和田河西岸荒漠林動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)力研究

摘 要：該文基于遙感和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，以干旱區(qū)典型荒漠—綠洲—新疆和田河西岸為研究區(qū)，利用該地區(qū)2000年、2011年兩個(gè)時(shí)段的多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（TM、HRV），采用主成分分析法和分層監(jiān)督分類的方法，分別解譯出2個(gè)時(shí)期的荒漠林?jǐn)?shù)據(jù)。并對(duì)該區(qū)2000-2011年11年間的荒漠林?jǐn)?shù)量、類型及其時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到該區(qū)2000-2011年荒漠林變化情況及其動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)移矩陣。結(jié)果顯示：和田河西岸近11年來(lái)荒漠林?jǐn)?shù)量呈增加趨勢(shì)，其中疏林地變化強(qiáng)度最大；其他林地向有林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)、非林地向宜林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)最為明顯，荒漠林整體向有利的趨勢(shì)發(fā)展；變化的主導(dǎo)因素是政策因素和人為因素，其次是氣候因素。

關(guān)鍵詞：和田河 多源遙感圖像 荒漠林 動(dòng)態(tài)變化

中圖分類號(hào)：P951文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（a）-0-04

森林在地球占有很大的比例，陸地表面的森林是遙感觀測(cè)和記錄的第一表層，是遙感圖像反映的最直接的信息，它與一定的氣候、地貌、土壤條件相適應(yīng)，受多種因素控制，對(duì)地理環(huán)境的依賴性最大，對(duì)其他因素的變化也最為敏感。因此，研究森林分布的時(shí)空變化能夠客觀的反映區(qū)域自然條件的變化，對(duì)區(qū)域的發(fā)展起一定的指導(dǎo)作用。

新疆和田地區(qū)位于塔克拉瑪干沙漠南緣、昆侖山北麓，屬于典型的荒漠—綠洲交錯(cuò)帶。降水稀少，風(fēng)大沙多，屬典型的大陸性氣候。植被通常較為稀疏，多呈斑塊狀分布，且時(shí)空變化幅度較大，使干旱環(huán)境中的生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱，加之人類活動(dòng)的干擾，極易發(fā)生荒漠化[1]。

近年來(lái)，和田河西岸以天然植被為主體的生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)過(guò)程因人為對(duì)自然水資源時(shí)空格局的改變而受到嚴(yán)重影響，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重退化[2]。環(huán)境的變化必將影響地表植被分布，從而影響到土地利用和土地覆蓋，最終導(dǎo)致該地區(qū)水分循環(huán)和熱量循環(huán)的改變[3]。該文以研究和田河西岸荒漠林動(dòng)態(tài)變化為主，對(duì)改善西部干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境意義深遠(yuǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)干旱區(qū)域荒漠—綠洲交錯(cuò)帶的研究較多。丁建麗、孫秋梅、王兮之等分別利用不同的研究方法，探討了和田河流域綠洲荒漠過(guò)渡帶環(huán)境變化的過(guò)程[4-6]。本研究結(jié)合兩期衛(wèi)星遙感影像，以林地分類的角度，通過(guò)對(duì)和田河西岸荒漠林變化的研究，加深對(duì)干旱區(qū)荒漠林演變的認(rèn)識(shí)，為今后的研究提供一定的理論基礎(chǔ)，為當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)提供依據(jù)，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)樾陆吞锖游靼叮搮^(qū)域位于昆侖山北麓，塔克拉瑪干大沙漠南緣，地處東經(jīng)79 °08′～80 °51′，北緯36 °36′～ 39 °38′，地面海拔1120～3600 m。東與和田縣隔河相望，西臨戈壁與皮山縣接壤，南抵喀喇昆侖山北麓，北入塔克拉瑪干大沙漠與阿瓦提縣相鄰。地勢(shì)南高北低，地形分三個(gè)地貌單位：南部為山腰起伏勢(shì)山區(qū)；中部為洪水沖積扇平原，是主要的農(nóng)業(yè)種植區(qū)；西北部是沖積沙漠平原，生長(zhǎng)著大面積原始胡楊林、檉柳。土壤主要為風(fēng)沙土和棕模土，植被稀疏，覆蓋度只有15%～30%，是典型的荒漠—綠洲交錯(cuò)地區(qū)。研究區(qū)的氣候?qū)倥瘻貛Ц稍锘哪畾夂?，四季分明，夏季炎熱，干燥少雨，春季升溫快，秋季降溫快，降水量稀少，光照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，晝夜溫差大。年平均氣溫11.3 ℃，年平均降水量為36～37 mm，蒸發(fā)量239 mm，無(wú)霜期177 d，年日照時(shí)數(shù)為2655 h。研究該地區(qū)的荒漠化程度及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于該地區(qū)的荒漠化控制，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展以及土地利用開發(fā)等方面都至關(guān)重要。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

