基于GIS的河北省豐寧縣土地沙化演變及驅(qū)動(dòng)力分析

賈雙竹， 彭 博， 范慧濤， 宣立輝， 郭宇嘉， 谷建才

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 河北 保定 071000)

土地沙化是指干旱、半干旱和部分半濕潤(rùn)地區(qū)，在具有一定沙質(zhì)基礎(chǔ)和干旱、大風(fēng)動(dòng)力條件下，由于過(guò)度人為活動(dòng)與資源、環(huán)境不相協(xié)調(diào)所產(chǎn)生的一種以風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的環(huán)境或土地退化過(guò)程[1]。土地沙化的大面積蔓延就形成荒漠化，是最嚴(yán)重的全球環(huán)境問(wèn)題之一，地球上20%的陸地正在受到沙漠化威脅[2-3]。土地沙漠化已成為制約中國(guó)特別是西部地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，有關(guān)土地沙化的研究受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，何介南等[4]利用若爾蓋縣4期土地沙漠化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了沙化程度的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程；薛占金等[5]從植被退化、土層厚度和風(fēng)蝕強(qiáng)度等方面分析研究了晉北地區(qū)環(huán)境特征及土地沙化的成因機(jī)制；汪曉菲等[6]根據(jù)若爾蓋縣4次土地沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及野外調(diào)查資料，研究了該地區(qū)沙化現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)；白龍等[7]研究分析了陜西省神木縣1986—2004年土地沙化變化趨勢(shì)及社會(huì)環(huán)境因素對(duì)其影響；鄧東周等[8]、朱洪如[9]對(duì)不同地區(qū)土地沙化驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行了分析研究。前人對(duì)土地沙化特征及自然和人為因子的影響力進(jìn)行了大量研究，但針對(duì)豐寧縣土地沙化情況及地形、氣候?qū)ι郴绊懙南嚓P(guān)研究很少。豐寧地區(qū)屬于環(huán)京津風(fēng)沙治理工程的重點(diǎn)地區(qū)之一，加強(qiáng)該地區(qū)的植被恢復(fù)建設(shè)，對(duì)改善河北的生態(tài)環(huán)境和保護(hù)京津地區(qū)的生態(tài)安全具有重要的意義。因此，本文擬利用衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測(cè)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析統(tǒng)計(jì)，對(duì)不同時(shí)期的遙感影像進(jìn)行處理，對(duì)河北省豐寧縣的大灘鎮(zhèn)、魚兒山鎮(zhèn)、土城鎮(zhèn)、萬(wàn)勝永鄉(xiāng)、四岔口鄉(xiāng)、外溝門鄉(xiāng)、草原鄉(xiāng)、小壩子鄉(xiāng)、草原林場(chǎng)、大灘林場(chǎng)、四岔口林場(chǎng)11個(gè)主要土壤沙化區(qū)2009—2014年的沙化演變規(guī)律和驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行綜合分析，為今后該地區(qū)沙化治理、土地資源的合理利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

豐寧滿族自治縣位于河北省北部、承德市西部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°14′—117°24′，北緯40°35′—42°00′，總面積為8 765 km2。地處燕山北麓和內(nèi)蒙古高原南緣，地勢(shì)由東南向西北呈階梯狀增高，分為壩下、接壩和壩上3個(gè)地貌單元。該縣屬于中溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)型高原山地氣候，春季多風(fēng)干旱、夏季濕熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥。全年多為西風(fēng)、西北風(fēng)，年均風(fēng)速達(dá)每秒4.3 m，年均大風(fēng)日數(shù)49 d，沙塵暴13 d，年均氣溫0.9～6.2 ℃，無(wú)霜期110～145 d，年有效積溫壩上地區(qū)為1 082 ℃，壩下為1 489 ℃，年日照時(shí)數(shù)2 903.6 h，晝夜溫差大，年降雨量350～550 mm。植被具有內(nèi)蒙古高原草原特點(diǎn)，類型復(fù)雜，物種組成豐富，以楊、樺樹和大面積草甸草原為主。當(dāng)?shù)厝藶榛顒?dòng)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和放牧對(duì)土壤沙化影響嚴(yán)重。豐寧縣壩上地區(qū)土地沙化面積不斷增加，20世紀(jì)70年代為34 224 hm2，80年代為57 591 hm2，90年代為131 927 hm2[10]。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及信息提取

