能及時(shí)準(zhǔn)確全面地掌握荒漠化土地的變化信息，并對(duì)土地荒漠化程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)分級(jí)。在遙感監(jiān)測(cè)方面，目前根據(jù)歸一化植被指數(shù)(NDVI)計(jì)算植被覆蓋度并分析荒漠化土地動(dòng)態(tài)是一種成熟的技術(shù)方法。NDVI的值分布在-1～1之間，指數(shù)越大，表示植被覆蓋越好，指數(shù)越接近0表示植被覆蓋越少，負(fù)數(shù)則表示水域，所以可以用植被指數(shù)側(cè)面反映荒漠化的發(fā)展。2010年龐立東等[3]以西烏珠穆沁草原為例把遙感技術(shù)應(yīng)用于景觀分類(lèi)和制圖，侯健[4]對(duì)烏珠穆沁伏沙地的成因和分布進(jìn)行了分析，但對(duì)整個(gè)烏珠穆沁沙地的動(dòng)態(tài)變化沒(méi)有總體的分析。烏珠穆沁沙地是北京沙塵暴的沙源之一，只有積極治理烏珠穆沁沙地，減少對(duì)下游地區(qū)的輸沙量，才可以根本減少沙塵暴的發(fā)生次數(shù)。

本研究以遙感影像為基礎(chǔ)，對(duì)烏珠穆沁沙地近20 a的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程以及植被覆蓋度的變化特征進(jìn)行分析。通過(guò)了解近20 a烏珠穆沁沙地的變化趨勢(shì)，為烏珠穆沁沙地治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

烏珠穆沁沙地位于我國(guó)西北地區(qū)，主要分布在內(nèi)蒙古西烏珠穆沁旗，整體地形呈東南向西北傾斜，海拔為800～2 000 m，東部和東南部為大興安嶺，周?chē)嗌絒5]。該區(qū)域有明顯的的大陸性季風(fēng)氣候特征，少雨多旱，風(fēng)沙嚴(yán)重，四季分明。太陽(yáng)輻射量大，年總輻射 5 563.2 MJ·m-2，年平均氣溫1 ℃，無(wú)霜期106 d，5級(jí)以上大風(fēng)日數(shù)多發(fā)生在4—5月，以西北風(fēng)為主，年降水量為350～400 mm，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)刂参锷L(zhǎng)及農(nóng)業(yè)發(fā)展[4-6]。烏珠穆沁區(qū)域內(nèi)河流屬烏拉蓋水系，均為內(nèi)陸河，河流均為南北流向，多年平均徑流總量為15 980萬(wàn)m3。該區(qū)域內(nèi)土質(zhì)主要為風(fēng)沙土、栗鈣土、灰色草甸土、黑鈣土和鹽土[7]。沙地草原是烏珠穆沁沙地的主要植被類(lèi)型，草本植物多為線葉菊(Filifoliumsibiricum)、貝加爾針茅(Stipabaicalensis)、狼針草(Stipabaicalensis)，灌叢的主體是錦雞兒(Caraganasinica)和沙蒿(Artemisiadesertorum)，部分地區(qū)有榆樹(shù)(Ulmuspumila)疏林分布[3]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及計(jì)算方法

本研究從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)和地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn/)下載了Landsat 5的1995年、2000年、2005年、2010年和高分一號(hào)的2015年5個(gè)年份烏珠穆沁沙地的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，由于面積較大，每個(gè)年份都得到了兩景遙感圖像(表1)。

表1 遙感影像主要參數(shù)Tab.1 Major parameters of remote sensing images

計(jì)算植被覆蓋度先要計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI)[8]，可以通過(guò)遙感數(shù)據(jù)的光譜反射率來(lái)監(jiān)測(cè)植被的覆蓋度。本研究用植被覆蓋度來(lái)分析植物對(duì)沙地變化的影響，并用NDVI來(lái)表示一個(gè)地區(qū)的植被狀況，計(jì)算NDVI的公式如下[9]：

(1)

式中：NIR為遙感數(shù)據(jù)各波段中的近紅外波段的反射率；R為遙感數(shù)據(jù)各波段中的紅色波段的反射率；NDVI為歸一化植被指數(shù)。

可以用如下公式把NDVI的數(shù)值轉(zhuǎn)換為植被覆蓋度[10]：

(2)

式中：f為植被覆蓋度；NDVI為影像的NDVI值；NDVImax和NDVImin為該遙感影像中NDVI的最大值和最小值。

可以用荒漠化指數(shù)來(lái)表示沙地發(fā)展程度的變化[11]：

(3)

