基于3S的黃土高原北部土地沙化分析——以陜西省神木縣為例

白龍,劉利民,小林達(dá)明,松崗延浩,木村玲二

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110866；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110866；3.日本千葉大學(xué)園藝學(xué)研究科,松戶271- 8510；4.日本鳥取大學(xué)干旱地研究中心,鳥取 680- 0001）

黃土高原北部屬水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶,水土流失極為嚴(yán)重[1]。建國(guó)以來(lái),以黃河上中游管理局為首的國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)開展水土保持研究的同時(shí),采取修筑梯田、打壩淤泥、種樹造林等水土保持措施遏制土地沙化進(jìn)程[2-3]。從2000年初開始又執(zhí)行了退耕還林（草）措施。為了及時(shí)掌握土地沙化及植被恢復(fù)情況,很多學(xué)者利用遙感技術(shù)分析了土地沙化動(dòng)態(tài)趨勢(shì),結(jié)果一致認(rèn)為黃土高原北部的土地沙化趨勢(shì)為整體好轉(zhuǎn)局部惡化[4-6]。但這些研究側(cè)重于區(qū)域土地沙化的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)上,并沒(méi)分析沙化區(qū)的社會(huì)背景因素。Kobayashi等[7]利用實(shí)地調(diào)查和遙感技術(shù)結(jié)合的方法分析了毛烏素沙地?cái)U(kuò)展的影響因素。結(jié)果表明,過(guò)度放牧不僅促進(jìn)了土地沙化進(jìn)程,還降低了牧民收入。近年來(lái),在草地資源調(diào)查、動(dòng)態(tài)趨勢(shì)分析及評(píng)價(jià)、濕地研究等方面利用遙感技術(shù)的事例逐年增加[8-11],為遙感技術(shù)應(yīng)用的普及奠定了很好的理論基礎(chǔ)。本研究采用實(shí)地調(diào)查與遙感技術(shù)相結(jié)合的方法分析黃土高原北部神木縣1986-2004年的植被變化趨勢(shì),并以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位探討影響土地沙化擴(kuò)展的社會(huì)背景因素,為更準(zhǔn)確地掌握土地沙化趨勢(shì)為退耕還林還草的實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況神木縣位于陜西省北部,處于黃土高原與毛烏素沙地接壤帶上（圖1）。含沙量較高的黃河一級(jí)支流窟野河與禿尾河均穿過(guò)該縣注入黃河,土壤侵蝕速度25 000 t/（km2·a）的地區(qū)均在本縣范圍內(nèi)[3]。主要地貌類型有風(fēng)積沙丘、溝谷（侵蝕溝）和黃土峁3類[12]。主要農(nóng)作物種類有玉米（Zea mays）、豆類、谷子（Setaria italica）、糜子（Panicum miliaceum）和薯類等。除玉米種植在平坦的河灘地外,其他農(nóng)作物均種植在黃土峁坡面上,水土流失十分嚴(yán)重。長(zhǎng)期的水土流失已造成“廣種薄收,薄收更廣種”的惡性循環(huán)。

神木縣年平均降水量為437.4 mm,年平均氣溫6～12℃[13]。植被類型從東南的森林草原向西北演變成草原。東南的森林植被以油松（Pinus tabulaef ormis）、山楊（Populus davidiana）等溫性針葉和闊葉落葉樹種為主,草原植被以長(zhǎng)芒草（Stipa bungeana）、興安胡枝子（Lespedeza daurica）等耐旱性植被為主,西北的沙地有油蒿（Artemisia ordosica）、沙柳（Sali x psammophila）等沙生灌木或半灌木群落[14]。

圖1 神木縣位置與鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布圖

1.2 研究方法本研究使用Path127/Row33的1986年8月2日和2004年8月6日拍攝的兩景影像圖像。圖像分析使用ERDAS IMAGINE 8.4軟件和Arc View GIS 3.2軟件。

首先,做出2003年8月6日?qǐng)D像的假彩色合成像片,并以2002年夏天記錄的神木縣13個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)值進(jìn)行幾何校正,然后以榆林市2001年1月發(fā)行的神木行政圖為參考地圖,使用Arc View GIS 3.2軟件剪切出神木縣范圍（7 500 km2）,并做出了神木縣衛(wèi)星地圖。