選用2009-07，2014-08這2期TM遙感影像，盡量使得遙感數(shù)據(jù)無(wú)噪聲和條帶，云層覆蓋低于5%，利用PCI Geomatica等遙感圖像處理軟件，以1∶50 000地形圖為基準(zhǔn)進(jìn)行幾何校正、圖像融合、影像拼接等，建立研究區(qū)域的數(shù)字影像。校正采用的是二次多項(xiàng)式糾正法，即用高分辨率的全色影像對(duì)低分辨率的多光譜影像進(jìn)行糾正。將原始影像與DEM等信息融合后采用基于“徑向基函數(shù)”的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行遙感影像的計(jì)算機(jī)分類，分類精度均值大于90%。利用Kappa系數(shù)對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，經(jīng)檢驗(yàn)，研究區(qū)2009和2014年土地利用及沙化分類分級(jí)的Kappa系數(shù)均在0.8以上，分類結(jié)果良好[11]。利用ArcGIS軟件的空間分析與統(tǒng)計(jì)功能提取沙化土地類型、程度、面積、土地利用類型、氣候和地貌等信息，在此基礎(chǔ)上分析沙化土地的時(shí)空變化特征及其與土地利用類型、氣候、地貌等因子的相關(guān)性。

2.2 沙化土地分類分級(jí)

不同土地利用類型在遙感圖像中呈現(xiàn)出的光譜信息不同，利用這一特征，采用監(jiān)督分類中的最大似然法進(jìn)行特征判別，結(jié)合遙感圖像信息并參考Google Earth影像進(jìn)行目視解譯，將該區(qū)土地利用分為6類：耕地、林地、草地、居民建筑交通用地、水域和未利用地。

參照《沙化土地監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(GB/T 24255-2009)，結(jié)合解譯得到的矢量圖形數(shù)據(jù)，土地沙化類型分為5類：非沙化土地、固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢(shì)的土地、沙化耕地。依據(jù)解譯標(biāo)志，參考相關(guān)研究[12]，豐寧縣土地沙化程度分為4類：非沙化土地、輕度沙化、中度沙化、重度沙化。

3 結(jié)果分析

3.1 沙化土地時(shí)空變化特征

分別采用2009和2014年的TM遙感影像經(jīng)過(guò)解譯，對(duì)豐寧縣5 a來(lái)土地沙化在空間上和時(shí)間上的動(dòng)態(tài)變化情況進(jìn)行了研究，同時(shí)為了對(duì)比分析，分別按沙化程度和沙化類型的變動(dòng)情況，利用ArcGIS得到不同時(shí)段沙化土地空間動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3.1.1 不同沙化程度時(shí)空變化特征 依據(jù)2期土地沙化數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)不同土地沙化程度空間分布及動(dòng)態(tài)變化情況見圖1所示。

圖1 2009年和2014年土地沙化程度分布

分析研究區(qū)不同土地沙化程度空間分布情況可以發(fā)現(xiàn)，2009年土地沙化主要集中在中部以西地區(qū)，少數(shù)分布在南部地區(qū)；其中，中度沙化在中部偏上地區(qū)較為集中，重度沙化在西北方向上分布較為集中，其余均呈零星分布；到2014年，土地沙化在東北方向上出現(xiàn)零星分布，且為中度沙化；與2009年相比，中度沙化集中分布區(qū)現(xiàn)已呈零星分布，重度沙化分布極顯著減少。

此次對(duì)豐寧縣主要風(fēng)沙區(qū)的11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)土地沙化動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，監(jiān)測(cè)面積總計(jì)332 973.8 hm2。分析研究區(qū)不同土地沙化程度動(dòng)態(tài)變化結(jié)果可以看出，2009年土地沙化面積為85 506.3 hm2，占總面積的25.68%，輕度沙化、中度沙化、重度沙化占沙化土地總面積的比重分別為78.42%，19.00%，2.58%；2014年土地沙化面積為84 697.1 hm2，占總面積的25.44%，輕度沙化、中度沙化、重度沙化占沙化土地總面積的比重分別為78.51%，21.10%，0.39%；從2009—2014年，非沙化土地面積增加809.2 hm2，重度沙化面積顯著減少，減少了1 872.6 hm2，輕度沙化面積減少了560.9 hm2，中度沙化面積增加了1 624.3 hm2。

3.1.2 不同沙化類型時(shí)空變化特征 依據(jù)2期土地沙化數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)不同土地沙化類型空間分布情況及動(dòng)態(tài)變化見圖2。

