土地沙漠化一直是全球最大的资源和环境问题之一^[1]。长期以来，沙漠化问题是中国主要的环境生态问题，是关系到社会经济可持续发展的重要因素之一。沙漠化问题会引起区域内植被、土壤、气候和水发生重大变化，从而导致环境问题频发。防治沙漠化对于维护环境安全、改善人民生活条件、促进社会经济发展具有重要意义^[2]。根据第六次全国沙漠化和沙漠化监测结果显示，全国沙漠化土地面积2.57×10⁶ km²，占国土面积的26.81%，沙化土地面积1.69×10⁶ km²，占国土面积的17.58%^[3]。内蒙古的沙漠化问题在于，内蒙古有四大沙漠和四大沙地，特别是内蒙古西部区域沙漠较多，导致当地乃至周边地区生态环境恶化，经济发展缓慢^[4-5]。库布齐沙漠是内蒙古四大沙漠之一，位于黄河几字弯南岸，与黄河几字弯北岸的河套平原地貌形成鲜明对比，每当春季大风来临，从库布齐沙漠卷起的风沙对周边城市环境带来极大危害，其特殊的地理位置和对其周边环境造成的破坏不容忽视。

近年来，一些科学家和专家不断研究内蒙古各地的沙漠化现象，如锡林郭勒草原沙漠、呼伦贝尔草原沙漠化防治、内蒙古阿拉善沙漠化防治、毛乌素沙地等等，关于库布其沙漠化问题的研究相对较少^[6-9]。为更深入地理解库布齐沙漠农牧交错区的沙漠化过程，陈雅琳等^[10]进一步分析该地区土地覆盖变化的驱动因素。研究发现，自然因素如气候变化、风力侵蚀等对沙漠化过程有显著影响，但人类活动，尤其是过度放牧、滥伐森林和不合理的土地利用方式，是导致沙漠化加剧的主要原因。研究团队还指出，1987年至2003年间，库布齐沙漠农牧交错区的植被覆盖度发生了显著变化。它可能与该时期实施的生态恢复工程有关。然而在1995年至2000年间，植被覆盖度又出现下降趋势，表明生态恢复工程的效果并不持久，需要持续的管理和保护措施^[10]。王翠萍^[11]以2003，2008和2014年3期遥感影像为信息源，对库布齐沙漠中段沙化土地动态变化进行了分析。结果表明研究区沙化土地处于极缓慢变化状态，但是缓慢变化的速率在加快。由此可见，经过长时间的植树造林工程等相关治理修复工程，库布齐沙漠发生翻天覆地的变化，从荒无人烟的沙漠到如今的沙漠绿洲，沙漠化问题得到一定程度的限制。吴小燕等^[12]基于归一化植被指数(NDVI)的像元二分法模型，分析了库布齐沙漠自1989年至2019年间植被覆盖度(FVC)的时空动态变化特性。结果显示，库布齐沙漠的植被覆盖度总体上呈现出积极改善的趋势。

目前学者们经常以EVI(增强型植被指数)植被指数进行区域植被覆盖度研究应用较为广泛，在提取长时间序列和大范围植被覆盖度时，其利用植被指数区分无植被覆盖区域和植被覆盖区域，从而估算区域植被覆盖度，通过设定阈值对区域植被覆盖面积进行提取，结果具有较高的精度及科学性^[13-14]。鉴于此，本研究的重要性在于阐明库布齐沙漠在2000—2023年中的沙漠发展过程，利用EVI扩展植被指数阐明沙漠化过程中沙漠化的时空分布变化，并提取有效的特征因子。采用沙漠化分级指标，清晰地展现库布齐沙漠的变化特征，科学深入了解库布齐沙漠2000—2023年的沙漠化变化趋势，掌握其发展规律，分析其变化因素，为库布齐沙漠生态环境恢复和治理提供科学依据。

