高台县沙漠化动态变化及其驱动因素分析

2010-05-24代德磊颉耀文王浩宇

中国水土保持 2010年7期

代德磊，颉耀文，王浩宇

(兰州大学西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000)

土地沙漠化是指干旱半干旱及部分半湿润地区由自然或人类因子作用形成的以风沙活动为主要标志的土地退化过程，发生沙漠化过程的土地称为沙漠化土地[1]。我国沙漠化状况总体上呈现“局部治理，整体恶化”的严峻态势[2]，沙漠化给广大沙漠化地区的生态环境、资源、社会经济发展与群众生产生活等造成了严重影响。高台县 20世纪50年代以来由于水资源紧缺、城市化进程加快、土地开垦以及缺乏正确的评价标准和科学的治理措施等原因，沙漠化防治工作遇到了极大困难。基于此，本研究利用 GIS和R S技术，对高台县1976—2009年沙漠化的动态变化过程进行了模拟，对其发展趋势进行了预测，并对造成沙漠化的驱动因素进行了初步分析，这对当地的沙漠化防治工作具有重要的现实意义。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

高台县位于河西走廊中部、黑河中游下段、祁连山脉以北、巴丹吉林沙漠南缘，隶属张掖市，总面积 4459.68km2;介于东经 98°57′27″—100°06′42″、北纬39°03′50″—39°59′52″之间，地势南北高、中间低，海拔1260—3140m;冬季寒冷干燥，夏季干热，春季多风，年无霜期157 d，属典型的沙漠干旱型气候;年均气温 7.8°～ 8°C，年降水量110.4mm，年蒸发量1923.4mm，地表土层干燥，干燥度达 5.5。

1.2 数据源及数据预处理

本研究选用的影像数据为1976年 7月 4日的 MSS 2景以及1992年 8月 27日和2009年 7月17日的 TM2景，解译时MSS影像采用 4、2、1波段，TM影像采用 4、3、2波段合成假彩色图像，影像较为清晰，空间分辨率为30m。

遥感数据的预处理主要包括几何校正配准、相对辐射匹配和数据镶嵌、色彩调整、拉伸、增强等。本研究的几何校正配准以1∶5万的地形图为基准，利用二次多项式和最近邻重采样法，先完成1992年的遥感数据校正，然后以此为基础完成其他年份的配准。因研究区地处荒漠地区，控制点不易选取，几何校正的平均误差为1.5个像元，配准误差为0.5个像元。同时，对于以荒漠化土地为主体的遥感解译图像除进行必要的增强、RGB合成以外，还采取了缨帽变换及波段之间的比值处理等来提高沙漠化土地的判读精度。

1.3 研究方法及建立解译标志

由于沙漠化土地类型的自动识别和分类精度还未达到所期望的水平，且需地物光谱库的辅助[3]，因此本研究采用目视解译法对沙漠化土地进行识别。沙漠化等级划分是进行沙漠化土地评价的重要依据[4]，采用“四分法”将沙漠化分成轻度、中度、重度和严重 4级[5]，见表1。解译时除根据光谱特性外，对于流动沙丘以植被盖度为标准确定其等级。解译完成后，2009年10月研究人员对目视解译结果进行了实地验证，证明解译结果基本符合实际情况。

2 沙漠化动态变化分析

2.1 沙漠化现状

根据遥感影像解译，1976、1992和2009年高台县沙漠化土地面积统计结果见表2。2009年全县沙漠化土地面积103726.85hm2，占土地总面积的 23.26%，其中轻度、中度、重度和严重沙漠化土地分别分别占沙漠化土地总面积的 9%、13%、11%和67%，沙漠化程度较高。沙漠化土地主要分布于北部荒漠区(巴丹吉林沙漠边界地区)，盐池南部(明海沙漠北部)，骆驼城的西部和西北部(明海沙漠东部和东北部)，小海子风沙口，南华乡东部和西部，八坝、九坝、十坝、胭脂堡和桥儿湾风沙口以及西沙窝风沙口，1976、1992、2009年沙漠化空间分布情况见图1。

表1 遥感影像沙漠化解译标志

表2 高台县各沙漠化类型土地面积 hm2

图1 1976、1992、2009年高台县各沙漠化类型的空间分布

2.2 沙漠化动态分析

参考土地利用动态变化研究模型[6]，建立了沙漠化动态度模型

式中:K为沙漠化动态度，%，K＞0时沙漠化面积呈减少趋势，K＜0时呈增加趋势;Ua、Ub分别为研究起始年和结束年的沙漠化面积;T为研究时间，a。

利用式(1)计算3个时段(1976—1992年、1992—2009年、1976—2009年)各沙漠化类型的动态度(年变化率)，结果见表3。从表3可以看出，33年来基本上轻度沙漠化土地变化率绝对值的年均值最大，重度次之，中度再次，严重最小，其中轻度和重度沙漠化土地面积呈减少趋势，而中度和严重却呈增加趋势;1976—2009年间沙漠化动态度为0.3，沙漠化土地总面积呈减少趋势，严重沙漠化尽管变化率最小，但是由于基数大，增加的面积还是相当可观的(3171.2hm2)。

