黃河中游地區(qū)荒漠化變化特征及影響因素

李紅超，孫永軍，李曉琴，畢二平

(1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083;2．中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

荒漠化是當(dāng)前全球廣泛關(guān)注的重大環(huán)境問題之一，對(duì)人類生存和發(fā)展構(gòu)成極大威脅。根據(jù)荒漠化發(fā)生因素可將其劃分為風(fēng)蝕荒漠化(即沙質(zhì)荒漠化或沙漠化)、土壤鹽漬化、凍融荒漠化、石漠化和紅漠化等類型。在各種荒漠化類型中，我國(guó)西北地區(qū)沙質(zhì)荒漠化分布最為廣泛，危害也最大，因此研究也較為深入。早期，國(guó)內(nèi)外關(guān)于荒漠化的研究主要集中在等級(jí)劃分、危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及影響因素的調(diào)查分析等幾個(gè)方面［1－4］。近年來(lái)，遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)等技術(shù)的迅速發(fā)展和其具有便于宏觀、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究的優(yōu)勢(shì)，在荒漠化的調(diào)查研究中已受到越來(lái)越多學(xué)者的重視［5－8］。但大多關(guān)于荒漠化的研究，都采用分辨率較低的遙感圖像，監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度小，研究區(qū)域的整體性較差。

黃河中游地區(qū)荒漠化問題十分突出，受到全球氣候變化以及亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的影響，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，干旱化趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。如果不加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與治理，荒漠化情況將會(huì)繼續(xù)惡化，這必將嚴(yán)重威脅到社會(huì)穩(wěn)定和人類的生存發(fā)展。有許多部門和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究和探討［9－10］，但缺乏對(duì)整個(gè)中游地區(qū)的動(dòng)態(tài)分析。

因此本文選取黃河中游為研究區(qū)，利用Landsat MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的4期時(shí)間跨度較大的遙感圖像為數(shù)據(jù)源，結(jié)合實(shí)地調(diào)查，獲取了黃河流域1975—2007年土地荒漠化動(dòng)態(tài)變化信息，并利用SPSS軟件中的因子分析模塊對(duì)影響荒漠化的因素進(jìn)行了定量分析，以期為該區(qū)域土地荒漠化的監(jiān)測(cè)與防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)范圍以全國(guó)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供的黃河流域荒漠化遙感解譯變化統(tǒng)計(jì)圖為基礎(chǔ)，以黃河河道和黃河流域?yàn)檫吔纭Ｍ瑫r(shí)為了將黃河中游地區(qū)的毛烏素沙地及周邊地區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，圈定了 E 107°～112°30'，N 37°30'～39°20'范圍為研究區(qū)(圖1紅線范圍)，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)南部、陜西省北部及寧夏回族自治區(qū)的東北部地區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig．1 Sketch map of study area location

研究區(qū)內(nèi)地表水資源稀少，區(qū)內(nèi)以流動(dòng)和半流動(dòng)沙丘、固定和半固定沙丘為主的風(fēng)沙地貌廣泛發(fā)育，植被以干旱草原、草甸草原為主，土地退化嚴(yán)重［11］。由于該區(qū)氣候干燥、冷熱劇變、大風(fēng)頻繁、日照強(qiáng)烈［12］，同時(shí)加上地表物質(zhì)抗風(fēng)蝕能力差、易沙漠化、原有沙地面積大等特征，荒漠化情況十分嚴(yán)峻。因此，對(duì)該區(qū)沙漠化發(fā)展程度作出分析和評(píng)價(jià)，將有助于對(duì)該區(qū)的自然環(huán)境進(jìn)行治理與防護(hù)。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

