新疆皮山地區(qū)土地沙漠化動態(tài)遙感監(jiān)測分析

阿力木江?牙生，藍 利，程紅梅，劉 利，劉海軍

(1.新疆林業(yè)廳，新疆烏魯木齊 830000;2.中國林業(yè)科學(xué)研究院，北京100091;3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，新疆烏魯木齊830011;4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830091;5.江陰泰陽成索有限公司，江蘇江陰214442;6.新疆國土資源信息中心，新疆烏魯木齊830002)

塔克拉瑪干沙漠南緣是我國沙漠化危害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是新疆沙漠化防治的最重點區(qū)域，準(zhǔn)確掌握這一區(qū)域的沙漠化動態(tài)，對于做好這一區(qū)域的沙漠化防治工作意義重大。皮山縣位于這一區(qū)域，該縣是和田地區(qū)遭受沙埋最為嚴(yán)重的3個縣區(qū)之一[1]。與歷史上我國西北地區(qū)許多綠洲的沙漠化原因多是因水源喪失和地下水位大幅度下降等變化[2]及干旱的氣候等所致一樣，皮山縣境內(nèi)的多處城鎮(zhèn)遺址也多是由于河流改道使水源喪失而廢棄進而沙漠化。唐代時皮山境內(nèi)雖已有沙漠，但交通沿線仍以固定沙堆為主[3]。到了近代，皮山的沙漠化已愈來愈嚴(yán)重。目前，該縣沙漠面積已占到全縣土地總面積的40.08%，耕地、林地、沙漠面積的比例為1∶0.4∶50.7，該縣15個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2.79×104hm2耕地被沙漠、戈壁分割成互不相聯(lián)的53塊綠洲，散布在東西長達145 km的狹長地帶。靠近皮山的低矮沙丘和活化沙丘，每年前移速度達10 m，綠洲西南前沿戈壁上高度1 m左右的小沙丘年移動速度更達20 m以上，是塔克拉瑪干沙漠沙丘年移動速度最為快速的地區(qū)之一[4]。

沙漠化土地動態(tài)監(jiān)測是目前沙漠化研究的主要內(nèi)容之一，在理論、方法和應(yīng)用等方面都取得了長足的進展[5]。遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法已成為研究沙漠化土地現(xiàn)狀和時空演化規(guī)律最有效的手段[6-9]。本研究擬通過對不同時期遙感影像的處理和分析，定位、定量、定性地分析和顯示前后兩個時段內(nèi)土地沙漠化類型動態(tài)變化，探明20世紀(jì)80年代末至21世紀(jì)初這16 a間皮山地區(qū)沙漠化的發(fā)展變化狀況，以期為相關(guān)的科研或決策提供參考依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 研究區(qū)范圍

研究區(qū)位于皮山縣境中部的一片近矩形區(qū)域，包括了該縣位于沙漠邊緣的所有綠洲、北側(cè)的部分沙漠、南側(cè)的部分山前戈壁以及位于戈壁地帶的部分綠洲，總面積約9 865 km2。

1.2 遙感信息提取

根據(jù)瞬時狀態(tài)下最大限度地使圖像上盡可能豐富地反映地表信息的原則，秋季應(yīng)為沙漠化土地檢測的最佳TM數(shù)據(jù)獲取季相[8]。因此采用覆蓋研究區(qū)的1989年10月、2000年10月、2005年10月成像的TM影像數(shù)據(jù)，同時收集了皮山地區(qū)的土地利用及地形圖資料。以1∶10萬地形圖為基準(zhǔn)，采用2次多項式和最近鄰域插值法進行不同時期圖像配準(zhǔn)和幾何糾正。

目前，利用遙感技術(shù)提取土地沙漠化信息多以目視解譯為主[9]。本研究在ArcGIS系統(tǒng)支持下，在監(jiān)督分類、非監(jiān)督分類和計算NDVI值的基礎(chǔ)上，以目視解譯為主，根據(jù)荒漠、綠洲在遙感圖像上的色調(diào)、形狀、大小及紋理等影像特征，進行沙漠化土地信息提取。

