松嫩平原西部沙漠化空间格局及其变化的图形信息特征分析

郭 红,龚文峰,袁 力,杜绍敏,范文义

(1.哈尔滨学院地理系,黑龙江哈尔滨 150086;2.黑龙江大学水利电力学院,黑龙江哈尔滨 150086; 3.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040）

松嫩平原西部沙漠化空间格局及其变化的图形信息特征分析

郭 红1,龚文峰2,袁 力3,杜绍敏2,范文义3

(1.哈尔滨学院地理系,黑龙江哈尔滨 150086;2.黑龙江大学水利电力学院,黑龙江哈尔滨 150086; 3.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040）

基于RS和 GIS技术,利用1986年、1990年和2003年松嫩平原Landsat TM遥感影像,对遥感数据进行人机交互式解译,研究土地沙漠化现状与动态变化,借助于地学信息图谱理论、空间分析和转移矩阵方法分析土地沙漠化的演变过程和时空特征。结果表明:1986-2003年松嫩平原沙漠化土地以潜在及非沙漠化、中度和轻度沙漠化土地为主,1986年、1990年和2003年分别占土地总面积的88.13%、90.06%和85.63%;1986-1990年土地沙漠化发展速度为1 810.69 km2/a,逆转速度为1 857.45 km2/a,沙漠化扩展速率降低,沙漠化程度减缓, 1990-2003年沙漠化土地发展速度为688.37 km2/a,逆转速度为539.57 km2/a,沙漠化土地快速蔓延,沙漠化程度加重;1986-2003年土地沙漠化过程中存在渐变与跃变两种方式,因此要遵循土地适宜性原则,慎重开发和利用区域土地资源。

土地沙漠化;时空演变;遥感分析;动态监测

沙漠化表现为土地生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似沙漠景观的土地退化[1],沙漠化问题是人类面临的重大问题之一[2]。沙漠化研究主要是研究沙漠化的发生、发展原因和动力学机制及沙漠化生态系统的恢复重建[3],对其空间格局的研究主要是借助景观生态学的一些指标和参数[4-6],描述空间格局的方法不够完备[7],因此研究沙漠化空间格局及其变化是沙漠化研究领域的一个重要问题,具有重要科学和实践意义。

沙漠化空间格局可表现为以时间为序列的不断演化的特定地理图形[7]。因此,本文从图形表达与分析的角度,运用地学信息图谱理论,结合 GIS空间分析方法,以松嫩平原为例,探讨沙漠化空间格局、变化的图形特征及其描述方法[7],掌握土地沙漠化的发生、发展规律及其机制,对研究沙漠化发展趋势、制定沙漠化防治措施和对策具有重要意义。

1 研究方法

1.1 数据来源与处理

以松嫩平原(东经125°37′～128°12′,北纬46°36′～48°18′）为研究对象,以1986年、1990年和2003年Landsat TM影像为基本数据,地形图作为地理基准数据,在遥感图像处理软件ERDAS IMAGE 9.1的支持下,采用二次多项式对3期影像进行地理坐标配准,配准的误差小于1个像元,满足精度要求。为提取土地沙漠化的变化信息并突出土地沙漠化的特征,通过波段统计分析和相关性分析,影像最佳波段合成方案为 TM 4(R）、TM 3(G）、TM 2(B）组合。根据地表特征建立沙漠化解译标志和分级类型,然后采用人机交互的方式解译出沙漠化现状图,在A rcGIS 9.2的支持下,通过叠加分析提取沙漠化变化信息。

1.2 土地沙漠化等级划分

依据地面物质组成、植被覆盖度和地貌形态组合特征等,参考已有的沙漠化土地划分标准与方法[8-10],结合实际情况,将研究区域的沙漠化情况分为4级[11]:1）潜在及非沙漠化:植被覆盖度大于70%,植物生物量高,基本无盐碱化,主要表现为耕地及高覆盖草地;2）轻度沙漠化:植被盖度在50%～70%,植物生长量较高,盐碱化程度低,表现为沙漠化比较轻微的耕地和中盖度草地,基本无风沙流活动的沙化土地,无明显的风蚀、风积形态,地表大部分地区保持原生状态;3）中度沙漠化:植被覆盖度在30%～50%,植物生物量中等水平,盐碱化程度较低,风沙活动不太明显,为生长草原植被的地区和盐碱化耕作的沙化土地;4）重度沙漠化:植被覆盖度在10%～30%,植物生物量较低,盐碱化程度较重,风沙活动明显或流沙纹理明显,主要为生长少量植被的重度盐碱化区。

1.3 沙漠化变化图谱信息

在A rcGIS的支持下,通过空间分析和统计学的转移矩阵分析方法确定沙漠化的时空演变规律。沙漠化的演变除面积变化外,等级程度变化也是标定沙漠化演变的重要指标,其以沙漠化土地等级变化来衡量。本文借助图谱学原理,根据式(1）将沙漠化程度变化分为发展(含轻微发展、强烈发展）、稳定、逆转(含轻微逆转和明显逆转）3大类和5小类,定义其具体判定标准(表1）[12]。

