毛烏素沙地近30年沙漠化土地時空動態(tài)演變格局

韓雪瑩, 楊 光, 秦富倉, 賈光普, 凌 俠, 高 崗

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010018; 2.呼和浩特市林業(yè)局, 呼和浩特 010020)

沙漠化問題對全球經(jīng)濟、文化、生態(tài)都產(chǎn)生了十分嚴重的影響，甚至對人類發(fā)展造成了巨大威脅[1-2]，已成為全球環(huán)境變化的熱點與前沿問題。我國是世界上受沙漠化影響最嚴重的國家之一[3]。1992年聯(lián)合國科教文組織專家對全球環(huán)境分析，認定毛烏素沙地為全球第九大環(huán)境敏感區(qū)之一[4]，對鄂爾多斯等周邊地區(qū)生態(tài)安全產(chǎn)生了巨大的威脅，嚴重的影響了當?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活，已成為沙漠化研究的熱點地區(qū)[5-8]。目前，國內(nèi)外學(xué)者利用地形圖[9]、TM影像[10]、中巴衛(wèi)星[11]、MODIS影像[12]作為數(shù)據(jù)源，結(jié)合景觀格局指數(shù)[12]、沙漠化指數(shù)[13]、轉(zhuǎn)化度[14]、土地利用動態(tài)模型[15]及數(shù)學(xué)模擬等方法對毛烏素沙地成因[16]、土地利用情況[17]、景觀格局變化[18]、驅(qū)動力[19]及對周邊地區(qū)沙漠化土地分布影響[20]方面進行研究。但前人的研究時限相對過短，影像分辨率較低且集中于對土地面積變化進行監(jiān)測，針對毛烏素沙地長序列多時段沙漠化土地動態(tài)變化分析較少，尤其是關(guān)于沙漠化土地重心分布及遷移趨勢方面鮮有報道。

毛烏素沙地處于干旱、半干旱過渡區(qū)，為典型的農(nóng)牧交錯帶[6]，此地域的良性發(fā)展具有重要的生態(tài)意義，可以改善我國氣候，避免北旱南澇，阻擊沙化進一步擴展，防止沙漠化東下移[21]。因此，對毛烏素進行長時間序列觀測，研究沙漠化動態(tài)變化和重心分布情況對沙漠化土地利用、治理以及退化生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)具有積極作用。選取1990—2017年共7期毛烏素沙地遙感影像(分辨率為15 m)，以ENVI 5.3，ArcGIS 10.2為平臺，通過人機交互解譯，提取毛烏素沙地不同時期不同沙漠化土地面積與空間分布，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型對毛烏素沙漠化時空動態(tài)變化進行分析，揭示沙漠化土地時空變化的特征與規(guī)律，為研究區(qū)沙漠化土地資源的合理利用、優(yōu)化配置和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于37.45°—39.37°N，107.67°—110.5°E，主要分布在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市南部、陜西省榆林市北部以及寧夏回族自治區(qū)鹽池縣東北部(圖1)，占地面積約4.22萬km2。平均海拔1 254 m，海拔由西向東逐漸遞減，西北部最高可達1 595 m。位于荒漠草原—干草原—森林草原的過渡帶，屬于典型的半干旱大陸性氣候，年均溫6.54～10.28℃，呈東南高于西北。年降水量250～440 mm，由西向東南方向遞增，毛烏素沙地地表水與地下水都較為充足，沙地內(nèi)大小河流共170個，其中禿尾河、窟野河、無定河等河流貫穿沙地的東南部。土壤類型以初育土，棕鈣土為主。主要群落植被有油蒿(Artemisiaordosica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、臭柏(Sabinavulgaris)，除此之外，在灘地和丘間低地大量分布著烏柳(Salixchcilophila)、沙棘(Hippophaerham-noides)、沙柳(Salixpsammophila)群叢，被當?shù)厝嗣穹Q為柳灣林[22]。到2015年毛烏素沙地人口問題分布不均的問題越發(fā)突出，西部地區(qū)人口密度遠遠少于東部地區(qū)，尤其是榆林市人口密度最大，達到378.29人/km2，已遠遠超出聯(lián)合國半干旱區(qū)20人/km2[23]，而烏審旗、鄂托克旗、鄂托克前旗人口密度較小，密度最小低至3.26人/km2。毛烏素沙地是重要的農(nóng)牧交錯區(qū)，西北主要為牧業(yè)區(qū)、東南向農(nóng)業(yè)區(qū)過渡、東部向礦區(qū)過渡[24]。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 影像數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

