基于GIS的若爾蓋縣2009—2014年沙化土地動(dòng)態(tài)變化定量分析

劉朔, 楊建勇, 蔡凡隆

四川省林業(yè)和草原調(diào)查規(guī)劃院, 四川 成都 610081

若爾蓋縣是川西北沙化最嚴(yán)峻的地區(qū)，全面掌握若爾蓋沙地時(shí)空動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)有利于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與恢復(fù)，為該區(qū)域防沙治沙提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支持。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)若爾蓋縣沙化的現(xiàn)狀、成因、分布、驅(qū)動(dòng)力（因子）、沙化治理模式等進(jìn)行了較多研究[1-8]，其中對(duì)于其沙化動(dòng)態(tài)變化的研究，主要以定性分析和描述為主，涉及沙地分布特征的定量分析較少[9]?；贕IS技術(shù)的應(yīng)用為分析沙化土地時(shí)空變化趨勢(shì)及其分布格局提供了技術(shù)手段，近年來(lái)由于空間數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展以及GIS算法的不斷豐富，基于空間自相關(guān)理論的相關(guān)分布格局分析研究開(kāi)始盛行，全局莫蘭指數(shù)、高低聚類分析、空間分布方向性分析等空間分析方法由于能有效反映空間數(shù)據(jù)的分布特征，在研究中得到廣泛應(yīng)用。目前，空間自相關(guān)研究領(lǐng)域多集中在土地利用自相關(guān)格局分析、區(qū)域生態(tài)格局、社會(huì)經(jīng)濟(jì)聚集程度等方面[10-14]，對(duì)于沙化土地的空間自相關(guān)格局分析報(bào)道較少，賈光普等[15]基于空間自相關(guān)理論對(duì)毛烏素沙地沙化土地時(shí)空動(dòng)態(tài)研究，劉峰等[16]基于空間自相關(guān)理論對(duì)科爾沁沙地土地利用時(shí)空演變進(jìn)行了分析，均較好揭示了研究區(qū)沙漠化土地時(shí)空變化的特征與規(guī)律。

本研究以若爾蓋縣沙化沙監(jiān)測(cè)區(qū)為研究對(duì)象，以若爾蓋縣2014年和2009年兩期沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)（是目前最近的兩期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2020年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)目前未發(fā)布），基于Arcgis空間分析模塊定量分析沙化分布的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了防治區(qū)劃，上述研究旨在為若爾蓋縣沙化治理和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的對(duì)策制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

若爾蓋縣位于四川省北部，平均海拔3 500 m，是黃河、長(zhǎng)江兩大河流的水源涵養(yǎng)地之一，被譽(yù)為“中華民族的水塔”“高原之腎”。若爾蓋縣純牧區(qū)面積占全縣面積的69%，是沙化土地的主要分布區(qū)，地質(zhì)母巖多為三迭系砂巖、板巖、灰?guī)r和第四紀(jì)的松散堆積物，其形成的土壤含沙量高。若爾蓋縣沙區(qū)屬大陸性季風(fēng)高原氣候區(qū)，氣候寒冷干燥，長(zhǎng)冬無(wú)夏，日照強(qiáng)烈，溫差大，年均氣溫0.7 ℃ ，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，年均日照2 389 h；年均降雨量656.8 mm，年均蒸發(fā)量1 232 mm，年均濕度69%；平均風(fēng)速2.4 m·s-1，最大風(fēng)速40 m·s-1，年大風(fēng)日數(shù)50d，年沙塵日數(shù)6d。若爾蓋縣沙化監(jiān)測(cè)區(qū)涉及轄曼鎮(zhèn)（含轄曼牧場(chǎng)）、麥溪鄉(xiāng)、唐克鎮(zhèn)（含白河牧場(chǎng)）、嫩哇鄉(xiāng)、班佑鄉(xiāng)、阿西鄉(xiāng)、達(dá)扎寺鎮(zhèn)共7個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），32個(gè)村，45 078人。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

