“荒漠化”指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润地区的土地退化^[1]。中国荒漠化土地占国土面积的27.9%,95%的荒漠化土地集中在西部^[2],荒漠化的发生发展已给西部荒漠化地区的生态环境、社会经济发展与人民生活造成了严重的危害。科学而准确地掌握荒漠化发展及变化,对荒漠化防治决策具有重要的实践意义。

遥感技术为多时空荒漠化监测与评价提供了良好的平台,遥感在荒漠化监测及评价中的应用已从经验性的目视解译、植被单一指标评价,发展到多遥感指标综合评价及多学科结合评价^[3~11]。但目前的研究仅针对荒漠化进行分析,而没有考虑到荒漠化土地与其他土地类型是如何转换,无法更好的掌握其时空演变过程,本文主要基于1986年、1998年、2004年3期吐鲁番绿洲SPOT遥感影像,采用决策树分类方法,对研究区土地利用信息特别是荒漠化信息进行提取,进而对近20 a研究区荒漠化演变过程进行分析,以期为荒漠化防治提供科学依据。

1 研究区概况及数据

吐鲁番地区位于新疆维吾尔自治区的东部,四周高山环抱,地势低凹,太阳辐射强,加之受塔里木热低压的影响,形成日温特别高,炎热期长,多大风的气候特点。吐鲁番年平均降水量仅为6.9~25.2 mm,而蒸发却极为强烈,年平均蒸发能力为2 727~3 837.8 mm,比降水量高110~540倍^[12]。目前,荒漠化特别是盐渍化已成为吐鲁番最严重的生态环境问题,对地区经济的发展和人民的生活构成了威胁。

本文获取了1986年、1998年、1999年和2004年研究区SPOT遥感数据;70幅1∶5万吐鲁番地形图,覆盖吐鲁番14个乡镇;乡镇行政界线;地下水位等值线图;土壤类型图。在己有资料基础上,与遥感数据同期时段进行了实地调查,记录反映景观特征的植被类型、土地利用类型。通过对地形图矢量化,编辑赋属性,进一步的处理,生成DEM。以1∶5万地形图为参考底图,完成对SPOT数据的几何校正。

2 研究方法

2.1 荒漠化信息提取

1） 分类系统的确立。参考《全国荒漠化普查地类划分及标准》将土地类型化分为非荒漠化土地和荒漠化土地两大类,然后再进行细分^[13]。根据各种荒漠化土地在SPOT数据的光谱特征,将盐碱地、戈壁、风蚀残丘、沙地等类型按照荒漠化成因的不同及荒漠化程度的高低合并为盐碱地、盐漠、轻度风蚀荒漠、中度风蚀荒漠和重度风蚀荒漠。

2） 分类特征分析与筛选。由于SPOT影像波段数较少,不具备丰富的波谱信息,需要增加其它能反映地物特征的信息参与分类^[14]。本研究综合考虑SPOT数据特点和研究区土地利用覆盖特征,选取除SPOT原始波段外K-L-1^[15]、K-L-2、DEM、SLOPE、NDVI、TC1、TC2、TC3、NDMI^[16]、MNF-1共14个波段作为分类特征,形成具有14层数据的数据集。采用Euclidean距离法,计算了不同波段组合下易混淆的土地利用覆盖类型的类间分离性。由SPOT遥感影像原始波段、K-L-1、TC1、TC2、TC3和DEM组成的9层组合分类效果最好。

3） 训练样本选取。耕地、园林地、草地、盐漠、水体、轻度、重度荒漠化在影像上特征明显,训练区容易选择;不同程度盐碱地色调变化不大,选择训练区时较难定出等级,将轻度、中度、重度盐碱地按同一类别选择;中度荒漠化中的白板地、岩质、砾质荒漠土地光谱特征差异较大,对它们分别选择了训练区。这样,研究区总共选择耕地、园林地、草地、盐漠、水体、城镇居民地、沙漠、盐碱地、白板地、砾石、裸岩、荒地12种土地利用/覆盖类型。

4） 建立决策树分类模型。运用最小距离监督分类结果表明：① 农田、园林地、盐漠、水体、白板地、沙漠6种地物分类效果很好,未与其它地物发生混淆;② 城镇居民地与砾石、裸岩发生混淆,在这两种地物中混有大量城镇居民地;③ 盐碱地与荒地发生较严重混淆,特别是轻度盐碱地与荒地较难区分;④ 草地由于植被盖度不同与荒地发生混淆。