1 研究区概况

本文选取库布齐沙漠及周边地理环境作为研究区(图 1)，地理位置位于鄂尔多斯高原北缘，地跨杭锦旗、达拉特旗、准格尔旗三地。研究区总面积约18 643 km²，地理坐标107.059°—111.368°E，39.787°—40.913°N，约占61%，沙丘高10~60 m，平均海拔约1 200 m左右。库布齐沙漠主要气候属于温带大陆性季风气候，昼夜温差大，东部沙漠属于半干旱区，雨量相对较多；西部沙漠属于干旱区，年均气温较高，雨量较少，年均降水量仅为50~100 mm，植被类型也有区别，西部多为沙漠和荒漠草原植被类型，东部则主要以多年生禾本科植物为主。自2000年以来，库布齐沙漠面积逐年递减，沙漠化程度类型面积均有不同程度减少，利用EVI增强型植被指数阐明库布齐沙漠沙漠化过程中的时空分布变化。研究采用分层随机抽样的方法在研究区域范围内，依据沙漠化分级的五个级别各抽取10个样地，总体抽取50个样地，利用ArcGIS 10.8中的随机布点函数在2023年沙漠化分类结果中进行随机布点。

2 数据与方法 2.1 数据来源与处理

本文为了能够为特征信息提取土地覆盖和沙漠化动态监测提供多光谱、多时间和多空间分辨率的遥感信息，选取了库布齐沙漠2000—2012年Landsat-TM影像和2013—2023年Landsat-OLI影像，6期影像均来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/home)，考虑到研究区夏季较短，植物生长周期短，为了便于目视解译，使得研究结果具有可比性，5期影像成像时间均选择在时间相距较近的时段，基本在7—8月上旬，影像成像效果较好，云量均控制在3%以下，解译方法采用EVI指数灰度分割。地面调查数据来自野外调查的样方数据，为验证分类实验结果，以植被覆盖度为主要验证指标，样方参照《全国草原监测技术操作手册》(2007)设定，每个样方以样地点为中心坐标向外延伸，布设样方面积为100 m²，采取目视法对样方内的植被盖度进行估算^[15]。气象及高程等栅格数据来源于资源环境科学数据平台(https://www.resdc.cn/Default.aspx)。

2.2 沙漠化程度分级

$ \mathrm{EVI}=2.5\left(\frac{\mathrm{NIR}-\mathrm{RED}}{\mathrm{NIR}+C_1 \mathrm{RED}-C_2 \mathrm{BLUE}+1}\right) $

(1)

式中：NIR代表近红外波段；RED代表红色波段；BLUE代表蓝色波段；C₁和C₂分别为6和7.5。

研究中的EVI^[16]，结合野外采样点实际地物类型，参考野外训练样本，比较分析将沙漠化的阈值范围准确化。根据ENVI软件实验结果，本文将EVI在绿色植被下的阈值范围设定为0.2~1.0，在7—8月研究区的沙地盐碱滩等裸地的EVI值在0.26以下，水域的EVI值在0.05以下，因此可以将0.06 < EVI < 0.26作为研究区7—9月沙漠化覆盖程度的基线，这与左丽君等发现毛乌素沙地的EVI基线值为0.06与本研究区很接近^[17]。根据土地利用信息可以划分出库布齐沙漠的沙漠化区域与未沙漠化区域，将沙漠化区域的数据提取出来进行沙漠化程度时空演变的研究。

本研究利用遥感植被指数EVI阈值范围，库布齐沙漠及其周边区域沙漠化程度划分为五个分级，分别为未沙漠化、轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、极重度沙漠化(原生质沙漠)。参照中国沙质沙漠化土地监测评价指标体系^[18]，建立库布齐沙漠沙漠化分级体系(表 1)。由表 1可知，利用EVI指数针对地表沙漠化进行区分，EVI≥0.26时呈现未沙漠化，0.22≤EVI < 0.26时呈轻度沙漠化，0.18≤EVI < 0.22属于中度沙漠化，0.14≤EVI < 0.18属于重度沙漠化，0.06 < EVI < 0.14极重度沙漠化，-1 < EVI≤0.06划分为水域。

2.3 研究方法

要定量描述区域土地利用变化率，需要通过土地利用动态度^[19-20]，来反映各类型沙漠化土地随时间的变化情况。它可以用来对比多个时间段土地的利用差异，有助于发现其中不同类型土地的变化幅度。计算公式为：

$ U_j=U_{j n}-U_{j m} $

(2)

