新疆艾比湖地区土地沙漠化时空演变及其成因

2014-09-27曾小箕丁建丽樊亚辉

水土保持通报 2014年2期

曾小箕，丁建丽，樊亚辉

（新疆大学资源与环境科学学院绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046）

沙漠化是在干旱、半干旱及部分半湿润地区由于人地关系不协调所造成的以风沙为主要标志的土地退化［1］。土地沙漠化过程也是土地退化过程，包括物理过程、生物过程、土壤化学过程、水文过程等［2］。土地沙漠化由于危害严重、分布广泛、威胁人口众多，已经成为全球最严重的环境与社会经济问题之一，受到社会各界的普遍关注。我国是世界上受沙漠化危害最为严重的国家之一，据统计资料显示，我国沙漠化土地面积达1.69×106km2，占全国土地面积的17.30%［3］。

沙漠化已不仅是一个单纯的生态环境问题，而且还演变为经济问题和社会问题，导致人类社会的贫困和不稳定。对于受沙漠化威胁的人们来说，沙漠化意味着将失去最基本的生存基础。国内外科学家对沙漠化问题研究，特别是对干旱半干旱区的土地沙漠化问题，进行了大量的研究并取得了丰硕的研究成果。

艾比湖是新疆地区最大的湖泊湿地，位于准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心［4］。属于典型的干旱区湖泊，具有特殊的湿地—干旱生态环境，是天山西部气候变化的指示器［5］，对地处干旱的新疆北疆地区来说是极为重要的自然资源和经济资源，并发挥着不可替代的生态环境功能［6］。由于地处在阿拉山口大风通道下，生态系统极不稳定，具有很强的敏感性与脆弱性［7］。近几十年来，在气候变化和人类活动的双重作用下，艾比湖湖面缩小及其周边生态环境恶化，出现湖泊萎缩、沼泽地退化、草地沙化、生物多样性减少等一系列环境问题，直接影响到艾比湖流域乃至整个天山北坡经济带的社会经济发展［8－9］。随着人类社会的迅猛发展，在很大程度上愈演愈烈地作用于荒漠生态系统的原生素质，引起一系列以土地沙漠化为代表的生态逆向演替，由此产生了一系列生态环境恶化的严重后果。近几年，对于艾比湖地区沙漠化的研究也逐渐受到关注，研究主要集中在驱动力分析及荒漠化程度分级上，而从整体上对沙漠化土地进行分析的研究较少。自20世纪90年以来，随着社会的发展和人口的急剧增多，大规模的开垦荒地和入湖水量的减少，导致土地沙漠化程度加重，近年来随着西部大开发战略的实施，退地还草、限制放牧、滴灌农业的推广等措施土地沙漠化有所好转。在这20a间，受人为因素和自然因素的影响，艾比湖地区土地沙漠化演变尤为显著，是沙漠化转变的关键时期。本研究在遥感和GIS技术的支持下，对艾比湖地区土地沙漠化变化进行动态分析，从而为艾比湖地区草地恢复，沙漠化治理和区域生态环境恢复与重建提供决策依据。

1 研究区概况

艾比湖地区坐标范围为 79°53′—85°02′E，43°37′—45°55′N。位于中国新疆维吾尔自治区与哈萨克斯坦共和国交界的阿拉山口。以艾比湖体为核心，包括湖滨地带范围约2 960km2。温带干旱大陆气候，日平均气温6～8℃，年日照时数约为2 800h，年平均降水量90.9mm，年蒸发量3 790mm以上。艾比湖湿地是准噶尔盆地西南缘最低洼地和水盐汇集中心。由于特殊的地理位置和地形地貌特征使洼地内分布着多种荒漠类型，荒漠生物种群多样；生物多样性较完整［7］。随着人类社会活动的迅猛发展，土地沙漠化普遍发生，生态环境脆弱，易遭受自然因素和人类社会经济活动的影响。艾比湖湿地是指征准噶尔盆地生态环境变化的关键地区，生态区位与地理位置极为重要。

