基于遙感影像的科爾沁沙漠化土地景觀格局演變研究科爾沁沙地沙漠化時空演變及其景觀格局以內蒙古自治區(qū)奈曼旗為例

基于遙感影像的科爾沁沙漠化土地景觀格局演變研究科爾沁沙地沙漠化時空演變及其景觀格局以內蒙古自治區(qū)奈曼旗為例

1景觀格局變化原因分析景觀生態(tài)學是一個新興的多學科多學科領域，其主要領域是地理和生態(tài)原則的交叉。它是以整個景觀為對象,研究景觀的結構、功能和變化,以及景觀的科學規(guī)劃和有效管理的宏觀生態(tài)學科。景觀格局與過程的關系研究是目前景觀生態(tài)學中的研究熱點之一,而沙漠化土地的空間格局與沙漠化過程的關系也是沙漠化研究的核心問題,對認識沙漠化的發(fā)生、發(fā)展機制有重要的意義。通過對景觀格局的動態(tài)研究,可以準確地把握景觀功能及結構的變化情況。近年來,隨著景觀生態(tài)學的發(fā)展,借助景觀指數分析方法,通過對景觀格局的變化分析來反映沙漠化土地的變化過程,對研究沙漠化的發(fā)生機制,發(fā)展原因以及沙漠化生態(tài)系統(tǒng)恢復重建都具有重要的意義。沙漠化由于分布廣泛、危害嚴重、威脅人口眾多,已經成為全球最嚴重的環(huán)境與社會經濟問題之一,受到了社會各界的廣泛關注。我國是世界上受沙漠化危害最為嚴重的國家之一,北方地區(qū)沙漠化的迅速發(fā)展已對社會經濟和生態(tài)環(huán)境造成很大影響,成為一個重要的生態(tài)和社會經濟問題?？茽柷呱车厥俏覈敫珊蛋霛駶欈r牧交錯帶的典型區(qū)域,也是北方沙漠化發(fā)生比較嚴重的地區(qū)之一,由于過度放牧、開墾和樵采等,使該區(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、程度的土地沙漠化。近年來,隨著退耕還林還草等一系列防沙治沙工程的啟動與實施,在各級政府和當地群眾的共同努力下,科爾沁沙地整體上呈現出生態(tài)恢復的趨勢,景觀結構發(fā)生了前所未有的快速變化。由于奈曼旗作為農牧交錯帶的典型地區(qū),是科爾沁沙地最具代表性的地區(qū)之一,因此,本研究在遙感和GIS技術的支持下,對科爾沁沙地奈曼旗沙漠化景觀格局變化進行動態(tài)分析,揭示沙地景觀格局動態(tài)的變化特征和規(guī)律,從而為科爾沁地區(qū)草地恢復、沙漠化治理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復與重建提供決策依據。2沙漠化地區(qū)的自然條件奈曼旗位于內蒙古自治區(qū)通遼市西南部,科爾沁沙地南緣,地理坐標為東經120°19′40″~121°35′40″、北緯42°14′10″~43°32′20″,總面積8197.51km2。南部為低山丘陵,中部以風蝕堆積沙地為主,中北部為西遼河、教來河沖積平原的一部分,地形特征表現為西南高,東北低,海拔高度240~700m。該區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候,冬季寒冷漫長、春季多風干燥、夏季炎熱多雨、秋季涼爽短促。年平均氣溫6.0~6.5oC,年平均降水量366mm,年平均蒸發(fā)量1935mm,是年平均降水的5倍多,無霜期平均150天左右,冬季多西北風,春季多西南風,年平均風速3.6~4.1m/s,大于8級大風的平均日數33.5d。土壤類型為地帶性的栗鈣土和非地帶性的風沙土,但由于沙漠化的影響,非地帶性風沙土分布面積最大。