1986～2019年烏拉特后旗荒漠化動態(tài)演變及其成因研究

蘇麗德，王海兵，左合君

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院，內(nèi)蒙古風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

烏拉特后旗地處內(nèi)蒙古巴彥淖爾市西北部，北靠蒙古國，擁有195.26 km長的邊境線，是我國北方地區(qū)重要的生態(tài)屏障。烏拉特后旗位于半干旱、干旱過渡地帶，常年風大沙多，且其境內(nèi)分布著巴音溫都爾沙漠主要部分白銀查干沙漠、本巴臺沙漠和海里沙漠，使得當?shù)鼗哪痆1～3]情況十分嚴重，生態(tài)環(huán)境[4]脆弱。

近代以來由于經(jīng)濟、農(nóng)牧業(yè)、社會的快速發(fā)展，當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境進一步惡化，土地荒漠化加劇[5,6]，對干旱地區(qū)居民的生活和生態(tài)健康[7]構成了威脅，而從2000年開始的巴音溫都爾沙漠飛播造林治理工程、退牧還草等工程項目的接連啟動，使得烏拉特后旗境內(nèi)土地荒漠化趨勢得到了減緩，并對當?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境起到了一定的恢復作用。荒漠化治理和生態(tài)恢復工程實施近19年來對烏拉特后旗荒漠化變化調(diào)查也在進行，但是調(diào)查方法目前只局限于人工統(tǒng)計[8]變化，且人工調(diào)查有著覆蓋范圍不夠全面、信息量少、用時量過長等問題。而相較于人工實地調(diào)查[9]，近些年來遙感解譯[10,11]分析荒漠化變化以其信息量大、范圍廣、周期短和監(jiān)測結果更多樣化更詳細等優(yōu)勢，為沙漠化、荒漠化[12,13]監(jiān)測提供了新的思路與手段。如Zongyi Ma等[14]利用NDVI與Albedo特征空間荒漠化差值指數(shù)模型對中國的高臺縣地區(qū)進行了荒漠化分析與監(jiān)測，得出此地區(qū)正在處于一個典型的荒漠化過程；劉英等[15]基于NDVI-Albedo特征空間，對黃土高原地區(qū)荒漠化和旱情進行了監(jiān)測，結果表明黃土高原荒漠化和旱情呈明顯減少趨勢；岳輝等[16]運用NDVI-Albedo特征空間監(jiān)測模型計算出荒漠化差值指數(shù)，并結合植被條件反照度干旱指數(shù)，對陜西省荒漠化與干旱情況進行遙感分析和監(jiān)測。

基于此，本文以烏拉特后旗為研究區(qū)，利用NDVI-Albedo特征空間[17]荒漠化監(jiān)測模型，并提取出荒漠化信息，對研究區(qū)域內(nèi)的荒漠化情況進行分析與監(jiān)測，并分析荒漠化的成因，為烏拉特后旗荒漠化狀況進行科學評價，并提供荒漠化治理建議。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

烏拉特后旗地處于內(nèi)蒙古自治區(qū)西北部，東經(jīng)107°05′06″，北緯41°06′46″，屬于巴彥淖爾市管轄區(qū)，國境線長達195.26 km，總面積為2.5萬 km2。烏拉特后旗地處于中溫帶，是為高原大陸性氣候。年平均氣溫3.8 ℃，平均降水量96～105.9 mm，年均無霜期約130 d，年均凍土深為2.3 m。氣候的主要特點為：冬季十分寒冷干燥且風沙多，夏季十分干旱且降雨少，日照十分強烈，蒸發(fā)量大。

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文選用烏拉特后旗1986、1991、1996、2000、2006、2010年6～9月份Landsat4-5TM影像，2015、2019年6～9月份Landsat8 OLI 影像，軌道號為129/31、130/31、130/32，共八期24景(云量均低于10%)遙感影像作為數(shù)據(jù)源。利用ENVI5.3軟件對數(shù)據(jù)進行影像預處理，過程有幾何校正、輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌以及利用烏拉特后旗邊界矢量圖對影像進行剪裁。利用經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)計算歸一化植被指數(shù)(NDVI)，地表反照率(Albedo)則通過S．Liang[18,19]建立的Landsat-TM數(shù)據(jù)的反演模型來進行計算，利用Excel軟件建立的NDVI與Albedo特征空間計算荒漠化差值指數(shù)DDI[20]，社會氣象數(shù)據(jù)則從中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)與內(nèi)蒙古統(tǒng)計年鑒巴彥淖爾篇獲取(圖1)。

