趙文博, 馮莉莉,2, 趙安周, 張兆江, 高葉鵬

(1.河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院, 河北 邯鄲 0560382;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 生態(tài)系統(tǒng)網絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101)

荒漠化主要是由于氣候變異和人類不合理的經濟活動，使原有的生態(tài)環(huán)境進一步惡化而形成的土地退化現象[1]。荒漠化是當今全球面臨的十大環(huán)境問題之一，全球1/4的陸地表面積，2/3的國家和近10億的人口受到荒漠化的影響，每年有1.20×107hm2可耕地流失[2-4]。在全球氣候變暖的情況下，荒漠化在全球局部地區(qū)呈現增長趨勢[5-6]。遙感因其大面積同步觀測、時效性、數據的綜合性和可比性等優(yōu)勢，能夠在荒漠化的監(jiān)測中得到廣泛應用[7-10]。大量的試驗數據表明，植被能夠很好的表征荒漠化的狀況，可作為荒漠化監(jiān)測的主要依據。如拉巴等[11]利用植被覆蓋度構建荒漠化監(jiān)測模型，對2000—2017年西藏荒漠化的時空變化特征進行分析，發(fā)現全區(qū)荒漠化呈現微弱改善趨勢。賀振等[12]基于MODIS數據，通過像元二分法計算植被覆蓋度作為監(jiān)測荒漠化的主要指標，對黃土高原8 a的荒漠化土地進行動態(tài)監(jiān)測，分析了荒漠化土地的時空變化，發(fā)現黃土高原的荒漠化呈現減少態(tài)勢，但結構轉化強度卻處于不斷發(fā)展階段。陳文倩等[13]利用植被覆蓋度對2000—2015年中亞地區(qū)荒漠化進行分析，得到中亞地區(qū)荒漠化程度分布圖以及荒漠化等級數據，結果發(fā)現中亞地區(qū)的荒漠化程度依然在加劇。目前，對于河北省荒漠化的研究相對較少，研究時段主要停留在10 a前，同時相關研究缺少對荒漠化變化的趨勢預測以及驅動因子分析。因此，本研究以2000—2017年的MODIS數據的NDVI產品為基礎，計算荒漠化指數(DI)，結合2000—2017年生長季的降雨量與平均氣溫，利用趨勢分析、Hurst指數、偏相關系數等數學方法對研究時段內的荒漠化時空演變進行分析，對研究區(qū)荒漠化防治具有重要意義。

1 研究區(qū)概況及數據

1.1 研究區(qū)概況

河北位于中國的華北地區(qū)，地處北緯36°03—42°40，東經113°27—119°50之間，西起太行山，東至渤海區(qū)域，南鄰山東、河南，西北接內蒙古高原，稱為壩上高原，東北方向為燕山山脈，且其中間包圍著北京和天津，占地總面積為188 800 km2。河北省氣候為溫帶季風氣候，從整個地勢上來看，南部及東部地區(qū)氣溫明顯高于北部地區(qū)，中部和東部的年均降雨量要高于北部，且降雨量主要集中在夏季，春季出現階段性干旱。據統(tǒng)計，河北省年平均降水量在400～800 mm之間，其趨勢主要呈現西北至東南方向逐漸增多，且降雨多集中在6—9月，占整體降雨量的60%～80%。

1.2 數據源

本研究采用MOD13A3的月合成的植被指數產品，數據來源于USGS(https:∥lpdaac.usgs.gov/tools/appeears/)，其空間分辨率為1 km×1 km，研究時間段為2000—2017年生長季(4—10月)，該時段地物熱輻射較為明顯，有利于將地物與荒漠進行有效區(qū)分。采用最大值合成法(maximum value composition, MVC)將生長季的NDVI進行合成，獲得年度NDVI最大值，由此通過像元二分法計算植被覆蓋度。氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，采用中國氣象站點月值數據集的月平均氣溫和月降水量，通過62個站點進行插值，其空間坐標系及像元大小均與NDVI相一致。土地利用數據來源于中國科學院資源環(huán)境科學與數據中心(https:∥www.resdc.cn)，該數據基于Landsat 8數據，結合人工目視解譯對河北省的土地利用進行分類，空間分辨率為1 000 m，本文選取2015年河北省土地分類中的城鎮(zhèn)用地，將DI指數的干擾因素排除，在此基礎上對荒漠化的時空演變進行進一步分析。

2 研究方法

2.1 荒漠化監(jiān)測方法

植被覆蓋度(FVC)是指植被冠層垂直投影的面積與統(tǒng)計的有效區(qū)域面積的比值[14-15]，是表征地表植被狀況的重要參數，對評價生態(tài)區(qū)域環(huán)境質量、水土流失、動態(tài)監(jiān)測及荒漠化的防治等具有重要意義[16-17]。