自然植被類型以灌木、半灌木和疏林為主。奈曼旗屬于典型的農牧交錯地區(qū),生態(tài)環(huán)境比較脆弱,遭受自然因素和人類社會經濟活動的影響后,很難恢復。3數據來源和方法3.1張拉信影像和沙漠化土地特征識別本研究以1975年MSS影像、1999年ETM+影像及1992年、2006年、2010年TM影像為信息源,影像選取的原則主要包括兩個方面:一是成像時間選取植被生長較為旺盛的夏秋季節(jié)(6-10月份);二是所選影像含云量小于10%,這樣有利于沙漠化信息的識別與提取,數據主要來源于/。同時選取研究區(qū)植被圖、土地利用圖、1:10萬地形圖、DEM等輔助數據,在遙感和GIS技術支持下,結合典型區(qū)(訓練區(qū))野外考察進行圖像目視解譯。利用ERDASIMAGINE9.1軟件對圖像分別進行波段合成、圖像增強和幾何校正處理,波段合成采用TM4(紅)、TM3(綠)、TM2(藍)三個波段進行標準假彩色合成,對于MSS影像采取7、5、4波段進行合成,這樣的波段組合對植被生長狀況反映比較明顯,視覺效果較好,有利于沙漠化土地的識別;對于影像的幾何校正采用二次多項式模型,每幅影像上均勻選取6×6個控制點,校正精度控制在平原地區(qū)小于1個像元,山區(qū)小于2個像元。通過野外考察,在實地選取具有代表性的沙漠化土地類型,利用GPS定位系統(tǒng)將實地不同程度沙漠化的地表特征與遙感影像上相對應的沙漠化類型建立一一對應關系,從而確定目視解譯標志。利用ArcMap9.3軟件進行沙漠化信息的目視解譯與提取,解譯控制顯示精度為1:10萬,拓撲和改錯處理在ArcInfo9.3環(huán)境下完成。然后利用ArcGIS疊加分析模塊對不同時期的沙漠化數據進行疊置分析,從而得到研究區(qū)沙漠化土地動態(tài)變化信息。解譯工作完成后,為了保證解譯結果的正確率,項目組成員于2011年8月7日-8月12日對沙漠化解譯結果進行了野外驗證,部分區(qū)域由于受交通路線的限制,對于在野外無法到達的區(qū)域通過選取隨機點與GoogleEarth高分辨率影像進行對比來驗證解譯結果的精確度,同時對查出的錯誤進行修改,通過對隨機抽取的98個樣點(其中野外驗證點48個,GoogleEarth驗證點50個)與解譯結果進行對比分析,解譯精度為95.92%,滿足研究要求。3.2沙漠化體系分類系統(tǒng)參考《國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)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(jiān)測分類體系”以及科爾沁地區(qū)的相關研究成果,在王濤等研究的基礎上,對沙漠化體系分類系統(tǒng)進行了重新構建,原分類系統(tǒng)中將潛在沙漠化和輕度沙漠化歸為一類,由于潛在沙漠化在遙感影像上比較難以判讀,在一定程度上會影響對沙漠化土地總體變化特征的認識。因此,本研究在前人研究的基礎上去除了潛在沙漠化,并采用國內外比較流行的“四分法”,即將沙漠化程度劃分為輕度、中度、重度和極重度四個等級。并結合研究區(qū)的原始地表景觀和生態(tài)系統(tǒng)情況,以風成地表形態(tài)為主,結合沙漠化土地特征、沙漠化成因、植被、景觀、地貌等環(huán)境要素,構建適合該研究區(qū)的沙漠化土地分類系統(tǒng)(表1)。