基于RS與GIS的理塘縣沙化治理重點(diǎn)工程區(qū)沙化土地動(dòng)態(tài)變化分析

劉朔, 陳天文, 楊建勇, 蔡凡隆

1. 四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，四川 成都，610081；

2. 四川省長(zhǎng)江造林局，四川 宜賓，644600

基于RS與GIS技術(shù)的應(yīng)用為分析沙化土地時(shí)空變化趨勢(shì)及其分布格局提供了技術(shù)手段，也為利用轉(zhuǎn)移矩陣方法分析沙化土地內(nèi)部不同沙化類型的轉(zhuǎn)移情況提供了技術(shù)保障。以理塘縣沙化治理重點(diǎn)工程區(qū)為研究區(qū)，通過(guò)對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，構(gòu)建了沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣，分析其在5年內(nèi)沙化土地結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程及其動(dòng)態(tài)特征，并將主要治理模式與動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行空間疊加分析，宏觀評(píng)估了各模式的治理成效，為理解沙化土地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化提供了新思路，對(duì)理塘縣乃至川西北沙化土地治理工程宏觀成效評(píng)估具有現(xiàn)實(shí)意義。研究區(qū)在2007—2012年間針對(duì)不同沙地類型主要實(shí)施了人工種草（低用量）、人工種草（高用量）、植灌種草、客土+人工種草、客土+植灌種草、沙障+植灌種草等6大治理模式（見表1），在部分沖蝕溝設(shè)置了擋沙墻、治理區(qū)進(jìn)行了圍欄封禁。2013—2017年，研究區(qū)主要開展了以前期沙化治理成果鞏固為目標(biāo)的防治工作[1]。

表1 研究區(qū)主要沙化土地治理模式表Tab.1 Main desertification land control measures in thestudy area

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)源

研究所用Landsat 8遙感影像來(lái)自“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站，數(shù)據(jù)源包括2013年Landsat 8遙感影像和2018年Landsat 8遙感影像各1景（見表2）。遙感影像選擇原則：（1）以影像質(zhì)量完好，確保研究區(qū)范圍云層覆蓋量盡可能少為原則（2018年的影像云量11.05%，但經(jīng)過(guò)判斷不影響研究區(qū)域）（2）選取研究區(qū)植被生長(zhǎng)季節(jié)期內(nèi)遙感影像，有利于沙漠化信息的識(shí)別與提取?；A(chǔ)數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1：5萬(wàn)地形圖，以及影像解譯輔助分類相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：（1）2013年和2018年研究區(qū)的谷歌地圖；（2）2013年涉及研究區(qū)的76個(gè)野外典型沙地類型調(diào)查樣地資料；（3）2018年涉及研究區(qū)的72個(gè)野外典型沙地類型調(diào)查樣地資料。同時(shí)，也收集了2007—2017年間研究區(qū)相關(guān)沙化治理模式布局圖等。

表2 遙感影像主要信息表Tab.2 Main information of remotesensing images

1.2 遙感影像解譯

遙感影像數(shù)據(jù)的預(yù)處理及解譯工作全部在Arcgis10.2軟件中進(jìn)行，包括投影轉(zhuǎn)換、影像裁剪、影像幾何校正（通過(guò)1：5萬(wàn)地形圖進(jìn)行）等，采用監(jiān)督分類中的最大似然法進(jìn)行分類，波段組合選擇為654。再將波段組合后的數(shù)據(jù)（分辨率30 m）與第8波段（分辨率15 m的全色波段）進(jìn)行影像融合，得到分辨率約15 m的假彩色影像初步數(shù)據(jù)。參照國(guó)內(nèi)沙漠化遙感監(jiān)測(cè)分類體系標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)成果[2-5]，根據(jù)地表流沙面積百分比、植被覆蓋度以及地表景觀特征將沙化類型確定分為輕度沙地、中度沙地、重度沙地、極重度沙地4大類（見表3），結(jié)合2013年和2018年的谷歌高清影像和隨機(jī)抽取的50%野外典型沙地類型調(diào)查樣地資料創(chuàng)建了4類沙化土地類型的訓(xùn)練樣本，采用最大似然法進(jìn)行解譯，并對(duì)解譯后的初步成果進(jìn)行影像的平滑相關(guān)處理，并消除3個(gè)像元及以下的“孤島”，得到解譯成果柵格數(shù)據(jù)，并將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為矢量數(shù)據(jù)。再用剩余50%野外典型沙地類型調(diào)查樣地資料對(duì)解譯成果進(jìn)行對(duì)比分析，解譯準(zhǔn)確度分別89.5%和88.9%，均在80%以上，滿足研究要求。

