中蒙毗邻草原区荒漠化时空动态研究

王 旭, 刁兆岩, 郑志荣, 靳三玲, 马 普, 吕世海*

1.中国环境科学研究院生态研究所, 北京 100012 2.兰州大学生命科学学院, 甘肃 兰州 730000 3.北京林业大学草业与草原学院, 北京 100083

荒漠化是最具威胁的区域性环境问题之一，有“地球癌症”之称，主要发生在干旱半干旱和半湿润地区，常伴随着生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似沙质荒漠化景观等生态环境退化问题[1-4]，其成因与气候变化、人类过度干扰活动等直接相关[5]. 目前，全球有2.5亿人受到荒漠化的直接影响，约有10亿人处于荒漠化风险之中，荒漠化每年导致的经济损失达4.2×1010美元[6]. 中国是受荒漠化危害最严重的国家之一[7]，从20世纪80年代开始，我国政府和地方相继启动实施了一系列荒漠化综合防治工程，如京津风沙源治理、退牧还草、退耕还林还草、草原生态保护补助奖励政策等，对改善区域植被覆盖成效显著，但土地沙化和草原荒漠化问题依然十分严峻. 全国第五次荒漠化与沙化土地监测结果显示，截至2014年，我国荒漠化土地总面积约2.71×106km2，占荒漠化监测区面积的78%，占国土面积的27%. 其中，内蒙古草原荒漠化面积60.92×104km2，占全国土地荒漠化总面积的22.5%，占内蒙古自治区土地总面积的51.50%.

沙尘暴是土地荒漠化引起的最直接的环境灾害，因其具有传输距离远、涉及范围广、危害程度大等特点，多年来倍受沙尘源地及下游区民众的广泛关注[8]. 沙尘暴会影响大气温度、太阳辐射、大气组分和地球生物化学循环过程[9-10]，增大区域环境健康风险，危害人体健康[11-12]. 中蒙毗邻草原区地处蒙古高原腹地，受强烈蒙古气旋及其后部冷空气影响，地势较高、地表干燥、荒漠化严重、地表裸露度较大，已成为东北亚沙尘暴发生的主要源头区[13-15]. 其中，蒙古苏赫巴托尔省、东戈壁省以西荒漠化严重草原区为东亚沙尘暴的主要源地，中国内蒙古锡林郭勒盟中西部典型草原、阴山北麓荒漠草原及科尔沁沙地、浑善达克沙地、库布齐沙地、毛乌素沙地为东北亚沙尘暴加强区[16-19]. 每年由此而引发的灾害性特大沙尘天气过程，不仅严重制约着当地工农牧业生产和民众日常生活，而且对下游区大气环境质量和民众健康构成了严重威胁. 但是，由于中蒙毗邻草原区属中国和蒙古毗邻交界区域，受多种因素影响，诸如气候、水文、土壤、植被等许多基础性研究相对缺乏，已有研究多集中于对矿产矿藏开采[20]、草原生产力时空变化[21-22]、草原放牧利用与管理[23]等具体问题的探讨，将中蒙毗邻草原区作为一个整体，开展区域荒漠化时空动态比较的研究相对较少. 鉴于此，该研究以2001年、2010年和2020年影像数据解译为基础，结合地面调查数据，重点分析区域荒漠化时空动态变化特征，以期为进一步推进区域荒漠化联防联治和沙尘源地植被恢复提供科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区域为中蒙毗邻草原区(41°11′27.86″N～49°24′08.83″N、107°59′02.20″E～116°32′54.39″E)，包括中国内蒙古自治区乌兰察布市四子王旗，锡林郭勒盟苏尼特右旗、苏尼特左旗、二连浩特市、阿巴嘎旗，以及蒙古苏赫巴托尔省、东戈壁省. 研究区总面积约3×105km2(见图1)，属北温带干旱草原植被. 全年平均气温0～6 ℃，降水量150～250 mm，土壤以栗钙土、棕钙土为主，土层较薄、沙质含量大. 近20年来，年均特大沙尘暴发生频次15～20次；植被分布特征，中东部以针茅(Stipacapillataspp.)、羊草(Leymuschinensis)草原为主，旱生化现象显著，中部及南部以小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)荒漠草原为主(见表1).

