高臺(tái)縣沙漠化動(dòng)態(tài)變化及其驅(qū)動(dòng)因素分析

代德磊，頡耀文，王浩宇

(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

土地沙漠化是指干旱半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)由自然或人類因子作用形成的以風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的土地退化過(guò)程，發(fā)生沙漠化過(guò)程的土地稱為沙漠化土地[1]。我國(guó)沙漠化狀況總體上呈現(xiàn)“局部治理，整體惡化”的嚴(yán)峻態(tài)勢(shì)[2]，沙漠化給廣大沙漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與群眾生產(chǎn)生活等造成了嚴(yán)重影響。高臺(tái)縣 20世紀(jì)50年代以來(lái)由于水資源緊缺、城市化進(jìn)程加快、土地開(kāi)墾以及缺乏正確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)的治理措施等原因，沙漠化防治工作遇到了極大困難?；诖?，本研究利用 GIS和R S技術(shù)，對(duì)高臺(tái)縣1976—2009年沙漠化的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了模擬，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)造成沙漠化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了初步分析，這對(duì)當(dāng)?shù)氐纳衬乐喂ぷ骶哂兄匾默F(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

高臺(tái)縣位于河西走廊中部、黑河中游下段、祁連山脈以北、巴丹吉林沙漠南緣，隸屬?gòu)堃词?，總面積 4459.68km2;介于東經(jīng) 98°57′27″—100°06′42″、北緯39°03′50″—39°59′52″之間，地勢(shì)南北高、中間低，海拔1260—3140m;冬季寒冷干燥，夏季干熱，春季多風(fēng)，年無(wú)霜期157 d，屬典型的沙漠干旱型氣候;年均氣溫 7.8°～ 8°C，年降水量110.4mm，年蒸發(fā)量1923.4mm，地表土層干燥，干燥度達(dá) 5.5。

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究選用的影像數(shù)據(jù)為1976年 7月 4日的 MSS 2景以及1992年 8月 27日和2009年 7月17日的 TM2景，解譯時(shí)MSS影像采用 4、2、1波段，TM影像采用 4、3、2波段合成假彩色圖像，影像較為清晰，空間分辨率為30m。

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括幾何校正配準(zhǔn)、相對(duì)輻射匹配和數(shù)據(jù)鑲嵌、色彩調(diào)整、拉伸、增強(qiáng)等。本研究的幾何校正配準(zhǔn)以1∶5萬(wàn)的地形圖為基準(zhǔn)，利用二次多項(xiàng)式和最近鄰重采樣法，先完成1992年的遙感數(shù)據(jù)校正，然后以此為基礎(chǔ)完成其他年份的配準(zhǔn)。因研究區(qū)地處荒漠地區(qū)，控制點(diǎn)不易選取，幾何校正的平均誤差為1.5個(gè)像元，配準(zhǔn)誤差為0.5個(gè)像元。同時(shí)，對(duì)于以荒漠化土地為主體的遙感解譯圖像除進(jìn)行必要的增強(qiáng)、RGB合成以外，還采取了纓帽變換及波段之間的比值處理等來(lái)提高沙漠化土地的判讀精度。

1.3 研究方法及建立解譯標(biāo)志

由于沙漠化土地類型的自動(dòng)識(shí)別和分類精度還未達(dá)到所期望的水平，且需地物光譜庫(kù)的輔助[3]，因此本研究采用目視解譯法對(duì)沙漠化土地進(jìn)行識(shí)別。沙漠化等級(jí)劃分是進(jìn)行沙漠化土地評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[4]，采用“四分法”將沙漠化分成輕度、中度、重度和嚴(yán)重 4級(jí)[5]，見(jiàn)表1。解譯時(shí)除根據(jù)光譜特性外，對(duì)于流動(dòng)沙丘以植被蓋度為標(biāo)準(zhǔn)確定其等級(jí)。解譯完成后，2009年10月研究人員對(duì)目視解譯結(jié)果進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，證明解譯結(jié)果基本符合實(shí)際情況。