研究數(shù)據(jù)包括MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的遙感圖像;全國(guó)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目提供的1975年、1990年、2000年、2007年4期荒漠化遙感解譯變化統(tǒng)計(jì)圖、地貌統(tǒng)計(jì)圖;由中國(guó)國(guó)家氣象局網(wǎng)站提供的1975—2007年的氣象資料;由內(nèi)蒙古自治區(qū)統(tǒng)計(jì)局編撰的內(nèi)蒙古自治區(qū)多年統(tǒng)計(jì)年鑒。

數(shù)據(jù)處理與分析基于ENVI和MapGIS軟件平臺(tái)。所有遙感圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾何糾正、融合、鑲嵌和分幅等處理;以人機(jī)交互解譯為主的解譯方法，結(jié)合野外的現(xiàn)場(chǎng)勘查，經(jīng)過(guò)分析判斷、修改補(bǔ)充和整理，提取各期荒漠化信息;最后利用圖像處理軟件和GIS軟件的空間分析技術(shù)提取黃河中游荒漠化變化信息，并對(duì)其進(jìn)行分析。

結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況及現(xiàn)有數(shù)據(jù)，著重分析地貌對(duì)荒漠化的影響，同時(shí)利用主成分分析法定量研究人類活動(dòng)和氣候等自然因素在荒漠化發(fā)展過(guò)程中所起的作用。本文選用SPSS軟件中主成分分析程序?qū)哪M(jìn)程的影響因子進(jìn)行定量分析。影響荒漠化的因素可以歸納為人為因素和氣候因素。不同因素對(duì)土地荒漠化的驅(qū)動(dòng)力F［13］可表示為

式中:m為提取成分個(gè)數(shù);h代表人為因素(或氣候因素)的成分個(gè)數(shù);λi與λj為特征根貢獻(xiàn)百分率。

3 荒漠化變化特征

3．1 面積的總體變化特征

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究區(qū)總面積為19．7萬(wàn)km2，土地荒漠化非常嚴(yán)重，以輕度和中度的沙質(zhì)荒漠化(以下簡(jiǎn)稱沙化)為主。32 a來(lái)土地荒漠化面積均超過(guò)了研究區(qū)總面積的60%，其中沙化面積均超過(guò)研究區(qū)總面積的55%。鹽堿荒漠化(以下簡(jiǎn)稱鹽堿化)占研究區(qū)總面積的3%左右，主要分布在沙化的邊緣、干涸的鹽堿湖周圍和地下水礦化度較高、易于鹽堿化發(fā)生的地區(qū)［14］。32 a間研究區(qū)內(nèi)不同類型的荒漠化面積統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 1975—2007年不同類型荒漠化面積統(tǒng)計(jì)Tab．1 Area statistics of different desertification types from 1975 to 2007 (103 km2)

從變化速度上看，2000年是沙化變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，1975—2000年沙化面積以48．8 km2/a的速度遞增。而在2000—2007年的7 a間，沙化得到緩解，面積由 11．922萬(wàn) km2減少到 11．557萬(wàn) km2。而在1975—2007年間，鹽堿化面積以47．19 km2/a的速度逐年遞增。

3．2 不同程度的荒漠化變化特征

荒漠化等級(jí)劃分參考“全國(guó)沙化和荒漠化監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定”中土地沙化和鹽漬化程度分級(jí)方案，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況和遙感數(shù)據(jù)的信息提取能力，將土地沙化和鹽堿化程度分為輕度、中度、重度3個(gè)級(jí)別［15］。上文分析得出32 a來(lái)荒漠化的趨勢(shì)為:沙化的總面積變化為先增加后減少，鹽堿化逐年遞增。但同一類型、不同等級(jí)的荒漠化變化是不同的，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同等級(jí)荒漠化面積變化Fig．2 Area change of different desertification levels

由圖2可以看出，1975—2007年的32 a間，不同程度的沙化變化情況是不同的，但總體上輕度沙化的面積出現(xiàn)大幅度減少的現(xiàn)象，共減少了6 060 km2。沙化中度和重度的面積出現(xiàn)不同程度的增加，分別增加了2 214 km2、1 143 km2?？梢?，該區(qū)荒漠化程度有加重趨勢(shì)，其中輕、中、重度鹽堿化面積均逐年增加，盡管變化幅度不大，但是鹽堿化的發(fā)生使土壤肥力降低、植被退化，這將進(jìn)一步刺激沙化的擴(kuò)張。

