1986～2019年乌拉特后旗荒漠化动态演变及其成因研究

苏丽德，王海兵，左合君

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010018)

1 引言

乌拉特后旗地处内蒙古巴彦淖尔市西北部，北靠蒙古国，拥有195.26 km长的边境线，是我国北方地区重要的生态屏障。乌拉特后旗位于半干旱、干旱过渡地带，常年风大沙多，且其境内分布着巴音温都尔沙漠主要部分白银查干沙漠、本巴台沙漠和海里沙漠，使得当地荒漠化[1～3]情况十分严重，生态环境[4]脆弱。

近代以来由于经济、农牧业、社会的快速发展，当地脆弱的生态环境进一步恶化，土地荒漠化加剧[5,6]，对干旱地区居民的生活和生态健康[7]构成了威胁，而从2000年开始的巴音温都尔沙漠飞播造林治理工程、退牧还草等工程项目的接连启动，使得乌拉特后旗境内土地荒漠化趋势得到了减缓，并对当地脆弱的生态环境起到了一定的恢复作用。荒漠化治理和生态恢复工程实施近19年来对乌拉特后旗荒漠化变化调查也在进行，但是调查方法目前只局限于人工统计[8]变化，且人工调查有着覆盖范围不够全面、信息量少、用时量过长等问题。而相较于人工实地调查[9]，近些年来遥感解译[10,11]分析荒漠化变化以其信息量大、范围广、周期短和监测结果更多样化更详细等优势，为沙漠化、荒漠化[12,13]监测提供了新的思路与手段。如Zongyi Ma等[14]利用NDVI与Albedo特征空间荒漠化差值指数模型对中国的高台县地区进行了荒漠化分析与监测，得出此地区正在处于一个典型的荒漠化过程；刘英等[15]基于NDVI-Albedo特征空间，对黄土高原地区荒漠化和旱情进行了监测，结果表明黄土高原荒漠化和旱情呈明显减少趋势；岳辉等[16]运用NDVI-Albedo特征空间监测模型计算出荒漠化差值指数，并结合植被条件反照度干旱指数，对陕西省荒漠化与干旱情况进行遥感分析和监测。

基于此，本文以乌拉特后旗为研究区，利用NDVI-Albedo特征空间[17]荒漠化监测模型，并提取出荒漠化信息，对研究区域内的荒漠化情况进行分析与监测，并分析荒漠化的成因，为乌拉特后旗荒漠化状况进行科学评价，并提供荒漠化治理建议。

2 研究区概况与研究方法

2.1 研究区概况

乌拉特后旗地处于内蒙古自治区西北部，东经107°05′06″，北纬41°06′46″，属于巴彦淖尔市管辖区，国境线长达195.26 km，总面积为2.5万 km2。乌拉特后旗地处于中温带，是为高原大陆性气候。年平均气温3.8 ℃，平均降水量96～105.9 mm，年均无霜期约130 d，年均冻土深为2.3 m。气候的主要特点为：冬季十分寒冷干燥且风沙多，夏季十分干旱且降雨少，日照十分强烈，蒸发量大。

2.2 数据来源与处理

本文选用乌拉特后旗1986、1991、1996、2000、2006、2010年6～9月份Landsat4-5TM影像，2015、2019年6～9月份Landsat8 OLI 影像，轨道号为129/31、130/31、130/32，共八期24景(云量均低于10%)遥感影像作为数据源。利用ENVI5.3软件对数据进行影像预处理，过程有几何校正、辐射定标、大气校正、影像镶嵌以及利用乌拉特后旗边界矢量图对影像进行剪裁。利用经过预处理的数据计算归一化植被指数(NDVI)，地表反照率(Albedo)则通过S．Liang[18,19]建立的Landsat-TM数据的反演模型来进行计算，利用Excel软件建立的NDVI与Albedo特征空间计算荒漠化差值指数DDI[20]，社会气象数据则从中国气象数据共享网与内蒙古统计年鉴巴彦淖尔篇获取(图1)。

图1 研究区示意

2.3 植被覆盖度遥感估算模型

目前已有很多利用遥感监测植被覆盖度的方法，其中较为实用的监测方法为利用植被指数近似的估算植被覆盖度，常用到的植被指数为NDVI[21]。本文则以李苗苗[22]等基于像元二分模型[23,24]研究出的植被覆盖度模型计算了研究区植被覆盖度。

以下为李苗苗等在基于像元二分模型改进的植被覆盖度监测研究模型：

(1)

在式(1)中,NDVIsoil是无植被覆盖区域或完全裸土的NDVI值，而NDVIveg则是全植被覆盖像元的NDVI值。

3 结果与分析

3.1 乌拉特后旗NDVI-Albedo特征空间

从图2中可以看出，地表反照率(Albedo)与不同荒漠化类型相应的植被指数(NDVI)有着明显的线性负相关性，且8期影像R2值都在0.8以上，这结果说明在NDVI-Albedo特征空间上地表反照率(Albedo)和植被归一化指数(NDVI)有着非常强的线性负相关性。基于NDVI-Albedo特征参数反演乌拉特后旗荒漠化特征具有可靠性。

