甘肅省酒泉市土地沙漠化現(xiàn)狀及動態(tài)分析*

馬仲武，王新源， ※，王小軍，丁乾平，曲 浩

(1.甘肅省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)督管理局，蘭州 730020； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅蘭州 730000)

0 引言

沙漠化是干旱、半干旱及部分半濕潤地區(qū)在多風(fēng)干旱和疏松沙質(zhì)地表條件下，由人類對土地過度開發(fā)利用和以風(fēng)力吹蝕為主的自然營力等因素綜合作用下引起的土地退化過程，使原非沙漠地區(qū)呈現(xiàn)出以風(fēng)沙活動、沙丘起伏為主要標志的類似沙漠景觀的地貌特征[1-2]。沙漠化由于其分布廣泛，危害嚴重，威脅人口眾多，已成為當(dāng)今世界面臨的重大環(huán)境問題之一，引起國際社會的廣泛關(guān)注[3-4]。

甘肅省是我國受沙漠化脅迫最為嚴重的省份之一[5]，干旱的氣候、水資源的短缺以及不合理的人類活動引起以河西走廊為代表的部分區(qū)域土地沙漠化發(fā)展迅速，生態(tài)環(huán)境趨于脆弱和嚴酷[6]。近年來，針對甘肅省境內(nèi)土地沙漠化動態(tài)變化與分析的研究已有不少，但主要集中于石羊河流域的民勤綠洲[7-9]、黑河中上游的張掖地區(qū)[10-11]以及黃河上游的甘南高原[12-13]，而關(guān)于酒泉市土地沙漠化現(xiàn)狀及動態(tài)分析的研究還較為欠缺。酒泉市地處甘肅省西北部，干旱少雨，水熱條件惡劣，生態(tài)環(huán)境脆弱[14]，是全省沙漠化最嚴重的區(qū)域之一。酒泉市同時也是河西走廊的重要節(jié)點城市和“一帶一路”經(jīng)濟帶的重要黃金通道城市，具有較高的政治經(jīng)濟地位。此外，酒泉市域范圍內(nèi)保存有世界文化遺產(chǎn)莫高窟、全國重點文物保護單位玉門關(guān)在內(nèi)的多處重要歷史文化遺跡。因此，掌握該地區(qū)沙漠化土地現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，明確驅(qū)動沙漠化正逆演替的關(guān)鍵因素，對區(qū)域內(nèi)沙漠化防治與生態(tài)恢復(fù)、經(jīng)濟社會有序持續(xù)發(fā)展乃至歷史文化遺跡的保存延續(xù)均具有重要意義。鑒于此，研究采用遙感(Remote Sensing)技術(shù)和人工現(xiàn)地調(diào)查相結(jié)合的方法，對酒泉市沙漠化現(xiàn)狀、動態(tài)變化規(guī)律及分布特征進行了監(jiān)測和分析，旨在為該地區(qū)沙漠化防治和生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

圖1 2009年酒泉市沙漠化土地類型分布

1 研究區(qū)概況

酒泉市位于甘肅省西北部，介于北緯38°19′～42°47′、東經(jīng)92°45′～100°15′之間，面積19.2萬km2，占甘肅省總面積的42.0%，是甘肅省面積最大的市。酒泉市南接青海，西鄰新疆，北接內(nèi)蒙古并與蒙古國接壤。地勢由東南向西北傾斜，地貌特征復(fù)雜多樣，北部為馬鬃山丘陵區(qū)，南部屬祁連山西麓，中部有河西走廊疏勒河谷地； 馬鬃山山地風(fēng)高沙大，形成典型的戈壁景觀； 中部河西走廊疏勒河谷地地勢平坦、光熱充足； 南部祁連山山體巨大，海拔較高，部分山區(qū)終年積雪形成特有的冰川地貌。酒泉市大部屬典型的大陸性溫帶干旱區(qū)氣候，年日照時數(shù)3 033～3 317h，年平均氣溫3.9～9.3℃，多年平均降水量86mm，年蒸發(fā)量2 000～4 000mm，年日照時數(shù)3 000h以上，平均無霜期118～159d。常住人口110.83萬人， 2013年，全市生產(chǎn)總值達到642.7億元，財政收入85.44億元。據(jù)2009年酒泉市土地沙漠化監(jiān)測結(jié)果，酒泉市沙漠化土地面積960.41萬hm2(圖1)。

