正藍(lán)旗荒漠化遙感動態(tài)監(jiān)測研究

王琳琳，王旭紅

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

荒漠化作為我國北方土地退化的主要形式，已經(jīng)造成了巨大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失。土地荒漠化是由氣候變化和人類活動共同所引起的，已被人們普遍所認(rèn)可。土地荒漠化過程是一個極為復(fù)雜的過程，它是生態(tài)系統(tǒng)遭受干擾后，生態(tài)平衡遭到破壞，植被及環(huán)境發(fā)生全面退化的過程［1］。隨著21世紀(jì)初沙塵暴的頻繁發(fā)生，國內(nèi)關(guān)于土地荒漠化過程的研究已有很多，渾善達(dá)克沙地是中國五大沙地之一［2］，荒漠化發(fā)展非常嚴(yán)重，研究者從荒漠化現(xiàn)狀、原因、防治以及景觀發(fā)展等不同角度，探討了荒漠化問題［3］［4］［5］。正藍(lán)旗位于渾善達(dá)克沙地中段，亦受到了社會各界的廣泛關(guān)注，但對土地荒漠化過程的研究相對較少，且缺乏不同過程之間相互關(guān)系的研究。以正藍(lán)旗為例，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合1987年遙感影像解譯數(shù)據(jù)為第一時期的數(shù)據(jù)，再以2000年遙感影像解譯數(shù)據(jù)為第二時期的數(shù)據(jù)，針對荒漠化土地進(jìn)行近13年的動態(tài)變化分析。

1 研究區(qū)概況

正藍(lán)旗位于錫林郭勒盟南端，渾善達(dá)克沙地腹地，東與多倫縣及赤峰市克什克騰旗毗鄰，西與正鑲白旗接壤，北與阿巴嘎旗、錫林浩特市相連，南與太仆寺旗和河北省相鄰。地理坐標(biāo)為北緯 41°59'～ 43°11'，東經(jīng) 115°00'～ 116°42'，是離北京最近的草原牧區(qū)，也是距離北京最近的沙塵源。正藍(lán)旗地貌主要由沙地沙丘，低山丘陵和河谷地貌組成，平均海拔1 300 m。正藍(lán)旗南部為低山丘陵，屬草甸草原類型，北部是渾善達(dá)克沙地，沙地植被為草甸草原、干草原和西部的荒漠草原川。正藍(lán)旗內(nèi)沙地面積達(dá)6713.0 km2，占全旗總面積的68%。北部沙地由東南向西北緩緩降低，地面起伏不大，沙地邊緣為剝蝕低山、丘陵，境內(nèi)沙丘、湖泊、盆地及剝蝕高地交錯分布。地帶性土壤主要為黑鈣土、暗栗鈣土、栗鈣土和棕鈣土;非地帶性土壤主要為風(fēng)沙土，其次為沼澤土、鹽堿土和草甸土。屬中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，寒冷、大風(fēng)、少雨、干旱是其顯著特點。

2 遙感影像預(yù)處理

本文所使用的主要信息源包括:覆蓋研究區(qū)的1987年與2000年兩期4景TM影像;參考信息源包括:正藍(lán)旗地區(qū)90年代末大比例尺行政區(qū)劃圖，以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對遙感影像增強(qiáng)和最佳波段組合、幾何校正、影像鑲嵌等處理，建立解譯標(biāo)志，再根據(jù)不同類型、不同程度的荒漠化土地影像特征進(jìn)行人機(jī)交互判讀。

2.1 影像增強(qiáng)和最佳波段組合

為了減少各種信息之間的冗余，同時保留最佳信息量，在遙感影像處理過程中，為使影像所含信息量最大，以便于進(jìn)行目視解譯，選取適當(dāng)?shù)牟ǘ芜M(jìn)行彩色合成始終是一個方便的處理方法。TM4反映不同荒漠化程度的土地上的植被特點，TM3波段反映沙質(zhì)土壤的較高亮度和鹽漬化土地的白化現(xiàn)象，TM2對植被的反射敏感，能區(qū)分林型、樹種，因此本文選用TM4(R)、3(G)、2(B)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方案。

2.2 遙感影像幾何糾正

采用其它年代的已糾正影像做標(biāo)準(zhǔn)參考圖對研究數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。校正后投影為基于WGS84橢球體、中央經(jīng)線為116的UTM投影。

2.3 影像鑲嵌

本內(nèi)涉及的1987年和2000年TM影像各有兩景，因此需要進(jìn)行影像的鑲嵌配準(zhǔn)。為保證像元的亮度值和對比值較均一，采用了直方圖匹配法。