3.3景觀格局指標景觀格局指數是景觀格局不同側面特征的概括提煉和定量反映,也是能夠高度濃縮景觀格局信息,反映其結構組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標,近年來被廣泛地應用于土地沙漠化景觀格局動態(tài)的研究中。根據研究區(qū)沙漠化土地景觀特點,在景觀水平上選取斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA_MN)、景觀形狀指數(LSI)、蔓延度(CONTAG)、多樣性指數(SHDI)、均勻度指數(SHEI)、聚集度(AI)8個指數;在類型水平上分別選取某一類型斑塊所占百分比(PLAND)、斑塊個數(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)、邊緣密度(ED)、景觀形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)7個指標,各景觀格局指標的計算公式與生態(tài)學意義參見文獻。景觀指數的計算是在景觀分析軟件FRAGSTATS3.3(柵格版)下完成的。3.4沙漠化類型土地重心遷移不少學者利用人口地理學的人口分布重心原理,利用重心遷移模型計算耕地、水土流失、土地利用、經濟和人口等的重心變化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。本文采用重心遷移模型計算不同程度沙漠化土地分布的重心,并通過其重心遷移的方向和距離描述不同程度沙漠化土地的總體變化趨勢和空間變化特征。第t年某種沙漠化類型土地重心坐標計算公式如下:式中:Xt、Yt為第t年某種沙漠化類型土地重心的經緯度坐標;n為第t年該沙漠化類型土地的斑塊數,Cti為第t年該沙漠化類型土地第i個斑塊的面積;Xti、Yti為第t年該沙漠化類型土地第i個斑塊的幾何中心坐標。4結果與分析4.1砂漠化動態(tài)變化分析4.1.1奈曼旗沙漠化土地的市場根據解譯結果,利用ArcGIS的分類統(tǒng)計工具,對奈曼旗不同時期不同程度的沙漠化土地面積進行統(tǒng)計(表2)。結果表明,35年來奈曼旗沙漠化土地面積的變化經歷了先緩慢增加后逐漸逆轉的過程。1975-1992年為緩慢發(fā)展階段,沙漠化土地面積增加了28.03km2,除中度沙漠化土地面積大幅度減少外,其他類型的沙漠化土地面積均有所擴張,主要是由于這段時間內人口增長過快及草原過度開墾導致沙漠化程度加重。1992年以后沙漠化土地面積開始下降,與1992年相比,1999年沙漠化土地總面積略有減少,從1992年的3985.80km2下降到1999年的3965.60km2,輕度和中度沙漠化土地均呈現逆轉的趨勢,但極重度和重度沙漠化土地面積仍在擴大,說明該時段奈曼旗沙漠化土地從面積上看雖然有逆轉的趨勢,但部分地區(qū)沙漠化現象依然很嚴重。這主要是由于一方面持續(xù)的農牧業(yè)生產活動帶來了土地沙漠化的發(fā)展,而另一方面是“三北防護林工程”已初顯成效,導致這一時期沙漠化發(fā)展的速度呈減緩趨勢。1999年以后沙漠化土地開始發(fā)生明顯逆轉,1999-2010年逆轉的沙漠化土地占沙漠化土地逆轉總面積的86.66%,說明該時段為沙漠化的迅速逆轉期,沙漠化土地總面積從1999年的3965.60km2下降到2010年的3834.34km2,凈減少131.26km2,這主要是由于1999年以后奈曼旗土地退化治理措施的實施,以及2000年開始國家啟動京津風沙源治理工程及一系列退耕還林還草工程,使沙漠化土地得到一定程度的改善。