2 數(shù)據(jù)影像資料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

數(shù)據(jù)源采用甘肅省第五次荒漠化和沙化監(jiān)測遙感影像數(shù)據(jù)，主要包括2013年SPOT5 2.5m高分影像、2013年資源一號與資源三號影像(成像季相選擇在植被生物量較大的6～9月份)。同時收集覆蓋全市1： 5萬最新地形圖、土地利用詳查圖、森林分布圖和土壤分布圖等數(shù)據(jù)資料用以信息提取和完善，對沙漠化動態(tài)變化采用文獻資料收集與氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計[15]相結(jié)合的方法進行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 遙感圖像處理與解譯標志

應(yīng)用多波段遙感數(shù)據(jù)融合方法[16-17]，對各期影像按不同波段進行假色彩合成[3]，采用高斯一克呂格投影進行幾何精校正，從而獲得有利于沙漠化信息提取和識別的基礎(chǔ)影像。之后，依據(jù)不同程度沙漠化土地空間分布格局與光譜變化特征[12]，結(jié)合現(xiàn)地調(diào)查因子(植被、土壤、地形地貌和土地利用信息等)，建立沙漠化土地解譯標志。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)地調(diào)查獲得的沙漠化土地解譯標志與遙感影像，綜合2009年沙漠化監(jiān)測結(jié)果等輔助信息，采用人—機交互判讀的方式(以SPOT5高分影像為主，資源一號、三號影像為補充參考)，通過ArcGIS9.3軟件對沙漠化信息進行判讀和提取，進而獲得可供分析的矢量化數(shù)據(jù)。最后，為了核定解譯工作的準確性，研究組于2014年9月5～29日對野外部分區(qū)域進行核查，隨機選取200個地塊與解譯結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)其解譯精度達96.5%，符合統(tǒng)計學(xué)要求，說明通過計算機軟件分析獲取的沙漠化土地面積、類型、程度和分布數(shù)據(jù)真實可靠。

2.2.2 沙漠化土地分類

以甘肅省2014年沙漠化監(jiān)測技術(shù)細則(簡稱《細則》)[18]為依據(jù)，通過現(xiàn)地調(diào)查，綜合風(fēng)蝕強度、植被蓋度、地貌特征及人類干預(yù)等多種因素，將沙漠化土地類型劃分為流動沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)、露沙地、沙漠化耕地、非生物治沙工程地、風(fēng)蝕殘丘、風(fēng)蝕劣地和戈壁9種類型。之后將9種沙漠化土地類型與對應(yīng)遙感影像的色調(diào)、紋理、形狀和分布等特征作對比分析，從而建立準確的解譯標志。

同時依照《細則》[18]將土地沙漠化程度劃分為輕度、中度、重度、極重度4個等級，并通過現(xiàn)地調(diào)查后建立對應(yīng)的遙感解譯標志(表1)。

表1 酒泉市不同程度沙漠化土地景觀特征與解譯標志

2.2.3 年變化率

年變化率反映了研究期內(nèi)沙漠化土地的變化情況。朱震達等[11]通過計算沙漠化的年增長率來度量沙漠化發(fā)展狀況，計算公式為：

(1)

式(1)中，R為沙漠化土地年變化率；n為測算相隔年限；D為測算終結(jié)年沙漠化土地面積；A為測算起始年沙漠化土地面積。

3 沙漠化土地分布現(xiàn)狀與變化特征

3.1 沙漠化土地類型分布現(xiàn)狀與變化特征

3.1.1 沙漠化土地類型分布現(xiàn)狀

根據(jù)2014年最新監(jiān)測結(jié)果，酒泉市現(xiàn)有沙漠化土地面積956.34萬hm2。其中，流動沙地(丘)115.90萬hm2，占沙漠化土地面積的12.12%； 半固定沙地(丘)102.13萬hm2，占沙漠化土地面積的10.68%； 固定沙地(丘)95.09萬hm2，占沙漠化土地面積的9.94%； 風(fēng)蝕劣地11.73萬hm2，占沙漠化土地面積的1.23%； 戈壁625.66萬hm2，占沙漠化土地面積的65.42%； 露沙地、沙漠化耕地、非生物治沙工程地和風(fēng)蝕殘丘5.84萬hm2，占沙漠化土地面積的0.61%(表2)。

表2 酒泉市沙漠化土地類型現(xiàn)狀

沙漠化類型流動沙地半固定沙地固定沙地風(fēng)蝕劣地戈壁其他類型面積(萬hm2)11590102139509117362566584占沙漠化土地面積比(%)121210689941236542061