$ K_j=\left(U_j / U_{j m}\right) \times \frac{1}{T} \times 100 \% $

(3)

式中：U_j代表j类型沙漠面积变化；K_j为研究时段土地利用的动态度；U_jm为j类型荒漠初期沙漠化面积；U_jn为j类型荒漠末期沙漠化面积；T为研究的时段年限。

库布齐沙漠沙漠化程度类型在数量上变化显著，为研究其在空间上的动态分布特征，本文引入多度指数及重要度指数来对2000—2023年土地沙漠化的空间分布展开深入研究。

多度指数可以用来反映研究区内的沙漠化土地类型的分布程度^[21]，多度指数越高，说明该沙漠化类型在研究区内分布越分散，斑块数量也就越多。反之，多度指数越低，则表明该沙漠化类型在研究区内越集中分布，斑块数量就越少。重要度指数用以反映该沙漠化土地类型对该研究区的重要程度以及影响程度。重要度指数越高，表明该沙漠化类型在研究区土地中占据主导地位，对研究区内的土地类型变化产生较大影响。反之重要度指数越低，则表明该类型沙漠化土地重要程度低，对该研究区的土地类型变化影响较小。多度指数及重要度指数公式为：

$ D_j=C_j / \mathrm{C} \times 100 \% $

(4)

$ V_j=D_j+B_j $

(5)

式中：D_j为j类型沙漠的多度指数；C为总体沙漠化类型的斑块数；C_j为j类型沙漠的斑块数；V_j为j类型沙漠的重要度；B_j为j类型沙漠面积占全部沙漠总面积的百分比。

根据同一地区不同时相的土地覆盖现状的变化关系(表 2)^[22]，求得一个二维矩阵。通过对得到的转移矩阵进行分析，能够得到两个时相，不同的地类之间相互转化的情况，它描述了不同的土地利用的类型在不同年份发生变化的土地类别以及发生变化的位置和变化面积。不仅能够反映上述静态的固定区域固定时间的各个地类面积数据，还能够反映更加丰富的初期各个地类的面积转出以及末期各个地类面积的转入情况。从面积入手，反映区域土地利用变化，面积变化首先反映在不同土地利用类型的总量变化上，通过分析土地利用类型的总量变化，可了解土地利用变化总的变化趋势和土地利用结构的变化。

2.4 沙漠化分类结果验证

为验证分类结果的精准性，研究采用分层随机抽样的方法在研究区域范围内，依据沙漠化分级的五个级别各抽取10个样地点，总体抽取50个样地点，利用ArcGIS 10.8中的随机布点函数在2023年沙漠化分类结果中进行随机布点，并从中提取各样点的坐标值，便于之后的实地验证。结合研究区沙漠内植物组成、郁闭度、植被盖度等条件，设置样方大小为10 m×10 m^[23]。

依据50个观测样方点坐标位置，在库布齐沙漠进行野外实地考察，参照表 1的植被覆盖度分级指标，观测样方内植被覆盖度是否与分级结果一致，并制作混淆矩阵精度评价表(表 3)验证分类结果精度。根据验证结果所知，分类结果总体精度为82%。

3 结果与分析 3.1 土地沙漠化时间趋势特征

通过EVI计算得到2000—2023年6期沙漠化分级影像(图 2)基础上，本研究进一步统计了研究区域5个沙漠化分级的土地面积，旨在发现其时间变化规律。

2000—2023年库布齐沙漠及周边区域沙漠化总面积呈现减少趋势，由2000年的10 694.60 km²缩减到2023年的8 837.56 km²，线性减少速率达565.81 km²/a(图 3)。其中，极重度沙漠面积减少格外突出，由2000年的6 272.11 km²减少到2023年的1 461.65 km²，线性减少速率达952.83 km²/a，是总沙漠化面积减少的最突出贡献者。重度、中度和轻度沙漠化面积在保有面积基础上总体呈现消长波动上升趋势。

