乌珠穆沁伏沙区近40年沙漠化时空变化特征分析

呼斯冷，包玉龙，2，银 山

（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010022）

乌珠穆沁草原作为内蒙古最为典型的温带草原，在碳储存和减缓气候变化中发挥着关键作用，是当地发展畜牧业的重要经济资源［1］。但由于人们对草原的科学认识不足、不顾草原承载力而增加牲畜数量，使自然平衡遭到破坏，导致乌珠穆沁草原生态环境急剧恶化，植被草群盖度、高度、产量和牧草频度大幅度下降，裸地大幅度增加，地表风蚀沙化严重［2］。自1997年以来，风沙每年吞食天然草场666.67 hm2，对当地生态环境、经济发展和生命安全构成了严重威胁［3］。因此，改良沙地、控制沙源、恢复植被等成为当地生态环境保护与利用的重点工作。

做好沙漠化监测是加快防治沙漠化速度、提高防治效率、遏制沙漠化扩展的前提［4］。区域沙漠化监测一直是沙地生态环境研究的热点问题之一［5］。乌珠穆沁草原分布着许多大小不一的伏沙地，它们通常范围小，成土过程和土壤结构较为特殊，一旦遭到外界扰动，极易形成连片的显化沙地。然而，小型伏沙地的修复与保护工作成本低、相对简单。若能在其沙漠化发生、发展前进行有效的预防与治理，必将带来较高的生态环境效益。目前，关于乌珠穆沁伏沙区土壤、植被与伏沙区成因机理等方面已有不少研究［6-9］，但其长时期的沙漠化演变过程及特征仍需得到进一步关注。因此，笔者以乌珠穆沁伏沙区已沙化的小型沙地为例，分析其近40年沙漠化时空演变特征、扩张模式和方向，以期为当地沙漠化防治工作提供数据支持。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区锡林郭勒盟东乌珠穆沁旗乌里雅斯太镇往北80 km处乌珠穆沁伏沙地北部的霍尔其格沙地（46°00′~46°30′N，116°50′~117°00′E）。霍尔其格沙地分为东西两部分，东部为面积较小，形状为圆形；西部沙地为南北拉长的长条形，在沙地西侧有霍尔其格河。该区气候属北温带大陆性气候，夏季平均气温在0 ℃以上，7月最炎热，1月最寒冷；年降水量为270 mm，集中在6—9月份；年均风速为3.5 m·s-1，全年西南风较多，大风天气高达56 d，多发生在春季；土壤以黑钙土为主，植被类型主要有沙地草甸（优势种为苔草，Carexduriuscula）、灌木林（优势种为褐沙蒿，Artemisiadesertorum）、灌丛化草地（优势种为小叶锦鸡儿，Caraganamicrophylla）和稀疏林（优势种为榆树，Ulmuspumila）。

1.2 数据源与处理

Landsat卫星数据具有多波段优势，地面分辨率高，时间跨度大，非常适用于小区域尺度的沙漠化遥感监测。从美国地质调查局网站（http：//glovis.usgs.gov/）下载研究区10期遥感影像（表1），空间分辨率为30 m。影像选择标准为：选择研究区内云量低于10%且地物特征较为明显的7—9月的影像。在此基础上，使用ENVI5.3 软件中的辐射定标和FLAASH 模块对图像进行辐射和大气校正。所有影像均采用WGS1984椭球投影和Albers投影。最后，对Landsat影像进行假彩色合成。伏沙活化过程中风蚀作用强烈，再加上人们采取的生态保护措施（如网围栏），使得两侧显化的沙地有了明显不同的景观。因此，利用目视解译方法对沙地范围进行了提取，并以此界限进行裁剪，获取了研究区10 年的待解译遥感影像数据集。

表1 遥感影像信息Tab. 1 Information of remote sensing image

1.3 研究方法

1.3.1 沙漠化信息提取

沙漠化指标体系是土地沙漠化评价的核心内容，是判断土地沙漠化发生及其程度的标准［10］。本研究沙漠化程度划分主要参考国家“中国北方沙漠化过程及其防治研究”所制定的沙漠化遥感监测分类体系标准［11］以及国内外比较常用的“四分法”［12］，将研究区沙漠化分为轻度、中度、重度和严重等4类。分类系统、解释标志和图像特征见表2。

表2 沙漠化土地分类指标体系Tab. 2 Classification indicator system of aeolian desertification

1.3.2 重心迁移模型

近年来，人们利用人口地理学中的人口重心原理分析了沙漠化重心的迁移过程及沙漠化的时空变化［13］。本研究利用重力中心变化模型计算了不同类型沙漠化土地的重力中心分布及其迁移距离，以描述其空间变化特征。计算采用方程式如下：