從圖1可以看出,輕度沙漠化面積呈明顯增加的趨勢,中度沙漠化土地先有一個較大幅度的減少,后又有所增加,而重度沙漠化剛好相反。極重度沙漠化土地面積呈先增加后減少的趨勢。此外,非沙漠化土地面積整體呈緩慢增加的趨勢,說明沙漠化土地開始逐漸逆轉。4.1.2非沙漠化土地轉移根據解譯得到的沙漠化結果,利用ArcGIS空間疊加分析模塊對解譯得到的5期沙漠化數據進行疊加計算,分別得到1975-1992年、1992-1999年、1999-2006年、2006-2010年4個時段的沙漠化土地轉移矩陣(表3)。從表3可以看出,1975-1992年除中度沙漠化土地減少外,其他類型的沙漠化土地均有所增加,中度沙漠化土地的減少主要轉化為輕度沙漠化和重度沙漠化土地,面積分別為340.99km2和397.98km2,二者占中度沙漠化土地減少總量的92.63%,而中度沙漠化土地的增加主要由輕度沙漠化土地轉化而來,其面積為146.96km2,中度沙漠化土地的增加總量僅為減少總量的30.10%;相應地輕度沙漠化和重度沙漠化土地的增加則由中度沙漠化轉化而來,且中度沙漠化土地轉化為重度沙漠化土地的面積遠大于其轉化為輕度沙漠化土地的面積;極重度沙漠化土地的增加主要來源于重度沙漠化土地,非沙漠化土地增加不明顯。綜上所述,該時段研究區(qū)沙漠化程度有所加重,沙漠化面積擴張,整體呈惡化趨勢。通過分析1992-1999年沙漠化土地轉移矩陣得出,輕度沙漠化和中度沙漠化土地面積明顯減少,重度和極重度沙漠化土地面積有所增加。輕度沙漠化土地的減少主要轉化為中度沙漠化土地,其面積為198.22km2,而中度沙漠化土地逆轉為輕度沙漠化土地的面積為110.95km2,后者僅為前者的55.97%;同樣,中度沙漠化土地的減少主要轉化為重度沙漠化土地,其面積為240.66km2,而重度沙漠化土地逆轉為中度沙漠化土地的面積僅為中度沙漠化轉化為重度沙漠化土地面積的42.38%。由此可見,輕度沙漠化發(fā)展為中度沙漠化的面積大于中度沙漠化逆轉為輕度沙漠化土地的面積,中度沙漠化發(fā)展為重度沙漠化的面積大于重度沙漠化逆轉為中度沙漠化土地的面積。此外,極重度沙漠化土地的增加主要來源于重度沙漠化和中度沙漠化土地;非沙漠化土地轉化為沙漠化土地的面積115.15km2,而沙漠化土地逆轉為非沙漠化土地的面積為135.33km2。由以上分析可知,雖然該階段研究區(qū)沙漠化土地總面積有所減少,但沙漠化程度加重,整體呈惡化趨勢,即“局部逆轉,整體惡化”。因此,不能單獨依據沙漠化的面積變化來判斷沙漠化的發(fā)展與逆轉,而應該同時考慮沙漠化土地的沙漠化程度變化。通過分析1999-2006年沙漠化土地轉移矩陣得出,2006年沙漠化土地總面積比1999年減少了69.78km2,其中重度沙漠化和極重度沙漠化土地明顯發(fā)生了逆轉,重度沙漠化土地由1999年的1178.20km2減少為2006年的724.72km2,重度沙漠化土地的減少主要轉化為中度沙漠化和輕度沙漠化土地,尤其以中度沙漠化土地最為明顯,其轉化面積為568.96km2,占重度沙漠化土地逆轉總面積的83%;與1999年相比,2006年極重度沙漠化土地減少了273.21km2,極重度沙漠化土地主要轉化為重度沙漠化土地,其轉化面積為212.25km2,占極重度沙漠化土地逆轉總面積的74.20%;同時有110.55km2的沙漠化土地逆轉為非沙漠化土地,其主要來源于輕度沙漠化土地的逆轉。因此,研究表明該時段研究區(qū)沙漠化土地得到明顯改善,沙漠化土地總面積明顯減少,沙漠化程度減輕。