為了掌握研究區(qū)土地覆蓋現(xiàn)狀,攜帶事先做好的神木縣衛(wèi)星地圖和GPS定位器,于2004年8月2-12日在神木縣范圍內(nèi)實(shí)地調(diào)查,記錄不同覆蓋類型的植被特征、分布特征及經(jīng)緯度。為了掌握不同覆蓋類型的反射特征,使用便攜式分光反射計(jì)（Fieldspec-handheld,美國(guó)Analytical Spectral Devices公司）測(cè)定不同覆蓋類型的反射特征。根據(jù)神木縣土地覆蓋類型特點(diǎn),確定土地覆蓋類型分類系統(tǒng)及各個(gè)類型的主要特征（表1）。

根據(jù)實(shí)地調(diào)查中記錄的經(jīng)緯度坐標(biāo),在2004年8月6日的遙感圖像上分別讀取不同類型的50個(gè)樣點(diǎn),分析不同類型的遙感圖像上的反射特征。TM傳感器所設(shè)的7個(gè)測(cè)試波段中,反映地物特征最有效的是波段3和波段4[15]。本研究中根據(jù)波段3、波段4的灰度值大小及波段4和波段3的比即比植被指數(shù)（RVI）大小為依據(jù),用決策樹分類法進(jìn)行分類。

利用神木縣社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料[17]分析了不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)總?cè)丝凇⑥r(nóng)業(yè)人口比例、人均土地面積、總耕地面積、耕地面積比例（耕地面積占人均土地面積的比例）與鄉(xiāng)鎮(zhèn)沙化土地變化之間的關(guān)系,探討土地沙化的社會(huì)背景因素。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同土地覆蓋類型的反射特征（灰度值）及分類搭載TM傳感器的遙感圖像上,地物的反射率以0～255的整數(shù)（也叫灰度值）來(lái)表達(dá),灰度值越大反射率越高[15]。在不同覆蓋類型的波段3灰度值范圍為20～140,波段4的40～130,RVI指數(shù)在0.5～4.5。其中,植被蓋度高、長(zhǎng)勢(shì)旺盛的灌溉農(nóng)田在波段3的灰度值最?。?0以下）,RVI指數(shù)最高（2.5以上）。流動(dòng)沙丘、黃土裸地在波段3的灰度值均最大,但2個(gè)類型無(wú)明顯差異,均在108～140。綠色植物在合成有機(jī)物的過(guò)程中強(qiáng)烈吸收紅色光（相當(dāng)于TM傳感器的波段3）,所以植被的有無(wú)和多少直接影響波段3的反射大小[15]。水域 RVI指數(shù)最低（0.8以下）。根據(jù)以上灰度值和反射特征容易劃分出灌溉農(nóng)田、水域和裸地的3個(gè)類型。

表1 神木縣土地覆蓋類

半固定沙丘是流動(dòng)沙丘與固定沙丘之間的過(guò)渡類型,RVI指數(shù)也介于流動(dòng)沙丘與固定沙丘之間[16]（本文中為1.0～1.2）。

草地和旱田的類型的反射特征很相似,波段3的灰度值在40～100,RVI指數(shù)基本在1.2～2.5。實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn),神木縣范圍內(nèi)沒(méi)有連片大面積的草地和旱田,每塊草地（或旱田）面積一般在500～1 000 m2,在黃土峁地區(qū)常常鑲嵌式分布于溝谷間的坡面。此特征意味著搭載TM傳感器的遙感圖像中的像元（28.5 m×28.5 m）包含草地和旱田的混合類型。并且,使用便攜式分光反射計(jì)測(cè)試后得知,草地和旱田的2個(gè)類型在不同波長(zhǎng)區(qū)域的反射特征十分相似,難以區(qū)分。溝坡、固定沙丘的2個(gè)類型在分布位置上容易區(qū)分,但土壤表層上均形成微生物結(jié)皮層,反射特征很相似,波段3的灰度值在38～78,RVI指數(shù)基本在1.0～1.5。使用便攜式分光反射計(jì)測(cè)試后也難以區(qū)分。因此,本研究中把上述4個(gè)類型分別劃入草地+旱田、溝谷+固定沙丘的2個(gè)混合類型中。

遙感圖像上草地+旱田與林地的 RVI指數(shù)分布范圍基本相同,但草地+旱田的波段3、4的灰度值之和遠(yuǎn)大于林地,利用此特征可劃分出草地+旱田和林地的2個(gè)類型。根據(jù) RVI指數(shù)上的差異進(jìn)一步劃分出林地和溝谷+固定沙丘的2個(gè)類型。

根據(jù)以上特征,將2004年的神木縣土地覆蓋類型劃分為:裸地、灌溉農(nóng)田、旱田+草地、溝谷+固定沙丘、林地、半固定沙丘和水域共七大類型。各個(gè)類型的分類閾值見圖2（右）。