2 数据资料及研究方法

2.1 数据资料

本研究用到的遥感影像数据分别为1990，2007，2010年的TM 数据（分辨率为30m）；2001年的ETM＋数据（分辨率15m）。遥感影像的时相均在9—10月之间，该时期植被生长良好，这有利于沙漠化土地的识别。此外本研究还用到1∶50万地形图、用作辅助数据的土壤类型图及土地利用图、野外景观照片以及实地调查资料。

2.2 遥感解译方法

利用不同地物在遥感影像5，4，3波段组合成假彩色图像中的色彩、色调、形状、大小、纹理、图案、阴影、位置和布局等特征，并结合研究区土地的自然生态和利用属性及其它非遥感数据进行综合分析、逻辑推理进行解译。由于地物结构和化学成分的不同，对太阳光谱进行选择性的吸收和反射，形成地物本身所具有的独特的光谱特征，因此在影像上呈现出各自的图像特征；由于在成像过程中光谱分辨率会受到诸多因素的干扰影响，从而存在“同物异谱”和“同谱异物”的现象。本研究利用实地考察照片、记录资料作为分类选取样本的依据。将上述样点转换为shp格式的矢量文件，对其进行空间插值，叠加在遥感影像上，在附近3×3像元范围内选择纹理和颜色相同像元作为分类感兴趣区，对较明显的地表类型（如绿地、沙漠、水体等）采用目视判读，最后采用人工神经网络分类方法进行监督分类。

2.3 沙漠化土地分类系统

沙漠化类型及发展程度是沙漠化研究的重要和基础内容之一［10］，参考已有的划分标准［11－15］，根据研究内容及研究区特殊的自然环境状况，以风成地貌形态为主，结合植被、土壤、景观、地貌等环境要素为指标，将研究区沙漠化土地类型划分为4种类别：轻度沙漠化，中度沙漠化，重度沙漠化，严重沙漠化。通过野外实地调查和GPS定位，对研究区域的遥感影像进行准确分辨，从而确定了艾比湖区域不同沙漠化程度的土地类型的遥感解译标志（表1）。

3 结果与分析

3.1 不同时期的沙漠化土地面积变化

根据艾比湖地区1990，2001，2007和2010年4个时相沙漠化遥感监测的解译结果，采用ArcGIS的分类统计工具，对研究区内各时期不同程度的沙漠化土地面积进行统计（表2）。结果表明，20a来研究区沙漠化土地面积经历了从强烈逆转到基本稳定到稳定发展的变化过程。1990—2001年为强烈逆转阶段，沙漠化土地面积减少了713.24km2，轻度沙漠化土地面积急剧减少，中度沙漠化土地面积有所增加，增加面积62.01km2。沙漠化土地总面积减少主要是人为原因导致的耕地大面积增加，但研究区东部的沙漠化程度仍在继续恶化。2001—2007年期间沙漠化土地总面积保持基本不变，但沙漠化程度稍加重，沙漠化土地面积仍占41.3%。轻度沙漠化土地面积仍然在减少，减少面积94.55km2；中度、重度和严重沙漠化土地面积呈略微增加趋势，分别增加了41.73，26.51和25.99km2。在此6a间绿地的面积增加了342.81km2，而水域的面积减少了86.59km2，说明人类活动对输入艾比湖的水源影响越来越大，艾比湖水源的减少导致严重沙漠化土地增加。2007—2010年沙漠化程度在持续加重，沙漠化土地总面积略微增加，沙漠化总面积从3 713.57km2增加到3 789.17 km2。中度沙漠化土地面积减少了58.97km2；轻度、重度和严重沙漠化土地面积分别增加了68.28，38.3和27.62km2。这主要是由于艾比湖西部在人为因素下绿地增加，而东部土地沙漠化程度不断加剧所致。

表1 沙漠化土地分类系统

表2 1990－2010年各沙漠化土地类型面积及比例

3.2 沙漠化土地时空变化

根据解译结果，利用ArcGIS空间叠加分析模块对解译得到的3期沙漠化数据进行叠加计算，分别得到1990—2001年、2001—2007年、2007—2010 年3个时段的沙漠化土地转移矩阵（表3）。

