1989年～2015年呼倫貝爾草地沙化監(jiān)測

徐媛　郭秋成　張靖

摘要：草地生態(tài)系統(tǒng)是我國陸地上分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的生產(chǎn)和生態(tài)功能。沙化是草原地區(qū)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(shù)據(jù)源，以呼倫貝爾草原區(qū)為研究區(qū)，利用混合像元分解技術(shù)，建立沙化指標(biāo)，監(jiān)測該地區(qū)草地沙化動態(tài)變化。結(jié)果表明，該區(qū)發(fā)生了較嚴(yán)重的草地沙化，但在2009年以后草地嚴(yán)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(zhuǎn)變。通過該研究，以期為呼倫貝爾草地沙化治理、可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：沙化監(jiān)測；混合像元分解；呼倫貝爾

1.前言

草地生態(tài)系統(tǒng)是我國陸地上分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)，它既是畜牧業(yè)不可缺少的生產(chǎn)資料，又是具有不可替代的生態(tài)功能。但近年來由于氣候因素及超載等人為因素，草原出現(xiàn)大范圍的沙化問題。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，以其宏觀性、綜合性、時(shí)間周期短等優(yōu)勢，已成為沙化監(jiān)測與定量評價(jià)的重要數(shù)據(jù)來源和技術(shù)手段。應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測與評價(jià)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(jiān)督分類等定性方法監(jiān)測；隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，時(shí)間序列分析、反映土壤和植被變化的指數(shù)等的出現(xiàn)，沙化定性評價(jià)逐漸受到關(guān)注；近年來，隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，地物端元、光譜分解等也逐漸應(yīng)用到沙化信息提取，并得到了廣泛研究。而對于內(nèi)蒙古地區(qū)特別是呼倫貝爾草原區(qū)的沙化情況的研究卻鮮有報(bào)道。

因此，本文以1989年～2015年Landsat TM/OLI數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以呼倫貝爾草原區(qū)為研究區(qū)，結(jié)合國家沙化等級評定指標(biāo)進(jìn)行沙化遙感監(jiān)測，獲得該地區(qū)草地沙化動態(tài)變化情況，以期為呼倫貝爾草地沙化治理、可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

2.研究方法

2.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于呼倫貝爾市西南部，于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部。北緯47°55′～49°35′，東經(jīng)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(shí)數(shù)可達(dá)3000hr，年蒸發(fā)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(yōu)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(jiān)測指標(biāo)

參考《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)（GB19377-2003）》的國家標(biāo)準(zhǔn)，將草地沙化遙感監(jiān)測指標(biāo)體系分為兩個(gè)定量指標(biāo)：草地總覆蓋度相對百分?jǐn)?shù)減少率計(jì)算和裸沙面積占草地地表面積的相對百分?jǐn)?shù)增加率。

草地總覆蓋度相對百分?jǐn)?shù)減少率計(jì)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(shù)，當(dāng)前像元值；NDVI_veg表示植被覆蓋度接近100%時(shí)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(biāo)年的草地覆蓋度的相對變化率，并將結(jié)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?jǐn)?shù)減少率，f_i與f_i+x分別為基期年和監(jiān)測目標(biāo)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(shù)（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(jì)算裸沙面積占草地地表面積的相對百分?jǐn)?shù)增加率，并參照表1對草地沙化情況做出監(jiān)測（公式3）。

式中，SI為裸沙面積占草地地表面積的相對百分?jǐn)?shù)的增加率，SV_i與SV_i+x分別為基期年和監(jiān)測目標(biāo)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?jǐn)?shù)減少率和裸沙面積占草地地表面積相對百分?jǐn)?shù)增加率分別按照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級指標(biāo)（GB 19377-2003）》規(guī)定的閾值賦值，將分指標(biāo)的賦值結(jié)果相乘，作為綜合評定的臨界閾值。

3.結(jié)果與分析

3.1呼倫貝爾草地沙化變化遙感監(jiān)測

通過綜合草地覆蓋度和草地裸沙面積指標(biāo)的草地沙化監(jiān)測，以1989年為評價(jià)基年，在所研究的5個(gè)時(shí)間段中，呼倫貝爾草原發(fā)生了較嚴(yán)重的沙化，沙化草地分布于整個(gè)研究區(qū)的大部分區(qū)域（圖1）。各個(gè)時(shí)間段都較1989年的草地發(fā)生了不同程度的退化：研究時(shí)段1989年～1994年是該區(qū)沙化最嚴(yán)重的時(shí)期，發(fā)生重度退化草地的面積達(dá)到21788.4km²，占研究區(qū)總草地面積的82.7%；研究時(shí)段1989年～2000年，沙化擴(kuò)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(zhuǎn)換為中度沙化草地；研究時(shí)段1989年～2004年研究區(qū)的重度沙化草地減少到17830.9km²，但仍占67.6%；研究時(shí)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(shí)段減少了約10%，大部分重度沙化草地轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群洼p度沙化草地。

3.2呼倫貝爾草地沙化與降水因素關(guān)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(qū)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(gè)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(xiàn)兩者不同步的現(xiàn)象，與其所對應(yīng)的草地沙化程度應(yīng)該也大于時(shí)段2000年～2015年，但實(shí)際的結(jié)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(fā)生沙化的趨勢得到了緩解。呼倫貝爾草原區(qū)施行草原保護(hù)獎勵(lì)機(jī)制可以解釋這種現(xiàn)象：在目前的氣候條件下，經(jīng)過適宜的草原管理，呼倫貝爾沙地的生態(tài)環(huán)境逐步得到恢復(fù)，沙化擴(kuò)展的趨勢得到緩解。

4.結(jié)論

本文利用混合像元分解技術(shù)技術(shù)，以1989年～2015年呼倫貝爾草原區(qū)的Landsat TM/OLI為數(shù)據(jù)源，監(jiān)測該地區(qū)草地沙化動態(tài)變化。結(jié)果表明在整個(gè)研究時(shí)段中，該區(qū)發(fā)生了較嚴(yán)重的草地沙化，面積超過50%的草地都發(fā)生嚴(yán)重的沙化現(xiàn)象；但2009年以后，這種草地嚴(yán)重沙化的現(xiàn)象得到了緩解，出現(xiàn)重度沙化向中度和輕度沙化轉(zhuǎn)變的情況。