研究所用遙感圖像為覆蓋研究區(qū)的2000年7月的TM全波段圖像和2011年6月的XI多光譜SPOT-HRV圖像。另有2000、2011年和田河西岸森林資源分布圖（1∶1000000）及其矢量數(shù)據(jù)，研究區(qū)森林資源二類調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、公益林區(qū)劃成果，統(tǒng)計(jì)資料（氣象、水文、人口、土壤、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等）等。數(shù)據(jù)的采集與處理采用遙感和地理信息系統(tǒng)方法以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。

2.2 研究方法

首先利用ERDAS 9.1遙感圖像處理軟件，分別對(duì)2個(gè)時(shí)相、2種數(shù)據(jù)源的同一研究區(qū)的遙感影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，由于兩種圖像的空間、光譜分辨率不同以及動(dòng)態(tài)分析的需要，2個(gè)時(shí)相的圖像各數(shù)據(jù)層像素間需嚴(yán)格配準(zhǔn)，方法是在對(duì)2種圖像幾何精校正后，將TM 圖像放大1.5倍，再以SPOT—HRV 圖像為參考圖像，選取控制點(diǎn)，采用多項(xiàng)式擬合法進(jìn)行影像配準(zhǔn)，然后用雙線性內(nèi)插法進(jìn)行重采樣[7]，誤差小于一個(gè)像元。

其次對(duì)TM、SPOT數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、鑲嵌與裁切，融合后的影像較好地保持了多光譜影像的色彩信息[8]，可以清晰看見不同地物的紋理特征，經(jīng)過(guò)影像融合，例如果園的樹冠在融合后的影像呈現(xiàn)顆粒狀的特征，這樣原來(lái)在TM 影像上無(wú)法區(qū)分清楚的林地和耕地，可以用肉眼較好地識(shí)別出。

最后對(duì)圖像進(jìn)行分類處理，利用經(jīng)過(guò)拉伸增強(qiáng)處理的RGB-543的彩色圖像，以1∶1000000研究區(qū)森林資源分布圖和實(shí)地調(diào)查資料作為輔助參考資料，對(duì)融合影像分別建立初始判讀標(biāo)志，然后到野外加以驗(yàn)證，最終確定各地類的解譯標(biāo)志。利用具有較高空間分辨率的融合影像構(gòu)造的NDVI指數(shù)對(duì)研究區(qū)域的荒漠林進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分類方法采用多步驟監(jiān)督分類。以2000年小斑圖層為本底數(shù)據(jù)，首先選擇代表不同類別的林地小斑，通過(guò)空間分析分別轉(zhuǎn)化為感興趣區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，利用TM 和SPOT-5全色波段數(shù)據(jù)融合后的影像，進(jìn)行分層監(jiān)督分類，識(shí)別原有林地發(fā)生的變化；對(duì)于非林地采用小斑圖層掏空研究區(qū)行政圖層，結(jié)合影像監(jiān)督分類，識(shí)別非林地和林地相互轉(zhuǎn)化的信息；合并林地和非林地變化信息；最后通過(guò)人工目視解譯等步驟排除干擾因素及遙感圖片投影參數(shù)不同造成的偽信息，獲得不同時(shí)期的荒漠林類