3 荒漠化分類系統(tǒng)及解譯標(biāo)志

3.1 荒漠化分類、分級

如何正確地劃分荒漠化土地的因子類別，目前還沒有統(tǒng)一的劃分原則。根據(jù)區(qū)內(nèi)荒漠化土地分布的特點，在參閱了有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)內(nèi)的土地劃分為荒漠化土地和非荒漠化土地2個類型，其中，荒漠化土地又分為輕度、中度、重度和極重度荒漠化土地 4個等級［6］，各土地類型和荒漠化土地分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土地荒漠化動態(tài)分類系統(tǒng)及標(biāo)識代碼

3.2 影像解譯標(biāo)志的建立

根據(jù)地物特征反映到影像上的光譜變化特點，建立荒漠化目視解譯標(biāo)志，一方面要考慮不同地物特征的光譜反映特點，另一方面要考慮特定影像類型解譯各類荒漠化土地的可能性。根據(jù)這兩條原則和上述荒漠化土地分類、分級系統(tǒng)，不同類型，不同等級荒漠化土地在TM影像上的特征以及結(jié)合其它圖件和荒漠化資料，建立的荒漠化土地TM影像目視解譯標(biāo)志［7］，見圖表 2。

表2 土地利用狀態(tài)和荒漠化土地類型的影像特征

4 荒漠化土地現(xiàn)狀及動態(tài)分析

4.1 土地荒漠化現(xiàn)狀分析

根據(jù)各種荒漠化土地遙感影像特征，對2000年TM影像進(jìn)行人機(jī)交互判讀，并統(tǒng)計得到了土地荒漠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 2000年正藍(lán)旗各荒漠化程度面積比例

根據(jù)遙感解譯發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)荒漠化主要發(fā)生于北部地區(qū)，形成了主軸延伸方向為西北—東南走向的沙丘，中、南部主要發(fā)生水蝕，中部荒漠化主要發(fā)生于河谷平原和山前沖洪積平，在南部存在一條輕度荒漠帶，從阿日巴圖寶拉格浩特經(jīng)查干淖爾延伸到德日蘇臺。研究區(qū)土地荒漠化非常嚴(yán)重，以輕度和中度為主。全旗共有荒漠化土地6 015.3 km2，占總土地面積的59%。其中輕度荒漠化土地2 049.6 km2，占荒漠化土地總面積的34%;中度的1 632.3 km2，占27.1%;強(qiáng)烈的 1 197.4 km2，占 19.9%;極重度的 1 136.1 km2，占18.9%?？梢姡鞣N程度的數(shù)量分布規(guī)律是從輕度到極重度越來越少，僅輕度荒漠化土地就占1/3以上。

4.2 土地荒漠化動態(tài)變化分析

根據(jù)1959年中國科學(xué)院治沙隊考察資料，當(dāng)時渾善達(dá)克沙地流動沙地僅占總面積的2%，半固定沙地占34%，固定沙地占64%。并且這2%的流動沙丘和半固定沙丘，主要分布在西部。由此推斷，當(dāng)時正藍(lán)旗的荒漠化土地是非常少的。

然而，對1987～2000年正藍(lán)旗TM影像上解譯的結(jié)果顯示:正藍(lán)旗1987年荒漠化土地已非常嚴(yán)重，說明在196～1987年間經(jīng)歷了土地荒漠化的強(qiáng)烈快速發(fā)展，且1987年僅正藍(lán)旗的極重度荒漠化土地達(dá)到了1 565.3 km2，為近50年之最。到2 000年為止，極重度重和重度荒漠化土地幾經(jīng)治理，分布面積有所減少(特別是正藍(lán)旗西部現(xiàn)在的扎格斯臺蘇木、那日圖蘇木與伊和海日罕蘇木)，但在西部荒漠化土地在好轉(zhuǎn)的同時，正藍(lán)旗中部和東部的沙質(zhì)草地迅速向輕度和中度荒漠化土地轉(zhuǎn)變，致使到2000年時，總荒漠化土地達(dá)到了近50年來面積最大、最為破碎的情況。另外，正藍(lán)旗土地荒漠化從 1987年的 5 593.8 km2發(fā)展到 2000年的6 015.3 km2，發(fā)展速率為 32.4 km2/年?；哪恋孛娣e增加的同時，盡管重度和嚴(yán)重荒漠化土地面積有所減少，減少的面積分別為 469 km2、0 km2、429.2 km2，但輕度和中度荒漠化土地面積增加的更多，分別為 764.7 km2、555.0 km2，見表5。因此，如果人類不及時采取行動防治當(dāng)?shù)氐幕哪芯繀^(qū)的荒漠化面積和程度可能會繼續(xù)增大。

