新疆艾比湖地區(qū)土地沙漠化時(shí)空演變及其成因

曾小箕，丁建麗，樊亞輝

（新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 綠洲生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊830046）

沙漠化是在干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)由于人地關(guān)系不協(xié)調(diào)所造成的以風(fēng)沙為主要標(biāo)志的土地退化［1］。土地沙漠化過程也是土地退化過程，包括物理過程、生物過程、土壤化學(xué)過程、水文過程等［2］。土地沙漠化由于危害嚴(yán)重、分布廣泛、威脅人口眾多，已經(jīng)成為全球最嚴(yán)重的環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題之一，受到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。我國是世界上受沙漠化危害最為嚴(yán)重的國家之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國沙漠化土地面積達(dá)1.69×106km2，占全國土地面積的17.30%［3］。

沙漠化已不僅是一個(gè)單純的生態(tài)環(huán)境問題，而且還演變?yōu)榻?jīng)濟(jì)問題和社會(huì)問題，導(dǎo)致人類社會(huì)的貧困和不穩(wěn)定。對(duì)于受沙漠化威脅的人們來說，沙漠化意味著將失去最基本的生存基礎(chǔ)。國內(nèi)外科學(xué)家對(duì)沙漠化問題研究，特別是對(duì)干旱半干旱區(qū)的土地沙漠化問題，進(jìn)行了大量的研究并取得了豐碩的研究成果。

艾比湖是新疆地區(qū)最大的湖泊濕地，位于準(zhǔn)噶爾盆地西南緣最低洼地和水鹽匯集中心［4］。屬于典型的干旱區(qū)湖泊，具有特殊的濕地—干旱生態(tài)環(huán)境，是天山西部氣候變化的指示器［5］，對(duì)地處干旱的新疆北疆地區(qū)來說是極為重要的自然資源和經(jīng)濟(jì)資源，并發(fā)揮著不可替代的生態(tài)環(huán)境功能［6］。由于地處在阿拉山口大風(fēng)通道下，生態(tài)系統(tǒng)極不穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的敏感性與脆弱性［7］。近幾十年來，在氣候變化和人類活動(dòng)的雙重作用下，艾比湖湖面縮小及其周邊生態(tài)環(huán)境惡化，出現(xiàn)湖泊萎縮、沼澤地退化、草地沙化、生物多樣性減少等一系列環(huán)境問題，直接影響到艾比湖流域乃至整個(gè)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［8－9］。隨著人類社會(huì)的迅猛發(fā)展，在很大程度上愈演愈烈地作用于荒漠生態(tài)系統(tǒng)的原生素質(zhì)，引起一系列以土地沙漠化為代表的生態(tài)逆向演替，由此產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境惡化的嚴(yán)重后果。近幾年，對(duì)于艾比湖地區(qū)沙漠化的研究也逐漸受到關(guān)注，研究主要集中在驅(qū)動(dòng)力分析及荒漠化程度分級(jí)上，而從整體上對(duì)沙漠化土地進(jìn)行分析的研究較少。自20世紀(jì)90年以來，隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的急劇增多，大規(guī)模的開墾荒地和入湖水量的減少，導(dǎo)致土地沙漠化程度加重，近年來隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，退地還草、限制放牧、滴灌農(nóng)業(yè)的推廣等措施土地沙漠化有所好轉(zhuǎn)。在這20a間，受人為因素和自然因素的影響，艾比湖地區(qū)土地沙漠化演變尤為顯著，是沙漠化轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期。本研究在遙感和GIS技術(shù)的支持下，對(duì)艾比湖地區(qū)土地沙漠化變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，從而為艾比湖地區(qū)草地恢復(fù)，沙漠化治理和區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

