康?？h土地沙漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

董大鵬，徐青，馬佳明，趙鵬，李程安，劉雪瑩，谷建才

(1 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，河北 保定 071000;3 承德市雙橋區(qū)水務(wù)局，河北 承德 067000)

土地沙漠化指的是在干旱、半干旱以及部分亞濕潤(rùn)地區(qū)出現(xiàn)的一種由于人地關(guān)系不協(xié)調(diào)所造成的以風(fēng)沙活動(dòng)為主的土地退化現(xiàn)象[1]。目前影響全球人類發(fā)展的生態(tài)環(huán)境問題有很多，土地沙漠化就是其一。沙漠化現(xiàn)象因其影響范圍廣、危害程度大、防治較困難引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。全球?qū)⒔?/3的土地面積受到沙漠化的影響，直接造成每年經(jīng)濟(jì)損失約420億美元[2]。中國(guó)是世界上沙漠化比較嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其是中國(guó)北方地區(qū)，由于氣候干旱常年少雨，導(dǎo)致沙漠化土地分布較廣且程度嚴(yán)重[3]。因此沙漠化研究早已成為我國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一，該研究有利于改善我國(guó)干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。王小軍等利用甘肅省兩期沙漠化土地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，著重分析了沙漠化土地面積、程度及類型的變化[4]。吐爾遜·哈斯木等對(duì)塔里木河流域沙漠化原因研究中，主要分析了毀林毀草、超載放牧和水資源的不合理利用等原因，并提出控制人口增長(zhǎng)，正確政策引導(dǎo)是沙漠化逆轉(zhuǎn)的必須策略[5]。楊易利用遙感技術(shù)對(duì)西藏那曲縣沙漠化土地進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明當(dāng)?shù)厣衬掷m(xù)惡化[6]。王東清等選取5個(gè)時(shí)期的TM影像對(duì)寧夏沙漠化土地進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)沙漠化土地面積下降明顯[7]。張靖從景觀格局角度出發(fā)，選取多種景觀格局指數(shù)來研究鄂爾多斯市烏審旗地區(qū)沙漠化動(dòng)態(tài)變化特征[8]。楊微等對(duì)科爾沁左翼后旗地形、土壤和水資源進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，將土地沙漠化與適宜性綜合分析進(jìn)行土地利用優(yōu)化[9]。賈雙竹等利用轉(zhuǎn)移矩陣法和數(shù)學(xué)模型法分析了豐寧縣沙化土地格局的變化[10]。對(duì)于沙漠化土地動(dòng)態(tài)變化前人已有大量研究，但從沙漠化程度和沙漠化類型兩個(gè)角度對(duì)河北省康?？h沙化動(dòng)態(tài)變化的研究相對(duì)較少。我國(guó)沙漠化土地貫穿東北、華北和西北地區(qū)，呈不連續(xù)弧形帶狀分布，其中29%的沙漠化土地分布在渾善達(dá)克沙地、科爾沁沙地、河北壩上和內(nèi)蒙古后山[11]?？当？h位于河北省西北部，是京津風(fēng)沙源治理工程的重點(diǎn)地區(qū)，探究該地區(qū)沙漠化土地的變化規(guī)律能有效改善壩上地區(qū)沙漠化狀況，對(duì)京津生態(tài)環(huán)境改善具有極大意義。本研究利用遙感影像數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息技術(shù)，對(duì)康保縣2009-2014年間沙漠化土地動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)胤郎持紊场⒑侠硎褂猛恋睾蜕鷳B(tài)建設(shè)提供科學(xué)有效的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