4 荒漠化變化的影響因素

荒漠化變化的原因是多方面的。從總發(fā)展情況來(lái)看，荒漠化與自然因素有直接根本的聯(lián)系。而從人類歷史和近代荒漠化發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，人類活動(dòng)對(duì)荒漠化的發(fā)展也起著不可忽視的作用［16］。

4．1 地貌因素

4．1．1 地貌類型與分布

地貌是荒漠化發(fā)生的最基本的自然地理要素之一，不同的地貌類型對(duì)荒漠化的發(fā)生、發(fā)展起到的作用也不盡相同［17］。研究區(qū)內(nèi)地貌類型按成因分有:①構(gòu)造地貌包括斷(拗)陷堆積平原、褶斷侵蝕山地丘陵、褶斷侵蝕高原山地、褶斷侵蝕高原平原;②風(fēng)成地貌包括風(fēng)積平原和風(fēng)蝕地貌;③流水地貌包括河谷地貌和湖沼濕地。地貌類型的分布情況見圖3。

圖3 地貌類型分布情況Fig．3 Distribution of geomorphic types

研究表明:研究區(qū)中部以風(fēng)積平原為主，占該區(qū)總面積的34．7%。四周廣泛分布著褶斷侵蝕山地丘陵、褶斷侵蝕高原山地、褶斷侵蝕高原平原等構(gòu)造地貌類型，分別占研究區(qū)總面積的17．69%、18．75%、12．2%。在黃河河道附近的地貌類型主要有河谷地貌和湖沼地貌，二者占研究區(qū)總面積的2．67%。

4．1．2 地貌與荒漠化的相關(guān)性

地貌形態(tài)的差異影響著區(qū)域水文氣象和生態(tài)條件。構(gòu)造地貌所形成的山系控制著荒漠化的發(fā)育與演化。受到地貌影響的土地分布類型及特性，地表物質(zhì)等決定了區(qū)域抵抗風(fēng)蝕、抵御風(fēng)搬運(yùn)能力的大小，也決定了地表被搬運(yùn)的松散物成分和數(shù)量。圖4為2007年研究區(qū)內(nèi)沙化及鹽堿化分布情況。

圖4 2007年沙化及鹽堿化分布情況Fig．4 Distribution of desertification and salinization

為了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)荒漠化變化情況，表2中列出了不同地貌類型上32 a間不同程度的沙化及鹽堿化變化情況。從表2可見，風(fēng)成地貌類型有超過(guò)85%的土地面積被沙化;構(gòu)造地貌上的荒漠化程度受到地形及其位置的影響，其中地勢(shì)較低并位于研究區(qū)西部的地貌類型(褶斷侵?jǐn)嗌降厍鹆?、?拗)陷堆積平原)上荒漠化程度較嚴(yán)重，超過(guò)了50%;而流水地貌類型上由于水源相對(duì)充足，荒漠化進(jìn)程相對(duì)緩慢，風(fēng)沙危害相對(duì)較弱［18］。由于研究區(qū)內(nèi)整體環(huán)境條件惡劣，流水地貌上沙化面積占了55%，但在32 a間，只有中度沙化面積有增加，輕度、重度沙化和鹽堿化面積均呈減少趨勢(shì)。

表2 不同地貌類型上荒漠化面積變化Tab．2 Desertification area change of different geomorphic types

湖沼濕地11．3 11．4 11 －2 3 45

不同程度荒漠化的變化在不同地貌類型上的變化沒有明顯規(guī)律，總體上處于中度沙化有所緩解，輕重度沙化持續(xù)加重的趨勢(shì)。由此推知，地貌類型主要控制了荒漠化的分布，為荒漠化發(fā)展提供有利條件，但是未在短短的32a間對(duì)研究區(qū)荒漠化的變化表現(xiàn)出顯著而直接的影響。

