人类活动影响下科尔沁沙地沙漠化动态的敏感性分析及-应用生态学报
人类活动影响下科尔沁沙地沙漠化动态的敏感性
分析及灰色预测
3
张佳华3
3
王长耀 (中国科学院遥感应用研究所,北京100101)
【摘要】 利用90年代1?25万和1?50万的TM 遥感影像及GIS 获得的数据,结合该区70、80年代遥感调查数据,分析了科尔沁地区6个县的土地覆盖类型和潜在沙漠化动态及敏感因子.结果表明,1980～1990年该区的沙化面积从53%扩大到70%,林地下降10.7%,草地增加8.38%,主要为低覆盖草地.由于10年来人口密度增加了10人?km -2,耕地平均增加了7%,人口增加和活动是土地覆盖变化的敏感性因子.分析该区沙漠化的自然因素表明气候变化导致沙漠化的正逆过程,人类活动是近代该区沙漠化加剧的直接原因.灰色预测表明该地区2000年以后人口增加,而沙漠化呈增加和减少两种趋势.关键词 遥感 GIS 科尔沁沙地 沙漠化 灰色预测
Sensitivity analysis and grey forecast on the dynamics of desertif ication of K erqin sandy land under hum ain activi 2tie s.Zhang Jiahua and Wang Changyao (Institute of Remote Sensing A pplications ,Academia Sinica ,Beijing 100101).2Chin.J.A ppl.Ecol.,1999,10(2):163～166.
Using remote sensing pictures acquired by Landsat TM1?250000and 1?500000in 1990s and GIS data ,combining with the results of remote sensing investigation from 1970s to 1980s ,the types of land cover ,potential dynamics of de 2sertification and sensitive factors in six counties of K erqin sandy land were analyzed.From 1980s to 1990s.the deserti 2fication area in the region increased from 53%to 70%,forested land decreased by 10.7%,and grassland area increased by 8.38%,with a major increase of lowly covered land.Due to the increase of human population density by 10persons ?km -2in recent ten years ,the cultivated land was increased by 7%on average.Population increase and human activi 2ties were the sensitive factors affecting the change of land cover.The analysis of natural factors influencing desertifica 2tion shows that climate change might result in the processing of desertification ,and human activity is the direct cause aggravating the desertification of K erqin sandy land at modern time.The grey forecast shows that the human popula 2tion would increase ,and the desertification tended to increase or decrease after the year of 2000.K ey w ords Remote sensing ,GIS ,K erqin sandy land ,Desertification ,Grey forecast.
3中国科学院“八五”重大资助项目(KY -85-13).
33通讯联系人. 1996-12-10收稿,1997-04-18接受.
1 引 言
人类生存环境中,土地沙漠化日益引起全球的广泛重视.土地沙漠化(包括盐碱化、土壤侵蚀)的加剧,导致环境恶化、植被覆盖度降低、植物种类减少、土地利用率下降等,直接危害人类的生存.利用空间遥感技术,辅之以GIS 集成数据的能力和GPS (全球定位系统),可对土地沙漠化进行大面积、动态的、时空一体化的研究,对系统中各要素进行动态监测、探测,同时结合灰色系统的预测,可以更好地研究区域环境中沙漠化的动态变化度[7].典型生态区域的地表变化研究一直是IG BP 和HDP 的研究重点.对我国东部生态脆弱带科尔沁沙地的沙漠化动态研究将对土地覆盖和土地利用变化的自然因素和人为驱动因子有进一步的认识,而且可更深入了解我国东部土地沙化的格局.2 研究地点概况与研究方法
2.1 科尔沁沙地的区域概况
科尔沁沙地(42°41′～45°15′N ,118°35′～123°30′E )位于松
辽分水岭以南,冀北山地以北,大兴安岭南段以东,第一松花江和东辽河以西的广大地区,总面积约4.34×104km 2.在气候上包括中温带松辽亚湿润区和蒙东亚干旱区,湿润度为0.40～
0.50,年降水量300～500mm ,降水集中于7～8月;年蒸发量1300～1800mm.植被和土壤为典型草原-疏林草原和栗钙土
区.区内除南沿有黄土丘陵楔入外,整个地表为以沙壤地与草甸地以及河流与湖沼镶嵌分布为特色的微波状起伏平原.沙丘分布在西拉木伦河、西辽河沙质冲积-湖积平原上[11].