選取軌道號為127/33，127/34，128/33，128/34的1990—2010年5期Landsat-5 TM影像以及2013年、2017年2期Landsat-8 OLI遙感影像作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，共28景(表1)，7期影像獲取時間均屬于毛烏素沙地植被生長季(6—9月)，保證了影像和地物具有可比性。為了凸顯地物特征，Landsat TM影像運用Band(4)、Band(3)、Band(2) 波段進行標準假彩色的合成，Landsat OLI影像運用Band(5)、Band(4)、Band(3) 進行標準假彩色的合成，合成后的影像可明顯區(qū)分各覆被類型，便于后續(xù)解譯。對影像進行嚴格的幾何校正和大氣校正，消除了大氣、光照對地物反射的影響以及由于傳感器自身高度和姿態(tài)不穩(wěn)定引起的非系統(tǒng)性幾何變形，校正后的誤差均小于0.5個像元。通過2010年實地考察數(shù)據(jù)與遙感解譯得到毛烏素沙地目視解譯標志，在ArcGIS平臺下對影像進行人機交互解譯，影像上均勻選取350個點作為2017年野外調(diào)查點，對調(diào)查點植被蓋度、沙漠化程度、流沙面積所占比例等信息進行調(diào)查，并通過混淆矩陣得出總體分類精度為92.56%，Kappa系數(shù)為90.95%。

表1 毛烏素沙地1990-2017年Landsat影像

2.2 沙漠化土地分類體系

根據(jù)2000年的沙漠化土地監(jiān)測指標和《國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》項目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的“中國北方土地沙漠化遙感監(jiān)測分類體系”[25]和國家973項目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的沙漠化遙感監(jiān)測分類標準[26]，并參考了大量相關(guān)文獻，根據(jù)程度的不同將沙漠化土地分為輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化4種程度類型(表2)。

表2 毛烏素沙地沙漠化遙感監(jiān)測分類體系

2.3 沙漠化土地重心遷移模型

本文對不同沙漠化土地的重心坐標進行計算，繪制了近30 a毛烏素沙地沙漠化土地重心空間遷移圖，將沙漠化土地重心遷移距離與方向上的變化相結(jié)合，合理的描述沙化土地時空動態(tài)變化情況。第t年某種類型沙漠化土地重心坐標計算公式[27]：

(1)

(2)

式中：Xt為第t年某種沙漠化土地類型的經(jīng)度；Yt為第t年某種沙漠化土地類型的緯度;n為第t年該種沙漠化土地類型的斑塊數(shù);Cti為第t年該種沙漠化土地第i個斑塊的面積;Xti為第t年該沙漠化土地類型第i個斑塊的幾何重心經(jīng)度坐標;Yti為第t年該沙漠化土地類型第i個斑塊的幾何重心緯度坐標.

2.4 沙漠化指數(shù)計算

為了綜合的評價1990—2017年毛烏素沙地沙漠化程度的變化情況，引用沙漠化土地定量指標—沙漠化指數(shù)[28-29]。

(3)

式中:ADI為沙漠化指數(shù);SS1為輕度沙漠化土地面積;Smo為中度沙漠化土地面積;Sse為重度沙漠化土地面積;Sex為極重度沙漠化土地面積;SA為沙漠化土地總面積;ADI取值范圍為0～4，ADI與沙漠化程度呈正相關(guān)，值越大說明研究區(qū)內(nèi)沙漠化程度越嚴重。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙漠化土地空間分布

