基于土壤指數(shù)的中國荒漠化時空演變分析

摘要：研究以兩個土壤指數(shù)：亮荒漠指數(shù)和暗荒漠指數(shù)，確定了2001～2017年的中國荒漠化范圍，并結合重點防治區(qū)域分析時空演變特征，探討了生態(tài)工程的投入與荒漠化的聯(lián)系。揭示了該提取方法可以用于大尺度的荒漠化年度監(jiān)測，總體精度達到94%。結果表明：近17年中國荒漠化減少超過12×10⁴km2，相當于一個福建省的面積，集中分布在半干旱荒漠治理區(qū);生態(tài)工程的投入與荒漠化減少量呈現(xiàn)顯著的正相關，表明政策投入對土地退化起到明顯的逆轉作用。

關鍵詞：荒漠化;土壤指數(shù);時空演變;生態(tài)工程;年度監(jiān)測

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（ 2020） 2-0025-03

1 引言

荒漠化是指包含氣候變異和人類活動在內的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化。為了掌握荒漠化和沙化狀況，我國每五年組織開展一次荒漠化和沙化土地監(jiān)測工作，以原國家林業(yè)局第五次全國荒漠化和沙化監(jiān)測結果分析，截止2014年底，全國荒漠化土地面積為261×10⁴km2[1]。最近有學者開發(fā)了兩個土壤指數(shù)：亮荒漠指數(shù)RIBS（ the Product In-dex for Bright Soil）和暗荒漠指數(shù)PIDS（ the ProductIndex for Dark Soil）[2]，在對于土壤的光譜分離性和分類精度方面具有可靠的性能，但是所提出的這兩個土壤指數(shù)目前未應用到荒漠化的監(jiān)測中，其有效性需要在大尺度的荒漠化提取中進一步評估。因此本文以中國區(qū)域作為研究對象來評價土壤指標，基于亮荒漠指數(shù)和暗荒漠指數(shù)判斷規(guī)則的分類方法，得到2001～2017年的中國范圍的荒漠化增加和減少區(qū)域，并在荒漠化分區(qū)的基礎上，進一步探索荒漠化的時空演變和重心點的遷移特征，為生態(tài)環(huán)境建設和荒漠化防治策略提供成果參考。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取及預處理

研究選取了從2001年1月到2017年12月份、8d最大化合成、500 m空間分辨率的MOD09A1數(shù)據(jù)，來自美國宇航局（ http：//ladsweb. nascom. nasa. gov/da-ta/search. html）。在MATLAB的操作環(huán)境下，首先對獲取得到遙感數(shù)據(jù)幾何糾正、鑲嵌和投影變換，在此基礎上，采用基于最新測繪地理信息局標準地圖服務網(wǎng)站下的標準地圖對投影后的影像進行裁剪，得到用于荒漠化監(jiān)測的預處理產(chǎn)品。為了更好地分析大范圍的荒漠化空間格局特征，將研究區(qū)分為4個治理區(qū)[3]：（I）;干旱荒漠地帶沙丘活化及流沙入侵沙漠化治理發(fā)展區(qū)（Ⅱ）;半濕潤地帶沙漠化治理零星分布區(qū)（Ⅳ）;西部高寒地帶治理區(qū)（Ⅲ）。在這四大區(qū)下，包含35個更小的重點防治亞區(qū)[4]。通過無人機實地低空航拍影像、GPS定位野外景觀照片、不同時期Google Earth影像及相關專題地圖等手段共獲得4733個點位。本文將荒漠概括為亮荒漠和暗荒漠，亮荒漠主要是指地面完全被沙所覆蓋、植被非常稀少、雨水稀少且空氣干燥的荒蕪地區(qū)。暗荒漠指地面幾乎被粗砂、礫石所覆蓋，植物稀少的荒漠地帶，多數(shù)地區(qū)不是沙漠而是裸巖，這兩種均為土地退化點位。

2.2 荒漠化監(jiān)測方法

基于亮度一暗度一綠度模型框架建立起亮荒漠指數(shù)（ RIBS）和暗荒漠指數(shù)（PIDS），其中歸一化積雪指數(shù)（ NDSI）、經(jīng)過纓帽變化的亮度分量（TCI）和歸一化植被指數(shù)（ NDVI）三個指標分別對應亮度、暗度和綠度。首先計算上述三個分量的空間歸一化結果，然后逐像元計算RIBS和PIDS，基本公式如下：

式（2）中：RIBS為像元亮荒漠指數(shù)值，N—NDSI為采用公式（1）空間歸一化后的積雪指數(shù)，同樣，N一TCI為空間歸一化后的纓帽變化亮度分量。

RIDS= TCI×NDVI（3）

式（3）中：PIDS為像元暗荒漠指數(shù)值，TC1為纓帽變化中的亮度分量;NDVI為歸一化植被指數(shù)。

在所有地物類型中，亮荒漠的RIBS值域范圍最小，且內部異質性較小;暗荒漠的PIDS同樣是最小值。由于在PIDS中，暗荒漠、亮荒漠與水體的分離度較低，因而首先采用RIBS提取亮荒漠，并同時提取水體作為掩膜，然后再使用PIDS獲得暗荒漠，最后綜合亮荒漠和暗荒漠空間分布得到荒漠化分布產(chǎn)品。該研究監(jiān)測方法流程如圖1所示。