从表3可以看出，1990—2001年沙漠化土地类型主要以逆转为主，逆转面积1 199.75km2，轻度沙漠化逆转显著，逆转面积占总逆转面积的57.0%；发展的沙漠化土地面积为547.84km2，以弱发展为主，弱发展面积为465.51km2，占总发展面积的85.0%。1990年主要以轻度沙漠化、中度沙漠化为主，占同期沙漠化土地总面积的81.69%。到2001年时，经过11a的沙漠化发展，该区土地沙漠化仍然以轻度沙漠化、中度沙漠化类型为主，占同期沙漠化土地总面积的63.61%。1990年非沙漠化土地面积占总土地面积的51%，到2001年时增加到59%。综上所述，在该时段该研究区沙漠面积减少，绿地增加，整体呈逆转趋势。

通过分析2001—2007年沙漠化土地转移矩阵可以得出，2001年沙漠化土地类型以轻度沙漠化、中度沙漠化为主，占同期沙漠化土地总面积的75.83%。到2007年时，经过6a的沙漠化发展，该区沙漠化土地仍以轻度沙漠化、中度沙漠化类型为主，占同期沙漠化土地总面积的74.40%，2001和2007年非沙漠化土地面积占总土地面积同为59.0%。因此，研究表明该时段研究区沙漠化土地类型变化以稳定为主，轻度沙漠化面积仍在减少，艾比湖东部沙漠化程度在进一步加剧。

由2007—2010年沙漠化土地转移矩阵得出，该时期内研究区土地沙漠化主要类型及比重几乎没变化。2007年沙漠化土地类型以轻度沙漠化、中度沙漠化为主，占同期沙漠化土地总面积的74.40%。到2010年，经过3a的沙漠化发展，该区仍然以轻度沙漠化、中度沙漠化为主，占同期沙漠化土地总面积的73.15%。2007年非沙漠化土地面积占总土地面积的58.7%，到2010年是57.8%，略微降低。综上分析表明，该时段沙漠化土地面积稍微增加，沙漠化程度在持续加剧。

表3 艾比湖地区1990－2010年沙漠化土地类型转移矩阵 km2

4 沙漠化成因分析

沙漠化是各种自然、生物、社会、政治、文化和经济等因素复杂作用的结果，归根到底，是人为和自然两类因素［16］。

4.1 自然因素

本研究搜集和整理了1990—2010年间精河、博乐和阿拉山口3个气象站的气温、降水量、蒸发量、风速等有关气象为数据源进行分析，在艾比湖地区沙漠化的气候影响因子中，最主要的是气温和降水，而气温的升高是关键作用，导致蒸发量增加，在艾比湖地区沙漠化发生和发展过程中起着重要的驱动作用。

4.1.1 研究区气温与降水变化艾比湖地区范围广阔，属典型的温带大陆性气候。流域西高东低的地势特点，气温则由西向东逐渐升高。研究区年均气温为8.3℃，日月气温差异较大，春季气温回升快，秋季降温迅速，夏季炎热，冬季寒冷。从多年年平均气温来看（图1），艾比湖地区在近20a间的平均气温缓慢上升，升高幅度可达0.3℃，平均增温率为0.038℃，高于中国近40a来的平均增温率及全球近百年来的平均增温率。

从近20a降水变化来看，艾比湖地区年均降水量缓慢减少，最低降水量为1997年的60.8mm，最高为2001年的164.6mm。20世纪90年代最低降水量为60.8mm，最高为149.5mm，降水量振幅均为88.7 mm，21世纪前10a最低降水量为67.2mm，最高为164.6mm，振幅为97.4mm。从艾比湖地区的降水季节分布来看，夏季降水量对全年降水量贡献最大。而降水变率大，对地表植被生长保护及水资源开发利用均有不利影响。研究区年均气温和降水的总体变化是气温升高、降水减少，导致气候呈现出暖干化的特征，产生土壤湿度下降、地表蒸发量增大等环境问题，进一步导致地表植被退化、枯萎，为风力侵蚀地表创造了有利条件，从而导致了沙漠化的进一步发展。