型圖。

2.3 荒漠林變化強(qiáng)度指數(shù)

荒漠林變化強(qiáng)度指數(shù)是指某一區(qū)域i內(nèi)，單位面積上植被類型j從a時(shí)期到b時(shí)期發(fā)生的改變?；哪肿兓瘡?qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式

如下。

式中、分別代表研究初期和研究末期某種荒漠林類型的面積（公頃），表示研究期時(shí)段長(zhǎng)，F(xiàn)Ai表示研究區(qū)面積，當(dāng)?shù)膯挝辉O(shè)定為年時(shí)，值就是該研究區(qū)域內(nèi)某種植被類型的年變化強(qiáng)度。

3 結(jié)果與分析

3.1 荒漠林的數(shù)量結(jié)構(gòu)與變化

從所研究的2個(gè)時(shí)段來(lái)看，研究區(qū)荒漠林的數(shù)量結(jié)構(gòu)變化總體呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)。由表1可見，2000—2011年期間，疏林地面積呈明顯上升趨勢(shì)，面積增加了146271.26 hm2；宜林地面積增長(zhǎng)幅度較大，增加了17204.27 hm2；有林地和灌木林地面積也有所增長(zhǎng)，有林地的增加量約為灌木林地的2倍。

3.2 荒漠林地類結(jié)構(gòu)變化分析

荒漠林地類結(jié)構(gòu)的變化對(duì)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的意義，合理的地類結(jié)構(gòu)不僅符合區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，同時(shí)也符合荒漠林生態(tài)建設(shè)目標(biāo)和社會(huì)公益目標(biāo)。根據(jù)和田河西岸荒漠林的兩期數(shù)據(jù)，得出該研究區(qū)的荒漠林地類結(jié)構(gòu)變化結(jié)果，如表2。

從表2和可以看出，2000—2011年間，該研究區(qū)的荒漠林地類結(jié)構(gòu)變化十分顯著。11年間，疏林地面積所占比例呈明顯上升趨勢(shì)，從2000年的18.91%變化到2011年的55.34%；宜林地所占比例下降幅度較大，下降了28.69%。

3.3 荒漠林類型的穩(wěn)定性與轉(zhuǎn)移方向

荒漠林類型之間的相互轉(zhuǎn)換情況可采用馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣來(lái)進(jìn)一步描述。轉(zhuǎn)移矩陣能全面而具體地刻畫區(qū)域各荒漠林類型變化的方向[9]。利用2000-2011年荒漠林動(dòng)態(tài)變化矢量數(shù)據(jù)求出2000年和2011年兩個(gè)時(shí)期的荒漠林類型的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣（見表3）。

3.3.1 有林地

由表3可見，荒漠林類型中有林地向非林地轉(zhuǎn)化面積為747.93 hm2，同時(shí)，有4467.8 hm2非林地轉(zhuǎn)化為有林地；有林地向疏林地轉(zhuǎn)化面積為1905.18 hm2，達(dá)有林地總面積的9.21%，同時(shí)，疏林地向有林地轉(zhuǎn)化面積為3374.80 hm2；有林地和宜林地相互轉(zhuǎn)化面積分別為1270.20 hm2和2953.57 hm2。在該時(shí)期，雖然部分有林地退化成非林地，但是總體有林地面積增加了6872.86 hm2，說(shuō)明該研究區(qū)有林地消退和增長(zhǎng)過(guò)程同時(shí)存在，增長(zhǎng)的速度大于消退的速度。