由圖2分析可得，酒泉市沙漠化土地類型主要包括流動沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)和戈壁4種，面積占比達總沙漠化土地面積的98.16%。其具體分布格局為，流動沙地(丘)主要分布于敦煌市西南部庫姆塔格沙漠、敦煌綠洲南部的鳴沙山地區(qū)、 金塔縣東南部巴丹吉林沙漠和環(huán)綠洲外圍、 阿克塞縣東南緣大哈勒騰河南岸、 肅北縣鹽池灣鎮(zhèn)東南部等。半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)多集中于肅北縣和敦煌市境內(nèi)、包括疏勒河兩岸的天然綠洲、人工綠洲(城鎮(zhèn)、農(nóng)田等)與流動沙丘或戈壁的過渡區(qū)域。戈壁主要分布于南、北兩山至綠洲的緩沖區(qū)域，此外在祁連山北側(cè)沖積扇內(nèi)，馬鬃山以北也有分布。風(fēng)蝕劣地多分布在瓜州縣和阿克塞縣境內(nèi)，占全市風(fēng)蝕劣地總面積的99.62%。露沙地、沙漠化耕地、風(fēng)蝕殘丘和非生物治沙工程地在酒泉市呈零星分布，僅占全市沙漠化土地面積的0.61%。

3.1.2 沙漠化土地類型變化特征

研究表明(表3)，相較2009年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，酒泉市土地沙漠化總面積減少4.07萬hm2，年變化率-0.08%。其中流動沙地(丘)減少10.48萬hm2，年變化率-1.72%； 半固定沙地(丘)增加6.27萬hm2，年變化率1.27%； 固定沙地(丘)增加2.82萬hm2，年變化率0.60%； 風(fēng)蝕劣地減少2.22萬hm2，年變化率-3.41%； 戈壁減少3.89萬hm2，年變化率-0.12%； 露沙地增加1.07萬hm2，年變化率68.41%； 沙漠化耕地增加0.48萬hm2，年變化率35.34%； 風(fēng)蝕殘丘增加1.94萬hm2，年變化率14.19%； 非生物治沙工程地減少0.05萬hm2，年變化率-8.74%。分析可知，酒泉市境內(nèi)主要沙漠化土地類型中，流動沙地(丘)面積呈遞減趨勢，半固定沙地(丘)和固定沙地(丘)面積趨于增加，而戈壁面積變化輕微，基本處于動態(tài)平衡狀態(tài)，意味著酒泉市沙漠化土地生境狀況向利于物種生存和定居的方向發(fā)展，沙漠化土地面積處于緩慢下降過程。

表3 酒泉市沙漠化土地類型動態(tài)變化

沙漠化土地類型沙漠化總面積流動沙地半固定沙地固定沙地風(fēng)蝕劣地戈壁其他類型面積變化(萬hm2)-407-1048627282-222-389343年變化率(%)-008-172127060-341-0121939

表4 酒泉市土地沙漠化程度現(xiàn)狀

沙漠化程度輕中重極重面積(萬hm2)3378122402049059527占沙漠化總面積比(%)353128021436224

3.2 沙漠化程度現(xiàn)狀與變化特征

3.2.1 沙漠化程度分布現(xiàn)狀

2014年的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(表4)，輕度沙漠化土地33.78萬hm2，占沙漠化面積的3.53%； 中度沙漠化土地122.40萬hm2，占沙漠化面積的12.80%； 重度沙漠化土地204.90萬hm2，占沙漠化面積的21.43%； 極重度沙漠化土地595.27萬hm2，占沙漠化面積的62.24%。不同沙漠化發(fā)展階段的比例特征說明了酒泉市土地沙漠化程度以重度和極重度為主。

圖2 酒泉市沙漠化土地類型分布現(xiàn)狀 圖3 酒泉市土地沙漠化程度現(xiàn)狀

由圖3分析可得，輕度沙漠化土地主要分布于疏勒河兩岸及人口聚集的綠洲區(qū)，區(qū)內(nèi)植被蓋度較高，土壤生態(tài)服務(wù)功能相對健全，是酒泉市土地生產(chǎn)力最高的區(qū)域； 中度沙漠化土地主要位于肅北縣和敦煌市境內(nèi)，呈斑塊狀分布格局； 重度沙漠化土地主要分布于肅北北山(馬鬃山)以北區(qū)域、玉門市西北部和金塔縣西北部，主要的沙漠化類型為半固定沙丘和戈壁； 極重度沙漠化土地主要為流動沙丘(地)和戈壁，多分布于敦煌市西南部庫姆塔格沙漠，敦煌綠洲南部的鳴沙山地區(qū)以及南、北兩山至綠洲的緩沖區(qū)域內(nèi)，具有面積大、延伸廣、集中連片的分布特征。

