毛烏素沙地近30年沙漠化土地時空動態演變格局

韓雪瑩, 楊 光, 秦富倉, 賈光普, 凌 俠, 高 崗

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010018; 2.呼和浩特市林業局, 呼和浩特 010020)

沙漠化問題對全球經濟、文化、生態都產生了十分嚴重的影響，甚至對人類發展造成了巨大威脅[1-2]，已成為全球環境變化的熱點與前沿問題。我國是世界上受沙漠化影響最嚴重的國家之一[3]。1992年聯合國科教文組織專家對全球環境分析，認定毛烏素沙地為全球第九大環境敏感區之一[4]，對鄂爾多斯等周邊地區生態安全產生了巨大的威脅，嚴重的影響了當地人民的生產生活，已成為沙漠化研究的熱點地區[5-8]。目前，國內外學者利用地形圖[9]、TM影像[10]、中巴衛星[11]、MODIS影像[12]作為數據源，結合景觀格局指數[12]、沙漠化指數[13]、轉化度[14]、土地利用動態模型[15]及數學模擬等方法對毛烏素沙地成因[16]、土地利用情況[17]、景觀格局變化[18]、驅動力[19]及對周邊地區沙漠化土地分布影響[20]方面進行研究。但前人的研究時限相對過短，影像分辨率較低且集中于對土地面積變化進行監測，針對毛烏素沙地長序列多時段沙漠化土地動態變化分析較少，尤其是關于沙漠化土地重心分布及遷移趨勢方面鮮有報道。

毛烏素沙地處于干旱、半干旱過渡區，為典型的農牧交錯帶[6]，此地域的良性發展具有重要的生態意義，可以改善我國氣候，避免北旱南澇，阻擊沙化進一步擴展，防止沙漠化東下移[21]。因此，對毛烏素進行長時間序列觀測，研究沙漠化動態變化和重心分布情況對沙漠化土地利用、治理以及退化生態環境的恢復具有積極作用。選取1990—2017年共7期毛烏素沙地遙感影像(分辨率為15 m)，以ENVI 5.3，ArcGIS 10.2為平臺，通過人機交互解譯，提取毛烏素沙地不同時期不同沙漠化土地面積與空間分布，并結合數學模型對毛烏素沙漠化時空動態變化進行分析，揭示沙漠化土地時空變化的特征與規律，為研究區沙漠化土地資源的合理利用、優化配置和可持續發展提供科學依據。

1 研究區概況

毛烏素沙地位于37.45°—39.37°N，107.67°—110.5°E，主要分布在內蒙古鄂爾多斯市南部、陜西省榆林市北部以及寧夏回族自治區鹽池縣東北部(圖1)，占地面積約4.22萬km2。平均海拔1 254 m，海拔由西向東逐漸遞減，西北部最高可達1 595 m。位于荒漠草原—干草原—森林草原的過渡帶，屬于典型的半干旱大陸性氣候，年均溫6.54～10.28℃，呈東南高于西北。年降水量250～440 mm，由西向東南方向遞增，毛烏素沙地地表水與地下水都較為充足，沙地內大小河流共170個，其中禿尾河、窟野河、無定河等河流貫穿沙地的東南部。土壤類型以初育土，棕鈣土為主。主要群落植被有油蒿(Artemisiaordosica)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、臭柏(Sabinavulgaris)，除此之外，在灘地和丘間低地大量分布著烏柳(Salixchcilophila)、沙棘(Hippophaerham-noides)、沙柳(Salixpsammophila)群叢，被當地人民稱為柳灣林[22]。到2015年毛烏素沙地人口問題分布不均的問題越發突出，西部地區人口密度遠遠少于東部地區，尤其是榆林市人口密度最大，達到378.29人/km2，已遠遠超出聯合國半干旱區20人/km2[23]，而烏審旗、鄂托克旗、鄂托克前旗人口密度較小，密度最小低至3.26人/km2。毛烏素沙地是重要的農牧交錯區，西北主要為牧業區、東南向農業區過渡、東部向礦區過渡[24]。

