2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地空間分布格局及驅(qū)動機(jī)制

張 潔, 秦富倉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010020)

荒漠化是全球人類現(xiàn)如今所面對的一項(xiàng)重要的環(huán)境問題，是一種極為嚴(yán)重的土地退化現(xiàn)象。是全球性質(zhì)上一項(xiàng)重要的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。由于荒漠化現(xiàn)如今的面積較大，分布廣泛，已經(jīng)引起當(dāng)代國際以及社會上的重點(diǎn)關(guān)注[3-4]。研究表明，21世紀(jì)初期由于環(huán)境的惡化沙塵暴在沙漠化地區(qū)頻繁發(fā)生[5-8]，阿拉善左旗處于土地沙漠化較為嚴(yán)重的環(huán)境下，研究者們也從許多的方面去探索土地沙漠化的過程，在這個過程中有許多的學(xué)者利用MODIS影像[9]作為數(shù)據(jù)源對土地沙漠化的發(fā)展趨勢進(jìn)行研究分析，研究者們發(fā)現(xiàn)MODIS影像不僅可以對植被覆蓋率進(jìn)行分析，還可以很好地監(jiān)測土地荒漠化。在空間上，前人對阿拉善左旗的研究相對較少，對土地沙漠化重心遷移方面的報(bào)道也較為罕見，本文也將通過賈科利等[10]的研究對土地重心遷移變化偏移的方向與距離進(jìn)行了進(jìn)一步的分析與研究[11-15]。

本研究以阿拉善左旗土地沙漠化為重點(diǎn)研究對象，以ArcGIS 10.2，ENVI 5.3為基礎(chǔ)平臺，選取2009—2017年3期分辨率為500 m的MODIS影像數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，提取出該地區(qū)不同沙漠化程度下的土地沙漠化面積，研究其空間分布，并結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)分析幾年來沙漠化土地的變化情況以及在時(shí)間與空間上的變化趨勢，分析并討論影響近幾年土地沙漠化變化的驅(qū)動力因素，亦為阿拉善左旗生態(tài)脆弱區(qū)提供參考。

1 研究區(qū)概況

阿拉善左旗全旗南北長495 km，東西寬214 km，面積8.04萬km2，地處北緯37°24′—41°52′，東經(jīng)103°21′—106°51′，是阿拉善盟下屬的一個行政區(qū)，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部阿拉善盟東部，國境線長約為188.28 km2。阿拉善左旗地勢東南高、西北低，平均海拔為800～1 500 m，最高海拔3 556 m。人口在近兩年在逐步上升，總?cè)丝诮?5萬人?？衫貌輬鲇?.6萬km2，主要為荒漠、半荒漠草原。沙漠面積約為3.4萬km2，主要是騰格里、烏蘭布和兩大沙漠。阿拉善左旗屬于溫帶干旱荒漠區(qū)，為典型的大陸性氣候，以風(fēng)沙大、干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)烈為主要特點(diǎn)。太陽年平均輻射總量為646.32 J，年降雨量80～220 mm，年蒸發(fā)量2 900～3 300 mm。日照時(shí)間3 316 h，年平均氣溫7.2℃，無霜期120～180 d。地帶性土壤特征主要為棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土，由于沙漠化的原因，大部分退化成為了風(fēng)沙土[16-17]。阿拉善左旗幅員廣闊、地形地貌復(fù)雜，礦產(chǎn)資源豐富且擁著賀蘭山國家級自然保護(hù)區(qū)，具有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)、自然風(fēng)光和人文景觀，系草原到荒漠的過渡地帶，是內(nèi)蒙古自治區(qū)乃至西北的天然生態(tài)屏障。

2 數(shù)據(jù)源和方法

2.1 數(shù)據(jù)源及其處理

遙感數(shù)據(jù)選取采用的是NASA網(wǎng)站所提供的的MODIS產(chǎn)品，其中產(chǎn)品中包括MOD13A1植被指數(shù)16 d合成產(chǎn)品、MOD09A1地表反射率8 d合成產(chǎn)品，空間分辨率均為500 m，研究時(shí)間選擇的是2009年、2013年、2017年8月份的植被生長旺盛時(shí)期，這個時(shí)間下的地物輻射反射差異較為明顯，更有利于不同地表情況之間的對比分析。數(shù)據(jù)采取的軌道號分別是h25v04，h25v05，h26v04和h26v05，研究區(qū)的土地利用數(shù)據(jù)和矢量文件是通過內(nèi)蒙古土地勘測院獲取得到。

