基于RS与GIS的理塘县沙化治理重点工程区沙化土地动态变化分析

刘朔, 陈天文, 杨建勇, 蔡凡隆

1. 四川省林业调查规划院，四川 成都，610081；

2. 四川省长江造林局，四川 宜宾，644600

基于RS与GIS技术的应用为分析沙化土地时空变化趋势及其分布格局提供了技术手段，也为利用转移矩阵方法分析沙化土地内部不同沙化类型的转移情况提供了技术保障。以理塘县沙化治理重点工程区为研究区，通过对影像数据进行解译，构建了沙化土地类型转移矩阵，分析其在5年内沙化土地结构的变化过程及其动态特征，并将主要治理模式与动态变化趋势进行空间叠加分析，宏观评估了各模式的治理成效，为理解沙化土地时空动态变化提供了新思路，对理塘县乃至川西北沙化土地治理工程宏观成效评估具有现实意义。研究区在2007—2012年间针对不同沙地类型主要实施了人工种草（低用量）、人工种草（高用量）、植灌种草、客土+人工种草、客土+植灌种草、沙障+植灌种草等6大治理模式（见表1），在部分冲蚀沟设置了挡沙墙、治理区进行了围栏封禁。2013—2017年，研究区主要开展了以前期沙化治理成果巩固为目标的防治工作[1]。

表1 研究区主要沙化土地治理模式表Tab.1 Main desertification land control measures in thestudy area

1 材料与方法

1.1 数据源

研究所用Landsat 8遥感影像来自“地理空间数据云”网站，数据源包括2013年Landsat 8遥感影像和2018年Landsat 8遥感影像各1景（见表2）。遥感影像选择原则：（1）以影像质量完好，确保研究区范围云层覆盖量尽可能少为原则（2018年的影像云量11.05%，但经过判断不影响研究区域）（2）选取研究区植被生长季节期内遥感影像，有利于沙漠化信息的识别与提取。基础数据还包括研究区1：5万地形图，以及影像解译辅助分类相关数据，包括：（1）2013年和2018年研究区的谷歌地图；（2）2013年涉及研究区的76个野外典型沙地类型调查样地资料；（3）2018年涉及研究区的72个野外典型沙地类型调查样地资料。同时，也收集了2007—2017年间研究区相关沙化治理模式布局图等。

表2 遥感影像主要信息表Tab.2 Main information of remotesensing images

1.2 遥感影像解译

遥感影像数据的预处理及解译工作全部在Arcgis10.2软件中进行，包括投影转换、影像裁剪、影像几何校正（通过1：5万地形图进行）等，采用监督分类中的最大似然法进行分类，波段组合选择为654。再将波段组合后的数据（分辨率30 m）与第8波段（分辨率15 m的全色波段）进行影像融合，得到分辨率约15 m的假彩色影像初步数据。参照国内沙漠化遥感监测分类体系标准相关成果[2-5]，根据地表流沙面积百分比、植被覆盖度以及地表景观特征将沙化类型确定分为轻度沙地、中度沙地、重度沙地、极重度沙地4大类（见表3），结合2013年和2018年的谷歌高清影像和随机抽取的50%野外典型沙地类型调查样地资料创建了4类沙化土地类型的训练样本，采用最大似然法进行解译，并对解译后的初步成果进行影像的平滑相关处理，并消除3个像元及以下的“孤岛”，得到解译成果栅格数据，并将栅格数据转化为矢量数据。再用剩余50%野外典型沙地类型调查样地资料对解译成果进行对比分析，解译准确度分别89.5%和88.9%，均在80%以上，满足研究要求。

1.3 沙化土地类型转化分析

在Arcgis10.2对中两期沙化土地类型图进行叠加分析对获得的交集图层属性表赋值并计算其面积，再导出数据，并在EXCEL中通过数据透视表分析提取沙化土地类型转移矩阵。土地类型转移矩阵动态变化指标通常用动态度（D）反映[6-7]。单一沙化土地类型动态度表达的是研究区域一定时段范围内某土地利用类型的数量变化情况，其表达式为：

