荒漠化监测与评价研究进展

荒漠化监测与评价研究进展

牛 星1,高 永1,邢铁鹏2,张宝珠3,刘万才3

(1.内蒙古农业大学生态环境学院,内蒙古 呼和浩特 010019;2.华能伊敏煤电有限责任公司环境管理科,内蒙古 呼伦贝尔 021134;3.内蒙古鄂温克族自治旗林业局,内蒙古 呼伦贝尔 021100)

摘 要:随着全球环境问题的日益恶化,荒漠化越来越引起国际社会的关注,进行荒漠化动态监测与评价具有

重要的现实意义。本文综合阐述了国内外荒漠化动态监测、评价及其评价信息系统等方面的研究成果,提出

了荒漠化监测与评价研究的发展趋势。

关键词:荒漠化;荒漠化监测;荒漠化评价

中图分类号:S288 文献标识码:A 文章编号:1007 4066(2010)03 51 05

Research P rogress of Desertification M onitoring and Assess m ent

N I U X i n g1,GAO Yong1,X I N G T ie-peng2,Z HANG Bao-zhu3,LI U W an-cai3

(1.Co llege of Ecology and E nviron m ent a l Science,Inner M ongoli a Agr icultural Universit y,H ohho t010019,Ch i na;2.Environ m ental M anage m ent S ection of H ua N eng Yi m in Coal and Pow er Co.L t d.,H ulunbeier021134,Ch i na;3.F orestry Bureau of Ew enke A utono m ous C ount y,Inner M ongoli a,H ulunbeier021100,China)

Abst ract:As t h e g lobal env ironm ent degradation,m o re and m ore attentions w ere pa i d to the desertification i n w orldw ide.The constituti o n of dyna m ic m on itori n g and assess m ent syste m o f desertification w ere co m prehensively analyzed and i n troduced.Through co m parison,researches on desertification dyna m ic m onitori n g,assess m en,t a ch i e ve m ent o f i n fo r m ation syste m at ho m e and abr oad w ere elaborated.The trends of desertification m onitori n g and assess m ent w ere put for w ar d also.

K ey w ords:desertificati o n;desertification monitori n g;desertifi c ation assess m ent

根据 联合国防治荒漠化公约,荒漠化是指包括气候变化和人类活动在内的多种因素造成的干旱、半干旱及亚湿润干旱区的土地退化。荒漠化是全球性的环境问题之一,对人类社会的生存和发展构成严重的威胁。 联合国荒漠化公约组织的调查表明,不当的人类活动,如过度耕地、放牧、砍伐森林、不良的灌溉,以及气候变化使目前全球110多个国家、超过10亿人口正遭受土地荒漠化的影响,全球每年因土地荒漠化造成的经济损失超过420亿美元[1]。千年生态系统评估(MA)项目针对荒漠化问题编写的 生态系统与人类福祉:荒漠化综合报告指出:除南极洲以外的其他各洲均存在荒漠化土地,荒漠化是旱区居民满足基本生存需求的主要障碍,它已被列为当今世界具有局地与全球效应的最为严重的环境问题。荒漠化监测与评价的研究是荒漠化研究领域的核心内容之一,掌握荒漠化发生的动态和机理,及时准确地监测和评价荒漠化发生的程度,对指导荒漠化防治、管理及决策具有重要的实践意义。

1 荒漠化监测研究

1.1 荒漠化监测的目的

荒漠化监测是20世纪90年代中期随着 联合国防治荒漠化公约的签署而兴起的一个新兴领域,世界各国都在积极进行探讨和研究。荒漠化监测主要是通过定期调查,掌握荒漠化土地的现状、动态及控制其发展所必需的信息,分析自然和人为因素与荒漠化过程的相互关系,为保护、改良和合理利

第36卷 第3期 内 蒙 古 林 业 科 技 V ol 36 No 3 2010年9月 Journa l o f Inner M ongolia Fo restry Sc ience&T echnology S ept 2010

*收稿日期:2010 09 06

基金项目:内蒙古农业大学科研创新团队(NDTD2010-11)