2.2 研究方法
2.2.1信息源准备 土地退化和沙漠化遥感研究中,在遥感图
像上多以植物信息的衰减和风沙信息的增强为其特色[7],因此,TM 图像上显现明显的差异,利用多时相的遥感图像可反映沙漠化的动态状况[5].科尔沁沙漠化灾害土地面积数据,70年代是从已编绘出版的1?50万科尔沁地区沙漠化现状图量算的,80年代是根据80年代初1?50万科尔沁土地荒漠化图量算的.90年代面积数据是利用1?25万和1?50万比例尺
TM 卫星像片解译制图,在地理信息系统支持下获取面积数应用生态学报 1999年4月 第10卷 第2期
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr.1999,10(2)∶163～166
据.本次调查中对此区域的研究以陆地卫星TM2、3、4波段假彩色合成图像为主要信息源进行判读解译[4].
具体解译过程中参考土地利用现状图、内蒙古植被类型图、草场图、土壤图和地貌图进行综合解译分析.之后,将判读内容转绘到统一的地理底图上后,输入计算机.在地理信息系统软件ARC/INFO下进行图幅的检查、修改,修改包括有弧段补漏去除、弧段值修改、控制点图斑点更正等.后建立多边形的拓扑关系、完成图形文件的建立.最后建成科尔沁沙地动态变化图全数字化的数据库、最终图形属性数据库和空间数据库. 2.2.2土地类型划分 涉及到沙漠化动态研究的土地类型包括:(1)耕地;(2)林地;(3)草地:高覆盖度草地(指覆盖度> 50%的天然草地、改良草地和割草地,一般水分条件较好,草被生长茂密);中覆盖度草地(指覆盖度在20～50%的天然草地和改良草地,一般水分不足,草被较稀疏);低覆盖度草地(指覆盖度在5～20%的天然草地,水分缺乏,草被稀疏,牧业利用条件差);(4)未利用的土地包括难利用的土地;(5)沙地(含沙漠);
(6)戈壁;(7)盐碱地;(8)裸地.按照上述分类标准,将科尔沁地区沙漠化动态做进一步分析.
3 结果与讨论
3.1 科尔沁沙地6旗县人口密度、土地类型
列出科尔沁部分地区的人口密度(表1)和70、80年代及90年代遥感宏观调查的结果,包括土地类型变化(表2)和沙漠化动态变化(表3).由于历次资源环境调查中所用指标各异,因而在反映各种土地类型变化方面需要综合考虑各方面的因素.本次遥感调查中,分表1 科尔沁地区6旗县人口密度变化(人?km-2)
T able1Population density in six counties of K erqin sandy land in1970s, 1980s and1990s(person?km-2)
年代
Years
通辽
Tongliao
科左后
Kezuohou
开鲁
Kailu
库伦
Kulun
奈曼
Naiman
彰武
Zhangwu 70100～300<30<70<30<4050～100 8035530703443101 9039633793546108
表2 科尔沁地区6旗县土地利用类型动态变化比较
T able2Different landcover types in six counties of K erqin S andy Land in 1970s,1980s and1990s(%)
类型
Type
年代
Years
通辽
Tongliao
科左后
Kezu2
ohou
开鲁
Kailu
库伦
Kulun
奈曼
Naiman
彰武
Zhangwu 耕地704616745181481503814528181-Cultivated803819014150341802013014160-land905718251174913151363114339177林地7016153616610152101208141-Woodland8071503130131902218018110-
900117118101466183216114188草地703017475171361424517254188-Grassland802519057100291304713049130-
90211938414724174671105214440170未利用地905157518412108613751881143 Unavailable land
析沙漠化动态时主要考虑了草地和未利用土地中沙地、戈壁、盐碱地90年代已沙化的和潜在的沙漠化面积.但由于耕地弃耕,林地采伐和虫害,这部分类型的土地可能会变化成潜在沙漠化的区域.本文以70年代沙漠化土地面积数据为本底控制,80、90年代沙化土地面积进行图斑叠加,并对3个年代的沙化指标分析表明其具有可比性.结合当地的实地勘查和利用各种普查、详查的资料,反映出科尔沁地区沙漠化动态的变
表3 科尔沁地区6旗县沙漠化土地动态变化
T able3Potential desertif ication area in six counties of K erqin sandy land(%)
县名County
监测面积
Monitor area
(km2)
沙漠化面积 Desertification area
70年代1970s80年代1980s90年代1990s
高覆盖草地
High coverage
中覆盖草地
Middle coverage
低覆盖草地
Low coverage
沙地盐碱地
Sandy and salinization
奈曼Naiman8128.7470.267.252.130.00.31 5.88库伦Kulun4723.1657.149.946.2211.269.63 6.37开鲁Kailu4384.1138.768.48.4016.300.0412.08通辽Tongliao3362.6140.743.30.0421.890.0 5.57科左后Kezuohou11525.9873.484.210.1974.11 1.17 5.68彰武Zhangwu3636.0780.0175.9 6.8933.130.68 1.43
化趋势.