式中：Xt、Yt分别为t年沙漠化土地分布的纬向坐标和纵向坐标；Cti为t年i型沙漠化土地面积；Xi和Yi为i型沙漠化土地的重力中心的经纬度。

1.3.3 景观扩张指数

景观扩展指数LEI（Landscape Expansion Index，LEI）用于城市扩张研究，主要通过缓冲区分析观察新增斑块和原有斑块的接触面积，从而对斑块扩张类型进行识别［14］。考虑到沙漠化的扩张与城市景观扩张的相似性，故引入景观扩张指数，分析近40年霍尔其格沙地的严重和中度沙漠化土地（由于研究区内严重沙漠化土地面积相对较小，因此，将严重和重度沙漠化土地的和作为研究区沙漠化土地的扩张）的扩张模式和形态，并对不同斑块的数量和比率进行了统计，以便进一步分析研究区沙漠化土地的扩张特征。景观扩张分为3个模式（图1）：填充式——新增景观斑块填充原有景观斑块；边缘式——新增景观斑块沿着原有景观斑块的边缘扩张出去；飞地式——新增景观斑块与原有景观斑块处于分离状态。其计算公式如下：

图1 景观扩张的空间模式Fig. 1 Spatial patterns of landscape expansion

式中，LEI代表景观扩展指数，根据LEI的范围，可将新增斑块类型定义如下：50＜LEI≤100时定义为填充式，0≤LEI≤50时定义为边缘式，LEI=0时定义为飞地式；Ao代表缓冲区与原有斑块的交集；Av代表缓冲区与空白（非重度和非严重沙漠化）斑块的交集。根据前人研究，本研究中将缓冲区范围设置成跟影像大小一致［15］。

2 结果与分析

2.1 沙漠化土地面积变化

表3为霍尔其格沙地近40年不同类型沙漠化土地面积及其比重统计情况。由表3可以看出，霍尔其格沙地1987—2022 年近40 年的沙漠化土地发展情况呈逆转（1987—1995）—扩张（1995—1999）—逆转（1999—2003）—扩张（20032015）—逆转（2015—2022）的发展格局。1987—2022年，霍尔其格沙地沙漠化过程总体呈逆转趋势，但波动较为剧烈。近40年来，霍尔其格沙地主要逆转类型以重度沙漠化和严重沙漠化土地为主，其面积从1987年的78.82 km2和32.58 km2减少到2022年的35.25 km2和18.15 km2，说明该区沙漠化程度明显降低，但两者仍占较大比重，是研究区主要的沙漠化土地类型。

表3 霍尔其格沙地近40年沙漠化土地面积及其比重Tab. 3 The areas and proportion of desertification land in Holchig sandy land in recent 40 years

1987年，重度和严重沙漠化土地占研究区土地面积的75.37%，轻度沙漠化土地面积为8.92 km2，仅占6.03%，说明20世纪80年代霍尔其格沙地沙漠化形势较为严峻，且一直持续至20世纪90年代末。而在1999—2003年期间，沙漠化土地发生大幅逆转，主要类型是重度沙漠化土地转变为中度沙漠化土地。与1999年相比，2003年重度沙漠化土地面积减少了24.79 km2，中度沙漠化土地则增加了42.42 km2（占研究区总面积的49.86%），这与该时期围封禁牧、京津风沙源治理等工程的开始实施有关［16］。此外，该时期气候相对湿润［17-18］，有利于植被恢复。然而，成土过程不完备导致伏沙地生态系统非常脆弱，而在对其了解甚少的情况下的盲目实施“生态建设”工程，会使伏沙地存在大面积显化的风险［19］。在2003—2019年期间，严重、重度沙漠化土地面积再次出现波动增加现象。直至2022年时，严重沙漠化土地面积与2003年相比，减少了12.03 km2，重度沙漠化土地面积减少了4.60 km2。这可能与2015年后内蒙古自治区相继启动新一轮退耕还林（草）、沙地禁封保护区试点等重大工程项目且生态工程效益凸显有关［20］。

2.2 沙漠化土地空间分布

霍尔其格沙地沙漠化土地空间分布情况见图2。由图2可以看出，1987—2003年，严重沙漠化土地集中分布在研究区的南侧，主体由东南向西北方向呈带状分布，2003年以后开始变得零星分布；重度沙漠化土地主要集中于研究区中部，部分零散分布于严重沙漠化土地的东侧，从2007年开始慢慢主导研究区沙漠化发展，到2022年时大量减少，仅在研究区东南部分布，重度沙漠化与严重沙漠化紧密相连，这也是严重、重度沙漠化土地相互转换最为频繁的原因；近40年间，中度沙漠化土地一直分布在研究区西北部，但有向研究区中部扩张趋势；轻度沙漠化土地刚开始呈带状分布于严重沙漠化土地的南侧边缘，但从2007年开始逐渐分布于研究区中部和南部大部分区域，这表明研究区沙漠化逐渐逆转。

