基于GIS的洞庭湖区沙化土地空间动态分析

2022-07-14龙京彭海兰竹夏诗禹沈生涛杨佳伟

湖北林业科技 2022年3期

龙京　彭海　兰竹　夏诗禹　沈生涛　杨佳伟

摘要：利用GIS的空间分析功能，以年度遥感影像作为信息源，依靠目视判读、实地调查建立解译标志库，提取2014年和2019年洞庭湖区沙化土地数据。结合实地调查资料分析洞庭湖区沙化土地的空间动态变化情况。结果表明：洞庭湖区2014～2019年间土地沙化情况整体较为稳定，有向好趋势，沙化土地面积减少205.23 hm，流动沙地明显减少，多数转化为固定沙地、半固定沙地;沙化土地植被综合覆盖度有所提升，极重度沙化土地明显减少，但局部地区沙化程度有所加剧。地方政府在研究期内采取的一系列退林还湿、拆除矮围等措施显著遏制土地沙化扩散，但是局部地区沙化土地程度的加剧表明沙化土地的植被修复刻不容缓。

关键词：沙化土地;洞庭湖;空间分布;动态分析;沙化程度

中图分类号：S757.3文献标识码：A文章编号：1004-3020（2022）03-0032-06

Spatial Dynamic Analysis of Desertified Land in

Dongting Lake Area Using GIS

Long Jing Peng Hai Lan Zhu Xia Shiyu Shen Shengtao Yang Jiawei

（1. Hunan Prospecting Design & Research General Institute for Agriculture Forestry & IndustryChangsha410007;

2. Hubei Academy of ForestryWuhan430075）

Abstract：The spatial analysis function of GIS technology， and remote sensing images as the main information source were used，visual interpretation and field investigation was relied on， the understanding and translation mark database was established to extract the desertification land data of Dongting Lake area in 2014 and 2019. Combined with the field survey data， the dynamic changes of sandy land in the study area were analyzed. The results showed that the land desertification in Dongting Lake area was relatively stable and had a good trend from 2014 to 2019. The area of desertification land decreased by 205.23 hm， the mobile sandy land decreased significantly， and most of them were transformed into fixed sandy land and semi fixed sandy land. The comprehensive vegetation coverage of sandy land had been improved， the extremely severe sandy land had been significantly reduced. However， the degree of desertification in some areas had intensified. A series of measures taken by the local government during the study period， such as returning forests to humidity and removing low enclosures， have significantly curbed the spread of land desertification， but the aggravation of the degree of sandy land in some areas shows that the vegetation restoration of sandy land is urgent.

Key words：desertified land; Dongting Lake; spatial distribution; dynamic change; desertification degree

土地沙化是指在土壤侵蚀情况下，表土失去细粒（粉粒、黏粒）而逐渐沙质化，亦或是由于流沙（泥沙）入侵，造成土地生产力降低或者丧失的土地变化现象[1]。土地沙化大多数是指分布在干旱、半干旱生态环境脆弱地区的土地退化现象[2]。中国南方地区的热带、亚热带季风气候环境雨量充沛，森林覆盖率高，难以与大众传统印象中的沙化土地联系在一起[3]。在湖南、福建、江西、湖北等南方省份，土地沙化呈局部扩大化的现象[4]。中国南方地区湿润沙化土地广泛分布，面积达到0.88万km[5]。南方地區不足1万km2的沙化面积，占比较小，但是南方地区广布河流、湖泊，人口密度高于北方沙化地区，沙化危害更为严重[6]。目前针对沙化土地的研究主要集中于中国北方和西北地区，重点在沙化成因、变化机理、变化对区域生态的影响等方面，南方沙化土地特别是洞庭湖区相关研究较少，多围绕沙化现状与治理对策展开讨论。

洞庭湖区是湖南省沙化土地的主要输入区，是典型的南方沙化土地类型，作为两湖平原最大的蓄水空间，曾经号称“八百里洞庭”，由于河道、湖面沙化严重，湖域范围在很长一段时间内逐年萎缩。“十三五”期间，地方政府采取大量措施退林（耕）还湖，治理成效对湖区沙化土地产生何种影响尚未体现。本研究为摸清洞庭湖区土地沙化状况、程度和动态变化，基于GIS技术，依靠2014年和2019年两期遥感影像进行沙化监测，分析两期沙化土地的空间动态变化及演替趋势。掌握湖区沙化土地的动态信息，对区域沙化土地的预测、防治及国土空间规划有重要意义。

1研究区概况

洞庭湖区位于湖南省北部，长江中游，涉及湖南省津市、澧县、武陵、鼎城、安乡、汉寿、赫山、资阳、沅江、南县、望城、湘阴、汨罗、岳阳、岳阳楼、君山、云溪、华容、临湘19个区县[7-8]，湖区在湖南部分土地面积3.17万km，占全省国土面积的15%。湖区是全省乃至全国有名的“粮仓”，社会经济发展水平较高，但同时也是湖南省沙化土地集中分布区。湖区全域地貌类型均属于河湖冲积平原，气候为中亚热带、北亚热带过渡性气候[9]。湖区拥有湘江、资水、沅江、澧水四大河流，与长江的松滋口、太平口、藕池口、调弦口呈辐射状汇聚于洞庭湖。湖盆周长为803.2 km，总容积220亿m，其中天然湖泊容积178亿m，河道容积42亿m [10]。