其中，θ1、θ2和θ3是閾值常數(shù)。

依據(jù)上述流程圖，首先獲得年際上的荒漠指數(shù)空間分布圖，并使用地物類型穩(wěn)定點位訓練得到3個閾值常數(shù)項，其中2001年的θ1、θ2和θ3依次為1.30、0.036、3.1，2017年的θ1、θ2和03依次為1. 37、0.041、2.9。將上述閾值代人荒漠化的判斷規(guī)則中（圖1），以2017年為例，即亮荒漠指數(shù)小于閾值θ1-1. 37得出了亮荒漠，然后暗荒漠指數(shù)小于閾值θ2-0. 041且亮荒漠指數(shù)小于閾值θ3-2.9得到暗荒漠，最終獲得了2017年荒漠化分布圖（圖2a），同理獲得2001年荒漠分布圖?；谏鲜鰞煞甓然哪秶@得2001～2017年荒漠化增加和減少區(qū)域（圖2b）。

3 結果與分析

3.1 精度驗證

為了直觀地看出荒漠化空間格局的準確性，本研究選取了1292個和1733個植被覆蓋類型穩(wěn)定的點位對兩年的結果進行精度驗證。2001年和2017年總體精度均達到了94%，Kappa系數(shù)均在85以上，表明該算法適用于大范圍的荒漠化信息提取。發(fā)現(xiàn)在荒漠化混淆的點位中，由于光譜特征相似造成識別成草地或者草地誤分成荒漠化。

從另一方面，依據(jù)第二次和第五次全國荒漠化和沙化狀況，即從1999年底到2014年底，全國荒漠化面積由267. 54×10⁴km2減少至261.16×10⁴km2，本研究基于2001～2017年的荒漠化分類結果，全國荒漠化面積由272. 04×10⁴km2減少至259. 81×10⁴km2，凈減少12.23×10⁴km2.相較于荒漠化公報中的凈減少面積6. 38×10⁴km2，并兼顧到時間范圍的不一致，該算法還是取得了預期良好的精度效果。

3.2 荒漠時空演變特征

總體來看，荒漠化的特征是“整體減少，局部增加”的態(tài)勢，即4個分區(qū)荒漠化均表現(xiàn)出凈減少的趨勢，面積達到11.8×10⁴km2，占全國凈減少面積的96. 8%，說明四大區(qū)域基本上覆蓋了絕大部分荒漠化區(qū)域，其中半干旱荒漠治理區(qū)（I）的面積凈減少比重最大，凈減少比例近56%。在更小的35個分區(qū)中，有29個分區(qū)是面積減少大于面積增加，即呈現(xiàn)出凈減少的趨勢，總量達‘到12.7×10⁴km2，而在其余的6個分區(qū)中，荒漠化面積凈增加量超過0.9×10d km2。

空間格局上，在呈現(xiàn)凈減少趨勢的29個亞區(qū)中，鄂爾多斯地區(qū)（I -2）最為顯著，荒漠化面積凈減少面積（單位：×10⁴km2）達到1.6×l0⁴km2，其次是錫林郭勒地區(qū)（I -7）是1.5×104 km2、呼倫貝爾草原（I-9）是1.4 × 10⁴km2、河北壩上地區(qū)（I-5）是1.3×10⁴km2、塔里木盆地（Ⅱ-4）是0.8×10⁴km2和科爾沁草原（I-8）是0.7×10⁴km2。干旱治理區(qū)（Ⅱ）和西部高寒治理區(qū)（Ⅲ）的部分地區(qū)存在荒漠化凈增加的趨勢，尤其以吐一哈盆地（Ⅱ-3）荒漠化面積占絕對優(yōu)勢超過0.8×10⁴km2，其次是柴達木盆地（Ⅲ-2）是0.07×10⁴km2、昆侖山脈（Ⅲ-1）是0.06×10⁴km2等，除此之外的半濕潤零星分布區(qū)中的部分區(qū)域的荒漠化面積也呈現(xiàn)微弱增加的態(tài)勢（圖3b）。

