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空變化趨勢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工程區(qū)為研究區(qū)，通過對影像數(shù)據(jù)進行解譯，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)的變化過程及其動態(tài)特征，并將主要治理模式與動態(tài)變化趨勢進行空間疊加分析，宏觀評估了各模式的治理成效，為理解沙化土地時空動態(tài)變化提供了新思路，對理塘縣乃至川西北沙化土地治理工程宏觀成效評估具有現(xiàn)實意義。研究區(qū)在2007—2012年間針對不同沙地類型主要實施了人工種草（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)過判斷不影響研究區(qū)域）（2）選取研究區(qū)植被生長季節(jié)期內(nèi)遙感影像，有利于沙漠化信息的識別與提取?；A(chǔ)數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1：5萬地形圖，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個野外典型沙地類型調(diào)查樣地資料。同時，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軟件中進行，包括投影轉(zhuǎn)換、影像裁剪、影像幾何校正（通過1：5萬地形圖進行）等，采用監(jiān)督分類中的最大似然法進行分類，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)。參照國內(nèi)沙漠化遙感監(jiān)測分類體系標準相關(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，采用最大似然法進行解譯，并對解譯后的初步成果進行影像的平滑相關(guān)處理，并消除3個像元及以下的“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)查樣地資料對解譯成果進行對比分析，解譯準確度分別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對中兩期沙化土地類型圖進行疊加分析對獲得的交集圖層屬性表賦值并計算其面積，再導(dǎo)出數(shù)據(jù)，并在EXCEL中通過數(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)移矩陣動態(tài)變化指標通常用動態(tài)度（D）反映[6-7]。單一沙化土地類型動態(tài)度表達的是研究區(qū)域一定時段范圍內(nèi)某土地利用類型的數(shù)量變化情況，其表達式為：

其中，LC代表在研究時間內(nèi)某一種沙化土地類型動態(tài)度；Ua、Ub分別表示研究剛開始和研究結(jié)束時某一種沙化土地類型的總面積；T表示研究期的總時長，把T的單位設(shè)定為年時，LC就可以表示某一種沙化土地類型的年變化率。本研究通過年變化率來定量描述區(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，呈相對集中連片、連塊分布，主要原因是上世紀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，主要是過度放牧加之夏季降水集中，沖蝕加??；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)“擴展”狀態(tài)，主要原因是相關(guān)治理和管護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 沙化土地動態(tài)變化特征

總體來看，2013—2018年的5年研究區(qū)沙化土地總體呈逆轉(zhuǎn)的趨勢，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，沙化程度相對嚴重的中度、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26.38%，逆轉(zhuǎn)趨勢明顯。

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11.36%，主要逆轉(zhuǎn)為重度和中度沙地。具體動態(tài)變化包括：①減少面積及來源結(jié)構(gòu)：共減少面積110.5857 hm2，主要逆轉(zhuǎn)為重度和中度；②增加面積及來源結(jié)構(gòu)：共增加面積8.3925hm2，主要來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。具體動態(tài)變化包括：①減少面積及來源結(jié)構(gòu)：共減少面積149.265 hm2，主要來源于中度、輕度的沙地逆轉(zhuǎn)；②增加面積及來源結(jié)構(gòu)：共增加面積165.3525 hm2，主要來源于極重度逆轉(zhuǎn)和中度沙地，少部分來源于中度、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9.88%，主要逆轉(zhuǎn)為輕度沙地。具體動態(tài)變化包括：①減少面積及來源結(jié)構(gòu)：共減少面積220.7025 hm2，主要來源于輕度沙地逆轉(zhuǎn)以及惡化為重度沙地；②增加面積及來源結(jié)構(gòu)：共增加面積107.1225 hm2，主要來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。具體動態(tài)變化包括：①減少面積及來源結(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增加面積及來源結(jié)構(gòu)：共增加面積219.8925 hm2，主要來源于中度、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行空間疊加分析，提取了各類模式實施面積及與沙地面積動態(tài)變化趨勢的關(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86.72%，重度、極重度沙地的現(xiàn)狀保持面積比例分別高達93.63%、93.28%，說明該模式無法遏制中度沙地的進一步退化，對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%；對中度沙地逆轉(zhuǎn)比例為78.85%；對重度沙地有一定效果，逆轉(zhuǎn)比例為34.20%。（3）植灌種草模式對輕度、中度沙地治理效果較好，對重度、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%，對中度沙地逆轉(zhuǎn)比例達73.40%；對重度、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，主要針對中度、重度、極重度沙地，治理效果較明顯，對中度沙地的逆轉(zhuǎn)率為64.55%；對重度沙地的逆轉(zhuǎn)率為54.25%；對極重度沙地逆轉(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，強化了治沙成效。（5）客土+植灌種草模式主要針對中度、重度、極重度沙地，治理效果較明顯，對中度沙地的逆轉(zhuǎn)率為85.05%；對重度沙地的逆轉(zhuǎn)率為41.71%；對極重度沙地逆轉(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，強化了治沙成效。（6）沙障+植灌種草模式主要針對重度、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”逐級逆轉(zhuǎn)的趨勢，且極重度、中度沙地面積減少明顯，說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]，千百年來形成的草皮層一旦破壞，導(dǎo)致草地沙化，其恢復(fù)將一個長期的過程[11-12]，這也是為什么沙化治理多年來輕度沙地仍長期存在的客觀現(xiàn)實，因此沙化治理需要長期、持續(xù)的投入，在資金有限的前提下，科學(xué)、經(jīng)濟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，由于其投資標準低，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，需要進一步加強樹種篩選和試驗；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，但需要對客土的土質(zhì)嚴格要求；沙障+植灌種草模式主要針對重度、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一步退化，但是對極重度沙地的逆轉(zhuǎn)效果一般，需要進一步探索除柳條沙障以外的其他材料沙障，同時加強樹種、草種的篩選和選擇。