基于GIS的洞庭湖區(qū)沙化土地空間動態(tài)分析

龍京　彭海　蘭竹　夏詩禹　沈生濤　楊佳偉

摘要：利用GIS的空間分析功能，以年度遙感影像作為信息源，依靠目視判讀、實地調(diào)查建立解譯標(biāo)志庫，提取2014年和2019年洞庭湖區(qū)沙化土地數(shù)據(jù)。結(jié)合實地調(diào)查資料分析洞庭湖區(qū)沙化土地的空間動態(tài)變化情況。結(jié)果表明：洞庭湖區(qū)2014～2019年間土地沙化情況整體較為穩(wěn)定，有向好趨勢，沙化土地面積減少205.23 hm，流動沙地明顯減少，多數(shù)轉(zhuǎn)化為固定沙地、半固定沙地;沙化土地植被綜合覆蓋度有所提升，極重度沙化土地明顯減少，但局部地區(qū)沙化程度有所加劇。地方政府在研究期內(nèi)采取的一系列退林還濕、拆除矮圍等措施顯著遏制土地沙化擴(kuò)散，但是局部地區(qū)沙化土地程度的加劇表明沙化土地的植被修復(fù)刻不容緩。

關(guān)鍵詞：沙化土地;洞庭湖;空間分布;動態(tài)分析;沙化程度

中圖分類號：S757.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-3020（2022）03-0032-06

Spatial Dynamic Analysis of Desertified Land in

Dongting Lake Area Using GIS

Long Jing Peng Hai Lan Zhu Xia Shiyu Shen Shengtao Yang Jiawei

（1. Hunan Prospecting Design & Research General Institute for Agriculture Forestry & IndustryChangsha410007;

2. Hubei Academy of ForestryWuhan430075）

Abstract：The spatial analysis function of GIS technology， and remote sensing images as the main information source were used，visual interpretation and field investigation was relied on， the understanding and translation mark database was established to extract the desertification land data of Dongting Lake area in 2014 and 2019. Combined with the field survey data， the dynamic changes of sandy land in the study area were analyzed. The results showed that the land desertification in Dongting Lake area was relatively stable and had a good trend from 2014 to 2019. The area of desertification land decreased by 205.23 hm， the mobile sandy land decreased significantly， and most of them were transformed into fixed sandy land and semi fixed sandy land. The comprehensive vegetation coverage of sandy land had been improved， the extremely severe sandy land had been significantly reduced. However， the degree of desertification in some areas had intensified. A series of measures taken by the local government during the study period， such as returning forests to humidity and removing low enclosures， have significantly curbed the spread of land desertification， but the aggravation of the degree of sandy land in some areas shows that the vegetation restoration of sandy land is urgent.

Key words：desertified land; Dongting Lake; spatial distribution; dynamic change; desertification degree

土地沙化是指在土壤侵蝕情況下，表土失去細(xì)粒（粉粒、黏粒）而逐漸沙質(zhì)化，亦或是由于流沙（泥沙）入侵，造成土地生產(chǎn)力降低或者喪失的土地變化現(xiàn)象[1]。土地沙化大多數(shù)是指分布在干旱、半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的土地退化現(xiàn)象[2]。中國南方地區(qū)的熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候環(huán)境雨量充沛，森林覆蓋率高，難以與大眾傳統(tǒng)印象中的沙化土地聯(lián)系在一起[3]。在湖南、福建、江西、湖北等南方省份，土地沙化呈局部擴(kuò)大化的現(xiàn)象[4]。中國南方地區(qū)濕潤沙化土地廣泛分布，面積達(dá)到0.88萬km[5]。南方地區(qū)不足1萬km2的沙化面積，占比較小，但是南方地區(qū)廣布河流、湖泊，人口密度高于北方沙化地區(qū)，沙化危害更為嚴(yán)重[6]。目前針對沙化土地的研究主要集中于中國北方和西北地區(qū)，重點在沙化成因、變化機(jī)理、變化對區(qū)域生態(tài)的影響等方面，南方沙化土地特別是洞庭湖區(qū)相關(guān)研究較少，多圍繞沙化現(xiàn)狀與治理對策展開討論。