1.3 沙漠化土地分類體系

沙漠化土地分類體系采用的分類方法主要有成因分類、強度分類和微地貌分類，目前以采用植被覆蓋度、裸沙占地百分比和土壤質(zhì)地為評價指標(biāo)的強度分類方法為主[10]。本研究在遙感信息提取的基礎(chǔ)上，根據(jù)土地沙漠化分級原則、土地沙漠化等級劃分特征，采用程度分類法進行分類，依據(jù)單位面積內(nèi)風(fēng)蝕地或流沙面積所占百分比、地表植被覆蓋度，以及皮山附近風(fēng)沙活動的強度、地貌特征，同時考慮土地質(zhì)量及其它綜合因素，將皮山地區(qū)的沙漠化土地分為5種類型(表1)。根據(jù)遙感影像提取的土地利用類型并結(jié)合沙漠化土地分類體系，獲得3期沙漠化土地類型數(shù)據(jù)和沙漠化土地分布圖，對結(jié)果進行比較后，得出皮山沙漠化土地變化情況。根據(jù)實地具體情況將非沙漠化土地分為非沙漠化土地Ⅰ和非沙漠化土地Ⅱ，其中非沙漠化土地I包括高覆蓋度草地和林地、耕地、建設(shè)用地、水域，非沙漠化土地 Ⅱ包括戈壁和山地。

表1 土地沙漠化類型劃分體系

2 結(jié)果與討論

2.1 沙漠化土地變化幅度分析

通過對沙漠化土地類型變化的分析，可了解沙漠化土地及其結(jié)構(gòu)的總的發(fā)展變化態(tài)勢。對監(jiān)測區(qū)3期影像數(shù)據(jù)(1989，2000和2005年)進行解譯，可以獲得監(jiān)測區(qū)3期各類沙漠化土地分布圖。

從分布圖中可以得出(表2)，監(jiān)測區(qū)的嚴(yán)重沙漠化土地所占比例最大，3期數(shù)據(jù)中嚴(yán)重沙漠化土地占總監(jiān)測面積的比率呈上升趨勢，分別為63.73%，64.73%，67.02%;兩個時段中 ，2000—2005 年增長速度較大;非沙漠化土地Ⅰ面積也呈明顯增加趨勢，1989，2000和2005年其面積分別占總監(jiān)測面積的4%，4.58%和 5.19%;兩個時段中，2000—2005年增長的幅度較大。

從表3中可看出3個年份非沙漠化土地Ⅰ中耕地均占到72%以上，且隨時間的變化呈增加趨勢，1989，2000和2005年耕地占非沙漠化土地Ⅰ的面積比率分別為72.66%，82.61%和84.9%。其它非沙漠化土地除建設(shè)用地面積增長外都呈減少趨勢，開墾荒地、草地等其它地類是耕地面積不斷增長的主要原因。非沙漠化土地Ⅱ中變化最大的為戈壁，3個時期戈壁面積呈減少趨勢，1989，2000和2005年戈壁占非沙漠化土地Ⅱ的面積比率分別為82.89%，82.73%和82.5%。潛在沙漠化土地、正在發(fā)展沙漠化土地及強烈沙漠化土地面積從1989年至2005年都呈減少趨勢，分別從1989年的1.45%，2.27%和6.57%減少至2000年的 1.02%，2.14%和5.75%以及2005年的0.94%，1.76%和3.6%;兩個時段中，2000—2005年后兩種類型面積減少幅度均較大。

表2 1989—2005年皮山地區(qū)土地沙漠化類型分類面積及年變化率

表3 1989—2005年皮山地區(qū)非沙漠化土地面積

2.2 沙漠化土地動態(tài)度分析

單一類型土地利用動態(tài)度表現(xiàn)了某研究區(qū)在一定時間范圍內(nèi)某種土地利用類型的數(shù)量變化情況[11]，可以定量描述區(qū)域土地利用變化的速度及變化中的類型差異，其表達式為:

土地利用動態(tài)度可用來描述區(qū)域土地利用變化速度[12]，它對比較土地利用變化的區(qū)域差異和預(yù)測未來土地利用變化趨勢都具有積極的作用[12-15]。沙漠化土地動態(tài)度數(shù)據(jù)的獲取可根據(jù)3期沙漠化土地分類圖相互疊加的結(jié)果圖及土地利用動態(tài)度公式獲得，根據(jù)(1)式計算出皮山沙漠化土地動態(tài)度(表2)。