圖1 研究區(qū)示意

2.3 植被覆蓋度遙感估算模型

目前已有很多利用遙感監(jiān)測植被覆蓋度的方法，其中較為實用的監(jiān)測方法為利用植被指數(shù)近似的估算植被覆蓋度，常用到的植被指數(shù)為NDVI[21]。本文則以李苗苗[22]等基于像元二分模型[23,24]研究出的植被覆蓋度模型計算了研究區(qū)植被覆蓋度。

以下為李苗苗等在基于像元二分模型改進的植被覆蓋度監(jiān)測研究模型：

(1)

在式(1)中,NDVIsoil是無植被覆蓋區(qū)域或完全裸土的NDVI值，而NDVIveg則是全植被覆蓋像元的NDVI值。

3 結果與分析

3.1 烏拉特后旗NDVI-Albedo特征空間

從圖2中可以看出，地表反照率(Albedo)與不同荒漠化類型相應的植被指數(shù)(NDVI)有著明顯的線性負相關性，且8期影像R2值都在0.8以上，這結果說明在NDVI-Albedo特征空間上地表反照率(Albedo)和植被歸一化指數(shù)(NDVI)有著非常強的線性負相關性。基于NDVI-Albedo特征參數(shù)反演烏拉特后旗荒漠化特征具有可靠性。

圖2 1986～2019年NDVI-Albedo特征空間模型

3.2 烏拉特后旗荒漠化分布及其面積分析

計算得到1986～2019年DDI影像，以自然間斷法(Jenks)將荒漠化分為5類：未荒漠化(1～0.38)；輕度荒漠化(0.38～0.23);中度荒漠化(0.23～0.16)；重度荒漠化(0.16～0.05);極重度荒漠化(0.05～0.55)。利用ArcGis10.5選取典型年份1986年、2000年、2015年和2019年荒漠化分布圖(圖3)。

利用荒漠化差值指數(shù)做成的分類圖中分別統(tǒng)計出1986～2019年荒漠化程度面積利用Excel軟件做出面積統(tǒng)計表和圖(表1、圖3)。

由圖3可知在空間分布上，巴音溫都爾沙漠地區(qū)是極重度荒漠化和重度荒漠化區(qū)域，其中以海里沙帶、本巴臺大部分區(qū)域在極重度和重度荒漠化分類范圍內(nèi)；巴音查干沙地則以重度和中度荒漠化地區(qū)為主；巴音溫都爾沙漠的周邊地區(qū)以中度荒漠化為主；狼山周邊地區(qū)則以輕度荒漠化為主。

由圖3和表1可知，烏拉特后旗荒漠化情況十分嚴重。在2019年烏拉特后旗荒漠化情況十分嚴重，近90%的區(qū)域都屬于荒漠化地區(qū)，總面積達到23415.45 km2，主要分布在巴音溫都爾沙漠及其周邊地區(qū)，其中極重度荒漠化分布在海里沙漠和本巴臺沙漠，面積為5437.55 km2；重度荒漠化地區(qū)主要分布在白銀查干沙漠，面積為4285.39 km2；中度荒漠化地區(qū)分布在巴音溫都爾沙漠及其周邊地區(qū)，面積為9395.49 km2；輕度荒漠化地區(qū)主要分布在狼山周邊地區(qū)，面積為4297.02 km2。