衛(wèi)星所搭載的傳感器采集地物反射信息時(shí),受拍攝時(shí)期的大氣狀況、太陽(yáng)輻射、云層厚度等因素影響,即便是同種地物會(huì)出現(xiàn)灰度值差異現(xiàn)象[15]。因此,對(duì)比分析不同時(shí)期遙感圖像需要灰度值矯正。本研究中,沒(méi)找到可對(duì)比的1986年土地利用分類圖,采用同一地物反射率不變的原理進(jìn)行矯正[15]。即選擇2個(gè)時(shí)期都存在的水泥路面、巖石中取樣,并確定相關(guān)性方程（圖3）。利用此方程得出不同覆蓋類型在1986年遙感圖像波段3、4的灰度值,用同樣方法進(jìn)行分類（圖2左）。分類結(jié)果的準(zhǔn)確率為82.4%,可視為有效分類[15]。

2.2 土地沙化現(xiàn)狀及變化趨勢(shì)分析在2004年,神木縣土地覆蓋類型中旱田+草地類型最多,約占整個(gè)土地面積的35%；其次是溝谷+固定沙丘類型,約占30%；半固定沙丘位居第三,約占20%；裸地占6%；其他類型在5%以下。18年間,裸地減少最明顯,減少幅度達(dá)10%。而半固定沙丘有明顯增加趨勢(shì)（圖4）。

2004年,受毛烏素沙地影響沙化土地主要集中在西部鄉(xiāng)鎮(zhèn),并從西北向東南逐漸減少（圖5）。1986-2004年,大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的沙化土地面積在縮小,西北鄉(xiāng)鎮(zhèn)尤為明顯,最多的達(dá)150 km2（圖6）。但南部的萬(wàn)鎮(zhèn)、賀家川、沙峁鄉(xiāng)和馬鎮(zhèn)等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)里沙化土地面積反而有所增加,這可能是黃土峁坡面的植被蓋度下降后下層土壤裸露的結(jié)果。這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中分布在黃河右岸地帶,也是屬于黃土高原地區(qū)土壤侵蝕速度最快的地帶[1],應(yīng)視為防止水土流失的重點(diǎn)地區(qū)。

圖4 1986和2004年神木縣土地覆蓋類型比例

圖5 2004年神木縣沙化土地分布

圖6 1986-2004年神木縣沙化土地變化

2.3 土地沙化的社會(huì)背景分析神木縣位于陜西省北部、全縣轄22個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)?？h境內(nèi)儲(chǔ)煤面積達(dá)4 500 km2,占全縣總面積的59%,截至2002年,神木縣的大小煤礦200個(gè)左右,主要集中在大柳塔鎮(zhèn)、孫家岔鎮(zhèn)、店塔鎮(zhèn)等縣北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)[17]。走訪調(diào)查后得知,縣北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的農(nóng)村勞動(dòng)力幾乎全部從事于煤礦礦務(wù),棄耕現(xiàn)象較普遍。而南部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦少,農(nóng)村勞動(dòng)力中務(wù)農(nóng)比例較大。本研究中,耕地面積比例10%以上的瓦羅、太和塞、萬(wàn)鎮(zhèn)、賀家川、沙峁鄉(xiāng)和馬鎮(zhèn)等南部的6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)里,18年間的沙化土地減少率0.3%以下,甚至有所增加?？赡苁瞧赂氐乃亮魇?dǎo)致了土地沙化進(jìn)程。分析2003年神木縣社會(huì)統(tǒng)計(jì)資料后發(fā)現(xiàn),人均土地面積少、耕地面積比例大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地沙化擴(kuò)展趨勢(shì)很明顯（圖7）。意味著過(guò)度開墾利用影響土地沙化擴(kuò)展。

圖7 土地沙化與人均土地面積、耕地面積比例關(guān)系（2003年數(shù)據(jù)）

3 結(jié)論

1）2004年,神木縣沙化土地面積占總土地面積的8%。1986-2004年的18年間,沙化土地減少了750 km2左右,但局部仍然擴(kuò)展。

2）黃土峁地區(qū)的開墾利用促進(jìn)了土地沙化進(jìn)度,推廣科學(xué)的坡耕地管理模式是水土保持的關(guān)鍵。人均土地面積少、耕地面積比例大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)視為防止土地沙化的重點(diǎn)地區(qū)。

3）以往的土地沙化遙感分析中一般以區(qū)域等大范圍為研究對(duì)象。本研究以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位,實(shí)地調(diào)查與遙感技術(shù)結(jié)合的方式分析了土地沙化趨勢(shì)及社會(huì)影響因素,結(jié)果更客觀地反映實(shí)際情況,可以對(duì)決策者提供更詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

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