康保县土地沙漠化动态监测研究

董大鹏，徐青，马佳明，赵鹏，李程安，刘雪莹，谷建才

(1 河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2 河北农业大学 植物保护学院，河北 保定 071000;3 承德市双桥区水务局，河北 承德 067000)

土地沙漠化指的是在干旱、半干旱以及部分亚湿润地区出现的一种由于人地关系不协调所造成的以风沙活动为主的土地退化现象[1]。目前影响全球人类发展的生态环境问题有很多，土地沙漠化就是其一。沙漠化现象因其影响范围广、危害程度大、防治较困难引起了世界各国的广泛关注。全球将近1/3的土地面积受到沙漠化的影响，直接造成每年经济损失约420亿美元[2]。中国是世界上沙漠化比较严重的国家之一，尤其是中国北方地区，由于气候干旱常年少雨，导致沙漠化土地分布较广且程度严重[3]。因此沙漠化研究早已成为我国学者的研究热点之一，该研究有利于改善我国干旱地区的生态环境。王小军等利用甘肃省两期沙漠化土地监测数据，着重分析了沙漠化土地面积、程度及类型的变化[4]。吐尔逊·哈斯木等对塔里木河流域沙漠化原因研究中，主要分析了毁林毁草、超载放牧和水资源的不合理利用等原因，并提出控制人口增长，正确政策引导是沙漠化逆转的必须策略[5]。杨易利用遥感技术对西藏那曲县沙漠化土地进行动态监测，结果表明当地沙漠化持续恶化[6]。王东清等选取5个时期的TM影像对宁夏沙漠化土地进行研究，发现沙漠化土地面积下降明显[7]。张靖从景观格局角度出发，选取多种景观格局指数来研究鄂尔多斯市乌审旗地区沙漠化动态变化特征[8]。杨微等对科尔沁左翼后旗地形、土壤和水资源进行适宜性评价，将土地沙漠化与适宜性综合分析进行土地利用优化[9]。贾双竹等利用转移矩阵法和数学模型法分析了丰宁县沙化土地格局的变化[10]。对于沙漠化土地动态变化前人已有大量研究，但从沙漠化程度和沙漠化类型两个角度对河北省康保县沙化动态变化的研究相对较少。我国沙漠化土地贯穿东北、华北和西北地区，呈不连续弧形带状分布，其中29%的沙漠化土地分布在浑善达克沙地、科尔沁沙地、河北坝上和内蒙古后山[11]。康保县位于河北省西北部，是京津风沙源治理工程的重点地区，探究该地区沙漠化土地的变化规律能有效改善坝上地区沙漠化状况，对京津生态环境改善具有极大意义。本研究利用遥感影像数据，结合地理信息技术，对康保县2009-2014年间沙漠化土地动态变化进行分析，以期为当地防沙治沙、合理使用土地和生态建设提供科学有效的理论依据。

1 研究区概况

康保县地处河北省西北部，属于坝上地区，全县总面积为3 284 km2。东部与内蒙古太仆寺旗毗邻，西部与化德县、商都县相接，南部和张北县、沽源县、尚义县相连，北部与内蒙古正镶白旗接壤，地理坐标为东经114°11′～114°56′，北纬41°25′～42°08′。县域内地势较复杂，东北高西南低，北部、东部为丘陵区，面积占比为57.7%，南部为波状平原区，面积占比为42.3%[12]。该县年平均气温1.7 ℃，年平均降水量能达到340 mm，主要是集中在6—8月，有114 d无霜期，大风天气集中在3—5月，年平均日照时数3 100 h，是河北省光照时间最长的县。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究选取康保县2009年和2014年的TM遥感影像，盛夏时节是地表植物生长最旺盛的时候，在遥感影像中也最易辨别，故2期影像的成像时间分别选7月和8月，云量均低于3%，地面分辨率为30 m。利用ENVI5.1软件对遥感影像进行辐射定标、大气校正、几何校正、图像融合等处理，其中大气校正采用ENVI5.1软件中的Flaash模块，以1∶5万地形图作为底图进行配准，采用二次多项式模型和最近邻重采样方法对影像数据进行几何精校正,校正精度控制在1个像元内[13]。结合野外实地调查数据，采用支持向量机法对影像进行监督分类，分类精度都大于85%，最后以Kappa系数为验证解译结果精度的指标，Kappa系数都大于0.8，证明解译结果满足研究使用。最后基于ArcGIS10.6软件强大的空间分析功能对沙漠化土地时间和空间信息进行提取，包括沙漠化程度、沙漠化类型、沙漠化面积，以此来对康保县土地沙漠化动态变化进行监测。