4．2 人為因素及氣候因素

由于受青藏高原隆升、全球氣候變化以及亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的影響，西北地區(qū)的干旱化趨勢(shì)是研究區(qū)較長(zhǎng)歷史時(shí)期內(nèi)荒漠化發(fā)生、發(fā)展的決定性因素［19］。在過(guò)去100 a中，全球平均氣溫上升了0．6℃。預(yù)計(jì)到2050年我國(guó)大部分地區(qū)將增暖0．5～1．0℃，年降水量也會(huì)有所減少，即未來(lái)我國(guó)氣候呈變暖變干趨勢(shì)。而我國(guó)西北廣大地區(qū)與東部相比將會(huì)更暖、更干［20］。這無(wú)疑對(duì)我國(guó)西北廣大地區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)更加不利的影響。

除了氣候十分惡劣的區(qū)域的自然荒漠化以外，黃河中游地區(qū)大多數(shù)荒漠化均是首先由人類活動(dòng)引發(fā)的，而后在外營(yíng)力的作用下發(fā)展。氣候未發(fā)生變化的條件下，當(dāng)下墊面受到人類干擾，表層穩(wěn)定性發(fā)生變化時(shí)，如植被的退化、草地的開墾、沙丘的移動(dòng)，都會(huì)誘發(fā)荒漠化或加劇其進(jìn)程。也就是說(shuō)，人類活動(dòng)無(wú)意中協(xié)助風(fēng)力打破了土壤表層較脆弱的穩(wěn)定，加速了荒漠化發(fā)生過(guò)程。

為了準(zhǔn)確評(píng)估人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)研究區(qū)荒漠化的影響，本文采用SPSS軟件中的主成分分析法，定量評(píng)價(jià)人為因素和氣候因素在荒漠化發(fā)展中起到的作用。

4．2．1 主成分分析指標(biāo)選取

通過(guò)對(duì)一些學(xué)者在不同地區(qū)荒漠化影響因素研究成果［21－22］的分析，并根據(jù)研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中資源利用特征，考慮到數(shù)據(jù)可獲性和時(shí)間的一致性，選取了對(duì)荒漠化影響較大的總?cè)丝跀?shù)、造林面積、年末耕地面積、大牲畜頭數(shù)等人為指標(biāo)，及年均溫度、年平均相對(duì)濕度和平均年降雨量等氣候指標(biāo)來(lái)分析研究區(qū)荒漠化的影響因素。

4．2．2 荒漠化影響因素討論

對(duì)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)零均值標(biāo)準(zhǔn)化處理后，用SPSS軟件的主成分分析程序直接得出總方差解釋表和主成分與影響因子對(duì)應(yīng)表，其中因子提取根據(jù)數(shù)學(xué)理論以累積貢獻(xiàn)率大于85%為基準(zhǔn)要求。在表3中，第1，2，3 主分量的特征根分別為 3．351，1．987，1．121，其涵蓋了整個(gè)變量信息的92%，因此取這3個(gè)主分量用于解釋荒漠化的影響因素是可靠的。

從表4中可以看出，第1主分量主要是總?cè)丝跀?shù)、年末耕地面積和大牲畜頭數(shù)，皆屬于人為因素指標(biāo)。說(shuō)明該地區(qū)人口壓力的增加和農(nóng)牧業(yè)發(fā)展對(duì)荒漠化有加速作用。隨著人口的增加，對(duì)資源的需求越來(lái)越多，過(guò)度放牧，開荒種田等掠奪式的發(fā)展方式引起荒漠化的加劇和生態(tài)惡化。第2主分量與平均年降水量和平均相對(duì)濕度關(guān)系較密切，屬于氣候因素。第3主分量主要是年均溫度，亦屬于氣候因素。