將下載的MODIS數(shù)據(jù)基于WGS-84坐標(biāo)系進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換并轉(zhuǎn)換為.tif的格式，依據(jù)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)對影像進(jìn)行拼接裁剪處理，在ArcGIS下創(chuàng)建2000×2000的柵格漁網(wǎng)，將漁網(wǎng)與NDVI值進(jìn)行空間鏈接，把NDVI值賦到每一個柵格點(diǎn)上后按照植被覆蓋度及實(shí)地特征對沙漠化程度進(jìn)行劃分并編輯處理，每一個柵格同一土地利用類型下的面積統(tǒng)計(jì)得到不同類型沙漠化程度的面積。

2.2 沙漠化程度土地分級標(biāo)準(zhǔn)

沙漠化土地程度的分級主要是為了客觀地反映沙區(qū)土地的變化，更好地監(jiān)測沙漠化土地在時(shí)間和空間上的動態(tài)演變。本文中阿拉善左旗沙漠化程度的劃分主要參考國家“973”項(xiàng)目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的沙漠化遙感監(jiān)測分類體系標(biāo)準(zhǔn)[18-19]以及大量土地沙漠化相關(guān)文獻(xiàn)，在前人[20-22]的研究基礎(chǔ)上根據(jù)植被覆蓋率和影像解譯特征將沙漠化土地程度分成輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和嚴(yán)重沙漠化4大類(表1)。

2.3 沙漠化土地變化重心遷移模型

沙漠化土地重心遷移模型是運(yùn)用ArcGIS平臺繪制出不同時(shí)期下不同程度沙漠化土地的重心坐標(biāo)，根據(jù)重心坐標(biāo)能夠更加直觀地反映出每個時(shí)期的遷移方向及遷移的距離等空間動態(tài)變化規(guī)律,本文對2009—2017年4種沙漠化土地類型進(jìn)行計(jì)算，重心坐標(biāo)的運(yùn)算方式如下[23]：

(1)

(2)

式中：Xt為在第t年時(shí)某一種沙漠化程度土地的經(jīng)度；Yt為在第t年時(shí)某種沙漠化程度土地的緯度；n為第t年時(shí)的某一種沙漠化土地類型的斑塊數(shù)；Cti為第t年第i種沙漠化土地斑塊的面積；Xi是第i個斑塊在土地沙漠化類型當(dāng)中的經(jīng)度坐標(biāo)；Yi是第i個斑塊在土地沙漠化類型當(dāng)中的緯度坐標(biāo)。

表1 阿拉善左旗沙漠化土地分級指標(biāo)體系

3 結(jié)果與分析

3.1 沙漠化現(xiàn)狀及其空間分布

通過表2可知，在2009年沙漠化土地總面積為7 973 597.05 hm2，其中重度沙漠化所占比例最高，所占比例高達(dá)60.39%，其次是嚴(yán)重沙漠化，所占比例為38.21%；到2013年各類沙漠化程度面積在4 a間變化趨勢不大，嚴(yán)重沙漠化相對2009年面積減少4.24%，在減少的面積當(dāng)中有4.02%轉(zhuǎn)化成為重度沙漠化；直至2017年沙漠化變化趨勢幅度較為強(qiáng)烈，嚴(yán)重沙漠化與重度沙漠化面積的變化相對于前幾年較為明顯，其中重度沙漠化增加的比例最大，比2013年增加了11.11%，嚴(yán)重沙漠化比2013年減少11.46%，中度與輕度沙漠化變化不明顯，可以明確嚴(yán)重沙漠化的減少是因?yàn)榻^大部分轉(zhuǎn)化為重度沙漠化。對比幾年的數(shù)據(jù)嚴(yán)重沙漠化與重度沙漠化兩者所占沙漠化總面積比例高達(dá)95%以上。

