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四川西部山地干旱河谷区域受自然地理因素和人类活动影响，形成了独特的干旱河谷生态单元，该区域水土流失严重、生态脆弱、治理困难，严重影响了当地居民的生产生活[1]。上世纪70年代以来，针对该区域生态问题开展了广泛的研究，主要包括对物种种类组成、土壤成分分析、群落特点、气候特征等内容[2-5]。岷江流域干旱河谷区作为干旱河谷分布的重点区域，包括阿坝州茂县、汶川县等5个县，总面积7.8×104hm[6]，干旱河谷区内水土流失严重，沟蚀强烈，片蚀普遍，主要表现为地面裸露，甚至全为裸地[7]。林东风等通过提取裸土和裸土动态变化分析，对福建省永泰县的水土流失进行了监测和评估[8]；林思乡等通过提取长汀县2001-2013年的裸土信息进行时空变化分析，认为该县生态质量的改善与地表裸土面积的大量减少有直接关系[9]。裸土面积变化可以反应出干旱半干旱区域水土流失治理情况，本文以四川茂县为例，利用遥感特征信息提取和GIS技术，定量研究茂县干旱河谷区域的裸土面积变化、空间分布变化以及海拔分布情况，对于指导干旱河谷区域的生态综合治理和可持续发展具有重要意义。
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茂县位于四川省西北部、阿坝藏族羌族自治州东南部的青藏高原东南边缘，地理坐标为E102°56′—104°10′，N31°25′—32°16′，地跨岷江和涪江上游高山河谷地带，境内岷江干流约97.3 km，岷江一级支流黑水河约30.5 km。茂县干旱河谷区域主要分布在岷江干流及其一级支流（黑水河）的河道两侧海拔1500~2400 m的河谷狭长地带，历年平均降水量462.4 mm，年蒸发量1375.7 mm，年均蒸发量约为降雨量的3倍，干旱缺水、水土流失严重，沟蚀强烈，片蚀普遍，区域内裸土面积较大，土壤类型主要以山地褐土和山地棕壤土为主，植被类型大多数为抗旱能力强的灌草植被[10]。蔡凡隆等通过研究表明岷江干旱河谷主要分布在离江面高度500~900 m[11]，杨兆平等通过定量判定岷江上游干旱河谷高程介于1200~3200之间[12]。本次研究以茂县境内岷江流域及其一级支流为基准，两侧海拔各提高约1 000 m作为主要干旱河谷研究区域，总面积为61518 hm2，海拔范围为1377~3333 m（见图1）。
Figure 1. Location and three-dimensional geomorphic features of the study area
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本研究统一使用Landsat系列卫星影像。遥感影像获取的时间分别为：2000年8月13日（TM）、2008年7月18日（TM）、2014年6月1日（OLI+TIRS）、2020年7月19日（OLI+TIRS）。本研究选择的影像月份接近，时间跨度能反映出2008年“5·12”汶川大地震前后，以及20年以来采取一系列干旱半干旱综合治理工程所带来的实际效应。
由于获取的Landsat数据已经过几何校正和地形校正，所以直接在ENVI软件中进行辐射定标，同时利用FLAASH大气校正工具进行大气校正，将原始DN值转换成地表实际反射率，以消除传感器本身产生的误差以及因大气散射、吸收、反射引起的误差，最后根据研究区域矢量边界进行影像裁剪。
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干旱河谷区域主要表现为植被退化，植被覆盖低，土壤裸露较多，土壤偏干，通过提取地表裸土可以研究区域内裸土变化情况[13]，因此，选用Kearney等人的归一化差值裸土指数NDSI进行信息提取[14]，其公式为：
式中，TM5为TM影像第5波段，对应OLI影像第6波段；TM4为TM影像第4波段，对应OLI影像第5波段。
利用公式（1）把影像中的裸土地增强后，与原始影像叠加，通过目视解译确定2000、2008、2014和2020年的阈值分别为0.5、0.48、0.45和0.4，将小于阈值的像元赋值为0，大于等于阈值的像元赋值为1，快速提取出研究区域内的裸土范围（见图2），并对提取结果进行精度验证，所获得的精度在0.8129至0.9349之间，满足精度要求（见表1）。
Figure 2. Original images of each year in the study area （upper） and bare soil extraction map of arid valley study area （Lower）
年份
