烏珠穆沁伏沙區近40年沙漠化時空變化特征分析

呼斯冷，包玉龍，2，銀 山

（1.內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2.內蒙古自治區遙感與地理信息系統重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010022）

烏珠穆沁草原作為內蒙古最為典型的溫帶草原，在碳儲存和減緩氣候變化中發揮著關鍵作用，是當地發展畜牧業的重要經濟資源［1］。但由于人們對草原的科學認識不足、不顧草原承載力而增加牲畜數量，使自然平衡遭到破壞，導致烏珠穆沁草原生態環境急劇惡化，植被草群蓋度、高度、產量和牧草頻度大幅度下降，裸地大幅度增加，地表風蝕沙化嚴重［2］。自1997年以來，風沙每年吞食天然草場666.67 hm2，對當地生態環境、經濟發展和生命安全構成了嚴重威脅［3］。因此，改良沙地、控制沙源、恢復植被等成為當地生態環境保護與利用的重點工作。

做好沙漠化監測是加快防治沙漠化速度、提高防治效率、遏制沙漠化擴展的前提［4］。區域沙漠化監測一直是沙地生態環境研究的熱點問題之一［5］。烏珠穆沁草原分布著許多大小不一的伏沙地，它們通常范圍小，成土過程和土壤結構較為特殊，一旦遭到外界擾動，極易形成連片的顯化沙地。然而，小型伏沙地的修復與保護工作成本低、相對簡單。若能在其沙漠化發生、發展前進行有效的預防與治理，必將帶來較高的生態環境效益。目前，關于烏珠穆沁伏沙區土壤、植被與伏沙區成因機理等方面已有不少研究［6-9］，但其長時期的沙漠化演變過程及特征仍需得到進一步關注。因此，筆者以烏珠穆沁伏沙區已沙化的小型沙地為例，分析其近40年沙漠化時空演變特征、擴張模式和方向，以期為當地沙漠化防治工作提供數據支持。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區錫林郭勒盟東烏珠穆沁旗烏里雅斯太鎮往北80 km處烏珠穆沁伏沙地北部的霍爾其格沙地（46°00′~46°30′N，116°50′~117°00′E）。霍爾其格沙地分為東西兩部分，東部為面積較小，形狀為圓形；西部沙地為南北拉長的長條形，在沙地西側有霍爾其格河。該區氣候屬北溫帶大陸性氣候，夏季平均氣溫在0 ℃以上，7月最炎熱，1月最寒冷；年降水量為270 mm，集中在6—9月份；年均風速為3.5 m·s-1，全年西南風較多，大風天氣高達56 d，多發生在春季；土壤以黑鈣土為主，植被類型主要有沙地草甸（優勢種為苔草，Carexduriuscula）、灌木林（優勢種為褐沙蒿，Artemisiadesertorum）、灌叢化草地（優勢種為小葉錦雞兒，Caraganamicrophylla）和稀疏林（優勢種為榆樹，Ulmuspumila）。

1.2 數據源與處理

Landsat衛星數據具有多波段優勢，地面分辨率高，時間跨度大，非常適用于小區域尺度的沙漠化遙感監測。從美國地質調查局網站（http：//glovis.usgs.gov/）下載研究區10期遙感影像（表1），空間分辨率為30 m。影像選擇標準為：選擇研究區內云量低于10%且地物特征較為明顯的7—9月的影像。在此基礎上，使用ENVI5.3 軟件中的輻射定標和FLAASH 模塊對圖像進行輻射和大氣校正。所有影像均采用WGS1984橢球投影和Albers投影。最后，對Landsat影像進行假彩色合成。伏沙活化過程中風蝕作用強烈，再加上人們采取的生態保護措施（如網圍欄），使得兩側顯化的沙地有了明顯不同的景觀。因此，利用目視解譯方法對沙地范圍進行了提取，并以此界限進行裁剪，獲取了研究區10 年的待解譯遙感影像數據集。

表1 遙感影像信息Tab. 1 Information of remote sensing image

1.3 研究方法

1.3.1 沙漠化信息提取

沙漠化指標體系是土地沙漠化評價的核心內容，是判斷土地沙漠化發生及其程度的標準［10］。本研究沙漠化程度劃分主要參考國家“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的沙漠化遙感監測分類體系標準［11］以及國內外比較常用的“四分法”［12］，將研究區沙漠化分為輕度、中度、重度和嚴重等4類。分類系統、解釋標志和圖像特征見表2。

表2 沙漠化土地分類指標體系Tab. 2 Classification indicator system of aeolian desertification

1.3.2 重心遷移模型

近年來，人們利用人口地理學中的人口重心原理分析了沙漠化重心的遷移過程及沙漠化的時空變化［13］。本研究利用重力中心變化模型計算了不同類型沙漠化土地的重力中心分布及其遷移距離，以描述其空間變化特征。計算采用方程式如下：