近17年來荒漠化重心大致位于在甘肅和青海的接壤處附近，重心向西南方向偏移，向西偏移經(jīng)度1.5。，向南偏移緯度0.4。，遷移量為201 km。重心偏移是由于內蒙古荒漠化減少顯著，因而重心向新疆和西藏地區(qū)偏移，荒漠化整體邊界向西南方向移動。但是各個區(qū)內荒漠化重心點坐標遷移方向不一致，半干旱治理區(qū)（I）重心點位于錫林郭勒草原附近，逐漸向東北方向遷移，揭示了烏蘭察布草原和鄂爾多斯地區(qū)荒漠化面積減少幅度相較于呼倫貝爾草原等地區(qū)較大，與全區(qū)荒漠化土地重心遷移相反。半干旱治理區(qū)（Ⅱ）重心向西北方向移動;磋部高寒治理區(qū)和半濕潤零星分布區(qū)荒漠化重心點均向西南方向遷移，與全區(qū)荒漠化土地重心遷移一致。因而四個地區(qū)的荒漠化重心都由半干旱中西部地區(qū)向四周遷移，由于該地區(qū)是鄂爾多斯附近，荒漠化減少量最為顯著，并且干旱地區(qū)的微弱增加和該地區(qū)以東的減少量相對較小導致重心由中部地區(qū)向邊緣擴散。從荒漠化重心空間位置遷移量來看，半干旱治理區(qū)遷移量最大，為40.2 km;半濕潤零星分布區(qū)和西部高寒地帶荒漠化遷移量較大，分別為13.3 km和15.2 km;干旱治理區(qū)遷移量最小，為9.9 km，表明該區(qū)荒漠化面積變化幅度最?。▓D3a）。

3.3 生態(tài)工程與荒漠化的關系

本研究重點分析了中國政府在荒漠化斗爭中生態(tài)工程上的努力，涉及到的生態(tài)工程包括三北防護林體系建設工程（SDP TN）、中國一全球環(huán)境基金干旱生態(tài)系統(tǒng)土地退化防治伙伴關系（PRE-GEF）、津京風沙源治理工程（ SCP- BT）和草原生態(tài)保護補助獎勵項目（GE-SA），整理分析得到這四個生態(tài)工程在基于省域單元上的投資金額和涉及面積，需要說明的是在統(tǒng)計投資金額時，由于時間跨度較長，因而需要考慮居民消費價格指數(shù)來獲得總投資額。生態(tài)工程主要涉及17個省市，其中內蒙古自治區(qū)的投資數(shù)額達到567億元，并且投資涉及面積比例最高，達到77×10⁴kmz，因而內蒙古荒漠化改善效果最為顯著?？梢园l(fā)現(xiàn)（圖3c）內蒙古、新疆等地區(qū)，三種曲線趨勢以及變化都相對較為一致，最不一致的出現(xiàn)在京津冀地區(qū)，投資金額與投資涉及面積比值較高，而青海、西藏等地區(qū)，投資金額與投資涉及面積比值較低，以上與政策的具體投入力度相關。但是總體表現(xiàn)出荒漠化減少面積與生態(tài)工程投資面積呈現(xiàn)顯著的正相關，相關性系數(shù)達到0. 84，并且與生態(tài)工程投資金額同樣呈現(xiàn)顯著的正相關，相關系數(shù)同樣高達0. 76，均通過了顯著性檢驗。其中草原生態(tài)保護補助獎勵項目對我國的荒漠化減少起到了顯著的積極作用，揭示了近些年生態(tài)工程效益顯著，治理工程的投入對于荒漠化的減少具有直接的驅動作用。

4 結論

研究基于MODIS遙感影像數(shù)據(jù)，采用荒漠化指數(shù)的閾值判斷規(guī)則獲取2001～2017年中國的荒漠化變化范圍，并對荒漠化時空演變進行研究，簡要分析了當前生態(tài)工程的效益，得出如下結論。

（1）整體來看，中國荒漠化特征是“整體呈現(xiàn)改善狀態(tài)，部分地區(qū)呈現(xiàn)退化狀態(tài)”，荒漠化重心整體向西南方向偏移，重心由內蒙古中西部地區(qū)向四周遷移。

（2）從荒漠化動態(tài)變化熱點分區(qū)來看，在4大治理區(qū)域中，荒漠化均表現(xiàn)出減少的趨勢，尤其在半干旱地區(qū)最為突出，在其劃分的亞區(qū)中，鄂爾多斯地區(qū)的荒漠化凈減少程度最高，達到1.5×10⁴km2。但是依然存在少部分亞區(qū)荒漠化出現(xiàn)增加的趨勢，如吐一哈盆地凈增加面積達到0.8×10⁴km2以上。

17年間，中國荒漠化得到了有效的改善。近些年大力投入的生態(tài)工程與荒漠化面積的減少是緊密相關的。綜合各地區(qū)荒漠化演變特征，對于土地改善的地區(qū)，如鄂爾多斯草原和錫林郭勒草原等，繼續(xù)加強植被的保護和生態(tài)工程投入[5]。對于惡化的地區(qū)，如吐一哈盆地，需要加強生態(tài)恢復與重建，對于西部高寒地帶生態(tài)敏感脆弱的地區(qū)，避免過度農墾、過度放牧，從而確保荒漠化防治的順利進行[6]。本文對于荒漠化信息提取方法的研究，主要基于前面學者的研究成果繼而推廣到大范圍的研究區(qū)域上，從而得到各熱點研究區(qū)的定量荒漠變化面積，因此該荒漠化變化結果分析與驗證有待于進一步研究。

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作者簡介：燕雄飛（1995-），男，碩士研究生，研究方向為荒漠化監(jiān)測相關研究。