图2 1986～2019年NDVI-Albedo特征空间模型

3.2 乌拉特后旗荒漠化分布及其面积分析

计算得到1986～2019年DDI影像，以自然间断法(Jenks)将荒漠化分为5类：未荒漠化(1～0.38)；轻度荒漠化(0.38～0.23);中度荒漠化(0.23～0.16)；重度荒漠化(0.16～0.05);极重度荒漠化(0.05～0.55)。利用ArcGis10.5选取典型年份1986年、2000年、2015年和2019年荒漠化分布图(图3)。

利用荒漠化差值指数做成的分类图中分别统计出1986～2019年荒漠化程度面积利用Excel软件做出面积统计表和图(表1、图3)。

由图3可知在空间分布上，巴音温都尔沙漠地区是极重度荒漠化和重度荒漠化区域，其中以海里沙带、本巴台大部分区域在极重度和重度荒漠化分类范围内；巴音查干沙地则以重度和中度荒漠化地区为主；巴音温都尔沙漠的周边地区以中度荒漠化为主；狼山周边地区则以轻度荒漠化为主。

由图3和表1可知，乌拉特后旗荒漠化情况十分严重。在2019年乌拉特后旗荒漠化情况十分严重，近90%的区域都属于荒漠化地区，总面积达到23415.45 km2，主要分布在巴音温都尔沙漠及其周边地区，其中极重度荒漠化分布在海里沙漠和本巴台沙漠，面积为5437.55 km2；重度荒漠化地区主要分布在白银查干沙漠，面积为4285.39 km2；中度荒漠化地区分布在巴音温都尔沙漠及其周边地区，面积为9395.49 km2；轻度荒漠化地区主要分布在狼山周边地区，面积为4297.02 km2。

表1 荒漠化面积统计 km2

图3 1986～2019荒漠化分类空间分布

从荒漠化程度变化来说，极重度荒漠化地区面积总体呈减少趋势，由1986年的5792.31 km2，一直减少到2019年的5437.55 km2；重度荒漠化面积总体呈减少趋势，由1986年的5096.49 km2，持续减少至2019年的4285.39 km2；中度荒漠化面积变化不大，由1986年的9287.11 km2，减少至2015年的8457.35 km2,而后在2019年增大至9395.49 km2；轻度荒漠化面积总体呈增加趋势，由1986年的3214.89 km2,一直增加至2019年的4297.02 km2。33年间研究区荒漠化情况有所恶化，虽然极重度和重度荒漠化面积有所好转，但中度和轻度荒漠化面积明显增加，未荒漠化地区面积也明显减少。

3.3 乌拉特后旗荒漠化演变分析

利用DDI计算得到的荒漠化分类图，在ENVI5.3软件的Thematic Change Workflow分类后比较工具支持下，从1986年到2019年，将荒漠化程度加重称为“恶化”(如未荒漠化土地变化为轻度荒漠化土地)，荒漠化程度跨级增加称为“明显恶化”(如未荒漠化土地变化为重度和极重度荒漠化土地)；相反，荒漠化程度降低则称为“好转”，跨级降低则称为“明显好转”，荒漠化程度前后两期保持不变则称为“无变化”，对比出荒漠化空间动态变化图(图4)。

由图4、表2可知，1986～2019年，荒漠化情况明显好转地区分布在乌拉特后旗南部地区本巴台沙漠区域为主，还有一部分分布在西南部地区；好转地区分布在东部地区和中北部地区，恶化地区东南部和西部地区。

表2 1986～2019荒漠化土地变化矩阵 km2

图4 荒漠化空间发展变化

从1986～2019年约近33年间，总土地转移面积7223.76 km2，占研究区总面积的29.60%。其中极重度荒漠化面积共转移了1899.43 km2，转化为中度荒漠化面积为1146.20 km2，转化为轻度荒漠化面积为580.87 km2，最终极重度荒漠化地区总面积减少了354.76 km2，极重度荒漠化地区往中度转移较多，极重度荒漠化情况有所好转；重度荒漠化面积转移了1566.72 km2，其中转化为中度荒漠化土地面积为1362.26 km2，转化其他荒漠化类型的较少，最终重度荒漠化土地面积减少了611.10 km2，重度荒漠化土地情况明显好转了；中度荒漠化面积共转移了2596.43 km2，其中转化为极重度荒漠化面积为1231.76 km2，转化为重度荒漠化面积为694.11 km2，最终中度荒漠化总面积增加了108.37 km2，中度荒漠化情况有所恶化；轻度荒漠化土地面积转移了564.81 km2，转化为极重度荒漠化土地面积为189.26 km2，转化为未荒漠化土地面积为288.86 km2，最终轻度荒漠化土地总面积增加了1082.14 km2，轻度荒漠化情况明显恶化；未荒漠化转移了596.37 km2，分别转化为中度和轻度荒漠化土地面积为113.05 km2和363.11 km2，未荒漠化土地面积减少了25.58 km2。可以看出，总体荒漠化情况有所恶化。