圖2 豐寧縣2009年和2014年沙化土地類型分布

由圖2沙化土地類型分布可以看出，有明顯沙化趨勢(shì)的土地主要分布在中部偏西及西北角地區(qū)，從2009—2014年，沙化耕地、有明顯沙化趨勢(shì)的土地在分布上變化不顯著，但半固定沙地在分布上變動(dòng)明顯，2009年半固定沙地在西北部分布較為集中，而西部地區(qū)也有零星分布；2014年半固定沙地位置明顯向左偏移，在西部方向上分3塊呈較聚集分布，且2009年的半固定沙地分布區(qū)到2014年多轉(zhuǎn)化為固定沙地分布區(qū)。

不同類型沙化土地面積統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，2009年沙化土地面積共計(jì)95 523.1 hm2，占總面積的28.69%。固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢(shì)的土地、沙化耕地占沙化土地總面積的百分比分別為53.67%，2.16%，10.49%，33.68%。2014年沙化土地面積為94 895.6 hm2，占總面積的28.50%。固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢(shì)的土地、沙化耕地占沙化土地總面積的百分比分別為53.30%，2.06%，10.75%，33.89%。不同沙化類型土地面積與2009年相比，2014年固定沙地面積減少了697.6 hm2，半固定沙地面積減少了111.9 hm2，有明顯沙化趨勢(shì)的土地面積增加了181.6 hm2，沙化耕地面積變動(dòng)最小，僅減少了5.5 hm2。

3.2 沙化土地時(shí)空變化的驅(qū)動(dòng)力分析

土地沙化是脆弱的生態(tài)環(huán)境與人類活動(dòng)相互作用、相互影響而共同導(dǎo)致的結(jié)果，在土地沙化過(guò)程中引起土地沙化并發(fā)生改變的驅(qū)動(dòng)因子眾多且難以區(qū)分驅(qū)動(dòng)作用大小，要結(jié)合當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行判別[13-15]。豐寧縣作為典型的土地沙化地區(qū)之一，脆弱的自然環(huán)境條件是造成土地沙化的根源，因此，本文結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐恋乩妙愋?、氣候條件、地貌類型對(duì)沙化土地時(shí)空變化做進(jìn)一步分析。

3.2.1 土地利用類型 依據(jù)2期土地沙化數(shù)據(jù)，研究區(qū)不同土地利用類型空間分布情況及動(dòng)態(tài)變化見附圖3和表1所示。

分析研究區(qū)土地利用類型空間分布情況可以看出，耕地、林地及草地是該地區(qū)主要的土地利用形式，且中部以西地區(qū)的草地逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀Y(jié)合圖1土地沙化程度分布情況可以看出，沙化區(qū)的主要土地利用類型為草地和耕地，而林地所在的中東、東南地區(qū)僅有少量分布。

表1 2009-2014年研究區(qū)土地利用類型面積 hm2

從表1土地利用類型面積動(dòng)態(tài)變化情況可知，未利用地面積增加了11 042.0 hm2，但未出現(xiàn)沙化；到2014年非沙化土地中耕地面積增加了821.2 hm2，沙化面積基本不變；隨著時(shí)間的推移，林地、草地面積動(dòng)態(tài)變化明顯，林地面積增加40 565.0 hm2，其中非沙化土地面積增加29 370.3 hm2，輕度沙化所占比重降低了6.4%，盡管不同程度沙化面積較之前有所增加，但沙化面積所占比重變化較??；草地面積減少了52 349.7 hm2，輕度、中度沙化土地面積減少分別為9 365.1，587.5 hm2，重度沙化面積下降顯著，面積減少了2 045.8 hm2，下降率達(dá)99.6%。

3.2.2 氣 候 依據(jù)當(dāng)?shù)氐哪昶骄涤炅?，以年等降水量線<200 mm為干旱區(qū)，200～400 mm為半干旱區(qū)，>800 mm為濕潤(rùn)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)[16]，將研究區(qū)的氣候劃分為干旱、半干旱和濕潤(rùn)3種類型。則2009—2014年研究區(qū)氣候類型分布情況及動(dòng)態(tài)變化情況如圖3及表2所示。

圖3 豐寧縣2009年和2014年氣候類型分布

表2 2009-2014年豐寧縣不同氣候類型沙化面積hm2

從豐寧縣氣候類型分布圖(圖3)可以看出，研究區(qū)以干旱和半干旱氣候類型為主，2009年有少量濕潤(rùn)氣候的西北、東北部地區(qū)在2014年時(shí)的氣候類型分別轉(zhuǎn)化為干旱、半干旱氣候類型。結(jié)合圖1不同年份土地沙化程度分布可知，沙化土地主要分布在氣候干旱條件下。