（1）沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源2009年和2014年若爾蓋縣全國(guó)沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；（2）土壤數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所中國(guó)土壤科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)，目前該數(shù)據(jù)庫(kù)共分出12個(gè)土綱，61個(gè)土類，227個(gè)亞類，本次研究區(qū)內(nèi)的土壤類型名稱均采用該分類系統(tǒng)下的土壤亞類名稱。（3）主要河流、行政區(qū)圖層來(lái)源于BIGMAP中最新矢量圖層。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理及研究方法

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。全部在Arcgis10.2軟件中進(jìn)行，所有圖層及柵格數(shù)據(jù)都需校正為大地2000坐標(biāo)系，采用投影坐標(biāo)系。由于2009年和2014年若爾蓋縣全國(guó)沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別基于北京54和西安80坐標(biāo)系，因此通過(guò)無(wú)偏移天地圖衛(wèi)星影像將兩期沙化數(shù)據(jù)校正到大地2000坐標(biāo)系，重新計(jì)算面積（因需要空間分析，必須在統(tǒng)一坐標(biāo)系下重新計(jì)算面積，因此校正后面積與校正前面積略微出入是正常的）；為便于動(dòng)態(tài)分析和建立沙化土地轉(zhuǎn)移矩陣，需統(tǒng)一監(jiān)測(cè)范圍，將兩期沙化圖層進(jìn)行“合并”“融合”，形成兩期沙化數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)范圍圖層，再將兩期沙化圖層分別與監(jiān)測(cè)范圍圖層“標(biāo)識(shí)”，并將未“標(biāo)識(shí)”圖斑沙化類型屬性賦值為“有明顯沙化趨勢(shì)土地”，形成兩期沙化監(jiān)測(cè)校正數(shù)據(jù)圖層。

（2）研究方法。①在Arcgis10.2中，運(yùn)用“度量地理分布”模塊對(duì)兩期沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行“平均中心”和“分布方向”分析，定量分析空間分布特征。②根據(jù)已有研究成果[3,6,8,9,17]，若爾蓋縣沙化分布及成因與黃河、黑河、白河的河道分布以及土壤類型和條件密切相關(guān)，在Arcgis10.2中，分別對(duì)兩期沙化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用“多環(huán)緩沖區(qū)”對(duì)河流進(jìn)行緩沖分析，緩沖距離分別設(shè)為2 km，4 km，6 km，8 km，10 km，再通過(guò)“空間分析”模塊中工具提取各類緩沖區(qū)中的沙化面積圖斑。③在Arcgis10.2對(duì)中兩期沙化土地程度圖進(jìn)行疊加分析對(duì)獲得的交集圖層屬性表并計(jì)算其面積，分析提取沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣。④將預(yù)處理中得到的兩期沙化監(jiān)測(cè)校正數(shù)據(jù)圖層與土壤數(shù)據(jù)“相交”，提取沙化土地所屬土壤。⑤根據(jù)沙地面積占比結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，選擇沙化程度、與河流的不同距離、土壤類型三個(gè)指標(biāo)作為區(qū)劃的因子指標(biāo)，將沙化圖斑中的沙化程度、與河流的不同距離的緩沖區(qū)、土壤類型3個(gè)圖層?xùn)鸥窕?duì)3個(gè)指標(biāo)分別賦予不同權(quán)重（見(jiàn)表1），其中：沙化程度的權(quán)重是依據(jù)沙化程度由低到重依次增加；與河流不同距離的權(quán)重，主要依據(jù)兩期沙化土地在不同距離內(nèi)的沙化面積占總沙化面積的比重綜合考慮；土壤類型權(quán)重，主要依據(jù)沙化土地在不同土壤類型中的占比綜合考慮。再將3個(gè)柵格化了圖層的柵格值分別乘以各自指標(biāo)的權(quán)重，再乘以100進(jìn)行整數(shù)化，然后進(jìn)行柵格加法運(yùn)算后，進(jìn)行重分類，經(jīng)多次試驗(yàn)，重分類為4類效果最好（重分類像元值區(qū)別分別為：重點(diǎn)防治區(qū)300～338，一般防治區(qū)339～352，普通防護(hù)區(qū)353～370，潛在防護(hù)區(qū)371～468），分區(qū)特征明顯，與沙化分布實(shí)際結(jié)合較好，再將柵格轉(zhuǎn)化為矢量圖層，獲得若爾蓋沙化防治分區(qū)圖層。