根据库布齐沙漠土地沙漠化动态变化率可以看出(图 4—5)，2000—2005年，极重度沙漠类型在数量上呈现明显下降趋势，面积共计减少2 804.69 km²，缩减速率为8.94%。其他沙漠化类型在数量上均呈小幅度上升趋势，土地沙漠化总面积共计减少304.34 km²，缩减速率为0.57%。变化较显著的是重度沙漠化面积和中度沙漠化面积，增加速率分别为5.75%，4.76%，变化最为显著的是轻度沙漠化面积，增加速率为26.08%，沙漠化治理恢复整体效果显著。2005—2010年，沙漠化面积相较2005年整体减少了1 229.33 km²，重度、中度、轻度沙漠化面积均呈现减少趋势，重度沙漠化面积减少速率为6.03%，中度沙漠化减少速率为3.40%，轻度沙漠化面积的减少速度最大为3.64%。2010—2015年，沙漠化呈大幅减少趋势，沙漠化面积共计减少1 544.46 km²，缩减速率为3.37%。主要原因是，极重度沙漠化面积大幅减少，减少了3 734 km²，重度沙漠化面积也有小幅度的减少，轻度沙漠化面积趋势变化表现为增加，面积增加了2 464.3 km²，总体增加速率稍小于前期减少速率，最终沙漠化面积稍有减少，但基本维持在稳定范围内。2015—2020年，土地沙漠化面积共计减少217.37 km²，缩减速率为0.57%。除轻度沙漠化外，其他沙漠化等级面积均有不同程度地增加，其中极重度沙漠面积上升最为明显，增加速率为1 920.74%，极重度沙漠面积大幅度增加。2020—2023年，土地沙漠化面积总体上升1 438.46 km²，主要原因受三年疫情影响人为因素减少，当地自然气候因素影响增大，土地沙漠化总面积提升，中度沙漠化面积增加295.80 km²，轻度沙漠化面积增加1 436.91 km²。

通过2000—2023年的沙漠化转移矩阵表(表 4)可知，极重度沙漠面积从2000年的132 2.39 km²下降到2023年的1 461.65 km²，转移面积为4 949.72 km²，其中转移为重度沙漠化土地面积为2 232.89 km²，因此2023年的重度沙漠化土地面积上升至2 874.48 km²。极重度沙漠土地面积转移为中度沙漠化土地面积为993.66 km²，转移为轻度沙漠化土地面积为799.49 km²，转移为未沙漠化土地面积870.6 km²。总体来看，沙漠化土地类型结构由极重度沙漠类型为主导向未沙漠化土地类型过渡转移，其余各沙漠化土地类型面积均有不同转移，整体转移趋势向好。

3.2 土地沙漠化空间主导趋势

2000—2023年间，库布齐沙漠西部、南部等地区，沙漠化面积大幅度减少，东部的条带形沙漠也有一定程度的减少。

由不同时期土地沙漠化多度指数差异变化(图 6)结果表明，2000—2023年间，多度指数较低的沙漠化类型是重、中度沙漠化，长期维持在5%~15%左右的变化，说明这两个类型的沙漠在研究区域内属于分布较为分集中的沙漠。2000年极重度沙漠类型的多度指数较高，多度指数达到33.64%，说明该类型的沙漠分布较为集中，但多度指数整体呈下降趋势，说明该沙漠类型分布越来越分散，截至2023年，极重度沙漠类型多度指数下降到7.84%。轻度沙漠化多度指数在2000—2010年维持在6.85%~15.77% 范围内，但是在2015年上升到26.12%，说明该程度沙漠分布随着时间变化，在一定程度上增加了分散趋势，在2015—2023年多度指数呈现波动趋势，先下降到5.88%，后增长至13.60%，说明在之后的8 a里沙漠又增加了集中趋势。由此可见，说明极重度沙漠类型土地经过了长时间治理，逐渐退化为中、轻度沙漠化，且其分布广泛程度已经得到有效控制。

2000—2023年间沙漠化类型重要度分析结果表明(图 7)，研究区域内极重度沙漠在2000—2010年内占据主导地位，2010—2015年间轻度沙漠化重度指数提升，逐渐占据主导地位，对土地利用类型变化的影响也最大，2015—2023年间，各沙漠化类型的重度指数均有下降趋势，重度沙漠化类型相对占据沙漠区域的主导位置。

