陳 芳，馬全林，張德魁，劉有軍，靳虎甲

(甘肅省荒漠化防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅省治沙研究所,甘肅 蘭州 730030)

20世紀(jì)70年代以來，土地荒漠化被認(rèn)為是重大的環(huán)境問題，許多國際性會議的主要議題都是如何控制荒漠化。中國是受荒漠化危害最嚴(yán)重的國家之一，荒漠化不僅造成生態(tài)系統(tǒng)失衡，而且給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來嚴(yán)重影響，這一現(xiàn)實(shí)成為制約我國中西部地區(qū)，特別是西北地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會協(xié)調(diào)發(fā)展的重要因素[1-2]。植被是干旱荒漠區(qū)生態(tài)環(huán)境的綜合反映，也是區(qū)域荒漠化擴(kuò)展或逆轉(zhuǎn)的基本表征，通過人工措施保護(hù)、恢復(fù)、建設(shè)植被是防止荒漠化的最有效、最經(jīng)濟(jì)、最持久、最穩(wěn)定的措施[3]。準(zhǔn)確地掌握植被恢復(fù)區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)變化特征，進(jìn)一步了解有關(guān)沙漠化逆轉(zhuǎn)的過程及其機(jī)理，是對傳統(tǒng)荒漠化機(jī)制研究的重要補(bǔ)充，對揭示沙漠化逆轉(zhuǎn)機(jī)制具有重要意義。

本研究以騰格里沙漠東南緣植被恢復(fù)區(qū)典型區(qū)為例，以遙感圖像處理和地理信息系統(tǒng)技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，選擇3個(gè)時(shí)段陸地衛(wèi)星遙感影像資料進(jìn)行幾何精校正，圖像預(yù)處理、植被指數(shù)提取、植被蓋度的分類以及變化比較分析，揭示該研究區(qū)植被覆蓋變化狀況，從而對區(qū)域植被恢復(fù)效果進(jìn)行監(jiān)測，為進(jìn)一步的植被恢復(fù)和景觀建設(shè)提供依據(jù)，為生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理提供宏觀的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在甘肅省古浪縣東北部的明沙咀，位于騰格里沙漠南緣，地理坐標(biāo)為37°32′～37°35′ N,103°38′～103°42′ E，總面積2.146×105hm2，海拔1 730～1 810 m。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俅箨懶愿珊禋夂?，年平均氣? ℃，年平均降水量175 mm，地下水位埋深67 m。研究區(qū)的地貌類型為流動(dòng)沙丘、半固定和固定沙丘、干河床和風(fēng)蝕沙地，土壤類型以風(fēng)沙土為主；天然植被包括中亞紫菀木(Asterothamnuscentrali-asiaticus)、短花針茅 (Stipabreviflora)、白刺(Nitrariatangutorum)、黑沙蒿(Artermisiaordosica)、圓頭沙蒿(A.sphaerocephala)、沙蘆草(Agropyronmongolicum)、刺蓬(Cornulacaalaschanica)和沙米(Agriophyllumsquarrosum)等。1982年開始，采用低密度造林[花棒(Hedysarumscoparium)，1 650 株/hm2]+封育措施對沙化土地進(jìn)行治理，經(jīng)過25年的自然演替更新，現(xiàn)已形成以灌木、半灌木為主的沙生植被[4-5]。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)源 本研究數(shù)據(jù)源于1987、2003和2008年3期的Landsat 5 TM影像，所選圖像均無云、波段齊全、層次清楚，對比分明，時(shí)相分別為1987年9月18日、2003年9月14日和2008年9月11日，空間分辨率為30 m。另準(zhǔn)備了研究區(qū)1∶10萬地形圖作為幾何校正和野外定位的大地坐標(biāo)參考。

2.2遙感圖像預(yù)處理 考慮到研究區(qū)域及研究內(nèi)容，為了更好地反映植被信息，選擇TM543波段作假彩色合成。在ERDAS下對3幅圖像進(jìn)行主成分變換(KL變換)、3×3低通濾波及纓帽轉(zhuǎn)換等圖像增強(qiáng)處理。

