2010—2018年中國北方沙質(zhì)荒漠化變化分析

劉建宇, 聶洪峰， 肖春蕾， 尚博譞， 李偉， 冀欣陽

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局國土空間生態(tài)保護修復(fù)中心，北京 100083)

0 引言

“荒漠化是指在包括氣候變化和人類活動在內(nèi)的各種因素作用下，干旱、半干旱和亞濕潤干旱區(qū)的土地退化”[1]。按主導(dǎo)營力可以分為風(fēng)蝕荒漠化、水蝕荒漠化、土壤鹽漬化，其中風(fēng)蝕荒漠化即沙質(zhì)荒漠化，又被稱為沙漠化[2-3]。中國干旱、半干旱地區(qū)自然環(huán)境相對脆弱，風(fēng)沙危害較為嚴重，沙質(zhì)荒漠化已然成為該區(qū)域主要的土地退化形式。沙漠化對生態(tài)環(huán)境、人類生存、社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等諸多方面造成了巨大危害[4]。

我國學(xué)者利用遙感影像探測范圍廣、時間序列長、受地面條件限制小的特點，針對我國北方沙質(zhì)荒漠化較嚴重的地區(qū)開展了大量監(jiān)測調(diào)查工作，并結(jié)合氣候條件、人類活動和社會發(fā)展分析研究其變化規(guī)律[5-12]。近些年，部分學(xué)者逐漸認識到地質(zhì)背景，如沉積序列、構(gòu)造演化等，對沙質(zhì)荒漠化發(fā)育的控制作用，并在北方地區(qū)的典型盆地開展了相關(guān)研究[13-14]。但目前，綜合考慮氣象、地質(zhì)等多種因素分析沙質(zhì)荒漠化演變過程，進而服務(wù)國土空間保護修復(fù)的研究相對較少。

本文利用Landsat系列影像數(shù)據(jù)通過目視解譯獲取我國北方地區(qū)2010年、2018年沙質(zhì)荒漠化分布狀況，分析總結(jié)2010—2018年沙質(zhì)荒漠化演變規(guī)律，借鑒生態(tài)地質(zhì)學(xué)思想，從地質(zhì)背景、氣候條件、土壤理化性質(zhì)等方面綜合分析典型地區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地變化的原因，為我國北方沙質(zhì)荒漠化地區(qū)生態(tài)保護修復(fù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

選擇我國北方干旱—半干旱地區(qū)覆蓋較廣的內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅、陜西和寧夏6個省(區(qū))為研究區(qū)。6省(區(qū))空間上呈向南凸出的弧形狹長地帶，東西跨度較大，南北跨度較小，面積約為4.2×106km2，約占全國陸域面積的43%(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置

研究區(qū)跨越我國三級地貌階梯，由西向東主要有準噶爾盆地、塔里木盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯盆地等盆地和阿爾泰山地、天山山地、祁連山山地、昆侖山山地、阿拉善高原、內(nèi)蒙古高原等山地和高原。在盆地與山脈間，分布著我國的8大沙漠(古爾班通古特沙漠、塔克拉瑪干沙漠、巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠、柴達木盆地沙漠和庫木塔格沙漠)和4大沙地(呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達克沙地和毛烏素沙地)。

研究區(qū)雖然跨度大、面積廣，但氣候類型較為單一。研究區(qū)中北部廣大地區(qū)深居內(nèi)陸、遠離海洋，東南沿海的暖濕氣流無法到達，為溫帶大陸性氣候[15]。該區(qū)域常年干旱少雨，大風(fēng)盛行，賀蘭山以西，南至昆侖山—阿爾金山—祁連山一線以北地區(qū)為干旱區(qū)，年平均降水量僅約130 mm，蒸發(fā)強烈，年平均蒸發(fā)量為800～3 200 mm[16]。靠近秦嶺的陜西中部、甘肅南部以及內(nèi)蒙古東部部分地區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫在-3～20 ℃，降水集中在夏季7—9月份，年均降雨量大于400 mm。干旱少雨的氣候條件決定了研究區(qū)植被以草地為主。以內(nèi)蒙古高原為主呈連續(xù)分布的溫性草原構(gòu)成了歐亞大陸草原的東翼，研究區(qū)廣泛分布溫性草原、低地草甸、山地草甸、高寒草原、高寒草甸和溫性荒漠等生態(tài)類型[17]。

