科爾沁草原沙漠化土地分布及其動態(tài)變化

科爾沁草原沙漠化土地分布及其動態(tài)變化

1科爾髓沙漠化趨勢沙漠是干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)人地關(guān)系不協(xié)調(diào)造成的土地退化過程，主要表現(xiàn)為沙活動。沙漠化由于其分布廣泛、危害嚴重、威脅人口眾多,已經(jīng)成為當今世界面臨的最大的環(huán)境-社會-經(jīng)濟問題之一,引起國際社會的廣泛關(guān)注。中國是世界上受沙漠化危害最為嚴重的國家之一,沙漠化的發(fā)生與發(fā)展,給中國廣大沙區(qū)的生態(tài)環(huán)境、自然資源、社會經(jīng)濟以及人民生活造成嚴重的危害。截止2000年,中國北方沙漠化土地總面積已達到38.57萬km2,發(fā)展速率也從20世紀50年代后期到70年代中期的1560km2·a-1演變?yōu)?0年代的3600km2·a-1,沙漠化土地還是處于局部逆轉(zhuǎn)、整體蔓延的態(tài)勢?？茽柷呱车厥侵袊狈桨敫珊缔r(nóng)牧交錯帶的典型區(qū)域,也是沙漠化比較嚴重的地區(qū)之一,由于人口增長、過度放牧、開墾和樵采等,該區(qū)頂級植被群落類型———疏林草原植被遭到嚴重破壞,誘發(fā)了不同類型和不同程度的土地沙漠化。研究表明,20世紀50年代末至70年代中期是科爾沁沙地沙漠化擴展速度最快的一個時期;從70年代中期到80年代后期,沙漠化土地持續(xù)快速增長;進入90年代,沙漠化呈現(xiàn)出逆轉(zhuǎn)的趨勢,從1987年到2000年沙漠化土地減少了10866km2。從整個發(fā)展過程來看,雖然沙漠化趨勢總體上得到了遏制,但截至2000年,科爾沁沙地沙漠化態(tài)勢依然嚴峻,而2000年以后對科爾沁沙地的沙漠化動態(tài)監(jiān)測研究相對較少,因此,對科爾沁沙地的沙漠化動態(tài)變化過程進行持續(xù)不斷的監(jiān)測顯得尤為重要。有鑒于此,本研究在RS(RemoteSensing,遙感)和GIS(GeographicInformationSystem,地理信息系統(tǒng))技術(shù)的支持下,對科爾沁沙地近10年來的沙漠化動態(tài)變化特征和規(guī)律進行監(jiān)測研究,旨在為科爾沁沙地沙漠化治理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復與重建提供理論依據(jù)。2研究區(qū)和研究范圍科爾沁沙地位于東北平原的西部,處在內(nèi)蒙古高原向東北平原的過渡地帶,西起燕山山系的七老圖山,東至松遼平原西部,南以努魯兒虎山為界,北接大興安嶺山地南緣。地理坐標為117°49′—123°42′E、41°41′—46°05′N,海拔120~800m。行政區(qū)域主要包括內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市、赤峰市和興安盟的科爾沁右翼中旗,此外,還涉及遼寧省西部彰武縣和吉林省通榆縣的一部分。本文的研究范圍為其中位于內(nèi)蒙古自治區(qū)的15個旗縣,總面積12.51萬km2(圖1)。研究區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候,冬季寒冷漫長、春季干燥多風、夏季炎熱多雨、秋季涼爽短促。