式中：Xt、Yt分別為t年沙漠化土地分布的緯向坐標和縱向坐標；Cti為t年i型沙漠化土地面積；Xi和Yi為i型沙漠化土地的重力中心的經緯度。

1.3.3 景觀擴張指數

景觀擴展指數LEI（Landscape Expansion Index，LEI）用于城市擴張研究，主要通過緩沖區分析觀察新增斑塊和原有斑塊的接觸面積，從而對斑塊擴張類型進行識別［14］。考慮到沙漠化的擴張與城市景觀擴張的相似性，故引入景觀擴張指數，分析近40年霍爾其格沙地的嚴重和中度沙漠化土地（由于研究區內嚴重沙漠化土地面積相對較小，因此，將嚴重和重度沙漠化土地的和作為研究區沙漠化土地的擴張）的擴張模式和形態，并對不同斑塊的數量和比率進行了統計，以便進一步分析研究區沙漠化土地的擴張特征。景觀擴張分為3個模式（圖1）：填充式——新增景觀斑塊填充原有景觀斑塊；邊緣式——新增景觀斑塊沿著原有景觀斑塊的邊緣擴張出去；飛地式——新增景觀斑塊與原有景觀斑塊處于分離狀態。其計算公式如下：

圖1 景觀擴張的空間模式Fig. 1 Spatial patterns of landscape expansion

式中，LEI代表景觀擴展指數，根據LEI的范圍，可將新增斑塊類型定義如下：50＜LEI≤100時定義為填充式，0≤LEI≤50時定義為邊緣式，LEI=0時定義為飛地式；Ao代表緩沖區與原有斑塊的交集；Av代表緩沖區與空白（非重度和非嚴重沙漠化）斑塊的交集。根據前人研究，本研究中將緩沖區范圍設置成跟影像大小一致［15］。

2 結果與分析

2.1 沙漠化土地面積變化

表3為霍爾其格沙地近40年不同類型沙漠化土地面積及其比重統計情況。由表3可以看出，霍爾其格沙地1987—2022 年近40 年的沙漠化土地發展情況呈逆轉（1987—1995）—擴張（1995—1999）—逆轉（1999—2003）—擴張（20032015）—逆轉（2015—2022）的發展格局。1987—2022年，霍爾其格沙地沙漠化過程總體呈逆轉趨勢，但波動較為劇烈。近40年來，霍爾其格沙地主要逆轉類型以重度沙漠化和嚴重沙漠化土地為主，其面積從1987年的78.82 km2和32.58 km2減少到2022年的35.25 km2和18.15 km2，說明該區沙漠化程度明顯降低，但兩者仍占較大比重，是研究區主要的沙漠化土地類型。

表3 霍爾其格沙地近40年沙漠化土地面積及其比重Tab. 3 The areas and proportion of desertification land in Holchig sandy land in recent 40 years

1987年，重度和嚴重沙漠化土地占研究區土地面積的75.37%，輕度沙漠化土地面積為8.92 km2，僅占6.03%，說明20世紀80年代霍爾其格沙地沙漠化形勢較為嚴峻，且一直持續至20世紀90年代末。而在1999—2003年期間，沙漠化土地發生大幅逆轉，主要類型是重度沙漠化土地轉變為中度沙漠化土地。與1999年相比，2003年重度沙漠化土地面積減少了24.79 km2，中度沙漠化土地則增加了42.42 km2（占研究區總面積的49.86%），這與該時期圍封禁牧、京津風沙源治理等工程的開始實施有關［16］。此外，該時期氣候相對濕潤［17-18］，有利于植被恢復。然而，成土過程不完備導致伏沙地生態系統非常脆弱，而在對其了解甚少的情況下的盲目實施“生態建設”工程，會使伏沙地存在大面積顯化的風險［19］。在2003—2019年期間，嚴重、重度沙漠化土地面積再次出現波動增加現象。直至2022年時，嚴重沙漠化土地面積與2003年相比，減少了12.03 km2，重度沙漠化土地面積減少了4.60 km2。這可能與2015年后內蒙古自治區相繼啟動新一輪退耕還林（草）、沙地禁封保護區試點等重大工程項目且生態工程效益凸顯有關［20］。

2.2 沙漠化土地空間分布

霍爾其格沙地沙漠化土地空間分布情況見圖2。由圖2可以看出，1987—2003年，嚴重沙漠化土地集中分布在研究區的南側，主體由東南向西北方向呈帶狀分布，2003年以后開始變得零星分布；重度沙漠化土地主要集中于研究區中部，部分零散分布于嚴重沙漠化土地的東側，從2007年開始慢慢主導研究區沙漠化發展，到2022年時大量減少，僅在研究區東南部分布，重度沙漠化與嚴重沙漠化緊密相連，這也是嚴重、重度沙漠化土地相互轉換最為頻繁的原因；近40年間，中度沙漠化土地一直分布在研究區西北部，但有向研究區中部擴張趨勢；輕度沙漠化土地剛開始呈帶狀分布于嚴重沙漠化土地的南側邊緣，但從2007年開始逐漸分布于研究區中部和南部大部分區域，這表明研究區沙漠化逐漸逆轉。

