正藍(lán)旗荒漠化遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

王琳琳，王旭紅

(西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710127)

荒漠化作為我國(guó)北方土地退化的主要形式，已經(jīng)造成了巨大的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失。土地荒漠化是由氣候變化和人類活動(dòng)共同所引起的，已被人們普遍所認(rèn)可。土地荒漠化過(guò)程是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程，它是生態(tài)系統(tǒng)遭受干擾后，生態(tài)平衡遭到破壞，植被及環(huán)境發(fā)生全面退化的過(guò)程［1］。隨著21世紀(jì)初沙塵暴的頻繁發(fā)生，國(guó)內(nèi)關(guān)于土地荒漠化過(guò)程的研究已有很多，渾善達(dá)克沙地是中國(guó)五大沙地之一［2］，荒漠化發(fā)展非常嚴(yán)重，研究者從荒漠化現(xiàn)狀、原因、防治以及景觀發(fā)展等不同角度，探討了荒漠化問(wèn)題［3］［4］［5］。正藍(lán)旗位于渾善達(dá)克沙地中段，亦受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，但對(duì)土地荒漠化過(guò)程的研究相對(duì)較少，且缺乏不同過(guò)程之間相互關(guān)系的研究。以正藍(lán)旗為例，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合1987年遙感影像解譯數(shù)據(jù)為第一時(shí)期的數(shù)據(jù)，再以2000年遙感影像解譯數(shù)據(jù)為第二時(shí)期的數(shù)據(jù)，針對(duì)荒漠化土地進(jìn)行近13年的動(dòng)態(tài)變化分析。

1 研究區(qū)概況

正藍(lán)旗位于錫林郭勒盟南端，渾善達(dá)克沙地腹地，東與多倫縣及赤峰市克什克騰旗毗鄰，西與正鑲白旗接壤，北與阿巴嘎旗、錫林浩特市相連，南與太仆寺旗和河北省相鄰。地理坐標(biāo)為北緯 41°59'～ 43°11'，東經(jīng) 115°00'～ 116°42'，是離北京最近的草原牧區(qū)，也是距離北京最近的沙塵源。正藍(lán)旗地貌主要由沙地沙丘，低山丘陵和河谷地貌組成，平均海拔1 300 m。正藍(lán)旗南部為低山丘陵，屬草甸草原類型，北部是渾善達(dá)克沙地，沙地植被為草甸草原、干草原和西部的荒漠草原川。正藍(lán)旗內(nèi)沙地面積達(dá)6713.0 km2，占全旗總面積的68%。北部沙地由東南向西北緩緩降低，地面起伏不大，沙地邊緣為剝蝕低山、丘陵，境內(nèi)沙丘、湖泊、盆地及剝蝕高地交錯(cuò)分布。地帶性土壤主要為黑鈣土、暗栗鈣土、栗鈣土和棕鈣土;非地帶性土壤主要為風(fēng)沙土，其次為沼澤土、鹽堿土和草甸土。屬中溫帶干旱大陸性季風(fēng)氣候，寒冷、大風(fēng)、少雨、干旱是其顯著特點(diǎn)。

2 遙感影像預(yù)處理

本文所使用的主要信息源包括:覆蓋研究區(qū)的1987年與2000年兩期4景TM影像;參考信息源包括:正藍(lán)旗地區(qū)90年代末大比例尺行政區(qū)劃圖，以及其它相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)遙感影像增強(qiáng)和最佳波段組合、幾何校正、影像鑲嵌等處理，建立解譯標(biāo)志，再根據(jù)不同類型、不同程度的荒漠化土地影像特征進(jìn)行人機(jī)交互判讀。

2.1 影像增強(qiáng)和最佳波段組合

為了減少各種信息之間的冗余，同時(shí)保留最佳信息量，在遙感影像處理過(guò)程中，為使影像所含信息量最大，以便于進(jìn)行目視解譯，選取適當(dāng)?shù)牟ǘ芜M(jìn)行彩色合成始終是一個(gè)方便的處理方法。TM4反映不同荒漠化程度的土地上的植被特點(diǎn)，TM3波段反映沙質(zhì)土壤的較高亮度和鹽漬化土地的白化現(xiàn)象，TM2對(duì)植被的反射敏感，能區(qū)分林型、樹種，因此本文選用TM4(R)、3(G)、2(B)標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成方案。

2.2 遙感影像幾何糾正

采用其它年代的已糾正影像做標(biāo)準(zhǔn)參考圖對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。校正后投影為基于WGS84橢球體、中央經(jīng)線為116的UTM投影。

2.3 影像鑲嵌

本內(nèi)涉及的1987年和2000年TM影像各有兩景，因此需要進(jìn)行影像的鑲嵌配準(zhǔn)。為保證像元的亮度值和對(duì)比值較均一，采用了直方圖匹配法。

3 荒漠化分類系統(tǒng)及解譯標(biāo)志

3.1 荒漠化分類、分級(jí)