3.2 科尔沁地区沙漠化成因及动态分析
3.2.1科尔沁沙地形成的自然因素 对科尔沁沙地地质历史以来形成规律的分析,该区既存在着沙漠化的正过程(其存在表示地表已出现流沙并趋于扩大),又存在着沙漠化的逆过程,即出现生草成土作用的产物———古土壤,它的出现表示流沙趋于固定、缩小[10].对科尔沁沙地3个剖面的研究表明,部分地区(主要是地势较低的平坦沙地和丘间地)在6000年B.P.开始发育古土壤,使流沙固定,直至1000年B.P.以后再次出现流沙[9].科尔沁沙地的演替经历了扩大与固定、缩小的波动交替发展模式.其成因可与该区处于水平生物气候带的南北移动有关,而移动原因可归为全球冰期气候波动.
3.2.2科尔沁沙地形成的人为因素 科尔沁沙地的开发历史悠久.从敖汗旗大甸子村遗址中发现了丰富的夏家店下层文化可见一斑[2].由于人类活动的影响,加之气候的干旱化,大面积地表植被难以短期内恢复,地表反照率增大,促使沙漠化发展.史料记载,公元10世纪的辽代发展屯垦和农耕,这些地区的自然条件是
461应 用 生 态 学 报 10卷
“地沃宜耕植,水草便畜牧”,至公元12世纪末,居民增多,樵柴和过度放牧破坏了部分地区的植被,下覆沙质沉积随风而起.至13世纪西辽河流域政治经济活动不如前代活跃,使草原植被得以复苏生长.19世纪后,加速开垦荒地,后又被废弃,撩荒地经过干旱风季沙层被吹扬而起,形成流动沙丘,从而使草原退化为沙漠化土地[1].可见人为乱垦滥伐是近代科尔沁沙地沙漠化的直接因素[6].
3.2.3科尔沁地区沙漠化动态分析 从表1可见,彰武县人口密度在过去10年以每年大约10人?km-2的速度增加.由于人口增加,过度放牧,草畜结构不合理.曾一度由70年代沙漠化面积达80%下降到25.9%,之后又变为现在的沙化面积达42.13%.草地几乎全为中低覆盖度的类型,加剧该区的沙漠化进程.因其位于科尔沁沙地南缘,水热条件良好[3].只要合理布局,沙漠化的趋势会得以控制.
通辽人口增加,市区面积扩大,耕地由80年代的38.9%增加到90年代的57.82%.而林草地则分别下降了1.7%和3.97%,其中草地中仅有中低覆盖的草地,沙质沙化地占5.57%.由于土地承载力加大,耕地不能很好地进行施肥和营养恢复,面临进一步沙化的可能.草地面积的减少使畜草矛盾的进一步突出.开鲁县的人口密度10年也增加了9人?km-2.人口增加使耕地被迫增加,而林地则由80年代的13.90%下降到90年代的0.41%,草地面积也减少了4.56%,潜在沙漠化面积加上已沙化的面积维持在80、90年代两次调查中大约一致的水平.通辽、开鲁位于冲积平原,土层深厚,水分条件良好,应当合理安排农、林、牧的比例,植树种草,减少水土流失.