2.2 沙化土地分类

基于不同地物在TM影像中所包含的光谱信息不同，选取影像的5、4、3波段进行假彩色合成，影像中色彩、纹理等光谱特征比较明显。结合野外实地调查，同时参照朱震达编制的沙丘类型划分标准和《全国荒漠化和沙化监测技术规定》[14-15]，分为半固定沙地、固定沙地、沙化耕地、有明显沙化趋势土地和未沙化土地5类沙漠化土地类型，沙漠化程度的划分参考的是孙天天[16]等人制定的划分标准，主要依据植被覆盖度的大小将其分为非沙漠化、轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和极重度沙漠化5个等级。

2.3 沙化土地动态变化评价

评价土地沙漠化动态变化的指标有许多，选取动态度和基于马尔科夫链模型得到的转移矩阵对沙化类型进行研究，选取沙漠化指数和土地重心迁移模型对沙化程度进行研究，以此来评价研究区总体沙漠化情况。利用动态度可以表示一定时间范围内某一种沙化类型的变化速度和变化幅度[17]。借助ArcGIS10.6空间叠加分析能力将2期遥感数据进行叠加，获得不同沙化类型转移矩阵。沙漠化指数是定量评价沙漠化程度动态变化的指标，其与沙漠化程度呈正相关，值越大代表研究区内沙漠化程度越严重[18]。为了能够更加直观的观察研究区不同沙化程度在5 a间的转移方向和距离，对各类沙化程度土地重心的地理坐标进行计算，绘制出土地重心空间迁移图。各指标公式及参数意义如下：

(1)沙漠化土地动态度

(1)

式中：U1和U2分别为期初和期末某一种沙化土地类型面积，T为研究时段，K>0代表沙化土地面积增加，反之减小。

(2)沙漠化指数

(2)

式中：SA为沙漠化土地总面积，S1、S2、S3、S4分别为轻度、中度、重度、极重度沙漠化土地的面积。ADI越大，表明沙漠化程度越严重，反之，沙漠化程度不严重。

(3)土地重心迁移模型

(3)

(4)

式中：X和Y分别代表某一种沙化土地重心的经度和纬度，n代表该种沙化土地的斑块数，Xi和Yi分别代表第i个斑块重心的经度和纬度，Ci表示第i个斑块的面积。

(4)转移矩阵

(5)

式中：A为面积，i、j为转移前后的沙漠化类型，n为转移前后沙漠化类型数，Aij为i沙漠化类型转移为j沙漠化类型的面积。

3 结果与分析

对解译后的影像数据进行信息提取，主要以2个时期沙漠化程度和沙漠化土地类型的动态变化来综合分析研究区总体沙漠化状况，利用ArcGIS10.6对不同沙化程度和不同沙化类型的各类信息进行汇总统计，同时制得沙化程度和沙化类型分布图。

3.1 不同沙化程度动态变化

康保县不同时期的沙漠化程度分布如图1所示。

图1 康保县2009年和2014年沙漠化程度分布图

Figure 1 Distribution of desertification in Kangbao County in 2009 and 2014

由图1可以看出，康保县非沙漠化土地集中分布在中部和东北部，轻度沙漠化土地分布最广，极重度沙漠化土地分布极少，重度沙漠化土地分布相对均匀，较为明显的区域以北部为主，呈条带状分布，中度沙漠化土地集中分布在康保县的西部和北部，呈不规则点状分布。

对不同沙漠化程度土地的面积信息进行汇总统计得表1。

表1 康保县2009年和2014年不同沙漠化程度土地面积及沙漠化指数

Table 1 Land area and desertification index of different desertification levels in Kangbao County in 2009 and 2014 hm2

年份Year非沙漠化Non-desertification轻度沙漠化Milddesertification中度沙漠化Moderatedesertification重度沙漠化Severedesertification极重度沙漠化Extremely severedesertification沙漠化指数Desertificationindex200961 638.53233 324.1426 711.026 507.69167.511.151201462 721.82233 033.5526 108.536 327.53157.461.148变化量1 083.28-290.59-602.48-180.16-10.05-0.003

据表1可知，5 a内，康保县非沙漠化土地面积增加了1 083.28 hm2，康保县沙漠化程度以轻度为主，轻度沙漠化土地占沙漠化土地总面积的比例高于87%，5 a内面积减少290.59 hm2。中度和重度沙漠化土地面积分别减少602.48 hm2和180.16 hm2。极重度沙漠化土地面积变化量最小，仅减少10.05 hm2。2009年康保县沙漠化指数为1.151，2014年沙漠化指数为1.148，沙漠化指数降低0.003，说明康保县沙漠化程度呈逆转趋势。

不同沙化程度土地重心分布见图2。

图2 不同沙漠化程度土地重心迁移图Figure 2 Map of land gravity center shift in different degrees of desertification