2 沙漠化動(dòng)態(tài)變化分析

2.1 沙漠化現(xiàn)狀

根據(jù)遙感影像解譯，1976、1992和2009年高臺(tái)縣沙漠化土地面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。2009年全縣沙漠化土地面積103726.85hm2，占土地總面積的 23.26%，其中輕度、中度、重度和嚴(yán)重沙漠化土地分別分別占沙漠化土地總面積的 9%、13%、11%和67%，沙漠化程度較高。沙漠化土地主要分布于北部荒漠區(qū)(巴丹吉林沙漠邊界地區(qū))，鹽池南部(明海沙漠北部)，駱駝城的西部和西北部(明海沙漠東部和東北部)，小海子風(fēng)沙口，南華鄉(xiāng)東部和西部，八壩、九壩、十壩、胭脂堡和橋兒灣風(fēng)沙口以及西沙窩風(fēng)沙口，1976、1992、2009年沙漠化空間分布情況見(jiàn)圖1。

表1 遙感影像沙漠化解譯標(biāo)志

表2 高臺(tái)縣各沙漠化類型土地面積 hm2

圖1 1976、1992、2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的空間分布

2.2 沙漠化動(dòng)態(tài)分析

參考土地利用動(dòng)態(tài)變化研究模型[6]，建立了沙漠化動(dòng)態(tài)度模型

式中:K為沙漠化動(dòng)態(tài)度，%，K＞0時(shí)沙漠化面積呈減少趨勢(shì)，K＜0時(shí)呈增加趨勢(shì);Ua、Ub分別為研究起始年和結(jié)束年的沙漠化面積;T為研究時(shí)間，a。

利用式(1)計(jì)算3個(gè)時(shí)段(1976—1992年、1992—2009年、1976—2009年)各沙漠化類型的動(dòng)態(tài)度(年變化率)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，33年來(lái)基本上輕度沙漠化土地變化率絕對(duì)值的年均值最大，重度次之，中度再次，嚴(yán)重最小，其中輕度和重度沙漠化土地面積呈減少趨勢(shì)，而中度和嚴(yán)重卻呈增加趨勢(shì);1976—2009年間沙漠化動(dòng)態(tài)度為0.3，沙漠化土地總面積呈減少趨勢(shì)，嚴(yán)重沙漠化盡管變化率最小，但是由于基數(shù)大，增加的面積還是相當(dāng)可觀的(3171.2hm2)。

表3 高臺(tái)縣3個(gè)時(shí)段各沙漠化類型的動(dòng)態(tài)度 %

運(yùn)用Arc GIS軟件對(duì)研究區(qū)3個(gè)時(shí)段沙漠化空間分布圖進(jìn)行空間疊置分析，得到沙漠化類型轉(zhuǎn)化圖，進(jìn)而得到動(dòng)態(tài)演變的數(shù)據(jù)矩陣，見(jiàn)表 4。

