絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)荒漠化動態(tài)變化遙感監(jiān)測

劉玉貞， 阿里木江·卡斯木， 阿布都米吉提·阿布力克木

(新疆師范大學(xué)，地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 830054, 烏魯木齊)

絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)荒漠化動態(tài)變化遙感監(jiān)測

劉玉貞， 阿里木江·卡斯木?， 阿布都米吉提·阿布力克木

(新疆師范大學(xué)，地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 830054, 烏魯木齊)

在高強度人類活動影響下，“絲綢之路經(jīng)濟帶”的資源環(huán)境面臨嚴(yán)峻問題與挑戰(zhàn)，而對研究區(qū)的荒漠化動態(tài)變化進行遙感監(jiān)測可為荒漠化的防治和治理提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。以2000—2014年的250 m分辨率MOD13Q1為數(shù)據(jù)源，利用歸一化植被指數(shù)和決策樹分類進行荒漠化程度劃分，得到絲綢之路經(jīng)濟帶荒漠化土地動態(tài)變化和轉(zhuǎn)移面積矩陣。結(jié)果表明：2000—2014年研究區(qū)荒漠化土地面積增加，其荒漠化土地增長量為98 912.26 km2和增長率為0.11%。其中，非荒漠化向荒漠化共轉(zhuǎn)移308 289.73 km2，大于荒漠化向非荒漠化的轉(zhuǎn)移面積266 497.67 km2。在空間分布上，中亞荒漠化土地由西南的嚴(yán)重荒漠化向東北的輕度荒漠化逐漸減輕，且向哈薩克斯坦北部地區(qū)不斷推移；中國的荒漠化土地多集中分布在塔里木、吐魯番和柴達木三大盆地中，且以寧夏陜西甘肅北部地區(qū)的減少為主?？傮w上，絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)總荒漠化面積增加，程度趨于嚴(yán)重，荒漠化問題日益突出。

絲綢之路經(jīng)濟帶； 荒漠化； 遙感監(jiān)測； MODIS； 植被覆蓋度

近年來，荒漠化已成為當(dāng)今全球和中國可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大生態(tài)環(huán)境問題之一?！盎哪笔侵赣捎跉夂蜃儺惡腿祟惢顒釉趦?nèi)的各種因素引起的干旱、半干旱和亞濕潤地區(qū)土地退化的一種現(xiàn)象[1]。“絲綢之路經(jīng)濟帶”是在古絲綢之路概念上形成的一個新的經(jīng)濟發(fā)展區(qū)域，橫跨亞、歐、非3個大陸69 個國家(地區(qū))，東西連接太平洋、波羅地海和大西洋。其沿線地區(qū)尤其是第二亞歐大陸橋中段生態(tài)環(huán)境十分脆弱，荒漠化問題突出。截至2014年，我國荒漠化土地面積約261.16萬km2，占國土面積的27.20%。當(dāng)前對干旱地區(qū)荒漠化的研究很多，例如：韓旭等[2]分析研究中亞地區(qū)1989—2009年荒漠化的發(fā)展趨勢；劉愛霞[3]對中國及中亞整個地區(qū)1995—2001年的荒漠化動態(tài)變化進行深度分析；鄢雪英等[4]在參考已有的荒漠化監(jiān)測方法上確立荒漠化監(jiān)測范圍并探究其動態(tài)變化。目前荒漠化監(jiān)測的方法在不斷革新，手段較多[5-6]。國外早在20世紀(jì)70年代就利用遙感技術(shù)進行荒漠化監(jiān)測[7-8]，且多采用NOAA衛(wèi)星AVHRR數(shù)據(jù)，而MODIS數(shù)據(jù)具有較高時間分辨率的優(yōu)點，適合大尺度、周期性的研究[9]。目前關(guān)于絲綢之路沿線地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境格局與分異規(guī)律的研究成果較少，且多從探究絲路文明興衰演替原因角度介入生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害研究[10-12]；因此，本文分析了2000—2014年絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)荒漠化的變化趨勢，這對綠洲調(diào)控與建設(shè)可持續(xù)的絲綢之路經(jīng)濟帶具有重要戰(zhàn)略意義。

