基于遙感的近20年黃河烏蘭布和沙漠段生態環境狀況變化分析

達來 任瑞芳 孫浩兵 布日古德

摘要：本文通過遙感技術，從土地利用/覆蓋、植被覆蓋和生態功能三個方面對黃河烏蘭布和沙漠段2000-2020年間的生態環境狀況變化趨勢進行分析。結果表明：（1）土地利用與覆蓋類型中林地、水域濕地、建設用地、耕地面積呈增加趨勢，未利用地（沙地）和草地（灌叢草地）面積呈減少趨勢。（2）植被覆蓋度較低，植被覆蓋指數均值為15，絕大部分為植被稀疏荒漠地。近20年植被覆蓋度整體上呈上升趨勢，局部呈明顯好轉或嚴重退化。（3）防風固沙生態功能狀況一般，生態功能脆弱，生態類型結構單一。近20年防風固沙生態功能狀況總體穩定，雖略有好轉趨勢，變化幅度總體屬于“無明顯變化”。總體上，近20年由于人工“變綠”面積增加明顯，黃河烏蘭布和沙漠段生態環境狀況整體呈好轉趨勢，但生態環境質量整體仍脆弱，局部生態問題依然存在。

關鍵詞：黃河;生態環境狀況;土地利用＼覆蓋;植被覆蓋;生態功能

中圖分類號：X835? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2095-672X（2021）01-0130-07

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.021

Analysis of eco-environmental changes in Ulan Buh Desert section of Yellow River in the nearly 20 years based on remote sensing

Da Lai1，Ren Ruifang1，Sun Haobing2， Bu Rigude1

（1. Alxa League Environmental Monitoring Station，Alxa Left Banner Inner Mongolia 750300，China;

2.Hohhot Institute of Environmental Science， Hohhot Inner Mongolia 010010，China）

Abstract：Based b on the remote sensing technology， this paper analyzes the changing trend of eco-environment condition from 2000 to 2020 in Ulan Buh Desert section of the Yellow River from three aspects： land utilization＼ cover， vegetation cover and ecological function.The Remote sensing datas suggest that：（1）The area of forest land， water wetland， construction land and cultivated land increased， while the area of unused land （sandy land） and grassland （shrub grassland） decreased.（2）The vegetation coverage is low， with an average vegetation coverage index of 15， and most of them are desert lands with sparse vegetation. In the past 20 years， the overall vegetation coverage showed an upward trend with obvious improvement or serious degeneration in some parts. （3）The ecological function of windbreak and sand fixation was in general， the ecological function was fragile， and the ecological type structure was unitary. In the past 20 years， the ecological function of wind-break and sand-fixation has been stable in general， with a slight increasing trend. As a whole， the ecological environment of Ulan Buh Desert section of the Yellow River shows an improvement trend， but the quality of the ecological environment is still fragile， and the local ecological problems still exist.

Key words：Yellow River;State of ecological environment;Land utilization＼ cover;Vegetation cover ;Ecological function

引言

黃河流域土壤遭風蝕的面積在100000km?以上，主要分布區在青海黃河左岸的共和沙區和寧夏沙坡頭至內蒙古頭道拐之間干流兩岸沙漠地區。寧夏沙坡頭到內蒙古頭道拐是黃河風沙活動的主要分布區。其中烏蘭布和沙漠東緣（烏海至三盛公）是黃河流域風沙最活躍區，是風沙入黃河的主要通道之一[1]，約50km的流動沙丘直接侵入黃河河道[2]。為了有效保護黃河不受沙漠危害，2012年初內蒙自治區阿拉善盟全面啟動了黃河西岸烏蘭布和沙漠1000km2綜合治理工程。開展黃河流域烏蘭布和沙漠段生態狀況變化遙感調查評估工作對綜合治理工程實施效果評價和制定黃河流域生態保護及高質量發展政策將提供重要的基礎數據支撐。

本文利用遙感技術，從土地利用與覆蓋、植被覆蓋度、生態功能等三個方面對黃河烏蘭布和沙漠段近20年的生態環境狀況變化進行了動態分析。

1? ? 研究區概況

研究區位于內蒙古烏蘭布和沙漠東緣，內蒙古自治區阿拉善盟境內黃河西岸，東臨烏海市海勃灣區和鄂爾多斯市鄂托克旗接壤，南連烏海市烏達區，北靠巴彥淖爾市磴口縣，總面積為1590km2，南北沿黃河流向長約80km，東西寬約20km（沿黃河河道向西緩沖20km）。研究區地處溫帶半干旱到干旱氣候的過渡地帶，氣候特點是日照充足、干旱少雨、夏熱冬寒、日溫差大、蒸發強烈、風力強勢、無霜期短[3]。