作者简介:牛星(1981 ),男,内蒙古鄂尔多斯人,在读博士研究生,研究方向:土壤学。

通讯作者:高永(1962 ),男,内蒙古包头人,教授,博士生导师,主要从事荒漠化防治研究。

用国土资源,实现可持续发展战略提供基础资料,为防治荒漠化提出对策与建议[2,3]。

1.2 荒漠化监测的主要内容

依据荒漠化定义,荒漠化监测是对包括气候、人为活动在内的整个土地系统的监测。因此,荒漠化监测所包括的内容可归纳为生物物理和社会经济2个方面,具体包括:

土壤方面:包括土壤类型,土层厚度,土壤结皮,土壤质地,土壤结构,土壤p H值,土壤含盐量,土壤有机质含量,土壤N、P、K含量,土壤风蚀量;

植被方面:包括植被类型,群落种类组成与结构,覆盖度,生产力,生物量,指示性植物;

水文方面:包括水源补给,水质,地下水水位,土壤含水量,地表水域,沼泽化程度,排水能力;

地质地貌因子:包括地貌类型,基岩出露与类型,沉积物质,海拔高度,坡度、坡向,侵蚀与地表流沙分布状况等;

气候及气象要素:包括温度(平均温度、极端温度、积温),湿度,风(平均风速、起沙风速、大风及沙尘暴日数),降水(平均降水量、降水变率、干旱、大雨或暴雨),蒸发量等;

社会经济因子:包括土地利用状况(农林牧比例、灌溉及耕作方式),土地利用强度(土地利用率、土地生产力、人口密度、牲畜数量、土地垦殖率、防护措施),能源交通条件,人民生活水平,受教育程度。

1.3 荒漠化监测的方法

荒漠化监测是防治荒漠化的一项基础工作,主要通过定期调查掌握荒漠化土地的现状、动态及控制其发展所必需的信息。在监测方法上,国内外的研究者已达成共识:主要采用基于人工地面观察、测量和建立生态监测站的和基于遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)技术(统称3S技术系统)的方法进行监测,每种方法都有其特点和优越性。研究人员对荒漠化所涉及的领域进行的大量资源调查工作多是采用常规监测方法,该方法为荒漠化研究提供更为详细的土地荒漠化成因、过程、发展动态、治理成效等基础数据。对于具有不同空间尺度的复杂的荒漠化监测、必须采用先进的技术手段和最新的研究成果,逐步提高监测水平,扩展监测内容;多种监测信息源相结合,航天、航空和地面调查相结合;宏观监测和微观监测相结合;点和面相结合。随着研究的不断深入和技术的不断发展,运用3S技术研究荒漠化问题越来越广泛被大家接受和采纳[4]。

最早利用遥感(RS)进行荒漠化监测是在1975年联合国和国际自然资源联合会资助下对苏丹南部撒哈拉南缘的沙漠入侵和生态退化状况的评价,该项目通过空间数据和地面调查相结合的方法确定了植被和沙漠的分界线,并将误差控制在5km。20世纪80年代,国内外利用遥感对土地荒漠化的监测主要处于目视解译阶段,即通过室内判读航片、卫片与编绘荒漠化草图,结合野外关键地带路线的考察最终成图。目前由联合国有关机构提出的3种使用于不同地区的土地退化评价与监测理论,即全球人为作用下的土地退化(GLASOD)、南亚及东南亚人为作用下土地退化(ASSOD)和俄罗斯科学院提出的评价方法(俄国),在实践上均以目视解译为主、依靠常规技术支持的经验性指标体系来完成。20世纪90年代以来,SPOT、T M、M SS、NOAA等多种空间分辨率遥感数据开始广泛用于荒漠化研究,遥感图像图像处理软件ERM apper、PC I、ERDAS、ENV I和一些GIS软件如ARCG I S、MAPGIS、GEOSTAR、MGE也逐步集成使用。3S信息技术作为定量化遥感发展的方向,实现了从信息获取、信息处理到信息应用的一体化技术系统,具有获取准确、快速定位的现实遥感信息的能力,实现数据库的快速更新和在分析决策模型的支持下,快速完成多元、多维复合分析,使遥感对地观测技术跃上一个新台阶,同时有力地推动了空间技术应用的发展,从而使基于3S的荒漠化监测技术路线也得到迅速发展[5]。

