2000—2015年中國土地荒漠化連續遙感監測及其變化1)

孫技星 鐘成

(中國地質大學(武漢),武漢，430074) (教育部長江三峽庫區地質災害研究中心(中國地質大學(武漢))

何宏偉 努熱曼古麗·托乎提 李卉

(湖北省鄂西地質測繪隊) (中國地質大學(武漢))

根據《聯合國防治荒漠化公約》，荒漠化定義為：在自然因素與人為因素的相互影響下，干旱區、半干旱區與亞濕潤干旱區的土地逐漸退化的現象[1]。根據聯合國公布的相關數據，全世界約1/3的陸地面積和1/6的人口受到土地荒漠化的威脅。全球每年土地荒漠化約為5×104～7×104km2，造成的直接經濟損失約為430億美元[2]。我國是世界上土地荒漠化面積最大、危害程度最嚴重、受影響人口最多的國家之一，荒漠化土地面積占國土面積的27.5%，約為270萬km2，全國近4億人口受到土地荒漠化影響。每年因荒漠化造成的直接經濟損失約為541億元[3-4]。目前，我國荒漠化得到一定的控制，但是仍有加速擴大的風險，荒漠化每年平均擴大2 460 km2左右，這嚴重影響了國民經濟發展和社會安定[5]。開展荒漠化遙感監測，準確及時掌握全國土地荒漠化范圍、面積、程度及其時空變化動態，是有效治理荒漠化土地的重要前提[6-7]。通過調查荒漠化類型、形態、分布狀況與活動情況，有助于尋找荒漠化內外部影響因素，進一步分析荒漠形成機理和預測其時空動態的基礎[8]。植被結構、物候期、植被生產力和覆蓋度等相關指標已經成為國內外大范圍土地荒漠化監測的主要手段之一。韋振鋒等[9]和元志輝等[10]利用植被歸一化指數(NDVI)對我國西北地區的荒漠化監測進行研究，發現大部分地區的植被歸一化指數在雨季出現明顯上升的動態。Yin et al.[11]利用植被降水利用率指標分析1999年以來內蒙古生態環境，發現總體形式好轉，但該地區降水變化較大，干旱和極干旱的界限異常變動。韓蘭英等[12]利用MODIS數據，采用改進型土壤調節植被指數(MSAVI)、地表反照率(ALBEDO)、陸地表面溫度(LST)、植被覆蓋度(FAVI)和溫度植被旱情指數(TVDI)等作為沙漠化程度的指標。沙漠化主要評價指標中改進型土壤調節植被指數的分類精度最高，說明改進型土壤調節植被指數所反應的荒漠化信息最多，對荒漠化遙感檢測的貢獻最大；其次是植被覆蓋度、陸地表面溫度和地表反照率等；分類精度最小的是反應土壤濕度的溫度植被旱情指數指標，說明它對荒漠化遙感監測的貢獻也最小。何磊等[13]綜合利用landsat-5TM和MODIS數據開展驗證比較實驗，發現小范圍地區內，Landsat-5TM更有利于分析土地荒漠化現象。

目前遙感荒漠化監測主要是利用少數時間節點的影像分析一定時間段內荒漠化的動態變化情況，并結合自然因素和人為因素開展驅動因素。降水、氣溫和人類活動等因素為連續變化過程，利用少數斷面的土地覆蓋變化無法做合理的相關性分析，難以深入挖掘土地荒漠化與自然因素、人為因素的相互作用的機制和過程，具有一定的局限性。本文利用2000—2015年連續影像、溫度、降水等數據，分析土地荒漠化變化過程以及自然因素和人類活動對土地荒漠化動態的影響，揭示不同地區土地荒漠化主要影響因素。

1 研究區概況

我國陸地面積為960萬km2，居世界第三位，大部分地區屬于溫帶和副熱帶季風氣候，地形地貌和氣候條件豐富多樣，有林地、平原、山地、冰川、黃土、沙漠、草原等多種地貌。北方主要為干草原和荒漠，南方擁有丘陵山地、湖泊盆地和熱帶雨林，西部主要是高原、大型山脈(如青藏高原和橫斷山脈、喀喇昆侖山脈、柴達木盆地和喜馬拉雅山脈)和沙漠。東臨太平洋，領海包括渤海、黃海、東海和南海等海域，水域總面積470萬km2，擁有大小島嶼7 600個。