科左后旗人口在3个时段变化不大.耕地相对减少6.13%,林地减少4.5%,草地增加28.17%,其中草地中高覆盖度类型占10.19%,中低覆盖度占74.11%.人口未有增加时,退耕还牧.但由于过牧、乱挖、樵采造成了草地覆盖度下降,因而潜在沙化面积由80年代的84.2%增加到90年代的91.32%,其中完全沙化的土地占5.85%.科左后旗有93%的面积在科尔沁沙地中,大部分为半固定和固定风沙土,仅有少量流动风沙土,生长有疏林、灌木和沙生植物.应抓紧对放牧管理、实施轮牧和草库伦建设,保证这一区域生态环境的恢复.
位于南部高阶地的丘陵栗褐土、褐土灌草丛区的库伦、奈曼两旗中,库伦旗80～90年代人口始终在35人?km-2左右,人口压力不大,耕地面积10年下降4.65%,林地下降15.97%,草地增加19.8%,这一区域中高覆盖度草地占46.22%,中低覆盖度草地为20.89%,沙质沙化地6.37%,潜在沙漠化面积增加23.58%.奈曼旗人口增加不明显,而耕地却增加16.83%.林地下降15.49%,草地增加3.41%,草地中几乎全为高覆盖草地.库伦、奈曼两旗位于温带、暖温带的过渡区,水热条件较好,大面积为黄土覆盖,土层深厚.当前,两地均存在较为严重的沙化,且沙化面积正在扩大.必须大力营造防风固沙林、围栏种草.
4 灰色系统预测
4.1 GM(1,1)模型和GM(1,N)模型预测
GM(1,1)模型是灰色系统的GM(1,N)模型中N =1的特例.为此建立单序列一阶线性动态模型,为建立GM(1,1)模型预测[8],将70、80、90年代的人口密度值组成数列,其白化方程为:
dX(1)/dt+aX(1)=U(X(1)为1-A GO数列) 白化形式的微分方程解为:
X(1)(K+1)=(X(0)(1)-U/a)e-ak+U/a
通过计算机运算求得1990～2020年每一县市人口密度的GM(1,1)模型预测值,之后采用GM(1,1)模型建立土地变化类型和沙漠化动态变化的GM(1, 1)模型预测,最后根据GM(1,N)模型建立的方法,针对人口增加导致耕地增加,林地和草地减少,建立GM(1,N)模型进行预测.建立GM(1,N)模型方法.
其灰差分方程形式为:
x(0)1(K)+aZ(1)1(k)=∑n
i=1
b i x(1)i(k)
其影子方程为:dx(1)1/dt+aX(1)1=∑n
i=1
b i x(1)I
4.2 预测结果
人类活动包括开垦、放牧、樵采及种树、种草等.从表4～7可看出,5个县市的人口从2000～2020年将继续增加,而从灰色系统预测的耕地、林地及草地变化可看出,人口增加导致了通辽、开鲁和奈曼这些半农半牧区的耕地比例增加,草地和林地的比例在通辽、开鲁出现进一步减少情形.奈曼林地的比例呈下降,相反草地面积略有增加,从70年代的54.88%增加到2000年的55.76%.2000年后潜在沙漠化面积在通辽、开鲁和奈曼呈减少的趋势,主要是在这些地区普遍采取了轮牧、确定载畜量,使沙化发生逆转.但科左后、库伦等旗由于过牧、乱伐,林地、耕地则呈下降趋势,低覆盖草地则呈上升趋势.特别是科左后旗有93%的面积在科尔沁沙地中,大部分为半固定和固定风沙土,一经人类干扰,地表就呈进一步沙化.根据GM(1,N)模型建立的方法,针对人口增加导致耕地在不同旗县增加和减
561
2期 张佳华等:人类活动曩下科尔沁沙地沙漠化动态的敏感性分析及灰色预测
表4 科尔沁地区部分旗县人口密度2000～2020年变化预测
T able4G rey forecast of population density in six counties of K erqin sandy land from2000～2020yr.(person?km-2)
年份Year
通辽
Tongliao
科左后
Kezuohou
开鲁
Kailu
库伦
Kulun
奈曼
Naiman
彰武
Zhangwu
200044136893649115 2010492401003753123 2020548441133856132
表5 科尔沁地区部分旗县土地利用类型动态变化预测
T able5G rey forecast of landuse types in f ive counties of K erqin sandy land from2000～2020yr(%)
土地利用类型Landuse type 年份
Year
通辽
Tongliao
科左后
Kezuohou
开鲁
Kailu
库伦
Kulun
奈曼
Naiman
耕地20008317421076815011165819 Cultivted2010-01801961758179-land2020-0131-5105-
林地200001141101012821490182 Woodland2010010201560104018501185
20200100301310100101290104
草地200018154-201869313955176 Grassland201015171-17162-59131
202013133-14188-63109 -表示预测值大于100%.Representing grey forecasting values>100%下同The same below.