圖1 研究區地理位置

2 數據與方法

2.1 影像數據來源與預處理

選取軌道號為127/33，127/34，128/33，128/34的1990—2010年5期Landsat-5 TM影像以及2013年、2017年2期Landsat-8 OLI遙感影像作為基礎數據，共28景(表1)，7期影像獲取時間均屬于毛烏素沙地植被生長季(6—9月)，保證了影像和地物具有可比性。為了凸顯地物特征，Landsat TM影像運用Band(4)、Band(3)、Band(2) 波段進行標準假彩色的合成，Landsat OLI影像運用Band(5)、Band(4)、Band(3) 進行標準假彩色的合成，合成后的影像可明顯區分各覆被類型，便于后續解譯。對影像進行嚴格的幾何校正和大氣校正，消除了大氣、光照對地物反射的影響以及由于傳感器自身高度和姿態不穩定引起的非系統性幾何變形，校正后的誤差均小于0.5個像元。通過2010年實地考察數據與遙感解譯得到毛烏素沙地目視解譯標志，在ArcGIS平臺下對影像進行人機交互解譯，影像上均勻選取350個點作為2017年野外調查點，對調查點植被蓋度、沙漠化程度、流沙面積所占比例等信息進行調查，并通過混淆矩陣得出總體分類精度為92.56%，Kappa系數為90.95%。

表1 毛烏素沙地1990-2017年Landsat影像

2.2 沙漠化土地分類體系

根據2000年的沙漠化土地監測指標和《國家重點基礎研究發展規劃》項目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的“中國北方土地沙漠化遙感監測分類體系”[25]和國家973項目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的沙漠化遙感監測分類標準[26]，并參考了大量相關文獻，根據程度的不同將沙漠化土地分為輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、極重度沙漠化4種程度類型(表2)。

表2 毛烏素沙地沙漠化遙感監測分類體系

2.3 沙漠化土地重心遷移模型

本文對不同沙漠化土地的重心坐標進行計算，繪制了近30 a毛烏素沙地沙漠化土地重心空間遷移圖，將沙漠化土地重心遷移距離與方向上的變化相結合，合理的描述沙化土地時空動態變化情況。第t年某種類型沙漠化土地重心坐標計算公式[27]：

(1)

(2)

式中：Xt為第t年某種沙漠化土地類型的經度；Yt為第t年某種沙漠化土地類型的緯度;n為第t年該種沙漠化土地類型的斑塊數;Cti為第t年該種沙漠化土地第i個斑塊的面積;Xti為第t年該沙漠化土地類型第i個斑塊的幾何重心經度坐標;Yti為第t年該沙漠化土地類型第i個斑塊的幾何重心緯度坐標.

2.4 沙漠化指數計算

為了綜合的評價1990—2017年毛烏素沙地沙漠化程度的變化情況，引用沙漠化土地定量指標—沙漠化指數[28-29]。

(3)

式中:ADI為沙漠化指數;SS1為輕度沙漠化土地面積;Smo為中度沙漠化土地面積;Sse為重度沙漠化土地面積;Sex為極重度沙漠化土地面積;SA為沙漠化土地總面積;ADI取值范圍為0～4，ADI與沙漠化程度呈正相關，值越大說明研究區內沙漠化程度越嚴重。