中國總體地勢西高東低，分為三級階梯：第一級是位于西南部的青藏高原，該地區平均海拔高度4 000 m以上，被稱為世界第三極和“世界屋脊”；第二級階梯以高原和盆地為主，包括新疆、甘肅、四川盆地、黃土高原和云貴高原等。東北平原、華北平原、河南、湖北和江南地區至黃海和東海沿岸，是以沖積平原、低矮丘陵為主的第三階梯，我國大部分人口生活在該地區。以面積百分比計算，我國高原、山地、平原、盆地和丘陵分別為33.30%、26.04%、18.75%、11.98%和9.90%。西北地區主要為干草原和荒漠，包括塔克拉瑪干沙漠和戈壁沙漠；南方擁有丘陵矮山、湖泊平原和熱帶雨林；西部主要是高原、大型山脈和沙漠，在中國和尼泊爾的邊境有地球海拔最高的山峰，珠穆朗瑪峰，海拔高度海拔高度8 848 m。

2 研究方法

2.1 數據來源及預處理

遙感數據：遙感數據為MODIS中國合成產品MODEV1F(TERRA星)，來源于地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/)。由MODEV1F數據取月內最大值，經過幾何校正和大氣校正。時間和空間分辨率分別為月和500 m，時間范圍從2000年1月至2015年12月，每年12景，共180景。數據集原始影像像元灰度值(DN)的存在異常值，利用ENVI軟件對數據進行批量歸一化處理，將其歸一化到-1.0～1.0,考慮為了更好的去除云、霧和太陽高度角等異常值的影響利用最大值合成法(MVC)對月分辨率的植被歸一化指數進行最大化處理，得到2001年1月至2015年12月的月植被歸一化指數數據。

氣象數據：全國839個氣象站點從2001—2015年降水量及氣溫數據來源于中國氣象數據網(http://data.cma.cn/)。氣象站點分布如圖1，其中東部發達、交通便利地區氣象站點分布較為密集，而西部條件惡劣地區氣象站點分布稀疏。原始數據為文本格式，利用Matlab編寫程序讀入每日降水總量及平均溫度數據，計算月平均值、年平均值，并將氣象站坐標和相應數據導入ArcMap，利用克里金插值法繪制全國降水量圖和氣溫分布圖。

圖1 研究區及氣象站分布

社會經濟數據：社會經濟主要來源于中央人民政府和各省、直轄市、自治區每年發布的國民經濟和社會發展統計公報。考慮人類活動對荒漠化直接作用較為明顯的是人工造林和放牧活動，我們主要從國家林業和草原局(http://www.forestry.gov.cn/)收集相關數據，用于分析人類活動的影響。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指研究區內各種植被在地面上的垂直投影面積占總面積的百分比。該指標反映了植被的覆蓋程度，常用于氣候變化、生態系統、植被生長監測、水土保持等方面。植被覆蓋度的測量方法可分為實地測量和遙感估計，實地測量適合局部植被，遙感估算適合大范圍的植被。目前利用遙感影像估算植被覆蓋度的方法很多，比較常用的是運用像元二分模型和植被指數(I)近似估算植被覆蓋度。根據混合像元的思想，把一個像素理解為包含植被和土壤背景的混合像元，每個像元的植被覆蓋度為通過減去土壤指數的植被指數值，其計算公式為：VFC=(I-Isoil)/(Iveg-Isoil)。式中：VFC為植被覆蓋度；Iveg為完全最高植被覆蓋度像元的植被指數值(純植被像元的植被指數值)；Isoil為無植被覆蓋區域或全為裸土像素的土壤歸一化指數。理論上，Isoil的值應該接近零，但由于周邊環境和成像質量、大氣影響等條件的不同，Isoil會隨著時空位置和尺度的變化而變化。因此，對不同的圖像采用不變的Isoil值是不合理的，最好是從圖像中自適應計算Isoil。