3.3.2 宜林地

在2000—2011年期間，宜林地的面積有所增加，其中，非林地向宜林地轉(zhuǎn)化面積最多，為68180.06 hm2；同時(shí)，有38266.37 hm2的宜林地轉(zhuǎn)化為疏林地，說(shuō)明宜林地的穩(wěn)定性不斷上升，荒漠林向著有利的趨勢(shì)發(fā)展。但是，仍存在不利因素，有9313.87 hm2的宜林地轉(zhuǎn)化為非林地，值得引起重視。

3.3.3 疏林地

在2000—2011年期間，疏林地面積呈增加趨勢(shì)，增加趨勢(shì)顯著。其中，非林地向疏林地轉(zhuǎn)移量最大，達(dá)111481.39 hm2，其次為宜林地，轉(zhuǎn)化面積為38266.37 hm2；同時(shí)，疏林地向有林地轉(zhuǎn)化面積為3374.80 hm2，占疏林地面積的12.84%。

3.3.4 穩(wěn)定性

不同時(shí)期內(nèi)，不同類型荒漠林的穩(wěn)定性是有所差異的。但是，在研究區(qū)域內(nèi)，這種穩(wěn)定性的差異表現(xiàn)不是很明顯。在研究區(qū)域內(nèi)，2000—2011年，荒漠林整體穩(wěn)定性有所增加，表現(xiàn)為其他林地向有林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)、非林地向宜林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)最為明顯。

如表3與表4所示，2000—2011年期間有林地未發(fā)生變化的面積占其總面積的81.03%，疏林地未發(fā)生改變的面積占其總面積的79.52%，灌木林地未發(fā)生改變的面積占其總面積的95.17%，宜林地未發(fā)生改變的面積占其總面積的38.86%?？梢钥闯?，灌木林地的穩(wěn)定性最強(qiáng)，其次是有林地和疏林地，宜林地的穩(wěn)定性

最弱。

4 結(jié)論與討論

4.1 氣候變化對(duì)荒漠—綠洲交錯(cuò)帶的影響

目前，氣候變暖已在全球范圍產(chǎn)生影響，在我國(guó)的荒漠地區(qū)亦無(wú)例外[10]。溫度與濕度的變化必然引起水循環(huán)時(shí)空的變化。該研究的研究時(shí)間段為2000—2011年，研究區(qū)的氣候變化主要體現(xiàn)在隨著溫度的緩慢上升，該地區(qū)的降水量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)（圖2）。

圖2 和田河西岸溫度與降水變化趨勢(shì)（2000—2011年）

從圖2可以看出，研究區(qū)2000—2011年溫度整體呈上升趨勢(shì)，這與塔里木河流域氣候變化趨勢(shì)相一致[11-12]。與研究初期相比，2011年平均氣溫上升了0.6 ℃，年最高氣溫上升了2.2 ℃，氣溫上升趨勢(shì)顯著。該區(qū)2011年總降水量比2000年減少了9.2 mm，年降水平均值比2000年低38.5%。

4.2 荒漠林變化及其驅(qū)動(dòng)分析

在20世紀(jì)70年代到80年代末，和田地區(qū)的植被遭受較嚴(yán)重的破環(huán)，植被覆蓋面積急劇減少，同時(shí)該地區(qū)的環(huán)境條件也急劇惡化。至1978年政府禁止亂砍濫伐以來(lái)，經(jīng)過(guò)政策的調(diào)整，和田地區(qū)的植被不僅得到很好的恢復(fù)，并且林地面積大量增加。從以上研究結(jié)果可以看出，在一系列優(yōu)惠政策的指導(dǎo)下，人們對(duì)森林資源開始重視，采取各種防護(hù)措施，引洪灌渠，封山育林，到2011年，該地區(qū)的荒漠林面積有了大幅度的增加，自然環(huán)境條件日益好轉(zhuǎn)（圖3）。

圖3 2000—2011年新疆和田河西岸荒漠林?jǐn)?shù)量結(jié)構(gòu)

