摘要：研究以兩個土壤指數：亮荒漠指數和暗荒漠指數，確定了2001～2017年的中國荒漠化范圍，并結合重點防治區域分析時空演變特征，探討了生態工程的投入與荒漠化的聯系。揭示了該提取方法可以用于大尺度的荒漠化年度監測，總體精度達到94%。結果表明：近17年中國荒漠化減少超過12×10⁴km2，相當于一個福建省的面積，集中分布在半干旱荒漠治理區;生態工程的投入與荒漠化減少量呈現顯著的正相關，表明政策投入對土地退化起到明顯的逆轉作用。

關鍵詞：荒漠化;土壤指數;時空演變;生態工程;年度監測

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（ 2020） 2-0025-03

1 引言

荒漠化是指包含氣候變異和人類活動在內的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區的土地退化。為了掌握荒漠化和沙化狀況，我國每五年組織開展一次荒漠化和沙化土地監測工作，以原國家林業局第五次全國荒漠化和沙化監測結果分析，截止2014年底，全國荒漠化土地面積為261×10⁴km2[1]。最近有學者開發了兩個土壤指數：亮荒漠指數RIBS（ the Product In-dex for Bright Soil）和暗荒漠指數PIDS（ the ProductIndex for Dark Soil）[2]，在對于土壤的光譜分離性和分類精度方面具有可靠的性能，但是所提出的這兩個土壤指數目前未應用到荒漠化的監測中，其有效性需要在大尺度的荒漠化提取中進一步評估。因此本文以中國區域作為研究對象來評價土壤指標，基于亮荒漠指數和暗荒漠指數判斷規則的分類方法，得到2001～2017年的中國范圍的荒漠化增加和減少區域，并在荒漠化分區的基礎上，進一步探索荒漠化的時空演變和重心點的遷移特征，為生態環境建設和荒漠化防治策略提供成果參考。

2 數據與方法

2.1 數據獲取及預處理

研究選取了從2001年1月到2017年12月份、8d最大化合成、500 m空間分辨率的MOD09A1數據，來自美國宇航局（ http：//ladsweb. nascom. nasa. gov/da-ta/search. html）。在MATLAB的操作環境下，首先對獲取得到遙感數據幾何糾正、鑲嵌和投影變換，在此基礎上，采用基于最新測繪地理信息局標準地圖服務網站下的標準地圖對投影后的影像進行裁剪，得到用于荒漠化監測的預處理產品。為了更好地分析大范圍的荒漠化空間格局特征，將研究區分為4個治理區[3]：（I）;干旱荒漠地帶沙丘活化及流沙入侵沙漠化治理發展區（Ⅱ）;半濕潤地帶沙漠化治理零星分布區（Ⅳ）;西部高寒地帶治理區（Ⅲ）。在這四大區下，包含35個更小的重點防治亞區[4]。通過無人機實地低空航拍影像、GPS定位野外景觀照片、不同時期Google Earth影像及相關專題地圖等手段共獲得4733個點位。本文將荒漠概括為亮荒漠和暗荒漠，亮荒漠主要是指地面完全被沙所覆蓋、植被非常稀少、雨水稀少且空氣干燥的荒蕪地區。暗荒漠指地面幾乎被粗砂、礫石所覆蓋，植物稀少的荒漠地帶，多數地區不是沙漠而是裸巖，這兩種均為土地退化點位。

2.2 荒漠化監測方法

基于亮度一暗度一綠度模型框架建立起亮荒漠指數（ RIBS）和暗荒漠指數（PIDS），其中歸一化積雪指數（ NDSI）、經過纓帽變化的亮度分量（TCI）和歸一化植被指數（ NDVI）三個指標分別對應亮度、暗度和綠度。首先計算上述三個分量的空間歸一化結果，然后逐像元計算RIBS和PIDS，基本公式如下：

式（2）中：RIBS為像元亮荒漠指數值，N—NDSI為采用公式（1）空間歸一化后的積雪指數，同樣，N一TCI為空間歸一化后的纓帽變化亮度分量。

RIDS= TCI×NDVI（3）

式（3）中：PIDS為像元暗荒漠指數值，TC1為纓帽變化中的亮度分量;NDVI為歸一化植被指數。

在所有地物類型中，亮荒漠的RIBS值域范圍最小，且內部異質性較小;暗荒漠的PIDS同樣是最小值。由于在PIDS中，暗荒漠、亮荒漠與水體的分離度較低，因而首先采用RIBS提取亮荒漠，并同時提取水體作為掩膜，然后再使用PIDS獲得暗荒漠，最后綜合亮荒漠和暗荒漠空間分布得到荒漠化分布產品。該研究監測方法流程如圖1所示。