當研究區域內可以近似獲得Imax=100%、Imin=0時，植被覆蓋度計算公式為：VFC=(I-Imin)/(Imax-Imin)。式中：Imax、Imin分別為區域內歸一化植被指數(即歸一化植被指數是反映地表植被覆蓋狀況的遙感指標，范圍[-1,1]，負值表示地面覆蓋為水、雪等，0表示有巖石或裸土等，正值表示有植被覆蓋)的最大和最小值。考慮到噪聲的影響，需要根據圖像實際情況確置信度范圍，然后在這個范圍內取可靠的歸一化植被指數最大值與最小值。

當研究區域內不能近似取Imax=100%、Imin=0時。如果研究區有實地測量的數據，可利用實測數據的Imax、Imin作為計算中的植被覆蓋度最大值、最小值，并在圖像中找到他們對應的圖像位置的歸一化植被指數值作為Imax、Imin。如果沒有實測數據，考慮到噪聲的影響，需要根據圖像實際情況確定置信度范圍，然后在范圍內取可靠的歸一化植被指數最大值與最小值。

本文根據以往經驗，結合整幅影像的灰度值分布，以5%和95%置信度截取歸一化植被指數的上下限閾值分別近似代表Iveg、Isoil，則植被覆蓋度計算公式如下：VFC=(I-I5)/(I95-I5)。式中：I5、I95分別為整個生長季歸一化植被指數累計概率為5%和95%的歸一化植被指數。

2.3 荒漠化程度分級

植被覆蓋度反映了區域植被所占百分比，可以反過來計算區域裸土或無植被地區(即荒漠區)的百分比，因此可用于監測荒漠土地的現狀和變化。根據植被覆蓋度的定義，兩者的關系是植被覆蓋度高，則土地荒漠化程度低；植被覆蓋度低，則土地荒漠化程度高。

極干旱和干旱區：植被覆蓋度大于70%為未荒漠化(潛在荒漠化)；50%<植被覆蓋度≤70%為輕度荒漠化；25%<植被覆蓋度≤50%為中度荒漠化；10%<植被覆蓋度≤25%為重度荒漠化；植被覆蓋度≤10%為極重度荒漠化。

其他氣候類型區：植被覆蓋度大于80%為未荒漠化(潛在荒漠化)，這種地區完全沒有沙化土地，作物生長旺盛，郁閉度很高；60%<植被覆蓋度≤80%為輕度荒漠化；30%<植被覆蓋度≤60%為中度荒漠化；10%<植被覆蓋度≤30%為重度荒漠化；植被覆蓋度≤10%為極重度荒漠化。

未荒漠化(潛在荒漠化)地區完全沒有沙化土地，作物生長旺盛，郁閉度很高；輕度荒漠化地區沒有沙化土地，作物生長旺盛，郁閉度很高；中度荒漠化地區存在一定風沙活動的沙化土地，作物長勢不旺、缺苗較多，存在散亂分布的沙化耕地；重度荒漠化地區存在明顯風沙流活動和明顯可見的沙化土地，風蝕殘丘、風蝕劣地或戈壁，作物生長很差；極重度荒漠化地區多是沙化土地、戈壁。

2.4 肯德爾·曼(Mann-kendall)時間序列分析法

肯德爾·曼檢驗方法在水質、徑流、氣溫、降水等時間序列數據的趨勢變化和異常探測領域得到成功應用[14]。肯德爾·曼檢驗的樣本不需要遵循特定的分布，可有效避免少數噪聲的影響，具有穩健性和普適性，適用于各種非正態、存在觀測誤差的實際觀測數據的分析計算。肯德爾·曼檢驗中，原假設H0為n個獨立的、隨機變量同分布的樣本時間序列數據(X1，…，Xn)；備選假設H1是雙邊檢驗，對于所有的k，j≤n，且k≠j，Xk和Xj的分布是不相同的，檢驗的統計量S計算如下式：

S為正態分布，其均值為0，方差Vαr(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準的正態系統變量通過下式計算：

在雙邊的趨勢檢驗中，給定的置信水平α，如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設不可接受，即在置信水平上，時間序列數據存在上升或下降變化趨勢。也就是說，當統計量Z小于0時，表征下降趨勢；當統計量Z大于0時，表征上升趨勢；通Z的絕對值大小可用于判斷這種變化的顯著性。當Z大于等于2.32、1.64、1.28時，分別表示目標時間序列數據的變化通過了置信度90%、95%和99%的顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 全國土地荒漠化時空動態