艾比 湖 地 區(qū) 坐 標(biāo) 范 圍 為 79°53′—85°02′E，43°37′—45°55′N。位于中國新疆維吾爾自治區(qū)與哈薩克斯坦共和國交界的阿拉山口。以艾比湖體為核心，包括湖濱地帶范圍約2 960km2。溫帶干旱大陸氣候，日平均氣溫6～8℃，年日照時(shí)數(shù)約為2 800h，年平均降水量90.9mm，年蒸發(fā)量3 790mm以上。艾比湖濕地是準(zhǔn)噶爾盆地西南緣最低洼地和水鹽匯集中心。由于特殊的地理位置和地形地貌特征使洼地內(nèi)分布著多種荒漠類型，荒漠生物種群多樣；生物多樣性較完整［7］。隨著人類社會(huì)活動(dòng)的迅猛發(fā)展，土地沙漠化普遍發(fā)生，生態(tài)環(huán)境脆弱，易遭受自然因素和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的影響。艾比湖濕地是指征準(zhǔn)噶爾盆地生態(tài)環(huán)境變化的關(guān)鍵地區(qū)，生態(tài)區(qū)位與地理位置極為重要。

2 數(shù)據(jù)資料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本研究用到的遙感影像數(shù)據(jù)分別為1990，2007，2010年的TM 數(shù)據(jù)（分辨率為30m）；2001年的ETM＋數(shù)據(jù)（分辨率15m）。遙感影像的時(shí)相均在9—10月之間，該時(shí)期植被生長良好，這有利于沙漠化土地的識(shí)別。此外本研究還用到1∶50萬地形圖、用作輔助數(shù)據(jù)的土壤類型圖及土地利用圖、野外景觀照片以及實(shí)地調(diào)查資料。

2.2 遙感解譯方法

利用不同地物在遙感影像5，4，3波段組合成假彩色圖像中的色彩、色調(diào)、形狀、大小、紋理、圖案、陰影、位置和布局等特征，并結(jié)合研究區(qū)土地的自然生態(tài)和利用屬性及其它非遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、邏輯推理進(jìn)行解譯。由于地物結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的不同，對(duì)太陽光譜進(jìn)行選擇性的吸收和反射，形成地物本身所具有的獨(dú)特的光譜特征，因此在影像上呈現(xiàn)出各自的圖像特征；由于在成像過程中光譜分辨率會(huì)受到諸多因素的干擾影響，從而存在“同物異譜”和“同譜異物”的現(xiàn)象。本研究利用實(shí)地考察照片、記錄資料作為分類選取樣本的依據(jù)。將上述樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換為shp格式的矢量文件，對(duì)其進(jìn)行空間插值，疊加在遙感影像上，在附近3×3像元范圍內(nèi)選擇紋理和顏色相同像元作為分類感興趣區(qū)，對(duì)較明顯的地表類型（如綠地、沙漠、水體等）采用目視判讀，最后采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類方法進(jìn)行監(jiān)督分類。

2.3 沙漠化土地分類系統(tǒng)

沙漠化類型及發(fā)展程度是沙漠化研究的重要和基礎(chǔ)內(nèi)容之一［10］，參考已有的劃分標(biāo)準(zhǔn)［11－15］，根據(jù)研究內(nèi)容及研究區(qū)特殊的自然環(huán)境狀況，以風(fēng)成地貌形態(tài)為主，結(jié)合植被、土壤、景觀、地貌等環(huán)境要素為指標(biāo)，將研究區(qū)沙漠化土地類型劃分為4種類別：輕度沙漠化，中度沙漠化，重度沙漠化，嚴(yán)重沙漠化。通過野外實(shí)地調(diào)查和GPS定位，對(duì)研究區(qū)域的遙感影像進(jìn)行準(zhǔn)確分辨，從而確定了艾比湖區(qū)域不同沙漠化程度的土地類型的遙感解譯標(biāo)志（表1）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時(shí)期的沙漠化土地面積變化