1.3 沙化土地類型轉(zhuǎn)化分析

在Arcgis10.2對(duì)中兩期沙化土地類型圖進(jìn)行疊加分析對(duì)獲得的交集圖層屬性表賦值并計(jì)算其面積，再導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并在EXCEL中通過(guò)數(shù)據(jù)透視表分析提取沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣。土地類型轉(zhuǎn)移矩陣動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)通常用動(dòng)態(tài)度（D）反映[6-7]。單一沙化土地類型動(dòng)態(tài)度表達(dá)的是研究區(qū)域一定時(shí)段范圍內(nèi)某土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達(dá)式為：

其中，LC代表在研究時(shí)間內(nèi)某一種沙化土地類型動(dòng)態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究剛開始和研究結(jié)束時(shí)某一種沙化土地類型的總面積；T表示研究期的總時(shí)長(zhǎng)，把T的單位設(shè)定為年時(shí)，LC就可以表示某一種沙化土地類型的年變化率。本研究通過(guò)年變化率來(lái)定量描述區(qū)域沙化土地類型變化的速度，比較沙化土地類型變化的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙化土地類型空間分布特征

2013年研究區(qū)沙化土地總面積1 510.2225 hm2，其中輕度、中度、重度和極重度沙化土地面積分別為753.2775 hm2，229.9725 hm2，346.9725 hm2和180 hm2，分別占研究區(qū)沙化土地總面積的49.88%、15.23%、22.97%和11.92%，輕度沙化土地面積分布最廣，其次是重度、中度、極重度（見圖1）。極重度、重度沙地主要分布在丘陵中下部，呈相對(duì)集中連片、連塊分布，主要原因是上世紀(jì)70年代在該區(qū)域大量成片取草皮，導(dǎo)致研究區(qū)草皮層下砂質(zhì)土壤出露成沙；重度沙地和中度沙地多分布在極重度沙地附近，主要是過(guò)度放牧加之夏季降水集中，沖蝕加劇；輕度沙地分布廣泛，主要分布在高原丘陵的中上部，人為干擾相對(duì)較小。

2018年研究區(qū)沙化土地總面積1510.2225 hm2，其中輕度、中度、重度和極重度沙化土地面積分別 為952.965 hm2，116.3925 hm2，363.06 hm2和77.805 hm2，分別占研究區(qū)沙化土地總面積的63.10%、7.71%、24.04%和5.15%，輕度沙化土地面積分布最廣，其次是重度、中度、極重度（見圖1）。與2013年相比，極重度沙地和中度沙地分布總體上呈現(xiàn)“收縮”狀態(tài)，而重度沙地和輕度沙地分布呈現(xiàn)“擴(kuò)展”狀態(tài)，主要原因是相關(guān)治理和管護(hù)模式使得部分極重度沙地逆轉(zhuǎn)為重度沙地，部分中度沙地逆轉(zhuǎn)為輕度沙地。

圖1 研究區(qū)沙化土地類型空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of desertification land typesin thestudy area