依据植被类型、覆盖度、人口数量、行政区划等指标，将研究区分为3个区(见图1)，各区域概况见表1.

表1 研究区概况描述

1.2 数据来源

1.2.1遥感影像

以Modis NDVI、Modis Albedo、Landsat TM和Landsat OLI数据为基础，分别选择2001年、2010年和2020年每年8月的遥感影像数据，结合地面调查对研究区荒漠化程度进行评估. 其中，Modis数据为8月下旬MOD09A1 16天合成数据、MCD43A3逐日数据，行列号为h25v04和h26v04；Landsat数据为2001年和2010年Landsat TM5 16天合成数据，2020年Landsat 8 OLI 16天合成数据；对同期云量不达标(高于5%)数据，选取临近达标数据填补；Modis数据获取自NASA数据网站(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov)，Landsat数据获取自美国地质勘探局(https://earthexplorer.usgs.gov).

注： C区表示中国内蒙古中西部荒漠草原区，D区表示蒙古东戈壁省荒漠草原区，S区表示蒙古苏赫巴托尔省典型草原区. 底图下载于自 然资源部地图技术审查中心标准地图服务平台(http://bzdt.ch.mnr.gov.cn/browse.html?picId=%274o28b0625501ad13015501ad2bfc0045%27) 的《中国地图1∶4 800万64开 分省设色 有邻国 线划二》. 下载日期: 2021年06月26日. 审图号：国审字(2021)第5979号. 下同.图1 研究区区位及取样点分布Fig.1 Location of study area and the distribution of survey spots

1.2.2地面跟踪监测

于2020年8月下旬的植物生长季，在3个区域进行调查取样. 荒漠化分级和监测方法执行GB/T 20483—2006《土地荒漠化监测方法》标准. 由于研究区生境类型均一，且交通不便，3个区域共选取典型监测样地43个，其中C区29个、D区4个S区 10个(见图1).

1.2.3统计数据及气象数据

统计数据分别来源于中国内蒙古自治区统计局(http://tj.nmg.gov.cn)、蒙古国家统计局(https://www.1212.mn)，气象数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)和欧洲中期气象数据中心(https://cds.climate.copernicus.eu).

1.3 研究方法

1.3.1数据处理

利用ENVI 5.3和ArcGIS 10.5软件，对Landsat数据进行辐射定标、大气校正、镶嵌拼接、裁剪等处理，并结合eCognition 9.0软件对研究区水体、农田、建筑物进行提取和剔除；利用MRT(Modis reprojection tool)对NDVI和Albedo数据进行拼接和重投影处理；利用Origin 2018软件进行数据分析和图表制作.

1.3.2Albedo-NDVI特征空间及荒漠化监测差值指数

参照已有文献[25-27]，选取Albedo-NDVI特征空间及荒漠化监测差值指数(DDI)对研究区荒漠化现状进行研究. 其中，NDVI表征地表植被盖度，Albedo表征地表粗糙程度. 利用研究区特征空间中的“干边散点”(各NDVI值所对应的Albedo最大值点)进行线性回归拟合，得到Albedo-NDVI特征方程及DDI计算公式.

Albedo=k1×NDVI+c

(1)

DDI=k2×NDVI-Albedo

(2)

k1×k2=-1

(3)

式中，Albedo为地表反照率，NDVI为归一化植被指数，k1为Albedo与NDVI拟合特征方程的斜率，c为拟合产生的常数.

2 结果与分析

2.1 荒漠化监测差值指数

荒漠化监测差值指数(DDI)是由Albedo-NDVI特征方程衍生出的监测荒漠化状况的指数，主要用于荒漠化程度分级[25]. 利用ArcGIS 10.5生成1 500个点，分别提取2001年、2010年、2020年研究区对应点的NDVI及Albedo值，进行归一化处理、最大值提取、线性拟合等，生成不同时段Albedo-NDVI特征方程，结果如图2所示. 研究区不同时段NDVI与Albedo呈明显负相关，且各特征方程的R2均大于0.8，Albedo-NDVI特征方程表现出较好的拟合性.

图2 Albedo-NDVI特征方程Fig.2 Characteristic equation of Albedo-NDVI

依据式(1)(2)，对不同时期DDI值进行计算和归一化处理，按照自然断裂法将DDI值划分为5个等级，并使各类别内方差最小，结果如表2所示.