康保縣地處河北省西北部，屬于壩上地區(qū)，全縣總面積為3 284 km2。東部與內(nèi)蒙古太仆寺旗毗鄰，西部與化德縣、商都縣相接，南部和張北縣、沽源縣、尚義縣相連，北部與內(nèi)蒙古正鑲白旗接壤，地理坐標(biāo)為東經(jīng)114°11′～114°56′，北緯41°25′～42°08′?？h域內(nèi)地勢(shì)較復(fù)雜，東北高西南低，北部、東部為丘陵區(qū)，面積占比為57.7%，南部為波狀平原區(qū)，面積占比為42.3%[12]。該縣年平均氣溫1.7 ℃，年平均降水量能達(dá)到340 mm，主要是集中在6—8月，有114 d無(wú)霜期，大風(fēng)天氣集中在3—5月，年平均日照時(shí)數(shù)3 100 h，是河北省光照時(shí)間最長(zhǎng)的縣。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究選取康?？h2009年和2014年的TM遙感影像，盛夏時(shí)節(jié)是地表植物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)候，在遙感影像中也最易辨別，故2期影像的成像時(shí)間分別選7月和8月，云量均低于3%，地面分辨率為30 m。利用ENVI5.1軟件對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、幾何校正、圖像融合等處理，其中大氣校正采用ENVI5.1軟件中的Flaash模塊，以1∶5萬(wàn)地形圖作為底圖進(jìn)行配準(zhǔn)，采用二次多項(xiàng)式模型和最近鄰重采樣方法對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何精校正,校正精度控制在1個(gè)像元內(nèi)[13]。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，采用支持向量機(jī)法對(duì)影像進(jìn)行監(jiān)督分類，分類精度都大于85%，最后以Kappa系數(shù)為驗(yàn)證解譯結(jié)果精度的指標(biāo)，Kappa系數(shù)都大于0.8，證明解譯結(jié)果滿足研究使用。最后基于ArcGIS10.6軟件強(qiáng)大的空間分析功能對(duì)沙漠化土地時(shí)間和空間信息進(jìn)行提取，包括沙漠化程度、沙漠化類型、沙漠化面積，以此來對(duì)康?？h土地沙漠化動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 沙化土地分類

基于不同地物在TM影像中所包含的光譜信息不同，選取影像的5、4、3波段進(jìn)行假彩色合成，影像中色彩、紋理等光譜特征比較明顯。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，同時(shí)參照朱震達(dá)編制的沙丘類型劃分標(biāo)準(zhǔn)和《全國(guó)荒漠化和沙化監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》[14-15]，分為半固定沙地、固定沙地、沙化耕地、有明顯沙化趨勢(shì)土地和未沙化土地5類沙漠化土地類型，沙漠化程度的劃分參考的是孫天天[16]等人制定的劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要依據(jù)植被覆蓋度的大小將其分為非沙漠化、輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和極重度沙漠化5個(gè)等級(jí)。

2.3 沙化土地動(dòng)態(tài)變化評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)土地沙漠化動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)有許多，選取動(dòng)態(tài)度和基于馬爾科夫鏈模型得到的轉(zhuǎn)移矩陣對(duì)沙化類型進(jìn)行研究，選取沙漠化指數(shù)和土地重心遷移模型對(duì)沙化程度進(jìn)行研究，以此來評(píng)價(jià)研究區(qū)總體沙漠化情況。利用動(dòng)態(tài)度可以表示一定時(shí)間范圍內(nèi)某一種沙化類型的變化速度和變化幅度[17]。借助ArcGIS10.6空間疊加分析能力將2期遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，獲得不同沙化類型轉(zhuǎn)移矩陣。沙漠化指數(shù)是定量評(píng)價(jià)沙漠化程度動(dòng)態(tài)變化的指標(biāo)，其與沙漠化程度呈正相關(guān)，值越大代表研究區(qū)內(nèi)沙漠化程度越嚴(yán)重[18]。為了能夠更加直觀的觀察研究區(qū)不同沙化程度在5 a間的轉(zhuǎn)移方向和距離，對(duì)各類沙化程度土地重心的地理坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，繪制出土地重心空間遷移圖。各指標(biāo)公式及參數(shù)意義如下：

(1)沙漠化土地動(dòng)態(tài)度

(1)

式中：U1和U2分別為期初和期末某一種沙化土地類型面積，T為研究時(shí)段，K>0代表沙化土地面積增加，反之減小。

(2)沙漠化指數(shù)

(2)

式中：SA為沙漠化土地總面積，S1、S2、S3、S4分別為輕度、中度、重度、極重度沙漠化土地的面積。ADI越大，表明沙漠化程度越嚴(yán)重，反之，沙漠化程度不嚴(yán)重。

(3)土地重心遷移模型

(3)

(4)

式中：X和Y分別代表某一種沙化土地重心的經(jīng)度和緯度，n代表該種沙化土地的斑塊數(shù)，Xi和Yi分別代表第i個(gè)斑塊重心的經(jīng)度和緯度，Ci表示第i個(gè)斑塊的面積。

(4)轉(zhuǎn)移矩陣

(5)

式中：A為面積，i、j為轉(zhuǎn)移前后的沙漠化類型，n為轉(zhuǎn)移前后沙漠化類型數(shù)，Aij為i沙漠化類型轉(zhuǎn)移為j沙漠化類型的面積。