表2 2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地面積及比例

2009—2013年重度沙漠化面積增加了319 906.17 hm2，2013—2017年增加了885 883.25 hm2，在重度沙漠化的變化當(dāng)中沙地類型與其他草地類型的面積變化是造成沙漠化程度變化顯著的主要因素。其次變化范圍較大的是嚴(yán)重沙漠化，在2009—2013年期間面積減少338 708.71 hm2，在2013—2017年面積減少885 889.25 hm2，中度沙漠化與輕度沙漠化比例在2009—2017年期間均有所提高，根據(jù)重度沙漠化比例大幅上升、嚴(yán)重沙漠化比例大幅下降可以看出沙漠化整體水平是在逐漸變緩，在2009—2017年期間，僅有嚴(yán)重沙漠化面積在減少，輕度、中度以及重度沙漠化面積均在增加。草地面積的變化是造成嚴(yán)重沙漠化面積減少的主要土地利用類型。由于輕度以及中度沙漠化程度的土地面積小幅度增加，重度沙漠化面積大幅度增加，嚴(yán)重沙漠化大幅度下降，說明幾年以來土地沙漠化逐漸趨于良好，更易于后期治理與防護(hù)，但同時(shí)，輕度與中度沙漠化的比例依然很少，說明阿拉善左旗地區(qū)仍處于一個干旱、半干旱的生態(tài)脆弱的情況下，依然面臨著隨時(shí)會處于嚴(yán)重沙漠化的危險(xiǎn)當(dāng)中。

阿拉善左旗的土地沙漠化分布面積較為集中，在圖1中可以明顯看出嚴(yán)重沙漠化在3個時(shí)期中主要集中在阿拉善左旗的北部地區(qū)且北部地區(qū)沙漠化在2009—2017年期間一直處于嚴(yán)重程度下，重度沙漠化分布范圍較廣，大部分分布在阿拉善左旗的中部及北部地區(qū)，嚴(yán)重沙漠化與重度沙漠化之間的轉(zhuǎn)化主要是西南地區(qū)與中部地區(qū)之間轉(zhuǎn)化較為明顯。輕度與中度沙漠化研究時(shí)段內(nèi)大部分分布在東南地區(qū)，在4類沙漠化程度當(dāng)中，各種土地利用類型用地相互交錯分布，沙漠化程度也各不相同。

3.2 不同程度沙漠化轉(zhuǎn)化特點(diǎn)

將3個時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)與土地沙漠化程度數(shù)據(jù)經(jīng)過疊加分析，得到阿拉善左旗在2009—2017年期間土地沙漠化面積動態(tài)變化的轉(zhuǎn)移矩陣(表3)，在表中可以得到2009—2013年期間重度沙漠化與嚴(yán)重沙漠化土地在減少，減少面積為18 002.53 hm2，輕度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，所增加的面積的來源是重度與嚴(yán)重沙漠化面積的減少。輕度沙漠化土地面積的增加主要是由中度沙漠化土地提供來源，中度沙漠化轉(zhuǎn)化面積為14 303.78 hm2，共占輕度沙漠化面積所有來源的28.22%，剩余增加由重度沙漠化提供；中度沙漠化主要來源是由重度沙漠化轉(zhuǎn)化而來；重度沙漠化中轉(zhuǎn)化面積最大的是嚴(yán)重沙漠化，共737 972.1 hm2，占重度沙漠化轉(zhuǎn)化面積所有來源的16.8%，其次是中度沙漠化轉(zhuǎn)化占比較高；重度沙漠化主要是由嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化，相同嚴(yán)重沙漠化土地面積的增加主要也是由重度沙漠化提供，重度沙漠化向嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化了399 688.81 hm2，占嚴(yán)重沙漠化比例的17.32%。在2013—2017年期間重度沙漠化與嚴(yán)重沙漠化土地依然在減少，減少面積為27 775.07 hm2，輕度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，增加面積與減少面積一致。其中輕度沙漠化土地面積的增加主要是由中度沙漠化逆轉(zhuǎn)而來，轉(zhuǎn)化面積不大，中度沙漠化轉(zhuǎn)化面積為4 619.62 hm2，占其來源的7.67%，重度及嚴(yán)重各有一小部分轉(zhuǎn)化為輕度沙漠化；中度沙漠化大部分面積來源是由重度沙漠化轉(zhuǎn)化，重度沙漠化轉(zhuǎn)化面積為32 031.84 hm2，所占比例為68.29%；重度沙漠化在2013—2017年期間由嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化過來的面積較大，重度轉(zhuǎn)為嚴(yán)重相比2009—2013期間較少，13—17 a的時(shí)間段內(nèi)與2009—2013年時(shí)間段內(nèi)相比呈穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)趨勢。