表2 DDI值及荒漠化程度划分

随机选取若干点，对各时段Landsat影像进行目视解译，结合实地典型样地监测结果，共建立300个精度验证点. 验证结果表明，该分类方法的总体精度达0.89，Kappa系数达0.89. 其中，对ESD和SD的识别精度在0.90以上，对MD和ND的识别精度在0.85以上，对LD的识别精度达0.81.

图4 研究区各分区不同时期荒漠化程度组成Fig.4 The composition of desertification degree of different regions at the different times

2.2 荒漠化时空分布格局

由图3、4可见，研究区荒漠化程度总体呈现“西高东低、南高北低”的空间特征，以2020年为例：① ESD、SD面积约占研究区总面积的37.2%，主要分布在C区和D区. 其中，中国境内ESD、SD面积为39 710 km2，占研究区总面积的13.24%，主要位于二连浩特市、四子王旗和苏尼特右旗的中部和北部、苏尼特左旗大部等荒漠草原区；蒙古境内ESD、SD面积为71 830 km2，占研究区总面积的23.94%，主要分布于东戈壁省的中部和南部荒漠草原区. ② ND主要集中在C区北部和S区大部，占研究区总面积的18.3%. ③荒漠化分区特征明显，C区以MD和SD为主(分别占C区总面积的36.1%和28.6%)，D区以ESD和SD为主(占D区总面积的65.5%)，S区以ND、LD为主(分别占S区总面积的67.2%、26.2%).

图3 不同时期荒漠化空间分布格局Fig.3 The distribution of the desertification degree at the different times

不同时期研究区荒漠化格局存在明显差异. 其中，2001年以ESD、SD、MD为主，三者面积分别占研究区总面积的24.60%、29.27%和21.49%；2010年，ESD面积有所减少，较2001年减少了33.78%，而SD、MD、LD面积略有增加，分别较2001年增加了4.17%、4.37%和16.37%；2020年，ESD、SD、MD面积缩减，分别占研究区的13.53%、23.81%和22.82%，LD和ND面积增加，分别占研究区的18.70%和21.14%.

2.3 荒漠化演变趋势

如图5所示，2001—2010年，研究区荒漠化程度加剧区域主要分布在D区北部和S区的东西两翼地区，面积为 21 300 km2，占研究区总面积的7.1%；荒漠化逆转区域主要分布在C区大部和S区北部，荒漠化逆转面积为 74 100 km2，占研究区总面积的24.7%.

图5 研究区不同时段荒漠化演化程度的空间分布Fig.5 The distribution of desertification changes in different period

各分区荒漠化演变趋势见图6，结果显示：2010—2020年，研究区荒漠化逆转面积较大，逆转比例约占研究区总面积的40.3%，较2001—2010年增加了63.18%；但D区西部、C区四子王旗、苏尼特右旗、苏尼特左旗、阿巴嘎旗的南部地区，草原荒漠化加剧趋势显著，荒漠化加剧面积占研究区总面积的8.7%.

由表3可见，2001—2020年，C区ESD、SD面积呈持续缩减态势，净减少面积分别为 30 360、10 350 km2，MD、LD、ND面积呈不断增加趋势，面积分别净增 19 200、16 700 和 5 060 km2；D区ESD、SD、MD面积分别缩减 2 890、3 360、360 km2，LD面积增加 6 300 km2，ND面积基本未变；S区由于自然条件相对较好，且人口较少，利用程度较轻，ESD面积变化量相对较小，而SD、MD、LD面积分别减少 2 640、14 830、11 310 km2，ND土地增加 28 820 km2，呈逐年好转趋势.

表3 研究区各分区荒漠化程度转移矩阵

综上，与2001年相比，2020年研究区荒漠化程度整体上有所好转，其中，ND面积增加了近1倍，ESD面积减少了约90%，荒漠化净逆转面积(荒漠化逆转面积与扩展面积之差)约 147 220 km2. 研究区各分区荒漠化逆转情况存在明显差异，其中，C区荒漠化净逆转面积占研究区荒漠化净逆转总面积的58.84%，S区占31.30%，D区仅占14.52%；C区ESD面积缩减超过75%；S区ND面积增加了1倍；D区LD面积略有增加，其余荒漠化程度面积变化不大.