表6 科尔沁地区5县沙漠化从2000～2020年的动态变化预测
T able6Potential desertif ication area in f ive counties of K erqin sandy land
from2000～2020yr 县
County
监测面积
Monitor area
(km2)
潜在沙漠化面积
Desertification area(%)
2000年2010年2020年
奈曼Naiman8128.7450.5643.8938.10
库伦Kulun4723.16---
开鲁Kailu4384.1120.211.04 6.06
通辽Tongliao3362.6117.511.27.17
科左后Kezuohou11525.9898.9--
表7 科尔沁地区人口与耕地、林地及草地相关变化的灰色系统模拟值T able7Coeff icient ch ange grey model bet w een population and cultivated land in K erqin sandy land
县County
模拟值
Simulated
value
原始值
Primary
value
误差
Error
通辽Tongliao^X0(2) =38.900538.90 2.57E204
^X0(3) =57.819857.82-1.31E203科左后Kezuohou^X0(2) =14.500114.50-8.55E205
^X0(3) = 5.169 5.17 5.35E204开鲁Kailu^X0(2) =34.80134.80-3.61E20.3
^X0(3) =49.30149.30-3.23E203库伦Kulun^X0(2) =20.300120.30+9.40E204
^X0(3) =15.35815.36-3.84E203奈曼Naiman^X0(2) =14.6001514.60-9.93E204
^X0(3) =31.428631.43 4.47E203少的情况,确立科尔沁地区人口与耕地相关变化的灰色系统模型值与原始值的比较,可看出人口的增加和耕地的变化有良好的相关关系,人口增加使牧区向半农半牧区、半农半牧区向农区发展,因而耕地扩大,沙化面积整体蔓延.
5 结 论
5.1 科尔沁沙地及其毗邻地区历史上是天然的优良牧场和森林覆盖集中的地方.由于土地承载力加大,人类乱垦、樵采、过牧造成大面积的沙化地且沙化面积逐步蔓延.但此区不同于我国西北部的干旱、半干旱沙漠区,生存环境良好,水热条件适宜.因此,只要搞好农、林、牧结构布局,科尔沁地区沙漠化面积会很快减少. 5.2 依本次遥感调查的综合分析,划分和分析该区域不同生态子区的环境状况,分清宜林、宜牧、宜农区,对造林区实行乔、灌、草、带、网、片和封、造、育相结合.在宜牧区实行草、畜、加合理分配.宜农区增加农业投入,提高粮食单产.不宜农的土地退耕还牧、还林.
5.3 人口始终是影响沙漠化进程的原因,要有效地控制人口增长,以减轻资源压力.
5.4 科尔沁地区沙漠化的发展也和其他沙漠化地区一样,既受全球变化的影响,又影响着全球环境变化.在全球变化影响下,科尔沁地区沙漠化会发生十分复杂的变化,一方面温度升高,可能使这一地区变暖变干,同时生物气候带的地质变化亦可能使此区域重新变得较现在更加温暖、湿润.因而全球气候变化下科尔沁地区沙漠化存在着扩大和缩小相对的两种趋势.
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作者简介 张佳华,男,32岁,博士,现为中国科学院大气物理研究所博士后,主要从事遥感、GIS和气候模式在资源环境、LUCC和气候变化的研究,发表论文多篇.E2mail:zhangjh@ https://www.wendangku.net/doc/d118998779.html,
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