江西吉泰盆地荒漠化時(shí)空變化特征及影響因素分析

汪 震， 姜勇彪,2， 岳 兵

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省數(shù)字國(guó)土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013)

中國(guó)是世界上受荒漠化危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，荒漠化土地面積達(dá)2.6×106km2，占國(guó)土總面積的27.3%(那波等，2006)。濕潤(rùn)地區(qū)流水作用造成的土地退化問(wèn)題由來(lái)已久，但濕潤(rùn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)比較發(fā)達(dá)，流水作用導(dǎo)致的土地退化又多分布于丘陵山區(qū)，為地方局部性問(wèn)題，并沒(méi)有得到像干旱區(qū)荒漠化那樣的重視(崔書(shū)紅，1998)。我國(guó)的中-新生代紅層出露面積達(dá)9.16×105km2，占國(guó)土總面積的9.5%(Yan et al.，2019)。在紅層分布區(qū)，由于人為因素的影響，如濫砍濫伐、過(guò)度利用等活動(dòng)，使得紅層區(qū)土壤侵蝕速度遠(yuǎn)大于成土速度所發(fā)生的土地退化過(guò)程稱(chēng)為紅層荒漠化。同時(shí)，由于氣候變化、暴雨侵蝕等純自然因素也可以產(chǎn)生紅層荒漠(彭華等，2015)。

近年來(lái)，遙感為在各時(shí)空尺度上監(jiān)測(cè)荒漠化變化提供了重要手段?；贜DVI-Albedo特征空間關(guān)系的荒漠化分級(jí)指數(shù)法(DDI)被廣泛用于土地沙化的定量評(píng)價(jià)，主要應(yīng)用在大尺度范圍的干旱、半干旱區(qū)荒漠化的變化監(jiān)測(cè)，在中小尺度濕潤(rùn)區(qū)的應(yīng)用較少，研究區(qū)內(nèi)與荒漠化易混淆的地物沒(méi)有被考慮(曾永年等，2006；張嚴(yán)俊等，2013；任艷群等，2014；李燕，2017；岳輝等，2019)。城市建筑物和水體與土壤裸露的荒漠化具有相似的光譜特征，不易區(qū)分，通過(guò)改進(jìn)型歸一化差異水體指數(shù)(徐涵秋，2008)和歸一化差異不透水面指數(shù)(徐涵秋等，2016)能夠去除城市不透水面和水體對(duì)荒漠化提取的影響。本研究基于Landsat TM數(shù)據(jù)和Landsat OIL數(shù)據(jù)反演吉泰盆地內(nèi)荒漠化差值指數(shù)以反映荒漠化狀況，對(duì)2003—2018年近15年吉泰盆地內(nèi)荒漠化的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，分析影響荒漠化變化的氣象、人為和地形等因素。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉泰盆地位于江西省中部、居贛江中游，面積1.87×104km2(楊格格等，2010；馬逸麟等，2015)，具有亞熱帶地區(qū)典型紅層地貌發(fā)育的特征。其中紅層分布于盆地的中部，面積約4 000 km2，主要由上白堊統(tǒng)和第三系陸相紅色地層組成，在贛江及其支流的河谷兩岸，堆積著第四紀(jì)的紅色黏土。由于紅層土壤巖性、地形、降水和人為等因素導(dǎo)致水土流失、植被裸露等類(lèi)似荒漠景觀的土地退化(程陳艷，2019)，部分嚴(yán)重地區(qū)出現(xiàn)了斑塊狀的紅層荒漠化。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

Landsat TM數(shù)據(jù)(2003年和2008年)、Landsat OIL數(shù)據(jù)(2013年和2018年)和DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn/)，空間分辨率為30 m。Landsat TM和Landsat OIL數(shù)據(jù)在發(fā)布之前已經(jīng)做了空間校正，對(duì)其做QUICK大氣校正、裁剪等預(yù)處理。降水量空間差值數(shù)據(jù)集(2003、2008和2013年)和DMSP/OLS夜間燈光數(shù)據(jù)集(2003、2008和2013年)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)，空間分辨率為1 km，將數(shù)據(jù)集重采樣為30 m空間分辨率后，裁剪出吉泰盆地范圍。統(tǒng)一將數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為WGS_1984_UTM_Zone_50N。

