1989年～2015年呼倫貝爾草地沙化監測

徐媛　郭秋成　張靖

摘要：草地生態系統是我國陸地上分布最廣的生態系統，具有重要的生產和生態功能。沙化是草原地區常見的土地退化形式之一。本文以1989年～2015年Landsat TM/OLI遙感影像為數據源，以呼倫貝爾草原區為研究區，利用混合像元分解技術，建立沙化指標，監測該地區草地沙化動態變化。結果表明，該區發生了較嚴重的草地沙化，但在2009年以后草地嚴重沙化的趨勢得到了緩解，重度沙化逐漸向中度和輕度沙化轉變。通過該研究，以期為呼倫貝爾草地沙化治理、可持續發展提供科學依據。

關鍵詞：沙化監測；混合像元分解；呼倫貝爾

1.前言

草地生態系統是我國陸地上分布最廣的生態系統，它既是畜牧業不可缺少的生產資料，又是具有不可替代的生態功能。但近年來由于氣候因素及超載等人為因素，草原出現大范圍的沙化問題。隨著遙感技術的發展，以其宏觀性、綜合性、時間周期短等優勢，已成為沙化監測與定量評價的重要數據來源和技術手段。應用遙感技術監測與評價草地沙化，通常包括定性和定量兩類方法。早期沙化研究通常通過圖像目視、監督分類等定性方法監測；隨著定量遙感技術的發展，時間序列分析、反映土壤和植被變化的指數等的出現，沙化定性評價逐漸受到關注；近年來，隨著光譜技術的發展，地物端元、光譜分解等也逐漸應用到沙化信息提取，并得到了廣泛研究。而對于內蒙古地區特別是呼倫貝爾草原區的沙化情況的研究卻鮮有報道。

因此，本文以1989年～2015年Landsat TM/OLI數據為數據源，以呼倫貝爾草原區為研究區，結合國家沙化等級評定指標進行沙化遙感監測，獲得該地區草地沙化動態變化情況，以期為呼倫貝爾草地沙化治理、可持續發展提供科學依據。

2.研究方法

2.1研究區概況

研究區位于呼倫貝爾市西南部，于內蒙古自治區東北部。北緯47°55′～49°35′，東經116°30′E～119°40′E，面積26338km2；海拔高度為500m～900m，地勢東低西高，分布有三條沙帶；年降水量在240mm～400mm之間，平均氣溫在-1°C～0°C之間；年日照時數可達3000hr，年蒸發量為1600mm。土壤主要類型分別栗鈣土，暗栗鈣土和黑鈣土；屬于溫性、暖溫性典型草原地帶，植被類型以叢生禾草、旱生植物占優勢的溫性典型草原為主。

2.2研究方法

2.2.1草地沙化遙感監測指標

參考《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標（GB19377-2003）》的國家標準，將草地沙化遙感監測指標體系分為兩個定量指標：草地總覆蓋度相對百分數減少率計算和裸沙面積占草地地表面積的相對百分數增加率。

草地總覆蓋度相對百分數減少率計算采用像元二分模型法，將圖像像元反射率大致分解位植被和土壤兩種組分。

式中，f_c表示草地覆蓋度，NDVI為歸一化植被指數，當前像元值；NDVI_veg表示植被覆蓋度接近100%時的NDVI值；NDVI_soil表示裸土的NDVI值。利用公式2比較基期年和目標年的草地覆蓋度的相對變化率，并將結果參照表1評定草地沙化情況。

式中，DR表示草地總覆蓋度相對百分數減少率，f_i與f_i+x分別為基期年和監測目標年草地覆蓋度。

在ENVI5.1軟件支持下，基于混合像元分解中的線性波譜分離技術（Linear Spectral Unmixing），利用MNF變換和PPI純凈像元法獲取純沙和純植被端元的光譜，通過最小二乘法求得兩種地物各自所占像元比例。然后利用公式3計算裸沙面積占草地地表面積的相對百分數增加率，并參照表1對草地沙化情況做出監測（公式3）。

式中，SI為裸沙面積占草地地表面積的相對百分數的增加率，SV_i與SV_i+x分別為基期年和監測目標年裸沙面積占草地地表面積的比率。

將草地總覆蓋度相對百分數減少率和裸沙面積占草地地表面積相對百分數增加率分別按照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標（GB 19377-2003）》規定的閾值賦值，將分指標的賦值結果相乘，作為綜合評定的臨界閾值。

3.結果與分析

3.1呼倫貝爾草地沙化變化遙感監測

通過綜合草地覆蓋度和草地裸沙面積指標的草地沙化監測，以1989年為評價基年，在所研究的5個時間段中，呼倫貝爾草原發生了較嚴重的沙化，沙化草地分布于整個研究區的大部分區域（圖1）。各個時間段都較1989年的草地發生了不同程度的退化：研究時段1989年～1994年是該區沙化最嚴重的時期，發生重度退化草地的面積達到21788.4km²，占研究區總草地面積的82.7%；研究時段1989年～2000年，沙化擴展的趨勢得到緩解，其中重度沙化面積有減少了6.1%，該部分沙化的草地轉換為中度沙化草地；研究時段1989年～2004年研究區的重度沙化草地減少到17830.9km²，但仍占67.6%；研究時段1989年～2009年和1989年～2015年，重度沙化草地面積相對于其它研究時段減少了約10%，大部分重度沙化草地轉變為中度和輕度沙化草地。

3.2呼倫貝爾草地沙化與降水因素關系分析

呼倫貝爾草地歷年降水圖見圖2。同期降水變化亦呈下降趨勢（斜率為-4.5032），1989年～2012年降水量均值294.75mm，總體來看，該區沙化變化與其年降水變化波動方向基本吻合。年降水量變化分可為兩個階段：第一階段（1989年～1999年）降水均值年波動較劇烈，以4年～5年為周期波動；第二階段（2000年～2012年），降水均值年波動較為平緩，周期性不明顯，且該階段降水量的均值（256.16mm）低于第一階段（321.41mm）。

通常情況下，草地沙化的變化隨著降水變化而變化，但在該研究中出現兩者不同步的現象，與其所對應的草地沙化程度應該也大于時段2000年～2015年，但實際的結果卻相反-2000年以后草地沙化的程度開始減輕，特別地2009年以后，草地發生沙化的趨勢得到了緩解。呼倫貝爾草原區施行草原保護獎勵機制可以解釋這種現象：在目前的氣候條件下，經過適宜的草原管理，呼倫貝爾沙地的生態環境逐步得到恢復，沙化擴展的趨勢得到緩解。

4.結論

本文利用混合像元分解技術技術，以1989年～2015年呼倫貝爾草原區的Landsat TM/OLI為數據源，監測該地區草地沙化動態變化。結果表明在整個研究時段中，該區發生了較嚴重的草地沙化，面積超過50%的草地都發生嚴重的沙化現象；但2009年以后，這種草地嚴重沙化的現象得到了緩解，出現重度沙化向中度和輕度沙化轉變的情況。