表1 荒漠化面積統(tǒng)計 km2

圖3 1986～2019荒漠化分類空間分布

從荒漠化程度變化來說，極重度荒漠化地區(qū)面積總體呈減少趨勢，由1986年的5792.31 km2，一直減少到2019年的5437.55 km2；重度荒漠化面積總體呈減少趨勢，由1986年的5096.49 km2，持續(xù)減少至2019年的4285.39 km2；中度荒漠化面積變化不大，由1986年的9287.11 km2，減少至2015年的8457.35 km2,而后在2019年增大至9395.49 km2；輕度荒漠化面積總體呈增加趨勢，由1986年的3214.89 km2,一直增加至2019年的4297.02 km2。33年間研究區(qū)荒漠化情況有所惡化，雖然極重度和重度荒漠化面積有所好轉，但中度和輕度荒漠化面積明顯增加，未荒漠化地區(qū)面積也明顯減少。

3.3 烏拉特后旗荒漠化演變分析

利用DDI計算得到的荒漠化分類圖，在ENVI5.3軟件的Thematic Change Workflow分類后比較工具支持下，從1986年到2019年，將荒漠化程度加重稱為“惡化”(如未荒漠化土地變化為輕度荒漠化土地)，荒漠化程度跨級增加稱為“明顯惡化”(如未荒漠化土地變化為重度和極重度荒漠化土地)；相反，荒漠化程度降低則稱為“好轉”，跨級降低則稱為“明顯好轉”，荒漠化程度前后兩期保持不變則稱為“無變化”，對比出荒漠化空間動態(tài)變化圖(圖4)。

由圖4、表2可知，1986～2019年，荒漠化情況明顯好轉地區(qū)分布在烏拉特后旗南部地區(qū)本巴臺沙漠區(qū)域為主，還有一部分分布在西南部地區(qū)；好轉地區(qū)分布在東部地區(qū)和中北部地區(qū)，惡化地區(qū)東南部和西部地區(qū)。

表2 1986～2019荒漠化土地變化矩陣 km2

圖4 荒漠化空間發(fā)展變化

從1986～2019年約近33年間，總土地轉移面積7223.76 km2，占研究區(qū)總面積的29.60%。其中極重度荒漠化面積共轉移了1899.43 km2，轉化為中度荒漠化面積為1146.20 km2，轉化為輕度荒漠化面積為580.87 km2，最終極重度荒漠化地區(qū)總面積減少了354.76 km2，極重度荒漠化地區(qū)往中度轉移較多，極重度荒漠化情況有所好轉；重度荒漠化面積轉移了1566.72 km2，其中轉化為中度荒漠化土地面積為1362.26 km2，轉化其他荒漠化類型的較少，最終重度荒漠化土地面積減少了611.10 km2，重度荒漠化土地情況明顯好轉了；中度荒漠化面積共轉移了2596.43 km2，其中轉化為極重度荒漠化面積為1231.76 km2，轉化為重度荒漠化面積為694.11 km2，最終中度荒漠化總面積增加了108.37 km2，中度荒漠化情況有所惡化；輕度荒漠化土地面積轉移了564.81 km2，轉化為極重度荒漠化土地面積為189.26 km2，轉化為未荒漠化土地面積為288.86 km2，最終輕度荒漠化土地總面積增加了1082.14 km2，輕度荒漠化情況明顯惡化；未荒漠化轉移了596.37 km2，分別轉化為中度和輕度荒漠化土地面積為113.05 km2和363.11 km2，未荒漠化土地面積減少了25.58 km2?？梢钥闯?，總體荒漠化情況有所惡化。

3.3 烏拉特后旗荒漠化成因分析

3.3.1 自然因素

(1)植被覆蓋度。利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)定量估算植被覆蓋度的模型，計算出1986到2019年共8期烏拉特后旗植被覆蓋度圖，并結合ArcGis10.5中計算出各期植被覆蓋度區(qū)域面積。由圖5可知，從1986到2019年近33年間，荒漠化面積和植被覆蓋度面積呈劇烈波動性變化，隨著荒漠化面積的增加植被覆蓋度下降，而隨著植被覆蓋度的增加荒漠化面積下降，可以看出植被覆蓋度變化是荒漠化情況變化的影響因子。