其中，LC代表在研究时间内某一种沙化土地类型动态度；Ua、Ub分别表示研究刚开始和研究结束时某一种沙化土地类型的总面积；T表示研究期的总时长，把T的单位设定为年时，LC就可以表示某一种沙化土地类型的年变化率。本研究通过年变化率来定量描述区域沙化土地类型变化的速度，比较沙化土地类型变化的差异。

2 结果与分析

2.1 沙化土地类型空间分布特征

2013年研究区沙化土地总面积1 510.2225 hm2，其中轻度、中度、重度和极重度沙化土地面积分别为753.2775 hm2，229.9725 hm2，346.9725 hm2和180 hm2，分别占研究区沙化土地总面积的49.88%、15.23%、22.97%和11.92%，轻度沙化土地面积分布最广，其次是重度、中度、极重度（见图1）。极重度、重度沙地主要分布在丘陵中下部，呈相对集中连片、连块分布，主要原因是上世纪70年代在该区域大量成片取草皮，导致研究区草皮层下砂质土壤出露成沙；重度沙地和中度沙地多分布在极重度沙地附近，主要是过度放牧加之夏季降水集中，冲蚀加剧；轻度沙地分布广泛，主要分布在高原丘陵的中上部，人为干扰相对较小。

2018年研究区沙化土地总面积1510.2225 hm2，其中轻度、中度、重度和极重度沙化土地面积分别 为952.965 hm2，116.3925 hm2，363.06 hm2和77.805 hm2，分别占研究区沙化土地总面积的63.10%、7.71%、24.04%和5.15%，轻度沙化土地面积分布最广，其次是重度、中度、极重度（见图1）。与2013年相比，极重度沙地和中度沙地分布总体上呈现“收缩”状态，而重度沙地和轻度沙地分布呈现“扩展”状态，主要原因是相关治理和管护模式使得部分极重度沙地逆转为重度沙地，部分中度沙地逆转为轻度沙地。

图1 研究区沙化土地类型空间分布图Fig.1 Spatial distribution of desertification land typesin thestudy area

2.2 沙化土地动态变化特征

总体来看，2013—2018年的5年研究区沙化土地总体呈逆转的趋势，表现在：极重度面积减少102.195 hm2，年均减少11.36%；中度面积减少113.58 hm2，年均减少9.88%；轻度面积增加199.6875 hm2，年均增加5.30%；重度面积变化不大，年均增加0.93%。从各类沙化土地面积看，沙化程度相对严重的中度、重度、极重度沙地总面积由2013年的756.945 hm2下降到2018年的557.2575 hm2，下降幅度达26.38%，逆转趋势明显。

由表4、表5可知：（1）极重度面积由2013年的180 hm2减少到77.805 hm2，共减少102.195 hm2，年均减少达11.36%，主要逆转为重度和中度沙地。具体动态变化包括：①减少面积及来源结构：共减少面积110.5857 hm2，主要逆转为重度和中度；②增加面积及来源结构：共增加面积8.3925hm2，主要来源于重度和中度沙地恶化。（2）重度面积由2013年的346.9725 hm2增加到363.06 hm2，共增加16.0875 hm2，年均增加0.93%，主要是一部分极重度逆转为了重度沙地，还有一部分是由中度、轻度沙地恶化所致。具体动态变化包括：①减少面积及来源结构：共减少面积149.265 hm2，主要来源于中度、轻度的沙地逆转；②增加面积及来源结构：共增加面积165.3525 hm2，主要来源于极重度逆转和中度沙地，少部分来源于中度、轻度恶化。（3）中度面积由2013年的229.9725 hm2减少到116.3925 hm2，共减少113.58 hm2，年均减少达9.88%，主要逆转为轻度沙地。具体动态变化包括：①减少面积及来源结构：共减少面积220.7025 hm2，主要来源于轻度沙地逆转以及恶化为重度沙地；②增加面积及来源结构：共增加面积107.1225 hm2，主要来源于重度和极重度沙地逆转。（4）轻度面积由2013年的753.2775 hm2增加到952.965 hm2，共增加199.6875 hm2，年均增加5.30%，主要是中重、重度沙地逆转为了轻度沙地。具体动态变化包括：①减少面积及来源结构：共减少面积20.205 hm2，主要是恶化为中度、重度、极重度沙地；②增加面积及来源结构：共增加面积219.8925 hm2，主要来源于中度、重度逆转为轻度沙地。