利用2015年生長季中晚期(8月)植被覆蓋度最大的時期，分析全國及各省區土地荒漠化現狀。根據2015年8月的歸一化植被指數圖像計算當月植被覆蓋度，并將植被覆蓋度分為0、1、2、3、4共5個層次，分別對應荒漠化程度的極重度、重度、中度、輕度和未荒漠化(潛在荒漠化)。然后利用從2000—2014年每年8月份歸一化植被指數合成圖像，制作了全國植被覆蓋序列圖，結合2015年植被覆蓋圖，監測和分析全國土地荒漠化時空動態。

由圖2可知，即使是在植被生長旺季的8月份，西北部沙漠、戈壁地區的植被覆蓋度仍然低，荒漠化程度嚴重(塔克拉瑪干沙漠、柴達木盆地沙漠和騰格里沙漠等處植被覆蓋度接近于0)；青藏高原和川西、云貴高山草甸地區、內蒙東部草原區植被覆蓋度稍好；東北、華北、中原、西南和江南農耕區以及林區植被覆蓋度最好。由于歸一化植被指數對高植被覆蓋度不敏感，沒有體現出農耕區和林區的植被覆蓋度差異。

圖2 2015年8月全國土地植被覆蓋度

按荒漠化程度級別分析，荒漠化土地總面積為268萬km2，其中，輕度荒漠化的土地面積為80萬km2，占全部荒漠化土地面積的比例為29.9%；中度荒漠化的土地面積為93萬km2，占全部荒漠化土地面積的比例為34.7%；重度荒漠化的土地面積為41萬km2，占全部荒漠化土地面積的比例為15.3%；極重度荒漠化的土地面積為54萬km2，占全部荒漠化土地面積的比例為20.1%。

由圖3可知，從2000年以來的監測結果來看，我國荒漠化的整體趨勢正在好轉，只有局部地區存在擴展的情況。隨著京津風沙源治理工程實施，河北壩上和渾善達克沙漠等地區的植被得到明顯恢復，土地荒漠化的擴展趨勢得到了顯著的遏制，生態環境狀況進一步改善。通過應急輸水和治理，黑河下游和塔里木河下游兩個地區的綠洲萎縮、植被衰退的態勢得到了一定緩解，局部范圍植被開始恢復，但是距離生態完全恢復尚有較大差距。科爾沁沙漠、呼倫貝爾沙漠、毛烏素沙漠、渾善達克沙漠和庫布其沙漠等地區的植被覆蓋度也增加了8.3個百分點，沙化面積顯著減少，生態環境狀況得到改善。其中，由于水體和植被資源利用不當、過度放牧以及降水不足的共同影響，黃河首曲、三江源下游等區域沙化土地仍在持續擴展，生態狀況未有得到改善，但擴展的速度已經趨緩。從荒漠化程度看，重度以上荒漠化土地面積呈現總體減少的趨勢,如極重度荒漠化土地和重度荒漠化的土地面積分別減少2.83萬km2和2.44萬km2。而中度以下荒漠化的土地面積總體增加，中度以下的荒漠化土地面積由62.28%增加到64.14%，中度荒漠化土地面積增加了4.29萬km2，輕度荒漠化土地面積增加了8.36萬km2。

3.2 土地荒漠化動態驅動因子

對氣象站點的數據，利用Matlab首先讀取了2000—2015年平均每日氣溫，并計算月均氣溫和年均氣溫，然后按每個站點對其歷年來每月數據按時間序列排序，利用肯德爾·曼算法分析每個站點多年來變化趨勢，并檢測其在95%置信度下變化顯著性。

由圖4(a)可知，共149個站點的氣溫發生顯著變化，其中40個站點的氣溫發生顯著降低，109個站點的氣溫顯著升高。氣溫降低的站點主要分布在東部地區和新疆中部；氣溫升高的站點主要分布在甘肅北部、云南、青海和西藏東部，其中云南發生溫度升高的站點占到了總站點的3/4，西藏發生溫度升高的站點占到了總站點的1/3。因此，云南、西藏及川西地區發生了顯著的溫度上升，氣候變暖現象。