表5 酒泉市土地沙漠化程度動態(tài)變化

沙漠化程度輕度中度重度極重度面積變化(萬hm2)8841444-787-1947年變化率(%)626254-075-064

3.2.2 沙漠化程度變化特征

對比2014年和2009年兩期數(shù)據(jù)可得(表5)，輕度沙漠化土地面積增加8.84萬hm2，年變化率6.26%，中度沙漠化土地面積增加14.44 萬hm2，年變化率2.54%，重度沙漠化土地面積減少7.87萬hm2，年變化率-0.75%，極重度沙漠化土地面積減少19.47萬hm2，年變化率-0.64%。酒泉市沙漠化程度呈現(xiàn)出由極重度和重度向中度與輕度演變的動態(tài)規(guī)律，由于極重度和重度沙漠化土地的面積基數(shù)遠大于輕度和中度沙漠化土地，致使不同沙漠化程度土地間呈現(xiàn)出的轉(zhuǎn)化比率差異較大。

4 沙漠化土地變化原因分析

研究證實，酒泉市沙漠化土地面積在近5年內(nèi)(2009～2014年)呈緩慢減少的變化特征，而王小軍等[19]通過影像判讀與現(xiàn)地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)酒泉市沙漠化土地面積2004～2009年間整體遞減。綜合可見，自2004年起，在長達10年的時間梯度內(nèi)，酒泉市沙漠化演替處于逆轉(zhuǎn)階段，沙漠化土地面積趨于減少，沙漠化程度逐步降低。

4.1 自然因素

水分是塑造和構(gòu)建沙漠化土地植被群落結(jié)構(gòu)與分布格局的主導(dǎo)要素[20]，而植被的生長分布狀況是表征沙漠化程度的重要因子[21]，因此，土壤水分含量在很大程度上影響著沙漠化的演替方向。在沙漠化地區(qū)，降水和地表徑流是土壤水分的主要補給源[22]，對此，分析近年來(2010～2014年)酒泉市降水量和主要河流徑流量的變化特征(表6)，有助于解讀該區(qū)域沙漠化土地面積總體減少，沙漠化程度趨于降低的客觀事實。

分析可得(表6)， 2010～2014年間酒泉市降水呈波動變化特征，整體表現(xiàn)出先增加后下降的規(guī)律， 2010年降水量最高，達148.5mm， 2014年最低，僅76.5mm，但5年間有3年降水量處于正距平狀態(tài)，且所有年份累計距平均為正值，表明該階段降水量相對較多，很大程度上提高了土壤水分有效性，有利于植被的定居繁衍。

表6 2010～2014年酒泉市降水量變化特征 mm

酒泉市主要的水系包括黑河水系和疏勒河水系，其中黑河的補給來源中，降水占70.2%，屬于典型的降水補給性河流[15]。水文數(shù)據(jù)顯示，黑河來水自2005年起多以豐水年為主，且李卓侖等[23]通過研究黑河徑流與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系，得出黑河徑流在未來短期內(nèi)仍處于增加趨勢。疏勒河方面，類似于黑河水系， 2007年來徑流量總體處于偏豐狀態(tài)[24]，且藍永超等[25]對近50年疏勒河流域山區(qū)的氣候變化及其對出山徑流的影響研究顯示，流域近年來有連續(xù)降水量增加、徑流量偏豐的趨勢。

綜上發(fā)現(xiàn)，近年來(2009～2014年)，得益于酒泉市降水量和主要河流徑流量持續(xù)處于偏豐狀態(tài)，區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)普遍面臨的水分脅迫狀態(tài)得到緩解，改善了植被特別是對淺層土壤水分有較高依賴性的一年生草本植物的生存環(huán)境，一定程度上遏制了沙漠化的加劇與擴張。

4.2 人為因素

(1)生態(tài)工程

“十二五”期間，酒泉市陸續(xù)實施了重點公益林補償、“三北防護林”四期工程、退耕還林(草)等重點林業(yè)生態(tài)工程，截止2014年，酒泉市納入中央和省級財政補償?shù)墓媪置娣e達48.20萬hm2。2013年起，通過在敦煌市、金塔縣、玉門市實施沙漠化土地封禁保護補助試點工程，共完成固沙壓沙585.1hm2，減輕了人類活動對脆弱生態(tài)系統(tǒng)的不利影響，有效緩解了區(qū)域內(nèi)土地沙漠化。同時在酒泉市境內(nèi)的敦煌陽關(guān)、金塔攔河灣、玉門青山和阿克塞庫姆塔格設(shè)立4個國家級沙漠公園，這些公園在提高區(qū)域內(nèi)生物多樣性水平、維持沙漠生態(tài)系統(tǒng)功能穩(wěn)定性方面具有積極作用，同時有助于增強公眾的生態(tài)安全意識。此外，疏勒河流域生態(tài)移民、敦煌莫高窟崖頂風(fēng)沙治理以及河西走廊農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)等工程的實施，亦對沙漠化的防治有所裨益。這些生態(tài)工程是人類對酒泉市境內(nèi)嚴重退化生態(tài)系統(tǒng)(沙漠化)的有序合理干預(yù)，改善了下墊面的生境狀況，促進了沙生植被的生長、發(fā)育和繁衍，提高了生態(tài)系統(tǒng)的整體生產(chǎn)力，其直觀變化主要通過植被蓋度的顯著增加來反映，而植被蓋度是表征沙漠化程度的關(guān)鍵生態(tài)因子。說明生態(tài)工程以及政策的實施對沙漠化的遏制作用開始顯現(xiàn)。