2? ? 數據來源和研究方法

2.1? ? 土地利用與覆蓋分類體系

研究區調查采用《生態環境狀況評價技術規范》（HJ192-2015）中的土地利用/覆蓋分類體系的同時，根據實際調整了部分指標。鑒于生境與土地利用類型，本文將草地分為低濕地草甸和灌叢草地類型，耕地類型劃分為熟耕地、草田輪作地和種植灘地。數據源分別為2000年的Landsat7_TM（分辨率30m）、2006年的Landsat5_TM（分辨率30m）、2016年的Landsat8（分辨率15m融合數據）、2020年的中國資源三號02星（ZY3-02，分辨率5.8m）。

2.2? ? 植被覆蓋指數計算方法

植被覆蓋指數=NDVI區域均值=Aveg×（[ni=1Pin]）

式中：Pi—5-9 月象元 NDVI月最大值的均值，采用MOD13Q1的NDVI數據，空間分辨率 250m，時間分辨率16d;n—區域象元數;Aveg—植被覆蓋指數的歸一化系數（參考值為 0.0121165124） [4]。

采用ArcGIS的Natural Breaks（Jenks）分類方法對研究區的植被覆蓋指數進行分類（0～13，差;13～20，較差;20～32，一般;32～46，良;46～70，優。

曼-肯德爾（Mann-Kendall）具有合理、科學地衡量植被長時序的波動特征[5]。因此，植被覆蓋度變化趨勢分析采用泰爾森（Theil-Sen Median）分析方法和曼-肯德爾（Mann-Kendall）檢驗法。Sen趨勢度計算方法如下：

β=mean（[xj-xij-i]），?j>i

式中，xj和xi為時間（年）序列數據（植被覆蓋指數）。檢驗中顯著性水平取為α=0.05，Z1 -α/2= Z0.975= 1.96。當β> 0且|Z|>1.96 序列呈顯著上升趨勢（明顯改善）;當β>0且|Z|≤Z1-α/2序列呈上升，但不顯著趨勢（輕微改善）;同理當β< 0且|Z| > 1.96 時序列呈顯著下降趨勢（嚴重退化）;當β<0且|Z|≤Z1-α/2序列呈下降，但不顯著趨勢（輕微退化）。

2.3? ? 生態功能評價體系及計算方法

生態功能評價采用了《生態環境狀況評價技術規范》（HJ192-2015）的防風固沙生態功能狀況評價指標及評價等級。為了精確空間顯示，評價指標轉換柵格數據，以點狀（250m×250m）單元進行了評價。對研究區5期各指標柵格數據、適量數據和統計數據賦予不同的權重（非柵格數據轉換為柵格數據），具體賦值情況如下表1所示。通過疊加各指標的柵格數據，計算生態功能指數（FEI）。具體算法為：

FEI=0.60×{（植被覆蓋指數+受保護區域面積比+林草地覆蓋率+水域濕地面積比+耕地和建設用地面積比+沙化土地面積比）}+0.40×環境質量指數

2? ? 研究結果

2.1? ? 土地利用/覆蓋現狀及變化

2020年研究區土地利用與覆蓋遙感解譯數據顯示，一級類型中占比重最大的是未利用地全部為沙地，面積為1049.2km2，占研究區面積的65.6%;其次是草地，面積為353.1km2，占研究區面積的22.1%;再次為水域濕地，面積為83.2km2，占研究區面積的3.4%。林地、耕地、建設用地面積分別為55.1km2（3.4%）、48.6km2（3.0%）、9.3 km2（0.6%）。

表2顯示了2000-2020年土地利用與覆蓋變化，其主要變化特征如下：

（1）林地變化：2000-2020年間，林地總面積在增加，面積增加量為40.7km2;增加的主要類型為園地;主要增加變化時間段為2015-2020年間。

（2）草地變化：2000-2020年間，草地面積減少量比較大，減少面積為50.4km2;減少主要類型為灌叢草地;減少主要時段為2010-2015年間。

（3）水域濕地變化：水域濕地變化主要表現在河流和湖庫的變化。2000-2020年間，湖庫面積增加了16km2，河流面積增加了11.0km2;湖庫面積變化的主要原因是人工湖面積增加所致，河流增加原因為黃河河道變寬。

（4）未利用地變化：2000-2020年間，未利用地土地面積逐年呈減少趨勢，減少類型為沙地，其面積減少了41.1km2。

（5）耕地變化：2000-2020年間，耕地面積呈逐年增加趨勢，增加量為16.2 km2，增加的主要類型為草田輪作地。二級類型中種植灘地2000-2010年間呈增加趨勢，面積增加了13.4km2， 而2010-2020年間則減少了9.4km2。表明近10年灘地開墾得到了有效控制。

（6）建設用地變化：2000-2020年間，建設用地面積呈逐年增加趨勢，增加面積為7.2km2。

2.2? ? 植被覆蓋分布特征及變化

表3顯示，2000-2020年間研究區整體植被覆蓋指數均值為15。按空間分布分析，植被覆蓋指數“優”的面積34.1km2，占研究區面積的2.1%;“良”的面積56.1km2，占3.5%;“一般”的面積55.5km2，占3.5%;“較差”的面積621.3km2，占39.0%;“差”的面積為824.8 km2，占51.8%。植被覆蓋“優”和“良”的地區分布于河流灘地，主要是草甸。植被覆蓋“差”的地區分布于荒漠沙漠地帶，植被屬于草原化荒漠和荒漠?？傮w來看，研究區植被覆蓋度水平較低，主要由該地區干旱氣候所致。