根据图2可知，康保县由东到西，土地重心依次为非沙漠化、轻度沙漠化、极重度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化。重度沙漠化土地主要位于西部，轻度沙漠化土地主要位于中部，与图1沙化程度分布一致。5 a时间各土地重心迁移情况不同，其中迁移最明显的是极重度沙漠化土地和非沙漠化土地，前者向东北方向迁移了19.19 km，后者向西南方向迁移了5.51 km。轻度和中度沙漠化土地重心均向东北方向迁移，迁移距离为1.16 km和2.29 km。重度沙漠化土地重心比较稳定，仅向东迁移0.57 km。

3.2 不同沙化类型动态变化

康保县不同时期沙化土地类型分布如图3所示。

图3 康保县2009年和2014年沙化土地类型分布图

Figure 3 Distribution of desertification land types in Kangbao County in 2009 and 2014

图3可以看出，未沙化土地主要分布在康保县中部，东北部区域以有明显沙化趋势土地为主，值得注意的是2009年有明显沙化趋势土地在未沙化土地四周呈不连续片状分布，而2014年有明显沙化趋势土地逐渐向南部扩展，呈不规则点状分布。固定沙地和沙化耕地分布范围最广，半固定沙地分布范围较小，主要分布在西部和北部。

各沙漠化类型的动态度如图4所示。

图4 各沙化土地类型动态度

Figure 4 Dynamics of desertification land types

由图4可知，固定沙地、有明显沙化趋势土地和未沙化土地的动态度分别为0.47、1.33和0.15，三者的面积都增加，固定沙地增加了2 791.51 hm2，有明显沙化趋势土地增加1 754.73 hm2，未沙化土地增加258.40 hm2，而半固定沙地和沙化耕地的动态度均小于0，5 a里面积都相应的减少，半固定沙地减少593.80 hm2，沙化耕地减少4 210.84 hm2。

由转移矩阵可以详细了解不同沙化类型土地的具体转移去向，沙化土地类型转移矩阵详见表2。

表2 康保县2009—2014年沙化土地类型转移矩阵

Table 2 Kangbao County 2009-2014 desertification land type transfer matrix hm2

沙化土地类型Desertifiation land types2014半固定沙地Semi-fixedsandy land固定沙地Fixed sandy land沙化耕地Desertificationarable land有明显沙化趋势土地Land with obviousdesertification trend未沙化土地Non-sandy land2009半固定沙地3 524.081 637.151 305.96241.96555.84 固定沙地1 580.2089 006.2219 702.434 289.284 440.24沙化耕地962.6119 763.38107 143.1610 382.682 118.30 有明显沙化趋势土地85.116 105.323 590.3912 377.354114.39未沙化土地519.195 297.814 417.35736.0224 452.47

由表2可知，半固定沙地转为固定沙地和沙化耕地的面积分别为1 637.15 hm2和1 305.96 hm2。固定沙地向沙化耕地转移的面积最大，为19 702.43 hm2，占固定沙地总面积的17%。沙化耕地主要转入固定沙地和有明显沙化趋势土地，转入面积分别为19 763.38 hm2和10 382.68 hm2，占沙化耕地总面积的14%和7%。有明显沙化趋势土地以转入固定沙地、沙化耕地、未沙化土地为主，转入三者的面积比例分别为23%、14%、16%。未沙化土地的转移方向主要为固定沙地和沙化耕地，转移面积分别为5 297.81 hm2和4 417.35 hm2，占未沙化土地总面积的15%和12%。

4 结论与讨论

康保县土地沙漠化得到改善。2009—2014年非沙化土地面积增加1 083.28 hm2，沙化程度以轻度为主，轻度、中度、重度和极重度沙化面积均减少，这主要得益于康保县所实施的一系列防沙治沙工程，康保县先后实施的国家生态工程有三北防护林工程、退耕还林工程、京津风沙源治理工程，地方生态工程有太行山绿化工程、绿色通道工程等[19]，基于康保县多种切实有效的沙漠化防治措施，使得当地沙漠化状况改善，沙漠化指数降低0.003，沙漠化程度整体好转。极重度沙化土地重心迁移最明显，向东北迁移19.19 km，重度沙化土地重心较稳定，仅向东迁移0.57 km，与康保县沙化程度空间分布趋势一致。

康保县沙化土地类型以沙化耕地和固定沙地为主，半固定沙地和未沙化土地多转变为沙化耕地和固定沙地。固定沙地和有明显沙化趋势土地动态度为0.47和1.33，面积分别增加2 791.51 hm2和1 754.73 hm2，虽然二者面积增加，但增幅不大，不影响沙化总体好转趋势。

本研究仅从沙漠化程度和沙漠化类型两个角度出发，对康保县土地沙漠化动态变化进行监测研究，没有对沙漠化动态变化的原因进行思考，未来应该考虑沙漠化的重要驱动因子，以期能够更为有效的指导当地沙漠化防治工作。可以明确的是当地政府所做的一系列工作是取得积极成效的，重视对土地资源的合理利用，继续推动各项生态工程的落实，加大植树造林规模，沙漠化问题定会日益好转。