除了未发生混淆的6种地物,其余6种地物可依照下述思路提取。裸岩最大高程为590.72 m,最小高程551.72 m,砾石最大高程459.01 m,最小高程0 m;而城镇居民地高程介于-38.91~ -140.38 m之间,因而通过设定阈值,将初次分类中裸岩和砾石高程小于140.38 m的地物分离出来,将其定义为城镇居民地,即可完成城镇居民地提取。草地在TC3特征波段上的值较低,位于-18~ -68 m之间,荒地和盐碱地的特征值均高于-18,将初始分类的荒地和盐碱地中TC3<-18的像元提取出来,将其划分为草地。最后一步就是荒地和盐碱地的划分。荒地和盐碱在最小噪声分离指数MNF上差异较大,荒地在MNF特征波段分布范围为-59.32~ -41.23,而盐碱地分布范围为-38.54~-26.97,以-40为阈值,可将两种地物分离开来。

2.2 荒漠化演变研究方法

土地变化主要体现在土地利用类型变化、数量变化、土地利用程度变化及土地利用变化的区域差异等^[17]。本研究选取变化幅度、变化速度、土地利用/覆盖转化率作为研究吐鲁番绿洲荒漠化演变过程的指标,具体计算方法请见有关文献^[18]。

3 结果及分析

3.1 土地利用/覆盖分类结果

依照上述分类方法,对研究区荒漠化信息进行了提取。3期影像的分类总精度均在80%以上,kappa系数也在0.8以上（图1）。

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图1   吐鲁番绿洲1986年、1998年、2004年土地利用/覆盖分类结果

Fig.1   The land use/cover classification results of Turpan oasis in 1986, 1998 and 2004

根据遥感影像解译结果,统计3个时期研究区土地利用覆盖情况（表1）。结果表明：研究区土地利用结构以荒漠化土地为主体。1986年荒漠化面积占研究区总面积的90.53%,随着城市扩张及耕地、园林地等的开发,荒漠化面积不断缩减,1998年占总面积的83.97%,2004年减少到80.88%。就类型而言,中度风蚀荒漠所占面积最大,其次为轻度风蚀荒漠。不同荒漠化土地变化趋势不尽相同,盐碱地一直处于扩张状态,中度风蚀荒漠和盐漠面积较稳定,轻度风蚀荒漠缩减明显,重度风蚀荒漠相对初始状态扩张也较明显。

3.2 荒漠化动态变化

由表2可知,1986~1998年,研究区轻度风蚀荒漠面积大幅度减少,12 a面积减少502.08 km²,年变化幅度达到-41.84 km²;盐碱地、中度风蚀荒漠和盐漠面积有所增加,盐碱地增幅较大,达到8.23 km²,其变化速度在所有荒漠化土地中位居第一。

1998~2004年轻度风蚀荒漠面积继续以-21.32 km²的年变化幅度缩减,但其它类型与等级的荒漠化土地与前12 a出现不同趋势,中度风蚀荒漠和盐漠有所缩减,年变化幅度达到-44.37 km²;由于不合理的灌溉方式,绿洲内部地下水位不断上升,盐碱地面积得到空前的扩张,6 a间面积增加196.72 km²,年变幅达到32.79 km²,比1986~1998年年均变幅扩大4倍,LUCC空间变化速率和LUCC动态度仍高达34.47%和25.45%;重度风蚀荒漠化在这6 a内扩张明显,面积增加了54.84 km²,年变化幅度达到9.14 km²,比上个12 a高出近20倍,LUCC空间变化速率和动态度分别为增加2.8倍和20.7倍,说明沙漠面积扩张速度惊人,对绿洲生态环境带来了极大影响。