Year裸土
Bare soil非裸土
Non-bare soil总数
Total用户精度
User accuracy总精度
Total accuracyKappa系数
Kappa coefficient2000 裸土 8843 116 8959 98.71 97.31% 0.9349 非裸土 202 3542 3744 94.6 总数 9070 3658 12728 生产者精度 97.5 96.83 2008 裸土 4605 1004 5609 82.1 90.58% 0.8129 非裸土 4 5093 5097 99.92 总数 4609 6097 10706 生产者精度 99.91 83.53 2014 裸土 5634 382 6016 93.65 96.19% 0.9238 非裸土 65 5648 5713 98.86 总数 5699 6030 11729 生产者精度 98.86 93.76 2020 裸土 1534 286 1820 84.9 90.96% 0.8203 非裸土 15 1493 1508 99.01 总数 1549 1779 3328 生产者精度 99.03 83.92 Table 1. Accuracy assessment
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研究区域海拔跨度为1377~3333 m，将研究区dem图层重分类为11级（见图3），并与各时相提取后的裸土分布图进行栅格计算，获取不同海拔范围内的裸土面积。
Figure 3. Altitude classification diagram of the study area
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分别对2000、2008、2014和2020年的干旱河谷裸土提取图进行面积统计，得出干旱河谷研究区域内各时相的裸土面积及其所占比例（见表2）。
2000年 2008年 2014年 2020年 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/%/ 面积/hm2 比例/% 面积/hm2 比例/% 裸土 21 983.94 34.61% 26 148.24 41.17% 22 586.85 35.56% 17 085.24 26.90% Table 2. Statistics of bare soil area and proportion in arid valley area from 2000 to 2020
结果表明，整体上来看，2000年至2020年这20年间，干旱河谷研究范围内裸土面积成总体降低趋势，从21983.94 hm2降低至17085.24 hm2，共减少4898.7 hm2；其面积占研究区的比例也从2000年的34.42%下降至2020年的27%，降低了7.71个百分点，干旱河谷裸土面积的大幅减少，说明整体生态环境有所好转。
根据影像的年份将研究的时间分为2000—2008、2008—2014、2014—2020三个时间段进行分析，每个时间段为6~8年（见表3）。2000—2008年，研究区内干旱河谷面积从21983.94 hm2增加到26148.24 hm2，净增加面积为4150.85 hm2，主要是因2008年“5·12”汶川大地震引起的滑坡、崩塌等造成的生态系统受损，导致研究区内裸土面积增加；2008—2014年，研究区内干旱河谷面积较少3561.39 hm2，得益于全面推进灾后生态修复工作以及生态治理工程；2014—2020年，区内干旱河谷面积减少5501.61 hm2，减少的面积最多，变化率也从−13.62%提升至−24.36%，超过上一个时间段，说明2015年以来，干旱河谷区域治理工作明显加快。
2000—2008年 2008—2014年 2014—2020年 面积/hm2 变化率/% 面积/hm2 变化率/% 面积/hm2 变化率/% 裸土 4164.3 18.94% −3561.39 −13.62% −5501.61 −24.36% Table 3. Statistics of bare soil area change in arid valley area from 2000 to 2020
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从河流水系上看，干旱河谷区域主要分布在境内黑水河两侧，至黑水河汇入岷江后到渭门镇之间的区域。自2019年以来，研究区域涉及叠溪镇、洼底镇、沙坝镇、沟口镇、黑虎镇、渭门镇、凤仪镇和南新镇等8镇。通过行政区域叠加统计（见表4）可以看出，干旱河谷研究区内裸土面积主要集中在沙坝镇、沟口镇、叠溪镇和凤仪镇4镇，这4镇裸土面积总和占各时相总裸土面积的50%以上；沙坝镇各时相裸土面积占比都最高，分别为28.34%、28.78%、30.02%及32.5%。