結(jié)合沙漠化土地分布圖(圖2)與各旗縣沙漠化土地面積比例變化趨勢(圖3)來綜合分析近30 a毛烏素沙地沙漠化土地時空分布情況。

中度和重度沙漠化為1990年毛烏素沙地主要類型共占沙漠化土地79.52%，其中烏審旗沙漠化最為嚴重，中度和重度沙漠化土地面積分別為3 797.87 km2，3 760.29 km2，占中度、重度沙漠化土地總面積的24.61%，29.37%。輕度沙漠化土地集中在烏審旗(38.68%)、鄂托克前旗(18.31%)、神木縣(11.03%)，極重度沙漠化主要聚集在毛烏素沙地西北部，以鄂托克旗(1 023.93 km2)和烏審旗(1 162.63 km2)為主，共占極重度沙漠化總面積71.89%；1995年極重度沙漠化土地較1990年增加1 417.90 km2，主要發(fā)生在鄂托克前旗(3.83%)、定邊縣(0.63%)、鹽池縣(0.14%)，重度沙漠化增加2 245.39 km2，其中鄂托克旗增加2.95%、神木縣增加1.65%、定邊縣增加0.82%，非漠化土地減少224.37 km2，其中神木縣減少6.39%，榆陽區(qū)減少2.57%，1995年沙漠化程度加重，呈發(fā)展趨勢；2000年沙漠化最嚴重，重度(17 417.07 km2)、極重度(4 857.98 km2)沙漠化土地面積均達到最大值，烏審旗，榆陽區(qū)重度沙漠化土地分別增加589.09 km2，905.87 km2，中度沙漠化土地較1995年減少1 320.97 km2，表現(xiàn)為發(fā)展趨勢。

圖2 毛烏素沙地沙漠化土地分布

圖3 1990-2017年各旗縣沙漠化土地面積比例變化趨勢

2000年以后沙漠化程度明顯減輕，2007年沙漠化土地主要以重度(20.80%)、中度沙漠化(49.40%)為主，但重度沙漠化急劇減少，面積僅為2000年的42%，極重度沙漠化程度明顯降低僅占7.15%，尤其是鄂托克前旗南部沙漠化面積減少3.59%、榆陽區(qū)減少0.91%、定邊縣減少0.85%；輕度沙漠化有所增加主要集中在烏審旗(30.65%)、鄂托克前旗(20.81%)、神木縣(15.88%)；神木縣、鄂托克前旗、榆陽區(qū)非沙漠化土地分別增加3.52%，2.36%，1.36%；2010年中度沙漠化土地面積減少2 596.51 km2，主要分布在烏審旗(28.42%)、鄂托克前旗(17.36%)、神木縣(17.32%)，重度、極重度分別減少722.23 km2，724.56 km2，主要分布在烏審旗、鄂托克旗、鄂托克前旗。輕度沙漠化總體在烏審旗(27.64%)、鄂托克前旗(17.39%)、神木縣(17.32%)有所增加，烏審旗、鄂托克前旗輕度沙漠化土地面積分別減少3.19%和3.45%；2013年中度、重度、極重度沙漠化土地均有所逆轉(zhuǎn)，中北部重度沙漠化土地逆轉(zhuǎn)較為明顯，烏審旗、榆陽區(qū)、鄂托克旗分別減少3.16%，0.59%，0.20%，鹽池縣增加0.61%，鄂托克前旗增加1.88%，輕度沙漠化主要發(fā)生在中東部共增加348.40 km2，其中烏審旗、榆陽區(qū)、伊金霍洛旗發(fā)展面積分別為1.28%，1.42%，0.93%，鄂托克前旗、定邊縣、鹽池縣發(fā)生逆轉(zhuǎn)，面積分別減小2.71%，0.81%，0.26%，可見各旗縣沙漠化類型表現(xiàn)為整體好轉(zhuǎn)局部惡化；2017年中度、重度、極重度沙漠化土地分別減少866.41 km2，841.31 km2，85.74 km2，非沙漠化土地增加570.84 km2，呈現(xiàn)整體逆轉(zhuǎn)趨勢，但神木縣東北部地區(qū)重度沙漠化發(fā)生反彈，增加3.72%。

1990—2000年沙漠化程度以中度和重度為主；2000年以后沙漠化程度明顯減輕以中度、輕度沙漠化為主，呈現(xiàn)穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)趨勢，但仍有局部地區(qū)呈現(xiàn)發(fā)展狀態(tài)。極重度沙漠化、重度沙漠化土地面積有所減小但空間分布變化不大，主要分布在烏審旗、鄂托克前旗、鄂托克旗，中度沙漠化、輕度沙漠化、非沙漠化土地主要分布在烏審旗、鄂托克前旗、榆陽區(qū)。由此可以看出烏審旗、鄂托克前旗沙漠化程度較為復(fù)雜，西部沙漠化程度較重。

3.2 沙漠化土地面積變化

通過表3可看出，1990—2017年共減少沙漠化土地面積1 684.09 km2，平均62.37 km2/a的沙漠化土地得到有效的治理，其中重度沙漠化所占比例由1990年的35.39%降低為17.43%，極重度沙漠化由8.4%降低到5.73%。近30 a，各沙漠化土地類型之間轉(zhuǎn)化活躍，但整體處于逆轉(zhuǎn)。