表4 1976—2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的空間轉(zhuǎn)化 hm2

由表 2—4及其分析結(jié)果可知，研究區(qū)的沙漠化發(fā)展趨勢(shì)有如下特點(diǎn):①沙漠化土地總面積在減少，但嚴(yán)重沙漠化比例有所增加。1976—1992年，沙漠化面積減少了 5640.66hm2，1992—2009年又減少了 5719.42hm2，但1976—2009年間嚴(yán)重沙漠化土地面積增加了3171.20hm2，1976年嚴(yán)重沙漠化面積占沙漠化面積的 57.67%，到2009年已增長(zhǎng)到67.04%。②沙漠化土地類型結(jié)構(gòu)變化明顯，存在兩極分化現(xiàn)象。1976—1992年和1992—2009年沙漠化土地面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明:一是輕度和重度沙漠化土地面積明顯減少，中度和嚴(yán)重卻有所增加;二是輕度沙漠化土地比較脆弱，向其他類型轉(zhuǎn)化明顯，嚴(yán)重沙漠化土地比較穩(wěn)定，向其他類型轉(zhuǎn)化較少。③沙漠化土地?cái)U(kuò)展和逆轉(zhuǎn)同時(shí)存在。沙漠化逆轉(zhuǎn)主要體現(xiàn)在沙漠化總面積在逐步減少，1976—2009年共減少11360.08hm2;擴(kuò)展主要表現(xiàn)為嚴(yán)重沙漠化面積增加，研究區(qū)嚴(yán)重沙漠化土地占沙漠化土地的比例很大，從1976年到2009年共增加了3171.20hm2。④沙漠化內(nèi)部轉(zhuǎn)化復(fù)雜。1976—2009年，輕度沙漠化土地中有39.74%轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧衬恋兀瑫r(shí)分別有11.16%、4.66%和7.47%的面積向中度、重度、嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化;中度沙漠化土地中有13.15%轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧衬恋兀?.80%、4.81%和7.27%的面積向輕度、中度和嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化;重度沙漠化土地中有23.01%向非沙漠化土地轉(zhuǎn)化，有13.5%和17.72%向嚴(yán)重、中度轉(zhuǎn)化;嚴(yán)重沙漠化土地向其他類型轉(zhuǎn)化的面積不大。⑤沙漠化空間變化差異顯著。北部荒漠無(wú)人區(qū)絕大部分都是嚴(yán)重沙漠化土地，沙漠化面積有擴(kuò)張趨勢(shì)，但總體變化不大。局部地區(qū)，西沙窩風(fēng)沙口沙化土地正逐漸吞噬周邊的鹽堿地，沙化面積明顯增加;在駱駝城鄉(xiāng)西部和西北部地區(qū)因土地開(kāi)墾，沙漠化面積明顯減少;羅城鄉(xiāng)、鹽池鄉(xiāng)南部和黑泉鄉(xiāng)西部地區(qū)沙漠化土地與鹽堿地交錯(cuò)分布，沙漠化面積有所減少，沙漠化程度也有所減輕;南華鄉(xiāng)西部和東部沙漠化面積有所減少;小海子風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，但增加幅度不大;八壩、九壩、十壩、胭脂堡、橋兒灣風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，并有向北擴(kuò)張的趨勢(shì)。

2.3 沙漠化動(dòng)態(tài)變化過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)

沙漠化動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬與預(yù)測(cè)的目的在于掌握未來(lái)沙漠化的變化趨勢(shì)[7]。將馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣用于模擬沙漠化的時(shí)空演變過(guò)程，其轉(zhuǎn)移矩陣模型可表達(dá)為[8-9]

式中:Pij為沙漠化類型i轉(zhuǎn)化為j的轉(zhuǎn)移概率，1，i、j=1，2，…，n。

根據(jù)馬爾柯夫過(guò)程的后無(wú)效性及 Bayes條件概率公式，假設(shè)初始的系統(tǒng)狀態(tài)是 S(0)，經(jīng)轉(zhuǎn)移后的系統(tǒng)狀態(tài)為S(1)，則有:S(1)=S(0)P。根據(jù)高臺(tái)縣33年來(lái)各沙漠化類型的分布情況(表4)，得出沙漠化類型的轉(zhuǎn)移概率(表 5)。設(shè)定 2009年各種沙漠化類型的面積比為S(0)，借助馬爾柯夫過(guò)程的運(yùn)算程序，預(yù)測(cè)2042年的面積比 S(1)，見(jiàn)圖 2。

表5 1976—2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的轉(zhuǎn)移概率 %

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，到2042年研究區(qū)輕度沙漠化土地面積將占到土地總面積的1.35%、中度為3.15%、重度為1.52%、嚴(yán)重為15.90%、其他土地為78.08%。從圖 2可以看出:如果保持1976—2009年的變化速度，那么研究區(qū)在未來(lái)33年內(nèi)輕度和重度沙漠化土地面積仍將呈下降趨勢(shì)，但減少的趨勢(shì)會(huì)逐漸減緩，中度和嚴(yán)重沙漠化土地面積將繼續(xù)增加;沙漠化總面積占土地總面積的比例將從 2009年的 23.26%下降到2042年的21.92%，呈減少趨勢(shì)。上述結(jié)果說(shuō)明，如果不采取有效措施扭轉(zhuǎn)沙漠化趨勢(shì)，那么高臺(tái)縣盡管沙漠化總面積呈減少趨勢(shì)，但嚴(yán)重沙漠化比例將越來(lái)越大，因此控制嚴(yán)重沙漠化土地的擴(kuò)張是防沙治沙的關(guān)鍵。