2.4 荒漠化驱动因素分析

气候变化和自然变率及人类活动对荒漠化的影响存在时空差异[28]，因此分别计算研究区各分区DDI与气象因素的相关性. 结果(见表4)显示，C区PRE(降水量，precipitation)、RH(相对湿度，relative humidity)与DDI均呈极显著正相关(P<0.01)；D区DDI与PRE、RH均呈显著正相关(P<0.01)，与TEM(年均温度，temperature)呈极显著负相关(P<0.01)；S区PRE、RH、TEM、WS(年均风速，wind speed)均与DDI呈极显著正相关(P<0.01). 3个分区内PRE与RH均呈极显著正相关(P<0.01)；其余气象因子间的相关性存在空间差异.

表4 研究区DDI与气象因素相关系数矩阵

2000—2020年《中国内蒙古统计年鉴》和《蒙古统计年鉴》(Mongolia Statistical Yearbook)数据显示： ①近20年来，研究区各分区人口密度变化不大，人口增长缓慢，C区人口密度远高于D区和S区. ②放牧强度方面，一直呈现S区>D区>C区的规律；C区放牧强度变化不大，总载畜量一直维持在4×106～5×106羊单位的较低水平；D区与S区分别以2008年和2006年为节点，先呈现较大幅度的波动，后持续增长；2019年，D区和S区总载畜量分别突破了6×107和3×107羊单位(见图7). 显然，研究区各分区总载畜量变化趋势与人口变化趋势并不相符，可能与以下几个因素有关. 首先，受游牧文化影响，D区和S区居民对肉食的需求量大，而C区居民可以在腹地获取蔬菜供给，对肉食的需求相对较低. 其次，年鉴显示，蒙古总人口数量一直呈大幅增长趋势，尽管D区和S区人口数量变化不大，但周围区域人口的增加，导致对肉奶等的市场需求增加，间接增大了该区域的放牧强度. 与此同时，中国政府在C区实施的草原生态补助奖励政策，使牧民通过合理放牧，把草原保护好，不必追逐高放牧强度，就可以增加收入.

图7 近20年各分区人口密度及放牧强度的变化趋势Fig.7 The trends of population density and grazing intensity over the past 20 years

3 讨论

利用Albedo-NDVI特征空间，对中蒙毗邻草原区2001年、2010年、2020年的遥感影像进行拟合分析，生成3期DDI指数，并利用自然断裂法对其进行等级划分以实现荒漠化监测分级，监测精度达0.89. 由于荒漠化常伴随着地表理化性质的改变，因此用于荒漠化监测的指标有很多. 刘爱霞等[29]将植被覆盖度(FVC)、改进型土壤调整植被指数(MSAVI)、反照率(Albedo)、陆地表面温度(LST)和土壤湿度(TVDI)5个指标随机组合进行荒漠化监测，发现监测精度会随指标数量的增加而提高；只有2个指标参与监测时，精度范围为0.77～0.87；指标增至5个时，监测精度达0.95. 利用Albedo-NDVI特征空间及DDI荒漠化监测差值指数进行荒漠化监测分级，可在使用较少指标的情况下，获得较高监测精度，且精度大多在0.85以上[26-27,30-34]. 目前，关于Albedo-NDVI特征空间的构建和使用存在差异. 任艳群等[35]利用该方法对准格尔盆地进行了土地荒漠化监测，用一个模型进行多期荒漠化监测，精度为0.87；邹明亮等[27]采用4个模型监测了玛曲县2001—2015年的荒漠化时空动态变化，监测精度高达0.96. 后者监测精度的提升可能与Albedo、NDVI的时间差异性有关，不同时期Albedo与NDVI存在不同的线性关系，多时期共用同一DDI模型可能会降低模型的监测精度. 在拟合Albedo-NDVI 特征方程时，部分研究提取Albedo和NDVI值后，未对各NDVI值所对应的Albedo做提取最大值处理，即在Albedo-NDVI特征空间内随机提取数值点进行拟合，但曾永年等[25]对Albedo-NDVI特征空间和DDI的阐述表明，特征空间的干边散点更能反映土地荒漠化情况，依据干边散点得出的DDI指数的监测精度更高. 笔者利用干边散点拟合了3期DDI指数，时间间隔为10年，总体监测精度为0.89，Kappa系数为0.89，精度高于大多数随机采点的方法.