表3 高台县3个时段各沙漠化类型的动态度 %

运用Arc GIS软件对研究区3个时段沙漠化空间分布图进行空间叠置分析，得到沙漠化类型转化图，进而得到动态演变的数据矩阵，见表 4。

表4 1976—2009年高台县各沙漠化类型的空间转化 hm2

由表 2—4及其分析结果可知，研究区的沙漠化发展趋势有如下特点:①沙漠化土地总面积在减少，但严重沙漠化比例有所增加。1976—1992年，沙漠化面积减少了 5640.66hm2，1992—2009年又减少了 5719.42hm2，但1976—2009年间严重沙漠化土地面积增加了3171.20hm2，1976年严重沙漠化面积占沙漠化面积的 57.67%，到2009年已增长到67.04%。②沙漠化土地类型结构变化明显，存在两极分化现象。1976—1992年和1992—2009年沙漠化土地面积的统计结果都表明:一是轻度和重度沙漠化土地面积明显减少，中度和严重却有所增加;二是轻度沙漠化土地比较脆弱，向其他类型转化明显，严重沙漠化土地比较稳定，向其他类型转化较少。③沙漠化土地扩展和逆转同时存在。沙漠化逆转主要体现在沙漠化总面积在逐步减少，1976—2009年共减少11360.08hm2;扩展主要表现为严重沙漠化面积增加，研究区严重沙漠化土地占沙漠化土地的比例很大，从1976年到2009年共增加了3171.20hm2。④沙漠化内部转化复杂。1976—2009年，轻度沙漠化土地中有39.74%转变为非沙漠化土地，同时分别有11.16%、4.66%和7.47%的面积向中度、重度、严重沙漠化转化;中度沙漠化土地中有13.15%转变为非沙漠化土地，有6.80%、4.81%和7.27%的面积向轻度、中度和严重沙漠化转化;重度沙漠化土地中有23.01%向非沙漠化土地转化，有13.5%和17.72%向严重、中度转化;严重沙漠化土地向其他类型转化的面积不大。⑤沙漠化空间变化差异显著。北部荒漠无人区绝大部分都是严重沙漠化土地，沙漠化面积有扩张趋势，但总体变化不大。局部地区，西沙窝风沙口沙化土地正逐渐吞噬周边的盐碱地，沙化面积明显增加;在骆驼城乡西部和西北部地区因土地开垦，沙漠化面积明显减少;罗城乡、盐池乡南部和黑泉乡西部地区沙漠化土地与盐碱地交错分布，沙漠化面积有所减少，沙漠化程度也有所减轻;南华乡西部和东部沙漠化面积有所减少;小海子风沙口沙漠化面积有所增加，但增加幅度不大;八坝、九坝、十坝、胭脂堡、桥儿湾风沙口沙漠化面积有所增加，并有向北扩张的趋势。

2.3 沙漠化动态变化过程模拟与预测

沙漠化动态过程模拟与预测的目的在于掌握未来沙漠化的变化趋势[7]。将马尔柯夫转移矩阵用于模拟沙漠化的时空演变过程，其转移矩阵模型可表达为[8-9]

式中:Pij为沙漠化类型i转化为j的转移概率，1，i、j=1，2，…，n。

根据马尔柯夫过程的后无效性及 Bayes条件概率公式，假设初始的系统状态是 S(0)，经转移后的系统状态为S(1)，则有:S(1)=S(0)P。根据高台县33年来各沙漠化类型的分布情况(表4)，得出沙漠化类型的转移概率(表 5)。设定 2009年各种沙漠化类型的面积比为S(0)，借助马尔柯夫过程的运算程序，预测2042年的面积比 S(1)，见图 2。

表5 1976—2009年高台县各沙漠化类型的转移概率 %

预测结果显示，到2042年研究区轻度沙漠化土地面积将占到土地总面积的1.35%、中度为3.15%、重度为1.52%、严重为15.90%、其他土地为78.08%。从图 2可以看出:如果保持1976—2009年的变化速度，那么研究区在未来33年内轻度和重度沙漠化土地面积仍将呈下降趋势，但减少的趋势会逐渐减缓，中度和严重沙漠化土地面积将继续增加;沙漠化总面积占土地总面积的比例将从 2009年的 23.26%下降到2042年的21.92%，呈减少趋势。上述结果说明，如果不采取有效措施扭转沙漠化趋势，那么高台县尽管沙漠化总面积呈减少趋势，但严重沙漠化比例将越来越大，因此控制严重沙漠化土地的扩张是防沙治沙的关键。