在国内,荒漠化监测方法经历了实地考察、遥感调查到抽样与!3S?技术联合调查。1959年,中国科学院成立治沙队,围绕!查明沙漠情况,寻找治沙方针,制定治沙规划?的任务,连续3年对我国沙漠戈壁进行了多学科考察,基本查明了我国沙漠戈壁的面积、分布等情况;20世纪80年代初,水利部组织了全国土壤侵蚀调查,采用遥感方法,对全国范围内的包括风蚀、水蚀和冻融在内的土壤侵蚀状况进行了调查,编制了1#50万到1#100万的土壤侵蚀图; 80年代中期,中国科学院自然资源综合考察委员会应用遥感方法对全国土地资源进行评价,查明了全国盐渍化土地、退化土地及土地利用状况,编制了1 #100万土地资源图;随后农业部门组织科研人员对中国南、北方草场资源情况进行了调查,此外,还完成了许多与荒漠化有关的资源调查,如全国土地详查、土壤普查、森林资源清查等。90年代中期,林业部组织技术人员在全国范围内进行了沙漠、戈壁及沙化土地普查,并采用地面调查与最新TM影像核

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对的方法,首次全面系统地查清了我国的沙漠、戈壁及沙化土地面积、分布现状和最近几年来的发展趋势,为防沙治沙和防治荒漠化提供了非常有用的信息数据。调查方法上的不断进步,使得荒漠化调查周期越来越短,调查数据的现实性更强,数据的精度也更高。傅蓉分析了G I S技术在我国荒漠化监测工作中发挥的重要作用及其广阔前景[6]。王妍认为GPS是进行荒漠化监测不可缺少的主要技术手段之一,可用于固定样线位置与遥感解译标志的确定及信息采集[7]。吴波等认为遥感技术可提高荒漠化监测的准确性和时效性[8]。李晓琴等以T M/ETM 为主要信息源,通过密度分割、植被信息提取、光谱角分类法(SAM)结合G I S空间分析方法,对格尔木土地荒漠化遥感动态监测研究[9]。赵玲等利用RS 与GIS技术对新疆昌吉市的荒漠化土地进行监测分析,采取卫星数据解译结合现地调查及抽样方法获取昌吉市荒漠化现状[10]。高会军等利用3S技术,对晋陕蒙接壤地区、东胜市和榆林地区的沙质荒漠化进行了动态监测[11,12]。高志海等以武威市为例,应用3S技术的综合与集成,构建了以矢量数据为主要数据结构的荒漠化空间数据处理和管理系统,进行了基于3S技术的荒漠化监测技术系统研究,用于对荒漠化要素进行综合分析与动态监测[13]。

由荒漠化监测的发展趋势分析,今后需加强遥感图像数据、地面数据和历史资料的融合,应进一步提高荒漠化遥感监测的精度,采用高光谱遥感信息,同时应建立智能化荒漠化监测与预警系统[14]。

2 荒漠化评价研究

2.1 荒漠化评价的概念

荒漠化评价简单的讲就是对分布于干旱、半干旱和亚湿润干旱区的退化土地进行类型的划分和程度的分等定级,或者说是从退化的角度对荒漠化土地进行质量的定势。荒漠化评价从根本上属于土地资源评价或土地质量评价的范畴,是为土地利用服务的。荒漠化评价的对象是土地的质量,说明土地目前的质量状况,远离未退化状态的程度。研究退化土地的空间分布规律,指出造成土地退化的原因和总体危险程度。

土地评价是按照一定的目的,对土地性状进行估计的过程,它包括对地形、土壤、植被、气候和土地其他方面的调查和分析说明,使所考虑的土地利用与该地区的自然、经济和社会条件相适应,找到最合适的土地利用类型。而荒漠化评价过程是按照一定的评价指标体系,对所利用的土地的质量进行分级划等,确定各级退化土地的分布范围,并且说明目前土地利用的合理性,经营措施是否得当,为合理利用土地,提高生产力服务。所以荒漠化评价在一定意义上是属于土地评价的范畴,同时又有一些区别[15]。

