1989年～2015年呼伦贝尔草地沙化监测
2016-07-30徐媛郭秋成张靖
徐媛 郭秋成 张靖
摘要：草地生态系统是我国陆地上分布最广的生态系统，具有重要的生产和生态功能。沙化是草原地区常见的土地退化形式之一。本文以1989年～2015年Landsat TM/OLI遥感影像为数据源，以呼伦贝尔草原区为研究区，利用混合像元分解技术，建立沙化指标，监测该地区草地沙化动态变化。结果表明，该区发生了较严重的草地沙化，但在2009年以后草地严重沙化的趋势得到了缓解，重度沙化逐渐向中度和轻度沙化转变。通过该研究，以期为呼伦贝尔草地沙化治理、可持续发展提供科学依据。
关键词：沙化监测；混合像元分解；呼伦贝尔
1.前言
草地生态系统是我国陆地上分布最广的生态系统，它既是畜牧业不可缺少的生产资料，又是具有不可替代的生态功能。但近年来由于气候因素及超载等人为因素，草原出现大范围的沙化问题。随着遥感技术的发展，以其宏观性、综合性、时间周期短等优势，已成为沙化监测与定量评价的重要数据来源和技术手段。应用遥感技术监测与评价草地沙化，通常包括定性和定量两类方法。早期沙化研究通常通过图像目视、监督分类等定性方法监测；随着定量遥感技术的发展，时间序列分析、反映土壤和植被变化的指数等的出现，沙化定性评价逐渐受到关注；近年来，随着光谱技术的发展，地物端元、光谱分解等也逐渐应用到沙化信息提取，并得到了广泛研究。而对于内蒙古地区特别是呼伦贝尔草原区的沙化情况的研究却鲜有报道。
因此，本文以1989年～2015年Landsat TM/OLI数据为数据源，以呼伦贝尔草原区为研究区，结合国家沙化等级评定指标进行沙化遥感监测，获得该地区草地沙化动态变化情况，以期为呼伦贝尔草地沙化治理、可持续发展提供科学依据。
2.研究方法
2.1研究区概况
研究区位于呼伦贝尔市西南部，于内蒙古自治区东北部。北纬47°55′～49°35′，东经116°30′E～119°40′E，面积26338km2；海拔高度为500m～900m，地势东低西高，分布有三条沙带；年降水量在240mm～400mm之间，平均气温在-1°C～0°C之间；年日照时数可达3000hr，年蒸发量为1600mm。土壤主要类型分别栗钙土，暗栗钙土和黑钙土；属于温性、暖温性典型草原地带，植被类型以丛生禾草、旱生植物占优势的温性典型草原为主。
2.2研究方法
2.2.1草地沙化遥感监测指标
参考《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标（GB19377-2003）》的国家标准，将草地沙化遥感监测指标体系分为两个定量指标：草地总覆盖度相对百分数减少率计算和裸沙面积占草地地表面积的相对百分数增加率。
草地总覆盖度相对百分数减少率计算采用像元二分模型法，将图像像元反射率大致分解位植被和土壤两种组分。
式中，fc表示草地覆盖度，NDVI为归一化植被指数，当前像元值；NDVIveg表示植被覆盖度接近100%时的NDVI值；NDVIsoil表示裸土的NDVI值。利用公式2比较基期年和目标年的草地覆盖度的相对变化率，并将结果参照表1评定草地沙化情况。
式中，DR表示草地总覆盖度相对百分数减少率，fi与fi+x分别为基期年和监测目标年草地覆盖度。
在ENVI5.1软件支持下，基于混合像元分解中的线性波谱分离技术（Linear Spectral Unmixing），利用MNF变换和PPI纯净像元法获取纯沙和纯植被端元的光谱，通过最小二乘法求得两种地物各自所占像元比例。然后利用公式3计算裸沙面积占草地地表面积的相对百分数增加率，并参照表1对草地沙化情况做出监测（公式3）。
式中，SI为裸沙面积占草地地表面积的相对百分数的增加率，SVi与SVi+x分别为基期年和监测目标年裸沙面积占草地地表面积的比率。
将草地总覆盖度相对百分数减少率和裸沙面积占草地地表面积相对百分数增加率分别按照《天然草地退化、沙化、盐渍化的分级指标（GB 19377-2003）》规定的阈值赋值，将分指标的赋值结果相乘，作为综合评定的临界阈值。
3.结果与分析
3.1呼伦贝尔草地沙化变化遥感监测
通过综合草地覆盖度和草地裸沙面积指标的草地沙化监测，以1989年为评价基年，在所研究的5个时间段中，呼伦贝尔草原发生了较严重的沙化，沙化草地分布于整个研究区的大部分区域（图1）。各个时间段都较1989年的草地发生了不同程度的退化：研究时段1989年～1994年是该区沙化最严重的时期，发生重度退化草地的面积达到21788.4km2，占研究区总草地面积的82.7%；研究时段1989年～2000年，沙化扩展的趋势得到缓解，其中重度沙化面积有减少了6.1%，该部分沙化的草地转换为中度沙化草地；研究时段1989年～2004年研究区的重度沙化草地减少到17830.9km2，但仍占67.6%；研究时段1989年～2009年和1989年～2015年，重度沙化草地面积相对于其它研究时段减少了约10%，大部分重度沙化草地转变为中度和轻度沙化草地。
3.2呼伦贝尔草地沙化与降水因素关系分析
呼伦贝尔草地历年降水图见图2。同期降水变化亦呈下降趋势（斜率为-4.5032），1989年～2012年降水量均值294.75mm，总体来看，该区沙化变化与其年降水变化波动方向基本吻合。年降水量变化分可为两个阶段：第一阶段（1989年～1999年）降水均值年波动较剧烈，以4年～5年为周期波动；第二阶段（2000年～2012年），降水均值年波动较为平缓，周期性不明显，且该阶段降水量的均值（256.16mm）低于第一阶段（321.41mm）。
通常情况下，草地沙化的变化随着降水变化而变化，但在该研究中出现两者不同步的现象，与其所对应的草地沙化程度应该也大于时段2000年～2015年，但实际的结果却相反-2000年以后草地沙化的程度开始减轻，特别地2009年以后，草地发生沙化的趋势得到了缓解。呼伦贝尔草原区施行草原保护奖励机制可以解释这种现象：在目前的气候条件下，经过适宜的草原管理，呼伦贝尔沙地的生态环境逐步得到恢复，沙化扩展的趋势得到缓解。
4.结论
本文利用混合像元分解技术技术，以1989年～2015年呼伦贝尔草原区的Landsat TM/OLI为数据源，监测该地区草地沙化动态变化。结果表明在整个研究时段中，该区发生了较严重的草地沙化，面积超过50%的草地都发生严重的沙化现象；但2009年以后，这种草地严重沙化的现象得到了缓解，出现重度沙化向中度和轻度沙化转变的情况。
