李爱敏 (1980-), 女, 山东鄄城人, 硕士研究生, 主要从事风沙物理与沙漠化过程研究。 E-mail: aiminliok@lzb.ac.cn 976-984页 表1 土地利用和各类沙漠化土地的解译标志 Tab. 1 Interpretation remarks for landuse and all kinds of desertified land 地 理 学 报 李爱敏 等： 21世纪初科尔沁沙地沙漠化土地变化趋势 9 期 表2 科尔沁地区沙漠化遥感监测分类体系 Tab. 2 The classification system of remote sensing monitoring of sandy desertification in Horqin region 21世纪初科尔沁沙地沙漠化土地变化趋势 李爱敏, 韩致文, 许 健, 马绍休, 黄翠华 (中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,沙漠与沙漠化重点实验室,兰州 730000) 摘要：以2000年和2005年TM影像为信息源,在建立目视解译标志的基础上,利用GIS的图像、数据处理功能,对科尔沁沙地近5年来土地沙漠化动态变化进行监测。结果表明,科尔沁沙地沙漠化面积由2000年的22423.1 km2 变为2005年的22422.4 km2,仅以0.14 km2·a-1的速度减少,表明该区沙漠化面积不断加剧的态势得以控制并趋于相对稳定状态;不同类型土地的沙漠化动态变化程度不一,原沙漠化土地沙漠化程度明显减轻,沙漠化逆转与恶化面积的差值为958.9 km2,但监测期间有113.3 km2非沙漠化土地沙漠化,发展速度为22.7 km2·a-1,这一态势值得引起足够重视。 关键词：科尔沁沙地;土地沙漠化;遥感监测 1 引言 有关科尔沁沙地沙漠化现状与态势的研究,早期主要在野外调查的基础上,利用航空相片人工解译并作图量算

[1] ,通过对不同时期沙漠化面积的对比,分析沙漠化的发展态势。20世纪80年代以前,有关本区沙漠化发展态势的数据和研究结果较少。随着各种卫星影像和3S技术在沙漠化研究中的广泛应用,沙漠化时空变化的监测研究得到发展,有关科尔沁地区沙漠化发展态势的研究也随之增多
[2, 3]。 研究表明
[4, 5],在中国北方近50年沙漠化土地面积持续扩大和加速发展的总体态势中,科尔沁地区20世纪50代末至70年代中期,土地沙漠化呈现快速发展态势,总面积增加了9084 km2
[3, 4];从70年代中期到80年代后期,沙漠化继续呈现快速发展的态势,面积增加了9624 km2
[3, 4];进入90年代,沙漠化发展却呈现出逆转态势,到20世纪末,沙漠化面积减少了10866 km2
[3, 4]。在20世纪的后50年里,科尔沁地区的沙漠化经历了发展－再发展－逆转的过程
[5-9]。 21世纪以来,有关科尔沁地区沙漠化发展动态的研究不多,沙漠化发展态势尚不明确。本文利用RS、GIS技术,对科尔沁地区2000~2005年间的沙漠化动态进行监测,旨在明确该区沙漠化发展态势的基础上,为该区沙漠化监测与防治提供科学依据。 2 区域概况 研究区域位于我国东北地区的西部,处于内蒙古高原向东北平原的过渡地带。西起燕山山系的七老图山,东至松辽平原西部,南以努鲁尔虎山为界,北接大兴安岭山地南缘。地理位置大约为E113o30'~E123o30',N42o20'~N44o28'。 该区地势起伏开阔,南北高中间低。土地沙漠化过程导致地表呈现流动沙丘、半固定沙丘、固定沙丘与丘间地镶嵌分布的地貌景观。该区处于温带半干旱大陆性季风气候区,年际间的干湿交替和较多的风沙天气是该区域的主要特征

[10] 。地带性土壤主要为栗钙土、黑钙土和栗褐土,沙漠化过程使得部分土壤已退化为风沙土。科尔沁沙地处于半干旱与半湿润气候交界带,分布着我国北方独特的沙地疏林草原,原生草地植被植物群落组成丰富,结构稳定,层片发育明显,覆盖度大
[11, 12]。然而,近100多年以来,这里的原生植被受到破坏,沙漠化日益严重,昔日林丰草茂的疏林草原景观已变成坨甸交错、流沙遍野的景观。处于不同发展阶段的隐域型沙地植被取代了原生植被,沙地植被的乔木层已基本消失,草本层退化,灌木层发育强烈
[13-17]。由于生态恶化,植物种类组成减少,结构趋于简化。 科尔沁沙地土壤下伏物质为第四纪河湖相沙质沉积,地表物质组成以质地松散、内聚力差的沙砾为主,构成该地区比较脆弱生态系统的物质基础

