基于遥感的近20年黄河乌兰布和沙漠段生态环境状况变化分析

达来 任瑞芳 孙浩兵 布日古德

摘要：本文通过遥感技术，从土地利用/覆盖、植被覆盖和生态功能三个方面对黄河乌兰布和沙漠段2000-2020年间的生态环境状况变化趋势进行分析。结果表明：（1）土地利用与覆盖类型中林地、水域湿地、建设用地、耕地面积呈增加趋势，未利用地（沙地）和草地（灌丛草地）面积呈减少趋势。（2）植被覆盖度较低，植被覆盖指数均值为15，绝大部分为植被稀疏荒漠地。近20年植被覆盖度整体上呈上升趋势，局部呈明显好转或严重退化。（3）防风固沙生态功能状况一般，生态功能脆弱，生态类型结构单一。近20年防风固沙生态功能状况总体稳定，虽略有好转趋势，变化幅度总体属于“无明显变化”。总体上，近20年由于人工“变绿”面积增加明显，黄河乌兰布和沙漠段生态环境状况整体呈好转趋势，但生态环境质量整体仍脆弱，局部生态问题依然存在。

关键词：黄河;生态環境状况;土地利用＼覆盖;植被覆盖;生态功能

中图分类号：X835    文献标识码：A    文章编号：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

黄河流域土壤遭风蚀的面积在100000km?以上，主要分布区在青海黄河左岸的共和沙区和宁夏沙坡头至内蒙古头道拐之间干流两岸沙漠地区。宁夏沙坡头到内蒙古头道拐是黄河风沙活动的主要分布区。其中乌兰布和沙漠东缘（乌海至三盛公）是黄河流域风沙最活跃区，是风沙入黄河的主要通道之一[1]，约50km的流动沙丘直接侵入黄河河道[2]。为了有效保护黄河不受沙漠危害，2012年初内蒙自治区阿拉善盟全面启动了黄河西岸乌兰布和沙漠1000km2综合治理工程。开展黄河流域乌兰布和沙漠段生态状况变化遥感调查评估工作对综合治理工程实施效果评价和制定黄河流域生态保护及高质量发展政策将提供重要的基础数据支撑。

本文利用遥感技术，从土地利用与覆盖、植被覆盖度、生态功能等三个方面对黄河乌兰布和沙漠段近20年的生态环境状况变化进行了动态分析。

1    研究区概况

研究区位于内蒙古乌兰布和沙漠东缘，内蒙古自治区阿拉善盟境内黄河西岸，东临乌海市海勃湾区和鄂尔多斯市鄂托克旗接壤，南连乌海市乌达区，北靠巴彦淖尔市磴口县，总面积为1590km2，南北沿黄河流向长约80km，东西宽约20km（沿黄河河道向西缓冲20km）。研究区地处温带半干旱到干旱气候的过渡地带，气候特点是日照充足、干旱少雨、夏热冬寒、日温差大、蒸发强烈、风力强势、无霜期短[3]。

2    数据来源和研究方法

2.1    土地利用与覆盖分类体系

研究区调查采用《生态环境状况评价技术规范》（HJ192-2015）中的土地利用/覆盖分类体系的同时，根据实际调整了部分指标。鉴于生境与土地利用类型，本文将草地分为低湿地草甸和灌丛草地类型，耕地类型划分为熟耕地、草田轮作地和种植滩地。数据源分别为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融合数据）、2020年的中国资源三号02星（ZY3-02，分辨率5.8m）。

2.2    植被覆盖指数计算方法

植被覆盖指数=NDVI区域均值=Aveg×（[ni=1Pin]）

式中：Pi—5-9 月象元 NDVI月最大值的均值，采用MOD13Q1的NDVI数据，空间分辨率 250m，时间分辨率16d;n—区域象元数;Aveg—植被覆盖指数的归一化系数（参考值为 0.0121165124） [4]。

采用ArcGIS的Natural Breaks（Jenks）分类方法对研究区的植被覆盖指数进行分类（0～13，差;13～20，较差;20～32，一般;32～46，良;46～70，优。

曼-肯德尔（Mann-Kendall）具有合理、科学地衡量植被长时序的波动特征[5]。因此，植被覆盖度变化趋势分析采用泰尔森（Theil-Sen Median）分析方法和曼-肯德尔（Mann-Kendall）检验法。Sen趋势度计算方法如下：