由表2可知，1989—2000年，5種類型的沙漠化土地面積變化均較大，其中非沙漠化土地I及嚴(yán)重沙漠化土地面積均有所增加，其它幾種類型的土地面積均有所減少。面積變化最大的為嚴(yán)重沙漠化土地，強烈沙漠化土地次之，變化最小的為非沙漠化土地Ⅱ;2000—2005年間，土地變化以非沙漠化土地Ⅰ、正在發(fā)展沙漠化、強烈沙漠化、嚴(yán)重沙漠化和非沙漠化土地Ⅱ的變化為主，變化最大的為嚴(yán)重沙漠化土地，強烈沙漠化土地次之，變化最小的為潛在沙漠化土地。

從年變化率上來看，1989—2000年期間非沙漠化土地I和嚴(yán)重沙漠化土地呈正增長，其它類型沙漠化土地均呈負增長，其中變化率最大的為潛在沙漠化土地，最小的為非沙漠化土地Ⅱ;2000—2005年，非沙漠化土地I和嚴(yán)重沙漠化土地呈正增長，其它類型沙漠化土地均呈負增長，其中變化率最大的為非沙漠化土地Ⅰ，最小的為非沙漠化土地Ⅱ。

從整體來看，非沙漠化土地Ⅰ和嚴(yán)重沙漠化土地呈持續(xù)增長趨勢，其它類型土地均呈減少趨勢。從年變化率上看，非沙漠化土地Ⅰ和嚴(yán)重沙漠化土地在1989—2000年間的變化率相對小于2000—2005年。其它類型土地變化率均呈負值，除潛在沙漠化土地外，其它類型土地在1989—2000年間的變化率均相對小于2000—2005年，即 2000—2005年間，這些類型的土地面積減少幅度較大，其中非沙漠化土地Ⅰ面積的增長主要為耕地面積的增加。

2.3 沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣分析

沙漠化土地變化轉(zhuǎn)移矩陣可分析沙漠化土地的內(nèi)在變化，將皮山3期沙漠化土地分類圖進行兩個時段的疊加即1989年與2000年，2000年與2005年分別進行疊加，并對研究區(qū)各沙漠化土地類型之間的相互轉(zhuǎn)移進行分析，可以更詳細地說明研究區(qū)沙漠化土地變化的過程及流向。表4—5分別為1989—2000年和2000—2005年研究區(qū)沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣。

表4 1989—2000年皮山地區(qū)沙漠化土地面積轉(zhuǎn)移矩陣

通過對表2—5的分析可知，皮山縣沙漠化土地在1989—2005年間的變化特點。

(1)嚴(yán)重沙漠化土地明顯增加。監(jiān)測區(qū)各時期占優(yōu)勢的為嚴(yán)重沙漠化土地，整體呈持續(xù)增加的趨勢，且后一時段增長幅度大于前一時段，1989—2000年間面積增加1%，而2000—2005年間增加2.29%。兩個時段的年變化率分別為0.14%和1.71%，增加的來源均主要為:強烈沙漠化土地〔3.45%(1989—2000)，4.50%(2000—2005)〕和正在發(fā)展沙漠化土地〔0.38%(1989—2000)，0.54%(2000—2005)〕，其中2000—2005年間增長的幅度較大。

非沙漠化土地Ⅱ在監(jiān)測區(qū)面積中占21%以上，在監(jiān)測時段內(nèi)呈減少趨勢，減少的去向在兩個時段均主要為:非沙漠化土地Ⅰ〔0.45%(1989—2000)，0.64%(2000—2005)〕和嚴(yán)重沙漠化土地〔0.40%(1989—2000)，0.57%(2000—2005)〕。其中非沙漠化土地Ⅱ主要轉(zhuǎn)為非沙漠化土地Ⅰ中的耕地，而非沙漠化土地Ⅱ面積的減少主要為戈壁的減少。

(2)非沙漠化土地Ⅰ在監(jiān)測時間段內(nèi)呈持續(xù)增加的趨勢，增幅在后一時段較大。年變率在兩個時期分別為1.31%和2.66%，1989—2000年間面積增加0.58%，2000—2005年間增加0.61%，其中1989—2000年期間增加的來源為潛在沙漠化土地(7.46%)、強烈沙漠化土地(6.08%)，2000—2005年期間增加的來源較為均衡，為正在發(fā)展沙漠化土地(3.81%)、嚴(yán)重沙漠化土地(3.73%)和潛在沙漠化土地(3.23%)，主要轉(zhuǎn)為非沙漠化土地I中的耕地和建設(shè)用地。

