基于GIS的河北省豐寧縣土地沙化演變及驅動力分析

賈雙竹， 彭 博， 范慧濤， 宣立輝， 郭宇嘉， 谷建才

(河北農業大學 林學院， 河北 保定 071000)

土地沙化是指干旱、半干旱和部分半濕潤地區，在具有一定沙質基礎和干旱、大風動力條件下，由于過度人為活動與資源、環境不相協調所產生的一種以風沙活動為主要標志的環境或土地退化過程[1]。土地沙化的大面積蔓延就形成荒漠化，是最嚴重的全球環境問題之一，地球上20%的陸地正在受到沙漠化威脅[2-3]。土地沙漠化已成為制約中國特別是西部地區社會經濟可持續發展的主要因素。因此，有關土地沙化的研究受到了國內外學者的廣泛關注，何介南等[4]利用若爾蓋縣4期土地沙漠化監測數據研究了沙化程度的動態演變過程；薛占金等[5]從植被退化、土層厚度和風蝕強度等方面分析研究了晉北地區環境特征及土地沙化的成因機制；汪曉菲等[6]根據若爾蓋縣4次土地沙化監測數據及野外調查資料，研究了該地區沙化現狀及發展動態；白龍等[7]研究分析了陜西省神木縣1986—2004年土地沙化變化趨勢及社會環境因素對其影響；鄧東周等[8]、朱洪如[9]對不同地區土地沙化驅動因子進行了分析研究。前人對土地沙化特征及自然和人為因子的影響力進行了大量研究，但針對豐寧縣土地沙化情況及地形、氣候對沙化影響的相關研究很少。豐寧地區屬于環京津風沙治理工程的重點地區之一，加強該地區的植被恢復建設，對改善河北的生態環境和保護京津地區的生態安全具有重要的意義。因此，本文擬利用衛星遙感影像監測，結合地理信息系統進行綜合分析統計，對不同時期的遙感影像進行處理，對河北省豐寧縣的大灘鎮、魚兒山鎮、土城鎮、萬勝永鄉、四岔口鄉、外溝門鄉、草原鄉、小壩子鄉、草原林場、大灘林場、四岔口林場11個主要土壤沙化區2009—2014年的沙化演變規律和驅動因子進行綜合分析，為今后該地區沙化治理、土地資源的合理利用提供參考依據。

1 研究區概況

豐寧滿族自治縣位于河北省北部、承德市西部，地理坐標為東經115°14′—117°24′，北緯40°35′—42°00′，總面積為8 765 km2。地處燕山北麓和內蒙古高原南緣，地勢由東南向西北呈階梯狀增高，分為壩下、接壩和壩上3個地貌單元。該縣屬于中溫帶半濕潤半干旱大陸性季風型高原山地氣候，春季多風干旱、夏季濕熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷干燥。全年多為西風、西北風，年均風速達每秒4.3 m，年均大風日數49 d，沙塵暴13 d，年均氣溫0.9～6.2 ℃，無霜期110～145 d，年有效積溫壩上地區為1 082 ℃，壩下為1 489 ℃，年日照時數2 903.6 h，晝夜溫差大，年降雨量350～550 mm。植被具有內蒙古高原草原特點，類型復雜，物種組成豐富，以楊、樺樹和大面積草甸草原為主。當地人為活動以農業生產和放牧對土壤沙化影響嚴重。豐寧縣壩上地區土地沙化面積不斷增加，20世紀70年代為34 224 hm2，80年代為57 591 hm2，90年代為131 927 hm2[10]。