其中:Y86、Y00和 Y03分别是1986年、1990年和2003年沙漠化程度的空间—属性一体化数据。以时间序列为轴,对3期沙化数据进行地图代数运算,合成空间—属性—过程一体化图谱单元。

表1 土地沙漠化演变类型Table 1 The change type of desertification land

2 1986-2003年沙漠化空间分布及动态演变

2.1 土地沙漠化的现状及空间分布规律

从表2可知,1986年、1990年和2003年研究区域的沙漠化土地以潜在及非沙漠化、中度和轻度沙漠化土地为主,分别占总面积的88.13%、90.06%和85.63%。其中潜在及非沙漠化面积最大,1986年、1990年、2003年分别占沙漠化土地总面积的38.34%、35.10%和37.52%,1986-2003年潜在及非沙漠化面积减少了193.56 km2,反映了研究区域的沙漠化土地不断蔓延,而且在一定程度上表明土地沙漠化程度呈加重趋势;中度沙漠化土地次之,1986年、1990年和2003年中度沙漠化土地分别占沙漠化土地的31.41%、28.09%和 34.84%;1986年、1990年、2003年重度沙漠化所占的比例分别为11.45%、9.44%和13.81%,期间该类型面积增加了555.33 km2,由于该类型治理难度较大,且利用价值较低,要采取相应的措施,以使条件较好的地区沙漠化能得到逆转。总体而言,研究区域的潜在及非沙漠化和中度沙漠化土地所占比重较大,但沙漠化状况不容乐观。

表2 研究区域不同程度沙漠化土地面积Table 2 The area of different class desertification land

2.2 1986-1990年沙漠化土地的演变过程

将1986年、1990年两个时相监测的结果经 GIS空间叠置,以1986年为基准分析可知(表3）:重度沙漠化有3.66%(859.74 km2）跃变为潜在及非沙漠化土地,有2.51%(590.68 km2）转变为轻度沙漠化, 3.97%(933.14 km2）转变为中度沙漠化,其中转变为中度沙漠化的比例最大,表明区域沙漠化土地在适当的条件下具有一定的恢复潜力。中度沙漠化有10.07%(2 367.34 km2）转变为潜在及非沙漠化土地,6.72%(1 580.77 km2）转变为轻度沙漠化,仅有3.85%(904.45 km2）转变为重度沙漠化,其中转变为潜在及非沙漠化的土地所占比例最大,表明沙漠化程度趋缓。潜在及非沙漠化土地主要向轻度和中度转变,轻度沙漠化主要向潜在及非沙漠化和中度沙漠化转变。

表3 1986-1990年研究区域沙漠化土地转移矩阵Table 3 Matrix of desertification land conversion of study region from 1986 to 1990

1986-1990年发展型沙漠化土地7 242.76 km2,占30.79%,其中轻微发展和明显发展的比例分别达17.93%和12.86%。稳定性沙漠化土地为8 783.74 km2,占 37.35%;逆转型沙漠化土地为7 429.79 km2,占31.59%,其中轻微逆转占15.24%,强烈逆转占16.35%。由此可知,4年间沙漠化土地发展速度为1 810.69 km2/a,而逆转速度为1 857.45 km2/a,表明土地沙漠化蔓延的趋势得到一定缓解,沙漠化程度有所降低;同时也说明沙漠化土地演变过程中严重的沙漠化土地并非不可逆转,而非沙漠化或潜在沙漠化土地并非最安全,其会在一定的条件下演变为程度严重的沙漠化土地[12]。

2.3 1990-2003年沙漠化土地的演变过程

将1990年、2003年两个时相监测的结果经 GIS空间叠置,以1990年为基准分析可知(表4）:潜在及非沙漠化、中度和重度沙漠化的年变化率呈正值,表明上述类型沙漠化面积呈增加趋势,只是不同程度沙漠化面积增加的速度有差异:重度沙漠化的年变化率最大,沙漠化速度发展最快,其次是中度沙漠化;轻度沙漠化的年变化率为负值,沙漠化面积减少。重度沙漠化主要向潜在及非沙漠化和中度沙漠化转变,比例为4.19%和3.41%;中度沙漠化有9.92%(2 333.10 km2）转变为潜在及非沙漠化土地,4.03%(948.72 km2）转变为轻度沙漠化,3.79% (892.40 km2）转变为重度沙漠化;轻度向中度、潜在及非沙漠化和重度沙漠化转变比较明显,其比例分别为 10.42%(2 450.54 km2）、7.61%(1 790.66 km2）和4.41%(1 036.39 km2）,潜在及非沙漠化向轻度和中度沙漠化转变十分明显。

表4 1990-2003年研究区域沙漠化土地转移矩阵Table 4 Matrix of desertification land conversion of study region from 1990 to 2003