通過(guò)不同年份的Landsat TM數(shù)據(jù)和Landsat OIL數(shù)據(jù)計(jì)算吉泰盆地的歸一化植被指數(shù)(NDVI)、地表反照率(Albedo)、荒漠化差值指數(shù)(DDI)、歸一化差異不透水面指數(shù)(NDISI)和改進(jìn)型歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)，利用NDVI和Albedo反演DDI，利用NDISI和MNDWI掩膜去除DDI數(shù)據(jù)中建筑和水體，利用DDI進(jìn)行多年荒漠化變化分析(Rouse et al.,1973；Liang,2001；曾永年等，2006；徐涵秋，2008)。

1.3 研究方法

(1)荒漠化差值指數(shù)。NDVI與Albedo呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，植被覆蓋度減少，地表裸露增加，Albedo變大，即荒漠化程度惡化。學(xué)者提出荒漠化分布特征在NDVI-Albedo特征空間有顯著反映(曾永年等，2006；岳輝等，2019)，本研究通過(guò)該方法對(duì)吉泰盆地荒漠化進(jìn)行提取。

① NDVI提取，使用ENVI中NDVI工具直接提取，公式：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中，NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。

② Albedo提取，利用Liang(2001)建立的反演模型，估算研究區(qū)的Albedo：

Albedo=0.356×b1+0.13×b3+0.373×b4+0.085×b5+0.072×b7-0.0018

式中，b1為藍(lán)波段(0.45～0.52 μm)，b3為紅波段(0.63～0.69 μm)，b4為近紅外波段(0.76～0.90 μm)，b5為短波紅外波段(1.55～1.75 μm)，b7為短波紅外波段(2.08～2.35 μm)。

③ 歸一化處理。采用歸一化公式進(jìn)行NDVI和Albedo數(shù)據(jù)處理：

N=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

A=(Albedo-Albedomin)/(Albedomax-Albedomin)

式中，N為經(jīng)歸一化處理后的NDVI值，A為經(jīng)歸一化處理的Albedo值。

④ 計(jì)算NDVI和Albedo的定量關(guān)系。因NDVI和Albedo之間存在一個(gè)負(fù)相關(guān)關(guān)系(Albedo=k×NDVI+b)，為了找到兩者之間的定量關(guān)系，利用歸一化后NDVI和Albedo對(duì)應(yīng)的這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合出一個(gè)關(guān)系式，進(jìn)而求出關(guān)系式的斜率k。

通過(guò)擬合公式而知參數(shù)k，根據(jù)公式a×k=-1，可以計(jì)算出a，a為公式DDI=(-1/k)×NDVI-Albedo的斜率，即a=-1/k。將a值代入荒漠化差值指數(shù)(DDI)表達(dá)式，表達(dá)式為：

DDI=a×NDVI-Albedo

通過(guò)ENVI的波段運(yùn)算可以計(jì)算得到荒漠化差值指數(shù)的反演圖。

(2)趨勢(shì)分析。利用一元線性回歸分析法來(lái)模擬荒漠化在每個(gè)像元上的年際空間變化，從而反映整個(gè)區(qū)域的荒漠化時(shí)空變化。計(jì)算公式(Stow et al.，2003；羅新蕊等，2019):

式中，n表示監(jiān)測(cè)年數(shù)，本研究每間隔5年做一期，因此n=4;DDIi為第i年DDI值。θslope為像元DDI的回歸斜率。θslope>0，說(shuō)明研究區(qū)的荒漠化呈減少趨勢(shì)，反之則呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；θslope=0，說(shuō)明DDI沒(méi)有變化。