式中：ADI為荒漠化指數(shù)；S1為輕度沙化土地面積；S2為中度沙化土地面積；S3為重度沙化土地面積；S4為極重度沙化土地面積；S為沙地總面積。

2.2 沙地分類(lèi)體系

本文根據(jù)《沙化土地監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(GB/T 24255—2009)，通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)烏珠穆沁沙地進(jìn)行了科學(xué)分類(lèi)[12](表2)。

表2 沙地分類(lèi)體系Tab.2 Classification system of sandy land

3 遙感數(shù)據(jù)處理

遙感信息處理是對(duì)得到的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)和大氣校正[13-16]。本文基于ENVI 5.3，利用 Radiometric Calibration工具，對(duì)圖像的多光譜做輻射定標(biāo)。使用ENVI軟件中的大氣校正工具，對(duì)1995—2015年的影像進(jìn)行處理。使用ENVI中Data Manager和Band Math[17-18]工具，根據(jù)植被覆蓋度分為4類(lèi)(圖1)：大于 60% 的為輕度沙化；30%～60% 的為中度沙化；10%～30% 的為重度沙化；小于 10% 的為極重度沙化。

圖1 圖像分類(lèi)結(jié)果Fig.1 Result of image classification

把ENVI處理完的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算后，在ArcGIS 10.5 中進(jìn)行疊置分析，對(duì)烏珠穆沁沙地近20 a的圖像進(jìn)行標(biāo)記[19]，一直為沙地的標(biāo)記為“穩(wěn)定”，前期為非沙地而后期變?yōu)樯车氐膮^(qū)域標(biāo)記為“擴(kuò)張”，反之則為“收縮”。得出的數(shù)據(jù)可以明顯地反映出近20 a烏珠穆沁沙地的動(dòng)態(tài)變化，然后根據(jù)植被覆蓋度，把沙地的沙化程度分為4個(gè)類(lèi)型，得到5個(gè)年份烏珠穆沁沙地不同發(fā)展程度沙地的動(dòng)態(tài)變化。

4 結(jié)果與分析

4.1 沙地面積動(dòng)態(tài)變化特征

1995年烏珠穆沁沙地總面積為 43.43 萬(wàn)hm2，其中中度沙化土地占 78.06%，其余大部分是輕度和重度沙化土地。由圖1-1995年可知，研究區(qū)的中北部區(qū)域植被狀況比較好，主要是輕度沙化土地；極重度沙化土地主要分布在研究區(qū)的西部以及中部；研究區(qū)的西部、東北部區(qū)域植被覆蓋少，分布著大量中度沙化土地。

2000年烏珠穆沁沙地總面積為 44.18 萬(wàn)hm2，重度沙化土地占沙地總面積的 67.36%，較1995年(6.59%)有了明顯的擴(kuò)張，根據(jù)圖1-2000年可以看出，研究區(qū)東部的植被情況較好，主要是輕度和中度沙化土地；研究區(qū)西部和北部的植被覆蓋度非常小，分布著大片的重度沙化土地。整體來(lái)看，整個(gè)研究區(qū)零星分布著極重度沙化土地。

2005年烏珠穆沁沙地總面積為 42.78 萬(wàn)hm2(圖1-2005年)，其中中度沙化土地的比重最高，為 66.50%，其次為重度沙化土地，為 20.48%，對(duì)比2000年的數(shù)據(jù)，有 21.00 萬(wàn)hm2的重度沙化土地轉(zhuǎn)變。研究區(qū)西部和南部的植被覆蓋度非常小，說(shuō)明此區(qū)域沙化發(fā)展程度較嚴(yán)重，一些地方甚至已經(jīng)發(fā)展為極重度沙化土地，急需進(jìn)行治理；東部和北部區(qū)域的植被情況較好，沙化程度輕。

2010年烏珠穆沁沙地總面積為 40.97 萬(wàn)hm2，比2005年減少了 1.81 萬(wàn)hm2，其中輕度沙化土地是研究區(qū)荒漠化土地最多的，占總面積的 52.26%，對(duì)比2005年的數(shù)據(jù)，有 8.66 萬(wàn)hm2的重度沙化土地轉(zhuǎn)變(圖1-2010年)。此外，研究區(qū)西部的植被覆蓋比2005年有較大提高，基本從之前的重度沙化土地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬郴恋?，但是靠近中部的區(qū)域依然是重度沙化土地；東部和北部的植被覆蓋度沒(méi)有減少，有穩(wěn)定增加的趨勢(shì)，說(shuō)明在研究區(qū)采取的沙地治理措施取得初步成效。