(2)節(jié)水型社會建設(shè)和關(guān)井壓田工程實施

解決酒泉市缺水問題，核心是提高用水效率，建設(shè)節(jié)水型社會[26]。2009年起，酒泉市通過積極推廣以滴灌、管灌、壟膜溝灌等為主的節(jié)水灌溉措施，使生產(chǎn)、生活乃至生態(tài)用水達到集約化利用的目的。截止2014年，已累計推廣高新節(jié)水工程面積1.60萬hm2，累計壓減傳統(tǒng)耕地0.34萬hm2，關(guān)閉機井318眼，治理重點風(fēng)沙口0.23萬hm2，綜合治理沙漠化土地面積1.00萬hm2。節(jié)水型社會的建設(shè)和關(guān)井壓田在一定程度上緩解了沙漠化的進程。

(3)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

人類活動是推動沙漠化加劇的主要因素，但在特定條件下，人類活動能夠在一定程度上遏制沙漠化的加劇。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，酒泉市加大了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度，各類公共交通設(shè)施，以及以1 000萬kW風(fēng)電、100萬kW光電為主體的清潔能源基地的大規(guī)模建設(shè)[27]，使大量沙漠化土地轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧衬恋?。雖然這些工程建設(shè)面積有限，且未從根本上改變區(qū)域的氣候條件，但這種土地利用類型的改變，仍然是短期內(nèi)減少沙漠化土地面積的重要途徑。

5 討論與結(jié)論

5.1 討論

研究表明， 2009年以來，酒泉市土地沙漠化呈“雙縮減”的動態(tài)特征，即土地沙漠化面積呈減少趨勢，沙漠化程度呈減輕態(tài)勢。但應(yīng)當(dāng)看到，至2014年，酒泉市土地沙漠化面積仍處于較高水平，達956.34萬hm2，年減少率僅為0.08%，土地沙漠化形勢依舊嚴峻，沙漠化防治仍是今后較長時間內(nèi)酒泉市生態(tài)建設(shè)的核心工作。基于遙感技術(shù)的酒泉市沙漠化土地現(xiàn)狀與動態(tài)分析，在目視解譯過程中存在一定誤差，通過現(xiàn)地驗證與核實發(fā)現(xiàn)，這一誤差在統(tǒng)計學(xué)允許范圍內(nèi)，因此，利用遙感技術(shù)來判定沙漠化土地現(xiàn)狀和演變趨勢是合理可靠的。該研究有助于酒泉市土地沙漠化時空動態(tài)數(shù)據(jù)庫的建立，為當(dāng)?shù)赝恋厣衬姆乐翁峁┛茖W(xué)依據(jù)和決策支持，但由于數(shù)據(jù)的收集和提取過程較為粗糙，導(dǎo)致定性指標較多，定量化分析相對欠缺。對此，在今后研究中，在制定指標和提取數(shù)據(jù)時，應(yīng)充分考慮其解釋力度和有效性，以更加精確地量化沙漠化土地的動態(tài)規(guī)律。

5.2 結(jié)論

(1)酒泉市現(xiàn)有沙漠化土地面積956.34萬hm2，沙漠化土地類型主要以流動沙地(丘)、半固定沙地(丘)、固定沙地(丘)和戈壁為主，其面積占到沙漠化土地總面積的98.16%。酒泉市土地沙漠化程度以重度、極重度為主，面積為800.14萬hm2，占沙漠化土地總面積的83.67%。

(2)與2009年監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，酒泉市沙漠化土地面積減少4.07萬hm2，年變化率-0.08%。沙漠化土地面積呈整體減少的動態(tài)變化。重度、極重度沙漠化土地面積年變化率分別為-0.75%和-0.64%，沙漠化程度呈減輕趨勢。

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