表1 研究區(qū)沙化防治分區(qū)權(quán)重Tab.1 Partition weight of desertification control in the study area

3 結(jié)果與分析

3.1 沙化土地類型空間分布特征

全局莫蘭指數(shù)能有效判斷空間數(shù)據(jù)在分布中是否呈現(xiàn)隨機(jī)、聚集、分散特征，根據(jù)兩期監(jiān)測(cè)圖斑的全局莫蘭指數(shù)分析（見(jiàn)表2），均呈聚集分布（z得分均大于0，且P值均小于0.01），說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)沙化圖斑分布不是隨機(jī)分布，空間異質(zhì)性明顯。通過(guò)對(duì)兩期監(jiān)測(cè)圖斑的沙化程度進(jìn)行高低聚類分類分析，高值聚類明顯（z 得分均大于臨界值2.58），表明沙化程度高的圖斑在空間上呈現(xiàn)聚集分布（z 得分均大于臨界值2.58）。

高低聚類的方法（Getis-Ord General G），能有效判斷高值或者低值其中一方是否發(fā)生聚類?？臻g分布方向性分析是指區(qū)域相關(guān)屬性在空間分布上的輪廓和主導(dǎo)方向，具有因其直觀性與有效性。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓法是分析空間分布方向性特征的經(jīng)典方法之一，可從全局的、空間的角度定量解釋指定要素空間分布的中心性、展布性、方向性的空間形態(tài)整體特征。根據(jù)圖1可知，兩期沙化分布方向基本相同，與研究區(qū)主要河流（黃河、黑河、白河）流向基本一致。由表2可知，2014年的分布中心點(diǎn)較2009年向西位移了443 m，向北位移了4 475 m。由于2014年沙化面積（不含明顯沙化趨勢(shì)面積）較2009年增加了5 550.68 hm2，說(shuō)明了沙化趨勢(shì)在向西北方向擴(kuò)展，在向黃河和黑河區(qū)域擴(kuò)展趨勢(shì)明顯。

表2 研究區(qū)沙化土地空間分布特征Tab.2 Spatial distribution characteristics of desertified land in the study area

圖1 研究區(qū)沙化土地空間分布特征圖Fig.1 Spatial distribution characteristic map of desertified land in the study area

若爾蓋縣沙化土地的重要原因之一是主河道（黃河、黑河、白河）的沉沙積累[2,3,9,17]，由表3可知，兩期沙化土地沿河道周邊分布趨勢(shì)明顯，在2009年時(shí)：河道2 km范圍內(nèi)包括了40.89%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，32.50%的沙化土；河道6 km范圍內(nèi)包括了70.57%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，61.34%的沙化土；河道10 km范圍內(nèi)包括了90.85%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，86.76%的沙化土；在2014年時(shí)：河道2 km范圍內(nèi)包括了40.08%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，33.18%的沙化土；河道6 km范圍內(nèi)包括了70.57%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，61.34%的沙化土；河道10 km范圍內(nèi)包括了73.87%的明顯沙化趨勢(shì)的土地，88.86%的沙化土。

表3 距離主要河流不同距離范圍內(nèi)沙化土地分類統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Classification statistics of desertified land in different distances from major rivers

若爾蓋縣土地沙化重要原因之一就是特殊的土壤條件，以及開(kāi)挖排水溝對(duì)沼澤的破壞[2,3,9,17]，由表4可知，沙化土地主要涉及黑氈土、草甸土、泥炭沼澤土、沼澤土、低位泥炭土、草甸沼澤土，其中以黑氈土、草甸土、泥炭沼澤土比重最大。在2009年時(shí)：有明顯沙化趨勢(shì)的土地中有80.34%涉及黑氈土、草甸土、泥炭沼澤土，沙化土地中有88.42%涉及上述3類土壤。在2014年時(shí)：有明顯沙化趨勢(shì)的土地中有88.39%涉及黑氈土、草甸土、泥炭沼澤土，沙化土地中有86.99%涉及上述3類土壤。