(3)相關(guān)性分析。為了評(píng)估影響因素對(duì)荒漠化的影響，根據(jù)簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)法(羅新蕊等，2019)分別計(jì)算DDI與降水量、人為因素等相關(guān)系數(shù)：

2 荒漠化時(shí)空變化特征

吉泰盆地內(nèi)的荒漠化發(fā)生在白堊紀(jì)至第四紀(jì)地層之上，其表現(xiàn)為紅層荒漠化。紅層荒漠化典型的特征表現(xiàn)為表土層缺失、連片紅層基巖或紅層薄層風(fēng)化殼直接裸露、“雞爪”狀侵蝕溝密集展布等典型特征(彭華等，2015)。通過(guò)實(shí)地調(diào)查結(jié)合遙感影像和DDI將荒漠化分為重度荒漠化和輕度荒漠化。以地表無(wú)植被覆蓋，呈現(xiàn)“雞爪溝”狀的劃分為重度荒漠化；將地表有少量植被覆蓋，有斑點(diǎn)狀紅層裸露地區(qū)劃分為輕度荒漠化；基于地表呈現(xiàn)的特征，結(jié)合遙感影像將DDI分割為重度荒漠化、輕度荒漠化和非荒漠化三級(jí)。

2.1 荒漠化時(shí)間變化

圖1顯示多年DDI均值整體上呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，多年來(lái)荒漠化呈減少趨勢(shì)，植被覆蓋度在逐年增加。DDI均值在2003—2013年呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)，在2013—2018年出現(xiàn)稍微下降，總體上呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。DDI均值越小荒漠化程度越重，反之越輕(任艷群等，2014；曾永年等，2006)。因此，近15年來(lái)吉泰盆地內(nèi)生態(tài)環(huán)境逐步變好，荒漠化面積逐漸縮小，植被覆蓋面積逐年增加。

圖1 DDI均值時(shí)間變化趨勢(shì)

通過(guò)遙感影像和實(shí)地調(diào)查結(jié)合DDI值對(duì)荒漠化程度進(jìn)行人為閾值分割分級(jí)，將其劃分為重度荒漠化、輕度荒漠化和非荒漠化，并統(tǒng)計(jì)其面積信息(表1)。整體上荒漠化面積有減少趨勢(shì)，荒漠化面積從約1 305 km2(2003年)下降到約743 km2(2018年)。其中，在2003—2008年荒漠化面積呈現(xiàn)陡然下降的趨勢(shì)，在2008年之后荒漠化面積出現(xiàn)上升，2013—2018年之間再次出現(xiàn)了下降?；哪陌l(fā)生和發(fā)展與人的活動(dòng)密切相關(guān)，其變化隨著人的政策、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面出現(xiàn)上升或下降。

表1 吉泰盆地不同時(shí)期荒漠化面積

2.2 荒漠化空間變化

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，有316.73 km2的DDI線性回歸斜率出現(xiàn)了負(fù)值，吉泰盆地約有5.98%的面積荒漠化差值指數(shù)出現(xiàn)下降，荒漠化呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；同時(shí)有4 977.14 km2的DDI的線性回歸斜率出現(xiàn)正值，約有94%的面積出現(xiàn)植被增多，荒漠化呈減少的趨勢(shì)。

DDI空間變化趨勢(shì)圖(圖2)反映出荒漠化發(fā)展的變化有三個(gè)特征:①荒漠化增多地區(qū)出現(xiàn)在沿江的平原地區(qū)，在贛江兩岸地勢(shì)平坦，人類(lèi)活動(dòng)頻繁，地表裸露率高，因此地表反照率高，進(jìn)而在DDI空間變化趨勢(shì)圖上有所反映；②荒漠化增長(zhǎng)地區(qū)呈斑點(diǎn)狀廣布整個(gè)盆地；③在城市或人口密集地區(qū)及其周?chē)鶧DI負(fù)增長(zhǎng)較多，而在山區(qū)則較少，人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)城市及其周?chē)玫匦再|(zhì)的變化，使得土壤裸露。