3.3 乌拉特后旗荒漠化成因分析

3.3.1 自然因素

(1)植被覆盖度。利用归一化植被指数(NDVI)定量估算植被覆盖度的模型，计算出1986到2019年共8期乌拉特后旗植被覆盖度图，并结合ArcGis10.5中计算出各期植被覆盖度区域面积。由图5可知，从1986到2019年近33年间，荒漠化面积和植被覆盖度面积呈剧烈波动性变化，随着荒漠化面积的增加植被覆盖度下降，而随着植被覆盖度的增加荒漠化面积下降，可以看出植被覆盖度变化是荒漠化情况变化的影响因子。

图5 荒漠化面积与高植被区域面积变化对比

(2)降水量、气温。从图6可知，1986～2019年间，研究区平均气温变化很大，在1986～2000年间平均气温在5～6 ℃之间，而从2000年开始气温增加，尤其从2014年开始平均气温到了6～7 ℃之间；降雨量变化则呈剧烈的波动性，在100～300 mm之间浮动。结合降水量、气温变化与荒漠化面积变化对比图，可以得出随着气温和降水的上升，荒漠化面积明显减少，而气温和降水量下降使荒漠化面积上升。

图6 平均气温和降水变化与荒漠化面积变化对比

3.3.2 人为因素

(1)人口、牲畜。乌拉特后旗历年人口和牲畜的统计数据显示(图7)，从1986～2019年间人口一直处于增长趋势，从1986年的4.3万人增长到2018年的5.8万人，人口的不断增长会给土地带来一定的压力，人口越多土地的压力也会增加，近33年来乌拉特后旗荒漠化情况加重，一定程度上是受了人口增长的影响。1986～2018年间牲畜的头数有增加的趋势，但波动性较大，1986～2000年间牲畜头数增长很快从1986年的30万头到2000年的60万头，2000～2018年间则呈减少趋势。牲畜头数的变化与该地区畜牧业的发展情况、围封禁牧政策、舍饲圈养等原因密切相关，牲畜头数的减少会减轻草场的一部分压力，对植被的恢复有一定的促进作用。

图7 1986～2019年人口、牲畜变化

(2)政策因素。2000年开始的根据国家《国务院关于进一步做好退牧还林(草)试点工作》《内蒙古自治区禁牧和草畜平衡监督管理办法》《乌拉特后旗巴音温都尔沙漠风蚀沙化区综合治理规划》等一系列政策的实施，使得乌拉特后旗境内土地荒漠化趋势得到了减缓，并对当地生态环境起到了一定的恢复作用，牲畜量开始明显减少，而随着牲畜量的减少，乌拉特后旗植被覆盖度也有明显的上升，植被覆盖度的增加相应的减少了荒漠化地区面积(图8)。

图8 植被覆盖度与牲畜数量对比

4 结语

本文以乌拉特后旗巴音温都尔沙漠为研究对象，以1986～2019年的LandsatTM、OLI数据为基础，建立NDVI-Albedo特征空间，利用荒漠化差值指数(DDI)结合研究区社会经济数据分析该研究区土地荒漠化动态变化规律和成因，结论如下。

(1)乌拉特后旗荒漠化情况十分恶劣，荒漠化地区占旗面积的90%。近33年间，荒漠化地区扩展速率为0.8%，虽然荒漠化扩展速度缓慢，但在缓慢扩展的同时，主要表现在荒漠化程度进一步加重。

(2)荒漠化地区总面积由1986年的23390.8 km2增加至2019年的23415.45 km2。极重度荒漠化和重度荒漠化情况有所好转，由1986年的5792.31 km2和5096.49 km2，减少为2019年的5437.55 km2和4285.39 km2，中度荒漠化和轻度荒漠化情况则明显恶化，从1986年的9287.11 km2和3214.89 km2，增加到9395.49 km2和4297.02 km2。

(3)通过对研究区荒漠化变化成因分析发现，在1986年到2000年间，荒漠化情况加重，影响其的主要因子是以降水、气温和植被为主的自然因素，气温和降水的下降使得植被覆盖度减少，从而使荒漠化情况恶化。而从2000年开始，因国家和地方一系列政策和工程的实施，人为因素变为荒漠化情况变化的主导因子，在工程和政策施行后植被覆盖度明显上升，荒漠化情况明显好转。

(4)结合近33年遥感影像动态变化分析解译，乌拉特后旗荒漠化防治重点区域应以海里沙漠、白音查干沙漠和本巴台沙漠组成巴音温都尔沙漠周边荒漠化严重地区为主。