因?yàn)榈匦巍⒌厍蚯屎蛡鞲衅魇沟肨M影像產(chǎn)生一定程度的形變,并且3幅圖像均為2級產(chǎn)品，因此，需用幾何方法校正圖像，將其表達(dá)在平面上，完成帶坐標(biāo)的影像。本次采用早期經(jīng)過幾何精校正的TM影像作為參考，通過采集地理坐標(biāo)控制點(diǎn)校正圖像，校正系統(tǒng)采用二次多項(xiàng)式，像元重采樣采用雙線性內(nèi)插法，最終影像幾何糾正誤差控制在一個(gè)像元以內(nèi)，再經(jīng)圖像分幅裁剪完成圖像預(yù)處理，最后得到研究區(qū)遙感影像圖。

2.3植被指數(shù)選擇及植被蓋度估算 目前遙感估算植被覆蓋度的方法大致有兩種：經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ê椭脖恢笖?shù)轉(zhuǎn)化法。其中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ饕峭ㄟ^建立實(shí)測植被覆蓋度數(shù)據(jù)與植被指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砬笕〈竺娣e植被覆蓋度；而植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法是在對光譜信號進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過建立植被指數(shù)與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換關(guān)系來直接估算植被覆蓋度。由于植被指數(shù)轉(zhuǎn)化法不依賴于實(shí)測的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，因而在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用[6-13]。本研究所采用的是目前比較廣泛使用的一種根據(jù)歸一化差值植被指數(shù)來計(jì)算植被覆蓋度的方法[14-15]。

式中，ρNIR和ρRED分別為近紅外和紅波段反射率，F(xiàn)為植被覆蓋度，NDVImin為最小植被指數(shù)，即裸土條件下的NDVI值；NDVImax為最大植被指數(shù)，即全植被覆蓋條件下的NDVI值。

由于研究區(qū)為植被恢復(fù)封育區(qū)，所以在植被蓋度等級劃分上, 沒有采取風(fēng)蝕荒漠化評價(jià)分級等指標(biāo)系統(tǒng)，而是根據(jù)外業(yè)調(diào)查和遙感植被蓋度圖的實(shí)際情況，將植被按蓋度的大小分為低蓋度植被(0≤F<25%)、中等蓋度植被(25%≤F<50%) 和高蓋度植被(F≥50%)3類。另外，考慮到農(nóng)田是一特殊的植被群體，不同的作物有不同的種植與收獲時(shí)間，僅僅依據(jù)農(nóng)田的光譜數(shù)據(jù)很難準(zhǔn)確解譯出農(nóng)田植被區(qū)。鑒于上述原因，再增設(shè)一類農(nóng)田植被，這樣研究區(qū)的植被共分為4類。對每一景影像，采用目視解譯法區(qū)分農(nóng)田植被區(qū)，然后利用ERDAS IMAGING的Modeler maker模塊實(shí)現(xiàn)植被覆蓋度的模型設(shè)計(jì)與計(jì)算，從而獲得研究區(qū)植被覆蓋度圖。

3 結(jié)果與分析

3.1不同覆蓋等級的面積變化分析 植被覆蓋度的面積變化可以反映研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況，分類統(tǒng)計(jì)1987-2008年不同植被蓋度等級土地面積，結(jié)果顯示，在人為環(huán)境改良和自然兩種因素的影響下，研究區(qū)1987-2008年植被覆蓋具有較大變化，低蓋度植被區(qū)面積逐步減少而高蓋度植被區(qū)面積逐步增加，區(qū)域植被恢復(fù)效果明顯。

1987、2003和2008年研究區(qū)內(nèi)面積變化最為明顯的是低蓋度植被區(qū)，該類土地所占面積比率由1987年的35.68%減少到2008年的14.86%，面積共減少了4 467.24 hm2。隨著“景電二期”工程的進(jìn)行，區(qū)域中能被灌溉的低、中、高蓋度植被區(qū)逐步被開墾為農(nóng)田，全區(qū)農(nóng)田植被面積迅速增加，逐步成為研究區(qū)內(nèi)所占面積比率最大的植被覆蓋類型；1987、2003和2008年，研究區(qū)高蓋度植被區(qū)有明顯的擴(kuò)張趨勢，所占面積比率分別為15.50%、17.72%和24.98%(表1)。