2006-2010年沙漠化土地轉移矩陣表明,該時段研究區(qū)輕度沙漠化土地明顯增加,重度沙漠化土地基本穩(wěn)定,而中度沙漠化和極重度沙漠化土地明顯減少。通過研究發(fā)現,該時段沙漠化主要呈“極重度沙漠化→重度沙漠化→中度沙漠化→輕度沙漠化”逐級逆轉的趨勢,其中逆轉最多的是中度沙漠化轉化為輕度沙漠化,其面積為439.50km2。與2006年相比,2010年沙漠化土地總面積減少為3834.34km2。綜上分析表明,該時段沙漠化土地總面積不僅減少,而且不同程度的沙漠化土地均處于穩(wěn)定逆轉的狀態(tài)。4.2沙漠景觀格局的變化4.2.1景觀破碎化程度、景觀多樣性變化情況下環(huán)境從區(qū)域的整體角度出發(fā),在景觀水平上選取了8個主要景觀指數對奈曼旗沙漠化土地的景觀格局特征及變化進行了分析(表4)。斑塊個數和斑塊密度均呈現先增加后減少的趨勢,而平均斑塊面積則呈現先減少后增加的趨勢。1975-1992年沙漠化土地斑塊個數從649個增加到904個,斑塊密度從0.0792個/km2增加到0.1103個/km2,斑塊平均面積從12.6310km2減小到9.0681km2,說明整個沙漠化景觀的破碎化程度增加;1992-2010年斑塊個數和斑塊密度均呈下降趨勢,但平均斑塊面積越來越大,2010年斑塊個數減少到724個,斑塊密度減少到0.0883個/km2,平均斑塊面積增加到11.3226km2,表明沙漠化斑塊空間分布開始連片化,破碎化程度有所降低。景觀形狀指數反映了斑塊的復雜程度,形狀指數越大,斑塊形狀就越不規(guī)則,曲折程度就越高,反之斑塊形狀越規(guī)則越平滑。1975-2010年景觀形狀指數呈先上升后下降趨勢,1999年達到最大值,景觀形狀指數上升表明景觀斑塊形狀不規(guī)則化增強,易受周圍景觀的影響,后一階段景觀形狀指數下降,說明景觀斑塊形狀趨于規(guī)則化,不易受周圍景觀的影響。1975-1999年間蔓延度從56.60%減小到54.20%,蔓延度減小,說明沙漠化土地延展性下降,景觀破碎化程度加強,聚集度變小,而景觀破碎化的增強導致了多樣性指數的增加,景觀多樣性指數越大,景觀內各組分所占比例越均勻,均勻度的值越接近1。這主要是由于奈曼旗土地退化治理措施的實施,以及2000年開始國家啟動京津風沙源治理工程及一系列退耕還林還草工程,使沙漠化土地得到一定程度的改善,沙漠化呈逆轉趨勢,原本破碎的小斑塊開始連片形成大斑塊,斑塊的聚集度增大,研究區(qū)景觀斑塊的延展性和連通性升高,蔓延度逐漸增大,多樣性減小,整個景觀內部各組分所占比例趨于不均勻化,表明人類對沙漠化土地的改造程度正在不斷加強。4.2.2斑塊密度與景觀組合在類型水平上選取了7個主要景觀指數對奈曼旗不同年代的沙漠化土地景觀格局進行了分析(表5)。從表5中可以看出,1975年、1992年和2006年以中度沙漠化景觀所占比重最高,1999年以重度沙漠化景觀為主,2010年則以輕度沙漠化景觀為主。1975-1992年為沙漠化緩慢發(fā)展階段,1992-1999年雖然沙漠化土地面積有所下降,但沙漠化程度加重,沙漠化處于“局部逆轉,整體惡化”階段,1999年以后沙漠化逐漸逆轉,隨著治沙力度不斷加大,沙漠化程度開始變弱。通過分析發(fā)現,斑塊密度隨著斑塊數量的增加逐漸增大,而斑塊密度能夠直接反映各景觀組分的破碎化程度,1975年中度沙漠化景觀斑塊面積明顯大于輕度沙漠化,而斑塊數量和斑塊密度卻小于輕度沙漠化,說明輕度沙漠化景觀破碎化程度明顯大于中度沙漠化。