1 研究區(qū)概況

本文中的絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)僅包括中國西北5省(新疆、青海、陜西、甘肅、寧夏)和中亞5國(烏茲別克斯坦、塔吉克斯坦、土庫曼斯坦、哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦)。地理位置E 46°45′～111°15′，N 31°39′～52°33′，總面積約700萬km2。其地處歐亞大陸腹地，遠離海洋，氣候干燥，氣溫日較差、年較差較大，大多屬于干旱、半干旱氣候類型區(qū)。年降水量從東部400 mm減少到西部200 mm，咸海及中亞西部年降水量僅75～100 mm。西北5省植被覆蓋低，地形以高原、盆地為主，還包括戈壁、綠洲、冰川等地貌類型，其中塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達木盆地、黃土高原區(qū)等都是荒漠的重要分布區(qū)。中亞5國多以分布在里海到天山山地之間的草原和荒漠、半荒漠土地為主，其中還分布著中亞面積最大的克孜勒庫姆沙漠和卡拉庫姆沙漠[13]。哈薩克斯坦領(lǐng)土面積的60%均為荒漠和半荒漠；烏茲別克斯坦國土面積中的3/4分布著草地、沙漠及半沙漠；土庫曼斯坦國土面積的80%為沙漠覆蓋；塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦屬高山國家，因而荒漠土地較少[14-15]。

2 材料與方法

本研究所使用的MODIS數(shù)據(jù)是來自于美國的NASA網(wǎng)站所提供的MOD13Q1級產(chǎn)品(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，該數(shù)據(jù)可描述陸地表面的生物物理特征及進程，包括初級生產(chǎn)和荒漠化等領(lǐng)域[16]。歸一化植被指數(shù)(NDVI)可對地表植被覆蓋的變化趨勢產(chǎn)生一定的影響[17]。筆者選取植被長勢最好的7月份為研究時段，時間范圍為2000、2005、2010、2014年的第193天，時間分辨率為16d，空間分辨率250m×250m。全區(qū)覆蓋h20v03、h20v04、h21v03、h21v04、h21v05、h21v06、h22v03、h22v04、h22v05、h22v06、h23v03、h23v04、h23v05、h24v04、h24v05、h25v04、h25v05、h26v04、h26v05、h27v05共20個區(qū)域，80幅影像。其他輔助數(shù)據(jù)包括研究區(qū)邊界矢量圖等。

筆者利用ENVI 5.1軟件進行圖像鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換等處理，采用Band Math工具計算NDVI和植被覆蓋度(VC)并通過決策樹方法進行分級。最后，基于行政邊界矢量數(shù)據(jù)獲取研究區(qū)荒漠化分布圖，再根據(jù)像元數(shù)統(tǒng)計荒漠化土地面積及其變化數(shù)據(jù)。

2.1 植被指數(shù)的選取

植被指數(shù)是代表植被覆蓋和長勢狀況等的重要指示因子，可從側(cè)面反映綠色植被生長狀況和分布[18]。而歸一化植被指數(shù)對植物生長狀態(tài)及空間分布較為敏感，可作為監(jiān)測和探究荒漠化程度的標(biāo)準(zhǔn)之一，為植被覆蓋度等生態(tài)參數(shù)提供估量和探究。其計算公式為

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。

(1)

式中：NIR為近紅外波段，R為紅波段，NDVI值在-1和1之間。

2.2 植被覆蓋度的計算

植被覆蓋度是由植被冠層的垂直投影面積與土地總面積之比所得，可反映植被狀況[19]。通過多年衛(wèi)星遙感圖像分析，可對荒漠化過程和植被狀況進行有效監(jiān)測[20]。而NDVI與植被蓋度具有較強的正相關(guān)關(guān)系，由此本文利用歸一化植被指數(shù)估算植被覆蓋度：

