科尔沁沙地2000-2025年荒漠化时空演变及其驱动力

《Frontiers in Environmental Science》：Spatiotemporal evolution of desertification and its driving forces in the Horqin Sandy Land from 2000 to 2025

　　

引言：以往关于科尔沁沙地荒漠化的研究多聚焦于局部区域或较短时间尺度，而对长期区域差异及自然与人为驱动因素之间的相互作用认识仍不充分。方法：为填补这些空白，本研究利用2000年至2025年六期Landsat TM/OLI影像，基于植被覆盖度（FVC）进行荒漠化分类，进而应用景观格局指标和地理探测器（Geodetector）模型分析时空变化、区域差异及驱动机制。结果：结果表明，荒漠化总体呈现先加剧后逐渐缓解的格局。2015-2020年间荒漠化加剧，而到2025年，非荒漠化和轻度荒漠化土地扩张，高强度荒漠化减少。空间上，荒漠化主要集中于研究区中部、南部和西南部。东北部区域生态恢复最为显著，而西南部区域仍最不稳定。景观分析表明，极重度荒漠化的边界总体上趋于简单，而其他荒漠化等级的边界则变得更加复杂。年平均相对湿度、年平均风速、人口密度和土地利用类型是主要驱动因子，且它们的交互作用表现出增强的解释力。讨论：这些发现为科尔沁沙地的区域差异化荒漠化防治和生态恢复提供了科学依据。

论文解读文章

**研究背景与问题**

荒漠化是干旱、半干旱及干燥半湿润地区由气候变化和人类活动等多种因素导致的土地退化过程，是全球性的环境问题。中国是受风沙危害最严重的国家之一，荒漠化土地主要分布在北方干旱半干旱地区及部分干燥半湿润区域。科尔沁沙地作为中国四大沙地之一，位于内蒙古东部，是影响京津冀地区沙尘暴的主要源区之一。历史上该区域曾是水草丰美的草原，但自20世纪初以来，在多重因素共同作用下，生态环境急剧恶化。21世纪以来，一系列生态恢复工程显著改善了区域生态环境，但荒漠化并未完全逆转。以往研究多聚焦于局部旗县或较短时段，对科尔沁沙地全境长期监测、不同亚区间的比较分析以及荒漠化驱动机制的综合评估仍相对不足。

**研究目的与意义**

为填补上述研究空白，本研究将科尔沁沙地划分为东北部、中部和西南部三个亚区，基于2000、2005、2010、2015、2020、2025年六期Landsat遥感影像提取并分析各亚区荒漠化程度，进而运用景观格局指数和地理探测器（Geodetector）模型分析荒漠化景观格局的变化特征，并解释其演化模式及主导驱动因子。研究成果可为科尔沁沙地分区差异化荒漠化防治和生态恢复提供科学依据。该论文发表在《Frontiers in Environmental Science》。

**主要关键技术与方法**

本研究主要采用以下关键技术方法：（1）基于植被覆盖度（FVC）的荒漠化分类：利用Landsat影像计算归一化植被指数（NDVI），通过像元二分模型估算FVC，并依据荒漠化监测技术规程将荒漠化分为五级。（2）景观格局指数分析：使用FRAGSTATS 4.2软件计算平均形状指数（SHAPE_MN）、面积加权平均分形维数指数（FRAC_AM）、景观百分比（PLAND）和最大斑块指数（LPI），以量化荒漠化斑块形态与景观优势度。（3）地理探测器模型：采用因子探测器和交互作用探测器，识别荒漠化空间分异的主导因子及其交互增强效应。驱动因子包括年平均气温、年平均相对湿度、年平均降水量、年平均风速、GDP密度、人口密度、牲畜密度、数字高程模型（DEM）、土壤类型和土地利用类型。数据来源包括中科院资源环境科学数据中心、美国地质调查局、国家地球系统科学数据中心及内蒙古自治区统计局等。样本队列来源为科尔沁沙地范围内的旗县级行政单元。

**研究结果**

**4.1 荒漠化时空变化**

通过六期Landsat影像FVC分类结果，研究人员发现2000-2025年科尔沁沙地荒漠化空间分布发生了显著变化。荒漠化并未呈现持续增加或减少趋势，而是表现出先加剧后逐渐缓解的波动模式。2000-2010年以轻度荒漠化和非荒漠化土地为主；2015年前后中度、重度和极重度荒漠化在多个区域扩张；2020年后生态恢复迹象逐渐显现；到2025年，重度和极重度荒漠化收缩，而轻度荒漠化和非荒漠化土地扩大。空间上，北部和东北部荒漠化程度较轻，中南部和西南部集中了中度和重度荒漠化。三个亚区演化特征各异：东北部生态恢复最明显，中部荒漠化等级间频繁转换，西南部波动最大且仍保留较大面积中度和重度荒漠化。

**4.2 荒漠化面积变化**

定量分析显示，2000-2025年间，整个科尔沁沙地极重度荒漠化面积从9,845.55 km²减少至4,467.17 km²，降幅54.63%；重度荒漠化从11,653.40 km²减少至10,771.45 km²，降幅7.57%；中度荒漠化从19,163.48 km²增加至22,030.51 km²，增幅14.96%；轻度荒漠化从32,369.95 km²减少至27,877.10 km²；非荒漠化土地从57,336.11 km²增加至64,846.84 km²，增幅13.10%。东北部亚区所有荒漠化等级均下降，非荒漠化土地几乎翻倍；中部亚区极重度和重度荒漠化减少，但中度荒漠化增加；西南部亚区极重度荒漠化减少，但重度和中度荒漠化大幅增加，整体生态改善不如其他亚区。