2.2 沙化土地動(dòng)態(tài)變化特征

總體來(lái)看，2013—2018年的5年研究區(qū)沙化土地總體呈逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，表現(xiàn)在：極重度面積減少102.195 hm2，年均減少11.36%；中度面積減少113.58 hm2，年均減少9.88%；輕度面積增加199.6875 hm2，年均增加5.30%；重度面積變化不大，年均增加0.93%。從各類沙化土地面積看，沙化程度相對(duì)嚴(yán)重的中度、重度、極重度沙地總面積由2013年的756.945 hm2下降到2018年的557.2575 hm2，下降幅度達(dá)26.38%，逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)明顯。

由表4、表5可知：（1）極重度面積由2013年的180 hm2減少到77.805 hm2，共減少102.195 hm2，年均減少達(dá)11.36%，主要逆轉(zhuǎn)為重度和中度沙地。具體動(dòng)態(tài)變化包括：①減少面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共減少面積110.5857 hm2，主要逆轉(zhuǎn)為重度和中度；②增加面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共增加面積8.3925hm2，主要來(lái)源于重度和中度沙地惡化。（2）重度面積由2013年的346.9725 hm2增加到363.06 hm2，共增加16.0875 hm2，年均增加0.93%，主要是一部分極重度逆轉(zhuǎn)為了重度沙地，還有一部分是由中度、輕度沙地惡化所致。具體動(dòng)態(tài)變化包括：①減少面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共減少面積149.265 hm2，主要來(lái)源于中度、輕度的沙地逆轉(zhuǎn)；②增加面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共增加面積165.3525 hm2，主要來(lái)源于極重度逆轉(zhuǎn)和中度沙地，少部分來(lái)源于中度、輕度惡化。（3）中度面積由2013年的229.9725 hm2減少到116.3925 hm2，共減少113.58 hm2，年均減少達(dá)9.88%，主要逆轉(zhuǎn)為輕度沙地。具體動(dòng)態(tài)變化包括：①減少面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共減少面積220.7025 hm2，主要來(lái)源于輕度沙地逆轉(zhuǎn)以及惡化為重度沙地；②增加面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共增加面積107.1225 hm2，主要來(lái)源于重度和極重度沙地逆轉(zhuǎn)。（4）輕度面積由2013年的753.2775 hm2增加到952.965 hm2，共增加199.6875 hm2，年均增加5.30%，主要是中重、重度沙地逆轉(zhuǎn)為了輕度沙地。具體動(dòng)態(tài)變化包括：①減少面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共減少面積20.205 hm2，主要是惡化為中度、重度、極重度沙地；②增加面積及來(lái)源結(jié)構(gòu)：共增加面積219.8925 hm2，主要來(lái)源于中度、重度逆轉(zhuǎn)為輕度沙地。

表4 研究區(qū)沙化土地類型總體變化情況表Tab.4 Overall change of desertification land types in thestudy area

表5 研究區(qū)沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 Transition matrix of desertification land types in the study area

2.3 主要沙化治理模式與沙地類型動(dòng)態(tài)變化的關(guān)系

將研究區(qū)內(nèi)6大治理模式GIS圖層與2013年的遙感解譯的沙化土地類型矢量圖層進(jìn)行空間疊加分析，提取了各類模式實(shí)施面積及與沙地面積動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)的關(guān)系表（見表6）。