VC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)。

(2)

式中：NDVI為所求像元的植被指數(shù)；NDVImin為影像內(nèi)最小植被指數(shù)，一般為裸地像元的最小值；NDVImax為影像內(nèi)最大植被指數(shù)，一般為純植被覆蓋像元的最大值。

2.3 植被覆蓋度的分級

一個地區(qū)的荒漠化程度與植被覆蓋率有直接的負(fù)相關(guān)關(guān)系，荒漠化程度越高，植被蓋度越低。筆者參考現(xiàn)有的荒漠化土地劃分標(biāo)準(zhǔn)與方法[21-23]，結(jié)合絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)荒漠化生態(tài)特點和成因，將研究區(qū)土地荒漠化程度劃分為以下5個分級(表1)。

表1 荒漠化等級及其所代表地理景觀特征表現(xiàn)

3 結(jié)果與分析

3.1 荒漠化土地的分布狀況

在采用ENVI 5.1圖像處理軟件的決策樹分類功能基礎(chǔ)之上對研究區(qū)進行荒漠化程度分級，最后得到4期的絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)的荒漠化分布圖(圖1)。

圖1 2000、2005、2010和2014年絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)荒漠化分布圖Fig.1 Desertification distribution map along the Silk Road Economic Zone in 2000, 2005, 2010, and 2014

由圖1可知：中亞地區(qū)不同程度荒漠化土地由西南的嚴(yán)重、重度荒漠化向東北部輕度荒漠化呈遞減的條帶狀分布，且不斷向哈薩克斯坦的北部地區(qū)推移；中國西北荒漠化程度則由西向東部依次減弱并呈帶狀分布，嚴(yán)重荒漠化土地占比較大，集中分布在塔里木、吐魯番和柴達木3大盆地中，并以寧夏、甘肅和陜西的北部地區(qū)荒漠化土地的減少為主要變化區(qū)域。

嚴(yán)重、重度荒漠化土地多分布在里海中部沿岸到咸海以東的地區(qū)、土庫曼斯坦南部、新疆塔里木盆地和吐魯番盆地以及青海柴達木盆地，2014年期間，咸海大面積萎縮，形成新的荒漠化土地，但咸海以東地區(qū)的嚴(yán)重荒漠化土地有所減緩；中、輕度荒漠化主要分布在哈薩克斯坦中、北部地區(qū)、中國與中亞相接壤的沿線地區(qū)、青海中東部以及甘肅東部沿線地區(qū)。

3.2 荒漠化土地的面積變化

從表2可知，2000—2014年研究區(qū)荒漠化土地

面積總體呈增加趨勢，面積由659萬6 979.88 km2增加到669萬5 892.14 km2，增加量為9萬8 912.26 km2和年增長率為0.11%，荒漠化面積增加主要是以中亞的嚴(yán)重和重度荒漠化土地的轉(zhuǎn)入為主。2000—2005年，嚴(yán)重荒漠化土地面積由204萬6 611.19 km2縮減至166萬4 618.69 km2，減少幅度較大，重度、中度荒漠化土地面積則有所增加，增長率分別為2.56%和2.21%；200—2010年，嚴(yán)重荒漠化較重度、輕度荒漠化土地而言增幅較大，年增長率為0.33%，中度荒漠化面積略有減少，總荒漠化面積仍有增加；2010—2014年，嚴(yán)重荒漠化面積持續(xù)增加，年增長率為3%，而重度、中度、輕度荒漠化程度減輕，總荒漠化程度呈好轉(zhuǎn)趨勢。