圖5 荒漠化面積與高植被區(qū)域面積變化對比

(2)降水量、氣溫。從圖6可知，1986～2019年間，研究區(qū)平均氣溫變化很大，在1986～2000年間平均氣溫在5～6 ℃之間，而從2000年開始氣溫增加，尤其從2014年開始平均氣溫到了6～7 ℃之間；降雨量變化則呈劇烈的波動性，在100～300 mm之間浮動。結合降水量、氣溫變化與荒漠化面積變化對比圖，可以得出隨著氣溫和降水的上升，荒漠化面積明顯減少，而氣溫和降水量下降使荒漠化面積上升。

圖6 平均氣溫和降水變化與荒漠化面積變化對比

3.3.2 人為因素

(1)人口、牲畜。烏拉特后旗歷年人口和牲畜的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示(圖7)，從1986～2019年間人口一直處于增長趨勢，從1986年的4.3萬人增長到2018年的5.8萬人，人口的不斷增長會給土地帶來一定的壓力，人口越多土地的壓力也會增加，近33年來烏拉特后旗荒漠化情況加重，一定程度上是受了人口增長的影響。1986～2018年間牲畜的頭數(shù)有增加的趨勢，但波動性較大，1986～2000年間牲畜頭數(shù)增長很快從1986年的30萬頭到2000年的60萬頭，2000～2018年間則呈減少趨勢。牲畜頭數(shù)的變化與該地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展情況、圍封禁牧政策、舍飼圈養(yǎng)等原因密切相關，牲畜頭數(shù)的減少會減輕草場的一部分壓力，對植被的恢復有一定的促進作用。

圖7 1986～2019年人口、牲畜變化

(2)政策因素。2000年開始的根據(jù)國家《國務院關于進一步做好退牧還林(草)試點工作》《內(nèi)蒙古自治區(qū)禁牧和草畜平衡監(jiān)督管理辦法》《烏拉特后旗巴音溫都爾沙漠風蝕沙化區(qū)綜合治理規(guī)劃》等一系列政策的實施，使得烏拉特后旗境內(nèi)土地荒漠化趨勢得到了減緩，并對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了一定的恢復作用，牲畜量開始明顯減少，而隨著牲畜量的減少，烏拉特后旗植被覆蓋度也有明顯的上升，植被覆蓋度的增加相應的減少了荒漠化地區(qū)面積(圖8)。

圖8 植被覆蓋度與牲畜數(shù)量對比

4 結語

本文以烏拉特后旗巴音溫都爾沙漠為研究對象，以1986～2019年的LandsatTM、OLI數(shù)據(jù)為基礎，建立NDVI-Albedo特征空間，利用荒漠化差值指數(shù)(DDI)結合研究區(qū)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)分析該研究區(qū)土地荒漠化動態(tài)變化規(guī)律和成因，結論如下。

(1)烏拉特后旗荒漠化情況十分惡劣，荒漠化地區(qū)占旗面積的90%。近33年間，荒漠化地區(qū)擴展速率為0.8%，雖然荒漠化擴展速度緩慢，但在緩慢擴展的同時，主要表現(xiàn)在荒漠化程度進一步加重。

(2)荒漠化地區(qū)總面積由1986年的23390.8 km2增加至2019年的23415.45 km2。極重度荒漠化和重度荒漠化情況有所好轉，由1986年的5792.31 km2和5096.49 km2，減少為2019年的5437.55 km2和4285.39 km2，中度荒漠化和輕度荒漠化情況則明顯惡化，從1986年的9287.11 km2和3214.89 km2，增加到9395.49 km2和4297.02 km2。

(3)通過對研究區(qū)荒漠化變化成因分析發(fā)現(xiàn)，在1986年到2000年間，荒漠化情況加重，影響其的主要因子是以降水、氣溫和植被為主的自然因素，氣溫和降水的下降使得植被覆蓋度減少，從而使荒漠化情況惡化。而從2000年開始，因國家和地方一系列政策和工程的實施，人為因素變?yōu)榛哪闆r變化的主導因子，在工程和政策施行后植被覆蓋度明顯上升，荒漠化情況明顯好轉。

(4)結合近33年遙感影像動態(tài)變化分析解譯，烏拉特后旗荒漠化防治重點區(qū)域應以海里沙漠、白音查干沙漠和本巴臺沙漠組成巴音溫都爾沙漠周邊荒漠化嚴重地區(qū)為主。