其中，θ1、θ2和θ3是閾值常數。

依據上述流程圖，首先獲得年際上的荒漠指數空間分布圖，并使用地物類型穩定點位訓練得到3個閾值常數項，其中2001年的θ1、θ2和θ3依次為1.30、0.036、3.1，2017年的θ1、θ2和03依次為1. 37、0.041、2.9。將上述閾值代人荒漠化的判斷規則中（圖1），以2017年為例，即亮荒漠指數小于閾值θ1-1. 37得出了亮荒漠，然后暗荒漠指數小于閾值θ2-0. 041且亮荒漠指數小于閾值θ3-2.9得到暗荒漠，最終獲得了2017年荒漠化分布圖（圖2a），同理獲得2001年荒漠分布圖?；谏鲜鰞煞甓然哪秶?，獲得2001～2017年荒漠化增加和減少區域（圖2b）。

3 結果與分析

3.1 精度驗證

為了直觀地看出荒漠化空間格局的準確性，本研究選取了1292個和1733個植被覆蓋類型穩定的點位對兩年的結果進行精度驗證。2001年和2017年總體精度均達到了94%，Kappa系數均在85以上，表明該算法適用于大范圍的荒漠化信息提取。發現在荒漠化混淆的點位中，由于光譜特征相似造成識別成草地或者草地誤分成荒漠化。

從另一方面，依據第二次和第五次全國荒漠化和沙化狀況，即從1999年底到2014年底，全國荒漠化面積由267. 54×10⁴km2減少至261.16×10⁴km2，本研究基于2001～2017年的荒漠化分類結果，全國荒漠化面積由272. 04×10⁴km2減少至259. 81×10⁴km2，凈減少12.23×10⁴km2.相較于荒漠化公報中的凈減少面積6. 38×10⁴km2，并兼顧到時間范圍的不一致，該算法還是取得了預期良好的精度效果。

3.2 荒漠時空演變特征

總體來看，荒漠化的特征是“整體減少，局部增加”的態勢，即4個分區荒漠化均表現出凈減少的趨勢，面積達到11.8×10⁴km2，占全國凈減少面積的96. 8%，說明四大區域基本上覆蓋了絕大部分荒漠化區域，其中半干旱荒漠治理區（I）的面積凈減少比重最大，凈減少比例近56%。在更小的35個分區中，有29個分區是面積減少大于面積增加，即呈現出凈減少的趨勢，總量達‘到12.7×10⁴km2，而在其余的6個分區中，荒漠化面積凈增加量超過0.9×10d km2。

空間格局上，在呈現凈減少趨勢的29個亞區中，鄂爾多斯地區（I -2）最為顯著，荒漠化面積凈減少面積（單位：×10⁴km2）達到1.6×l0⁴km2，其次是錫林郭勒地區（I -7）是1.5×104 km2、呼倫貝爾草原（I-9）是1.4 × 10⁴km2、河北壩上地區（I-5）是1.3×10⁴km2、塔里木盆地（Ⅱ-4）是0.8×10⁴km2和科爾沁草原（I-8）是0.7×10⁴km2。干旱治理區（Ⅱ）和西部高寒治理區（Ⅲ）的部分地區存在荒漠化凈增加的趨勢，尤其以吐一哈盆地（Ⅱ-3）荒漠化面積占絕對優勢超過0.8×10⁴km2，其次是柴達木盆地（Ⅲ-2）是0.07×10⁴km2、昆侖山脈（Ⅲ-1）是0.06×10⁴km2等，除此之外的半濕潤零星分布區中的部分區域的荒漠化面積也呈現微弱增加的態勢（圖3b）。