3 結(jié)果與分析

對(duì)解譯后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，主要以2個(gè)時(shí)期沙漠化程度和沙漠化土地類型的動(dòng)態(tài)變化來綜合分析研究區(qū)總體沙漠化狀況，利用ArcGIS10.6對(duì)不同沙化程度和不同沙化類型的各類信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，同時(shí)制得沙化程度和沙化類型分布圖。

3.1 不同沙化程度動(dòng)態(tài)變化

康?？h不同時(shí)期的沙漠化程度分布如圖1所示。

圖1 康?？h2009年和2014年沙漠化程度分布圖

Figure 1 Distribution of desertification in Kangbao County in 2009 and 2014

由圖1可以看出，康?？h非沙漠化土地集中分布在中部和東北部，輕度沙漠化土地分布最廣，極重度沙漠化土地分布極少，重度沙漠化土地分布相對(duì)均勻，較為明顯的區(qū)域以北部為主，呈條帶狀分布，中度沙漠化土地集中分布在康?？h的西部和北部，呈不規(guī)則點(diǎn)狀分布。

對(duì)不同沙漠化程度土地的面積信息進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)得表1。

表1 康?？h2009年和2014年不同沙漠化程度土地面積及沙漠化指數(shù)

Table 1 Land area and desertification index of different desertification levels in Kangbao County in 2009 and 2014 hm2

年份Year非沙漠化Non-desertification輕度沙漠化Milddesertification中度沙漠化Moderatedesertification重度沙漠化Severedesertification極重度沙漠化Extremely severedesertification沙漠化指數(shù)Desertificationindex200961 638.53233 324.1426 711.026 507.69167.511.151201462 721.82233 033.5526 108.536 327.53157.461.148變化量1 083.28-290.59-602.48-180.16-10.05-0.003

據(jù)表1可知，5 a內(nèi)，康保縣非沙漠化土地面積增加了1 083.28 hm2，康?？h沙漠化程度以輕度為主，輕度沙漠化土地占沙漠化土地總面積的比例高于87%，5 a內(nèi)面積減少290.59 hm2。中度和重度沙漠化土地面積分別減少602.48 hm2和180.16 hm2。極重度沙漠化土地面積變化量最小，僅減少10.05 hm2。2009年康?？h沙漠化指數(shù)為1.151，2014年沙漠化指數(shù)為1.148，沙漠化指數(shù)降低0.003，說明康?？h沙漠化程度呈逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

不同沙化程度土地重心分布見圖2。

圖2 不同沙漠化程度土地重心遷移圖Figure 2 Map of land gravity center shift in different degrees of desertification

根據(jù)圖2可知，康保縣由東到西，土地重心依次為非沙漠化、輕度沙漠化、極重度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化。重度沙漠化土地主要位于西部，輕度沙漠化土地主要位于中部，與圖1沙化程度分布一致。5 a時(shí)間各土地重心遷移情況不同，其中遷移最明顯的是極重度沙漠化土地和非沙漠化土地，前者向東北方向遷移了19.19 km，后者向西南方向遷移了5.51 km。輕度和中度沙漠化土地重心均向東北方向遷移，遷移距離為1.16 km和2.29 km。重度沙漠化土地重心比較穩(wěn)定，僅向東遷移0.57 km。

3.2 不同沙化類型動(dòng)態(tài)變化

康保縣不同時(shí)期沙化土地類型分布如圖3所示。

圖3 康?？h2009年和2014年沙化土地類型分布圖

Figure 3 Distribution of desertification land types in Kangbao County in 2009 and 2014

圖3可以看出，未沙化土地主要分布在康?？h中部，東北部區(qū)域以有明顯沙化趨勢(shì)土地為主，值得注意的是2009年有明顯沙化趨勢(shì)土地在未沙化土地四周呈不連續(xù)片狀分布，而2014年有明顯沙化趨勢(shì)土地逐漸向南部擴(kuò)展，呈不規(guī)則點(diǎn)狀分布。固定沙地和沙化耕地分布范圍最廣，半固定沙地分布范圍較小，主要分布在西部和北部。