3.2植被覆蓋類型的變化動(dòng)態(tài)分析 為了進(jìn)一步對植被覆蓋度的空間變化進(jìn)行監(jiān)測和分析，在ArcGIS軟件支持下，對1987、2003和2008年3期植被覆蓋圖像進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，對區(qū)域植被變化性質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測及成因分析。

表1 研究區(qū)1987-2008年不同覆蓋等級植被面積變化

按植被覆蓋變化的性質(zhì)，1987-2008年研究區(qū)植被覆蓋變化的過程可總結(jié)為棄耕型(耕地轉(zhuǎn)變成非耕地)、開荒型(非耕地轉(zhuǎn)變成耕地)、植被退化型(多植被轉(zhuǎn)化為少植被)和植被恢復(fù)型(少植被轉(zhuǎn)化為多植被)等4種(表2)。根據(jù)遙感解譯結(jié)果統(tǒng)計(jì)，從1987-2008年的21年間，研究區(qū)有55.57%的土地覆被類型沒有變化，這主要是高蓋度植被和農(nóng)田植被，而其他約44.43%的植被覆蓋類型發(fā)生了轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化最多的類型為植被恢復(fù)，轉(zhuǎn)化面積占土地總面積的21.98%，其次是開荒型和植被退化型，分別占土地總面積的16.07%和5.06%，轉(zhuǎn)化面積比率最低的是棄耕型，其面積僅占土地總面積的1.32%。

表2 研究區(qū)1987-2008年植被蓋度等級面積轉(zhuǎn)化

從不同轉(zhuǎn)化類型的關(guān)系看，開荒和棄耕是同時(shí)存在而方向相反的兩種過程，如果開荒大于棄耕，則耕地面積增加，如果棄耕大于開荒，則耕地面積下降；而植被退化和植被恢復(fù)也是方向相反的兩個(gè)相對過程，如果退化面積大于恢復(fù)面積，則植被總體上處于衰退,否則，總體上處于恢復(fù)。在21年中，開荒的面積遠(yuǎn)大于棄耕的面積，植被恢復(fù)面積也遠(yuǎn)高于植被退化的面積，可以看出，研究區(qū)植被恢復(fù)取得了明顯的效果，植被總體上得到了恢復(fù)。

對不同時(shí)間段內(nèi)植被蓋度等級轉(zhuǎn)化面積而言，植被蓋度等級變化趨勢基本一致，但是其轉(zhuǎn)化速率存在較大差異。1987-2003年，研究區(qū)植被退化的面積比率為8.55%，2003-2008年則減少為5.08%，但區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)的面積所占比率卻從1987-2003年的13.54%增加到2003-2008年的18.86%。對于棄耕型和開荒型，其1987-2003年間的轉(zhuǎn)化面積均高于2003-2008年。

4 結(jié)論

1)在人工撫育與封育相結(jié)合的植被恢復(fù)下，1987-2008年研究區(qū)高蓋度植被區(qū)有明顯擴(kuò)張趨勢，其所占面積比率從1987年的15.50%增加到2008年的24.98%；同時(shí)，受“景電二期”工程的影響，區(qū)域能被灌溉的低、中、高蓋度植被區(qū)逐步被開墾為農(nóng)田，全區(qū)農(nóng)田植被面積迅速增加，成為研究區(qū)內(nèi)所占面積比率最大的植被覆蓋類型。

2)在ArcGIS軟件支持下，對1987-2003年和2003-2008年兩個(gè)階段的植被蓋度等級面積轉(zhuǎn)化對比分析，1987-2003年間，研究區(qū)植被退化的面積比率為8.55%，2003-2008年則減少為5.08%，但區(qū)域內(nèi)植被恢復(fù)的面積所占比率卻從1987-2003年的13.54%增加到2003-2008年的18.86%。植被恢復(fù)面積遠(yuǎn)高于植被退化的面積，植被總體得到恢復(fù)。

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