圖2 DDI空間變化趨勢(shì)

3 影響因素分析

3.1 氣象因素

氣象因素對(duì)荒漠化的形成和發(fā)展具有深刻的影響，降水量多少會(huì)影響植被的發(fā)育、地表土壤的侵蝕和水土流失的程度(賈樹(shù)海等，2014；羅亦泳等，2015；湯江龍等，2019)。本研究使用2003年、2008年和2013年逐年年降水量空間插值數(shù)據(jù)集與荒漠化差值指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2003、2008和2013年的降水量與DDI相關(guān)性(圖3)反映降水量與DDI兩者既有正相關(guān)關(guān)系，又有負(fù)相關(guān)關(guān)系。降水對(duì)于荒漠化的發(fā)生和發(fā)展具有兩面性，一方面降水的增多有利于植被的生長(zhǎng)，使荒漠化面積減少，另一方面大量的降水會(huì)導(dǎo)致水土流失，破壞地表植被，使荒漠化現(xiàn)象加重(李燕，2017；李伯祥等，2019)。在吉泰盆地沿江的平原地區(qū)零星分布著與降水?dāng)?shù)據(jù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的地點(diǎn)，但DDI值所指示的是數(shù)值越大荒漠化越少，因此這些點(diǎn)的荒漠化發(fā)生與降水呈正相關(guān)。在總體上DDI值與降水?dāng)?shù)據(jù)呈現(xiàn)正相關(guān)，反映荒漠化與降水負(fù)相關(guān)。

圖3 降水量與DDI相關(guān)性

通過(guò)對(duì)整體多年降水量數(shù)據(jù)和DDI數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣的計(jì)算，其整體相關(guān)系數(shù)為0.122，具有較弱的正相關(guān)關(guān)系，即整體荒漠化與降水具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，在吉泰盆地內(nèi)要防治荒漠化相較于干旱地區(qū)防治荒漠化具有優(yōu)勢(shì)，而在濕潤(rùn)地區(qū)，降水在一定程度上會(huì)扼制荒漠化的發(fā)展，但需要解決好降水導(dǎo)致水土流失等形成的荒漠化(楊格格等，2010；齊述華等，2011)。

3.2 人為因素

人為因素是影響荒漠化最基本的因素，人類(lèi)對(duì)自然資源不斷地開(kāi)發(fā)利用，對(duì)生態(tài)環(huán)境承載力較為脆弱的地方形成巨大的壓力(程朋根等，2015；羅亦泳等，2015)，最終使無(wú)法自我修復(fù)的地區(qū)形成荒漠化現(xiàn)象。吉泰盆地是人口眾多、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁的地區(qū)，人們不合理的農(nóng)業(yè)、工業(yè)活動(dòng)導(dǎo)致植被覆蓋度減少，土壤狀況惡化，嚴(yán)重的地區(qū)出現(xiàn)了土地荒漠化現(xiàn)象(馬逸麟等，2015；楊格格等，2010)。

夜間燈光數(shù)據(jù)能夠在一定程度上體現(xiàn)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程，揭示人口、城市、經(jīng)濟(jì)和交通等因子的變化，目前，DMSP/OLS夜間燈光影像主要用于城鎮(zhèn)擴(kuò)展研究、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子估算以及其他環(huán)境、災(zāi)害、漁業(yè)、能源等領(lǐng)域(晁靜等，2019；劉方田，2019)。使用中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心發(fā)布的DMSP夜間燈光數(shù)據(jù)，其空間分辨率為1 km, 計(jì)算2003年、2008年和2013年的夜間燈光數(shù)據(jù)與DDI數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，反映人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠化的影響。