[18] 。由于自然环境特别是气候演变,该区地表稳定性下降,造成沙漠化扩展,加之全新世以来自然环境和人类活动双重干预作用的耦合,导致景观生态系统超越临界域值而严重失衡的共振效应,加速科尔沁地区沙漠化过程的发展和沙漠化土地扩张

[19] 。长期以来,该地区被作为研究沙漠化过程和监测沙漠化动态的典型地区。 3 数据来源与处理方法 3.1 数据来源 原国家林业部《全国荒漠化监测主要技术规定》指出：“全国和各省 (市区) 荒漠化土地与沙漠化土地监测以5年为一个周期,重点地区的监测周期根据具体情况确定”。此次科尔沁沙地沙漠化监测,以我国地面站2000年和2005年接收的TM影像4、3、2波段合成的标准假彩色数据为主要数据源,同时以科尔沁地区的有关统计资料和1:25万地形图为辅助资料。 3.2 影像的分析处理 利用遥感影像进行沙漠化监测与信息获取主要的步骤为：遥感影像分析处理→影像解译标志建立→影像解译。在此基础上,进一步分析处理解译结果,形成沙漠化监测的评价图及相关数据库。 3.2.1 遥感影像分析处理 卫星遥感影像在成像过程中,由于传感器功能的衰减,大气影响,卫星飞行姿态等原因,会产生各种辐射误差和几何形变,因此需对影像进行校正。本项研究通过图像空间配准来完成图像校正,使同一区域不同图像数据地理坐标统一。主要根据1:25万地形图校正MSS,选择特征突出的地物作为地面控制点,与MSS影像上的同名控制点建立位置关系,选择ERDAS公司的Erdas Imagine软件,利用Date Preparation模块中的Image Geometric Correction功能进行几何校正,然后利用Reproject功能进行投影变换,经过坐标换算和重采样,图像被校正到与地形图相同的地理坐标,实现与GIS底图的精确空间配准。空间配准工作为遥感信息与GIS辅助资料中有关信息的复合分析奠定了基础。 为使图像信息量大,相关性小,冗余度小,并能够提供更多类别和更高分类精度,在数据融合前还进行了最佳波段组合,选择TM影像4、3、2波段合成假彩色图像。TM影像有7个波段,其中对植被、土壤和水分反映敏感的分别为TM2、TM3、TM4和TM5 (绿波段、红波段、近红外波段和中红外波段),其光谱范围分别为0.52~0.60 ?滋m、0.63~0.69 ?滋m、0.76~0.90 ?滋m、1.55~1.75 ?滋m。TM 4、3、2波段 (TM4、3、2波段分别赋予红、绿、蓝三种颜色) 组合对植被生长状况反映最好,TM4反映不同沙漠化程度土地的植被特点,TM3波段反映沙质土壤的较高亮度和盐渍化土地的白化现象,TM2对植被反射敏感,能区分林型、树种。 3.2.2 影像解译标志的建立 沙漠化类型及发展程度是沙漠化研究的重要和基础内容之一。为了对科尔沁沙地沙漠化变化进行与实际相符的科学监测和判定,本项研究建立了遥感影像沙漠化类型及发展程度的解译标志。 任何地面物体由于其化学成分和物质结构不同,对太阳光谱产生选择性的吸收和反射,形成物体本身所具有的光谱特征。试验数据表明
[20-22],沙质地物在波长0.5~2.4 ?滋m波段上可产生30%~50%的高反射率,航空相片和卫星图像上表现出非常明亮的或是浅一级的浅色调信息,与其他地物如植被、水体、基岩山地、农作物等形成明显对比,构成沙漠化地物独特的光谱特性和图像解译标志。在沙漠化土地这一特殊光谱区间范围内,遥感图像上出现具有不同灰度 (或亮度)的地物信息,代表着不同沙漠化类型及其沙漠化程度。因此图像上不同灰度作为划分沙漠化亚类的主要依据