圖2 高臺(tái)縣未來(lái)33年沙漠化變化過(guò)程模擬

3 沙漠化驅(qū)動(dòng)因素分析

沙漠化是氣候、土地、生物三大系統(tǒng)平衡被破壞的結(jié)果，適宜的氣候是誘發(fā)條件，廣泛存在的沙源地是沙漠化的物質(zhì)基礎(chǔ)，而人類和社會(huì)的發(fā)展促進(jìn)了沙漠的不斷變化。本文擬從自然因素和社會(huì)因素兩個(gè)方面分析沙漠化的驅(qū)動(dòng)因素。

3.1 自然因素

自然因素主要包括氣候、水資源和土壤，其中以氣候因素最為活躍，影響也最大。氣候因素中的年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量和風(fēng)力狀況與沙漠化的關(guān)系最為密切[10]。

一是氣候變化。目前研究區(qū)的平均氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)升高趨勢(shì)。從依據(jù)《高臺(tái)縣統(tǒng)計(jì)年鑒》提供的1976—2009年的年均氣溫和典型年降水量及蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表6)可以看出，研究區(qū)年均氣溫由1976年的 7℃上升到2008年的 8℃，在1998年甚至超過(guò)了 9℃，表明當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁刈兓瘦^顯著的上升趨勢(shì);降水量分布年際變化大，但整體上有增加的趨勢(shì);年蒸發(fā)量在 2000年以前總體呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì)，之后又有所減少，比較來(lái)說(shuō)年蒸發(fā)量的增長(zhǎng)速度明顯高于年降水量的增長(zhǎng)速度?？偨Y(jié)起來(lái)，研究區(qū)氣溫顯著升高，降水量波動(dòng)大、不穩(wěn)定，而蒸發(fā)量又持續(xù)偏高。因此，氣候因素對(duì)研究區(qū)沙漠化變化的影響主要表現(xiàn)在:在氣候干旱化的背景下，土壤蒸發(fā)量增大加劇了地面的裸露程度，進(jìn)而加速了土地沙漠化的進(jìn)程。同時(shí)，研究區(qū)風(fēng)害嚴(yán)重，共有3大風(fēng)沙口，東為小海子風(fēng)沙口，西為西沙窩風(fēng)沙口，北為八壩、九壩、十壩、胭脂堡、橋兒灣風(fēng)沙口，由于沙漠化土地分布廣，遇到大風(fēng)天氣，塵沙飛揚(yáng)，加之戈壁面積廣闊，表土極易吹失，有的地方1年內(nèi)吹失表土厚達(dá)10cm，綠洲內(nèi)部的非沙漠化土地也易遭受風(fēng)沙侵害。

二是水資源短缺。研究區(qū)水體來(lái)源主要是祁連山高山降水、冰雪融水及相應(yīng)形成的地表徑流，水量大部分集中在夏季，冬季則極其短缺，再加上河流的分布是固定的，高臺(tái)縣北部廣大荒漠區(qū)的土地開(kāi)發(fā)受到限制。同時(shí)，近年來(lái)由于氣候變暖，祁連山雪線上移，河流來(lái)水銳減，據(jù)有關(guān)資料[11]，祁連山冰川局部地區(qū)的雪線正在以每年2～6 m的速度上升，有些地區(qū)的雪線年均上升12.5～22.5m。受其影響黑河來(lái)水逐年減少，2001年來(lái)水量?jī)H為8.9億 m3，比有水文記載的 40年來(lái)的平均值14.3億 m3減少了 5.4億 m3。

表6 高臺(tái)縣年均氣溫、降水量及蒸發(fā)量的變化情況

三是土質(zhì)差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年高臺(tái)縣未利用土地面積占全縣面積的 75%以上，其中戈壁面積130400.3hm2，占全縣面積的 29.24%，鹽堿地面積15624.8hm2，占全縣面積的3.5%。加上植物很難生長(zhǎng)的沙漠化土地，高臺(tái)縣本身易開(kāi)發(fā)的土地面積就比較少，氣候條件又比較惡劣，這就為沙漠化的擴(kuò)張創(chuàng)造了條件。