乡镇 干旱河谷区域裸土面积/hm2 2000年 比例/% 2008年 比例/% 2014年 比例/% 2020年 比例/% 叠溪镇 2538.22 11.55% 3976.84 15.21% 3593.70 15.91% 2779.23 16.27% 凤仪镇 3602.63 16.39% 3377.30 12.92% 3033.96 13.43% 1921.69 11.25% 沟口镇 3341.52 15.20% 4117.78 15.75% 3605.08 15.96% 2985.24 17.47% 黑虎镇 130.89 0.60% 355.78 1.36% 246.10 1.09% 77.48 0.45% 南新镇 2841.61 12.93% 2628.34 10.05% 2075.24 9.19% 1378.92 8.07% 沙坝镇 6229.73 28.34% 7525.87 28.78% 6780.75 30.02% 5552.75 32.50% 洼底镇 1335.85 6.08% 1728.62 6.61% 1413.89 6.26% 1149.05 6.73% 渭门镇 1963.50 8.93% 2437.71 9.32% 1838.11 8.14% 1240.88 7.26% 合计 21983.94 100.00% 26148.24 100.00% 22586.85 100.00% 17085.24 100.00% Table 4. Statistics of bare soil area and proportion in arid valleys in different administrative periods
从三个时段的变化上看，汶川大地震造成大部分行政区裸土面积增加，地震之后各个行政区的裸土面积逐年降低，第三个时间段的变化率明显比第二个时间段下降更快。沙坝镇在后两个时间段裸土面积减少最多，分别减少了745.11 hm2和1228 hm2；黑虎镇的变化率最高，达到了−30.83%和−68.52%（见表5）。
乡镇 干旱河谷变化面积/hm2 2000—2008年 变化率/% 2008—2014年 变化率/% 2014—2020年 变化率/% 叠溪镇 1438.63 56.68% −383.14 −9.63% −814.47 −22.66% 凤仪镇 −225.32 −6.25% −343.34 −10.17% −1112.28 −36.66% 沟口镇 776.26 23.23% −512.69 −12.45% −619.84 −17.19% 黑虎镇 224.88 171.80% −109.67 −30.83% −168.62 −68.52% 南新镇 −213.26 −7.51% −553.11 −21.04% −696.32 −33.55% 沙坝镇 1296.13 20.81% −745.11 −9.90% −1228.00 −18.11% 洼底镇 392.78 29.40% −314.73 −18.21% −264.84 −18.73% 渭门镇 474.21 24.15% −599.61 −24.60% −597.22 −32.49% 合计 4164.30 18.94% −3561.40 −13.62% −5501.60 −24.36% Table 5. Statistical of bare soil area change in arid valley of each administrative region from 2000 to 2020
从海拔高度来看，各时相的干旱河谷裸土面积主要集中在海拔1400~2600 m之间，该海拔段内的裸土面积各时相占比分别为97.15%、95.72%、95.71%和96.86%，1400 m以下以及2600 m以上区域裸土面积分布少（见表6和图4）。