洞庭湖區(qū)是湖南省沙化土地的主要輸入?yún)^(qū)，是典型的南方沙化土地類型，作為兩湖平原最大的蓄水空間，曾經(jīng)號稱“八百里洞庭”，由于河道、湖面沙化嚴(yán)重，湖域范圍在很長一段時間內(nèi)逐年萎縮。“十三五”期間，地方政府采取大量措施退林（耕）還湖，治理成效對湖區(qū)沙化土地產(chǎn)生何種影響尚未體現(xiàn)。本研究為摸清洞庭湖區(qū)土地沙化狀況、程度和動態(tài)變化，基于GIS技術(shù)，依靠2014年和2019年兩期遙感影像進(jìn)行沙化監(jiān)測，分析兩期沙化土地的空間動態(tài)變化及演替趨勢。掌握湖區(qū)沙化土地的動態(tài)信息，對區(qū)域沙化土地的預(yù)測、防治及國土空間規(guī)劃有重要意義。

1研究區(qū)概況

洞庭湖區(qū)位于湖南省北部，長江中游，涉及湖南省津市、澧縣、武陵、鼎城、安鄉(xiāng)、漢壽、赫山、資陽、沅江、南縣、望城、湘陰、汨羅、岳陽、岳陽樓、君山、云溪、華容、臨湘19個區(qū)縣[7-8]，湖區(qū)在湖南部分土地面積3.17萬km，占全省國土面積的15%。湖區(qū)是全省乃至全國有名的“糧倉”，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，但同時也是湖南省沙化土地集中分布區(qū)。湖區(qū)全域地貌類型均屬于河湖沖積平原，氣候為中亞熱帶、北亞熱帶過渡性氣候[9]。湖區(qū)擁有湘江、資水、沅江、澧水四大河流，與長江的松滋口、太平口、藕池口、調(diào)弦口呈輻射狀匯聚于洞庭湖。湖盆周長為803.2 km，總?cè)莘e220億m，其中天然湖泊容積178億m，河道容積42億m [10]。

2數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1研究數(shù)據(jù)及預(yù)處理

研究對象主要包括洞庭湖區(qū)沙化土地范圍、有明顯沙化趨勢的土地以及在研究間隔期內(nèi)與沙化土地空間動態(tài)變化相關(guān)的非沙化土地[11]。以兩期遙感影像作為主要的數(shù)據(jù)來源，在GIS平臺進(jìn)行影像的幾何校正、配準(zhǔn)、圖像拉伸等處理。通過調(diào)查試驗點情況建立遙感解譯標(biāo)志庫，進(jìn)行室內(nèi)判讀，并運用歸一化植被指數(shù)（NDVI）進(jìn)行小班綜合植被覆蓋度提取，再實地對判讀結(jié)果開展調(diào)查、進(jìn)行驗證，以獲取不同時期洞庭湖區(qū)沙化土地現(xiàn)狀矢量數(shù)據(jù)。將兩期湖區(qū)沙化矢量圖層進(jìn)行疊加處理，提取變化區(qū)域，實現(xiàn)沙化土地動態(tài)變化分析[12]。計算公式如下：

NDVI=（B2-B1）/（B2+B1）

式中，B2為遙感衛(wèi)星近紅外波段（0.78～0.89 μm），B1為遙感衛(wèi)星紅色波段（0.61～0.68 μm）。

2.2監(jiān)測方法

根據(jù)沙化土地分類的相關(guān)規(guī)程，結(jié)合洞庭湖區(qū)研究尺度，將區(qū)域內(nèi)沙化土地分為流動沙地、半固定沙地、固定沙地、沙化耕地四類，沙化程度分為輕度、中度、重度、極重度四個等級（表1）。

依托GIS、RS技術(shù)，根據(jù)遙感解譯標(biāo)志庫進(jìn)行內(nèi)業(yè)區(qū)劃，外業(yè)調(diào)查時利用GIS移動端將遙感影像和矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查核實，錄入相關(guān)調(diào)查因子。最后匯總歸類，提取洞庭湖區(qū)沙化土地空間動態(tài)變化情況。

3結(jié)果分析

3.1沙化土地現(xiàn)狀

3.1.1沙化類型與植被覆蓋度

從表2可知，2019年洞庭湖區(qū)沙化土地總面積為58 278.55 hm，其中土地沙化類型以固定沙地為主，其面積占沙化土地面積97.55%;其次是沙化耕地，面積占比為2.34%。說明洞庭湖區(qū)沙化土地類型主要為固定沙地，此類型流動性小，可進(jìn)行植被修復(fù)和綜合利用。基于植被NDVI指數(shù)的沙化土地植被綜合覆蓋度顯示，沙化土地的主要植被覆蓋度主要集中于60%以上，其中蓋度≥80%的沙化土地占比達(dá)60.76%，蓋度70%～79%的沙化土地占比為20.59%。在實地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大部分沙化土地?zé)o喬灌木，植被類型以湖區(qū)常見草本為主，覆蓋度極高，但是由于季節(jié)變化和湖區(qū)水位影響，綜合覆蓋度會呈現(xiàn)規(guī)律性動態(tài)變化。對比植被覆蓋度和沙化土地類型面積分布發(fā)現(xiàn)，流動沙地、半固定沙地面積與植被覆蓋度成反比，植被覆蓋度越低，沙化土地流動性越強(qiáng)。