表3 正藍(lán)旗1987年和2000年土地荒漠化狀況

4.3 荒漠化土地之間的轉(zhuǎn)換

通過分析正藍(lán)旗1987年至2000年土地荒漠化程度類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表4，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土地荒漠化變化過程并不是像人們所估計的完全逐級遞增或逐級遞減，而是在13年的時段內(nèi)存在明顯的躍變過程。如表3所示，1987年的非荒漠化土地4 594.4 km2經(jīng)過 13年左右到 2000年有 7.6%(350.1 km2)躍變?yōu)橹卸取⒅囟群蜆O重度;輕度荒漠化土地1 284.9 km2有 19.3%(248.4 km2)躍變?yōu)橹卸?、重?中度荒漠化土地 1077.3 km2有 3.1%(33.1 km2)躍變?yōu)橹囟?這種躍變現(xiàn)象表明在13年左右該地區(qū)的土地荒漠化嚴(yán)重惡化，發(fā)展十分迅速 ，該地區(qū)土地的保護(hù)與開發(fā)利用一定要慎重。

同樣荒漠化土地逆轉(zhuǎn)也不是逐級遞減的過程，而是具有明顯的躍變遞減過程。如表4轉(zhuǎn)移矩陣中1987年有1 565.3 km2極重度荒漠化土地到2000年有 0.24%(3.7 km2)躍變?yōu)檩p度荒漠化土地，有 0.26%(4.1 km2)躍變?yōu)橹卸然哪恋?，甚至?.1%(1.6 km2)躍變?yōu)榉腔哪恋?。這個現(xiàn)象表明該區(qū)域荒漠化土地在條件適當(dāng)?shù)那闆r下恢復(fù)的潛力還是很大，速度也會很快。

表4 正藍(lán)旗1987年至2000年不同荒漠化類型土地轉(zhuǎn)移矩陣 km2

總之，該地區(qū)荒漠化土地演變過程中所具有的躍變過程表明該區(qū)域的非荒漠化或潛在荒漠化土地并非是最安全的，其會在一定的條件下演變?yōu)槌潭葒?yán)重的荒漠化土地;相反該區(qū)域程度嚴(yán)重的荒漠化土地并非是不可逆轉(zhuǎn)的，同樣會在一定的自然條件下或人類活動干擾下躍變?yōu)檩p度在甚至非荒漠化土地。在對該區(qū)域影像圖解譯后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域西北部有少部分地段的流沙經(jīng)人工治理變?yōu)榉腔哪恋睾洼p度荒漠化土地，也證明了這一規(guī)律。

5 結(jié)論與討論

(1)在1987年有荒漠化土地5 593.8 km2，2000年荒漠化土地面積已達(dá)6 015.3 km2，1987年至2000年土地荒漠化擴(kuò)張平均速度為32.4 km2/年 。荒漠化主要發(fā)生于北部地區(qū)，形成了主軸延伸方向為西北—東南走向的沙丘。

(2)過去50年間，正藍(lán)旗經(jīng)歷了強(qiáng)烈的荒漠化發(fā)展過程，且嚴(yán)重荒漠化土地在1987年分布最廣。從1987年到2000年，部分重度和極重度荒漠化土地，得到了好轉(zhuǎn)，但新的更多的中度和輕度荒漠化土地在發(fā)展，不同程度荒漠化土地的總面積在2000年達(dá)到最大，可以得出僅在人工措施進(jìn)行重點治理的地區(qū)，有明顯變化，其它大部分地區(qū)尚未發(fā)生質(zhì)的變化。

(3)在10～15年的時間尺度內(nèi)，土地荒漠化程度加重與減輕存在明顯的躍變遞減過程，因此對該區(qū)土地的開發(fā)利用需要極其慎重 ，防止開發(fā)利用措施不當(dāng)導(dǎo)致短時間內(nèi)發(fā)展成為重度或極重度荒漠化土地。

(4)該區(qū)的土地荒漠化演變過程在空間分布與土壤類型、地形地貌等環(huán)境因素之間的耦合關(guān)系很密切，如土地荒漠化程度加重的區(qū)域主要分布在半固定風(fēng)沙土土壤類型區(qū)域內(nèi)、在坡地與坡腳地形區(qū)域內(nèi)、在沿河谷與河岸地貌區(qū)域內(nèi)，土地荒漠化程度減輕的區(qū)域主要分布在河流沿岸、湖泊周圍、沙地中的地勢較低處，土地荒漠化程度始終保持穩(wěn)定的區(qū)域地形多為山地、丘陵、河岸，土壤類型多為栗鈣土和黑鈣土。在土地荒漠化的治理過程中，應(yīng)該針對該特征規(guī)律采取相應(yīng)的開發(fā)利用或者治理措施。

(5)氣溫升高和降水量減少是荒漠化景觀發(fā)展的基礎(chǔ)和背景條件，管理失誤、人口增長及由此引起的“三濫”等超強(qiáng)度利用土地行為是影響研究區(qū)土地荒漠化的主要人文因子，控制人口密度，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，改革土地利用制度，加強(qiáng)土地管理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)勢在必行。

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