基于3S的黃土高原北部土地沙化分析——以陜西省神木縣為例

白龍,劉利民,小林達明,松崗延浩,木村玲二

（1.沈陽農業大學園藝學院,遼寧 沈陽 110866；2.沈陽農業大學農學院,遼寧 沈陽 110866；3.日本千葉大學園藝學研究科,松戶271- 8510；4.日本鳥取大學干旱地研究中心,鳥取 680- 0001）

黃土高原北部屬水蝕風蝕交錯帶,水土流失極為嚴重[1]。建國以來,以黃河上中游管理局為首的國內外研究機構開展水土保持研究的同時,采取修筑梯田、打壩淤泥、種樹造林等水土保持措施遏制土地沙化進程[2-3]。從2000年初開始又執行了退耕還林（草）措施。為了及時掌握土地沙化及植被恢復情況,很多學者利用遙感技術分析了土地沙化動態趨勢,結果一致認為黃土高原北部的土地沙化趨勢為整體好轉局部惡化[4-6]。但這些研究側重于區域土地沙化的動態趨勢上,并沒分析沙化區的社會背景因素。Kobayashi等[7]利用實地調查和遙感技術結合的方法分析了毛烏素沙地擴展的影響因素。結果表明,過度放牧不僅促進了土地沙化進程,還降低了牧民收入。近年來,在草地資源調查、動態趨勢分析及評價、濕地研究等方面利用遙感技術的事例逐年增加[8-11],為遙感技術應用的普及奠定了很好的理論基礎。本研究采用實地調查與遙感技術相結合的方法分析黃土高原北部神木縣1986-2004年的植被變化趨勢,并以鄉鎮為單位探討影響土地沙化擴展的社會背景因素,為更準確地掌握土地沙化趨勢為退耕還林還草的實施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況神木縣位于陜西省北部,處于黃土高原與毛烏素沙地接壤帶上（圖1）。含沙量較高的黃河一級支流窟野河與禿尾河均穿過該縣注入黃河,土壤侵蝕速度25 000 t/（km2·a）的地區均在本縣范圍內[3]。主要地貌類型有風積沙丘、溝谷（侵蝕溝）和黃土峁3類[12]。主要農作物種類有玉米（Zea mays）、豆類、谷子（Setaria italica）、糜子（Panicum miliaceum）和薯類等。除玉米種植在平坦的河灘地外,其他農作物均種植在黃土峁坡面上,水土流失十分嚴重。長期的水土流失已造成“廣種薄收,薄收更廣種”的惡性循環。

神木縣年平均降水量為437.4 mm,年平均氣溫6～12℃[13]。植被類型從東南的森林草原向西北演變成草原。東南的森林植被以油松（Pinus tabulaef ormis）、山楊（Populus davidiana）等溫性針葉和闊葉落葉樹種為主,草原植被以長芒草（Stipa bungeana）、興安胡枝子（Lespedeza daurica）等耐旱性植被為主,西北的沙地有油蒿（Artemisia ordosica）、沙柳（Sali x psammophila）等沙生灌木或半灌木群落[14]。

圖1 神木縣位置與鄉鎮分布圖

1.2 研究方法本研究使用Path127/Row33的1986年8月2日和2004年8月6日拍攝的兩景影像圖像。圖像分析使用ERDAS IMAGINE 8.4軟件和Arc View GIS 3.2軟件。

首先,做出2003年8月6日圖像的假彩色合成像片,并以2002年夏天記錄的神木縣13個標準點的經緯度坐標值進行幾何校正,然后以榆林市2001年1月發行的神木行政圖為參考地圖,使用Arc View GIS 3.2軟件剪切出神木縣范圍（7 500 km2）,并做出了神木縣衛星地圖。

為了掌握研究區土地覆蓋現狀,攜帶事先做好的神木縣衛星地圖和GPS定位器,于2004年8月2-12日在神木縣范圍內實地調查,記錄不同覆蓋類型的植被特征、分布特征及經緯度。為了掌握不同覆蓋類型的反射特征,使用便攜式分光反射計（Fieldspec-handheld,美國Analytical Spectral Devices公司）測定不同覆蓋類型的反射特征。根據神木縣土地覆蓋類型特點,確定土地覆蓋類型分類系統及各個類型的主要特征（表1）。

根據實地調查中記錄的經緯度坐標,在2004年8月6日的遙感圖像上分別讀取不同類型的50個樣點,分析不同類型的遙感圖像上的反射特征。TM傳感器所設的7個測試波段中,反映地物特征最有效的是波段3和波段4[15]。本研究中根據波段3、波段4的灰度值大小及波段4和波段3的比即比植被指數（RVI）大小為依據,用決策樹分類法進行分類。

利用神木縣社會統計資料[17]分析了不同鄉鎮總人口、農業人口比例、人均土地面積、總耕地面積、耕地面積比例（耕地面積占人均土地面積的比例）與鄉鎮沙化土地變化之間的關系,探討土地沙化的社會背景因素。

2 結果與討論

2.1 不同土地覆蓋類型的反射特征（灰度值）及分類搭載TM傳感器的遙感圖像上,地物的反射率以0～255的整數（也叫灰度值）來表達,灰度值越大反射率越高[15]。在不同覆蓋類型的波段3灰度值范圍為20～140,波段4的40～130,RVI指數在0.5～4.5。其中,植被蓋度高、長勢旺盛的灌溉農田在波段3的灰度值最?。?0以下）,RVI指數最高（2.5以上）。流動沙丘、黃土裸地在波段3的灰度值均最大,但2個類型無明顯差異,均在108～140。綠色植物在合成有機物的過程中強烈吸收紅色光（相當于TM傳感器的波段3）,所以植被的有無和多少直接影響波段3的反射大小[15]。水域 RVI指數最低（0.8以下）。根據以上灰度值和反射特征容易劃分出灌溉農田、水域和裸地的3個類型。