2 數(shù)據(jù)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

本文以Landsat系列衛(wèi)星影像為數(shù)據(jù)源，2010年、2018年沙質(zhì)荒漠化解譯分別利用TM影像和OLI影像完成，空間分辨率均為30 m。數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //www.resdc.cn/)。由于研究區(qū)不同季節(jié)植被覆蓋度差異較大，因此選擇植被覆蓋度較高且云量較低的7—9月份的影像，影像預(yù)處理利用ENVI 5.3完成，然后在ArcGIS 10.6中選擇合適的假彩色波段組合，進行線性拉伸，以突出沙質(zhì)荒漠化地區(qū)與植被覆蓋區(qū)的差異。

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http: //data.cma.cn)，利用鄂托克旗、榆林、橫山、定邊、鹽池5個氣象站以及翁牛特旗、林西、開魯3個氣象站的數(shù)據(jù)，分別分析了毛烏素沙地和科爾沁沙地西部2010—2018年的平均氣溫、年均降水量等變化規(guī)律。

2.2 沙質(zhì)荒漠化解譯

本文參考《聯(lián)合國關(guān)于在發(fā)生嚴重干旱和/或荒漠化的國家特別是在非洲防治荒漠化的公約》中有關(guān)沙質(zhì)荒漠化的分類標準，并結(jié)合前人工作成果[3,18-19]，以植被覆蓋度為主要指標，綜合風(fēng)積、風(fēng)蝕地貌景觀的遙感影像特征，將沙質(zhì)荒漠化程度分為輕度、中度和重度3級，并建立遙感影像解譯標志(表1)。

表1 沙質(zhì)荒漠化土地分級標準及解譯標志

不同程度的沙質(zhì)荒漠化土地，由輕度到重度對應(yīng)的地貌景觀分別為固定沙地、半固定沙地或半流動沙地、流動沙地。沙質(zhì)荒漠化解譯主要以人機交互方式完成。首先，利用ArcGIS軟件完成2018年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀解譯。之后以2010年影像為底圖，對2018年沙質(zhì)荒漠化解譯數(shù)據(jù)進行修編，最終得到2010年沙質(zhì)荒漠化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及2010—2018年的沙質(zhì)荒漠化程度變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙質(zhì)荒漠化土地現(xiàn)狀

截至2018年，我國北方沙質(zhì)荒漠化面積共35.08萬km2。其中輕度沙質(zhì)荒漠化面積9.62萬km2，占沙質(zhì)荒漠化總面積的27.42%； 中度沙質(zhì)荒漠化面積13.54萬km2，面積占比38.60%； 重度沙質(zhì)荒漠化面積11.92萬km2，面積占比33.98%。

空間上，沙質(zhì)荒漠化土地分布與沙漠、沙地具有密切聯(lián)系。研究區(qū)中東部沙質(zhì)荒漠化集中的區(qū)域由東向西分別為呼倫貝爾沙地、科爾沁沙地、渾善達克沙地、毛烏素沙地以及巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠、騰格里沙漠與庫布齊沙漠及其周邊區(qū)域。西北部地區(qū)則主要圍繞古爾班通沙漠與塔克拉瑪干沙漠分布。西南部，青藏高原上的沙質(zhì)荒漠化土地主要分布于柴達木盆地、共和盆地、青海湖盆地及阿尼瑪卿山山間谷地內(nèi)。