從表2可以看出，2009年干旱、半干旱及濕潤(rùn)氣候類型中沙化面積占沙化總面積的百分比為57.70%，41.79%，0.51%；2014年干旱、半干旱氣候類型中沙化面積占沙化面積的百分比為59.44%和40.56%。輕度、中度及重度沙化面積所占沙化總面積的比重，2009年干旱氣候條件下分別為85.02%，11.16%，3.82%；半干旱氣候條件下各占69.15%，29.95%，0.90%；2014年干旱氣候條件下分別為77.89%，21.68%，0.43%；半干旱氣候條件下各占79.42%，20.23%，0.35%。2009—2014年，干旱氣候條件下的非沙化土地面積增加了6 757.5 hm2，沙化面積增加了1 005.6 hm2；半干旱氣候條件下的非沙化土地面積減少了5 072.3 hm2，沙化面積減少了1 381.0 hm2。

3.2.3 地 貌 依據(jù)地貌對(duì)氣候、土壤和植被地域差異影響的大小，結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛蔡攸c(diǎn)，以相對(duì)高度>500 m為高原，200～500 m為低山，<200 m為其他的標(biāo)準(zhǔn)[17]，將研究區(qū)的地貌類型分為高原、低山、其他3種類型。則2009—2014年研究區(qū)地貌類型分布情況及動(dòng)態(tài)變化情況如圖4和表3所示。

圖4 豐寧縣地貌類型分布

表3 2009-2014年豐寧縣不同地貌類型沙化面積hm2

由研究區(qū)地貌分布圖4可以看出，高原和低山為研究區(qū)內(nèi)的2種主要地貌類型，其中，高原主要分布在西部地區(qū)，低山分布在東部地區(qū)，結(jié)合圖1不同年份土地沙化程度分布可知，沙化土地主要分布在高原地區(qū)。

由表3可知，研究區(qū)地貌類型中，低山、高原及其他地貌類型沙化面積占沙化總面積的比重，2009年分別為41.23%，58.06%，0.71%；2014年各占41.84%，57.20%，0.96%。輕度、中度及重度沙化面積所占沙化面積的比重，2009年低山地貌條件下分別為70.08%，29.00%和0.91%；高原地貌條件下各占85.30%，10.91%，3.79%；2014年低山地貌條件下分別為79.22%，19.94%，0.34%；高原地貌條件下各占77.92%，21.64%，0.44%。2009—2014年，低山地貌條件下的非沙化土地面積增加了5 150.2 hm2，沙化面積增加了188.6 hm2；高原地貌條件下的非沙化土地面積增加了4 940.3 hm2，沙化面積減少了1 199.3 hm2。

4 結(jié)論與討論

2009—2014年承德豐寧地區(qū)土地沙化程度、沙化類型在空間上和時(shí)間上都發(fā)生了較大變化。沙化土地主要分布在中部以西地區(qū)。2009年的中度、重度沙化集中分布區(qū)到2014年沙化程度均顯著下降。盡管中度沙化面積有所增加，但沙化面積總體呈扭轉(zhuǎn)變好態(tài)勢(shì)，輕度沙化面積減少了560.9 hm2，重度沙化面積減少了1 872.6 hm2，非沙化土地面積增加了809.2 hm2。沙化土地以固定沙地為主，到2014年半固定沙地多轉(zhuǎn)化為固定沙地。

對(duì)造成研究區(qū)土地沙化的土地利用類型、氣候、地貌驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行分析，結(jié)果表明，沙化區(qū)主要土地利用類型為耕地和草地，而林地分布區(qū)土壤沙化程度低，林地面積增加能降低土地沙化。到2014年，林地面積增加40 565.0 hm2，草地面積減少52 349.7 hm2。研究區(qū)氣候類型以干旱、半干旱為主，到2014年干旱區(qū)沙化面積為50 345.7 hm2，半干旱區(qū)沙化面積為34 351.4 hm2，干旱區(qū)沙化面積顯著高于半干旱區(qū)。低山和高原是研究區(qū)的主要地貌類型，沙化土地集中分布區(qū)的地貌類型以高原為主，且高原區(qū)土地沙化面積大于低山區(qū)，2009年高原區(qū)土地沙化面積比低山區(qū)多14 393.5 hm2，2014年高原區(qū)土地沙化面積比低山區(qū)多13 005.6 hm2。

土壤沙化受多方面因素的共同影響。近5 a來(lái)土壤沙化出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，這與合理利用土地密不可分，多植樹造林，有助于減少土壤流失，研究表明在該地區(qū)干旱環(huán)境條件下的高原區(qū)更容易造成土壤沙化，因此，要特別注重該地區(qū)的土地利用，要合理開發(fā)利用。