表3 總方差解釋Tab．3 Total variance explained

表4 主成分載荷矩陣Tab．4 Component matrix

獲取了成分結(jié)構(gòu)的組成情況后，依據(jù)各主成分的方差貢獻(xiàn)率，按式(1)計(jì)算人為因素和氣候因素對(duì)土地荒漠化的貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，該地區(qū)荒漠化發(fā)展中人為因素占52%，氣候因素占48%，說(shuō)明研究區(qū)荒漠化的短期發(fā)展中受到當(dāng)?shù)貝毫拥臍夂蛞蛩嘏c逐漸增加的人類活動(dòng)的共同影響。此外通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，造林面積與總?cè)丝跀?shù)、年末耕地面積和大牲畜頭數(shù)的相關(guān)性均很差，表明當(dāng)?shù)卦炝置娣e并沒有根據(jù)人口數(shù)量和農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展而做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，人的主觀能動(dòng)性沒有得到充分發(fā)揮。研究區(qū)氣候因素的相對(duì)變化很小，但是人為因素時(shí)時(shí)都在發(fā)生改變。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，盡管當(dāng)?shù)厝藶橐蛩夭⒉皇怯绊懟哪l(fā)展的最突出的影響因素，但是為了克服當(dāng)?shù)貝毫拥淖匀粭l件，人們應(yīng)當(dāng)積極采取措施治理荒漠化。在第1主分量中，高載荷指標(biāo)為總?cè)丝跀?shù)和年末耕地面積，所以在荒漠化治理中人為因素的宏觀調(diào)控應(yīng)主要從這2方面入手，在嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的國(guó)家政策和控制人口數(shù)量的同時(shí)，采取有效措施防治過(guò)度墾荒，合理安排農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)。與此同時(shí)，還應(yīng)采取積極的態(tài)度進(jìn)行合理放牧、保護(hù)植被和植樹造林等。

5 結(jié)論與建議

本文采用4期遙感圖像提取了黃河中游地區(qū)荒漠化信息，分析統(tǒng)計(jì)了32 a間黃河中游地區(qū)荒漠化的變化情況，并對(duì)荒漠化的變化與地貌因素、人為因素和氣候因素的關(guān)系進(jìn)行了定量分析。結(jié)果表明:①近年來(lái)局部地區(qū)荒漠化有所緩解，2007年的荒漠化總面積較1975年減少了2．43×103km2;②但總體形勢(shì)依然嚴(yán)峻，荒漠化面積超過(guò)研究區(qū)總面積的60%;③風(fēng)成地貌類型上的荒漠化最嚴(yán)重，占研究區(qū)總面積的43．1%，且荒漠化的治理難度最大;④在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)，易荒漠化的地貌類型及研究區(qū)所處的氣候類型是荒漠化發(fā)生的最主要原因;⑤短期內(nèi)，荒漠化發(fā)展中人為因素的影響占52%，氣候因素的影響占48%，相對(duì)惡劣的氣候條件和不斷增強(qiáng)的人類活動(dòng)共同影響著當(dāng)?shù)鼗哪陌l(fā)展。

盡管當(dāng)?shù)厝祟惢顒?dòng)并不是影響荒漠化發(fā)展的最突出的因素，但是為了克服當(dāng)?shù)貝毫拥淖匀粭l件，人們應(yīng)當(dāng)積極采取措施治理荒漠化，積極協(xié)調(diào)與自然的關(guān)系，植樹造林，合理放牧，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)建設(shè)的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧共處。

本文在分析荒漠化發(fā)展的影響因素時(shí)，選取的人為因素和氣候因素還不盡完善，有些重要因素也未被列入分析范圍，如地下水資源量、土壤肥力和農(nóng)作物產(chǎn)量等。對(duì)這些因素還有待今后更全面系統(tǒng)地分析。

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