北方6省(區(qū))中，內(nèi)蒙古與新疆的沙質(zhì)荒漠化土地分布最廣，面積分別為16.00萬km2和11.55萬km2，約占沙質(zhì)荒漠化總面積的79%(圖2，表1)。其中，內(nèi)蒙古沙質(zhì)荒漠化程度較高，以重度(5.63萬km2)和中度(5.53萬km2)為主(表2)。新疆沙質(zhì)荒漠化程度同樣較高，輕度沙質(zhì)荒漠化面積僅1.96萬km2，占新疆沙質(zhì)荒漠化土地總面積的16.97%，而中度、重度沙質(zhì)荒漠化面積分別為5.46萬 km2、4.13萬km2(表2)。

圖2 2018年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地分布

表2 2010年和2018年研究區(qū)各省(區(qū))沙質(zhì)荒漠化土地面積統(tǒng)計

3.2 沙質(zhì)荒漠化土地變化特征

2010年，研究區(qū)內(nèi)沙質(zhì)荒漠化土地面積共35.81萬km2，沙質(zhì)荒漠化程度以重度和中度為主，其中重度沙質(zhì)荒漠化13.84萬km2，中度沙質(zhì)荒漠化13.42萬km2，輕度沙質(zhì)荒漠化8.55萬km2，其空間分布特征與2018年較一致(圖3)。內(nèi)蒙古、新疆兩自治區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積廣、程度重，沙質(zhì)荒漠化土地面積共28.22 km2，重度占比達40%。

圖3 2010年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地分布

2010—2018年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地共減少0.73萬km2，減少區(qū)域主要分布于塔里木盆地周邊河流及居民點附近、準噶爾盆地北緣和南緣，渾善達克沙地南部、科爾沁沙地東部和北部、烏海湖周邊，以及甘肅騰格里沙漠西南緣、毛烏素沙地東南緣、渭河平原東部，寧夏毛烏素沙地西南緣和青海省青海湖周邊地區(qū)(圖4)。沙質(zhì)荒漠化程度減輕區(qū)域主要集中于毛烏素沙地及其北部地區(qū)、科爾沁沙地東部及北部、塔里木盆地周邊、柴達木盆地南緣等地。同期，沙質(zhì)荒漠化程度加劇區(qū)域主要位于科爾沁沙地西部、渾善達克沙地西南部以及青海布爾汗布達山山間谷地。同時，在渾善達克沙地西部、科爾沁沙地西部、塔里木盆地周邊局部地區(qū)還存在少量的非沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)變?yōu)樯迟|(zhì)荒漠化土地。

圖4 2010—2018年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化變化

2010—2018年，新疆、內(nèi)蒙古兩自治區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積減少最多，分別減少0.48萬km2和0.19萬km2，其余4省(區(qū))沙質(zhì)荒漠化土地總面積變化較小(表2)。從面積減少比例看，新疆減少比例最大，為3.99%，其次為甘肅省和陜西省，減少比例分別為2.04%、1.18%。內(nèi)蒙古、新疆兩自治區(qū)同時還是重度沙質(zhì)荒漠化減少面積最多的地區(qū)，分別減少了1.09萬km2和0.48萬 km2。6省(區(qū))的中度沙質(zhì)荒漠化土地面積變化不盡相同，寧夏、青海、新疆3省(區(qū))面積有所減少，而內(nèi)蒙古、陜西、甘肅3省(區(qū))面積則小幅增加。除甘肅省外，其他5省(區(qū))的輕度沙質(zhì)荒漠化土地均呈增加的趨勢，內(nèi)蒙古增加面積最大，為0.50萬km2。從北方6省(區(qū))的沙質(zhì)荒漠化變化特征可以看出，2010—2018年，區(qū)內(nèi)沙質(zhì)荒漠化土地整體呈面積減少、程度減輕的趨勢。