4.2.1 氣候因子

根據(jù)2000—2011年的氣候變化曲線可見（圖2），總體上，溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，對(duì)荒漠林生長(zhǎng)起副作用。但該時(shí)期的荒漠林面積反而增加，由此看出，荒漠林?jǐn)?shù)量的變化并不是隨著氣候的變化而變化的，氣候變化并不是荒漠林?jǐn)?shù)量變化的主導(dǎo)因素。

4.2.2 人為因素

除了氣候因素對(duì)荒漠林變化有影響外，人為因素也是引起荒漠林變化的重要因素之一。2000年以前，由于人們不合理的開發(fā)利用水土資源，使得大面積的荒漠林胡楊、紅柳等荒漠林快速消退，河流沿岸的植被—荒漠固定沙包帶被毀壞，導(dǎo)致的直接后果就是綠洲失去了天然和人工荒漠林的屏障保護(hù)，加速該地區(qū)土地荒漠化進(jìn)程。近年來(lái)，由于人們對(duì)森林資源的重視，采取各種防護(hù)措施，引洪灌渠，封山育林，使得大面積的宜林地轉(zhuǎn)化為疏林，荒漠林面積大幅度上升。

4.2.3 政策因素

國(guó)家政策是影響荒漠林變化的又一主要因素。自20世紀(jì)90年代中期國(guó)家逐步實(shí)施退耕還林政策以來(lái)，和田地區(qū)政府禁止亂采亂伐，并通過(guò)開展“三北”防護(hù)林建設(shè)工程、退耕還林工程、天然林保護(hù)、封育工程，建立波斯坦庫(kù)勒生態(tài)治理區(qū)，使得荒漠林面積大幅度上升，大面積的宜林地轉(zhuǎn)化為疏林地。

4.3 遙感影像分辨率的影響

從表1可以明顯看出有林地、灌木林地和宜林地的變化強(qiáng)度指數(shù)相差不大，分別為0.0249%、0.5308%和0.0089%，而疏林地的變化強(qiáng)度指數(shù)達(dá)到0.5308%。這是因?yàn)?000年所采用的多光譜TM 圖像空間分辨率較低造成邊界不清，以至于該面積中丟失了部分原有信息[13]。但融合后的圖像卻達(dá)到衛(wèi)星全色波段的空間分辨率，分辨出了細(xì)微地物，使得2011年的數(shù)據(jù)精度非常高，準(zhǔn)確的反映了荒漠林變化的信息。因此造成疏林地的變化強(qiáng)度指數(shù)

異常。

5 結(jié)語(yǔ)

遙感技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用已有較長(zhǎng)的歷史。森林資源調(diào)查方法不斷趨向多元化和綜合化。結(jié)合地面調(diào)查數(shù)據(jù)與時(shí)間空間不斷變化的遙感圖像，得到和田河西岸2000—2011年荒漠林空間變化結(jié)果：荒漠林?jǐn)?shù)量呈明顯增加趨勢(shì)，疏林地變化強(qiáng)度最大；其他林地向林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)、非林地向宜林地轉(zhuǎn)移趨勢(shì)明顯；荒漠林穩(wěn)定性不斷上升，表現(xiàn)為未轉(zhuǎn)移量所占比例，有林地、灌木林地、疏林地穩(wěn)定性最強(qiáng)，宜林地穩(wěn)定性最弱。從整體上看，該研究區(qū)的荒漠林變化向著可持續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)發(fā)展，但仍然存在一些不利的因素，例如由于人們不合理的土地開墾或過(guò)度開荒及水資源利用引起大面積胡楊、檉柳等荒漠植被快速消退，加速該地區(qū)土地荒漠化進(jìn)程?？傊?，要實(shí)現(xiàn)區(qū)域荒漠植被的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)功能的良性發(fā)揮，必須注重荒漠林優(yōu)化，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)的平衡發(fā)展。

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