圖2 霍爾其格沙地沙漠化土地空間分布Fig. 2 Spatial distribution of land desertification in Holchig sandy land

2.3 沙地擴張模式和擴張方向

霍爾其格沙地重度、嚴重沙漠化土地的景觀擴張類型見圖3。由圖3可知，近40年來，霍爾其格沙地的嚴重、重度沙漠化土地主要通過邊緣擴張進行，其次是填充式和飛地式擴張。重度、嚴重沙漠化土地的景觀斑塊在1991—1995 年期間主要以填充式擴張為主，其斑塊占比63.78%，而其他時間段均以邊緣擴張為主，說明這期間沙地的擴張更為破碎和分散。在研究期間，擴張斑塊數目在2007—2011年最多，為6 391個斑塊，而在1999—2003年期間最少，只有3 191個斑塊。在1987—2007年期間，擴張斑塊數目較穩定，最多時達到5 345個；而在2007—2022年期間，擴張斑塊有增加趨勢。2007—2019年是近40年霍爾其格沙地沙漠化斑塊擴張最為劇烈的時段，表現為大面積地邊緣式擴張，說明霍爾其格沙地沙漠化土地在嚴重和重度沙漠化土地的邊緣擴張最為劇烈，因此，在沙地周邊作業時，建議避免制造不必要的風蝕場地，否則容易促成沙漠化。而填充式擴張斑塊總數的起伏變化最大，表明研究區沙漠化發展/恢復不穩定，因此，保護已有的治沙成果和加大治沙力度同樣重要。飛地式擴張最不明顯，但研究結果表明，在研究區北部普遍分布著飛地式擴張斑塊，因此，在北部應減少農業活動強度，避免讓中度沙漠化土地（主要分布在研究區北部）發展成重度或嚴重沙漠化土地［16］。

圖3 霍爾其格沙地重度、嚴重沙漠化土地的景觀擴張類型Fig. 3 Landscape expansion types of severe and serious desertification land in Horchig sandy land

研究結果顯示，1987—2022年，方形沙地的輕度、中度、重度和嚴重沙漠化土地重心分別向西北遷移了4.679 km，向東南遷移了4.215 km，向西北遷移了1.652 km，向西北遷移了1.366 km；圓形沙地的輕度、中度、重度和嚴重沙漠化土地重心分別向東北遷移了0.479 km，向北遷移了1.335 km，向東北遷移了0.885 km，向西北遷移了0.347 km。總的來看，方形沙地各類型沙漠化土地重心向沙地中央逐漸集中，上述研究結果表明，方形沙地沙漠化土地逐漸在萎縮且向好轉的方向發展；而圓形沙地的重心向東北移動，說明有向該方向擴張的趨勢。這表明2個具有相同自然環境的沙漠地區的擴張或收縮程度不同，其原因可能是由于人類活動對2個沙地的利用強度不同所致。整體上來看，研究區沙漠化趨于逆轉。然而，由于霍爾其格沙地處于風口處，并且多年均溫呈顯著上升、降水量和相對濕度顯著下降趨勢，使該地區發生暖干化現象［21］，再加上人類活動的影響，導致該地區生態環境依舊脆弱，仍存在大面積沙化風險。

3 結論

基于Landsat系列衛星影像數據，對霍爾其格沙地近40年沙漠化時空變化特征進行了動態監測，主要結論如下：（1）近40年來，霍爾其格沙地主要逆轉類型以重度沙漠化和嚴重沙漠化土地為主，其面積從1987年的78.82 km2和32.58 km2減少到2022年的35.25 km2和18.15 km2，說明該區沙漠化程度明顯降低，但兩者仍占較大比重，是研究區主要的沙漠化土地類型；（2）嚴重沙漠化土地集中分布在研究區南側，主體由東南向西北方向呈帶狀分布，2003年之后開始變得零星分布；重度沙漠化土地主要集中于研究區中部，部分零散分布于嚴重沙漠化土地的東側；中度沙漠化土地一直分布于研究區西北部；輕度沙漠化土地剛開始呈帶狀分布于嚴重沙漠化土地的南側邊緣，但從2007年開始逐漸分布在研究區中部和南部大部分區域；（3）從擴張模式來看，近40年來，霍爾其格沙地的嚴重、重度沙漠化土地主要通過邊緣擴張進行，其次是填充式和飛地式擴張；從擴張方向來看，方形沙地的各類型沙漠化土地重心向沙地中央逐漸集中，表明沙漠化土地逐漸在萎縮且向逆轉的方向發展，而圓形沙地的重心向東北移動，有向該方向擴張的趨勢。