3.3 沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)移

沙質(zhì)荒漠化土地的演化與發(fā)展具有一定跳躍性，即可以從非沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)化為重度沙質(zhì)荒漠化土地。為分析各種程度沙質(zhì)荒漠化土地間以及其與非沙質(zhì)荒漠化土地間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，通常利用轉(zhuǎn)移矩陣分析一定時間段內(nèi)各類型土地間的轉(zhuǎn)變程度和趨勢[12,20-21]。

由表3可知，2010—2018年，重度沙質(zhì)荒漠化土地共轉(zhuǎn)出2.07萬km2，占2010年重度沙質(zhì)荒漠化土地面積的14.96%，主要轉(zhuǎn)化為中度沙質(zhì)荒漠化土地，面積共1.16萬km2，占轉(zhuǎn)出面積的56.04%。中度沙質(zhì)荒漠化土地明顯好轉(zhuǎn)，共有0.97萬km2中度沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)化為輕度。同時期，研究區(qū)內(nèi)輕度、中度和重度沙質(zhì)荒漠化土地分別有0.37萬km2、0.16萬km2和0.26萬km2轉(zhuǎn)化為非沙質(zhì)荒漠化土地。另一方面，研究區(qū)共有0.23萬km2的輕度沙質(zhì)荒漠化土地沙質(zhì)荒漠化程度加重，轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸?0.20萬km2)和重度(0.04萬km2)； 0.12萬km2中度沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)化為重度； 0.06萬km2非沙質(zhì)荒漠化土地發(fā)生退化，形成了新的沙漠化土地。

表3 2010—2018年研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化面積轉(zhuǎn)移矩陣

綜上可知，我國北方地區(qū)沙質(zhì)荒漠化程度以中度和重度為主，主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)?？臻g分布上具有圍繞沙漠和沙地發(fā)育、擴張的特征。2010—2018年，研究區(qū)沙質(zhì)荒漠化程度呈明顯好轉(zhuǎn)態(tài)勢，0.73萬km2沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)化為非沙漠化土地，1.81萬km2重度和0.97萬km2中度沙質(zhì)荒漠化土地的沙漠化程度減輕。同時，在局部地區(qū)有0.41萬km2沙質(zhì)荒漠化土地程度加重或由非沙漠化土地轉(zhuǎn)化形成。

4 典型地區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地變化原因分析

過去近10 a間，毛烏素沙地沙質(zhì)荒漠化程度整體明顯好轉(zhuǎn)，共有1.24萬km2沙質(zhì)荒漠化土地程度改善或轉(zhuǎn)化為非沙漠化土地; 而科爾沁沙地教來河以西地區(qū)共有474.99 km2沙質(zhì)荒漠化土地程度加重。因此本文以毛烏素沙地和科爾沁沙地西部為例，從生態(tài)地質(zhì)角度分析兩沙地變化原因，并提出針對性的保護修復(fù)建議。

4.1 毛烏素沙地

4.1.1 地質(zhì)與水文因素

毛烏素沙地位于鄂爾多斯盆地南部，在長期風(fēng)化、剝(風(fēng))蝕和再沉積作用下，地表呈梁地、灘地、沙丘和湖泊交互排列的獨特景觀。沙地內(nèi)地層結(jié)構(gòu)具有第四系松散堆積物直接覆蓋于白堊系之上的特征。第四系松散堆積物主要包括全新統(tǒng)風(fēng)積層和上更新統(tǒng)薩拉烏素組，白堊系為一套碎屑巖地層[22]。與植被生長關(guān)系較密切的地下水為潛水，含水層為第四紀河湖積、風(fēng)積砂，白堊紀碎屑巖為隔水層。其地層結(jié)構(gòu)決定了地下水埋深主要受地形控制，因此灘地地下水埋深小于2 m，灘地周圍埋深一般小于5 m，而在沙丘地帶，埋深多為5～10 m，沙丘較高的局部地區(qū)，埋深大于10 m[23]。地下水埋深進一步影響了植被分布的特征，從灘地到沙丘隨著地下水埋深逐漸增加，形成由水生植被帶過渡為水生/旱生植被過渡帶，后轉(zhuǎn)為旱生植被帶的生長規(guī)律。