3.3 外界因素变化特征

库布齐沙漠地区沙漠化变化趋势主要受自然和人为因素影响。内蒙古自治区气候类型属于温带大陆性季风气候，自西向东依次是干旱区、半干旱区、干旱湿润区、半湿润区，研究区库布齐沙漠横跨干旱区和半干旱区，该区域降水量相对较小，气温相对较高，尤其库布齐沙漠西部核心地段属于干旱区，极重度沙漠面积相对较多，重度沙漠化土地区域分布广泛，地形高程对沙漠的自然演变分布有一定影响。除自然因素方面的影响外，人为因素同样是影响沙漠化变化趋势的主要原因，1978年，为解决中国风沙危害和水土流失等突出问题，党中央决定启动实施“三北”工程，开启了中国大规模治理风沙、改善生态的先河。2000—2023年，“三北”工程区森林覆盖率由5.05%增长到13.84%，45.00%以上可治理沙化土地面积被治理。

3.3.1 自然因素变化特征

库布齐沙漠风速时空分布如图 8所示。2000年和2020年的年均风速分布格局相似，风速由南向北逐渐增加，2000年年均最高风速可达2.95 m/s，最低至1.49 m/s，2020年年均最高风速可达3.33 m/s，最低至1.96 m/s，从图 8可知，2000—2020年年均风速上升，高风速区域逐渐收缩。

库布齐沙漠降水时空分布如图 9所示。2000年和2020年的降水量分布格局相似，且近20 a降水量总体呈增加趋势，空间上由西北向东南降水量逐渐增加；2000年年均最高降水量300.69 ml，降水高于200 ml的地区仅分布在库布齐沙漠东南区域，2020年年均最高降水量424.95 ml，并且库布齐沙漠东部大范围面积降水量均有不同程度提升，年均最低降水量从2000年的84.27 ml提升至191.11 ml。

库布齐沙漠2000和2020年间年均温空间分布如图 10所示。2000年最高温度为8.93 ℃，最低温度为5.8 ℃，2020年最高温度为9.31 ℃，最低温度为6.04 ℃。北部气温高于南部，由西北向东南气温逐渐降低，年均气温较高的区域集中于库布齐沙漠西北核心地带，该区域是极重度沙漠的分布区域，明显呈现高温少雨特征。

依据GIS中自然断点分级法，由图 11可以看出，库布齐沙漠平均海拔较高，以高原为主，地势为南高北低，地势较低的部分位于黄河流域南岸，地势较高的部分位于南部鄂尔多斯高原。海拔最高为1 566 m，平均海拔为1 148 m。

3.3.2 人为因素变化特征

自然因素对植被及荒漠化有重要的影响，但随着社会经济的发展，人为因素也成为影响土地荒漠化程度的重要影响因素之一。近些年随着三北防护林体系建设工程等相关工程的开展，内蒙古当地政府部门及生态类企业加大了对荒漠化治理的投入，采取了一系列科学有效的措施来遏制土地荒漠化的蔓延。除了政府部门和生态类企业的努力外，当地民众也积极参与到了荒漠化治理中来，人民群众通过参与植树造林、保护草场等活动，为改善生态环境贡献了自己的力量。通过多方共同努力的作用下，鄂尔多斯市累计治理荒漠化面积6 460 km²。这一治理成果是通过综合性的生态治理措施实现的，包括但不限于林业生态项目、草原生态建设项目以及河湖连通项目等，在这些项目的开展下，有效地推进了库布齐沙漠的治理工作，实现绿化面积超过3 200 km²，显著改善当地生态环境。

4 讨论

本文为分析库布齐沙漠2000—2023年沙漠化类型变化，基于Landsat TM/OLI数据，在对库布齐沙漠地区进行充分的野外调查的基础上，首先通过实验探索分析其可行性方法，确定EVI遥感指数阈值分割步骤，在此基础上，根据前人的研究成果及沙漠化指标体系，按照程度等级原则细分为轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化、极重度沙漠以及未沙漠化5个沙漠化等级，其中所划分的轻度、中度沙漠化地区也具有一定程度沙漠化趋势的草地。通过土地覆盖动态度、多度指数以及重要度指数，更加深入地反映库布齐沙漠2000—2023年的变化，分别从时间序列和空间序列上分析沙漠变化趋势，掌握沙漠的变化规律。