像元二分法是基于NDVI計算的，是一種混合像元分解模型[18]。其原理是假設每個像元都包含植被與非植被兩種成分，混合像元中植被指數則表示這兩部分覆蓋面積百分比的加權平均和[19]。其計算公式為：

(1)

式中：FVC代表植被覆蓋度；S代表遙感傳感器所觀測到的信息；Ssoil為裸土的純像元信息；Sveg為全植被覆蓋的純像元信息,且因為NDVI與植被覆蓋度之間高度相關,所以將兩者進行轉換得到以下公式[20]：

(2)

式中：FVC代表植被覆蓋度； NDVI代表歸一化植被指數值； NDVIsoil代表完全裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值,理論上應該接近于0,但由于受到各種因素影響,在-0.1～0.2之間上下波動[21-23]。NDVIveg代表全植被覆蓋像元的NDVI值。本研究選用0.5%的累計頻率的NDVI作為NDVIsoil,選用99.5%的累計頻率的NDVI作為NDVIveg,由此來估算河北省的植被覆蓋度。

荒漠化與植被覆蓋度呈現負相關關系，當植被覆蓋度越高時，荒漠化程度越低[24]?；哪笖礑I的公式為：

DI=1-FVC

(3)

式中:DI為荒漠化指數； FVC為植被覆蓋度。

DI指數是基于植被覆蓋度來進行計算，在進行分類過程中，會將研究區(qū)內城鎮(zhèn)化區(qū)域統(tǒng)計在內，影響分類精度。因此本文借助土地利用數據，將城鎮(zhèn)用地進行剔除，在此基礎上對河北省的荒漠化土地進行統(tǒng)計，分析荒漠化土地的時空演變。

2.2 荒漠化程度分析

參考全國荒漠化與沙化監(jiān)測技術規(guī)定與以往研究[25-26]，將河北省荒漠化程度分為4個等級，即重度荒漠化、中度荒漠化、輕度荒漠化、非荒漠化(表1)。在將河北省進行荒漠化分級后，通過相關軟件進行統(tǒng)計，得出荒漠化的年際變化狀況。

表1 河北省荒漠化指數分級標準

2.3 一元線性回歸

采用一元線性回歸分析，以像元為尺度，DI指數為變量，對河北省2000—2017年荒漠化的變化趨勢進行分析，其計算公式為：

(4)

式中：slope為變化趨勢的斜率;n為時間序列的總長度(n=18);i=1,2,3,…18;Ci為第i年的DI數據。當slope為正(負)時,表明在研究時間內,DI值的變化趨勢增加(減少),且當slope絕對值越大時,變化趨勢越明顯。

2.4 未來趨勢分析

Hurst指數是一種基于重標極差(RS)的指數分析方法，用來描述長時間序列信息的持續(xù)性及未來的變化特征，已經被廣泛應用于經濟、水文、化學、氣候等多個領域廣泛應用[27-29]，其原理為：

DI的時間序列DIi，i=1，2，3…，n，對于任意整數m≥1，定義其均值序列為：

(5)

累計離差計算為：

(6)

極差：

R(m)=max1≤m≤nX(t)-min1≤m≤nX(t)

(m=1，2，3，…，n)

(7)

標準差：

(m=1，2，3，…，n)

(8)

本研究參照上述規(guī)律，將0.5

2.5 氣候因子驅動分析

相關性分析是用來衡量兩個或多個變量之間的相關關系或者說是密切程度。本研究通過計算偏相關系數，用來探究荒漠化與氣候或降雨兩個氣象因子之間的相關關系及顯著性水平，相關系數、偏相關系數公式為[31]：

(9)

(10)

式中：r12.3表示在變量3不變的條件下,變量1與變量2之間的相關性；r12表示變量1與變量2之間的相關性；r13表示變量1與變量3之間的相關性；r23表示變量2與變量3之間的相關性。本文采用t檢驗法對其進行顯著性檢驗,其計算公式為 :

(11)

式中：r12.3為偏相關系數;n為樣本數；m為自變量個數。

3 結果與分析

3.1 河北省生長季DI的空間分布特征

圖1為2000—2017年河北省在去除城鎮(zhèn)區(qū)域后DI的空間分布。表2為荒漠化比例情況。研究表明，近18 a來河北省荒漠化的空間分布及走勢，以非荒漠化(DI<0.5)為主，占全區(qū)總面積的85.65%；其次輕度荒漠化(0.50.9)所占面積最小，占全區(qū)總面積0.29%。從空間上看，研究區(qū)內荒漠化區(qū)域差異顯著，研究區(qū)內荒漠化面積主要分布在壩上高原地區(qū)，由西北向東南方向演化，其類型主要以輕度荒漠化為主。而在河北平原地區(qū)荒漠化區(qū)域則主要分布在沿海唐山、秦皇島、滄州以及保定西南部分地區(qū)，基本沒有中度、重度荒漠化。