1990—2000年，重度、極重度沙漠化土地不斷增加，沙漠化程度不斷加劇，處于發(fā)展狀態(tài)。2000年沙漠化程度最嚴重，重度沙漠化面積最大，達到17 414.40 km2，極重度沙漠化土地面積達到4 857.82 km2，2000年以后，中度、輕度沙漠化成為沙漠化類型的主體，重度與極重度沙漠化土地得到控制，面積逐漸減小。由資料分析表明，2000年內(nèi)蒙古自治區(qū)加大防沙治沙力度先后實施了“退耕還林”工程、飛播造林、沙區(qū)封育工程、地方實行“禁牧、休木、輪牧”政策等一系列防沙治沙工程[10]，以及我國2001年《中華人民共和國防沙治沙法》的頒布為沙漠化防治工作提供了有力支持，使毛烏素沙地沙漠化土地沙化程度逐漸得到控制。

表3 毛烏素沙地沙漠化土地面積變化

3.3 沙漠化土地動態(tài)變化

為了更直觀的體現(xiàn)毛烏素沙地近30 a沙漠化土地空間動態(tài)變化及轉(zhuǎn)移情況，基于ArcGIS 10.2空間疊加功能，對7期影像進行疊加分析，得到1990—2017年毛烏素沙地沙漠化土地動態(tài)變化表(表4)。

根據(jù)表4所示，毛烏素沙地1990—2017年面積動態(tài)變化情況依次為：穩(wěn)定>逆轉(zhuǎn)>發(fā)展>明顯逆轉(zhuǎn)>明顯發(fā)展。毛烏素沙地45%以上的沙漠化處于穩(wěn)定狀態(tài)，尤其是2010—2013年85.71%的沙漠化土地保持穩(wěn)定；2000—2007年逆轉(zhuǎn)面積最大為17 067.76 km2(44.19%)，2007—2010年(32.26%)，2013—2017年(24.52%)次之，1990—1995年逆轉(zhuǎn)面積最小為1 062.51 km2(2.75%)。

1990—2000年沙漠化土地發(fā)展程度較為嚴重，表現(xiàn)為逆轉(zhuǎn)程度小于發(fā)展程度，2000年以后發(fā)展程度有所降低，表現(xiàn)為逆轉(zhuǎn)大于發(fā)展，但仍然處于波動狀態(tài)；明顯逆轉(zhuǎn)與明顯發(fā)展程度較小，所占比重不足3%，沙漠化土地在2000—2007年明顯逆轉(zhuǎn)程度較大，共784.44 km2；明顯發(fā)展較為劇烈的時段主要發(fā)生在2007—2010年。綜合分析表明，沙漠化土地逆轉(zhuǎn)面積大于沙漠化土地發(fā)展面積，總體處于穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

表4 毛烏素沙地沙漠化土地動態(tài)變化

注：明顯逆轉(zhuǎn)表示程度減輕一級以上；逆轉(zhuǎn)表示程度減輕一級；穩(wěn)定表示程度沒有變化；發(fā)展表示程度加重一級以上；明顯發(fā)展表示程度加重一級。

3.4 沙漠化指數(shù)變化趨勢

利用1990—2017年毛烏素沙地沙漠化土地數(shù)據(jù)計算沙漠化指數(shù)(ADI)，從而得到毛烏素沙地近30 a沙漠化指數(shù)變化圖。

根據(jù)毛烏素沙地沙漠化指數(shù)(圖4)，可將近30 a毛烏素沙地沙漠化土地動態(tài)變化分為3個階段，1990—2000年為快速發(fā)展階段，10 a間ADI指數(shù)增長0.27，平均ADI為2.54；2000—2010年為快速逆轉(zhuǎn)階段，10 a間ADI指數(shù)減小0.61，平均ADI為2.30；2010—2017年為穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)階段，7 a間ADI指數(shù)浮動小于0.15，平均ADI為2.01。2000年ADI指數(shù)達到最高為2.66，沙漠化最為嚴重，2017年沙漠化指數(shù)最小為1.96，1990—2017年沙漠化程度整體處于逆轉(zhuǎn)趨勢，沙漠化程度明顯減輕。與近30 a沙漠化土地動態(tài)變化趨勢一致。