3.2 社會(huì)因素

社會(huì)因素是高臺(tái)縣沙漠化變化的外在驅(qū)動(dòng)因素。影響高臺(tái)縣沙漠化變化的社會(huì)因素主要包括超載放牧、地下水的過(guò)度開(kāi)采和其他社會(huì)因素3個(gè)方面。

一是超載放牧。高臺(tái)縣草地面積 2.07萬(wàn)hm2，理論載畜量9.37萬(wàn)個(gè)羊單位，1982年載畜量10.13萬(wàn)只，超載放牧 8.11%，2003年載畜量達(dá)到18.85萬(wàn)只，超載放牧101.17%，實(shí)際載畜量是理論載畜量的 2倍，屬嚴(yán)重超載放牧。尤其是小海子庫(kù)區(qū)，理論載畜量 2500只，而實(shí)際放牧 6000只左右，超載放牧140%[12]，長(zhǎng)期的超載放牧，使草地不堪重負(fù)、嚴(yán)重退化。

二是地下水的過(guò)度開(kāi)采。一方面，隨著退耕還林還草工程、開(kāi)墾荒地以及耕地面積的擴(kuò)大，地表水資源供求緊張，原本用于澆灌林草地的地表水被用來(lái)澆灌耕地，導(dǎo)致草木枯死，形成荒漠;另一方面一些無(wú)地表水或地表水不足的地區(qū)，開(kāi)墾荒地后采取打井提取地下水澆灌，無(wú)序開(kāi)采導(dǎo)致地下水位迅速下降、干土層增厚、大量地表植物干旱死亡。據(jù)高臺(tái)縣水利局調(diào)查，近年來(lái)地下水資源的過(guò)度開(kāi)采，使地下水位以每年40cm的速度下降。

三是其他社會(huì)因素。高臺(tái)縣出產(chǎn)甘草、麻黃、發(fā)菜等，由于濫挖濫采，植被遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致土地沙漠化。農(nóng)業(yè)灌溉方式落后，易形成耕地鹽漬化，作物不斷死亡也導(dǎo)致了土地沙漠化。草原鼠害對(duì)沙漠化也具有一定影響，鼠類不僅啃食植物根部，而且打洞致使地表裸露，嚴(yán)重破壞植被和影響牧草生長(zhǎng)，導(dǎo)致植被蓋度下降。據(jù) 2006年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高臺(tái)縣草地鼠害面積達(dá)60200hm2。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)1976—2009年，高臺(tái)縣沙漠化土地的總面積在減少，但嚴(yán)重沙漠化面積有所增加。33年間，高臺(tái)縣共減少沙漠化面積11360.08hm2，其中輕度和重度沙漠化土地呈減少趨勢(shì)，中度和嚴(yán)重沙漠化土地呈擴(kuò)大趨勢(shì)，并且嚴(yán)重沙漠化土地?cái)U(kuò)張明顯，增加了3171.20hm2。

(2)高臺(tái)縣北部荒漠區(qū)的空間分布變化不大，具體來(lái)說(shuō)，駱駝城鄉(xiāng)西部沙漠化面積減少明顯，西沙窩和小海子風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，八壩、九壩、十壩、胭脂堡和橋兒灣風(fēng)沙口沙漠化有向北移的趨勢(shì)，面積也呈增加趨勢(shì)。

(3)借助馬爾柯夫模型預(yù)測(cè)沙漠化的時(shí)空演變，結(jié)果表明:未來(lái)33年間高臺(tái)縣沙漠化面積會(huì)繼續(xù)減少，但減少幅度有所減緩，并且嚴(yán)重沙漠化面積仍將增加，到2042年將占到全縣面積的15.9%。

(4)高臺(tái)縣沙漠化變化的自然驅(qū)動(dòng)因素主要是氣溫升高導(dǎo)致的蒸發(fā)量增加，社會(huì)驅(qū)動(dòng)因素主要是超載過(guò)牧和對(duì)地下水資源的過(guò)度開(kāi)采，雖然防沙治沙工作取得了顯著成效，但總體來(lái)說(shuō)環(huán)境惡化的勢(shì)頭并沒(méi)有得到根本遏制。

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