2.2 荒漠化评价的目的

荒漠化评价的目的在于说明土地荒漠化的原因、荒漠化过程和荒漠化发展程度及速率,自然环境的脆弱性等,应满足于预测土地荒漠化的发展和拟定防治荒漠化措施的要求,说明目前土地利用类型和土地特性的适宜程度、土地经营和改良措施的效果等。荒漠化评价可以说明目前土地的质量优劣,土地利用的适宜程度,经营措施的合理性,为确定土地经营方向、管理措施、采取的改良方法等提供决策依据。荒漠化评价的另一个目的是要说明土地退化的原因。比如草场退化,不仅要说明草场退化的程度,而且要说明造成退化的原因是气候干旱,还是放牧的结果,放牧是牲畜超载,还是牲畜结构不合理。只有完成这一任务,荒漠化评价才有真正的生产意义,才能为防治荒漠化提供科学的依据[16]。

2.3 荒漠化评价内容

荒漠化评价的目的是为了掌握一定区域荒漠化现状及发展趋势如何、成因以及危害状况、治理效果等。因此荒漠化评价具体内容包括荒漠化现状评价、灾害评价、发展速率和发展趋势评价、治理效益评价等内容[17]。

荒漠化现状评价:是指在一定时间和地域条件下,以土地单元为对象,对其退化程度进行分级评定。荒漠化现状评价是荒漠化评价的核心,荒漠化现状评价的最终成果是荒漠化现状分布图。

荒漠化灾害评价:是指由于荒漠化的影响,对区域社会经济和环境造成的各种损失及破坏。

荒漠化发展速率评价:是指在一定(单位)时间内荒漠化土地面积扩大或减小及程度变化。一般可由两个或两个以上不同时期的荒漠化现状情况比较获得。

荒漠化发展趋势评价:荒漠化发展趋势评价实质上是一种综合评价。它是在综合荒漠化成因、发展规律、目前状况和发展速率的基础上,考虑自然条件的脆弱性和环境压力的大小而进行的预测性评估,包括荒漠化产生的可能性,荒漠化可能达到的程度等。

荒漠化防治工程效益评价:就是对荒漠化治理

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第3期 牛 星,等:荒漠化监测与评价研究进展

情况进行综合全面评价。包括投资、治理措施、法律体系、治理效果以及全社会参与状况等。

2.4 荒漠化评价的原则

荒漠化发生发展的地域分异规律是进行荒漠化程度判定与分区的基本依据。荒漠化过程的影响因子多,涉及面广,要求其程度判定与分区须通过综合分析,以核心指标为主进行,具体进行荒漠化程度判定与分区时应遵循以下基本原则[18]:

(1)综合性荒漠化是一个动态过程,其现有程度是荒漠化长期发展结果在现时段的表现,只有综合考虑其现有状态与近期发展速率才能反映出其现实状况的真正程度。因此,荒漠化程度取决于区域内沙漠化现有状态和发展速率2个方面,影响因子众多,只有予以综合分析,才能对其有一个完整、客观的评价。

(2)主导性荒漠化程度的影响因子较多,若采用单因子评价必会影响其程度的判定精度,若一一概括限于数据采集又不现实,故只能在地理系统的局地级序(地理方域区)水平上选择具有代表性的主导指标建立一个科学、完整的程度判定与评价指标体系,才能既简便又客观地进行荒漠化程度的判定与分区。

(3)行政区域完整性行政组织对于荒漠化防治担负着决策、指导、贯彻执行的责任,因而,荒漠化程度判定与分区应基本上保持一定行政区的完整性,以便为国家制定和贯彻宏观沙漠化防治规划与决策提供理论依据。同时研究数据也只能按行政区域来统计。由于荒漠化土地分布的非连续性与程度的非同一性,基本行政单元进行荒漠化程度判定所得结论并不代表其全域内土地已全部荒漠化并均达到某一程度或均为同一程度,仅表明该区域内的实有各类荒漠化土地的综合影响达到了某一程度,对此应有足够认识和严格区分。

