基于遙感的近20年黃河烏蘭布和沙漠段生態(tài)環(huán)境狀況變化分析

達(dá)來(lái) 任瑞芳 孫浩兵 布日古德

摘要：本文通過(guò)遙感技術(shù)，從土地利用/覆蓋、植被覆蓋和生態(tài)功能三個(gè)方面對(duì)黃河烏蘭布和沙漠段2000-2020年間的生態(tài)環(huán)境狀況變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：（1）土地利用與覆蓋類型中林地、水域濕地、建設(shè)用地、耕地面積呈增加趨勢(shì)，未利用地（沙地）和草地（灌叢草地）面積呈減少趨勢(shì)。（2）植被覆蓋度較低，植被覆蓋指數(shù)均值為15，絕大部分為植被稀疏荒漠地。近20年植被覆蓋度整體上呈上升趨勢(shì)，局部呈明顯好轉(zhuǎn)或嚴(yán)重退化。（3）防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況一般，生態(tài)功能脆弱，生態(tài)類型結(jié)構(gòu)單一。近20年防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況總體穩(wěn)定，雖略有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，變化幅度總體屬于“無(wú)明顯變化”。總體上，近20年由于人工“變綠”面積增加明顯，黃河烏蘭布和沙漠段生態(tài)環(huán)境狀況整體呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但生態(tài)環(huán)境質(zhì)量整體仍脆弱，局部生態(tài)問(wèn)題依然存在。

關(guān)鍵詞：黃河;生態(tài)環(huán)境狀況;土地利用＼覆蓋;植被覆蓋;生態(tài)功能

中圖分類號(hào)：X835? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-672X（2021）01-0130-07

DOI.10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2021.01.021

Analysis of eco-environmental changes in Ulan Buh Desert section of Yellow River in the nearly 20 years based on remote sensing

Da Lai1，Ren Ruifang1，Sun Haobing2， Bu Rigude1

（1. Alxa League Environmental Monitoring Station，Alxa Left Banner Inner Mongolia 750300，China;

2.Hohhot Institute of Environmental Science， Hohhot Inner Mongolia 010010，China）

Abstract：Based b on the remote sensing technology， this paper analyzes the changing trend of eco-environment condition from 2000 to 2020 in Ulan Buh Desert section of the Yellow River from three aspects： land utilization＼ cover， vegetation cover and ecological function.The Remote sensing datas suggest that：（1）The area of forest land， water wetland， construction land and cultivated land increased， while the area of unused land （sandy land） and grassland （shrub grassland） decreased.（2）The vegetation coverage is low， with an average vegetation coverage index of 15， and most of them are desert lands with sparse vegetation. In the past 20 years， the overall vegetation coverage showed an upward trend with obvious improvement or serious degeneration in some parts. （3）The ecological function of windbreak and sand fixation was in general， the ecological function was fragile， and the ecological type structure was unitary. In the past 20 years， the ecological function of wind-break and sand-fixation has been stable in general， with a slight increasing trend. As a whole， the ecological environment of Ulan Buh Desert section of the Yellow River shows an improvement trend， but the quality of the ecological environment is still fragile， and the local ecological problems still exist.

Key words：Yellow River;State of ecological environment;Land utilization＼ cover;Vegetation cover ;Ecological function

引言

黃河流域土壤遭風(fēng)蝕的面積在100000km?以上，主要分布區(qū)在青海黃河左岸的共和沙區(qū)和寧夏沙坡頭至內(nèi)蒙古頭道拐之間干流兩岸沙漠地區(qū)。寧夏沙坡頭到內(nèi)蒙古頭道拐是黃河風(fēng)沙活動(dòng)的主要分布區(qū)。其中烏蘭布和沙漠東緣（烏海至三盛公）是黃河流域風(fēng)沙最活躍區(qū)，是風(fēng)沙入黃河的主要通道之一[1]，約50km的流動(dòng)沙丘直接侵入黃河河道[2]。為了有效保護(hù)黃河不受沙漠危害，2012年初內(nèi)蒙自治區(qū)阿拉善盟全面啟動(dòng)了黃河西岸烏蘭布和沙漠1000km2綜合治理工程。開(kāi)展黃河流域?yàn)跆m布和沙漠段生態(tài)狀況變化遙感調(diào)查評(píng)估工作對(duì)綜合治理工程實(shí)施效果評(píng)價(jià)和制定黃河流域生態(tài)保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展政策將提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

本文利用遙感技術(shù)，從土地利用與覆蓋、植被覆蓋度、生態(tài)功能等三個(gè)方面對(duì)黃河烏蘭布和沙漠段近20年的生態(tài)環(huán)境狀況變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。

1? ? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古烏蘭布和沙漠東緣，內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟境內(nèi)黃河西岸，東臨烏海市海勃灣區(qū)和鄂爾多斯市鄂托克旗接壤，南連烏海市烏達(dá)區(qū)，北靠巴彥淖爾市磴口縣，總面積為1590km2，南北沿黃河流向長(zhǎng)約80km，東西寬約20km（沿黃河河道向西緩沖20km）。研究區(qū)地處溫帶半干旱到干旱氣候的過(guò)渡地帶，氣候特點(diǎn)是日照充足、干旱少雨、夏熱冬寒、日溫差大、蒸發(fā)強(qiáng)烈、風(fēng)力強(qiáng)勢(shì)、無(wú)霜期短[3]。

2? ? 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

2.1? ? 土地利用與覆蓋分類體系

研究區(qū)調(diào)查采用《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ192-2015）中的土地利用/覆蓋分類體系的同時(shí)，根據(jù)實(shí)際調(diào)整了部分指標(biāo)。鑒于生境與土地利用類型，本文將草地分為低濕地草甸和灌叢草地類型，耕地類型劃分為熟耕地、草田輪作地和種植灘地。數(shù)據(jù)源分別為2000年的Landsat7_TM（分辨率30m）、2006年的Landsat5_TM（分辨率30m）、2016年的Landsat8（分辨率15m融合數(shù)據(jù)）、2020年的中國(guó)資源三號(hào)02星（ZY3-02，分辨率5.8m）。

2.2? ? 植被覆蓋指數(shù)計(jì)算方法

植被覆蓋指數(shù)=NDVI區(qū)域均值=Aveg×（[ni=1Pin]）

式中：Pi—5-9 月象元 NDVI月最大值的均值，采用MOD13Q1的NDVI數(shù)據(jù)，空間分辨率 250m，時(shí)間分辨率16d;n—區(qū)域象元數(shù);Aveg—植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)（參考值為 0.0121165124） [4]。

采用ArcGIS的Natural Breaks（Jenks）分類方法對(duì)研究區(qū)的植被覆蓋指數(shù)進(jìn)行分類（0～13，差;13～20，較差;20～32，一般;32～46，良;46～70，優(yōu)。

曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendall）具有合理、科學(xué)地衡量植被長(zhǎng)時(shí)序的波動(dòng)特征[5]。因此，植被覆蓋度變化趨勢(shì)分析采用泰爾森（Theil-Sen Median）分析方法和曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendall）檢驗(yàn)法。Sen趨勢(shì)度計(jì)算方法如下：

β=mean（[xj-xij-i]），?j>i

式中，xj和xi為時(shí)間（年）序列數(shù)據(jù)（植被覆蓋指數(shù)）。檢驗(yàn)中顯著性水平取為α=0.05，Z1 -α/2= Z0.975= 1.96。當(dāng)β> 0且|Z|>1.96 序列呈顯著上升趨勢(shì)（明顯改善）;當(dāng)β>0且|Z|≤Z1-α/2序列呈上升，但不顯著趨勢(shì)（輕微改善）;同理當(dāng)β< 0且|Z| > 1.96 時(shí)序列呈顯著下降趨勢(shì)（嚴(yán)重退化）;當(dāng)β<0且|Z|≤Z1-α/2序列呈下降，但不顯著趨勢(shì)（輕微退化）。

2.3? ? 生態(tài)功能評(píng)價(jià)體系及計(jì)算方法

生態(tài)功能評(píng)價(jià)采用了《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》（HJ192-2015）的防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)等級(jí)。為了精確空間顯示，評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)換柵格數(shù)據(jù)，以點(diǎn)狀（250m×250m）單元進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)研究區(qū)5期各指標(biāo)柵格數(shù)據(jù)、適量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重（非柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)），具體賦值情況如下表1所示。通過(guò)疊加各指標(biāo)的柵格數(shù)據(jù)，計(jì)算生態(tài)功能指數(shù)（FEI）。具體算法為：

FEI=0.60×{（植被覆蓋指數(shù)+受保護(hù)區(qū)域面積比+林草地覆蓋率+水域濕地面積比+耕地和建設(shè)用地面積比+沙化土地面積比）}+0.40×環(huán)境質(zhì)量指數(shù)