如何正確地劃分荒漠化土地的因子類別，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的劃分原則。根據(jù)區(qū)內(nèi)荒漠化土地分布的特點(diǎn)，在參閱了有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)內(nèi)的土地劃分為荒漠化土地和非荒漠化土地2個(gè)類型，其中，荒漠化土地又分為輕度、中度、重度和極重度荒漠化土地 4個(gè)等級(jí)［6］，各土地類型和荒漠化土地分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 土地荒漠化動(dòng)態(tài)分類系統(tǒng)及標(biāo)識(shí)代碼

3.2 影像解譯標(biāo)志的建立

根據(jù)地物特征反映到影像上的光譜變化特點(diǎn)，建立荒漠化目視解譯標(biāo)志，一方面要考慮不同地物特征的光譜反映特點(diǎn)，另一方面要考慮特定影像類型解譯各類荒漠化土地的可能性。根據(jù)這兩條原則和上述荒漠化土地分類、分級(jí)系統(tǒng)，不同類型，不同等級(jí)荒漠化土地在TM影像上的特征以及結(jié)合其它圖件和荒漠化資料，建立的荒漠化土地TM影像目視解譯標(biāo)志［7］，見圖表 2。

表2 土地利用狀態(tài)和荒漠化土地類型的影像特征

4 荒漠化土地現(xiàn)狀及動(dòng)態(tài)分析

4.1 土地荒漠化現(xiàn)狀分析

根據(jù)各種荒漠化土地遙感影像特征，對(duì)2000年TM影像進(jìn)行人機(jī)交互判讀，并統(tǒng)計(jì)得到了土地荒漠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1 2000年正藍(lán)旗各荒漠化程度面積比例

根據(jù)遙感解譯發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)荒漠化主要發(fā)生于北部地區(qū)，形成了主軸延伸方向?yàn)槲鞅薄獤|南走向的沙丘，中、南部主要發(fā)生水蝕，中部荒漠化主要發(fā)生于河谷平原和山前沖洪積平，在南部存在一條輕度荒漠帶，從阿日巴圖寶拉格浩特經(jīng)查干淖爾延伸到德日蘇臺(tái)。研究區(qū)土地荒漠化非常嚴(yán)重，以輕度和中度為主。全旗共有荒漠化土地6 015.3 km2，占總土地面積的59%。其中輕度荒漠化土地2 049.6 km2，占荒漠化土地總面積的34%;中度的1 632.3 km2，占27.1%;強(qiáng)烈的 1 197.4 km2，占 19.9%;極重度的 1 136.1 km2，占18.9%。可見，各種程度的數(shù)量分布規(guī)律是從輕度到極重度越來(lái)越少，僅輕度荒漠化土地就占1/3以上。

4.2 土地荒漠化動(dòng)態(tài)變化分析

根據(jù)1959年中國(guó)科學(xué)院治沙隊(duì)考察資料，當(dāng)時(shí)渾善達(dá)克沙地流動(dòng)沙地僅占總面積的2%，半固定沙地占34%，固定沙地占64%。并且這2%的流動(dòng)沙丘和半固定沙丘，主要分布在西部。由此推斷，當(dāng)時(shí)正藍(lán)旗的荒漠化土地是非常少的。

然而，對(duì)1987～2000年正藍(lán)旗TM影像上解譯的結(jié)果顯示:正藍(lán)旗1987年荒漠化土地已非常嚴(yán)重，說(shuō)明在196～1987年間經(jīng)歷了土地荒漠化的強(qiáng)烈快速發(fā)展，且1987年僅正藍(lán)旗的極重度荒漠化土地達(dá)到了1 565.3 km2，為近50年之最。到2 000年為止，極重度重和重度荒漠化土地幾經(jīng)治理，分布面積有所減少(特別是正藍(lán)旗西部現(xiàn)在的扎格斯臺(tái)蘇木、那日?qǐng)D蘇木與伊和海日罕蘇木)，但在西部荒漠化土地在好轉(zhuǎn)的同時(shí)，正藍(lán)旗中部和東部的沙質(zhì)草地迅速向輕度和中度荒漠化土地轉(zhuǎn)變，致使到2000年時(shí)，總荒漠化土地達(dá)到了近50年來(lái)面積最大、最為破碎的情況。另外，正藍(lán)旗土地荒漠化從 1987年的 5 593.8 km2發(fā)展到 2000年的6 015.3 km2，發(fā)展速率為 32.4 km2/年。荒漠化土地面積增加的同時(shí)，盡管重度和嚴(yán)重荒漠化土地面積有所減少，減少的面積分別為 469 km2、0 km2、429.2 km2，但輕度和中度荒漠化土地面積增加的更多，分別為 764.7 km2、555.0 km2，見表5。因此，如果人類不及時(shí)采取行動(dòng)防治當(dāng)?shù)氐幕哪芯繀^(qū)的荒漠化面積和程度可能會(huì)繼續(xù)增大。