從圖4(b)可見，共104個站點的降水發生顯著變化，其中33個站點的降水發生顯著降低，71個站點的降水顯著升高。降水降低的站點主要分布在西藏東部、云南西部到河南中部一個條帶；降水升高的站點主要分布在青海中部、東北和江淮平原，云南發生降水降低的站點占到了總站點的1/2，東北和江淮平原降水增加的站點比較密集。而且，對照氣溫的變化，發現西藏東部和云南大部溫度上升、降水下降，對當地氣候、植被生長發生比較顯著的影響。

圖3 2000—2015年全國8月植被覆蓋度

從全國整體來講，發生顯著氣候變化的站點和區域是相對較少的，解釋了全國歷年來總體上植被覆蓋未發生顯著變化的原因。東部大部分地區，由于其氣溫、降水、地形等基礎條件較好，局部氣溫升高，降水下降難以引起大面積的土地荒漠化。而在西藏東部、云南山區，2000年以來氣溫不斷升高，降水量顯著下降，不良的氣候變化使地下水位不斷下降，導致該地區鹽質的荒漠化土地逐漸轉變成為沙質的荒漠化土地。西藏地區荒漠化土地以砂礫石裸地為主，說明該地區土地荒漠化的主要驅動因素為自然作用，人為因素作用不大。土地荒漠化的基礎條件是干旱半干旱的氣候環境，目前全球氣候變化趨勢是土地荒漠化的重要驅動因素。此外，在人口增長的壓力下，普遍存在草原過度放牧、森林過度采伐和耕地面積不斷擴大，使得草場、林地均遭到大面積破壞,加大了對土地資源利用的壓力，導致了土地的荒漠化。同時,工程建設和水資源的不合理利用也是引起土地荒漠化的重要因素。

面對我國嚴峻的土地荒漠化形式，黨中央和國務院高度重視土地荒漠化的防治工作，研究制定了采取了具有重大指導意義的方針政策和措施方案。1978年，我國啟動了“三北”防護林建設工程，目前已累計造林達2 374萬hm2；1988年，我國啟動了全國平原綠化工程，目前已累計造林達710萬hm2；1989年，我國啟動了長江流域防護林工程，目前已累計造林達832萬hm2；1991年，我國啟動了沿海防護林工程，目前已累計造林達386.4萬hm2。1998年特大洪災之后，為徹底改善我國生態環境急劇惡化的趨勢，黨中央和國務院提出了災后重建、整治江湖的重要措施——封山植樹和退耕還林。退耕還林工程實施以來，我國林地面積呈現顯著增加的趨勢，由工程實施以前的每年增加林地400～500萬hm2，變化為連續多年每年林地面積增加超過667萬hm2。經過幾十年來的建設，林地面積顯著增加，荒漠化土地顯著減少，生態環境質量明顯改善。

為徹底改善我國生態環境急劇惡化的趨勢，黨中央和國務院提出天然林資源保護工程，包括全面停止黃河中上游和長江上游地區全部天然林采伐，并大幅度調減內蒙古、東北等地區天然林的商品性采伐量。內蒙古和東北國有林區的植被覆蓋度比上次森林資源清查提高了5.58%；天然森林的面積和蓄積量總量分別達到了2 451萬hm2和23.72億m3，分別增加113萬hm2和4 000萬m3。據初步統計，實施天然林資源保護工程以來，已經累計減少消耗森林資源2.3億m3，長期存在的過量消耗森林資源的嚴峻態勢得到了有效遏制，森林面積和蓄積實現了同步增長。

4 結論

以植被覆蓋度作為荒漠化評價主要指標，利用2000—2015年氣溫、降水等數據，分析我國土地荒漠化時空變化，以及自然因素和人類活動對土地荒漠化動態的影響。我國土地荒漠化呈整體得到初步遏制，荒漠化土地持續減少，局部仍有擴展的趨勢；全國大部分地區氣象因子未發生顯著變化，但西藏東部和云南山區氣溫上升、降水下降，對土地荒漠化起到了推進作用；黨和國家實施的人工造林、退耕還林和天然林保護工程等政策對遏制我國土地荒漠化具有重要作用。