各沙漠化類型的動(dòng)態(tài)度如圖4所示。

圖4 各沙化土地類型動(dòng)態(tài)度

Figure 4 Dynamics of desertification land types

由圖4可知，固定沙地、有明顯沙化趨勢(shì)土地和未沙化土地的動(dòng)態(tài)度分別為0.47、1.33和0.15，三者的面積都增加，固定沙地增加了2 791.51 hm2，有明顯沙化趨勢(shì)土地增加1 754.73 hm2，未沙化土地增加258.40 hm2，而半固定沙地和沙化耕地的動(dòng)態(tài)度均小于0，5 a里面積都相應(yīng)的減少，半固定沙地減少593.80 hm2，沙化耕地減少4 210.84 hm2。

由轉(zhuǎn)移矩陣可以詳細(xì)了解不同沙化類型土地的具體轉(zhuǎn)移去向，沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣詳見表2。

表2 康?？h2009—2014年沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣

Table 2 Kangbao County 2009-2014 desertification land type transfer matrix hm2

沙化土地類型Desertifiation land types2014半固定沙地Semi-fixedsandy land固定沙地Fixed sandy land沙化耕地Desertificationarable land有明顯沙化趨勢(shì)土地Land with obviousdesertification trend未沙化土地Non-sandy land2009半固定沙地3 524.081 637.151 305.96241.96555.84 固定沙地1 580.2089 006.2219 702.434 289.284 440.24沙化耕地962.6119 763.38107 143.1610 382.682 118.30 有明顯沙化趨勢(shì)土地85.116 105.323 590.3912 377.354114.39未沙化土地519.195 297.814 417.35736.0224 452.47

由表2可知，半固定沙地轉(zhuǎn)為固定沙地和沙化耕地的面積分別為1 637.15 hm2和1 305.96 hm2。固定沙地向沙化耕地轉(zhuǎn)移的面積最大，為19 702.43 hm2，占固定沙地總面積的17%。沙化耕地主要轉(zhuǎn)入固定沙地和有明顯沙化趨勢(shì)土地，轉(zhuǎn)入面積分別為19 763.38 hm2和10 382.68 hm2，占沙化耕地總面積的14%和7%。有明顯沙化趨勢(shì)土地以轉(zhuǎn)入固定沙地、沙化耕地、未沙化土地為主，轉(zhuǎn)入三者的面積比例分別為23%、14%、16%。未沙化土地的轉(zhuǎn)移方向主要為固定沙地和沙化耕地，轉(zhuǎn)移面積分別為5 297.81 hm2和4 417.35 hm2，占未沙化土地總面積的15%和12%。

4 結(jié)論與討論

康?？h土地沙漠化得到改善。2009—2014年非沙化土地面積增加1 083.28 hm2，沙化程度以輕度為主，輕度、中度、重度和極重度沙化面積均減少，這主要得益于康保縣所實(shí)施的一系列防沙治沙工程，康?？h先后實(shí)施的國(guó)家生態(tài)工程有三北防護(hù)林工程、退耕還林工程、京津風(fēng)沙源治理工程，地方生態(tài)工程有太行山綠化工程、綠色通道工程等[19]，基于康保縣多種切實(shí)有效的沙漠化防治措施，使得當(dāng)?shù)厣衬癄顩r改善，沙漠化指數(shù)降低0.003，沙漠化程度整體好轉(zhuǎn)。極重度沙化土地重心遷移最明顯，向東北遷移19.19 km，重度沙化土地重心較穩(wěn)定，僅向東遷移0.57 km，與康保縣沙化程度空間分布趨勢(shì)一致。

康?？h沙化土地類型以沙化耕地和固定沙地為主，半固定沙地和未沙化土地多轉(zhuǎn)變?yōu)樯郴睾凸潭ㄉ车亍９潭ㄉ车睾陀忻黠@沙化趨勢(shì)土地動(dòng)態(tài)度為0.47和1.33，面積分別增加2 791.51 hm2和1 754.73 hm2，雖然二者面積增加，但增幅不大，不影響沙化總體好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。

本研究?jī)H從沙漠化程度和沙漠化類型兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)康保縣土地沙漠化動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，沒有對(duì)沙漠化動(dòng)態(tài)變化的原因進(jìn)行思考，未來應(yīng)該考慮沙漠化的重要驅(qū)動(dòng)因子，以期能夠更為有效的指導(dǎo)當(dāng)?shù)厣衬乐喂ぷ鳌？梢悦鞔_的是當(dāng)?shù)卣龅囊幌盗泄ぷ魇侨〉梅e極成效的，重視對(duì)土地資源的合理利用，繼續(xù)推動(dòng)各項(xiàng)生態(tài)工程的落實(shí)，加大植樹造林規(guī)模，沙漠化問題定會(huì)日益好轉(zhuǎn)。