通过研究发现，库布齐沙漠从2000—2015年沙漠化面积逐时期降低，与王翠萍得出库布齐沙漠总体表现呈整体遏制，持续缩减的结论基本一致，但在2015—2020年时间段内，总体沙漠化面积降低，极重度沙漠面积呈上升趋势。这可能是因为在治理沙漠过程中，深居内陆的沙漠因人烟稀少，人为因素干预减少，导致内部沙漠化程度加剧，而距离城镇较近的沙漠地带因防沙治沙相关的生态修复工程建设，使沙漠化面积进一步地减少。在2020—2023年，受疫情影响，人为影响因素大幅度减少，自然影响因素大幅度提升，直接导致沙漠化总面积提升。沙漠化面积变化与陈雅琳等得出2000—2003年沙漠化面积减少的研究结果不同，这可能是因为研究区范围不一致以及选取的遥感影像时间不同所导致，其在时序上是以1987—1995，1995—2000，2000—2003年，而本文选取每5 a一个时期分析沙漠化变化。在空间分布上，轻度沙漠化类型分布分散并占据地形中的主导位置，这与丁雪^[21]得到2015年鄂尔多斯沙区的轻度荒漠化类型多度指数优势明显的研究结果相近，这与本文研究得出的库布齐沙漠轻度沙漠化类型的空间分布特征存在一定关联。通过研究发现，影响库布齐沙漠的主要因素有自然因素和人为因素，其中自然因素包括风速、降水、气温，李朝生等^[24]同样研究发现影响沙漠中植被生长的主要限制因子是水分，降水的变化对沙漠植被产生较大的影响；气温的变化会对蒸腾作用产生影响，所以在一定程度会影响降水对植被的作用，从而促进沙漠面积的变化；风速在库布齐沙漠西部相对较低，东南部地区风速较高。此结果与本文的研究结果基本一致，极重度沙漠分布集中的地区气候特点呈现出高温少雨，海拔相对较低的特征。

土地沙漠化变化是气候、人为等多种因素共同作用的结果。研究期间黄河“几字湾”攻坚战，“三北防护林体系”“库布齐沙漠生态建设项目”等生态工程项目的建设对研究区沙漠化面积的减少起到一定促进作用，但是随着经济发展及人口的增多，居民地的增加及城镇化水平的提高在一定程度上造成植被的减少^[25]，并且人类活动多种多样，对土地变化的影响也较为复杂，所以人为因素对研究区沙漠化动态变化的影响还需进一步研究。

5 结论

(1) 库布齐沙漠的沙漠化总面积从2000年的10 694.6 km²下降到2023年8 837.56 km²。2000—2023年间，极重度沙漠化面积已由当初的6 272.11 km²，缩减为1 461.15 km²，重度沙漠化面积由2000年的1 773.97 km²，上升到2 874.48 km²，中度沙漠化面积由2000年的1 372.16 km²上升到2020年的1 965.84 km²，轻度沙漠化的土地面积由1 276.35 km²上升到2 535.58 km²。

(2) 2000—2023年间，从时空序列角度分析来看，极重度沙漠缩减速率为3.33%，重度沙漠化增加速率为2.70%，中度沙漠化增加速率为1.88%，轻度沙漠化缩增加速率为4.29%。极重度沙漠土地类型面积从2000年的132 2.39 km²下降到2023年的1 461.65 km²，转移面积为4 949.72 km²，其中转移为重度沙漠化土地面积为2 232.89 km²，转移为中度沙漠化土地面积为993.66 km²，转移为轻度沙漠化土地面积为799.49 km²，转移为未沙漠化土地面积870.6 km²。从空间角度分析，极重度沙漠类型随时间变化由分布分散变为分布集中，且在2000—2010年内在沙漠中占据主导地位；重度和中度沙漠化类型的多度指数为7.69%~16.15%，说明重、中度沙漠化类型长期分布较为集中；轻度沙漠化类型随时间变化分散且较为广泛，并逐渐占据库布齐沙漠的主导位置并容易对周边地物类型产生影响。