根據(jù)艾比湖地區(qū)1990，2001，2007和2010年4個(gè)時(shí)相沙漠化遙感監(jiān)測的解譯結(jié)果，采用ArcGIS的分類統(tǒng)計(jì)工具，對(duì)研究區(qū)內(nèi)各時(shí)期不同程度的沙漠化土地面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）。結(jié)果表明，20a來研究區(qū)沙漠化土地面積經(jīng)歷了從強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)到基本穩(wěn)定到穩(wěn)定發(fā)展的變化過程。1990—2001年為強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)階段，沙漠化土地面積減少了713.24km2，輕度沙漠化土地面積急劇減少，中度沙漠化土地面積有所增加，增加面積62.01km2。沙漠化土地總面積減少主要是人為原因?qū)е碌母卮竺娣e增加，但研究區(qū)東部的沙漠化程度仍在繼續(xù)惡化。2001—2007年期間沙漠化土地總面積保持基本不變，但沙漠化程度稍加重，沙漠化土地面積仍占41.3%。輕度沙漠化土地面積仍然在減少，減少面積94.55km2；中度、重度和嚴(yán)重沙漠化土地面積呈略微增加趨勢，分別增加了41.73，26.51和25.99km2。在此6a間綠地的面積增加了342.81km2，而水域的面積減少了86.59km2，說明人類活動(dòng)對(duì)輸入艾比湖的水源影響越來越大，艾比湖水源的減少導(dǎo)致嚴(yán)重沙漠化土地增加。2007—2010年沙漠化程度在持續(xù)加重，沙漠化土地總面積略微增加，沙漠化總面積從3 713.57km2增加到3 789.17 km2。中度沙漠化土地面積減少了58.97km2；輕度、重度和嚴(yán)重沙漠化土地面積分別增加了68.28，38.3和27.62km2。這主要是由于艾比湖西部在人為因素下綠地增加，而東部土地沙漠化程度不斷加劇所致。

表1 沙漠化土地分類系統(tǒng)

表2 1990－2010年各沙漠化土地類型面積及比例

3.2 沙漠化土地時(shí)空變化

根據(jù)解譯結(jié)果，利用ArcGIS空間疊加分析模塊對(duì)解譯得到的3期沙漠化數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加計(jì)算，分別得到1990—2001年、2001—2007年、2007—2010 年3個(gè)時(shí)段的沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣（表3）。

從表3可以看出，1990—2001年沙漠化土地類型主要以逆轉(zhuǎn)為主，逆轉(zhuǎn)面積1 199.75km2，輕度沙漠化逆轉(zhuǎn)顯著，逆轉(zhuǎn)面積占總逆轉(zhuǎn)面積的57.0%；發(fā)展的沙漠化土地面積為547.84km2，以弱發(fā)展為主，弱發(fā)展面積為465.51km2，占總發(fā)展面積的85.0%。1990年主要以輕度沙漠化、中度沙漠化為主，占同期沙漠化土地總面積的81.69%。到2001年時(shí)，經(jīng)過11a的沙漠化發(fā)展，該區(qū)土地沙漠化仍然以輕度沙漠化、中度沙漠化類型為主，占同期沙漠化土地總面積的63.61%。1990年非沙漠化土地面積占總土地面積的51%，到2001年時(shí)增加到59%。綜上所述，在該時(shí)段該研究區(qū)沙漠面積減少，綠地增加，整體呈逆轉(zhuǎn)趨勢。

通過分析2001—2007年沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣可以得出，2001年沙漠化土地類型以輕度沙漠化、中度沙漠化為主，占同期沙漠化土地總面積的75.83%。到2007年時(shí)，經(jīng)過6a的沙漠化發(fā)展，該區(qū)沙漠化土地仍以輕度沙漠化、中度沙漠化類型為主，占同期沙漠化土地總面積的74.40%，2001和2007年非沙漠化土地面積占總土地面積同為59.0%。因此，研究表明該時(shí)段研究區(qū)沙漠化土地類型變化以穩(wěn)定為主，輕度沙漠化面積仍在減少，艾比湖東部沙漠化程度在進(jìn)一步加劇。

由2007—2010年沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣得出，該時(shí)期內(nèi)研究區(qū)土地沙漠化主要類型及比重幾乎沒變化。2007年沙漠化土地類型以輕度沙漠化、中度沙漠化為主，占同期沙漠化土地總面積的74.40%。到2010年，經(jīng)過3a的沙漠化發(fā)展，該區(qū)仍然以輕度沙漠化、中度沙漠化為主，占同期沙漠化土地總面積的73.15%。2007年非沙漠化土地面積占總土地面積的58.7%，到2010年是57.8%，略微降低。綜上分析表明，該時(shí)段沙漠化土地面積稍微增加，沙漠化程度在持續(xù)加劇。