3 結果與分析

3.1 沙漠化土地空間分布

結合沙漠化土地分布圖(圖2)與各旗縣沙漠化土地面積比例變化趨勢(圖3)來綜合分析近30 a毛烏素沙地沙漠化土地時空分布情況。

中度和重度沙漠化為1990年毛烏素沙地主要類型共占沙漠化土地79.52%，其中烏審旗沙漠化最為嚴重，中度和重度沙漠化土地面積分別為3 797.87 km2，3 760.29 km2，占中度、重度沙漠化土地總面積的24.61%，29.37%。輕度沙漠化土地集中在烏審旗(38.68%)、鄂托克前旗(18.31%)、神木縣(11.03%)，極重度沙漠化主要聚集在毛烏素沙地西北部，以鄂托克旗(1 023.93 km2)和烏審旗(1 162.63 km2)為主，共占極重度沙漠化總面積71.89%；1995年極重度沙漠化土地較1990年增加1 417.90 km2，主要發生在鄂托克前旗(3.83%)、定邊縣(0.63%)、鹽池縣(0.14%)，重度沙漠化增加2 245.39 km2，其中鄂托克旗增加2.95%、神木縣增加1.65%、定邊縣增加0.82%，非漠化土地減少224.37 km2，其中神木縣減少6.39%，榆陽區減少2.57%，1995年沙漠化程度加重，呈發展趨勢；2000年沙漠化最嚴重，重度(17 417.07 km2)、極重度(4 857.98 km2)沙漠化土地面積均達到最大值，烏審旗，榆陽區重度沙漠化土地分別增加589.09 km2，905.87 km2，中度沙漠化土地較1995年減少1 320.97 km2，表現為發展趨勢。

圖2 毛烏素沙地沙漠化土地分布

圖3 1990-2017年各旗縣沙漠化土地面積比例變化趨勢

2000年以后沙漠化程度明顯減輕，2007年沙漠化土地主要以重度(20.80%)、中度沙漠化(49.40%)為主，但重度沙漠化急劇減少，面積僅為2000年的42%，極重度沙漠化程度明顯降低僅占7.15%，尤其是鄂托克前旗南部沙漠化面積減少3.59%、榆陽區減少0.91%、定邊縣減少0.85%；輕度沙漠化有所增加主要集中在烏審旗(30.65%)、鄂托克前旗(20.81%)、神木縣(15.88%)；神木縣、鄂托克前旗、榆陽區非沙漠化土地分別增加3.52%，2.36%，1.36%；2010年中度沙漠化土地面積減少2 596.51 km2，主要分布在烏審旗(28.42%)、鄂托克前旗(17.36%)、神木縣(17.32%)，重度、極重度分別減少722.23 km2，724.56 km2，主要分布在烏審旗、鄂托克旗、鄂托克前旗。輕度沙漠化總體在烏審旗(27.64%)、鄂托克前旗(17.39%)、神木縣(17.32%)有所增加，烏審旗、鄂托克前旗輕度沙漠化土地面積分別減少3.19%和3.45%；2013年中度、重度、極重度沙漠化土地均有所逆轉，中北部重度沙漠化土地逆轉較為明顯，烏審旗、榆陽區、鄂托克旗分別減少3.16%，0.59%，0.20%，鹽池縣增加0.61%，鄂托克前旗增加1.88%，輕度沙漠化主要發生在中東部共增加348.40 km2，其中烏審旗、榆陽區、伊金霍洛旗發展面積分別為1.28%，1.42%，0.93%，鄂托克前旗、定邊縣、鹽池縣發生逆轉，面積分別減小2.71%，0.81%，0.26%，可見各旗縣沙漠化類型表現為整體好轉局部惡化；2017年中度、重度、極重度沙漠化土地分別減少866.41 km2，841.31 km2，85.74 km2，非沙漠化土地增加570.84 km2，呈現整體逆轉趨勢，但神木縣東北部地區重度沙漠化發生反彈，增加3.72%。

1990—2000年沙漠化程度以中度和重度為主；2000年以后沙漠化程度明顯減輕以中度、輕度沙漠化為主，呈現穩定逆轉趨勢，但仍有局部地區呈現發展狀態。極重度沙漠化、重度沙漠化土地面積有所減小但空間分布變化不大，主要分布在烏審旗、鄂托克前旗、鄂托克旗，中度沙漠化、輕度沙漠化、非沙漠化土地主要分布在烏審旗、鄂托克前旗、榆陽區。由此可以看出烏審旗、鄂托克前旗沙漠化程度較為復雜，西部沙漠化程度較重。