2 數據及方法

2.1 數據來源及信息提取

選用2009-07，2014-08這2期TM遙感影像，盡量使得遙感數據無噪聲和條帶，云層覆蓋低于5%，利用PCI Geomatica等遙感圖像處理軟件，以1∶50 000地形圖為基準進行幾何校正、圖像融合、影像拼接等，建立研究區域的數字影像。校正采用的是二次多項式糾正法，即用高分辨率的全色影像對低分辨率的多光譜影像進行糾正。將原始影像與DEM等信息融合后采用基于“徑向基函數”的神經網絡方法進行遙感影像的計算機分類，分類精度均值大于90%。利用Kappa系數對解譯結果進行精度驗證，經檢驗，研究區2009和2014年土地利用及沙化分類分級的Kappa系數均在0.8以上，分類結果良好[11]。利用ArcGIS軟件的空間分析與統計功能提取沙化土地類型、程度、面積、土地利用類型、氣候和地貌等信息，在此基礎上分析沙化土地的時空變化特征及其與土地利用類型、氣候、地貌等因子的相關性。

2.2 沙化土地分類分級

不同土地利用類型在遙感圖像中呈現出的光譜信息不同，利用這一特征，采用監督分類中的最大似然法進行特征判別，結合遙感圖像信息并參考Google Earth影像進行目視解譯，將該區土地利用分為6類：耕地、林地、草地、居民建筑交通用地、水域和未利用地。

參照《沙化土地監測技術規程》(GB/T 24255-2009)，結合解譯得到的矢量圖形數據，土地沙化類型分為5類：非沙化土地、固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢的土地、沙化耕地。依據解譯標志，參考相關研究[12]，豐寧縣土地沙化程度分為4類：非沙化土地、輕度沙化、中度沙化、重度沙化。

3 結果分析

3.1 沙化土地時空變化特征

分別采用2009和2014年的TM遙感影像經過解譯，對豐寧縣5 a來土地沙化在空間上和時間上的動態變化情況進行了研究，同時為了對比分析，分別按沙化程度和沙化類型的變動情況，利用ArcGIS得到不同時段沙化土地空間動態變化，同時對分類結果進行統計分析。

3.1.1 不同沙化程度時空變化特征 依據2期土地沙化數據，研究區內不同土地沙化程度空間分布及動態變化情況見圖1所示。

圖1 2009年和2014年土地沙化程度分布

分析研究區不同土地沙化程度空間分布情況可以發現，2009年土地沙化主要集中在中部以西地區，少數分布在南部地區；其中，中度沙化在中部偏上地區較為集中，重度沙化在西北方向上分布較為集中，其余均呈零星分布；到2014年，土地沙化在東北方向上出現零星分布，且為中度沙化；與2009年相比，中度沙化集中分布區現已呈零星分布，重度沙化分布極顯著減少。

此次對豐寧縣主要風沙區的11個鄉鎮土地沙化動態進行監測研究，監測面積總計332 973.8 hm2。分析研究區不同土地沙化程度動態變化結果可以看出，2009年土地沙化面積為85 506.3 hm2，占總面積的25.68%，輕度沙化、中度沙化、重度沙化占沙化土地總面積的比重分別為78.42%，19.00%，2.58%；2014年土地沙化面積為84 697.1 hm2，占總面積的25.44%，輕度沙化、中度沙化、重度沙化占沙化土地總面積的比重分別為78.51%，21.10%，0.39%；從2009—2014年，非沙化土地面積增加809.2 hm2，重度沙化面積顯著減少，減少了1 872.6 hm2，輕度沙化面積減少了560.9 hm2，中度沙化面積增加了1 624.3 hm2。

3.1.2 不同沙化類型時空變化特征 依據2期土地沙化數據，研究區內不同土地沙化類型空間分布情況及動態變化見圖2。

圖2 豐寧縣2009年和2014年沙化土地類型分布

由圖2沙化土地類型分布可以看出，有明顯沙化趨勢的土地主要分布在中部偏西及西北角地區，從2009—2014年，沙化耕地、有明顯沙化趨勢的土地在分布上變化不顯著，但半固定沙地在分布上變動明顯，2009年半固定沙地在西北部分布較為集中，而西部地區也有零星分布；2014年半固定沙地位置明顯向左偏移，在西部方向上分3塊呈較聚集分布，且2009年的半固定沙地分布區到2014年多轉化為固定沙地分布區。