表4 沙化土地所屬土壤類型統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistical table of soil types of desertified land

3.2 沙化土地動(dòng)態(tài)變化特征

由表5可知，兩期沙化土地均以輕度沙地為主，所占比重分別達(dá)76.40%和80.81%。2009—2014年研究區(qū)沙化土地總體呈擴(kuò)展的趨勢(shì)，沙化土地總面積（不含明顯沙化趨勢(shì)）較2009年增加了5 550.68 hm2，主要原因是有明顯沙化趨勢(shì)土地轉(zhuǎn)化為輕度沙地以及中度沙地通過(guò)治理演變成輕度沙地。

2014年較2009年輕度面積增加7 661.25 hm2，主要是由有明顯沙化趨勢(shì)土地轉(zhuǎn)化，以及中度、重度、積重度沙化好轉(zhuǎn)而來(lái)，說(shuō)明有明顯沙化趨勢(shì)土地在進(jìn)一步向沙化演變；2009年極重度沙地和中度沙地減少明顯，分別減少了1 442.41 hm2、5 119.03 hm2，減少比重達(dá)25.01%、75.58%，主要得益于5年間對(duì)中度和極重度沙地的持續(xù)治理。2014年重度沙地面積8 935.23 hm2，較2009年增加了近1倍，其動(dòng)態(tài)構(gòu)成來(lái)源：74.65%來(lái)源于沙化程度更輕的沙地和有明顯沙化趨勢(shì)的土地惡化，11.21%為極重度沙地好轉(zhuǎn)，14.14%為原重度沙地，說(shuō)明局部地塊沙化嚴(yán)重趨勢(shì)仍然存在。各類沙化土地在兩期內(nèi)動(dòng)態(tài)變化轉(zhuǎn)化情況見(jiàn)表5。

表5 研究區(qū)沙化土地類型轉(zhuǎn)移矩陣Tab.5 Transfer matrix of desertification land types in the study area

3.3 沙化防治分區(qū)

基于Arcgis空間分析模塊定量分析沙化土地的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，將研究區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)（見(jiàn)圖2），其中：（1）重點(diǎn)防治區(qū)。面積73 759.21 hm2，占區(qū)域總面積11.45%，該區(qū)域是沙化分布最為集中區(qū)域，該區(qū)域沙化土地總面積占全縣沙化總面積85.3%，防治策略以治為主以防為輔，優(yōu)先開(kāi)展各類生態(tài)治理。（2）一般防治區(qū)。面積86 095.48 hm2，占區(qū)域總面積13.37%，主要沿黃河、黑河、白河沿線分布，該區(qū)域沙化土地總面積占全縣沙化總面積10.10%，該區(qū)域是沙化面積相對(duì)較小，由于特殊地質(zhì)地貌，區(qū)內(nèi)非沙地和明顯沙化趨勢(shì)土地的沙化風(fēng)險(xiǎn)最大，防治策略以防為主以治為輔，適宜開(kāi)展各類管護(hù)和生態(tài)治理。（3）普通防護(hù)區(qū)。面積249 329.97 hm2，占區(qū)域總面積38.71%，研究區(qū)分布廣泛，該區(qū)域沙化土地?。ㄕ既h沙化總面積4.20%）、程度輕，但由于其土壤類型主要是草甸土和黑氈土以及前期受到破壞的泥炭沼澤土，加之部分區(qū)域與重點(diǎn)防治區(qū)和一般防治區(qū)鑲嵌分布，因此該區(qū)域防治策略為以防為主，加強(qiáng)管護(hù)，開(kāi)展封沙育草。（4）潛在防護(hù)區(qū)。面積234 928.49 hm2，占區(qū)域總面積36.47%，研究區(qū)分布廣泛，該區(qū)域基本無(wú)沙化土地（占全縣沙化總面積0.40%），是沙化風(fēng)險(xiǎn)最小的區(qū)域，因此該區(qū)域防治策略以防為主，可進(jìn)行一般性管護(hù)，控制牛羊數(shù)量。