表3 正藍(lán)旗1987年和2000年土地荒漠化狀況

4.3 荒漠化土地之間的轉(zhuǎn)換

通過(guò)分析正藍(lán)旗1987年至2000年土地荒漠化程度類型轉(zhuǎn)移矩陣，見表4，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的土地荒漠化變化過(guò)程并不是像人們所估計(jì)的完全逐級(jí)遞增或逐級(jí)遞減，而是在13年的時(shí)段內(nèi)存在明顯的躍變過(guò)程。如表3所示，1987年的非荒漠化土地4 594.4 km2經(jīng)過(guò) 13年左右到 2000年有 7.6%(350.1 km2)躍變?yōu)橹卸取⒅囟群蜆O重度;輕度荒漠化土地1 284.9 km2有 19.3%(248.4 km2)躍變?yōu)橹卸取⒅囟?中度荒漠化土地 1077.3 km2有 3.1%(33.1 km2)躍變?yōu)橹囟?這種躍變現(xiàn)象表明在13年左右該地區(qū)的土地荒漠化嚴(yán)重惡化，發(fā)展十分迅速 ，該地區(qū)土地的保護(hù)與開發(fā)利用一定要慎重。

同樣荒漠化土地逆轉(zhuǎn)也不是逐級(jí)遞減的過(guò)程，而是具有明顯的躍變遞減過(guò)程。如表4轉(zhuǎn)移矩陣中1987年有1 565.3 km2極重度荒漠化土地到2000年有 0.24%(3.7 km2)躍變?yōu)檩p度荒漠化土地，有 0.26%(4.1 km2)躍變?yōu)橹卸然哪恋兀踔劣?.1%(1.6 km2)躍變?yōu)榉腔哪恋亍＿@個(gè)現(xiàn)象表明該區(qū)域荒漠化土地在條件適當(dāng)?shù)那闆r下恢復(fù)的潛力還是很大，速度也會(huì)很快。

表4 正藍(lán)旗1987年至2000年不同荒漠化類型土地轉(zhuǎn)移矩陣 km2

總之，該地區(qū)荒漠化土地演變過(guò)程中所具有的躍變過(guò)程表明該區(qū)域的非荒漠化或潛在荒漠化土地并非是最安全的，其會(huì)在一定的條件下演變?yōu)槌潭葒?yán)重的荒漠化土地;相反該區(qū)域程度嚴(yán)重的荒漠化土地并非是不可逆轉(zhuǎn)的，同樣會(huì)在一定的自然條件下或人類活動(dòng)干擾下躍變?yōu)檩p度在甚至非荒漠化土地。在對(duì)該區(qū)域影像圖解譯后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域西北部有少部分地段的流沙經(jīng)人工治理變?yōu)榉腔哪恋睾洼p度荒漠化土地，也證明了這一規(guī)律。

5 結(jié)論與討論

(1)在1987年有荒漠化土地5 593.8 km2，2000年荒漠化土地面積已達(dá)6 015.3 km2，1987年至2000年土地荒漠化擴(kuò)張平均速度為32.4 km2/年 。荒漠化主要發(fā)生于北部地區(qū)，形成了主軸延伸方向?yàn)槲鞅薄獤|南走向的沙丘。

(2)過(guò)去50年間，正藍(lán)旗經(jīng)歷了強(qiáng)烈的荒漠化發(fā)展過(guò)程，且嚴(yán)重荒漠化土地在1987年分布最廣。從1987年到2000年，部分重度和極重度荒漠化土地，得到了好轉(zhuǎn)，但新的更多的中度和輕度荒漠化土地在發(fā)展，不同程度荒漠化土地的總面積在2000年達(dá)到最大，可以得出僅在人工措施進(jìn)行重點(diǎn)治理的地區(qū)，有明顯變化，其它大部分地區(qū)尚未發(fā)生質(zhì)的變化。

(3)在10～15年的時(shí)間尺度內(nèi)，土地荒漠化程度加重與減輕存在明顯的躍變遞減過(guò)程，因此對(duì)該區(qū)土地的開發(fā)利用需要極其慎重 ，防止開發(fā)利用措施不當(dāng)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)發(fā)展成為重度或極重度荒漠化土地。

(4)該區(qū)的土地荒漠化演變過(guò)程在空間分布與土壤類型、地形地貌等環(huán)境因素之間的耦合關(guān)系很密切，如土地荒漠化程度加重的區(qū)域主要分布在半固定風(fēng)沙土土壤類型區(qū)域內(nèi)、在坡地與坡腳地形區(qū)域內(nèi)、在沿河谷與河岸地貌區(qū)域內(nèi)，土地荒漠化程度減輕的區(qū)域主要分布在河流沿岸、湖泊周圍、沙地中的地勢(shì)較低處，土地荒漠化程度始終保持穩(wěn)定的區(qū)域地形多為山地、丘陵、河岸，土壤類型多為栗鈣土和黑鈣土。在土地荒漠化的治理過(guò)程中，應(yīng)該針對(duì)該特征規(guī)律采取相應(yīng)的開發(fā)利用或者治理措施。

(5)氣溫升高和降水量減少是荒漠化景觀發(fā)展的基礎(chǔ)和背景條件，管理失誤、人口增長(zhǎng)及由此引起的“三濫”等超強(qiáng)度利用土地行為是影響研究區(qū)土地荒漠化的主要人文因子，控制人口密度，調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)，改革土地利用制度，加強(qiáng)土地管理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)勢(shì)在必行。

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