大部分地區(qū)年平均氣溫為3~7℃,多年平均降水量為350~500mm,其中70%集中在夏季,多年平均蒸發(fā)量為1500~2500mm,是多年平均降水量的5倍多,無霜期平均150d,冬季多西北風,春季多西南風,年平均風速為3.4~4.4m·s-1,8級以上大風的日數(shù)為25~40d。地帶性土壤主要為栗鈣土、黑鈣土和栗褐土,但由于沙漠化的影響,很大一部分已退化為風沙土。原生植被是以榆樹和蒙古櫟為主的稀樹草原,由于人為破壞和沙漠化的影響,大部分天然植被已演變成為處于不同退化階段的沙生植被?？茽柷呱车靥幵谥袊狈睫r(nóng)牧交錯地帶,生態(tài)環(huán)境比較脆弱,土壤基質(zhì)不穩(wěn)定,風勢強勁,易受自然因素和人類活動的影響。3數(shù)據(jù)源和方法3.1影像幾何校正數(shù)據(jù)源主要包括2000年ETM+影像、2005年和2010年TM影像以及研究區(qū)植被圖、土地利用圖、1∶10萬地形圖、DEM等輔助數(shù)據(jù)。選取植被生長較為旺盛的夏秋季節(jié)(7—9月)遙感影像,有利于沙漠化信息的識別與提取。為了突出土地沙漠化特征,采用多波段遙感數(shù)據(jù)融合方法,由于TM4(R)、3(G)、2(B)波段標準假彩色合成后能夠?qū)Φ乇碜罨镜膸追N覆蓋類型加以明顯區(qū)分,視覺效果較好,因此,對各期影像分別進行4、3、2波段標準假彩色合成。受衛(wèi)星飛行姿態(tài)的影響,遙感影像會發(fā)生幾何變形,所以必須對影像進行幾何校正。根據(jù)1∶10萬地形圖,利用ERDASIMAGINE9.1軟件對ETM+和TM影像進行幾何校正處理和投影轉(zhuǎn)換,從而實現(xiàn)與底圖的精確配準,幾何校正采用二次多項式模型,像元重采樣采用最鄰近法,校正后影像空間分辨率為30m,校正誤差平原地區(qū)小于1個像元,山區(qū)小于1.5個像元。然后根據(jù)野外實地考察所獲取的沙漠化土地解譯標志和遙感影像特征,利用ArcMap9.3軟件進行沙漠化信息的人機交互判讀與提取,解譯顯示精度控制為1∶10萬,拓撲和改錯處理在ArcInfo9.3環(huán)境下完成。為了對解譯精度進行評價,解譯工作完成后,項目組成員于2011年8月5日—9月3日對解譯結(jié)果進行了野外訓練區(qū)驗證,同時對查出的錯誤進行修改,隨機抽取120個樣點與解譯結(jié)果進行對比分析,解譯精度達到95%以上,滿足研究要求。3.2沙漠化土地遙感影像解譯沙漠化土地分類體系是沙漠化發(fā)生地區(qū)土地退化程度的客觀反映,建立科學的沙漠化土地分類體系是實現(xiàn)沙漠化土地動態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵。本文參考國家“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(jiān)測分類體系標準以及科爾沁沙地的相關(guān)研究成果,從研究區(qū)的實際情況出發(fā),以風成地表形態(tài)為主,結(jié)合沙漠化土地特征、沙漠化成因、植被、景觀、地貌等環(huán)境要素,在王濤等的研究基礎(chǔ)上,根據(jù)地表流沙面積百分比、植被覆蓋度以及地表景觀特征,將沙漠化土地分為輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和嚴重沙漠化4種程度類型,并建立相應遙感影像解譯標志(表1)。3.3沙漠化土地重心坐標算法借鑒人口地理學的人口分布重心原理,相關(guān)學者將重心遷移模型引入到耕地、水土流失、土地利用和經(jīng)濟等的重心變化研究中,來分析土地利用變化及人類活動的空間特征。計算沙漠化土地重心遷移是研究沙漠化空間變化的一個主要方面。