3.2 沙漠化土地面積變化

通過表3可看出，1990—2017年共減少沙漠化土地面積1 684.09 km2，平均62.37 km2/a的沙漠化土地得到有效的治理，其中重度沙漠化所占比例由1990年的35.39%降低為17.43%，極重度沙漠化由8.4%降低到5.73%。近30 a，各沙漠化土地類型之間轉化活躍，但整體處于逆轉。

1990—2000年，重度、極重度沙漠化土地不斷增加，沙漠化程度不斷加劇，處于發展狀態。2000年沙漠化程度最嚴重，重度沙漠化面積最大，達到17 414.40 km2，極重度沙漠化土地面積達到4 857.82 km2，2000年以后，中度、輕度沙漠化成為沙漠化類型的主體，重度與極重度沙漠化土地得到控制，面積逐漸減小。由資料分析表明，2000年內蒙古自治區加大防沙治沙力度先后實施了“退耕還林”工程、飛播造林、沙區封育工程、地方實行“禁牧、休木、輪牧”政策等一系列防沙治沙工程[10]，以及我國2001年《中華人民共和國防沙治沙法》的頒布為沙漠化防治工作提供了有力支持，使毛烏素沙地沙漠化土地沙化程度逐漸得到控制。

表3 毛烏素沙地沙漠化土地面積變化

3.3 沙漠化土地動態變化

為了更直觀的體現毛烏素沙地近30 a沙漠化土地空間動態變化及轉移情況，基于ArcGIS 10.2空間疊加功能，對7期影像進行疊加分析，得到1990—2017年毛烏素沙地沙漠化土地動態變化表(表4)。

根據表4所示，毛烏素沙地1990—2017年面積動態變化情況依次為：穩定>逆轉>發展>明顯逆轉>明顯發展。毛烏素沙地45%以上的沙漠化處于穩定狀態，尤其是2010—2013年85.71%的沙漠化土地保持穩定；2000—2007年逆轉面積最大為17 067.76 km2(44.19%)，2007—2010年(32.26%)，2013—2017年(24.52%)次之，1990—1995年逆轉面積最小為1 062.51 km2(2.75%)。

1990—2000年沙漠化土地發展程度較為嚴重，表現為逆轉程度小于發展程度，2000年以后發展程度有所降低，表現為逆轉大于發展，但仍然處于波動狀態；明顯逆轉與明顯發展程度較小，所占比重不足3%，沙漠化土地在2000—2007年明顯逆轉程度較大，共784.44 km2；明顯發展較為劇烈的時段主要發生在2007—2010年。綜合分析表明，沙漠化土地逆轉面積大于沙漠化土地發展面積，總體處于穩定逆轉的狀態。

表4 毛烏素沙地沙漠化土地動態變化

注：明顯逆轉表示程度減輕一級以上；逆轉表示程度減輕一級；穩定表示程度沒有變化；發展表示程度加重一級以上；明顯發展表示程度加重一級。

3.4 沙漠化指數變化趨勢

利用1990—2017年毛烏素沙地沙漠化土地數據計算沙漠化指數(ADI)，從而得到毛烏素沙地近30 a沙漠化指數變化圖。

根據毛烏素沙地沙漠化指數(圖4)，可將近30 a毛烏素沙地沙漠化土地動態變化分為3個階段，1990—2000年為快速發展階段，10 a間ADI指數增長0.27，平均ADI為2.54；2000—2010年為快速逆轉階段，10 a間ADI指數減小0.61，平均ADI為2.30；2010—2017年為穩定逆轉階段，7 a間ADI指數浮動小于0.15，平均ADI為2.01。2000年ADI指數達到最高為2.66，沙漠化最為嚴重，2017年沙漠化指數最小為1.96，1990—2017年沙漠化程度整體處于逆轉趨勢，沙漠化程度明顯減輕。與近30 a沙漠化土地動態變化趨勢一致。