圖2 若爾蓋縣沙化防治區(qū)劃圖Fig.2 Spatial distribution of desertification control zone map in Zoige county

4 討論

（1）研究區(qū)內(nèi)沙化分布呈聚集分布，空間異質(zhì)性明顯，并且沙化分布主要集中在黑氈土、草甸土、泥炭沼澤土3類土壤上，說(shuō)明了土壤類型是沙化發(fā)生的重要誘導(dǎo)因子。泥炭沼澤土上的沙化主要原因之一由于上世紀(jì)開(kāi)溝排水、疏干沼澤、泥炭資源不合理開(kāi)采，以及草地超載和全球氣候變化[2]，此類區(qū)域應(yīng)積極開(kāi)展填溝堵渠，實(shí)施以草定畜，開(kāi)展恢復(fù)濕地。

（2）兩期監(jiān)測(cè)圖斑的沙化程度高值聚類明顯，表明沙化程度高的圖斑在空間上呈現(xiàn)聚集分布，這些沙化程度高的聚集分布區(qū)域可能是多種自然和人為因素共同作用的“交匯點(diǎn)”，在以后對(duì)這些“聚集分布區(qū)”“交匯點(diǎn)”作用機(jī)制研究，將有助于深入揭示若爾蓋縣沙化驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

（3）兩期沙化分布方向基本相同，2014年的分布中心點(diǎn)較2009年向西位移了443 m，向北位移了4 475 m，說(shuō)明了沙化趨勢(shì)在向西北方向擴(kuò)展，向黃河和黑河區(qū)域擴(kuò)展趨勢(shì)明顯。兩期沙化土地沿河道周邊分布趨勢(shì)也十分明顯，定量分析發(fā)現(xiàn)在河道6 km范圍內(nèi)包括了約70%的有明顯沙化趨勢(shì)的土地，以及60%的沙化土地。主要原因之一是該區(qū)域經(jīng)歷古河道多次改道，河道堆積區(qū)特有的地質(zhì)地貌、氣候特點(diǎn)使該區(qū)域具有沙化的潛質(zhì)[3-23]，該區(qū)域應(yīng)通過(guò)沙化治理、輪牧休牧、以草定畜等方式，重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)草皮層的保護(hù)與恢復(fù)，防止沉積的粉沙翻露出地表，形成新的沙源。

（4）兩期沙化土地均以輕度沙地為主，所占比重分別達(dá)76.40%和80.81%，說(shuō)明若爾蓋縣土地沙化還處于初始階段，正是沙化治理的有利時(shí)期，目前已有很多成功的治理技術(shù)[18-22]，為沙化治理提供了保障。得益于5年間對(duì)中度和極重度沙地的持續(xù)治理，中度和極重度面積減少明顯，但由輕度和重度面積明顯增加。一方面最嚴(yán)重的沙化土地在減少，另一方面輕度沙化土地在增加，主要原因之一是過(guò)牧普遍存在以及降水小且分布不均[8]綜合作用的結(jié)果，后續(xù)治理需要加大治理力度，推行以草定畜。

（5）根據(jù)沙地面積相關(guān)占比結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，選擇沙化程度、與河流的不同距離、土壤類型三個(gè)指標(biāo)作為區(qū)劃的因子指標(biāo)分別賦予權(quán)重后，進(jìn)行相關(guān)GIS空間處理，將研究區(qū)劃分為：重點(diǎn)防治區(qū)、一般防治區(qū)、普通防護(hù)區(qū)、潛在防護(hù)區(qū)。進(jìn)行相關(guān)GIS空間處理相對(duì)于傳統(tǒng)區(qū)劃方法，可為沙化治理提供更宏觀、更直觀、更精準(zhǔn)的判斷和決策手段。