2.5 荒漠化评价的方法

1992年!联合国环境与发展大会?后,特别是1994年联合国防治荒漠化公约签署后,很多学者尝试创立一些综合的方法进行荒漠化评价。1995年, Kuehl等从土壤、植被和光谱特性方面构建出一个综合荒漠化评价指标体系,并以美国科罗拉多高原的草地、灌丛和针叶林为对象开展动态评估研究[18]。Tri p athy利用MSS和I R S数据,选取反射率、NDV I、土地侵蚀速率和土壤水分4个指标,通过GIS融合地面信息,完成对印度Gulbarga的荒漠化评价[19]。1999年,美国环保局提出了环境监测和评价的压力2响应指标体系方法[20]。2000年,I m e son使用Kos m as等提出的!关键指标?的概念,采用水分调节功能丧失指数、生态系统恢复功能丧失指数和水土保持功能丧失指数等3类关键功能响应指标来评价土地退化。2002年,联合国粮农组织启动的!旱地退化评价(LADA)?项目也采用了生态系统退化的压力响应评价方法[21,22]。

胡孟春等以景观学为指导,采用要素评价,他们依据风蚀风积微地貌占地百分比、植被盖度、沙土含水量、沙土有机质,然后以主导因素法确定土地沙漠化类型,应用模糊综合评判法对科尔沁沙地进行了分类定量指标评价。将荒漠化土地分为严重荒漠化、强烈发展、正在发展和正在沙漠化四大类别[23]。董玉祥在总结国内外研究工作的基础上建立了包括内在危险性、人畜压力、系统综合条件、荒漠化状态、荒漠化发展速率及危害等子体系的多层次的荒漠化指标体系。他在评价中国沙漠化危险度时又提出内在危险性、现状、速率、人口压力和牲畜压力,共5个方面的指标体系[24]。朱震达等提出利用地理景观及土地沙漠化发展判断沙漠化程度的指标为沙漠化土地扩大率;从生态角度判断则以植被盖度大小作为沙漠化程度的参考指标;从地表形态发展阶段划分沙漠化发展状况,综合遥感和地面实查,区别全国各种程度的沙漠化的主要标志[25]。高尚武等结合遥感卫星影像通过线性回归法筛选出由植被盖度、裸沙地占百分比、土壤质地等指标,采用De l p h i法确定各指标的权重,将荒漠化分为轻度、中度、强度、极强4级,构成了沙质荒漠化现状综合评价体系。他们是通过3个不同气候区域的野外调查,采用特尔裴法,确定各因子的权重,综合得分得到的,该分级方法在一定程度上具有量化性质[26]。范建容选取地貌切割密度、坡度、土壤厚度、土壤有机质、植被指数作为评价指标,提出了干热河谷土地荒漠化评价指标体系,评价云南元谋县干热河谷荒漠化现状[27]。高志海基于遥感和调查数据建立植被的降水利用效率模型,并以其作为评价指标[28]。这一指标消除了降水变化对植被波动的影响,可操作性强,对民勤绿洲的荒漠化现状进行评价效果较好。

3 结语

荒漠化已成为实现联合国千年发展目标的重要障碍,荒漠化的监测与评价是荒漠化研究领域的重要内容。为了有效地防治荒漠化,必须在局地至全球的各级层次上对当前的生态系统管理方式、习惯

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行为和政策做出重大调整,同时最好是将工作重点放在预防上,因为试图修复荒漠化区域不仅成本昂贵,而且往往收效甚微。为了更好地认识荒漠化的本质,当前亟待在全球尺度上建立准确一致的荒漠化本底数据库和评估指标体系,并对科学认知方面的一些不确定性进行深入研究。其中,急需开展的研究包括:

(1)弄清生态系统中生物物理因素、社会因素和经济因素之间的相互作用,揭示荒漠化过程的阈值特征;

(2)弄清减贫和防治荒漠化在政策方面的各种联系,不能仅仅局限于经济价值方面的简单联系;

(3)弄清旱区城市对来自旱区和旱区之外的生态系统服务的依赖程度,评估城市发展对防治荒漠化的潜在贡献[29]。

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