表2 絲綢之路經(jīng)濟帶荒漠化程度面積

3.3 荒漠化土地時空變化

由表3和圖2可知，荒漠化土地主要向中度、重度荒漠化轉(zhuǎn)移占比較大，轉(zhuǎn)移面積為62萬4 262.73 km2、60萬0 342.57 km2。其中，中度荒漠化土地主要由重度、輕度荒漠化土地向其轉(zhuǎn)移，而重度荒漠化的土地主要由嚴(yán)重、中度荒漠化土地的向其轉(zhuǎn)移；分析不同荒漠化程度間的相互轉(zhuǎn)移可得，中度、輕度荒漠化向嚴(yán)重、重度荒漠化轉(zhuǎn)移31萬9 105.04 km2，而嚴(yán)重、重度荒漠化土地向中度、輕度荒漠化土地轉(zhuǎn)移26萬5 078.83 km2；分析荒漠化、非荒漠化兩者的轉(zhuǎn)移可得，荒漠化向非荒漠化共轉(zhuǎn)移26萬6 497.67 km2，而非荒漠化向荒漠化則共轉(zhuǎn)移30萬8 289.73 km2。這表明荒漠化面積有所增加，生態(tài)環(huán)境呈惡化趨勢。

2000—2014年荒漠化穩(wěn)定地區(qū)主要分布在塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、哈薩克斯坦南部地區(qū)和與其接壤的烏茲別克斯坦北部地區(qū)；哈薩克斯坦北部沿線地區(qū)、中亞與中國接壤的中部沿線地區(qū)從輕度荒漠化到嚴(yán)重、重度和中度荒漠化的轉(zhuǎn)移較多；咸海地區(qū)從水域到嚴(yán)重、重度荒漠化的變化顯著；寧夏、陜西的中北部地區(qū)，甘肅的東部邊緣地區(qū)的嚴(yán)重荒漠化到重度、中度荒漠化，重度荒漠化到中度、輕度荒漠化轉(zhuǎn)移較多，荒漠化惡化現(xiàn)象顯著。

圖2 2000—2014年荒漠化動態(tài)變化圖Fig.2 Dynamic change map of desertification during the year 2000—2014

4 討論與結(jié)論

本文利用MOD13Q1數(shù)據(jù)對絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)的荒漠化信息進行提取，統(tǒng)計2000、2005、2010和2014年的荒漠化動態(tài)變化情況，通過分析不同時期和不同荒漠化程度的土地面積得出其分布特點和規(guī)律，不僅為今后荒漠化的相關(guān)研究提供借鑒和參考，還對該地區(qū)荒漠化的治理提供合理的依據(jù)。絲綢之路經(jīng)濟帶沿線地區(qū)荒漠化的形成是多種復(fù)雜的要素導(dǎo)致的，而研究表明，人類不合理的經(jīng)濟和社會活動與脆弱的自然條件耦合是土地荒漠化發(fā)生并擴展的主要原因。

4.1 自然因素

絲綢之路經(jīng)濟帶沿線典型地區(qū)位于亞歐大陸腹地，距離大洋遙遠，是造成該地區(qū)降水稀少、氣候干燥的首要原因。在干旱、半干旱地區(qū)，氣溫升高造成極強的蒸發(fā)量，導(dǎo)致土壤水分散失加快、地表植被稀少，從而引起局部地區(qū)沙化。而中國西北干旱區(qū)氣候脆弱性和全球變暖改變了區(qū)域水量平衡和水資源分布進而加重當(dāng)?shù)氐母珊祷潭群痛嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境[24]。

4.2 人類活動

20世紀(jì)70—90年代末，人口急增并對自然資源的無限索取導(dǎo)致荒漠化土地的發(fā)展。而植被格局是研究生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和防治水土流失的關(guān)鍵[25]。近年來，農(nóng)田墾和大片森林、草地破壞，加之超載放牧造成土壤侵蝕嚴(yán)重。例如，近20年哈薩克斯坦森林面積減少11.3萬hm2，年減少率為0.17%，而新疆約有80%的草場存在不同程度的退化。水資源的利用不合理，使得咸海、巴爾喀什湖等大面積干涸，發(fā)展成為新的沙源地。新疆的許多內(nèi)陸河流也遭到不同程度的破壞。例如孔雀河和瑪納斯湖，現(xiàn)已全部枯竭形成荒漠；新疆最大的塔里木河年徑流量達449.8億m3，現(xiàn)中游僅余9.5億m3，減少81%，使得下游河流斷流。