2? ? 研究結(jié)果

2.1? ? 土地利用/覆蓋現(xiàn)狀及變化

2020年研究區(qū)土地利用與覆蓋遙感解譯數(shù)據(jù)顯示，一級(jí)類型中占比重最大的是未利用地全部為沙地，面積為1049.2km2，占研究區(qū)面積的65.6%;其次是草地，面積為353.1km2，占研究區(qū)面積的22.1%;再次為水域濕地，面積為83.2km2，占研究區(qū)面積的3.4%。林地、耕地、建設(shè)用地面積分別為55.1km2（3.4%）、48.6km2（3.0%）、9.3 km2（0.6%）。

表2顯示了2000-2020年土地利用與覆蓋變化，其主要變化特征如下：

（1）林地變化：2000-2020年間，林地總面積在增加，面積增加量為40.7km2;增加的主要類型為園地;主要增加變化時(shí)間段為2015-2020年間。

（2）草地變化：2000-2020年間，草地面積減少量比較大，減少面積為50.4km2;減少主要類型為灌叢草地;減少主要時(shí)段為2010-2015年間。

（3）水域濕地變化：水域濕地變化主要表現(xiàn)在河流和湖庫(kù)的變化。2000-2020年間，湖庫(kù)面積增加了16km2，河流面積增加了11.0km2;湖庫(kù)面積變化的主要原因是人工湖面積增加所致，河流增加原因?yàn)辄S河河道變寬。

（4）未利用地變化：2000-2020年間，未利用地土地面積逐年呈減少趨勢(shì)，減少類型為沙地，其面積減少了41.1km2。

（5）耕地變化：2000-2020年間，耕地面積呈逐年增加趨勢(shì)，增加量為16.2 km2，增加的主要類型為草田輪作地。二級(jí)類型中種植灘地2000-2010年間呈增加趨勢(shì)，面積增加了13.4km2， 而2010-2020年間則減少了9.4km2。表明近10年灘地開(kāi)墾得到了有效控制。

（6）建設(shè)用地變化：2000-2020年間，建設(shè)用地面積呈逐年增加趨勢(shì)，增加面積為7.2km2。

2.2? ? 植被覆蓋分布特征及變化

表3顯示，2000-2020年間研究區(qū)整體植被覆蓋指數(shù)均值為15。按空間分布分析，植被覆蓋指數(shù)“優(yōu)”的面積34.1km2，占研究區(qū)面積的2.1%;“良”的面積56.1km2，占3.5%;“一般”的面積55.5km2，占3.5%;“較差”的面積621.3km2，占39.0%;“差”的面積為824.8 km2，占51.8%。植被覆蓋“優(yōu)”和“良”的地區(qū)分布于河流灘地，主要是草甸。植被覆蓋“差”的地區(qū)分布于荒漠沙漠地帶，植被屬于草原化荒漠和荒漠。總體來(lái)看，研究區(qū)植被覆蓋度水平較低，主要由該地區(qū)干旱氣候所致。

表4表明，2000-2020年間，研究區(qū)植被覆蓋度整體呈上升趨勢(shì)，但部分地區(qū)存在嚴(yán)重退化現(xiàn)象。研究區(qū)8.1%的地區(qū)植被退化明顯，31.8%的地區(qū)植被輕微退化，23.1%的地區(qū)植被輕微改善，36.8%的地區(qū)植被明顯改善，植被覆蓋變化上升趨勢(shì)的面積達(dá)到 59.9%。由以上數(shù)據(jù)可以看出研究區(qū)植被變化趨勢(shì)整體呈上升的趨勢(shì)。根據(jù)研究區(qū)周邊烏海和磴口縣的氣象數(shù)據(jù)顯示，近20年降水變化波動(dòng)狀態(tài)，沒(méi)有明顯上升趨勢(shì)。因此，研究區(qū)植被變化趨勢(shì)的主要與生態(tài)治理措施取得較好成效有關(guān)。

2.3? ? 生態(tài)功能現(xiàn)狀及變化

2020年研究區(qū)防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況指數(shù)均值為50.57，屬于“一般”級(jí)別（50≤FEI<60）。從空間分布分析，生態(tài)功能“優(yōu)”的面積僅占研究區(qū)2.1%，生態(tài)功能“一般”占31.7%，生態(tài)功能“較差”面積占66.1%。研究區(qū)防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況指數(shù)較低的原因是評(píng)價(jià)區(qū)植被覆蓋指數(shù)、水域濕地面積比值較低，而沙化土地面積比較高所致。這表明烏蘭布和沙漠黃河流域自然生態(tài)一般，生態(tài)功能脆弱，生態(tài)類型結(jié)構(gòu)單一。

