为了研究闪电河上游地区的生态环境现状及其关键因子(水域、林地和草地)长时间序列的动态变化, 本文利用1985— 2015年近30 a间的Landsat TM/ETM+(http: //www.usgs.gov/)和高分遥感影像数据(http: //www.cresda.com/CN/)。剔除有云以及有条带等质量不好的影像, 共获得可用影像数据55景, 其中Landsat8数据共10景, 包括2013— 2015年间所有下载数据, 其余数据均为Landsat5数据。所有数据下载条带号均为path124, row31。期间的1986年、1988年、1997年、1999年、2003年和2012年无下载数据, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 闪电河遥感数据集Fig.2 Remote sensing data sets of Shandian River

表观反射率即为大气层顶表观反射率, 是地物表面反射能量与近地表太阳入射能量的比值, 能在一定程度上反映地物的性质和特征。计算表观反射率公式如下

ρ=πLD2ESUNcos θ, (1)

式中: ρ 为大气层顶表观反射率(无量纲); π 为常量(球面度sr); L为大气层顶进入卫星传感器的光谱辐射亮度, W· m^-2· sr^-1· μ m^-1; D为日地之间距离(天文单位); ESUN为大气层顶的平均太阳光谱辐照度, W· m^-2· μ m^-1; θ 为太阳天顶角, θ =90° -β ; β 为太阳高度角^[12]。

根据本文所选取的遥感数据类型与数据获取时间, 通过查表选择相应的参数值, 包括D, ESUN和θ , 同L一起带入公式(1)可计算得到各波段相应的表观反射率数据。依据表观反射率数据进行多级再分类技术方法提取各类型区域。

训练样本的选择是对照Google Earth选取各地类常年不变区域。训练区包括林地、草地、未利用地、水域和耕地5大类, 为使不同年份分类结果具有可比性, 采用相同训练样本将所有影像进行分类。分类方法采用监督分类法中的最大似然法。分类精度验证采用随机抽样法, 随机产生1 600个点, 通过对高分遥感影像进行目视判读, 统计随机点的分类结果与实际地物类型是否相符, 得到分类精度。

以2015年为例分析闪电河流域土地利用和土地覆盖的现状。图3描述了2015年研究区土地利用/覆盖分布现状、主要土地覆盖面积及其所占研究区总面积的百分比。

图3

Fig.3

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	图3 2015年土地利用情况Fig.3 Land use situation in 2015

由图3(a)可以看出, 研究区土地利用类型共分为林地、草地、未利用地、水域和耕地5类。研究区内林地主要分布于研究区西南方向的古巴颜屯图固尔山北麓; 草地主要分布于各支流河道的两侧, 沿河道顺流而下; 水域主要分布于闪电河水库及邻近的2个湖泊之中。

研究区内主要为未利用地和耕地, 面积分别为1 779.9 km²和1 583.7 km², 分别占研究区总面积的43.72%和38.90%; 其次是林地, 覆盖面积为413.75 km², 占研究区总面积的10.16%; 然后, 草地覆盖面积为276.90 km², 占研究区总面积的6.80%; 水域覆盖面积最少, 仅为17.29 km², 占研究区总面积的0.42%, 如图3(b)和(c)所示。2015年闪电河上游的关键生态因子水域、草地和林地共占研究区总面积的17.83%。

为研究闪电河上游关键生态因子的时空变化, 假设耕地区域常年不变, 通过统计不同区域在多期分类结果中被判定为耕地的次数确定耕地区域。最终选择以出现耕地15次的区域作为耕地, 并进行耕地掩模。将所有分类结果与耕地掩模波段运算, 将耕地去除。

以1985年为基准年, 分析研究区近30 a间生态环境关键因子(林地、草地、水域和未利用地)每隔5 a的变化规律, 如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 近30 a间闪电河主要生态关键因子动态变化Fig.4 Dynamic changes of major ecological factors of Shandian River in recent 30 years

图5

Fig.5

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	图5 林地变化规律Fig.5 Change of forest area