表3 艾比湖地區(qū)1990－2010年沙漠化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣 km2

4 沙漠化成因分析

沙漠化是各種自然、生物、社會(huì)、政治、文化和經(jīng)濟(jì)等因素復(fù)雜作用的結(jié)果，歸根到底，是人為和自然兩類因素［16］。

4.1 自然因素

本研究搜集和整理了1990—2010年間精河、博樂和阿拉山口3個(gè)氣象站的氣溫、降水量、蒸發(fā)量、風(fēng)速等有關(guān)氣象為數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析，在艾比湖地區(qū)沙漠化的氣候影響因子中，最主要的是氣溫和降水，而氣溫的升高是關(guān)鍵作用，導(dǎo)致蒸發(fā)量增加，在艾比湖地區(qū)沙漠化發(fā)生和發(fā)展過程中起著重要的驅(qū)動(dòng)作用。

4.1.1 研究區(qū)氣溫與降水變化 艾比湖地區(qū)范圍廣闊，屬典型的溫帶大陸性氣候。流域西高東低的地勢特點(diǎn)，氣溫則由西向東逐漸升高。研究區(qū)年均氣溫為8.3℃，日月氣溫差異較大，春季氣溫回升快，秋季降溫迅速，夏季炎熱，冬季寒冷。從多年年平均氣溫來看（圖1），艾比湖地區(qū)在近20a間的平均氣溫緩慢上升，升高幅度可達(dá)0.3℃，平均增溫率為0.038℃，高于中國近40a來的平均增溫率及全球近百年來的平均增溫率。

從近20a降水變化來看，艾比湖地區(qū)年均降水量緩慢減少，最低降水量為1997年的60.8mm，最高為2001年的164.6mm。20世紀(jì)90年代最低降水量為60.8mm，最高為149.5mm，降水量振幅均為88.7 mm，21世紀(jì)前10a最低降水量為67.2mm，最高為164.6mm，振幅為97.4mm。從艾比湖地區(qū)的降水季節(jié)分布來看，夏季降水量對(duì)全年降水量貢獻(xiàn)最大。而降水變率大，對(duì)地表植被生長保護(hù)及水資源開發(fā)利用均有不利影響。研究區(qū)年均氣溫和降水的總體變化是氣溫升高、降水減少，導(dǎo)致氣候呈現(xiàn)出暖干化的特征，產(chǎn)生土壤濕度下降、地表蒸發(fā)量增大等環(huán)境問題，進(jìn)一步導(dǎo)致地表植被退化、枯萎，為風(fēng)力侵蝕地表創(chuàng)造了有利條件，從而導(dǎo)致了沙漠化的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1 艾比湖地區(qū)1990－2010年來年平均氣溫、降水變化

4.1.2 蒸發(fā)量和風(fēng)速的變化 從年際的蒸發(fā)量變化圖來看（圖2），21世紀(jì)初以來，在全球氣候變暖的環(huán)境下，研究區(qū)年蒸發(fā)量有增加的趨勢，而蒸發(fā)量增加會(huì)導(dǎo)致生態(tài)用水嚴(yán)重不足，地表植被不但逐漸喪失了控制沙漠化發(fā)展的能力，而且會(huì)促使沙漠化加速發(fā)展。

艾比湖由于處于阿拉山口，大風(fēng)是影響當(dāng)?shù)貧夂虻闹鲗?dǎo)因素。該山口年均有8級(jí)以上大風(fēng)241h，瞬間最大風(fēng)速達(dá)55m／s。從研究區(qū)風(fēng)速年際變化圖來看，近20a來艾比湖流域年均風(fēng)速有所減小，風(fēng)速減小與植被的增加有一定的關(guān)系。也有利于艾比湖流域沙漠化程度的好轉(zhuǎn)。在2001—2010年間該研究區(qū)風(fēng)速又開始逐漸增大，結(jié)合沙漠化專題圖可發(fā)現(xiàn)，植被的增加多為精河、博樂等地區(qū)人工綠洲的增加，而對(duì)周邊地區(qū)來說，雖然年均風(fēng)速有所減小，但沙漠化程度卻仍呈加劇態(tài)勢。