圖1 2009-2017年阿拉善左旗土地沙漠化空間變化

表3 2009-2017年不同沙漠化土地轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

由表3可見，在2009—2017年期間大部分的轉(zhuǎn)化都是由嚴(yán)重沙漠化與重度沙漠化兩種程度類型的沙漠化相互轉(zhuǎn)化得到，重度沙漠化與嚴(yán)重沙漠化也在逐漸向輕度沙漠化與中度沙漠化轉(zhuǎn)移，面積也在逐漸的分散，阿拉善左旗的沙漠化整體，在逐步趨于良好。

3.3 土地沙漠化的重心遷移

為了更好地監(jiān)測沙漠化的變化趨勢，基于ArcGIS平臺的重心遷移模型對2009—2017年每種土地沙漠化程度的中心坐標(biāo)進(jìn)行處理運(yùn)算，并利用經(jīng)緯網(wǎng)更明顯地反映出偏移的方向(圖2)。從圖2中可以看出，嚴(yán)重沙漠化主要集中于研究區(qū)域的西北方向，重度沙漠化集中于研究區(qū)的中南方向，輕度與重度沙漠化均分布在研究區(qū)的東西方向。對比沙漠化程度圖與重心遷移圖可以看出沙漠化走向分布大致相同，說明土地重心遷移的變化可以體現(xiàn)出土地空間性的變化。嚴(yán)重沙漠化土地重心在2009—2013年期間向北偏移了0.08°，整體向東北方向偏移了24.53 km，2013—2017年明顯往北折回偏移，折回偏移了0.08°，整體向西北方向折回偏移了25.46 km，從3個時(shí)間段來看，嚴(yán)重沙漠化土地隨著時(shí)間的變化往北移動尤為明顯且整體處于縮退的狀態(tài)；重度沙漠化的土地重心2009—2013年期間向西偏移了0.06°，整體往西南方向偏移了10.06 km，2013—2017年期間又向北折回偏移了0.02°，向東北方向偏移了12.65 km；中度沙漠化在2009—2013年期間向南偏移了0.03°，整體向西南方向偏移了5.82 km，在2013—2017年期間向南偏移了0.07°，整體向西南方向偏移了12.55 km，逐步向輕度沙漠化在靠近；輕度沙漠化3年變化偏移不明顯，中度與輕度兩者之間的重心分布較為集中，且變化范圍不大；在各種程度土地當(dāng)中嚴(yán)重沙漠化的重心遷移尤為明顯，主要原因是嚴(yán)重沙漠化在逐漸轉(zhuǎn)化為其他程度類型的沙漠化，從而導(dǎo)致嚴(yán)重沙漠化土地類型所占比重的減少。所以，可以通過土地重心遷移模型更為直觀地發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期下土地遷移的趨勢以及更好地進(jìn)行下一步的觀測處理。

圖2 2009-2017阿拉善左旗不同沙漠化土地重心遷移

4 討 論

土地的變化一般情況下總是與相對應(yīng)的自然因素與社會因素有所關(guān)聯(lián)，在近幾年的土地沙漠化程度的相互轉(zhuǎn)化當(dāng)中，阿拉善左旗重度沙漠化變化最大，整體以重度沙漠化變化為主占整個荒漠化發(fā)生面積的60%以上，嚴(yán)重沙漠化次之，輕度沙漠化與中度沙漠化較少，在本文數(shù)據(jù)當(dāng)中主要是重度沙漠化與嚴(yán)重沙漠化之間的相互轉(zhuǎn)化，其次是向中度與輕度沙漠化之間轉(zhuǎn)移，通過以上數(shù)據(jù)告訴人們，如果在今后荒漠化治理當(dāng)中治理方法不得當(dāng)很容易會造成荒漠化程度之間向嚴(yán)重與重度沙漠化大量轉(zhuǎn)移，加大荒漠化治理難度，并會讓之前的治理工作變得前功盡棄。在阿拉善左旗重度沙漠化中大面積變化的土地類型主要是草地，而造成草地變化的原因。根據(jù)劉樹林等[24-25]的研究結(jié)果表明各地草場因過度放牧、持續(xù)干旱等各種人為及自然原因還在持續(xù)惡化中，草地的退化導(dǎo)致被植被保護(hù)著的疏松土地裸露出來加上地區(qū)風(fēng)沙較大草地沙漠化的發(fā)展為沙塵暴提供了足夠的來源。隨著逐漸的沙漠化土壤性質(zhì)也會被降低，所生長植被條件也受到了一定的抑制；而在后期根據(jù)京津風(fēng)沙林治理。退耕還林還草等制度、“三北”防護(hù)林工程等工程措施的實(shí)施使生態(tài)環(huán)境受到修復(fù)，植被覆蓋率增加，草地面積也有所提高重度沙漠化土地也向輕度與中度沙漠化土地移動。