筆者采用重心遷移模型計算不同類型沙漠化土地的重心,并通過其重心遷移的方向和距離描述不同類型沙漠化土地的總體變化趨勢和空間變化特征。第t年某種類型沙漠化土地重心坐標計算公式為:式中:Xt,Yt分別為第t年某種類型沙漠化土地重心的經(jīng)、緯度坐標;n為第t年該類型沙漠化土地的斑塊數(shù);Cti為第t年該類型沙漠化土地第i個斑塊的面積;Xti,Yti分別為第t年該類型沙漠化土地第i個斑塊的幾何中心經(jīng)、緯度坐標。區(qū)域重心空間區(qū)位年際移動距離的測度一般是用公式(3):式中:D為兩個年份間某類型沙漠化土地重心移動的距離;s,k分別為兩個不同年份;(Xs,Ys)和(Xk,Yk)分別為第s年和第k年某類型沙漠化土地重心所在空間的地理坐標(經(jīng)度值,緯度值);C為常數(shù),取111.111,是把地理坐標(經(jīng)緯度)換算成平面距離(km)的系數(shù)。4結(jié)果與分析4.1科爾失沙漠化土地分布的現(xiàn)狀通過對2010年TM影像的解譯得到科爾沁沙地2010年沙漠化土地面積(表2)。2010年科爾沁沙地沙漠化土地總面積30198.87km2,占科爾沁沙地土地總面積的24.14%,其中輕度沙漠化土地、中度沙漠化土地、重度沙漠化土地和嚴重沙漠化土地面積分別為13316.80、8064.50、6224.82km2和2592.75km2,分別占沙漠化土地總面積的44.10%、26.70%、20.61%和8.59%,輕度沙漠化土地面積分布最廣,從輕度沙漠化到嚴重沙漠化,面積逐級遞減?？茽柷呱车厣衬恋刂饕蟹植荚谖膛Ｌ仄斓闹袞|部、奈曼旗和庫倫旗的北部、科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁右翼中旗的東南部、阿魯科爾沁旗及開魯縣的部分地區(qū),其中翁牛特旗、奈曼旗和科爾沁左翼中旗沙漠化較為嚴重。從圖2可以看出,科爾沁沙地中西部地區(qū)的沙漠化土地面積遠小于中東部地區(qū),但中西部地區(qū)重度和嚴重沙漠化土地占絕對優(yōu)勢,而中東部地區(qū)以輕度和中度沙漠化土地為主。嚴重沙漠化土地主要連續(xù)分布在老哈河兩側(cè)的翁牛特旗中東部和奈曼旗西北部地區(qū),面積占科爾沁沙地該程度沙漠化土地總面積的73.44%,其次為科爾沁左翼后旗、科爾沁左翼中旗和庫倫旗的部分地區(qū);重度沙漠化土地分布比較零散,以翁牛特旗和科爾沁左翼后旗為主;中度和輕度沙漠化土地主要分布在西遼河南北兩側(cè),西遼河南岸沙漠化土地呈有規(guī)則的東西向分布,南北向排列,尤其以科爾沁左翼后旗最為典型,西遼河北岸沙漠化土地主要分布在科爾沁左翼中旗、科爾沁右翼中旗,其次為扎魯特旗、阿魯科爾沁旗和開魯縣的部分地區(qū)。從沙漠化土地占土地總面積比重來看,科爾沁左翼后旗沙漠化土地占土地總面積的比重最大,為50.13%;奈曼旗和翁牛特旗次之,分別占該旗土地總面積的46.82%和37.61%,但二者的嚴重沙漠化土地占沙漠化土地比重最高;巴林左旗沙漠化土地占土地總面積的比重最小,僅為0.36%,其次為突泉縣。4.2沙漠化土地類型及分配本文利用ArcGIS空間疊加分析模塊對解譯得到的3期沙漠化數(shù)據(jù)進行疊加分析,得到科爾沁沙地2000—2010年的沙漠化土地動態(tài)變化轉(zhuǎn)移矩陣(表3)。在過去10年間科爾沁沙地沙漠化土地總體呈逆轉(zhuǎn)的趨勢,沙漠化土地總面積從2000年的31762.11km2減少到2010年的30198.87km2,凈減少量1563.24km2,以156.32km2·a-1的速度減少。