利用回歸模型對沙漠化指數進行趨勢分析，得到3階擬合方程：y=0.0002x3-1.1989x2+2404.7x-2E+06，相關性R2=0.964 3，極為顯著。與近30 a沙漠化土地動態變化表相比，沙漠化指數ADI可以更直觀、準確的反映出沙漠化土地動態變化的趨勢。

圖4 毛烏素沙地沙漠化指數

3.5 沙漠化土地重心遷移

毛烏素沙地為典型的農牧交錯區，過度的開墾、放牧、采礦導致當地生態環境極為脆弱，為探究沙漠化土地在空間上的分布情況，對不同沙漠化土地的類型采取不同的治理措施，以ArcGIS為平臺，運用重心遷移模型對不同類型的沙漠化土地重心進行計算，并繪制1990—2017年沙漠化土地重心空間遷移圖(圖5)。

就沙漠化土地重心轉移情況來看，沙漠化土地重心由西向東依次為極重度沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化。極重度沙漠化土地主要集中在毛烏素沙地的西北部、嚴重沙漠化主要集中在中部、中度沙漠化與輕度沙漠化主要分布在東南部地區，與毛烏素沙地沙漠化土地空間分布轉化趨勢相一致。

圖5 1990-2017年毛烏素沙地沙漠化土地重心遷移

1990—2017年，極重度沙漠化土地重心比較穩定僅向西遷移3.42 km，1990—1995年向西遷移7.00 km，1995年開始向東折回7.35 km，2000年開始向西北方向遷移3.83 km，2007年向西明顯遷移10.27 km，2010年向南遷移2.58 km隨后在2013年又向東遷回8.09 km，可看出近30 a極重度沙漠化土地重心不穩定，有隨時回遷的趨勢；重度沙漠化土地重心向西北方向遷移8.80 km，從1990年開始重度沙漠化不斷向東擴張，10 a間共擴張15.19 km，到2000年沙漠化重心開始向西回遷，2010—2013年開始向西南方向遷移，2013年后沙漠化重心向西南方向遷移，遷移距離4.46 km；中度沙漠化土地重心向西北偏移5.42 km，1990—2013年中度沙漠化土地重心均向西延伸，2013年后向東回遷6.50 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向延伸9.90 km。1990—2007年沙漠化土地重心向西北方向遷移，隨著防沙治沙工程不斷取得效果，2007年后沙漠化土地重心逐漸向西南方向折回。中度沙漠化土地與輕度沙漠化土地出現相互交錯的現象，說明沙漠化土地發展得到及時的控制，若不及時治理仍會發生反彈現象。

4 結 論

(1) 1990—2017年共減少沙漠化土地面積1 684.09 km2，平均62.37 km2/a的沙漠化土地得到有效的治理，總體處于逆轉趨勢，但局部地區惡化嚴重。

(2) 沙漠化土地重心由西向東依次為極重度沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化，與毛烏素沙地沙漠化土地空間分布轉化趨勢相一致。1990—2017年，極重度沙漠化土地重心相對比較穩定僅向西遷移3.42 km；重度沙漠化土地重心向西北方向遷移8.80 km；中度沙漠化土地重心向西北偏移5.42 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向延伸9.90 km。可見，重心遷移模型可以直觀、準確的看出沙漠化土地在空間上的變化趨勢。

(3) 利用回歸模型對沙漠化指數進行趨勢分析，相關性極為顯著(R2=0.964 3)，1990—2000年平均ADI為2.45，2000—2010年平均ADI為2.30，2010—2017年平均ADI降低為2.01，1990—2017年沙漠化程度處于整體好轉，沙漠化程度明顯減輕。

(4) 毛烏素沙地北部沙漠化程度較南部嚴重。極重度沙漠化土地集中在毛烏素沙地西北部；重度沙漠化土地集中在中部地區，輕度、中度沙漠化土地主要集中在東北部。在沙漠化治理與防治過程中，應根據不同沙漠化土地類型，而采取不同的治理對策，做到因地制宜，合理有效的改善沙區環境。