表3 2000—2014年荒漠化地區(qū)轉(zhuǎn)移面積矩陣

絲綢之路經(jīng)濟帶是建立在生態(tài)文明復(fù)興上的經(jīng)濟帶、文明帶，荒漠化會阻礙該地區(qū)發(fā)達的農(nóng)牧業(yè)乃至絲綢之路經(jīng)濟帶戰(zhàn)略的實施。今后，該地區(qū)的生態(tài)防治應(yīng)朝著荒漠化防治的方向推進，這不僅是響應(yīng)“建設(shè)絲綢之路經(jīng)濟帶”號召，更是社會可持續(xù)發(fā)展的迫切之需。

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Remote sensing monitoring of dynamic change of desertification in typical areas along the Silk Road Economic Zone

LIU Yuzhen, Alimujiang KASIMU, Abudumijiti ABULIKEMU

(Institute of Geographical Sciences，Xinjiang Normal University, 830054, Urumqi, China)

[Background] Under the influence of high intensive human activities, resources and environment of “Silk Road Economic Zone” is facing severe problems and challenges. The ecological environment is very fragile along this region, especially in the middle part of the Second Eurasian Continental Bridge. Desert and Gobi area accounts for the greater proportion in this region, and desertification problems are very serious. The development and maturity of remote sensing technology may provide strong support for the analysis of the dynamic change of desertification.[Methods] MOD13Q1 with 250 m resolution from 2000 to 2014 were used as data sources, and normalized difference vegetation index method was applied to estimate vegetation coverage, and decision tree classification method of vegetation coverage was to classify desertification degree, then the dynamic change and transfer matrix of land desertification in Silk Road Economic Zone were obtained. [Results] The desertification land in the study area increased from 2000 to 2014, in which the growth amount of desertification land was 98 912.26 km2and the annual growth rate was 0.11%. Among them, the total area of none desertification transferred to desertification was 308 289.73 km2, which was larger than that of desertification transferred to none desertification and the area was 266 497.67 km2. In spatial distribution, the desertification degree in Central Asia gradually reduced from extremely severe desertification in southwest to light desertification in northeast, and this desertification trend was moving towards the north part of Kazakhstan constantly. Land desertification in China was mostly concentrated in Turpan, Tarim and Qaidam Basin, but the area of desertification in the northern part of Ningxia, Shaanxi, Gansu was reducing. [Conclusion] On the whole, the total desertification area along the Silk Road Economic Zone is increasing, and the desertification degree trends to more severe. The desertification problem is becoming more and more serious. By monitoring and analyzing the dynamic changes of desertification along the Silk Road Economic Zone using remote sensing during 2000—2014, this study provides a theoretical basis and data support for regulation and construction of sustainable development of the oasis in Silk Road Economic Zone.

Silk Road Economic Zone; desertification; remote sensing monitoring; MODIS; vegetation coverage

2016-11-03

2017-04-02

項目名稱： 國家自然科學(xué)基金“‘一帶一路’新疆段城鎮(zhèn)景觀格局變化及生態(tài)安全評價”(41661037)，“環(huán)塔里木盆地城市用地空間擴展動態(tài)監(jiān)測及模擬研究”( 41361043)；新疆師范大學(xué)地理學(xué)博士點支撐學(xué)科資助項目“絲綢之路經(jīng)濟帶荒漠化變化分析——以沿線典型區(qū)域為例”(XJNU-DL-201607)

劉玉貞(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：資源環(huán)境遙感。E-mail：277358274@qq.com

?通信作者簡介： 阿里木江·卡斯木(1976—)，男，教授，博士。主要研究方向：環(huán)境遙感監(jiān)測與應(yīng)用。E-mail：Alimkasim@gmail.com

X87

A

2096-2673(2017)02-0001-08

10.16843/j.sswc.2017.02.001