3.1.2沙化程度

洞庭湖區(qū)沙化土地程度分布見圖1，湖區(qū)沙化土地廣泛分布于東洞庭湖和南洞庭湖四周水陸交界處，大面積集聚地主要為“四水”入湖和洞庭湖與長江交匯處，其中又以沅江、澧水的河湖交匯地與其流域的河岸為土地沙化重點區(qū)。從沙化程度上來看，湖區(qū)沙化土地主要以輕度沙化為主，重度和極重度沙化少量分布于漢壽縣、岳陽縣、岳陽樓區(qū)。

由表3可知，2019年洞庭湖區(qū)沙化土地程度主要為輕度和中度，其中輕度沙化面積占比為95.69%，主要類型是固定沙地;中度沙化面積占比為3.51%;極重度沙化面積較小，為28.32 hm，占比0.05%，其類型均為流動沙地，針對極重度沙化土地需要長期監(jiān)測，分析其流動機(jī)制，以降低對下游河道及湖區(qū)的輸沙影響。

3.2沙化土地動態(tài)分析

3.2.1沙化類型及面積變化

洞庭湖區(qū)沙化土地在2014～2019年期間減少205.23 hm，減少了0.35%（表4）。從沙化類型上看，沙化土地好轉(zhuǎn)態(tài)勢較為明顯，主要表現(xiàn)為流動沙地明顯減少，多數(shù)轉(zhuǎn)化為固定沙地、半固定沙地。沙化類型中流動沙地和沙化耕地均減少，減少程度分別為31.81%、21.85%;而半固定沙地和固定沙地面積增加，分別增加35.28%、0.32%;沙化耕地實際減少面積較多，減少比例達(dá)21.85%，表明退耕還湖工程效果顯著。

洞庭湖區(qū)5年間新增沙化土地主要集中于湘江、沅江、澧水的河湖交匯處，其中以湘陰縣鶴龍湖鎮(zhèn)、南陽鎮(zhèn)北部的河湖交匯處新增面積最大，澧水流域的河湖交匯處次之。另一處顯著新增沙化土地區(qū)域為華容縣東北部被長江故道所包圍的泥尾洲，或是由于此處水系閉塞，泥沙易淤積。5年間減少沙化土地區(qū)域較為分散，多為洞庭湖周邊河流沿岸，主要分布于東部的新墻河、汨羅江，西部的資水、澧水以及西北部的松虎洪道、藕池河等。南部的湘江主河道，由于有較強(qiáng)的航運能力，水流較快，其沙化土地范圍和面積變化程度較小。

3.2.2植被覆蓋度變化

較高的植被綜合覆蓋度能夠明顯改善沙化土地類型，減輕沙化程度，對于土地沙化抑制作用顯著。由表5可知，洞庭湖沙化土地在2014～2019年期間，土地植被綜合覆蓋度變化量較多的為70%～79%和≥80%覆蓋度等級，其增加和減少量幾乎相等，而小于20%植被蓋度的面積有較大比例的減少。表中數(shù)據(jù)變化量最大的區(qū)間為覆蓋度20%～39%區(qū)間，在總面積減少的情況下，說明有局部地區(qū)植被綜合覆蓋度有所降低，會直接影響到其沙化程度。

3.2.3沙化程度變化

由表6可知，洞庭湖區(qū)在2014～2019年間沙化土地總面積減少，其中輕度沙化面積減少1 084.53 hm，減少率為1.91%;極重度沙化減少16.20 hm，減少率為36.39%;而中度、重度沙化面積則呈現(xiàn)增大趨勢，因為部分原有的輕度沙化轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群椭囟壬郴Ｉ郴恋氐某潭扰c植被覆蓋度直接相關(guān)，局部地區(qū)沙化程度的加劇表明土地植被生長較差，結(jié)果與表5一致。湖區(qū)沙化土地面積減少，但是中度、重度沙化程度面積增加，說明對沙化土地的植被修復(fù)已經(jīng)刻不容緩，避免沙地因植被稀疏而轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃由车氐容^難恢復(fù)的類型。