圖2 艾比湖地區(qū)1990－2010年來蒸發(fā)量、風(fēng)速年際變化

4.2 人為因素

人類活動(dòng)在沙漠化過程中的作用非常顯著，人類活動(dòng)通過生產(chǎn)生活方式來影響沙漠化［17］。據(jù)王濤等［18］人研究，影響沙漠化的不合理生產(chǎn)生活方式主要形式表現(xiàn)為過耕、過牧、過樵、過度利用水資源等。處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型初期的新疆地區(qū)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，更多地關(guān)注經(jīng)濟(jì)增長和工業(yè)化發(fā)展，容易忽視生態(tài)環(huán)境的破壞［19－20］。

4.2.1 人口數(shù)量變化 近20a來，研究區(qū)人口數(shù)量一直呈持續(xù)穩(wěn)定上升的趨勢，如博州地區(qū)1990—2008年人口增長了8.2萬人（圖3）。但是城市化水平一直較低。人口的迅速增長導(dǎo)致耕地面積的急劇增加，這是導(dǎo)致研究區(qū)輕度沙漠化土地減少和人工綠洲增加的主要原因。

圖3 博州近20a總?cè)丝谧兓€

4.2.2 生產(chǎn)方式的改變 生產(chǎn)方式的改變也是導(dǎo)致沙漠化的一重要原因，其中包括土地過度開墾、過度放牧和過度樵采等。其中過度放牧是造成研究區(qū)沙漠化加劇發(fā)展的重要原因之一，過度放牧等人為活動(dòng)加劇了沙地、草地生態(tài)系統(tǒng)退化，對(duì)艾比湖地區(qū)的生產(chǎn)、生活和生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅?？梢杂蒙髩毫砗饬坎莸乩梅绞绞欠窈侠?。1990—2010年研究區(qū)牲畜頭數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，1990—2004年均增長率為3.04萬頭。2004以后出現(xiàn)減少趨勢，年均減少率為4.05萬只。由于一定面積草地載畜量是有限度的，當(dāng)牲畜數(shù)量的快速增加，超過這個(gè)限度時(shí)，由于牲畜的過度啃食，致使草地高度降低、蓋度減小及牲畜踐踏，將一定程度上加劇了土地沙漠化程度。

5 結(jié)論

（1）1990—2010年艾比湖研究區(qū)沙漠化土地的總面積在減少，研究區(qū)沙漠化土地面積經(jīng)歷了從強(qiáng)烈逆轉(zhuǎn)到基本穩(wěn)定到穩(wěn)定發(fā)展的變化過程。沙漠化土地總面積減少主要是人為原因?qū)е碌母卮竺娣e增加，在人為因素下綠地增加，而東部土地沙漠化程度不斷加重。由于沙漠化土地基數(shù)過大及人類生產(chǎn)方式的改變，因此對(duì)沙漠化土地面積增長的控制將是一個(gè)長期的工作。

（2）在沙漠化土地空間分布上，1990—2010年研究區(qū)的沙漠化分布特征為：嚴(yán)重、重度沙漠化土地位于艾比湖東岸，呈片狀分布；在艾比湖西岸輕度沙漠化土地面積較大，呈塊狀分布；而中度沙漠化土地主要分布在艾比湖東岸，呈大片分布，在研究區(qū)中占絕對(duì)優(yōu)勢。

（3）由于人類對(duì)土地資源的過度利用，人口的增長、過度開墾、過度放牧等增大了當(dāng)?shù)丨h(huán)境的負(fù)擔(dān)，使沙漠化程度加劇。隨著近些年政府和當(dāng)?shù)孛癖妼?duì)沙漠化問題的重視，有了政策與資金的投入，沙漠化嚴(yán)重問題得以緩解。但是艾比湖東岸沙漠化仍然十分嚴(yán)重，需要政府以及當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的共同努力。

（4）基于遙感和GIS技術(shù)，對(duì)艾比湖地區(qū)的土地沙漠化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測和時(shí)空變化分析，不僅能夠提供其變化信息，而且還可以通過長期監(jiān)測建立土地沙漠化數(shù)據(jù)庫，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)為其防治提供科學(xué)數(shù)據(jù)和決策支持。

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