由于燈光數(shù)據(jù)在山區(qū)或人類(lèi)活動(dòng)較少地區(qū)值為0，因此在圖4中出現(xiàn)空白區(qū)域的相關(guān)性為0。人類(lèi)活動(dòng)因素對(duì)荒漠化也有兩面性，一方面城市的擴(kuò)張、工農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)植被造成一定程度上的破壞，使荒漠化發(fā)生；另一方面為保護(hù)環(huán)境實(shí)施的各種生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目可以有效地減少荒漠化的發(fā)生。圖4所示，在幾個(gè)城區(qū)中心夜間燈光數(shù)據(jù)與DDI數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，在城區(qū)內(nèi)部零星分布著負(fù)相關(guān)關(guān)系。城區(qū)是人類(lèi)活動(dòng)和集聚的主要地區(qū)，人們對(duì)生活環(huán)境的重視使得城市綠化比較好，城區(qū)中只有少數(shù)地區(qū)因施工等因素導(dǎo)致地表裸露呈現(xiàn)夜間燈光數(shù)據(jù)與DDI數(shù)據(jù)負(fù)相關(guān)關(guān)系。而在城區(qū)邊緣地區(qū)，由于城市的擴(kuò)張、建設(shè)時(shí)期對(duì)于環(huán)境保護(hù)的不太重視則出現(xiàn)夜間燈光數(shù)據(jù)與DDI數(shù)據(jù)斑塊狀負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖4 夜間燈光數(shù)據(jù)與DDI相關(guān)性

3.3 地形因素

地層和土壤的性質(zhì)是荒漠化形成的基礎(chǔ)，是荒漠化發(fā)生與發(fā)展的決定性因素，為荒漠化提供充足的物質(zhì)來(lái)源(程陳艷，2019)；地形因素為外力作用提供發(fā)生條件；坡度為土壤侵蝕、水土流失提供了作用條件。

吉泰盆地地形復(fù)雜，其地形坡度從0°～58°都有分布。以2018年為例，對(duì)荒漠化與坡度進(jìn)行分析(表2)，荒漠化在2°～6°分布最多，其次是0°～2°和6°～15°，在地勢(shì)比較平坦地區(qū)主要是人口活動(dòng)所在地區(qū)，其土地利用類(lèi)型為耕地或建設(shè)用地，人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致地表裸露，進(jìn)而使荒漠化產(chǎn)生；坡度較低地區(qū)靠近贛江，流水作用也會(huì)加劇荒漠化。坡度大于25°的區(qū)域，因地勢(shì)比較陡峭，易受降水沖刷，植被不易生長(zhǎng)，易產(chǎn)生荒漠化。

表2 2018年荒漠化在不同坡度上的面積

4 結(jié)論

本研究主要運(yùn)用趨勢(shì)分析法和相關(guān)性分析對(duì)吉泰盆地內(nèi)荒漠化的發(fā)展趨勢(shì)和影響因素進(jìn)行分析。

(1)通過(guò)2003年、2008年、2013年和2015年四期遙感影像進(jìn)行荒漠化趨勢(shì)分析。在時(shí)間尺度上，吉泰盆地內(nèi)荒漠化面積在近15年內(nèi)呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；在空間尺度上，沿江、靠近城市地區(qū)荒漠化有斑點(diǎn)狀的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

(2)通過(guò)分析氣象和人為因素對(duì)荒漠化的相關(guān)性，降水因素和人為因素對(duì)荒漠化具有雙面性影響，都能夠在一定程度上增加或減少荒漠化。降水在某些點(diǎn)與荒漠化呈現(xiàn)正相關(guān)，能夠使荒漠化發(fā)生，但整體上降水對(duì)荒漠化有扼制作用；人類(lèi)活動(dòng)對(duì)荒漠化在中心城區(qū)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，使荒漠化呈減少趨勢(shì)，在城市邊緣地區(qū)呈正相關(guān)關(guān)系，加劇荒漠化；地層和土壤的性質(zhì)是荒漠化形成的基礎(chǔ)，地形因素為外力作用提供發(fā)生條件，吉泰盆地荒漠化主要發(fā)生在坡度0～6°之間，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)其有重要影響。