总体来说,进入21世纪,荒漠化土地变化幅度有了较大提高,变化速度加快,特别是重度风蚀荒漠和盐碱地的增幅都较1986~1998年扩大4倍之多,荒漠化扩张非常明显。

3.3 荒漠化转换分析

1986~1998年荒漠化土地面积由4 436 km²减少到4 143 km²,主要是轻度风蚀荒漠面积大幅度减少所致。但其它荒漠化土地面积均呈现增加的趋势。轻度风蚀荒漠减小的面积中有35.8%,16.23%,9.95%,7.22%的面积转化为中度风蚀地、草地、耕地和盐碱地,转出率达到72.56%;中度风蚀地增加的面积主要来源轻度风蚀荒漠化土地的转入,占到1998年中度风蚀荒漠面积的10.49%;重度风蚀地增加的面积也主要来源于中度风蚀和轻度风蚀荒漠;盐碱地增加的面积主要来自中度和轻度风蚀荒漠,两者分别转入33.21 km²和72.44 km²;盐漠增加的面积也分别来自轻度风蚀和中度风蚀荒漠,两者转入的面积占到1998年盐漠面积的66%。可见,荒漠化程度加深,并且转换主要发生在不同类型荒漠之间。

1998~2004年荒漠化总面积继续以25 km²/a的平均速度减少,6 a共减少152 km²。原因仍在于轻度风蚀荒漠的缩减,中度风蚀荒漠和盐漠面积也出现了缩减。轻度风蚀荒漠减小的面积主要转化为中度风蚀荒漠化、草地和盐碱地,三者所占比例达到50%以上;中度风蚀荒漠转出类型主要是盐碱地和草地,转入类型主要是轻度风蚀荒漠;盐漠减少的面积全部转化为盐碱地和中度风蚀荒漠。2004年盐碱地面积大幅度增加,新增面积中,有70%来源于中度风蚀荒漠和轻度风蚀荒漠;重度风蚀荒漠新增的面积主要来源于中度风蚀荒漠和轻度风蚀荒漠。可见,1998~2004年荒漠化土地的转化仍集中于风蚀荒漠化土地、盐碱地和草地内部,不同类型荒漠化土地易发生转化。

从以上分析可以看出,吐鲁番绿洲发生较大规模的土地利用/覆盖类型间的转换,特别是轻度风蚀和中度风蚀荒漠与其它土地利用类型之间转换非常突出。两者与其他土地类型发生的转换占所有土地转换面积的50%。

3.4 荒漠化转移分析

按荒漠化转移的性质,转移过程可分为荒漠化发展和荒漠化逆转两种类型。荒漠化发展表示荒漠化程度加深以及由非荒漠化向荒漠化转化的过程;荒漠化逆转表示荒漠化程度减轻及荒漠化向非荒漠化转化的过程。分别统计了两种转化类型的速度（表3）,结果显示：2个时期荒漠化逆转速度远远高于荒漠化发展速度,充分印证了荒漠化面积缩减的事实,荒漠化治理已取得一定的成效。然而,1998~2004年荒漠化发展速度高于1986~1998年,说明荒漠化得到治理的同时,部分区域荒漠化程度有所加深。

3.5 荒漠化成因分析

吐鲁番荒漠化的形成及发展是多种营力共同作用的结果,干旱气候是土地荒漠化的前提条件,再加上大风的频繁出现,极大程度的加剧了土地荒漠化的形成和发展。地形和人为因素是另一个荒漠化发展的动因,吐鲁番地势低洼,土地内涝严重,地下水矿化度高,加之农业施肥结构不合理,土壤结构趋向板结,地力严重衰退,成为盐碱地发育的有利条件。

4 结论与讨论

1） 研究区荒漠化面积占总面积的80.88%,以风蚀荒漠化及盐碱化为主。不同类型及程度的荒漠化土地变化趋势不同：轻度风蚀荒漠面积减小,中度风蚀荒漠化面积不变,其它荒漠面积增加。盐碱地和重度风蚀荒漠面积扩张非常迅速,两者面积分别增加12倍和2倍。

2） 不同类型荒漠化土地之间易发生转换,特别是轻度风蚀、中度风蚀和盐碱地之间转换幅度较大,这也说明荒漠化土地在自然和人为双重作用下不断演替变化,特殊的自然环境使得吐鲁番荒漠化治理难度加大。

3） 虽然吐鲁番绿洲荒漠化总面积有所缩减,主要原因在于轻度风蚀荒漠化土地的缩减,大部分轻度荒漠化面积转化为荒漠化程度更高的中度风蚀荒漠化。1998~2004年荒漠化年均发展速度比上一个阶段增加18.34 km²,亦充分说明荒漠化程度加深的事实。吐鲁番绿洲荒漠化程度总体来说日趋严重,生态环境问题日益突出。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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