荒漠化是蒙古高原干旱半干旱地区最严重的生态问题之一，气象因素和人类活动是影响荒漠化地域性和差异性的关键因素[36-38]. 塔米日[24]对蒙古高原东部气象因素动态变化的研究表明，中蒙毗邻草原区年降水量呈“东北多、西南少”的空间分布特征；Shi等[39]等发现，近60年来，中蒙毗邻草原区所属区域的年降水量呈增加趋势；Su等[40]研究表明，内蒙古高原降水量的增加会促进其地表植被的生长恢复. 笔者发现，中蒙毗邻草原区荒漠化程度与年降水量、相对湿度均呈极显著负相关(P<0.01)；近20年来降水量波动增加，促进地表植被的生长恢复，决定了区域荒漠化整体呈逆转趋势. 不同区域的风速、年均温与荒漠化程度的相关性存在差异，可能与气象因子之间的交互作用及下垫面的空间差异性有关，仍待进一步研究.

此外，研究区地广人稀，人口主要集中在城镇及其周边，对草原造成破坏的人类活动主要是过度放牧和矿产资源开采. 资料分析发现，近20年来，研究区中国境内的放牧强度一直维持在较低水平，而蒙古一侧放牧强度一直持续增加，且近10年来增速明显；同时，考虑到蒙古境内数量庞大的黄羊、野驴等野生动物未被纳入统计，蒙古一侧放牧强度可能高于目前的统计数据. 另外，蒙古采矿业极其发达，2019年矿业产值占蒙古工业总产值的57%，其中，东戈壁省北部、中部和南部的3条大型成矿带是重要作业区[41]，对草原造成较大破坏，且因地方较注重追求经济利益，忽视了开矿区草原的保护与恢复，在一定程度上加剧了人为活动造成的荒漠化. 近年来，中国政府高度重视草原的国家生态安全战略定位，先后在内蒙古草原实施了退牧还草、退耕还草、京津风沙源治理、草原生态保护补助和奖励政策等多项重大工程和措施，草原植被不断恢复，土地荒漠化得到有效控制，突出表现为在自然本底和土地荒漠化程度相近的情况下，近20年来中蒙毗邻草原区中国境内的土地荒漠化逆转程度和速率均显著高于蒙古东戈壁省.

4 结论

a) 中蒙毗邻草原区荒漠化程度呈“西高东低、南高北低”的特征. 其中，蒙古东戈壁省以ESD(极重度荒漠化)和SD(重度荒漠化)为主，占研究区总面积的65%以上；中国内蒙古荒漠草原区以SD和MD(中度荒漠化)为主，分别占28.5%和36.1%；蒙古苏赫巴托尔省93%的土地为LD(轻度荒漠化)和ND(未荒漠化)，其中ND面积占比为67%.

b) 近20年来，中蒙毗邻草原区荒漠化程度呈逐步逆转态势，且后10年逆转程度高于前10年. 与2001年相比，2020年ND面积增加了1倍，ESD面积减少了90%；2001—2010年29.97%的荒漠化土地出现不同程度逆转，净逆转面积约 51 360 km2，2010—2020年荒漠化逆转比例为40.26%，净逆转面积约 95 860 km2.

c) 2001—2020年，中蒙毗邻草原区荒漠化逆转程度呈“东高西低”的空间特征. 在分区上，C区的荒漠化净逆转面积占荒漠化净逆转总面积的58.84%，S区占31.30%，D区仅占14.52%；在地理单元上，蒙古苏赫巴托尔省草甸草原和中国内蒙古荒漠草原的土地荒漠化程度出现大幅好转，位于中国境内的极重度荒漠化面积减少了75%以上，但蒙古东戈壁省，除LD面积略有增加外，其他荒漠化类型面积变化不大，其境内的极重度荒漠化面积基本未变.

d) 研究区荒漠化时空分布格局及逆转特征主要受降水以及放牧、矿产开采等人类活动的影响，年降水量决定了荒漠化的演变趋势和基本分布格局，放牧和矿产开采进一步加重了区域荒漠化程度，而生态保护与修复工程推进了荒漠化逆转进程.