利用回歸模型對沙漠化指數(shù)進行趨勢分析，得到3階擬合方程：y=0.0002x3-1.1989x2+2404.7x-2E+06，相關(guān)性R2=0.964 3，極為顯著。與近30 a沙漠化土地動態(tài)變化表相比，沙漠化指數(shù)ADI可以更直觀、準確的反映出沙漠化土地動態(tài)變化的趨勢。

圖4 毛烏素沙地沙漠化指數(shù)

3.5 沙漠化土地重心遷移

毛烏素沙地為典型的農(nóng)牧交錯區(qū)，過度的開墾、放牧、采礦導(dǎo)致當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境極為脆弱，為探究沙漠化土地在空間上的分布情況，對不同沙漠化土地的類型采取不同的治理措施，以ArcGIS為平臺，運用重心遷移模型對不同類型的沙漠化土地重心進行計算，并繪制1990—2017年沙漠化土地重心空間遷移圖(圖5)。

就沙漠化土地重心轉(zhuǎn)移情況來看，沙漠化土地重心由西向東依次為極重度沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化。極重度沙漠化土地主要集中在毛烏素沙地的西北部、嚴重沙漠化主要集中在中部、中度沙漠化與輕度沙漠化主要分布在東南部地區(qū)，與毛烏素沙地沙漠化土地空間分布轉(zhuǎn)化趨勢相一致。

圖5 1990-2017年毛烏素沙地沙漠化土地重心遷移

1990—2017年，極重度沙漠化土地重心比較穩(wěn)定僅向西遷移3.42 km，1990—1995年向西遷移7.00 km，1995年開始向東折回7.35 km，2000年開始向西北方向遷移3.83 km，2007年向西明顯遷移10.27 km，2010年向南遷移2.58 km隨后在2013年又向東遷回8.09 km，可看出近30 a極重度沙漠化土地重心不穩(wěn)定，有隨時回遷的趨勢；重度沙漠化土地重心向西北方向遷移8.80 km，從1990年開始重度沙漠化不斷向東擴張，10 a間共擴張15.19 km，到2000年沙漠化重心開始向西回遷，2010—2013年開始向西南方向遷移，2013年后沙漠化重心向西南方向遷移，遷移距離4.46 km；中度沙漠化土地重心向西北偏移5.42 km，1990—2013年中度沙漠化土地重心均向西延伸，2013年后向東回遷6.50 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向延伸9.90 km。1990—2007年沙漠化土地重心向西北方向遷移，隨著防沙治沙工程不斷取得效果，2007年后沙漠化土地重心逐漸向西南方向折回。中度沙漠化土地與輕度沙漠化土地出現(xiàn)相互交錯的現(xiàn)象，說明沙漠化土地發(fā)展得到及時的控制，若不及時治理仍會發(fā)生反彈現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1) 1990—2017年共減少沙漠化土地面積1 684.09 km2，平均62.37 km2/a的沙漠化土地得到有效的治理，總體處于逆轉(zhuǎn)趨勢，但局部地區(qū)惡化嚴重。

(2) 沙漠化土地重心由西向東依次為極重度沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化，與毛烏素沙地沙漠化土地空間分布轉(zhuǎn)化趨勢相一致。1990—2017年，極重度沙漠化土地重心相對比較穩(wěn)定僅向西遷移3.42 km；重度沙漠化土地重心向西北方向遷移8.80 km；中度沙漠化土地重心向西北偏移5.42 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向延伸9.90 km?？梢?，重心遷移模型可以直觀、準確的看出沙漠化土地在空間上的變化趨勢。

(3) 利用回歸模型對沙漠化指數(shù)進行趨勢分析，相關(guān)性極為顯著(R2=0.964 3)，1990—2000年平均ADI為2.45，2000—2010年平均ADI為2.30，2010—2017年平均ADI降低為2.01，1990—2017年沙漠化程度處于整體好轉(zhuǎn)，沙漠化程度明顯減輕。

(4) 毛烏素沙地北部沙漠化程度較南部嚴重。極重度沙漠化土地集中在毛烏素沙地西北部；重度沙漠化土地集中在中部地區(qū)，輕度、中度沙漠化土地主要集中在東北部。在沙漠化治理與防治過程中，應(yīng)根據(jù)不同沙漠化土地類型，而采取不同的治理對策，做到因地制宜，合理有效的改善沙區(qū)環(huán)境。