**4.3 荒漠化景观格局变化**

**4.3.1 形状特征**：通过雷达图展示面积加权平均分形维数指数（FRAC_AM）和平均形状指数（SHAPE_MN）的变化。整个科尔沁沙地，极重度荒漠化斑块形状趋于简单（边界更平滑规则），而重度、中度、轻度和非荒漠化斑块边界更复杂不规则。东北部亚区，极重度、重度和中度荒漠化斑块形状简化，轻度荒漠化和非荒漠化斑块复杂度增加。中部亚区，极重度和重度荒漠化边界趋于简单，中度和轻度荒漠化及非荒漠化边界趋于复杂。西南部亚区，极重度和重度荒漠化斑块边界更不规则和复杂，而中度、轻度荒漠化及非荒漠化斑块形状趋于简单。

**4.3.2 景观优势度**：通过柱状图显示景观百分比（PLAND）和最大斑块指数（LPI）。整个研究期，科尔沁沙地主导景观类型从极重度荒漠化转变为重度荒漠化。东北部亚区，极重度荒漠化比例下降，重度荒漠化比例上升，主导类型从极重度变为重度。中部亚区，极重度、重度和中度荒漠化比例均下降，非荒漠化比例稳步上升，表明从高强度荒漠化向生态恢复转变。西南部亚区，极重度和重度荒漠化比例下降，轻度荒漠化比例明显上升，主导类型逐渐向较低荒漠化等级转移。

**4.4 驱动力分析**

**4.4.1 因子探测分析**：2000-2025年各驱动因子对荒漠化解释力（q值）显示，大多数因子p值低于0.05，表明显著影响荒漠化。2000年，年平均风速解释力最高（q=0.8373）；2005年，人口密度和年平均相对湿度成为主要因子（q分别为0.8548和0.8426）；2010年，牲畜密度和DEM（数字高程模型）作用突出（q分别为0.7624和0.7740）；2015年，土地利用类型主导（q=0.8745）；2020年，年平均风速再次最强（q=0.8378）；2025年，人口密度和年平均降水量为关键因子（q分别为0.8284和0.8045）。总体而言，年平均相对湿度、年平均风速、人口密度和土地利用类型是主要驱动因子。

**4.4.2 交互作用探测分析**：2000-2025年所有驱动因子交互作用均表现为双因子增强或非线性增强，无非线性减弱。2000年，土地利用类型与其他因子的交互q值最高；2005年，牲畜密度、DEM、土壤类型和土地利用类型交互q值较高；2010年，土地利用类型与其他因子交互仍最强；2020年，人口密度、牲畜密度、土壤类型和土地利用类型交互q值较高且相似；2025年，土壤类型与其他因子交互最强。总体而言，荒漠化受多因子综合作用影响，单因子无绝对主导。

**讨论总结**

研究人员在讨论部分指出，科尔沁沙地荒漠化2000-2025年呈现波动变化，2015年前后加剧，2020年后缓解，但恢复空间不均。东北部亚区恢复最明显，得益于较有利的水分条件和有效的生态措施；中部亚区为农牧交错带，荒漠化等级间频繁转换，反映土地开发与恢复的平衡；西南部亚区因水分限制强、风蚀风险高、土壤脆弱，仍最不稳定，中度和重度荒漠化持续存在。驱动因子交互作用显示非线性增强，表明自然与人为因子协同影响。研究还发现，主导驱动因子随时间变化，风速、土地利用类型、牲畜密度、人口密度和降水量在不同阶段发挥主导作用。景观格局指标揭示荒漠化变化不仅涉及面积转移，还涉及斑块形态和空间复杂性的重组。

**研究结论翻译**

本研究整合了基于Landsat的植被覆盖度（FVC）、景观格局指标和地理探测器（Geodetector）模型，研究了2000-2025年科尔沁沙地荒漠化的时空动态及驱动机制。主要结论如下：荒漠化并未呈现单向趋势，而是表现出波动轨迹，在2015年前后明显加剧，随后在2020年后普遍恢复。然而，三个亚区恢复空间不均。东北部区域受益于有利的水分条件和有效的生态措施，改善最为显著。中部农牧过渡带显示出荒漠化等级间的频繁转换，反映了土地开发与恢复之间的平衡。西南部亚区仍为最环境敏感和不稳定的区域，由于强烈的水分限制、高风蚀风险和脆弱土壤，中度和重度荒漠化持续存在。主导驱动因子随时间变化，风速、土地利用类型、牲畜密度、人口密度和降水量在不同阶段发挥最大的解释力。重要的是，所有显著因子交互作用均表现出非线性增强，表明荒漠化受气候、地表属性、地形和人类活动的协同效应支配，而非任何单一驱动因子。此外，景观格局指标揭示荒漠化变化不仅涉及面积转移，还涉及斑块形态和空间复杂性的重组，且与潜在驱动因子密切相关。这些发现强调了需要差异化的区域管理策略：在东北部，建议巩固水分支持的自然恢复和持续生态保护；在中部，应更加关注土地利用转换和反复的退化转换；在西南部，优先考虑减少放牧压力、控制风蚀以及缓解中度和重度荒漠化的持续存在。景观指标与地理探测器的结合被证明是连接格局变化与多因子交互作用的有效方法，该框架可推广至面临类似荒漠化挑战的其他干旱区。