β=mean（[xj-xij-i]），?j>i

式中，xj和xi为时间（年）序列数据（植被覆盖指数）。检验中显著性水平取为α=0.05，Z1 -α/2= Z0.975= 1.96。当β> 0且|Z|>1.96 序列呈显著上升趋势（明显改善）;当β>0且|Z|≤Z1-α/2序列呈上升，但不显著趋势（轻微改善）;同理当β< 0且|Z| > 1.96 时序列呈显著下降趋势（严重退化）;當β<0且|Z|≤Z1-α/2序列呈下降，但不显著趋势（轻微退化）。

2.3    生态功能评价体系及计算方法

生态功能评价采用了《生态环境状况评价技术规范》（HJ192-2015）的防风固沙生态功能状况评价指标及评价等级。为了精确空间显示，评价指标转换栅格数据，以点状（250m×250m）单元进行了评价。对研究区5期各指标栅格数据、适量数据和统计数据赋予不同的权重（非栅格数据转换为栅格数据），具体赋值情况如下表1所示。通过叠加各指标的栅格数据，计算生态功能指数（FEI）。具体算法为：

FEI=0.60×{（植被覆盖指数+受保护区域面积比+林草地覆盖率+水域湿地面积比+耕地和建设用地面积比+沙化土地面积比）}+0.40×环境质量指数

2    研究结果

2.1    土地利用/覆盖现状及变化

2020年研究区土地利用与覆盖遥感解译数据显示，一级类型中占比重最大的是未利用地全部为沙地，面积为1049.2km2，占研究区面积的65.6%;其次是草地，面积为353.1km2，占研究区面积的22.1%;再次为水域湿地，面积为83.2km2，占研究区面积的3.4%。林地、耕地、建设用地面积分别为55.1km2（3.4%）、48.6km2（3.0%）、9.3 km2（0.6%）。

表2显示了2000-2020年土地利用与覆盖变化，其主要变化特征如下：

（1）林地变化：2000-2020年间，林地总面积在增加，面积增加量为40.7km2;增加的主要类型为园地;主要增加变化时间段为2015-2020年间。

（2）草地变化：2000-2020年间，草地面积减少量比较大，减少面积为50.4km2;减少主要类型为灌丛草地;减少主要时段为2010-2015年间。

（3）水域湿地变化：水域湿地变化主要表现在河流和湖库的变化。2000-2020年间，湖库面积增加了16km2，河流面积增加了11.0km2;湖库面积变化的主要原因是人工湖面积增加所致，河流增加原因为黄河河道变宽。

（4）未利用地变化：2000-2020年间，未利用地土地面积逐年呈减少趋势，减少类型为沙地，其面积减少了41.1km2。

（5）耕地变化：2000-2020年间，耕地面积呈逐年增加趋势，增加量为16.2 km2，增加的主要类型为草田轮作地。二级类型中种植滩地2000-2010年间呈增加趋势，面积增加了13.4km2， 而2010-2020年间则减少了9.4km2。表明近10年滩地开垦得到了有效控制。

（6）建设用地变化：2000-2020年间，建设用地面积呈逐年增加趋势，增加面积为7.2km2。

2.2    植被覆盖分布特征及变化

表3显示，2000-2020年间研究区整体植被覆盖指数均值为15。按空间分布分析，植被覆盖指数“优”的面积34.1km2，占研究区面积的2.1%;“良”的面积56.1km2，占3.5%;“一般”的面积55.5km2，占3.5%;“较差”的面积621.3km2，占39.0%;“差”的面积为824.8 km2，占51.8%。植被覆盖“优”和“良”的地区分布于河流滩地，主要是草甸。植被覆盖“差”的地区分布于荒漠沙漠地带，植被属于草原化荒漠和荒漠。总体来看，研究区植被覆盖度水平较低，主要由该地区干旱气候所致。

表4表明，2000-2020年间，研究区植被覆盖度整体呈上升趋势，但部分地区存在严重退化现象。研究区8.1%的地区植被退化明显，31.8%的地区植被轻微退化，23.1%的地区植被轻微改善，36.8%的地区植被明显改善，植被覆盖变化上升趋势的面积达到 59.9%。由以上数据可以看出研究区植被变化趋势整体呈上升的趋势。根据研究区周边乌海和磴口县的气象数据显示，近20年降水变化波动状态，没有明显上升趋势。因此，研究区植被变化趋势的主要与生态治理措施取得较好成效有关。

2.3    生态功能现状及变化

2020年研究区防风固沙生态功能状况指数均值为50.57，属于“一般”级别（50≤FEI<60）。从空间分布分析，生态功能“优”的面积仅占研究区2.1%，生态功能“一般”占31.7%，生态功能“较差”面积占66.1%。研究区防风固沙生态功能状况指数较低的原因是评价区植被覆盖指数、水域湿地面积比值较低，而沙化土地面积比较高所致。这表明乌兰布和沙漠黄河流域自然生态一般，生态功能脆弱，生态类型结构单一。