近17年來荒漠化重心大致位于在甘肅和青海的接壤處附近，重心向西南方向偏移，向西偏移經度1.5。，向南偏移緯度0.4。，遷移量為201 km。重心偏移是由于內蒙古荒漠化減少顯著，因而重心向新疆和西藏地區偏移，荒漠化整體邊界向西南方向移動。但是各個區內荒漠化重心點坐標遷移方向不一致，半干旱治理區（I）重心點位于錫林郭勒草原附近，逐漸向東北方向遷移，揭示了烏蘭察布草原和鄂爾多斯地區荒漠化面積減少幅度相較于呼倫貝爾草原等地區較大，與全區荒漠化土地重心遷移相反。半干旱治理區（Ⅱ）重心向西北方向移動;磋部高寒治理區和半濕潤零星分布區荒漠化重心點均向西南方向遷移，與全區荒漠化土地重心遷移一致。因而四個地區的荒漠化重心都由半干旱中西部地區向四周遷移，由于該地區是鄂爾多斯附近，荒漠化減少量最為顯著，并且干旱地區的微弱增加和該地區以東的減少量相對較小導致重心由中部地區向邊緣擴散。從荒漠化重心空間位置遷移量來看，半干旱治理區遷移量最大，為40.2 km;半濕潤零星分布區和西部高寒地帶荒漠化遷移量較大，分別為13.3 km和15.2 km;干旱治理區遷移量最小，為9.9 km，表明該區荒漠化面積變化幅度最小（圖3a）。

3.3 生態工程與荒漠化的關系

本研究重點分析了中國政府在荒漠化斗爭中生態工程上的努力，涉及到的生態工程包括三北防護林體系建設工程（SDP TN）、中國一全球環境基金干旱生態系統土地退化防治伙伴關系（PRE-GEF）、津京風沙源治理工程（ SCP- BT）和草原生態保護補助獎勵項目（GE-SA），整理分析得到這四個生態工程在基于省域單元上的投資金額和涉及面積，需要說明的是在統計投資金額時，由于時間跨度較長，因而需要考慮居民消費價格指數來獲得總投資額。生態工程主要涉及17個省市，其中內蒙古自治區的投資數額達到567億元，并且投資涉及面積比例最高，達到77×10⁴kmz，因而內蒙古荒漠化改善效果最為顯著?？梢园l現（圖3c）內蒙古、新疆等地區，三種曲線趨勢以及變化都相對較為一致，最不一致的出現在京津冀地區，投資金額與投資涉及面積比值較高，而青海、西藏等地區，投資金額與投資涉及面積比值較低，以上與政策的具體投入力度相關。但是總體表現出荒漠化減少面積與生態工程投資面積呈現顯著的正相關，相關性系數達到0. 84，并且與生態工程投資金額同樣呈現顯著的正相關，相關系數同樣高達0. 76，均通過了顯著性檢驗。其中草原生態保護補助獎勵項目對我國的荒漠化減少起到了顯著的積極作用，揭示了近些年生態工程效益顯著，治理工程的投入對于荒漠化的減少具有直接的驅動作用。

4 結論

研究基于MODIS遙感影像數據，采用荒漠化指數的閾值判斷規則獲取2001～2017年中國的荒漠化變化范圍，并對荒漠化時空演變進行研究，簡要分析了當前生態工程的效益，得出如下結論。

（1）整體來看，中國荒漠化特征是“整體呈現改善狀態，部分地區呈現退化狀態”，荒漠化重心整體向西南方向偏移，重心由內蒙古中西部地區向四周遷移。

（2）從荒漠化動態變化熱點分區來看，在4大治理區域中，荒漠化均表現出減少的趨勢，尤其在半干旱地區最為突出，在其劃分的亞區中，鄂爾多斯地區的荒漠化凈減少程度最高，達到1.5×10⁴km2。但是依然存在少部分亞區荒漠化出現增加的趨勢，如吐一哈盆地凈增加面積達到0.8×10⁴km2以上。

17年間，中國荒漠化得到了有效的改善。近些年大力投入的生態工程與荒漠化面積的減少是緊密相關的。綜合各地區荒漠化演變特征，對于土地改善的地區，如鄂爾多斯草原和錫林郭勒草原等，繼續加強植被的保護和生態工程投入[5]。對于惡化的地區，如吐一哈盆地，需要加強生態恢復與重建，對于西部高寒地帶生態敏感脆弱的地區，避免過度農墾、過度放牧，從而確?；哪乐蔚捻樌M行[6]。本文對于荒漠化信息提取方法的研究，主要基于前面學者的研究成果繼而推廣到大范圍的研究區域上，從而得到各熱點研究區的定量荒漠變化面積，因此該荒漠化變化結果分析與驗證有待于進一步研究。

參考文獻：

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作者簡介：燕雄飛（1995-），男，碩士研究生，研究方向為荒漠化監測相關研究。