4.1.2 氣象條件

在干旱與半干旱地區(qū)，降雨對植物的生長、特別是一年生植物的生長影響很大。2010—2018年，毛烏素沙地年均降水量在2012年突破400 mm后，2013—2015年降至350 mm左右，之后降水量逐年增加，至2018年，年降水量接近500 mm。另一方面，風(fēng)速是風(fēng)蝕荒漠化程度的主要決定因素。2010年以來，毛烏素沙地年均最大風(fēng)速具有緩慢降低的趨勢，2018年，年均最大風(fēng)速低于10 m/s，有助于降低風(fēng)蝕程度、減少沙質(zhì)荒漠化土地轉(zhuǎn)變面積。同期毛烏素沙地年均氣溫相對穩(wěn)定，維持在9 ℃左右，相對濕度略有下降(圖5)。

(a) 2010—2018年年均降水量和年均氣溫 (b) 2010—2018年年均相對濕度和最大風(fēng)速

綜上所述，毛烏素沙地的地層結(jié)構(gòu)決定了沙地內(nèi)地下水水量豐富、埋深較淺，2010—2018年氣象條件相對穩(wěn)定，年均降雨量明顯增加，進一步豐富了沙地的水資源量。其生態(tài)地質(zhì)條件有利于植被恢復(fù)。因此建議應(yīng)控制毛烏素沙地內(nèi)人類干擾活動的強度，以自然恢復(fù)為主。

4.2 科爾沁沙地

4.2.1 地質(zhì)背景

科爾沁沙地位于西遼河平原，地處東北平原向內(nèi)蒙古高原的過渡地帶。地下水隔水層分別由新近系頂部的泥巖與第四系底部的黏土構(gòu)成，垂向上可劃分為松散巖類孔隙含水層、碎屑巖孔隙-裂隙含水層和基巖裂隙含水層三大系統(tǒng)[24]。區(qū)內(nèi)發(fā)育有西拉木倫河、響水河、老哈河等河流，地表水與地下水資源較豐富，淺層潛水分布較為廣泛[25]。但近年來，由于科爾沁沙地地區(qū)耕地擴張和城鎮(zhèn)工業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，大量開采地下水資源，地下水水位明顯下降[26-27]。

位于科爾沁沙地北部的西拉木倫斷裂，呈東西向展布，寬20 km，長達數(shù)千公里[28]，分隔了大興安嶺與燕山山脈，并在兩大山脈之間形成了一條寬數(shù)公里、走向近東西向的谷地，成為風(fēng)沙向科爾沁沙地西部運移的重要通道(圖6)，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速常年維持在12 m/s左右，風(fēng)沙天氣頻繁[29]。

圖6 西拉木倫風(fēng)沙廊道示意圖[29]

4.2.2 成土母質(zhì)與土壤

科爾沁沙地西部指教來河以西，位于赤峰市內(nèi)的地區(qū)?？茽柷呱车匚鞑繛榱鲃由车氐募蟹植紖^(qū)[30]，主要發(fā)育有第四紀風(fēng)積物、沖積物及湖積物?？茽柷呱车貥悠妨椒治鼋Y(jié)果顯示，科爾沁沙地西部沉積物粒徑組成以中砂、粗砂為主，含量分別為40.24%和22.40%，其次為細砂，含量19.12%，黏土含量一般不超過5%(圖7)，與前人研究成果一致[24]。毛烏素沙地樣品中黏土、粉砂含量分別高于科爾沁沙地255.88%和506.49%，中砂、粗砂含量僅為科爾沁沙地的26.27%和14.38%(圖7)。由于黏粒、粉砂粒徑極小，相對于中砂、粗砂單位質(zhì)量具有表面積更大、更容易吸附有機碳的特點，因此土壤中有機碳的含量與黏土、粉砂具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，與中砂等粗粒物質(zhì)呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，而土壤中有機碳含量越高，越有利于植被生長[31]?？茽柷呱车匚鞑客寥乐械闹写至Ｎ镔|(zhì)含量較高，導(dǎo)致其有機碳含量明顯匱乏，僅為毛烏素沙地的32.50%(圖8)，不利于植被的生長恢復(fù)。