[23] 。 本次监测中,建立了完整的解译标志 (表1),在此基础上建立了科尔沁沙地沙漠化分类体系 (表2)。 3.2.3 遥感影像的解译 本次监测基于混合像元分类法和知识法,主要采用目视解译法实现遥感影像的解译。在建立解译标志的基础上,利用地理信息系统软件ARC/INFO中嵌套的图像处理软件Arcview,以人机对话方式解译2000年和2005年时相为8月的两期TM影像。影像判读建立在地物性质、电磁波谱和影像特性三者关系基础之上,借助于影像色彩的差别和变化及其组合规律,确定沙漠化土地类别和范围。目视方法难以判定的类型,利用基于混合像元分类法和基于知识法进行解译。最小图斑为10×10个像元,解译过程中图斑轮廓线误差不超过一个像元 (实地15 m×15 m)。 4 结果分析与讨论 4.1 动态变化分布 2000年至2005年监测期内,整个科尔沁沙地沙漠化均有一定程度的变化,但变化分布相对较集中 (图1)。 在科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗和科尔沁左翼中旗三者的交界处及科尔沁左翼后旗的南部地区,沙漠化发生了很大程度的变化;在科尔沁左翼后旗的北部、库伦旗的中北部地区、阿鲁科尔沁旗的东北部地区及巴林右旗、翁牛特旗和阿鲁科尔沁旗三者的交界处沙漠化也发生了较大程度的变化;除此以外沙漠化在其他各区都有零散分布。 科尔沁沙地的下伏物质为第四纪河相沉积物,松散沉积物的厚度较大,而且地表组成物质均系质地松散、内聚力差且以物理性沙砾为主,这是沙漠化在全区均有一定程度分布的主要原因。该区沙漠化土地的空间分布特征： 西部是重度和严重沙漠化土地的片状集中分布区,流动沙丘和半流动沙丘分布广泛,沙化程度重;中、东部地区流沙呈斑点状断续分布在固定沙丘群间,以中度沙漠化为主,多类型复杂交错,沿东西向延伸呈相间分布,沙化程度相对较轻;北部是轻度和中度沙漠化类型的分布区,沙化程度最轻

[16] 。该区在自然因素和人为因素的共同作用下,沙漠化的动态变化分布又相对较为集中。 4.2 动态变化趋势分析 在2000~2005年监测期内,沙漠化面积由2000年的22423.1 km2变为2005年的22422.4 km2 (表3),沙漠化总体面积减少0.7 km2,仅以0.14 km2·a-1的速度减少。因此从整体来说,科尔沁沙地在监测期间土地沙漠化发展趋势得到初步遏制,沙漠化发展与逆转处于相持状态。 对于不同类型沙漠化的动态变化而言,监测结果显示,由沙丘活化或流沙入侵、旱作农田耕作引起的沙漠化面积呈现减少态势,其减少速度分别为2.7 km2·a-1、6.6 km2·a-1;而由灌丛沙漠化过程引起的沙漠化面积继续增加,增加速度为每年9.1 km2。各类沙漠化所占的比例变化动态不明显 (图2),在监测始末,沙丘活化或流沙入侵沙漠化土地所占百分数均为2.8%,灌丛沙漠化所占百分数增加0.1%,旱地农田耕作沙漠化土地的百分数减少0.1%。因此,对于各类沙漠化而言,监测期间由沙丘活化或流沙入侵和旱作农田耕作引起的沙漠化面积减少,而灌丛沙漠化面积增加,但各类沙漠化所占的比例动态变化不明显。 监测期内,科尔沁沙地沙漠化面积不断加剧的态势已经得以控制并趋于相对稳定状态,不同类型的沙漠化土地动态变化程度不一,这是自然因素和人文因素共同作用的结果