3.2.1 林地变化

研究区1985年林地面积为419.103 km², 随后林地面积发生波动, 至2015年变为377.245 km²。 1985— 2000年15 a 间林地面积整体呈下降的趋势, 2000— 2015年15 a间林地面积呈上升趋势。但林地近30 a间变化总体呈下降趋势, 总面积较1985年下降41.585 km², 下降速率为1.395 km²· a^-1。林地变化规律如图7所示。

分析其原因主要是由于近30 a间经济发展和人口增长迅速, 导致人们对木材的需求增加, 乱砍乱伐现象所造成的。其中1995年林地面积上升迅速, 可能是由于80年代末90年代初的三北防护林重大工程的实施导致^[13]。2000年林地又迅速减少, 其原因主要是由于2000年沽源县遭受干旱灾害, 年极端最高气温达36.1℃, 导致大量新生树木死亡^[14]。2000年大旱之后树木逐渐恢复, 林地面积呈上升趋势。表明人类活动与极端的气象灾害是导致林地变化的主要因素。

3.2.2 草地变化

研究区域内1985年草地面积为484.414 km², 从1985— 2005年30 a间草地面积一直呈减少趋势, 2005— 2010年间草地面积迅速增加, 2010— 2015年间又恢复为下降趋势。草地面积总体呈下降趋势, 总面积较1985年下降58.69%, 下降速率为9.47 km²· a^-1。草地变化规律如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 草地变化规律Fig.6 Change of grass land area

分析草地面积变化原因主要是1985— 2000年间由于人口增加, 放牧严重导致草地逐年下降。2000— 2005年间的突增主要原因和政府政策有关, 2001年沽源县全面禁牧政策开始实施^[15], 导致草地面积回升。2005— 2015年间草地变化情况如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 2005— 2015年间草地变化情况Fig.7 Change area of grass land from 2005 to 2015

由图7(a)可以看出, 草地面积增加区域主要是由未利用地变化而来, 变化区域主要分布在河道旁边以及山坡上, 说明草地的变化与放牧有直接关系。2010— 2015年间草地面积下降, 主要由于禁牧政策放松, 牧民恢复放牧导致本就脆弱的草地生态系统退化, 面积急剧减少。除了放牧外, 草地面积的减少和耕地面积的增加有关, 近年来沽源发展错季蔬菜产业, 大面积的机械化种植^[16], 导致耕地面积增加, 草地面积减少。由图7(b)可以看出, 原来分布于河流两岸的草地区域变成耕地, 导致2010— 2015年间草地减少。草地近30 a间的减少说明了闪电河上游近年来生态环境脆弱, 急需保护。草地的变化说明政策的导向对于生态环境的保护和改善起着重要的作用, 不论是三北防护林工程还是全面禁牧政策都可以使闪电河上游的生态环境得到改善, 关键在于政策实施的持续性。

3.2.3 未利用地变化

该区1985— 2000年15 a间未利用地总体呈上升趋势, 2000— 2015年15 a间总体呈下降趋势, 未利用地近30 a间来总体呈上升趋势, 1985— 2015年间未利用地面积共增加了326.137 km², 增长速率为10.87 km²· a^-1。未利用地变化规律如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 未利用地变化规律Fig.8 Change of unused land area

本文未利用地即裸地, 近30 a间未利用地与草地呈明显负相关关系, 相关系数R²为0.8, 如图9所示。裸地的增加印证了过度放牧对闪电河上游的生态系统的破坏作用。

图9

Fig.9

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	图9 未利用地和草地的相互关系Fig.9 Relationship between unused land and grass land

3.2.4 水域变化

闪电河上游水域面积近30 a间变化不大, 1985— 1995年间水域呈上升趋势, 1995— 2000年间呈下降趋势, 2000— 2015年间呈现缓慢上升又缓慢下降的趋势, 整体上水域面积变化不大, 2015年较1985年增加了0.009 km²。水域变化规律如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 水域变化规律Fig.10 Change of water area

水域面积近30 a间基本保持不变的趋势, 主要原因是闪电河上游水域面积主要是由1个水库和2个湖泊构成, 水库和湖泊的蓄水调节功能使水域不会有太大的变化, 其中2000年水域面积最少, 与前面提到的2000年的大旱有关。表明闪电河上游的水域面积主要受极端气候的影响。