图1 艾比湖地区1990－2010年来年平均气温、降水变化

4.1.2 蒸发量和风速的变化从年际的蒸发量变化图来看（图2），21世纪初以来，在全球气候变暖的环境下，研究区年蒸发量有增加的趋势，而蒸发量增加会导致生态用水严重不足，地表植被不但逐渐丧失了控制沙漠化发展的能力，而且会促使沙漠化加速发展。

艾比湖由于处于阿拉山口，大风是影响当地气候的主导因素。该山口年均有8级以上大风241h，瞬间最大风速达55m／s。从研究区风速年际变化图来看，近20a来艾比湖流域年均风速有所减小，风速减小与植被的增加有一定的关系。也有利于艾比湖流域沙漠化程度的好转。在2001—2010年间该研究区风速又开始逐渐增大，结合沙漠化专题图可发现，植被的增加多为精河、博乐等地区人工绿洲的增加，而对周边地区来说，虽然年均风速有所减小，但沙漠化程度却仍呈加剧态势。

图2 艾比湖地区1990－2010年来蒸发量、风速年际变化

4.2 人为因素

人类活动在沙漠化过程中的作用非常显著，人类活动通过生产生活方式来影响沙漠化［17］。据王涛等［18］人研究，影响沙漠化的不合理生产生活方式主要形式表现为过耕、过牧、过樵、过度利用水资源等。处于经济转型初期的新疆地区在社会经济发展过程中，更多地关注经济增长和工业化发展，容易忽视生态环境的破坏［19－20］。

4.2.1 人口数量变化近20a来，研究区人口数量一直呈持续稳定上升的趋势，如博州地区1990—2008年人口增长了8.2万人（图3）。但是城市化水平一直较低。人口的迅速增长导致耕地面积的急剧增加，这是导致研究区轻度沙漠化土地减少和人工绿洲增加的主要原因。

图3 博州近20a总人口变化曲线

4.2.2 生产方式的改变生产方式的改变也是导致沙漠化的一重要原因，其中包括土地过度开垦、过度放牧和过度樵采等。其中过度放牧是造成研究区沙漠化加剧发展的重要原因之一，过度放牧等人为活动加剧了沙地、草地生态系统退化，对艾比湖地区的生产、生活和生态安全构成严重的威胁。可以用牲畜压力来衡量草地利用方式是否合理。1990—2010年研究区牲畜头数呈现先增加后减少的趋势，1990—2004年均增长率为3.04万头。2004以后出现减少趋势，年均减少率为4.05万只。由于一定面积草地载畜量是有限度的，当牲畜数量的快速增加，超过这个限度时，由于牲畜的过度啃食，致使草地高度降低、盖度减小及牲畜践踏，将一定程度上加剧了土地沙漠化程度。

5 结论

（1）1990—2010年艾比湖研究区沙漠化土地的总面积在减少，研究区沙漠化土地面积经历了从强烈逆转到基本稳定到稳定发展的变化过程。沙漠化土地总面积减少主要是人为原因导致的耕地大面积增加，在人为因素下绿地增加，而东部土地沙漠化程度不断加重。由于沙漠化土地基数过大及人类生产方式的改变，因此对沙漠化土地面积增长的控制将是一个长期的工作。

（2）在沙漠化土地空间分布上，1990—2010年研究区的沙漠化分布特征为：严重、重度沙漠化土地位于艾比湖东岸，呈片状分布；在艾比湖西岸轻度沙漠化土地面积较大，呈块状分布；而中度沙漠化土地主要分布在艾比湖东岸，呈大片分布，在研究区中占绝对优势。

（3）由于人类对土地资源的过度利用，人口的增长、过度开垦、过度放牧等增大了当地环境的负担，使沙漠化程度加剧。随着近些年政府和当地民众对沙漠化问题的重视，有了政策与资金的投入，沙漠化严重问题得以缓解。但是艾比湖东岸沙漠化仍然十分严重，需要政府以及当地农民的共同努力。

（4）基于遥感和GIS技术，对艾比湖地区的土地沙漠化进行动态监测和时空变化分析，不仅能够提供其变化信息，而且还可以通过长期监测建立土地沙漠化数据库，结合气象数据及社会经济等数据为其防治提供科学数据和决策支持。

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