不同類型沙化土地面積統計分析結果表明，2009年沙化土地面積共計95 523.1 hm2，占總面積的28.69%。固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢的土地、沙化耕地占沙化土地總面積的百分比分別為53.67%，2.16%，10.49%，33.68%。2014年沙化土地面積為94 895.6 hm2，占總面積的28.50%。固定沙地、半固定沙地、有明顯沙化趨勢的土地、沙化耕地占沙化土地總面積的百分比分別為53.30%，2.06%，10.75%，33.89%。不同沙化類型土地面積與2009年相比，2014年固定沙地面積減少了697.6 hm2，半固定沙地面積減少了111.9 hm2，有明顯沙化趨勢的土地面積增加了181.6 hm2，沙化耕地面積變動最小，僅減少了5.5 hm2。

3.2 沙化土地時空變化的驅動力分析

土地沙化是脆弱的生態環境與人類活動相互作用、相互影響而共同導致的結果，在土地沙化過程中引起土地沙化并發生改變的驅動因子眾多且難以區分驅動作用大小，要結合當地情況進行判別[13-15]。豐寧縣作為典型的土地沙化地區之一，脆弱的自然環境條件是造成土地沙化的根源，因此，本文結合當地的土地利用類型、氣候條件、地貌類型對沙化土地時空變化做進一步分析。

3.2.1 土地利用類型 依據2期土地沙化數據，研究區不同土地利用類型空間分布情況及動態變化見附圖3和表1所示。

分析研究區土地利用類型空間分布情況可以看出，耕地、林地及草地是該地區主要的土地利用形式，且中部以西地區的草地逐漸轉變為林地，結合圖1土地沙化程度分布情況可以看出，沙化區的主要土地利用類型為草地和耕地，而林地所在的中東、東南地區僅有少量分布。

表1 2009-2014年研究區土地利用類型面積 hm2

從表1土地利用類型面積動態變化情況可知，未利用地面積增加了11 042.0 hm2，但未出現沙化；到2014年非沙化土地中耕地面積增加了821.2 hm2，沙化面積基本不變；隨著時間的推移，林地、草地面積動態變化明顯，林地面積增加40 565.0 hm2，其中非沙化土地面積增加29 370.3 hm2，輕度沙化所占比重降低了6.4%，盡管不同程度沙化面積較之前有所增加，但沙化面積所占比重變化較小；草地面積減少了52 349.7 hm2，輕度、中度沙化土地面積減少分別為9 365.1，587.5 hm2，重度沙化面積下降顯著，面積減少了2 045.8 hm2，下降率達99.6%。

3.2.2 氣 候 依據當地的年平均降雨量，以年等降水量線<200 mm為干旱區，200～400 mm為半干旱區，>800 mm為濕潤區的標準[16]，將研究區的氣候劃分為干旱、半干旱和濕潤3種類型。則2009—2014年研究區氣候類型分布情況及動態變化情況如圖3及表2所示。

圖3 豐寧縣2009年和2014年氣候類型分布

表2 2009-2014年豐寧縣不同氣候類型沙化面積hm2

從豐寧縣氣候類型分布圖(圖3)可以看出，研究區以干旱和半干旱氣候類型為主，2009年有少量濕潤氣候的西北、東北部地區在2014年時的氣候類型分別轉化為干旱、半干旱氣候類型。結合圖1不同年份土地沙化程度分布可知，沙化土地主要分布在氣候干旱條件下。