表4表明，2000-2020年間，研究區植被覆蓋度整體呈上升趨勢，但部分地區存在嚴重退化現象。研究區8.1%的地區植被退化明顯，31.8%的地區植被輕微退化，23.1%的地區植被輕微改善，36.8%的地區植被明顯改善，植被覆蓋變化上升趨勢的面積達到 59.9%。由以上數據可以看出研究區植被變化趨勢整體呈上升的趨勢。根據研究區周邊烏海和磴口縣的氣象數據顯示，近20年降水變化波動狀態，沒有明顯上升趨勢。因此，研究區植被變化趨勢的主要與生態治理措施取得較好成效有關。

2.3? ? 生態功能現狀及變化

2020年研究區防風固沙生態功能狀況指數均值為50.57，屬于“一般”級別（50≤FEI<60）。從空間分布分析，生態功能“優”的面積僅占研究區2.1%，生態功能“一般”占31.7%，生態功能“較差”面積占66.1%。研究區防風固沙生態功能狀況指數較低的原因是評價區植被覆蓋指數、水域濕地面積比值較低，而沙化土地面積比較高所致。這表明烏蘭布和沙漠黃河流域自然生態一般，生態功能脆弱，生態類型結構單一。

2000-2020年間動態分析表明，研究區防風固沙生態功能狀況指數總體穩定，略有增加趨勢。與2000年相比，2020年生態功能“優”的面積增加了17.8km2，“一般”的面積增加了18.1km2，生態功能“較差”的面積減少了24.4km2，區域生態功能狀況指數均值僅增加了0.36（ΔFEI<1），變化度總體屬于“無明顯變化”，詳見表5。

3? ? 結論與建議

3.1? ? 結論

黃河烏蘭布和沙漠段土地利用與覆蓋主要類型為沙地，其次為草地，面積分別占研究區的65.6和22.1%。水域濕地、林地、耕地、建設用地面積分別占研究區面積的3.4%、3.4%、3.0%、0.6%。分析近20年變化，研究區林地、水域濕地、建設用地、耕地面積呈增加趨勢，其中林地和水域濕地增加幅度較大;草地和未利用地面積呈減少趨勢?？偟膩碚f，草田輪作地、熟耕地、種植灘地、園地、建設用地、水庫等人工化生態類型在增加顯著，其中只有種植灘地近10年呈減少趨勢。

黃河烏蘭布和沙漠段植被覆蓋指數較低，植被覆蓋指數均值為15，絕大部分為植被稀疏的荒漠地。2000-2020年間，植被覆蓋整體上呈上升趨勢，但局部存在退化現象。

黃河烏蘭布和沙漠段自然生態仍然一般，生態功能脆弱，生態類型結構單一。近20年生態功能狀況總體穩定，略有好轉趨勢，但變化幅度總體屬于“無明顯變化”。

總之，2000-2020年間黃河烏蘭布和沙漠段生態環境狀況總體呈改善趨勢，生態環境質量好轉，生態保護與恢復措施取得較好的成效。但整體生態狀況仍然較差，局部仍存在生態問題。

（1）黃河受沙漠危害仍存在。黃河西岸有兩處流動沙丘直接流入黃河河流。另外幾處流動沙丘每年以不同速度“淹沒”黃河灘地、沼澤和草甸。雖然每年的“淹沒”規模小，但長期持續將會威脅黃河生態環境。

（2）灘地農田仍威脅著黃河濕地生態環境質量。近幾年，雖然種植灘地面積呈減少趨勢，但仍存在較大規模灘地農田，面積達30 km2，占研究區河灘總面積的20%。這些灘地農田影響區域生物多樣性狀況。

（3）個別地區生態修復工程忽視了因地制宜和生物多樣性保護的原則。近幾年，在黃河烏蘭布和沙漠段生態治理中，個別地區較好的原生自然植被受到一定破壞。這些原生植被在長期自然演變中能夠適應極端環境，不但具有固沙生態功能，而且還有生物多樣性保護功能。

3.2? ? 建議

（1）繼續加強黃河烏蘭布和沙漠段的生態保護與建設工程。鑒于該區域生態質量低，生態功能脆弱，仍需要持續推進退耕還灘、沙漠治理、濕地植被恢復等生態修復工程。

（2）科學引導生態修復工程。生態修復工程，應按照不改變或盡量少改變原有植被的原則，因地制宜，突出自然修復，增強長效性。

（3）優化區域黃河取水指標。由于自然水源的極短缺和生態治理取水指標缺口，黃河烏蘭布和沙漠段生態治理工程受到嚴重限制。鑒于黃河流域烏蘭布和沙漠段生態保護的重要性，應優化增加黃河取水指標。

參考文獻

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收稿日期：2021-03-01

作者簡介：達來（1973-），男，高級工程師，主要從事生態監測方面的工作。