2000-2020年間動(dòng)態(tài)分析表明，研究區(qū)防風(fēng)固沙生態(tài)功能狀況指數(shù)總體穩(wěn)定，略有增加趨勢(shì)。與2000年相比，2020年生態(tài)功能“優(yōu)”的面積增加了17.8km2，“一般”的面積增加了18.1km2，生態(tài)功能“較差”的面積減少了24.4km2，區(qū)域生態(tài)功能狀況指數(shù)均值僅增加了0.36（ΔFEI<1），變化度總體屬于“無(wú)明顯變化”，詳見(jiàn)表5。

3? ? 結(jié)論與建議

3.1? ? 結(jié)論

黃河烏蘭布和沙漠段土地利用與覆蓋主要類型為沙地，其次為草地，面積分別占研究區(qū)的65.6和22.1%。水域濕地、林地、耕地、建設(shè)用地面積分別占研究區(qū)面積的3.4%、3.4%、3.0%、0.6%。分析近20年變化，研究區(qū)林地、水域濕地、建設(shè)用地、耕地面積呈增加趨勢(shì)，其中林地和水域濕地增加幅度較大;草地和未利用地面積呈減少趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，草田輪作地、熟耕地、種植灘地、園地、建設(shè)用地、水庫(kù)等人工化生態(tài)類型在增加顯著，其中只有種植灘地近10年呈減少趨勢(shì)。

黃河烏蘭布和沙漠段植被覆蓋指數(shù)較低，植被覆蓋指數(shù)均值為15，絕大部分為植被稀疏的荒漠地。2000-2020年間，植被覆蓋整體上呈上升趨勢(shì)，但局部存在退化現(xiàn)象。

黃河烏蘭布和沙漠段自然生態(tài)仍然一般，生態(tài)功能脆弱，生態(tài)類型結(jié)構(gòu)單一。近20年生態(tài)功能狀況總體穩(wěn)定，略有好轉(zhuǎn)趨勢(shì)，但變化幅度總體屬于“無(wú)明顯變化”。

總之，2000-2020年間黃河烏蘭布和沙漠段生態(tài)環(huán)境狀況總體呈改善趨勢(shì)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量好轉(zhuǎn)，生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)措施取得較好的成效。但整體生態(tài)狀況仍然較差，局部仍存在生態(tài)問(wèn)題。

（1）黃河受沙漠危害仍存在。黃河西岸有兩處流動(dòng)沙丘直接流入黃河河流。另外幾處流動(dòng)沙丘每年以不同速度“淹沒(méi)”黃河灘地、沼澤和草甸。雖然每年的“淹沒(méi)”規(guī)模小，但長(zhǎng)期持續(xù)將會(huì)威脅黃河生態(tài)環(huán)境。

（2）灘地農(nóng)田仍威脅著黃河濕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。近幾年，雖然種植灘地面積呈減少趨勢(shì)，但仍存在較大規(guī)模灘地農(nóng)田，面積達(dá)30 km2，占研究區(qū)河灘總面積的20%。這些灘地農(nóng)田影響區(qū)域生物多樣性狀況。

（3）個(gè)別地區(qū)生態(tài)修復(fù)工程忽視了因地制宜和生物多樣性保護(hù)的原則。近幾年，在黃河烏蘭布和沙漠段生態(tài)治理中，個(gè)別地區(qū)較好的原生自然植被受到一定破壞。這些原生植被在長(zhǎng)期自然演變中能夠適應(yīng)極端環(huán)境，不但具有固沙生態(tài)功能，而且還有生物多樣性保護(hù)功能。

3.2? ? 建議

（1）繼續(xù)加強(qiáng)黃河烏蘭布和沙漠段的生態(tài)保護(hù)與建設(shè)工程。鑒于該區(qū)域生態(tài)質(zhì)量低，生態(tài)功能脆弱，仍需要持續(xù)推進(jìn)退耕還灘、沙漠治理、濕地植被恢復(fù)等生態(tài)修復(fù)工程。

（2）科學(xué)引導(dǎo)生態(tài)修復(fù)工程。生態(tài)修復(fù)工程，應(yīng)按照不改變或盡量少改變?cè)兄脖坏脑瓌t，因地制宜，突出自然修復(fù)，增強(qiáng)長(zhǎng)效性。

（3）優(yōu)化區(qū)域黃河取水指標(biāo)。由于自然水源的極短缺和生態(tài)治理取水指標(biāo)缺口，黃河烏蘭布和沙漠段生態(tài)治理工程受到嚴(yán)重限制。鑒于黃河流域?yàn)跆m布和沙漠段生態(tài)保護(hù)的重要性，應(yīng)優(yōu)化增加黃河取水指標(biāo)。

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收稿日期：2021-03-01

作者簡(jiǎn)介：達(dá)來(lái)（1973-），男，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)監(jiān)測(cè)方面的工作。