由表6可知：（1）人工種草（低用量）模式可以明顯遏制輕度沙地退化，其惡化面積比例僅3.64%；但對(duì)中度、重度、極重度治理效果較差，逆轉(zhuǎn)面積比例分別僅為10.88%、5.10%、6.72%，且中度沙地的惡化比例達(dá)86.72%，重度、極重度沙地的現(xiàn)狀保持面積比例分別高達(dá)93.63%、93.28%，說(shuō)明該模式無(wú)法遏制中度沙地的進(jìn)一步退化，對(duì)重度和極重度沙地治理基本沒有效果。（2）人工種草（高用量）模式對(duì)輕度、中度沙地治理效果較好，可以明顯遏制輕度沙地退化，其惡化面積比例僅3.47%；對(duì)中度沙地逆轉(zhuǎn)比例為78.85%；對(duì)重度沙地有一定效果，逆轉(zhuǎn)比例為34.20%。（3）植灌種草模式對(duì)輕度、中度沙地治理效果較好，對(duì)重度、極重度沙地也有一定效果，其中：輕度沙地惡化面積比例僅0.08%，對(duì)中度沙地逆轉(zhuǎn)比例達(dá)73.40%；對(duì)重度、極重度沙地有一定效果，逆轉(zhuǎn)比例分別為25.45%、23.88%。（4）客土+人工種草模式，主要針對(duì)中度、重度、極重度沙地，治理效果較明顯，對(duì)中度沙地的逆轉(zhuǎn)率為64.55%；對(duì)重度沙地的逆轉(zhuǎn)率為54.25%；對(duì)極重度沙地逆轉(zhuǎn)率為96.69%，極重度沙地的逆轉(zhuǎn)率反而高于中度和重度的主要原因，是該模式所在的極重度沙地治理區(qū)周邊大多配套有擋沙墻工程措施，強(qiáng)化了治沙成效。（5）客土+植灌種草模式主要針對(duì)中度、重度、極重度沙地，治理效果較明顯，對(duì)中度沙地的逆轉(zhuǎn)率為85.05%；對(duì)重度沙地的逆轉(zhuǎn)率為41.71%；對(duì)極重度沙地逆轉(zhuǎn)率為47.52%，極重度沙地的逆轉(zhuǎn)率反而高于重度的主要原因，是該模式所在的極重度沙地治理區(qū)部分配套有擋沙墻工程措施固沙，強(qiáng)化了治沙成效。（6）沙障+植灌種草模式主要針對(duì)重度、極重度沙地，而且是位于沙化沖蝕溝的溝口，是沙化最嚴(yán)重的地區(qū)，該模式能夠有效固沙，且能有效遏制重度沙地進(jìn)一步退化，也能起到一定逆轉(zhuǎn)效果（逆轉(zhuǎn)率為21.87%）。

3 結(jié)果的討論

研究結(jié)果表明，2013—2018年研究區(qū)沙化土地總體上處于穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。沙化土地主要呈“極重度沙地→重度沙地→中度沙地→輕度沙地”逐級(jí)逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，且極重度、中度沙地面積減少明顯，說(shuō)明沙化治理工程成效明顯。由于研究區(qū)地處川西北高寒沙區(qū)，生態(tài)極其脆弱[8-10]，千百年來(lái)形成的草皮層一旦破壞，導(dǎo)致草地沙化，其恢復(fù)將一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程[11-12]，這也是為什么沙化治理多年來(lái)輕度沙地仍長(zhǎng)期存在的客觀現(xiàn)實(shí)，因此沙化治理需要長(zhǎng)期、持續(xù)的投入，在資金有限的前提下，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)地選擇治理模式將有助于提升沙化治理成效。經(jīng)研究，人工種草（低用量）模式可以明顯遏制輕度沙地退化，由于其投資標(biāo)準(zhǔn)低，十分適用于輕度沙地治理；人工種草（高用量）模式，適用于輕度、中度沙地治理，對(duì)重度沙地有一定效果；植灌種草模式，適用于輕度、中度沙地治理，對(duì)重度、極重度沙地也有一定效果，但目前治沙樹種較單一，需要進(jìn)一步加強(qiáng)樹種篩選和試驗(yàn)；客土+人工種草模式、客土+植灌種草模式適用于中度、重度、極重度沙地，治理效果較明顯，結(jié)合擋沙墻等工程固沙措施，可大大提高治沙成效，但需要對(duì)客土的土質(zhì)嚴(yán)格要求；沙障+植灌種草模式主要針對(duì)重度、極重度沙地，該模式能夠有效固沙，且能有效遏制重度沙地進(jìn)一步退化，但是對(duì)極重度沙地的逆轉(zhuǎn)效果一般，需要進(jìn)一步探索除柳條沙障以外的其他材料沙障，同時(shí)加強(qiáng)樹種、草種的篩選和選擇。