海拔/m 干旱河谷区域裸土面积/hm2 2000年 比例/% 2008年 比例/% 2014年 比例/% 2020年 比例/% 1400以下 16.77 0.08% 16.76 0.06% 13.17 0.06% 8.81 0.05% 1400—1600 1608.11 7.31% 1655.88 6.33% 1735.83 7.69% 1360.47 7.96% 1600—1800 5251.69 23.89% 5205.74 19.91% 4822.56 21.35% 3567.10 20.88% 1800—2000 5905.14 26.86% 6357.66 24.31% 5373.84 23.79% 4463.78 26.13% 2000—2200 4332.69 19.71% 5455.74 20.87% 4474.96 19.81% 3578.01 20.94% 2200—2400 2829.68 12.87% 4040.26 15.45% 3360.77 14.88% 2400.26 14.05% 2400—2600 1430.16 6.51% 2312.99 8.85% 1851.45 8.20% 1178.48 6.90% 2600—2800 513.43 2.34% 936.12 3.58% 767.66 3.40% 446.88 2.62% 2800—3000 91.89 0.42% 158.08 0.60% 158.80 0.70% 76.32 0.45% 3000—3200 2.92 0.01% 6.56 0.03% 25.61 0.11% 4.40 0.03% 3200以上 1.46 0.01% 1.46 0.01% 2.20 0.01% 0.73 0.00% 合计 21983.94 100.00% 26147.24 100.00% 22586.85 100.00% 17085.24 100.00% Table 6. Statistical of bare soil area distribution in arid valley at different altitudes
Figure 4. Distribution map of bare soil in arid valley at different altitudes in the study area
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（1）政策效应
本次研究选择的三个时间段具有一定的历史意义，上世纪90年代，该区域依托日本援助等林业生态工程项目进行了治理试点，2000年影像代表了经过上世纪一系列生态治理后的干旱河谷分布情况；2008年影像代表了受到“5·12”汶川大地震影响后的干旱河谷分布情况； 2014年影像反映了依托实施天然林保护、退耕还林、灾后重建等生态工程后干旱河谷分布情况，2020年影像则反映了2015年以来，经过大力实施长江上游干旱河谷生态治理产业脱贫工程后的情况，这一个时间段裸土面积大幅减少充分反映出随着政策力度的加大，研究区内干旱河谷裸土面积减少得更快。
（2）人为因素
针对干旱河谷自然条件的特殊性，茂县提出统筹解决生存、生产、生活、生态“四生”问题。2014年开始实施“百村千池万窖”工程，在21个乡镇127个村新建池（窖）18509口、引水沟渠113 km、引水管道3274 km，新增蓄水40×104m3，恢复改善灌面近1×104hm2；“十三五”期间，在沙坝镇、沟口镇和叠溪镇累计实施干旱河谷生态综合治理和封山育林；其中包括老退耕还林和新一轮退耕还林工程实施。2008—2020年干旱河谷研究区内裸土面积减少，特别是2015以年裸土面积减少速度更快，说明通过生态治理的人为因素，区内植被得到了恢复与保护，同时裸土的减少能减轻土地表层冲刷，有效遏制水土流失。
（3）气候因素
根据茂县统计年鉴，茂县历年降水量平均值为462.4 mm，而近几年的降雨量数据看，2017年降雨量为532.9 mm，比历年平均值偏多70.5 mm；2018年降雨量为544.7 mm，比历年平均值偏多82.3 mm；2020年降雨量为718.4 mm，比历年平均值偏多256 mm。降水量的增加在年际尺度上对植被恢复具有积极作用，水源是干旱河谷区植被生长的关键因素[15]，同时，植被的恢复又能在一定尺度上改善降水量[16]，对干旱地区水循环起到了促进作用。
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从空间上，茂县干旱河谷裸土面积主要集中在沙坝镇、沟口镇、叠溪镇和凤仪镇区域，海拔分布在1400~2600 m之间。
从时间上，茂县干旱河谷研究区域在2000—2020年这20年间裸土面积共减少4898.7 hm2；研究区内裸土比例也从2000年的34.42%下降至2020年的27%；其间，2008年“5·12”汶川大地震导致裸土面积有所增加。研究表明，通过一系列政策扶持以及灾后重建、生态治理项目的实施，干旱河谷研究区域内裸土面积大幅减少，表明干旱河谷区实施生态综合治理可使区域内裸土分布面积显著减少，对防治水土流失，促进区域水循环具有重要意义。
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