表4 研究区沙化土地类型总体变化情况表Tab.4 Overall change of desertification land types in thestudy area

表5 研究区沙化土地类型转移矩阵Tab.5 Transition matrix of desertification land types in the study area

2.3 主要沙化治理模式与沙地类型动态变化的关系

将研究区内6大治理模式GIS图层与2013年的遥感解译的沙化土地类型矢量图层进行空间叠加分析，提取了各类模式实施面积及与沙地面积动态变化趋势的关系表（见表6）。

由表6可知：（1）人工种草（低用量）模式可以明显遏制轻度沙地退化，其恶化面积比例仅3.64%；但对中度、重度、极重度治理效果较差，逆转面积比例分别仅为10.88%、5.10%、6.72%，且中度沙地的恶化比例达86.72%，重度、极重度沙地的现状保持面积比例分别高达93.63%、93.28%，说明该模式无法遏制中度沙地的进一步退化，对重度和极重度沙地治理基本没有效果。（2）人工种草（高用量）模式对轻度、中度沙地治理效果较好，可以明显遏制轻度沙地退化，其恶化面积比例仅3.47%；对中度沙地逆转比例为78.85%；对重度沙地有一定效果，逆转比例为34.20%。（3）植灌种草模式对轻度、中度沙地治理效果较好，对重度、极重度沙地也有一定效果，其中：轻度沙地恶化面积比例仅0.08%，对中度沙地逆转比例达73.40%；对重度、极重度沙地有一定效果，逆转比例分别为25.45%、23.88%。（4）客土+人工种草模式，主要针对中度、重度、极重度沙地，治理效果较明显，对中度沙地的逆转率为64.55%；对重度沙地的逆转率为54.25%；对极重度沙地逆转率为96.69%，极重度沙地的逆转率反而高于中度和重度的主要原因，是该模式所在的极重度沙地治理区周边大多配套有挡沙墙工程措施，强化了治沙成效。（5）客土+植灌种草模式主要针对中度、重度、极重度沙地，治理效果较明显，对中度沙地的逆转率为85.05%；对重度沙地的逆转率为41.71%；对极重度沙地逆转率为47.52%，极重度沙地的逆转率反而高于重度的主要原因，是该模式所在的极重度沙地治理区部分配套有挡沙墙工程措施固沙，强化了治沙成效。（6）沙障+植灌种草模式主要针对重度、极重度沙地，而且是位于沙化冲蚀沟的沟口，是沙化最严重的地区，该模式能够有效固沙，且能有效遏制重度沙地进一步退化，也能起到一定逆转效果（逆转率为21.87%）。

3 结果的讨论

研究结果表明，2013—2018年研究区沙化土地总体上处于稳定逆转的状态。沙化土地主要呈“极重度沙地→重度沙地→中度沙地→轻度沙地”逐级逆转的趋势，且极重度、中度沙地面积减少明显，说明沙化治理工程成效明显。由于研究区地处川西北高寒沙区，生态极其脆弱[8-10]，千百年来形成的草皮层一旦破坏，导致草地沙化，其恢复将一个长期的过程[11-12]，这也是为什么沙化治理多年来轻度沙地仍长期存在的客观现实，因此沙化治理需要长期、持续的投入，在资金有限的前提下，科学、经济地选择治理模式将有助于提升沙化治理成效。经研究，人工种草（低用量）模式可以明显遏制轻度沙地退化，由于其投资标准低，十分适用于轻度沙地治理；人工种草（高用量）模式，适用于轻度、中度沙地治理，对重度沙地有一定效果；植灌种草模式，适用于轻度、中度沙地治理，对重度、极重度沙地也有一定效果，但目前治沙树种较单一，需要进一步加强树种筛选和试验；客土+人工种草模式、客土+植灌种草模式适用于中度、重度、极重度沙地，治理效果较明显，结合挡沙墙等工程固沙措施，可大大提高治沙成效，但需要对客土的土质严格要求；沙障+植灌种草模式主要针对重度、极重度沙地，该模式能够有效固沙，且能有效遏制重度沙地进一步退化，但是对极重度沙地的逆转效果一般，需要进一步探索除柳条沙障以外的其他材料沙障，同时加强树种、草种的筛选和选择。