图2 霍尔其格沙地沙漠化土地空间分布Fig. 2 Spatial distribution of land desertification in Holchig sandy land

2.3 沙地扩张模式和扩张方向

霍尔其格沙地重度、严重沙漠化土地的景观扩张类型见图3。由图3可知，近40年来，霍尔其格沙地的严重、重度沙漠化土地主要通过边缘扩张进行，其次是填充式和飞地式扩张。重度、严重沙漠化土地的景观斑块在1991—1995 年期间主要以填充式扩张为主，其斑块占比63.78%，而其他时间段均以边缘扩张为主，说明这期间沙地的扩张更为破碎和分散。在研究期间，扩张斑块数目在2007—2011年最多，为6 391个斑块，而在1999—2003年期间最少，只有3 191个斑块。在1987—2007年期间，扩张斑块数目较稳定，最多时达到5 345个；而在2007—2022年期间，扩张斑块有增加趋势。2007—2019年是近40年霍尔其格沙地沙漠化斑块扩张最为剧烈的时段，表现为大面积地边缘式扩张，说明霍尔其格沙地沙漠化土地在严重和重度沙漠化土地的边缘扩张最为剧烈，因此，在沙地周边作业时，建议避免制造不必要的风蚀场地，否则容易促成沙漠化。而填充式扩张斑块总数的起伏变化最大，表明研究区沙漠化发展/恢复不稳定，因此，保护已有的治沙成果和加大治沙力度同样重要。飞地式扩张最不明显，但研究结果表明，在研究区北部普遍分布着飞地式扩张斑块，因此，在北部应减少农业活动强度，避免让中度沙漠化土地（主要分布在研究区北部）发展成重度或严重沙漠化土地［16］。

图3 霍尔其格沙地重度、严重沙漠化土地的景观扩张类型Fig. 3 Landscape expansion types of severe and serious desertification land in Horchig sandy land

研究结果显示，1987—2022年，方形沙地的轻度、中度、重度和严重沙漠化土地重心分别向西北迁移了4.679 km，向东南迁移了4.215 km，向西北迁移了1.652 km，向西北迁移了1.366 km；圆形沙地的轻度、中度、重度和严重沙漠化土地重心分别向东北迁移了0.479 km，向北迁移了1.335 km，向东北迁移了0.885 km，向西北迁移了0.347 km。总的来看，方形沙地各类型沙漠化土地重心向沙地中央逐渐集中，上述研究结果表明，方形沙地沙漠化土地逐渐在萎缩且向好转的方向发展；而圆形沙地的重心向东北移动，说明有向该方向扩张的趋势。这表明2个具有相同自然环境的沙漠地区的扩张或收缩程度不同，其原因可能是由于人类活动对2个沙地的利用强度不同所致。整体上来看，研究区沙漠化趋于逆转。然而，由于霍尔其格沙地处于风口处，并且多年均温呈显著上升、降水量和相对湿度显著下降趋势，使该地区发生暖干化现象［21］，再加上人类活动的影响，导致该地区生态环境依旧脆弱，仍存在大面积沙化风险。

3 结论

基于Landsat系列卫星影像数据，对霍尔其格沙地近40年沙漠化时空变化特征进行了动态监测，主要结论如下：（1）近40年来，霍尔其格沙地主要逆转类型以重度沙漠化和严重沙漠化土地为主，其面积从1987年的78.82 km2和32.58 km2减少到2022年的35.25 km2和18.15 km2，说明该区沙漠化程度明显降低，但两者仍占较大比重，是研究区主要的沙漠化土地类型；（2）严重沙漠化土地集中分布在研究区南侧，主体由东南向西北方向呈带状分布，2003年之后开始变得零星分布；重度沙漠化土地主要集中于研究区中部，部分零散分布于严重沙漠化土地的东侧；中度沙漠化土地一直分布于研究区西北部；轻度沙漠化土地刚开始呈带状分布于严重沙漠化土地的南侧边缘，但从2007年开始逐渐分布在研究区中部和南部大部分区域；（3）从扩张模式来看，近40年来，霍尔其格沙地的严重、重度沙漠化土地主要通过边缘扩张进行，其次是填充式和飞地式扩张；从扩张方向来看，方形沙地的各类型沙漠化土地重心向沙地中央逐渐集中，表明沙漠化土地逐渐在萎缩且向逆转的方向发展，而圆形沙地的重心向东北移动，有向该方向扩张的趋势。