在土地沙漠化重心遷移的過程當(dāng)中嚴(yán)重沙漠化變化最為明顯，造成嚴(yán)重沙漠化整體向北部遷移的原因是在自然條件和人為因素的影響下，根據(jù)阿拉善左旗的退耕還林還草工程的落實(shí)[26]，以往裸露的土地現(xiàn)在已大面積覆蓋植被，使生態(tài)環(huán)境得到了改善，氣候在近幾年趨于良好，使得嚴(yán)重沙漠化土地在空間上向北部集中推進(jìn)。而向北部推進(jìn)的原因是在阿拉善左旗的北部與東北方向有著烏蘭布和沙漠，主要土地沙漠化形式是以嚴(yán)重與重度沙漠化為主。對于此類敏感的沙漠化更應(yīng)該給予特別關(guān)注，在烏蘭布和沙漠周邊主要是以流沙、戈壁為主，而緊挨著這些流沙、戈壁的邊緣土地主要是以零散灌木、稀疏草地等植被為主，治理不得當(dāng)邊緣土地都面臨著荒漠化形式趨勢嚴(yán)峻的危險(xiǎn)[27]。輕度沙漠化與中度沙漠化在空間上變化有所推進(jìn)兩類沙漠化所涉及的范圍邊緣變化不明顯，在這兩種程度的沙漠化土地中包含了城鎮(zhèn)等土地利用類型，這一類的土地利用情況改善了周邊人類所生存的環(huán)境狀況并帶動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，根據(jù)李嘉麟[28]和劉魁立等[29]的研究可以推論出輕度沙漠化與中度沙漠化變化在空間上有所增加有可能是隨著政策的要求人口在不斷增加的同時(shí)對城鎮(zhèn)市區(qū)周邊的綠化也有所改善，與此同時(shí)興起了許多對沙漠化有一定治理作用的企業(yè)，這些企業(yè)在自身發(fā)展的同時(shí)所遵守的理念就是對沙漠化土地的改良治理對沙漠化發(fā)生了潛移默化的影響。

5 結(jié) 論

(1) 在2009—2017年期間重度沙漠化是4大類型中所占比例最大的沙漠化類型，嚴(yán)重沙漠化和重度沙漠化兩者共占沙漠化面積的比例達(dá)到95%以上，重度沙漠化占60%以上，嚴(yán)重沙漠化占比30%以上。在各類沙漠化程度當(dāng)中各種土地利用類型的土地沙漠化面積隨著年份也在變化，其中沙地和草地所占面積最大，在沙漠化變化當(dāng)中起到了一定的作用。

(2) 阿拉善左旗沙漠化面積處于一個穩(wěn)定逆轉(zhuǎn)趨勢，2009—2017年期間嚴(yán)重沙漠化面積明顯減少轉(zhuǎn)化為重度沙漠化，轉(zhuǎn)化了1 631 065.53 hm2，在重度沙漠化中也有289 523.28 hm2轉(zhuǎn)化為嚴(yán)重沙漠化，重度沙漠化面積有69 319.3 hm2轉(zhuǎn)化為中度沙漠化，32 508.3 hm2轉(zhuǎn)化為輕度沙漠化，由于重度沙漠化所占面積較大主要由重度沙漠化向其他沙漠化程度轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)出一個逐級轉(zhuǎn)化的趨勢，整體而言沙漠化程度趨于良好。

(3) 沙漠化土地重心從北向南依次是嚴(yán)重沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化。在2009—2017年嚴(yán)重沙漠化相對穩(wěn)定僅向北遷移了43.91 km；重度沙漠化土地重心向東南方向遷移了9.91 km；中度沙漠化土地重心向東北方向遷移18.22 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向遷移了5.32 km，根據(jù)重心遷移模型可以看出沙漠化土地在空間上的變化趨勢,嚴(yán)重沙漠化范圍最大，通過重心遷移模型對土地沙漠化可以進(jìn)行更好地監(jiān)測并進(jìn)行及時(shí)控制。