圖1 河北省生長季荒漠化空間分布

表2 河北省荒漠化等級面積狀況

3.2 河北省生長季DI的時間變化特征

從時間上來看，2000—2017年河北省在去除城鎮(zhèn)因素DI的最高點出現在2000年(圖2)，最低點出現在2006年，均值為0.298，整體呈輕微下降趨勢(0.009/18 a)。分階段來看，在2000—2008年，荒漠化程度呈現波動狀態(tài)，但整體有了明顯的改善，DI的減少斜率為-0.07/9 a；2009—2017年DI的斜率為0.02/9 a，較之前9 a相比，荒漠化程度有了輕微增加的趨勢，至2017年DI值達到0.3。查閱《中國林業(yè)手冊》發(fā)現，在2000年6月國家為加強生態(tài)環(huán)境建設啟動京津風沙治理工程(2001—2010年)，同年10月國家正式批準了天然林資源保護工程，以及后續(xù)開展的退耕還林、人工造林、封沙育林等一系列措施，對荒漠化狀況都起到一定的改善作用。

圖2 河北省2000-2017年生長季年際變化曲線

利用回歸分析方法計算出DI的線性回歸方程，得出其斜率值與R值，通過查閱相關系數表，將p<0.05的參數值設定為顯著，將p<0.01的參數值設定為極顯著，在像元水平上繪制DI的變化趨勢圖(圖3)。由圖3和表3可知，2000—2017年河北省荒漠化變化趨勢呈增加和減少的面積分別占45.29%和54.71%，其中變化不顯著的地區(qū)(增加不顯著與減少不顯著)所比例最大(64.48%)，主要分布在以農耕作物為主的河北平原地區(qū)；極顯著增加區(qū)域(p<0.01)與顯著增加區(qū)域(p<0.05)占總面積的9.64%和5.89%，零星分布在邯鄲、邢臺、石家莊、保定、唐山等城市的外圍區(qū)域，而極顯著減少區(qū)域(p<0.01)和顯著減少區(qū)域(p<0.05)分別占總面積的11.13%和8.86%，主要分布在張家口市、太行山、燕山山脈、其余較少部分分布在衡水、滄州、秦皇島市等地。

表3 河北省2000-2017年荒漠化面積變化趨勢

圖3 河北省2000-2017年生長季沙漠化指數(DI)顯著性變化

3.3 河北省生長季DI的未來變化趨勢

為分析河北省荒漠化的未來趨勢變化，采用R/S算法，在像元尺度上計算2000—2017年DI的Hurst指數，其結果圖4a所示。河北省Hurst均值為0.48，屬于弱反持續(xù)性。從空間分布上來看，北部的Hurst指數高，南部的Hurst指數相對較低，但在邢臺、廊坊以及石家莊的西部也存在小面積的高分布區(qū)域。河北省反持續(xù)性面積(0

a Hurst指數空間分布 b 荒漠化未來趨勢變化

為進一步了解荒漠化未來趨勢的變化，將Hurst指數結果與趨勢分析結果進行耦合，得出研究區(qū)未來變化趨勢(如圖4b和表4所示)。由圖4和表4可知，河北省未來趨勢變化具有明顯的空間異質性，其中基本不變的(持續(xù)性與反持續(xù)性)居于主要地位，其累計比例為60.15%。持續(xù)性顯著增加與持續(xù)性輕微增加累計比例6.29%，主要分布在邯鄲、廊坊、石家莊以及唐山等地。另外在秦皇島也有小面積分布。這表明未來荒漠化狀況呈現持續(xù)增加的趨勢。反持續(xù)性顯著增加和反持續(xù)性輕微增加累計比例為8.41%，主要分布在南部的河北平原地區(qū)以及沿海地區(qū)，表明在這些地區(qū)荒漠化將由退化轉變?yōu)楦纳啤３掷m(xù)性輕微減少與持續(xù)性顯著減少累計比例為8.59%，主要分布在河北省北部地區(qū)，其中以燕山山脈和壩上高原地區(qū)最為明顯。11.18%的區(qū)域荒漠在未來可能會由減少轉變?yōu)樵黾樱饕植加趶埣铱?、承德、保定北部的高海拔區(qū)域，在河北平原的衡水和滄州地區(qū)零星分布。總的來說，荒漠化狀況在目前有了較為明顯的改善，但是在未來還可能存在部分逆轉，對于城市化、建筑用地、不合理的土地利用等方式都可能加劇荒漠化狀況。