從沙漠化類型來看,除輕度沙漠化土地增加外,其他類型沙漠化土地面積均明顯下降。從表3可以看出:2000—2005年時段內(nèi)重度和嚴重沙漠化土地明顯減少,減少總量為1156.94km2;輕度和中度沙漠化土地有所增加,增加總量為605.42km2,沙漠化逆轉(zhuǎn)的速度和面積遠大于沙漠化發(fā)展的速度和面積;551.52km2的沙漠化土地逆轉(zhuǎn)為非沙漠化土地,土地沙漠化的范圍有所減小。其中輕度沙漠化土地的增加主要來源于中度沙漠化土地,其面積為1900.48km2,占輕度沙漠化土地增加總量的51.06%,中度沙漠化土地逆轉(zhuǎn)為輕度沙漠化土地的面積大于輕度沙漠化土地發(fā)展為中度沙漠化土地的面積;中度沙漠化土地的增加除一部分來源于輕度沙漠化土地外,主要由重度沙漠化土地逆轉(zhuǎn)而來;重度沙漠化土地逆轉(zhuǎn)為中度沙漠化土地的面積為1515.34km2,占重度沙漠化逆轉(zhuǎn)總量的60.52%,遠大于中度沙漠化土地轉(zhuǎn)化為重度沙漠化土地的面積;嚴重沙漠化土地發(fā)生了明顯逆轉(zhuǎn),主要轉(zhuǎn)化為重度沙漠化和中度沙漠化土地,其面積分別為497.22km2和216.59km2。綜上所述,該時段研究區(qū)沙漠化土地總面積減少,沙漠化程度減輕,整體呈逆轉(zhuǎn)趨勢。表3表明,2005—2010年時段研究區(qū)輕度沙漠化土地持續(xù)增加,但輕度沙漠化土地的增加主要來源于其他類型的沙漠化土地逆轉(zhuǎn),其中以中度沙漠化土地的逆轉(zhuǎn)為主,其面積為2747.71km2,占輕度沙漠化土地增加總量的78.39%,而非沙漠化土地發(fā)展為輕度沙漠化土地的面積只有256.43km2,僅占輕度沙漠化土地增加總量的7.32%;重度沙漠化土地主要逆轉(zhuǎn)為中度沙漠化土地,其面積為954.11km2,占重度沙漠化土地逆轉(zhuǎn)總面積的60.57%;嚴重沙漠化土地逆轉(zhuǎn)為重度沙漠化土地的面積為425.11km2,占嚴重沙漠化逆轉(zhuǎn)總面積的88.91%;沙漠化逆轉(zhuǎn)的總面積為1608.43km2,遠大于沙漠化發(fā)展的總面積596.71km2。該時段沙漠化主要呈“嚴重沙漠化→重度沙漠化→中度沙漠化→輕度沙漠化”逐級逆轉(zhuǎn)的趨勢,其中逆轉(zhuǎn)最多的是中度沙漠化向輕度沙漠化的轉(zhuǎn)化。與2005年相比,2010年沙漠化土地總面積減少了1011.72km2。綜上分析表明,該時段沙漠化土地不僅總面積減少,而且不同程度的沙漠化土地均處于穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。從沙漠化土地動態(tài)變化來看,2000—2005年雖然沙漠化土地逆轉(zhuǎn)的面積大于沙漠化土地發(fā)展的面積,但是仍有局部地區(qū)的沙漠化程度在加重,沙漠化發(fā)展的區(qū)域主要分布在科爾沁右翼中旗和科爾沁左翼后旗的部分地區(qū),沙漠化逆轉(zhuǎn)的區(qū)域以扎魯特旗、阿魯科爾沁旗、奈曼旗和庫倫旗的部分地區(qū)為主(圖3A)。2005—2010年沙漠化逆轉(zhuǎn)的形勢比較明顯,特別是科爾沁右翼中旗沙漠化土地從2000—2005年的發(fā)展狀態(tài)變?yōu)槟孓D(zhuǎn)狀態(tài),科爾沁左翼中旗和科爾沁左翼后旗的沙漠化發(fā)展趨勢也得到了遏制,部分地區(qū)明顯逆轉(zhuǎn);沙漠化發(fā)展的區(qū)域主要集中在阿魯科爾沁旗東部的小范圍地區(qū)(圖3B)。