2数据处理与研究方法

2.1研究数据及预处理

研究对象主要包括洞庭湖区沙化土地范围、有明显沙化趋势的土地以及在研究间隔期内与沙化土地空间动态变化相关的非沙化土地[11]。以兩期遥感影像作为主要的数据来源，在GIS平台进行影像的几何校正、配准、图像拉伸等处理。通过调查试验点情况建立遥感解译标志库，进行室内判读，并运用归一化植被指数（NDVI）进行小班综合植被覆盖度提取，再实地对判读结果开展调查、进行验证，以获取不同时期洞庭湖区沙化土地现状矢量数据。将两期湖区沙化矢量图层进行叠加处理，提取变化区域，实现沙化土地动态变化分析[12]。计算公式如下：

NDVI=（B2-B1）/（B2+B1）

式中，B2为遥感卫星近红外波段（0.78～0.89 μm），B1为遥感卫星红色波段（0.61～0.68 μm）。

2.2监测方法

根据沙化土地分类的相关规程，结合洞庭湖区研究尺度，将区域内沙化土地分为流动沙地、半固定沙地、固定沙地、沙化耕地四类，沙化程度分为轻度、中度、重度、极重度四个等级（表1）。

依托GIS、RS技术，根据遥感解译标志库进行内业区划，外业调查时利用GIS移动端将遥感影像和矢量数据进行现场调查核实，录入相关调查因子。最后汇总归类，提取洞庭湖区沙化土地空间动态变化情况。

3结果分析

3.1沙化土地现状

3.1.1沙化类型与植被覆盖度

从表2可知，2019年洞庭湖区沙化土地总面积为58 278.55 hm，其中土地沙化类型以固定沙地为主，其面积占沙化土地面积97.55%;其次是沙化耕地，面积占比为2.34%。说明洞庭湖区沙化土地类型主要为固定沙地，此类型流动性小，可进行植被修复和综合利用。基于植被NDVI指数的沙化土地植被综合覆盖度显示，沙化土地的主要植被覆盖度主要集中于60%以上，其中盖度≥80%的沙化土地占比达60.76%，盖度70%～79%的沙化土地占比为20.59%。在实地调查中发现大部分沙化土地无乔灌木，植被类型以湖区常见草本为主，覆盖度极高，但是由于季节变化和湖区水位影响，综合覆盖度会呈现规律性动态变化。对比植被覆盖度和沙化土地类型面积分布发现，流动沙地、半固定沙地面积与植被覆盖度成反比，植被覆盖度越低，沙化土地流动性越强。

3.1.2沙化程度

洞庭湖区沙化土地程度分布见图1，湖区沙化土地广泛分布于东洞庭湖和南洞庭湖四周水陆交界处，大面积集聚地主要为“四水”入湖和洞庭湖与长江交汇处，其中又以沅江、澧水的河湖交汇地与其流域的河岸为土地沙化重点区。从沙化程度上来看，湖区沙化土地主要以轻度沙化为主，重度和极重度沙化少量分布于汉寿县、岳阳县、岳阳楼区。

由表3可知，2019年洞庭湖区沙化土地程度主要为轻度和中度，其中轻度沙化面积占比为95.69%，主要类型是固定沙地;中度沙化面积占比为3.51%;极重度沙化面积较小，为28.32 hm，占比0.05%，其类型均为流动沙地，针对极重度沙化土地需要长期监测，分析其流动机制，以降低对下游河道及湖区的输沙影响。

3.2沙化土地动态分析

3.2.1沙化类型及面积变化

洞庭湖区沙化土地在2014～2019年期间减少205.23 hm，减少了0.35%（表4）。从沙化类型上看，沙化土地好转态势较为明显，主要表现为流动沙地明显减少，多数转化为固定沙地、半固定沙地。沙化类型中流动沙地和沙化耕地均减少，减少程度分别为31.81%、21.85%;而半固定沙地和固定沙地面积增加，分别增加35.28%、0.32%;沙化耕地实际减少面积较多，减少比例达21.85%，表明退耕还湖工程效果显著。

洞庭湖区5年间新增沙化土地主要集中于湘江、沅江、澧水的河湖交汇处，其中以湘阴县鹤龙湖镇、南阳镇北部的河湖交汇处新增面积最大，澧水流域的河湖交汇处次之。另一处显著新增沙化土地区域为华容县东北部被长江故道所包围的泥尾洲，或是由于此处水系闭塞，泥沙易淤积。5年间减少沙化土地区域较为分散，多为洞庭湖周边河流沿岸，主要分布于东部的新墙河、汨罗江，西部的资水、澧水以及西北部的松虎洪道、藕池河等。南部的湘江主河道，由于有较强的航运能力，水流较快，其沙化土地范围和面积变化程度较小。