2000-2020年间动态分析表明，研究区防风固沙生态功能状况指数总体稳定，略有增加趋势。与2000年相比，2020年生态功能“优”的面积增加了17.8km2，“一般”的面积增加了18.1km2，生态功能“较差”的面积减少了24.4km2，区域生态功能状况指数均值仅增加了0.36（ΔFEI<1），变化度总体属于“无明显变化”，详见表5。

3    结论与建议

3.1    结论

黄河乌兰布和沙漠段土地利用与覆盖主要类型为沙地，其次为草地，面积分别占研究区的65.6和22.1%。水域湿地、林地、耕地、建设用地面积分别占研究区面积的3.4%、3.4%、3.0%、0.6%。分析近20年变化，研究区林地、水域湿地、建设用地、耕地面积呈增加趋势，其中林地和水域湿地增加幅度较大;草地和未利用地面积呈减少趋势。总的来说，草田轮作地、熟耕地、种植滩地、园地、建设用地、水库等人工化生态类型在增加显著，其中只有种植滩地近10年呈减少趋势。

黄河乌兰布和沙漠段植被覆盖指数较低，植被覆盖指数均值为15，绝大部分为植被稀疏的荒漠地。2000-2020年间，植被覆盖整体上呈上升趋势，但局部存在退化现象。

黄河乌兰布和沙漠段自然生态仍然一般，生态功能脆弱，生态类型结构单一。近20年生态功能状况总体稳定，略有好转趋势，但变化幅度总体属于“无明显变化”。

总之，2000-2020年间黄河乌兰布和沙漠段生态环境状况总体呈改善趋势，生态环境质量好转，生态保护与恢复措施取得较好的成效。但整体生态状况仍然较差，局部仍存在生态问题。

（1）黄河受沙漠危害仍存在。黄河西岸有两处流动沙丘直接流入黄河河流。另外几处流动沙丘每年以不同速度“淹没”黄河滩地、沼泽和草甸。虽然每年的“淹没”规模小，但长期持续将会威胁黄河生态环境。

（2）滩地农田仍威胁着黄河湿地生态环境质量。近几年，虽然种植滩地面积呈减少趋势，但仍存在较大规模滩地农田，面积达30 km2，占研究区河滩总面积的20%。这些滩地农田影响区域生物多样性状况。

（3）个别地区生态修复工程忽视了因地制宜和生物多样性保护的原则。近几年，在黄河乌兰布和沙漠段生态治理中，个别地区较好的原生自然植被受到一定破坏。这些原生植被在长期自然演变中能够适应极端环境，不但具有固沙生态功能，而且还有生物多样性保护功能。

3.2    建议

（1）继续加强黄河乌兰布和沙漠段的生态保护与建设工程。鉴于该区域生态质量低，生态功能脆弱，仍需要持续推进退耕还滩、沙漠治理、湿地植被恢复等生态修复工程。

（2）科学引导生态修复工程。生态修复工程，应按照不改变或尽量少改变原有植被的原则，因地制宜，突出自然修复，增强长效性。

（3）优化区域黄河取水指标。由于自然水源的极短缺和生态治理取水指标缺口，黄河乌兰布和沙漠段生态治理工程受到严重限制。鉴于黄河流域乌兰布和沙漠段生态保护的重要性，应优化增加黄河取水指标。

参考文献

[1]张廉，段庆林，王林伶等.黄河流域生态保护和高质量发展报告（2020）[M].北京：社会科学文献出版社，2020， 001-258.

[2]何京丽，郭建英，等.黄河乌兰布和沙漠段沿岸风沙流结构与沙丘移動规律[J].农业工程学报，2012，28（17）：71-75.

[3]周建秀，刘志宁，任瑞芳等.遥感监测黄河西岸地区水域湿地现状及其动态变化[J].内蒙古气象，2013，（9）：14-17.

[4]中华人民共和国环境保护行业标准：生态环境状况评价技术规范HJ192-2015[S].

[5]蔡博峰，于嵘.基于遥感的植被长时序趋势特征研究进展评价[J].遥感学报，2009，13（6）：1177-1186.

[6]刘昌明，刘小莽，等.干黄河流域生态保护和高质量发展亟待解决缺水问题[J].人民黄河，2020，42（9）：6-9.

收稿日期：2021-03-01

作者简介：达来（1973-），男，高级工程师，主要从事生态监测方面的工作。