(3)潛在沙漠化土地面積在監(jiān)測時段內(nèi)呈減少趨勢，年變率在兩個時段分別為-2.7%和-1.53%。面積在1989—2000年間減少 0.43%，在 2000—2005年間減少0.08%，主要去向在1989—2000年間為:非沙漠化土地Ⅰ(23.56%)、強烈沙漠化土地(17.71%)和正在發(fā)展沙漠化土地(17.05%)，在2000—2005年間為:非沙漠化土地Ⅰ(16.45%)、強烈沙漠化土地(19.53%)，其中潛在沙漠化土地轉(zhuǎn)為非沙漠化土地Ⅰ中的耕地。

(4)正在發(fā)展沙漠化土地在監(jiān)測時段內(nèi)呈減少趨勢，年變率在兩個時期分別為-0.52%和-3.6%。面積在1989—2000年間減少 0.13%，在 2000—2005年間減少0.38%，主要去向在1989—2000年間為:強烈沙漠化土地(36.63%)、嚴(yán)重沙漠化土地(10.78%)，在2000—2005年間為:嚴(yán)重沙漠化土地(16.82%)、強烈沙漠化土地(14.77%)和非沙漠化土地Ⅰ(9.26%)，其中潛在沙漠化土地轉(zhuǎn)為非沙漠化土地Ⅰ中的耕地。

(5)強烈沙漠化土地在監(jiān)測時段內(nèi)呈減少趨勢，年變率在兩個時期分別為-1.14%和-7.47%，面積減少幅度在1989—2000年間面積減少0.82%，而在2000—2005年間減少 2.15%，減少的主要去向在1989—2000年間為:嚴(yán)重沙漠化土地(34.03%)、正在發(fā)展沙漠化土地(8.60%)，在2000—2005年間為:嚴(yán)重沙漠化土地(52.42%)。

總體而言，沙漠化土地變化趨勢是向兩個方向發(fā)展，即向以耕地為主的人工綠洲和向嚴(yán)重沙漠化土地轉(zhuǎn)化為主，人工綠洲與嚴(yán)重沙漠化土地之間的過渡帶(潛在沙漠化、正在發(fā)展沙漠化土地和強烈沙漠化土地)呈縮小趨勢，這與前人對干旱區(qū)的類似研究結(jié)果一致[16]。

表5 2000—2005年皮山地區(qū)沙漠化土地面積轉(zhuǎn)移矩陣

3 沙漠化土地變化動因分析

3.1 氣候變化對土地沙化的影響

皮山地區(qū)年降水量僅為48.2 mm，年蒸發(fā)量達2 450mm ，干燥度為 14.3，屬極端干旱荒漠氣候[1]，生態(tài)環(huán)境十分脆弱。近40 a來，皮山地區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，降水量也呈增加趨勢[17-18]。從研究區(qū)沙漠化分布態(tài)勢可以得出，監(jiān)測區(qū)的綠洲面積呈增加趨勢而整體生態(tài)環(huán)境則表現(xiàn)為全面退化。可見，氣候變化不是監(jiān)測時段內(nèi)監(jiān)測區(qū)生態(tài)環(huán)境退化的主要原因。

3.2 人為因素對土地沙化的影響

人口及牲畜數(shù)量在監(jiān)測時段內(nèi)的不斷增加(表6)，促使人們不斷新開荒地和加大荒漠草場利用強度，生態(tài)用水被不斷擠占和壓縮，環(huán)境壓力持續(xù)增大，荒漠植被因濫墾、過牧、過樵或水源減少而遭受破壞或退化，導(dǎo)致土地沙漠化持續(xù)發(fā)展。

表6 皮山縣人畜數(shù)量變化情況

總體而言，皮山地區(qū)土地沙漠化程度的加劇是在極端干旱的自然背景下，主要由于人口壓力和人類不合理行為的增加造成沙漠與綠洲之間過渡帶荒漠植被遭受破壞所致。

4 結(jié)論

(1)監(jiān)測區(qū)綠洲和嚴(yán)重沙漠化土地擴大，兩者之間的過渡帶面積逐漸縮小。嚴(yán)重沙漠化土地與以耕地為主的人工綠洲(非沙漠化土地Ⅰ)面積增加明顯，且在研究的后一時段增加的面積及速率均大于前一時段。過渡帶在兩個研究時段均呈減少趨勢，且在第二個時段除潛在沙漠化土地外，其它類型土地減少的比率較前一時段大。