图2 高台县未来33年沙漠化变化过程模拟

3 沙漠化驱动因素分析

沙漠化是气候、土地、生物三大系统平衡被破坏的结果，适宜的气候是诱发条件，广泛存在的沙源地是沙漠化的物质基础，而人类和社会的发展促进了沙漠的不断变化。本文拟从自然因素和社会因素两个方面分析沙漠化的驱动因素。

3.1 自然因素

自然因素主要包括气候、水资源和土壤，其中以气候因素最为活跃，影响也最大。气候因素中的年均气温、降水量、蒸发量和风力状况与沙漠化的关系最为密切[10]。

一是气候变化。目前研究区的平均气温呈现波动升高趋势。从依据《高台县统计年鉴》提供的1976—2009年的年均气温和典型年降水量及蒸发量的统计结果(表6)可以看出，研究区年均气温由1976年的 7℃上升到2008年的 8℃，在1998年甚至超过了 9℃，表明当地年均气温变化呈较显著的上升趋势;降水量分布年际变化大，但整体上有增加的趋势;年蒸发量在 2000年以前总体呈现波动增加的趋势，之后又有所减少，比较来说年蒸发量的增长速度明显高于年降水量的增长速度。总结起来，研究区气温显著升高，降水量波动大、不稳定，而蒸发量又持续偏高。因此，气候因素对研究区沙漠化变化的影响主要表现在:在气候干旱化的背景下，土壤蒸发量增大加剧了地面的裸露程度，进而加速了土地沙漠化的进程。同时，研究区风害严重，共有3大风沙口，东为小海子风沙口，西为西沙窝风沙口，北为八坝、九坝、十坝、胭脂堡、桥儿湾风沙口，由于沙漠化土地分布广，遇到大风天气，尘沙飞扬，加之戈壁面积广阔，表土极易吹失，有的地方1年内吹失表土厚达10cm，绿洲内部的非沙漠化土地也易遭受风沙侵害。

二是水资源短缺。研究区水体来源主要是祁连山高山降水、冰雪融水及相应形成的地表径流，水量大部分集中在夏季，冬季则极其短缺，再加上河流的分布是固定的，高台县北部广大荒漠区的土地开发受到限制。同时，近年来由于气候变暖，祁连山雪线上移，河流来水锐减，据有关资料[11]，祁连山冰川局部地区的雪线正在以每年2～6 m的速度上升，有些地区的雪线年均上升12.5～22.5m。受其影响黑河来水逐年减少，2001年来水量仅为8.9亿 m3，比有水文记载的 40年来的平均值14.3亿 m3减少了 5.4亿 m3。

表6 高台县年均气温、降水量及蒸发量的变化情况

三是土质差。据统计，1999年高台县未利用土地面积占全县面积的 75%以上，其中戈壁面积130400.3hm2，占全县面积的 29.24%，盐碱地面积15624.8hm2，占全县面积的3.5%。加上植物很难生长的沙漠化土地，高台县本身易开发的土地面积就比较少，气候条件又比较恶劣，这就为沙漠化的扩张创造了条件。

3.2 社会因素

社会因素是高台县沙漠化变化的外在驱动因素。影响高台县沙漠化变化的社会因素主要包括超载放牧、地下水的过度开采和其他社会因素3个方面。

一是超载放牧。高台县草地面积 2.07万hm2，理论载畜量9.37万个羊单位，1982年载畜量10.13万只，超载放牧 8.11%，2003年载畜量达到18.85万只，超载放牧101.17%，实际载畜量是理论载畜量的 2倍，属严重超载放牧。尤其是小海子库区，理论载畜量 2500只，而实际放牧 6000只左右，超载放牧140%[12]，长期的超载放牧，使草地不堪重负、严重退化。

二是地下水的过度开采。一方面，随着退耕还林还草工程、开垦荒地以及耕地面积的扩大，地表水资源供求紧张，原本用于浇灌林草地的地表水被用来浇灌耕地，导致草木枯死，形成荒漠;另一方面一些无地表水或地表水不足的地区，开垦荒地后采取打井提取地下水浇灌，无序开采导致地下水位迅速下降、干土层增厚、大量地表植物干旱死亡。据高台县水利局调查，近年来地下水资源的过度开采，使地下水位以每年40cm的速度下降。

三是其他社会因素。高台县出产甘草、麻黄、发菜等，由于滥挖滥采，植被遭到严重破坏，导致土地沙漠化。农业灌溉方式落后，易形成耕地盐渍化，作物不断死亡也导致了土地沙漠化。草原鼠害对沙漠化也具有一定影响，鼠类不仅啃食植物根部，而且打洞致使地表裸露，严重破坏植被和影响牧草生长，导致植被盖度下降。据 2006年统计结果，高台县草地鼠害面积达60200hm2。