從表2可以看出，2009年干旱、半干旱及濕潤氣候類型中沙化面積占沙化總面積的百分比為57.70%，41.79%，0.51%；2014年干旱、半干旱氣候類型中沙化面積占沙化面積的百分比為59.44%和40.56%。輕度、中度及重度沙化面積所占沙化總面積的比重，2009年干旱氣候條件下分別為85.02%，11.16%，3.82%；半干旱氣候條件下各占69.15%，29.95%，0.90%；2014年干旱氣候條件下分別為77.89%，21.68%，0.43%；半干旱氣候條件下各占79.42%，20.23%，0.35%。2009—2014年，干旱氣候條件下的非沙化土地面積增加了6 757.5 hm2，沙化面積增加了1 005.6 hm2；半干旱氣候條件下的非沙化土地面積減少了5 072.3 hm2，沙化面積減少了1 381.0 hm2。

3.2.3 地 貌 依據地貌對氣候、土壤和植被地域差異影響的大小，結合當地地形地貌特點，以相對高度>500 m為高原，200～500 m為低山，<200 m為其他的標準[17]，將研究區的地貌類型分為高原、低山、其他3種類型。則2009—2014年研究區地貌類型分布情況及動態變化情況如圖4和表3所示。

圖4 豐寧縣地貌類型分布

表3 2009-2014年豐寧縣不同地貌類型沙化面積hm2

由研究區地貌分布圖4可以看出，高原和低山為研究區內的2種主要地貌類型，其中，高原主要分布在西部地區，低山分布在東部地區，結合圖1不同年份土地沙化程度分布可知，沙化土地主要分布在高原地區。

由表3可知，研究區地貌類型中，低山、高原及其他地貌類型沙化面積占沙化總面積的比重，2009年分別為41.23%，58.06%，0.71%；2014年各占41.84%，57.20%，0.96%。輕度、中度及重度沙化面積所占沙化面積的比重，2009年低山地貌條件下分別為70.08%，29.00%和0.91%；高原地貌條件下各占85.30%，10.91%，3.79%；2014年低山地貌條件下分別為79.22%，19.94%，0.34%；高原地貌條件下各占77.92%，21.64%，0.44%。2009—2014年，低山地貌條件下的非沙化土地面積增加了5 150.2 hm2，沙化面積增加了188.6 hm2；高原地貌條件下的非沙化土地面積增加了4 940.3 hm2，沙化面積減少了1 199.3 hm2。

4 結論與討論

2009—2014年承德豐寧地區土地沙化程度、沙化類型在空間上和時間上都發生了較大變化。沙化土地主要分布在中部以西地區。2009年的中度、重度沙化集中分布區到2014年沙化程度均顯著下降。盡管中度沙化面積有所增加，但沙化面積總體呈扭轉變好態勢，輕度沙化面積減少了560.9 hm2，重度沙化面積減少了1 872.6 hm2，非沙化土地面積增加了809.2 hm2。沙化土地以固定沙地為主，到2014年半固定沙地多轉化為固定沙地。

對造成研究區土地沙化的土地利用類型、氣候、地貌驅動因子進行分析，結果表明，沙化區主要土地利用類型為耕地和草地，而林地分布區土壤沙化程度低，林地面積增加能降低土地沙化。到2014年，林地面積增加40 565.0 hm2，草地面積減少52 349.7 hm2。研究區氣候類型以干旱、半干旱為主，到2014年干旱區沙化面積為50 345.7 hm2，半干旱區沙化面積為34 351.4 hm2，干旱區沙化面積顯著高于半干旱區。低山和高原是研究區的主要地貌類型，沙化土地集中分布區的地貌類型以高原為主，且高原區土地沙化面積大于低山區，2009年高原區土地沙化面積比低山區多14 393.5 hm2，2014年高原區土地沙化面積比低山區多13 005.6 hm2。

土壤沙化受多方面因素的共同影響。近5 a來土壤沙化出現好轉，這與合理利用土地密不可分，多植樹造林，有助于減少土壤流失，研究表明在該地區干旱環境條件下的高原區更容易造成土壤沙化，因此，要特別注重該地區的土地利用，要合理開發利用。