(a) 科爾沁沙地樣品物質(zhì)組成

圖8 毛烏素沙地與科爾沁沙地有機碳含量對比

4.2.3 氣象條件

2010—2018年，科爾沁沙地西部年降水量除2012年較高外，其他年份相對穩(wěn)定； 同期年均氣溫緩慢升高，近5 a，維持在6.7 ℃左右。沙地西部年均最大風(fēng)速除2011年外，其他年份均大于11 m/s，多年平均值約高于毛烏素沙地8%。在大風(fēng)與氣溫升高的雙重作用下，沙地平均相對濕度下降較明顯，由50%左右下降至45%以下(圖9)。

(a) 2010—2018年均降水量和平均氣溫 (b) 2010—2018年平均相對濕度和年均最大風(fēng)速

綜上所述，科爾沁沙地西部受西拉木倫斷裂控制的風(fēng)沙廊道影響，流動沙丘廣布，物質(zhì)組成以中砂、粗砂為主，土壤保水能力較差。再加上近些年來受氣溫緩慢升高、平均相對濕度逐漸降低、地下水水位下降明顯等自然因素以及人類活動的影響，科爾沁沙地西部地區(qū)的沙質(zhì)荒漠化程度呈加重趨勢。因此建議加強區(qū)域地下水資源管理，優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)，種植較耐旱的沙蒿、檸條等植物，同時持續(xù)推進退耕還林、還草工作。

5 結(jié)論

(1)我國北方地區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地面積共35.08萬km2，主要分布于內(nèi)蒙古自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)，空間上與我國主要沙地、沙漠分布范圍較一致。沙質(zhì)荒漠化土地以中度為主，重度次之，輕度面積最少。

(2)2010—2018年我國北方地區(qū)沙質(zhì)荒漠化土地整體呈程度減輕、面積減少的趨勢，沙質(zhì)荒漠化土地面積減少0.73萬km2，沙質(zhì)荒漠化程度減輕面積共2.78萬km2。同期渾善達克沙地西部、科爾沁沙地西部等局部地區(qū)程度有所加重。

(3)毛烏素沙地生態(tài)地質(zhì)條件相對較好，地下水埋深淺、水量豐富，土壤中泥質(zhì)、粉砂比例較高，有機碳含量相對較高，2010—2018年沙質(zhì)荒漠化程度明顯好轉(zhuǎn)。科爾沁沙地西部緊鄰西拉木倫風(fēng)沙廊道，沙地物質(zhì)組成中中砂、粗砂含量較高，有機碳含量較低，造成局部沙質(zhì)荒漠化程度加重。建議在毛烏素沙地后續(xù)保護修復(fù)工作中，應(yīng)降低人類活動干擾的影響，以自然恢復(fù)為主，在科爾沁沙地加強地下水資源管理，優(yōu)化植被結(jié)構(gòu)，進一步推進退耕還林、還草工作。

(4)本次研究范圍較大，相對注重不同區(qū)域沙地間的對比研究，對沙地內(nèi)部地質(zhì)背景、地形地貌變化對沙質(zhì)荒漠化的影響分析較少。下一步將以毛烏素沙地為研究對象，根據(jù)其生態(tài)地質(zhì)條件進行分區(qū)，針對不同區(qū)域提出針對性的保護修復(fù)建議。