表4 河北省沙漠化指數(DI)預測類型統(tǒng)計

3.4 河北省生長季DI與氣候因子相關分析

荒漠化受氣候影響顯著，而氣溫和降水是表征氣候的重要指標[32]，因此本文對河北省18 a的DI與生長季降水與平均溫度進行了偏相關分析。結果如圖5所示，荒漠化指數DI與生長季降水的平均偏相關系數為-0.14，呈正相關區(qū)域主要分布在河北平原的西部地區(qū)以及沿海的唐山和秦皇島市，占總面積的30.95%；呈負相關區(qū)域主要分布在壩上高原，太行山、燕山山脈。由圖5可知，荒漠化指數DI與氣溫呈正相關的區(qū)域主要分布在邯鄲、張北高原的西北地區(qū)，在內陸的石家莊、廊坊及秦皇島市則呈現片狀分布，占總面積的42.68%；呈負相關主要集中在衡水市以及保定市的北部地區(qū)、燕山地區(qū)。對河北省荒漠化DI與氣溫和降雨進行T顯著性檢驗，其中DI與降雨有11.75%通過了p<0.05顯著性檢驗，有3.43%的區(qū)域通過了p<0.01的檢驗，極顯著相關主要分在在石家莊市和張家口市西北邊界地區(qū)，其余在河北平原內零星分布；DI與氣溫有4.71%通過了顯著性性檢驗(p<0.05)，有1.08%通過了顯著性p<0.01的檢驗，極顯著相關區(qū)域分布在張家口市的南部區(qū)域。

圖5 荒漠化指數(DI)與氣溫和降水的偏相關系數及其顯著性檢驗結果

4 討論與結論

4.1 討 論

本文以MODIS數據為數據源，基于植被覆蓋度構建荒漠化指數DI，并在此基礎上借助土地利用數據剔除城鎮(zhèn)區(qū)域對荒漠化區(qū)域統(tǒng)計的影響，對河北省的荒漠化區(qū)域進行長時間序列的監(jiān)測和評價。與現有成果相比[33-34]，荒漠化面積及空間分布與上述研究成果基本一致。整體來看，2000—2017年研究區(qū)內荒漠化整體呈改善狀況，但未來還可能存在部分逆轉，一方面是因為城市擴張過程中，建設用地急劇增加，耕地、林地等植被景觀破碎化可能會造成植被退化[35-36]，進而使得荒漠化程度加深。另一方面在全球氣候變化的大背景下，荒漠化同樣受到自然因素的影響，干旱的氣候條件也可能導致荒漠化程度加深。從其局部來看，荒漠化主要集中分布在河北壩上高原地區(qū)，該地區(qū)是我國北方地區(qū)典型的農牧交錯地帶，多年來土地利用處于不穩(wěn)定態(tài)勢，發(fā)生較大改變[37]，其土壤類型主要以沙壤土和沙質地表土為主，氣候惡劣等一系列因素使得研究區(qū)內該地區(qū)荒漠化最為嚴重。自2000年以來，為遏制荒漠化進一步發(fā)展，河北省于2000年在張家口市、承德壩上地區(qū)試點實施退耕還林政策，2001年開展京津風沙源治理工程[38]，2002年啟動黃河故道沙化土地綜合治理項目，以及后續(xù)建立的三北防護林及封山育林等相關條例都使得荒漠化情況得到改善，這與本研究所得荒漠化變化趨勢相符。荒漠化是自然因素和人為因素疊加的結果[39-40]，本文僅從氣溫和降雨量作為荒漠化變化的影響因子，并未對人為因素對荒漠化的貢獻程度進行分析，并且荒漠化是一種由多種因素造成的土地退化過程，因難以量化的氣候區(qū)域、相關政策以及人為因素，無法判定各種影響因素的貢獻率，在以后的研究中會進一步進行討論。

4.2 結 論

(1) 河北省荒漠化主要以輕度荒漠化為主，主要分布在壩上高原地區(qū)。變化趨勢表現為從河北省由南向北、由東向西逐步遞減，在張家口、太行山脈等地呈極顯著減少趨勢，而在石家莊、邯鄲等地的外圍區(qū)域呈現極顯著增加。

(2) Hurst指數結果顯示河北省荒漠化反持續(xù)性比例58.71%，持續(xù)性比例41.29%，持續(xù)增加與反持續(xù)增加比例分別為6.29%和8.41%，持續(xù)減少與反持續(xù)減少比例分別為8.59%和11.18%，未來變化趨勢反持續(xù)性特征比重略強于持續(xù)性特征。表明未來河北省荒漠化在局部地區(qū)可能呈逆轉態(tài)勢。

(3) 研究區(qū)荒漠化指數DI與生長季氣溫、降水的偏相關系數較小，相關性不顯著。但存在明顯的空間異質性，呈片狀分布，壩上地區(qū)氣溫的升高和降雨的減少對研究區(qū)內荒漠化起到推進作用。