全 文 ：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 Kerqin sandy land under humain activi2
ties . Zhang Jiahua and Wang Changyao ( Institute of Remote Sensing A pplications , Academia S inica , Beijing
100101) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (2) :163～166.
Using remote sensing pictures acquired by Landsat TM1 ¬250 000 and 1 ¬500000 in 1990s and GIS data ,combining
with the results of remote sensing investigation from 1970s to 1980s , the types of land cover ,potential dynamics of de2
sertification and sensitive factors in six counties of Kerqin sandy land were analyzed. From 1980s to 1990s. the deserti2
fication 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 10 persons
·km - 2 in recent ten years ,the cultivated land was increased by 7 % on average. Population increase and human activi2
ties were the sensitive factors affecting the change of land cover. The analysis of natural factors influencing desertifica2
tion shows that climate change might result in the processing of desertification ,and human activity is the direct cause
aggravating the desertification of Kerqin sandy land at modern time. The grey forecast shows that the human popula2
tion would increase ,and the desertification tended to increase or decrease after the year of 2000.
Key words 　Remote sensing , GIS , Kerqin sandy land , Desertification , Grey forecast .
　　3 中国科学院“八五”重大资助项目 ( KY - 85 - 13) .
　　3 3 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 IGBP 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 ×104 km2 . 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)
Table 1 Population density in six counties of Kerqin sandy land in 1970s ,
1980s and 1990s( 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
70 100～300 < 30 < 70 < 30 < 40 50～100
80 355 30 70 34 43 101
90 396 33 79 35 46 108
表 2 　科尔沁地区 6 旗县土地利用类型动态变化比较
Table 2 Different landcover types in six counties of Kerqin Sandy Land in
1970s ,1980s and 1990s( %)
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 70 46167 45181 48150 38145 28181 -
Cultivated 80 38190 14150 34180 20130 14160 -
land 90 57182 5117 4913 15136 31143 39177
林地 70 16153 6166 10152 10120 8141 -
Woodland 80 7150 3130 13190 22180 18110 -
90 0117 1181 0146 6183 2161 14188
草地 70 30174 75171 36142 45172 54188 -
Grassland 80 25190 57100 29130 47130 49130 -
90 21193 84147 24174 67110 52144 40170
未利用地 90 5157 5184 12108 6137 5188 1143
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
Table 3 Potential desertif ication area in six counties of Kerqin sandy land ( %)
县名
County
监测面积
Monitor area
(km2)
沙漠化面积　Desertification area
70 年代 1970s 80 年代 1980s 90 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 Naiman 8128. 74 70. 2 67. 2 52. 13 0. 0 0. 31 5. 88
库伦 Kulun 4723. 16 57. 1 49. 9 46. 22 11. 26 9. 63 6. 37
开鲁 Kailu 4384. 11 38. 7 68. 4 8. 40 16. 30 0. 04 12. 08
通辽 Tongliao 3362. 61 40. 7 43. 3 0. 04 21. 89 0. 0 5. 57
科左后 Kezuohou 11525. 98 73. 4 84. 2 10. 19 74. 11 1. 17 5. 68
彰武 Zhangwu 3636. 07 80. 01 75. 9 6. 89 33. 13 0. 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
bi x (1)i ( k)
　　其影子方程为 : dx (1)1 / dt + aX (1)1 = ∑
n
i = 1
bi 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
5612 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
Table 4 Grey forecast of population density in six counties of Kerqin sandy
land from 2000～2020 yr. ( 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
2000 441 36 89 36 49 115
2010 492 40 100 37 53 123
2020 548 44 113 38 56 132
表 5 　科尔沁地区部分旗县土地利用类型动态变化预测
Table 5 Grey forecast of landuse types in f ive counties of Kerqin sandy
land from 2000～2020 yr ( %)
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 2000 83174 2107 68150 1116 5819
Cultivted 2010 - 01801 96175 8179 -
land 2020 - 0131 - 5105 -
林地 2000 0114 1101 0128 2149 0182
Woodland 2010 0102 0156 0104 0185 01185
2020 01003 0131 01001 0129 0104
草地 2000 18154 - 20186 93139 55176
Grassland 2010 15171 - 17162 - 59131
2020 13133 - 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
Table 6 Potential desertif ication area in f ive counties of Kerqin sandy land
from 2000～2020 yr
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 Naiman 8128. 74 50. 56 43. 89 38. 10
库伦 Kulun 4723. 16 - - -
开鲁 Kailu 4384. 11 20. 2 11. 04 6. 06
通辽 Tongliao 3362. 61 17. 5 11. 2 7. 17
科左后 Kezuohou 11525. 98 98. 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
Table 7 Coeff icient change grey model bet ween population and cultivated
land in Kerqin sandy land
县
County
模拟值
Simulated
value
原始值
Primary
value
误差
Error
通辽 Tongliao ^X0 (2) 　= 38. 9005 38. 90 2. 57 E204
^X0 (3) 　= 57. 8198 57. 82 - 1. 31 E203
科左后 Kezuohou ^X0 (2) 　= 14. 5001 14. 50 - 8. 55 E205
^X0 (3) 　= 5. 169 5. 17 5. 35 E204
开鲁 Kailu ^X0 (2) 　= 34. 801 34. 80 - 3. 61 E20. 3
^X0 (3) 　= 49. 301 49. 30 - 3. 23 E203
库伦 Kulun ^X0 (2) 　= 20. 3001 20. 30 + 9. 40 E204
^X0 (3) 　= 15. 358 15. 36 - 3. 84 E203
奈曼 Naiman ^X0 (2) 　= 14. 60015 14. 60 - 9. 93 E204
^X0 (3) 　= 31. 4286 31. 43 4. 47 E203
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.
参考文献
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11 　Mulders ,M. A. 1993. Remote sensing of soils in warm arid and semi -
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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 @
ast590. tea. ac. cn
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