1975-1992年重度沙漠化斑塊數量從182個增加到292個,而斑塊平均面積卻從5.2552km2減小到3.5800km2,最大斑塊指數也從3.30%下降到0.82%,說明該時段重度沙漠化破碎化程度加強。1992-1999年各類型沙漠化景觀形狀指數均呈上升趨勢,斑塊的不規(guī)則性增強,斑塊形狀趨于復雜,容易受周圍景觀的影響,而1999-2006年各類型沙漠化景觀形狀指數呈下降趨勢,說明斑塊形狀逐漸趨于規(guī)則化且變得越來越平滑。從景觀類型來看,1975-2010年研究區(qū)極重度沙漠化邊緣密度和斑塊密度最小,由于邊緣密度的大小能夠反映景觀類型被邊界割裂的程度和人類干擾影響的強度,因此,極重度沙漠化景觀被邊界切割的程度最低,受人類干擾的影響也最小,這主要是由于人類活動大多集中在沙漠與非沙漠化的過渡地帶及非沙漠化地區(qū),很少對沙漠化比較嚴重的腹地產生影響。1975年、2006年和2010年中度沙漠化的邊界密度最大,1992年和1999年重度沙漠化的邊界密度最大,因此中度及重度沙漠化景觀被割裂程度較強,受人類活動影響比較明顯。2006-2010年間所有沙漠化景觀斑塊數均呈減少的趨勢,除中度沙漠化外,其他類型的斑塊平均面積均越來越大,說明沙漠化斑塊空間分布逐漸連片化,破碎化程度明顯降低,沙漠化惡化趨勢有所逆轉。4.3沙漠化重心遷移從圖2中可以看出,奈曼旗的沙漠化土地主要分布在中西部地區(qū)的大沁他拉鎮(zhèn)、白音他拉蘇木和八仙筒鎮(zhèn),其次是中東部的固日班花蘇木、東北部的東明鎮(zhèn)東南部以及治安鎮(zhèn)的部分地區(qū)。研究區(qū)內沙漠化程度呈自西向東逐漸遞減的趨勢,奈曼旗南部地區(qū)主要以耕地為主,偶有零星沙漠化土地分布,極重度沙漠化土地主要集中分布在奈曼旗西部的老哈河東岸。由于過墾、過牧等對土地結構的破壞,以及人口數量增長和經濟發(fā)展導致的水資源利用強度的加大等矛盾的日益突出,沙漠化土地有隨時擴張的趨勢。為了進一步了解沙漠化土地在空間上的擴張過程,利用重心遷移模型對不同沙漠化類型的重心坐標進行了計算,并根據各點的坐標值繪制了各重心點的空間遷移圖(圖3)。從圖中可以看出,沙漠化重心的空間分布自西向東依次為“極重度沙漠化→重度沙漠化→中度沙漠化→輕度沙漠化”,這和沙漠化土地的空間分布趨勢完全一致,說明西部以極重度沙漠化為主,東部以輕度沙漠化為主,方向向東北方向延伸。1975-1992年極重度沙漠化重心向東遷移,遷移距離為4.17km,重度沙漠化和中度沙漠化重心分別向東南和西南方向遷移,移動距離分別為4.64km和4.34km,輕度沙漠化重心主要向東北方向遷移,其遷移距離最大,為9.42km,從圖2中可以看出極重度沙漠化明顯向東擴張,相對于整個區(qū)域沙漠化中心點來說,其東南和西南方向中、重度沙漠化增強,北部輕度沙漠化增強。1992-1999年重度沙漠化和中度沙漠化重心遷移方向相同,均向東北方向遷移,輕度沙漠化重心變化不大,極重度沙漠化重心開始向東南移動,結合圖2可以看出,明仁蘇木和東明鎮(zhèn)交界處中、重度沙漠化土地有所增強。1999-2006年中、重度沙漠化重心遷移方向依然相同,和前一時段相比,方向均相反。由于退耕還林還草及生態(tài)環(huán)境綠化工程的實施,極重度沙漠化發(fā)生明顯逆轉,其重心大幅度向西北方向折回,移動距離為7.02km,輕度沙漠化重心變化依然不大。2006-2010年除輕度沙漠化土地外,其他沙漠化土地重心均向西北方向遷移,而輕度沙漠化土地重心向西南遷移,結合圖