1990-2003年发展型沙漠化土地为8 948.86 km2,占38.04%,其中轻微发展和明显发展型沙漠化土地分别达18.67%和19.37%。稳定性沙漠化土地为7 476.6 km2,占31.79%;逆转型沙漠化土地为7 014.39 km2,占29.82%,其中轻微逆转和强烈逆转分别为15.18%和14.64%,强烈逆转比轻微逆转的面积少127.85 km2。由此可知,13年间沙漠化土地发展速度为 688.37 km2/a,而逆转速度为539.57 km2/a,前者是后者的1.28倍,表明在该时期内沙漠化土地快速蔓延,沙漠化程度加重,反映了该区域土地严重退化和生态环境的恶化,因此对该区域土地的开发利用一定要慎重。

2.4 1986-2003年沙漠化土地空间分异

将土地沙漠化图谱变化与研究区域进行空间叠加分析可知:轻微发展区域主要集中在绥棱县,其中1986-1990年变化面积为1 128.70 km2,1990-2003年变化面积为1 164.08 km2,增加了 35.38 km2;强烈区域集中分布在海伦市,1990-2003年变化面积为825.67 km2,1986-1990年变化面积为748.86 km2,增幅为9.32%,可见海伦市沙化蔓延的趋势有一定的加强,沙漠化程度比较严重;稳定性区域主要分布在北安县,1986-1990年所占比例为27.12%,1990-2003年为29.39%,表明该区域土地沙漠化蔓延的趋势得到一定缓解;轻微逆转的区域,1986-2003年主要分布在绥棱县,1990-2003年主要分布于北安县;强烈逆转的区域主要分布于庆安县,1986-1990年变化面积为 973.91 km2, 1990-2003年为809.29 km2,表明1986-1990年沙漠化减缓的速度大于1990-2003年。

3 结论与建议

研究区域以潜在及非沙漠化、中度和轻度沙漠化土地为主,1986年、1990年和2003年占土地总面积的比例分别为88.13%、90.06%和85.63%,其中潜在及非沙漠化面积最大。1986-1900年土地沙漠化的发展速度为 1 810.69 km2/a,逆转速度为1 857.45 km2/a,逆转速度是发展速度的 1.03倍; 1990-2003年发展速度为688.37 km2/a,而逆转速度为539.57 km2/a,发展速度是逆转速度的1.28倍。

该区在1986-2003年土地沙漠化程度存在渐变与跃变两种变化方式,因此对该区土地的开发利用需慎重,防止措施不当导致短时间内发展为重度或极重度沙漠化土地[12]。土地沙漠化的防治不仅是技术问题,更重要的是政策和管理问题[13]。对于沙漠化土地的开发利用,应根据土地资源利用现状,解决好农业生产中轻林、轻牧、轻水等问题,遵循土地适宜性原则,建立防风固沙的复合生态系统,优化农林牧副渔产业结构,全面进行生态农业示范区的推广和节水灌溉设施的建设,并加大农业结构调整力度,改善经营方式,突出重点区域治理,加快林业、畜牧业发展速度[14]。

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Study on Graphic Information Characteristics of Desertification Land Spatial Pattern and Its Change in West of Songnei Plain

GUO Hong1,GONGWen-feng2,YUAN Li3,DU Shao-min2,FAN Wen-yi3
(1.Department of Geography,Harbin College,Harbin 150086;
2.College of H ydraulic and Electrical Engineering,Heilongjiang University,Harbin 150086;
3.College of Forest,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）

Based on the RS and GIS technology,human-computer interaction interp retation was used to study the current situation and dynamic changes of desertification land in study region w ith the Landsat TM image in 1986,1990 and 2003.According to the geography graphic information theory and the ways of spatial analysis and conversion matrix,the change p rocesses and spatio-temporal characteristics of desertification land were analyzed.The results showed that:the desertification land of nonedesertification,light and mild desertification of study region wasmajor portion,the p ropo rtion were 88.13%in 1986,90.06%in 1990 and 85.63%in 2003.From 1986 to 1990,the developed and reversed speed of desertification was 1 810.69 km2/a and 1 857.45 km2/a,it was very clear that the reversed speed was greater than developed speed,w hich mean the increasing rate of desertification land was lower and desertification intensity decreased.From 1990 to 2003,the reversed and developed speed of desertification was 539.57 km2/a and 688.37 km2/a,the developed speed was greater than reversed speed,w hich mean desertification land increased quickly and desertification intensity was serious.From 1986 to 2003,there existed gradually change and abrup tly change in the expansion and reversion p rocessesof sandy desertification in this region.Acco rding to the suitable theo ry of land use,itm ust be careful in land use development of study region.

sandy land;spatio-temporal change;RS analysis;dynamic monitoring

P208;F301.24

A

1672-0504(2010）02-0085-04

2009-09-20;

2009-12-28

国家863计划项目(2006AA 12Z104）;黑龙江省自然科学基金项目(C2007-17）;黑龙江教育厅项目(11531294）;黑龙江水利厅项目(HSKY2006-01）

郭红(1968-）,女,博士,副教授,主要从事GIS技术及其应用研究。E-mail:gh121708@sohu.com