綜上所述,沙漠化土地逆轉(zhuǎn)區(qū)域主要分布在近10年治理強度較大的奈曼旗、庫倫旗和扎魯特旗,特別是作為沙漠化治理的示范基地的奈曼旗和庫倫旗,沙漠化土地一直處于穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)的狀態(tài),而沙漠化發(fā)展及不穩(wěn)定區(qū)域則主要集中在人類活動較強、以畜牧業(yè)為主的科爾沁右翼中旗和科爾沁左翼后旗。4.3土地重心分布的時空特征科爾沁沙地是典型的農(nóng)牧交錯地區(qū),生態(tài)環(huán)境非常脆弱,過墾、過牧等行為對土地結(jié)構(gòu)的破壞,以及人口數(shù)量增長和經(jīng)濟發(fā)展導致的水資源利用強度的加大等問題的日益突出,使得區(qū)內(nèi)沙漠化土地面積有隨時反彈的趨勢。為了進一步了解沙漠化土地在空間上的變化過程,基于ArcGIS平臺,利用重心遷移模型對不同類型沙漠化土地的重心坐標進行了計算,并根據(jù)各重心的經(jīng)緯度坐標繪制了2000—2010年各類型沙漠化土地重心的空間遷移圖(圖4)。從圖4可以看出,嚴重沙漠化土地主要分布在研究區(qū)的西南部地區(qū),中度和重度沙漠化土地主要分布在研究區(qū)的中東部地區(qū),且混雜交錯比較復雜(從表3也可以看出,中度和重度沙漠化土地之間的相互轉(zhuǎn)化比較頻繁),輕度沙漠化土地主要分布在東北部地區(qū)。從圖4可以看出,沙漠化土地的重心分布位置與實際沙漠化土地的空間分布趨勢完全一致,說明沙漠化土地重心的變化能夠很好的反映沙漠化土地的空間變化。近10年來,科爾沁沙地嚴重沙漠化土地重心比較穩(wěn)定,沒有發(fā)生明顯的遷移與變化,說明2000年以后隨著退耕還林還草及“三北”防護林工程等一系列防沙治沙工程的實施,沙漠化程度有所減弱,特別是以流動沙丘為主的嚴重沙漠化土地得到了有效控制,沒有發(fā)生明顯的擴張,重心空間遷移距離為3.73km(向南);2000—2005年重度沙漠化土地整體向東北方向遷移,重心遷移距離為19.18km,2005—2010年又向西南方向折回,重心移動距離為13.54km;中度沙漠化土地明顯向西北方向遷移,2000—2005年中度沙漠化土地重心向西北方向遷移11.77km,2005—2010年向西北方向移動了12.21km,因此,近10年來中度沙漠化土地的空間分布逐漸向西北方向移動,其中主要集中在阿魯科爾沁旗東部和扎魯特旗的部分地區(qū)。2000—2010年輕度沙漠化土地重心明顯向南移動,特別是2000—2005年輕度沙漠化土地重心向南移動比較明顯,其遷移距離為14.32km,是2005—2010年移動距離5.29km的近3倍,主要是由于2000—2005年北部的科爾沁右翼中旗大面積輕度沙漠化土地發(fā)展為中度沙漠化土地,從而導致輕度沙漠化土地所占比重減小。因此,通過重心遷移模型可以定量地、動態(tài)地、直觀地來描述沙漠化土地的空間變化規(guī)律。5科爾髓沙地沙漠化土地發(fā)展現(xiàn)狀研究結(jié)果表明,2000—2010年科爾沁沙地不僅沙漠化土地總面積有所減少,而且不同類型沙漠化土地均處于穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。沙漠化土地總面積從2000年的31762.11km2減少到2010年的30198.87km2,凈減少量1563.24km2,減少速率為156.32km2·a-1。從沙漠化類型來看,沙漠化土地主要呈“嚴重沙漠化→重度沙漠化→中度沙漠化→輕度沙漠化”逐級逆