表1 神木縣土地覆蓋類

半固定沙丘是流動沙丘與固定沙丘之間的過渡類型,RVI指數也介于流動沙丘與固定沙丘之間[16]（本文中為1.0～1.2）。

草地和旱田的類型的反射特征很相似,波段3的灰度值在40～100,RVI指數基本在1.2～2.5。實地調查中發現,神木縣范圍內沒有連片大面積的草地和旱田,每塊草地（或旱田）面積一般在500～1 000 m2,在黃土峁地區常常鑲嵌式分布于溝谷間的坡面。此特征意味著搭載TM傳感器的遙感圖像中的像元（28.5 m×28.5 m）包含草地和旱田的混合類型。并且,使用便攜式分光反射計測試后得知,草地和旱田的2個類型在不同波長區域的反射特征十分相似,難以區分。溝坡、固定沙丘的2個類型在分布位置上容易區分,但土壤表層上均形成微生物結皮層,反射特征很相似,波段3的灰度值在38～78,RVI指數基本在1.0～1.5。使用便攜式分光反射計測試后也難以區分。因此,本研究中把上述4個類型分別劃入草地+旱田、溝谷+固定沙丘的2個混合類型中。

遙感圖像上草地+旱田與林地的 RVI指數分布范圍基本相同,但草地+旱田的波段3、4的灰度值之和遠大于林地,利用此特征可劃分出草地+旱田和林地的2個類型。根據 RVI指數上的差異進一步劃分出林地和溝谷+固定沙丘的2個類型。

根據以上特征,將2004年的神木縣土地覆蓋類型劃分為:裸地、灌溉農田、旱田+草地、溝谷+固定沙丘、林地、半固定沙丘和水域共七大類型。各個類型的分類閾值見圖2（右）。

衛星所搭載的傳感器采集地物反射信息時,受拍攝時期的大氣狀況、太陽輻射、云層厚度等因素影響,即便是同種地物會出現灰度值差異現象[15]。因此,對比分析不同時期遙感圖像需要灰度值矯正。本研究中,沒找到可對比的1986年土地利用分類圖,采用同一地物反射率不變的原理進行矯正[15]。即選擇2個時期都存在的水泥路面、巖石中取樣,并確定相關性方程（圖3）。利用此方程得出不同覆蓋類型在1986年遙感圖像波段3、4的灰度值,用同樣方法進行分類（圖2左）。分類結果的準確率為82.4%,可視為有效分類[15]。

2.2 土地沙化現狀及變化趨勢分析在2004年,神木縣土地覆蓋類型中旱田+草地類型最多,約占整個土地面積的35%；其次是溝谷+固定沙丘類型,約占30%；半固定沙丘位居第三,約占20%；裸地占6%；其他類型在5%以下。18年間,裸地減少最明顯,減少幅度達10%。而半固定沙丘有明顯增加趨勢（圖4）。

2004年,受毛烏素沙地影響沙化土地主要集中在西部鄉鎮,并從西北向東南逐漸減少（圖5）。1986-2004年,大多數鄉鎮的沙化土地面積在縮小,西北鄉鎮尤為明顯,最多的達150 km2（圖6）。但南部的萬鎮、賀家川、沙峁鄉和馬鎮等4個鄉鎮里沙化土地面積反而有所增加,這可能是黃土峁坡面的植被蓋度下降后下層土壤裸露的結果。這些鄉鎮集中分布在黃河右岸地帶,也是屬于黃土高原地區土壤侵蝕速度最快的地帶[1],應視為防止水土流失的重點地區。

圖4 1986和2004年神木縣土地覆蓋類型比例

圖5 2004年神木縣沙化土地分布

圖6 1986-2004年神木縣沙化土地變化

2.3 土地沙化的社會背景分析神木縣位于陜西省北部、全縣轄22個鄉鎮。縣境內儲煤面積達4 500 km2,占全縣總面積的59%,截至2002年,神木縣的大小煤礦200個左右,主要集中在大柳塔鎮、孫家岔鎮、店塔鎮等縣北部鄉鎮[17]。走訪調查后得知,縣北部鄉鎮地區的農村勞動力幾乎全部從事于煤礦礦務,棄耕現象較普遍。而南部的鄉鎮煤礦少,農村勞動力中務農比例較大。本研究中,耕地面積比例10%以上的瓦羅、太和塞、萬鎮、賀家川、沙峁鄉和馬鎮等南部的6個鄉鎮里,18年間的沙化土地減少率0.3%以下,甚至有所增加?？赡苁瞧赂氐乃亮魇е铝送恋厣郴M程。分析2003年神木縣社會統計資料后發現,人均土地面積少、耕地面積比例大的鄉鎮土地沙化擴展趨勢很明顯（圖7）。意味著過度開墾利用影響土地沙化擴展。

圖7 土地沙化與人均土地面積、耕地面積比例關系（2003年數據）

3 結論

1）2004年,神木縣沙化土地面積占總土地面積的8%。1986-2004年的18年間,沙化土地減少了750 km2左右,但局部仍然擴展。

2）黃土峁地區的開墾利用促進了土地沙化進度,推廣科學的坡耕地管理模式是水土保持的關鍵。人均土地面積少、耕地面積比例大的鄉鎮地區應視為防止土地沙化的重點地區。

3）以往的土地沙化遙感分析中一般以區域等大范圍為研究對象。本研究以鄉鎮為單位,實地調查與遙感技術結合的方式分析了土地沙化趨勢及社會影響因素,結果更客觀地反映實際情況,可以對決策者提供更詳細的數據。

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