[12] 。 对科尔沁沙地典型区域奈曼旗近40年气候特征的分析表明,在全球气候变化的大背景下,气温在经历了20世纪60年代后半期和70年代初的低值期后开始逐渐升高,90年代升高加快 (图3);而降水则呈S形趋势,20世纪60年代初急剧下降,至70年代初达到最低,之后又缓慢升高,至90年代初达到最高,接着又呈下降趋势 (图4)。从水热组合看,1959~1963年为暖干气候,1964~1974年为冷干气候,1975~1979年基本为暖干,1980年以后气候变化剧烈,大致呈暖干、冷湿交替出现。特别是从80年代后期开始,本区的温度有明显上升趋势,而降水尚未出现明显增加或减少趋势。但从更大的研究范围来看,我国东部沙地气温升高,降水减少,湿润度下降幅度较大,自然驱动因子有利于土地沙漠化正向发展,这是非沙漠化土地沙漠化现象仍较严重的主要影响因素。 但是,上世纪末期科尔沁沙地沙漠化土地却处于逆转状态,本世纪初沙漠化土地趋于稳定的发展趋势。这是人类合理的经济活动和防治沙漠化的措施所取得的显著成效,人为驱动因素在大的自然环境背景下,从对沙漠化过程的消极作用转变成积极作用
[4, 11]。因此,人为驱动因素对科尔沁沙地21世纪初的沙漠化动态变化起到主导作用。 4.3 动态变化性质分析 监测期间,各类沙漠化土地动态变化程度表明 (表4),原沙漠化土地发展程度明显减轻,而非沙漠化土地沙漠化现象较为严重。原沙漠化土地总逆转面积为1186.5 km2,原沙漠化和非沙漠化土地恶化面积为227.6 km2,逆转和恶化速度分别为237.3 km2·a-1、45.5 km2·a-1;监测期有113.3 km2非沙漠化土地变为沙漠化土地,沙漠化仍较严重。 表4显示,灌丛沙漠化逆转面积远超过恶化面积,其沙漠化程度明显减轻。灌丛沙漠化面积虽还在以9.1 km2·a-1的速度增长,但每年逆转的沙漠化面积为204.6 km2,其沙漠化程度逐渐由重度和严重沙漠化向中度和轻度沙漠化转变,沙漠化程度减轻。旱作农田耕作沙漠化的程度也在明显减轻,每年逆转的沙漠化面积为25.7 km2;沙丘活化或流沙入侵沙漠化以5.9 km2·a-1的速度逆转,也呈现出一定的逆转趋势,但变化幅度不很明显。在各类原沙漠化程度呈现一定的逆转趋势的同时,非沙漠化土地沙漠化问题却呈现严重的发展态势,在监测期间,非沙漠化土地沙漠化的面积为113.3 km2,每年新增沙漠化土地22.7 km2。 造成原沙漠化土地沙漠化程度减轻,而非沙漠化土地沙漠化加剧这一态势的主要原因是,在上个世纪科尔沁沙区的有些地区如：敖汉旗、奈曼旗北部,开鲁县东部和通辽市的西部,沙漠化现象已比较严重,引起人们足够的重视,成为我国沙漠化土地治理的重点,对沙漠化土地采取了一系列有效防治措施并取得显著成效。非沙漠化土地沙漠化现象,主要分布在库伦旗的北部、科尔沁左翼后旗的中北部、翁牛特旗的北部和区域东部辽河以东。这些地区的沙漠化现象到目前为止还没有引起足够重视,加上人们缺乏沙漠化应“防”为先、“治”为后的意识,仍沿用比较粗放的农牧业耕作方式造成的。 5 结论 (1) 2000年以来,整个科尔沁沙地沙漠化均有一定程度的变化,但变化幅度不大,分布相对较集中。在科尔沁右翼中旗、扎鲁特旗和科尔沁左翼中旗交界处和科尔沁左翼后旗南部地区,沙漠化动态发生了较大程度的变化;科尔沁左翼后旗北部地区、库伦旗中北部地区、阿鲁科尔沁旗东北部及巴林右旗、翁牛特旗和阿鲁科尔沁旗交界处,沙漠化也发生了明显变化。沙漠化土地在其他各区零散分布。 (2) 监测期间,沙漠化面积所反映的科尔沁沙地沙漠化动态变化趋于稳定态势。沙漠化面积从22423.1 km2 (2000年) 减少到22422.4 km2 (2005年),仅以0.14 km2·a-1 的速度减少。对于不同类型沙漠化而言,沙丘活化或流沙入侵、旱作农田耕作沙漠化和灌丛沙漠化呈现一定发展或逆转动态,但各类沙漠化土地所占比例较为稳定。 (3) 各类沙漠化土地面积变化程度,原沙漠化土地发展程度明显减轻,而非沙漠化土地出现较为严重的沙漠化过程。原沙漠化土地逆转面积为1186.5 km2,沙漠化恶化面积为227.6 km2,逆转和恶化速度分别为237.3 km2·a-1和45.5 km2·a-1。监测期间有113.3 km2非沙漠化土地变为沙漠化土地,沙漠化速度为22.7 km2·a-1,这一态势值得引起足够重视。 致谢：本项监测工作在“国家重点基础研究发展规划项目”首席科学家王涛研究员全力支持与指导下完成,TM影像处理与解译过程得到颜长珍博士、封建民博士的悉心帮助,作者谨致谢忱。 参考文献 (References)

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