(2)監(jiān)測區(qū)沙漠化程度進一步加劇。嚴(yán)重沙漠化土地面積增加明顯，除沙漠化土地Ⅰ以耕地增加為主外，其它沙漠化土地類型均呈減少趨勢。強烈沙漠化和正在發(fā)展沙漠化土地主要轉(zhuǎn)移方向為嚴(yán)重沙漠化土地。非沙漠化土地I在研究時段內(nèi)雖然有所增加，其占監(jiān)測區(qū)面積的比率從4%增加至5.19%，但嚴(yán)重沙漠化土地面積的占比則從63.73%增加至67.02%，較前者的增幅多2.1%，因此從整體而言沙漠化土地在進一步向劣變方向發(fā)展。

[1] 周興佳，李崇舜，錢亦兵.新疆喀什、和田地區(qū)綠洲沙害及其防治[J].自然資源，1989(4):24-31.

[2] 藍利，穆桂金，齊烏云，等.古居延綠洲漢代至西夏渠系影像特征及綠洲環(huán)境變遷[J].第四紀(jì)研究，2009，29(2):241-247.

[3] 夏訓(xùn)誠，李崇舜，周興佳，等.新疆沙漠化與風(fēng)沙災(zāi)害治理[M].北京:科學(xué)出版社，1991.

[4] 朱震達，陳治平，吳正，等.塔克拉瑪干沙漠風(fēng)沙地貌研究[M].北京:科學(xué)出版社，1981.

[5] 高會軍，姜琦剛，霍曉斌.中國北方沙質(zhì)荒漠化土地動態(tài)變化遙感分析[J].災(zāi)害學(xué)，2005，20(3):18-21.

[6] 高志海，魏懷東，丁峰.TM影像荒漠化土地特征信息的提取[J].中國沙漠，1998，18(S1):42-45.

[7] 劉彥隨.陜北長城沿線地區(qū)土地退化態(tài)勢分析[J].地理學(xué)報，2002，57(4):443-450.

[8] 吳薇，王熙章，姚發(fā)芬.毛烏素沙地沙漠化的遙感監(jiān)測[J].中國沙漠 ，1997 ，17(4):415-420.

[9] 牛寶茹.基于遙感信息的沙漠化災(zāi)害程度定量提取研究[J].災(zāi)害學(xué) ，2005 ，20(1):18-21.

[10] 高尚武，王葆芳，朱靈益，等.中國沙質(zhì)荒漠化土地檢測評價指標(biāo)體系[J].林業(yè)科學(xué)，1998，34(2):1-10.

[11] 朱會義，李秀彬.關(guān)于區(qū)域土地利用變化指數(shù)模型方法的討論[J].地理學(xué)報，2003，58(5):643-650.

[12] 朱會義，李秀彬，何書金，等.環(huán)渤海地區(qū)土地利用的時空變化分析[J].地理學(xué)報，2001，56(3):253-260.

[13] 王秀蘭，包玉海.土地利用動態(tài)變化研究方法探討[J].地理科學(xué)進展，1999，18(1):81-86.

[14] 王思遠，劉紀(jì)遠，張增祥，等.中國土地利用時空特征分析[J].地理學(xué)報，2001，56(6):631-639.

[15] Wu Xiuqin，Cai Yunlong.Land cover changes and landscape dynamics assessment in lower reaches of Tarim river in China[J].Chinese Geographical Science，2003，14(1):28-33.

[16] 樊自立，徐曼，馬英杰，等.歷史時期西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境演變規(guī)律和驅(qū)動力[J].干旱區(qū)地理，2005，28(6):723-728.

[17] 何清，楊青，李紅軍.新疆40 a來氣溫、降水和沙塵天氣變化[J].冰川凍土，2003，25(4):423-427.

[18] 秦艷，周躍志，師慶東，等.基于氣溫、降水變化的南疆氣候變化分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21(8):54-57.