3.3.4各區(qū)縣沙化土地變化

從表7種可以看出，洞庭湖區(qū)各區(qū)縣在經(jīng)過人工造林（種草）、封山（沙）育林（草）等措施后，各區(qū)縣的土地沙化情況基本向好發(fā)展，土地沙化趨勢得到較好遏制，沙化面積都處在較為平衡狀態(tài)，總體沙化面積呈減少趨勢，部分區(qū)縣沙化面積顯著減少，平均面積減少變化率為0.35%。其中岳陽縣、汨羅市兩個湘江流域區(qū)縣因為通航需求沙地面積減少量較大，減少變化率也較高;而澧縣、華容縣或是由于澧水上游水電開發(fā)較為嚴(yán)重以及長江故道水流緩慢等因素導(dǎo)致沙化面積增量較多，面積變量增加均超過30%。

4結(jié)論與討論

洞庭湖區(qū)沙化土地分布區(qū)域較為固定，主要分布在湘、資、沅、澧四條流域以及松虎洪道、藕池河、新墻河、汨羅江等河流沿岸及其河湖交匯處。2014～2019年，洞庭湖區(qū)沙化土地面積減少205.23 hm，流動沙地明顯減少，多數(shù)轉(zhuǎn)化為固定沙地、半固定沙地，土地沙化情況整體較為穩(wěn)定，有向好趨勢;沙化土地植被綜合覆蓋度有所提升，極重度沙化土地明顯減少，但中度、重度沙化土地面積增加，說明局部地區(qū)沙化土地植被綜合覆蓋度降低。分析主要原因在于5年間針對洞庭湖區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了大量的改善工作，退林（耕）還湖、洞庭湖拆除矮圍等行動極大地緩解了湖區(qū)行洪壓力，增大流速，使泥沙不易淤積，顯著抑制沙化土地的擴(kuò)張。但是局部地區(qū)沙化程度的加劇應(yīng)當(dāng)引起重視，不但要抑制沙化范圍的擴(kuò)大，也需要對已有沙地進(jìn)行濕地植被恢復(fù)，降低泥沙流動性，使其形成固定沙地。汪麗[11]的研究結(jié)果顯示，湖南省2009～2014年，土地沙化面積減少59.88 hm，環(huán)洞庭湖區(qū)縣沙化土地面積也顯著減少，沙化治理成效顯著，這一結(jié)果與本研究基于2014～2019年的研究結(jié)論趨勢基本一致。上一個監(jiān)測期內(nèi)沙化土地增加的岳陽縣、沅江市、汨羅市等區(qū)縣在本次監(jiān)測期內(nèi)沙化土地面積均大幅度減少，僅華容縣為增大地區(qū)。洞庭湖區(qū)的沙化變化趨勢同劉朔[13]在川西、高云昌[14]在河北的研究成果一致，均是整體好轉(zhuǎn)，但局部地區(qū)呈現(xiàn)惡化態(tài)勢，表明積極的退田還湖和植被恢復(fù)政策有效改善了湖區(qū)沙化土地狀況，是湖區(qū)沙化防治的有效手段。

防沙治沙是“防治結(jié)合”的生態(tài)工程，洞庭湖區(qū)的治沙工作不能停留在原始的“因沙治沙”階段，需要通過人為措施使之呈順向演替趨勢，因此針對本文研究結(jié)果，有幾點探討。①機(jī)械疏浚，挖泥清淤。針對重點地區(qū)河湖交匯處的沙地及嚴(yán)重影響河道行洪需求的沙地，應(yīng)及時采取人工措施進(jìn)行清淤工作，避免河道堵塞、河床抬高、河道改道等增大居民的汛期遇洪風(fēng)險[15]，例如前文中湘陰縣鶴龍湖鎮(zhèn)、南陽鎮(zhèn)北部的河湖交匯處新增較大面積的沙地，處在湘江與南洞庭湖的交匯處，既是重要航道，又是汛期泄洪通道，大面積的淤積沙地需要及時疏浚。②恢復(fù)植被，保水固沙。對新增沙地以及植被綜合覆蓋度較低的沙化土地及時進(jìn)行濕地植被的人工促進(jìn)更新，減少水蝕和風(fēng)蝕對沙地的擾動，保持水土，降低沙化程度，避免沙地流動影響下游及湖區(qū)安全。③合理開發(fā)利用沙地。湖區(qū)沙地均是由河湖淤積形成，可對大面積的淤積沙地在枯水期進(jìn)行無污染利用，例如種植茼蒿、蘆筍等可食用濕地植物，既能增大沙地植被覆蓋度，防沙固沙，也是踐行鄉(xiāng)村振興的有效途徑。

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（責(zé)任編輯：唐嵐）