2015年烏珠穆沁沙地總面積為 36.16 萬(wàn)hm2，比2010年減少了 4.81 萬(wàn)hm2，但是極重度沙化土地從2010年至2015年增加了 0.02 萬(wàn)hm2。依據(jù)圖1-2015年可以看出其空間分布特征是，研究區(qū)東部、中部和北部的植被狀況良好，沙化發(fā)展程度較輕；大部分的重度、極重度沙化土地集中在研究區(qū)的中西部，可能是由于城鎮(zhèn)的發(fā)展造成植被覆蓋度的下降進(jìn)而導(dǎo)致土地退化嚴(yán)重，應(yīng)及時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)厣车剡M(jìn)行預(yù)防和治理。

從表3可以看出，1995年烏珠穆沁沙地面積最大，為 43.43 萬(wàn)hm2；2015年烏珠穆沁沙地面積最小，為 36.16 萬(wàn)hm2。1995年，中度沙化土地面積占 78.06%，重度沙化土地面積占 6.59%；2000年，重度沙化土地面積占 67.36%，重度沙化情況最為嚴(yán)重；2005年，大面積重度沙化土地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬郴恋?，重度沙化土地面積仍占 20.48%；2010年，輕度沙化土地比重最大，占沙地總面積的 52.26%；2010年，重度、極重度沙化土地基本轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬郴恋兀┙蝻L(fēng)沙源治理工程(2000年)和西烏珠穆沁旗實(shí)施的圍封轉(zhuǎn)移戰(zhàn)略(2002年)在沙地逆轉(zhuǎn)過(guò)程中起到關(guān)鍵性作用。2010年到2015年期間，中度沙化土地消失，但也有一部分被侵蝕轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟壬踔潦菢O重度沙化土地，導(dǎo)致2015年研究區(qū)沙地沙化程度上升。

表3 烏珠穆沁沙地荒漠化土地面積變化Tab.3 Change of desertification land area in Ujimqin Sandy Land

4.2 沙地空間分布變化特征

對(duì)比1995年與2000年的圖像，研究區(qū)的總體植被覆蓋度下降，極重度沙化土地增加 8.39 萬(wàn)hm2，尤其表現(xiàn)在西部和北部地區(qū)，輕度沙化土地基本被侵蝕為中度沙化土地。對(duì)比2000年與2005年的圖像，植被覆蓋度明顯提高，研究區(qū)中部和北部大片的重度和極重度沙化土地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬郴恋兀渲兄囟壬郴恋孛娣e減少 21.00 萬(wàn)hm2，說(shuō)明針對(duì)烏珠穆沁沙地的治理項(xiàng)目取得了初步成果。對(duì)比2005年與2010年的圖像，在研究區(qū)的西南部有大面積荒漠化土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉腔哪恋?，并?010年研究區(qū)西部的植被覆蓋度大幅增加，將2005年的重度沙化土地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸壬踔凛p度沙化土地，重度沙化土地面積減少 8.66 萬(wàn)hm2。對(duì)比2010年和2015年的圖像，研究區(qū)的東部沙化程度較輕，但是在研究區(qū)的西部，尤其是西北部區(qū)域出現(xiàn)了大塊連續(xù)的極重度沙化土地，在2010年西部區(qū)域的植被覆蓋度還是比較高的，到2015年時(shí)植被覆蓋度較低。

4.3 荒漠化指數(shù)變化趨勢(shì)分析

根據(jù)圖2可以把烏珠穆沁沙地近20 a的發(fā)展分為2個(gè)階段：1995—2000年為荒漠化發(fā)展階段，5 a內(nèi)荒漠化指數(shù)上升了 1.13，平均為 2.49；2000—2015為荒漠化逆轉(zhuǎn)階段，15 a內(nèi)荒漠化指數(shù)下降了 1.94，平均為 0.97。2000年開(kāi)始實(shí)施京津風(fēng)沙源治理工程，沙化土地得到有效治理，荒漠化指數(shù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，2000年時(shí)烏珠穆沁沙地荒漠化指數(shù)最高為 3.05，沙地發(fā)展程度最重，2015年時(shí)烏珠穆沁沙地荒漠化指數(shù)最低為 1.11，沙地發(fā)展程度變輕。