3.2.2植被覆盖度变化

较高的植被综合覆盖度能够明显改善沙化土地类型，减轻沙化程度，对于土地沙化抑制作用显著。由表5可知，洞庭湖沙化土地在2014～2019年期间，土地植被综合覆盖度变化量较多的为70%～79%和≥80%覆盖度等级，其增加和减少量几乎相等，而小于20%植被盖度的面积有较大比例的减少。表中数据变化量最大的区间为覆盖度20%～39%区间，在总面积减少的情况下，说明有局部地区植被综合覆盖度有所降低，会直接影响到其沙化程度。

3.2.3沙化程度变化

由表6可知，洞庭湖区在2014～2019年间沙化土地总面积减少，其中轻度沙化面积减少1 084.53 hm，减少率为1.91%;极重度沙化减少16.20 hm，减少率为36.39%;而中度、重度沙化面积则呈现增大趋势，因为部分原有的轻度沙化转变为中度和重度沙化。沙化土地的程度与植被覆盖度直接相关，局部地区沙化程度的加剧表明土地植被生长较差，结果与表5一致。湖区沙化土地面积减少，但是中度、重度沙化程度面积增加，说明对沙化土地的植被修复已经刻不容缓，避免沙地因植被稀疏而转变为流动沙地等较难恢复的类型。

3.3.4各区县沙化土地变化

从表7种可以看出，洞庭湖区各区县在经过人工造林（种草）、封山（沙）育林（草）等措施后，各区县的土地沙化情況基本向好发展，土地沙化趋势得到较好遏制，沙化面积都处在较为平衡状态，总体沙化面积呈减少趋势，部分区县沙化面积显著减少，平均面积减少变化率为0.35%。其中岳阳县、汨罗市两个湘江流域区县因为通航需求沙地面积减少量较大，减少变化率也较高;而澧县、华容县或是由于澧水上游水电开发较为严重以及长江故道水流缓慢等因素导致沙化面积增量较多，面积变量增加均超过30%。

4结论与讨论

洞庭湖区沙化土地分布区域较为固定，主要分布在湘、资、沅、澧四条流域以及松虎洪道、藕池河、新墙河、汨罗江等河流沿岸及其河湖交汇处。2014～2019年，洞庭湖区沙化土地面积减少205.23 hm，流动沙地明显减少，多数转化为固定沙地、半固定沙地，土地沙化情况整体较为稳定，有向好趋势;沙化土地植被综合覆盖度有所提升，极重度沙化土地明显减少，但中度、重度沙化土地面积增加，说明局部地区沙化土地植被综合覆盖度降低。分析主要原因在于5年间针对洞庭湖区湿地生态环境进行了大量的改善工作，退林（耕）还湖、洞庭湖拆除矮围等行动极大地缓解了湖区行洪压力，增大流速，使泥沙不易淤积，显著抑制沙化土地的扩张。但是局部地区沙化程度的加剧应当引起重视，不但要抑制沙化范围的扩大，也需要对已有沙地进行湿地植被恢复，降低泥沙流动性，使其形成固定沙地。汪丽[11]的研究结果显示，湖南省2009～2014年，土地沙化面积减少59.88 hm，环洞庭湖区县沙化土地面积也显著减少，沙化治理成效显著，这一结果与本研究基于2014～2019年的研究结论趋势基本一致。上一个监测期内沙化土地增加的岳阳县、沅江市、汨罗市等区县在本次监测期内沙化土地面积均大幅度减少，仅华容县为增大地区。洞庭湖区的沙化变化趋势同刘朔[13]在川西、高云昌[14]在河北的研究成果一致，均是整体好转，但局部地区呈现恶化态势，表明积极的退田还湖和植被恢复政策有效改善了湖区沙化土地状况，是湖区沙化防治的有效手段。

防沙治沙是“防治结合”的生态工程，洞庭湖区的治沙工作不能停留在原始的“因沙治沙”阶段，需要通过人为措施使之呈顺向演替趋势，因此针对本文研究结果，有几点探讨。①机械疏浚，挖泥清淤。针对重点地区河湖交汇处的沙地及严重影响河道行洪需求的沙地，应及时采取人工措施进行清淤工作，避免河道堵塞、河床抬高、河道改道等增大居民的汛期遇洪风险[15]，例如前文中湘阴县鹤龙湖镇、南阳镇北部的河湖交汇处新增较大面积的沙地，处在湘江与南洞庭湖的交汇处，既是重要航道，又是汛期泄洪通道，大面积的淤积沙地需要及时疏浚。②恢复植被，保水固沙。对新增沙地以及植被综合覆盖度较低的沙化土地及时进行湿地植被的人工促进更新，减少水蚀和风蚀对沙地的扰动，保持水土，降低沙化程度，避免沙地流动影响下游及湖区安全。③合理开发利用沙地。湖区沙地均是由河湖淤积形成，可对大面积的淤积沙地在枯水期进行无污染利用，例如种植茼蒿、芦笋等可食用湿地植物，既能增大沙地植被覆盖度，防沙固沙，也是践行乡村振兴的有效途径。

参考文献

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