圖2 烏珠穆沁沙地荒漠化指數(shù)Fig.2 Desertification index of Ujimqin Sandy Land

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

以遙感影像數(shù)據(jù)為依據(jù)，使用ENVI軟件和ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)沙地面積動(dòng)態(tài)變化以及植被覆蓋度變化進(jìn)行研究。該方法雖然算法簡(jiǎn)單，但具有空間覆蓋范圍廣、時(shí)間序列長(zhǎng)、數(shù)據(jù)容易獲取、植物檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已作為一種遙感手段廣泛應(yīng)用于植被監(jiān)測(cè)、土地覆蓋調(diào)查、荒漠化研究、凈第一性植被生產(chǎn)力估算等。在應(yīng)用研究植被指數(shù)計(jì)算時(shí)，要注意避免運(yùn)算結(jié)果溢出情況，還要考慮到植被指數(shù)會(huì)因?yàn)轱柡投糯蠡蚩s小其真實(shí)值，以及來(lái)自大氣、土壤各方面的干擾。

研究區(qū)2005—2015年的植被覆蓋度總體呈上升趨勢(shì)，表明各項(xiàng)防治工程，尤其是京津風(fēng)沙源治理工程的實(shí)施對(duì)植被恢復(fù)起到了重要作用。陳寬等[20]在研究中表明2000—2015年內(nèi)蒙古東部的植被覆蓋度有增加趨勢(shì)。烏珠穆沁沙地多年降水保持穩(wěn)定，植被覆蓋度卻在連年增加，說(shuō)明植被覆蓋度變化的原因除了降水因素外，非氣候因素也有很大影響。美麗等[21]的研究表明人為因素對(duì)于烏珠穆沁地區(qū)景觀格局的影響大于氣候因素的影響，但其研究表明烏珠穆沁地區(qū)沙地總面積趨于增加，這與本研究的結(jié)論不同，需要繼續(xù)對(duì)烏珠穆沁沙地進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。本研究把人類(lèi)活動(dòng)(過(guò)度放牧、治沙工程等)影響植被覆蓋繼而影響沙地發(fā)展進(jìn)程作為研究烏珠穆沁沙地主要的驅(qū)動(dòng)力因素，得出了人類(lèi)活動(dòng)既可以加快沙地發(fā)展進(jìn)程，也可以對(duì)沙地的發(fā)展起到逆向作用，這與魏偉等[22]的研究結(jié)果一致。

自然因素和人類(lèi)活動(dòng)共同對(duì)沙地的發(fā)展產(chǎn)生影響[23]。在較短的時(shí)期內(nèi)，自然因素對(duì)沙地變化的影響并不是很大，但從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，自然因素對(duì)沙地的分布格局產(chǎn)生決定性作用，人類(lèi)活動(dòng)則在短期內(nèi)更為直接地影響沙地的動(dòng)態(tài)格局。在土地沙化過(guò)程中，自然因素是沙地發(fā)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，它在大范圍內(nèi)導(dǎo)致了研究區(qū)生態(tài)環(huán)境的脆弱性，而人類(lèi)對(duì)自然資源的不合理利用更是在自然因素的基礎(chǔ)上，直接導(dǎo)致了沙地的形成并且大幅加快了土地沙化發(fā)展的進(jìn)程[23]。不過(guò)，人類(lèi)活動(dòng)也是可以讓沙地發(fā)展進(jìn)程逆轉(zhuǎn)，遏制并治理已被沙化的土地。

5.2 結(jié)論

(1) 基于遙感影像的歸一化植被指數(shù)算法簡(jiǎn)單，具有空間覆蓋范圍廣、時(shí)間序列長(zhǎng)、數(shù)據(jù)容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，可用于荒漠化研究。通過(guò)對(duì)植被指數(shù)的研究，遙感應(yīng)用會(huì)有更好的發(fā)展和前景。

(2) 烏珠穆沁沙地總面積由1995年的 43.43 萬(wàn)hm2降至2015年的 36.16 萬(wàn)hm2，重度沙化土地面積由1995年的 2.86 萬(wàn)hm2上升至2000年的 29.76 萬(wàn)hm2，后下降到2015年的 0.02 萬(wàn)hm2，沙地的荒漠化指數(shù)由1995年的 1.92 上升到2000年的 3.05，2015年又下降到 1.11。

(3) 近20 a研究區(qū)的植被覆蓋度經(jīng)歷了下降后又上升的過(guò)程，說(shuō)明各項(xiàng)治理工程取得了初步成效。由于人類(lèi)活動(dòng)是烏珠穆沁沙地退化的主要影響因素，所以要積極保護(hù)該地區(qū)的植被，采取以生物措施為主、以工程措施為輔的方法進(jìn)行沙地治理，同時(shí)制定相應(yīng)的生態(tài)保護(hù)政策。