浑善达克沙地正蓝旗沙漠化时空格局

2019-11-13史明昌丁国栋

中国水土保持科学 2019年5期

武洁，史明昌，丁国栋

(北京林业大学水土保持学院,100083，北京)

浑善达克沙地位于内蒙古中部锡林郭勒草原南端，是我国沙漠化发展最严重的地区之一，也是典型的草原沙漠化地区。该沙地处于干旱半干旱草原地带，沙漠化使得原本脆弱的生态系统敏感性升高，生态环境恶劣，且浑善达克沙地为我国北方农牧交错带的一部分，沙漠化的发展严重影响了当地社会经济的发展，尤其是当地畜牧业的发展即依赖于生态环境的良好与稳定，又由于自身发展推动了沙漠化；因此对于浑善达克沙地经济的可持续发展来说，沙漠化是急需解决的问题。此外，浑善达克沙地距离北京直线距离180 km，是京津地区北方生态屏障的重要部分，而草原沙漠化的发展破坏了其作为北方生态屏障的这一重要功能，使其成为京津地区沙尘暴的沙尘源区之一。因此研究该沙地沙漠化变化过程及主要成因，对浑善达克沙地沙漠化的治理，恢复生态环境，推动生态脆弱区经济可持续发展，保持首都生态屏障功能具有重要价值[1-5]。

目前对于该区域沙漠化的研究多采用遥感影像数据分析，主要的研究手段有2种[2-9]：一是利用年际连续的中低分辨率遥感影像数据研究2000年后的沙地变化情况[6-7]，如李春兰等[7]基于2000—2012年250 m分辨率的EOS-MODIS遥感数据分析了荒漠化面积与气象要素的相关性；二是以30～40年为研究时段，以5～10年为研究周期，选用中高分辨率遥感影像数据为数据源[9-11]，如康相武等[8]利用20世纪70年代中期成像的30 m分辨率MSS、80年代中期和90年代后期的30 m分辨率TM数字影像进行了浑善达克沙地土地沙漠化时空演变规律研究。由于沙漠化的发展是长期的过程，较短时段及长时间间隔的研究难以完全掌握其变化规律，且浑善达克沙地面积广阔，低分辨率的影像数据难以反映沙漠化细节的变化，如刘海江等[10]认为1987—2006年浑善达克沙漠化经历了1987—2000年的快速发展期，2000—2006年的缓减期，而乌兰图雅等[11]认为1995—2000年浑善达克沙地在整体上基本稳定, 沙漠化没有太大的扩展。鉴于目前浑善达克沙地的研究，本研究以位于浑善达克沙地腹地的正蓝旗作为研究区，采用1985—2015年间时间相对连续的30 m分辨率的Landsat系列遥感影像数据，在时间和空间上精准研判沙漠化变化过程及主要成因，为浑善达克沙地沙漠化的治理、生态环境恢复提供依据。

1 研究区概况

正蓝旗位于浑善达克沙地南缘，E 114°55′～116°38′，N 41°46′～43°7′之间，属干旱半干旱中温带大陆性气候，年降雨量360 mm，年均温2.8 ℃，风沙活动剧烈，全旗草原退化，沙漠化情况严重。本次研究为准确反映正蓝旗沙漠化情况，以2015年的Landsat 8遥感影像为数据源，对其进行土地利用分类，剔除了耕地、城镇和湖泊，将余下部分作为本次研究的研究区(图1)。

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of the study area

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

正蓝旗植被在7、8月份是其茂盛期，这时植被分布区和沙漠化土地的对比明显，获取的沙漠化情况较为客观准确；因此选取正蓝旗1985—2015年7—8月份的14期空间分辨率为30 m的LandsatTM/OLI遥感影像为本次研究的数据源，并且以7.10～8.10之间的影像为主影像，用7.01～8.25之间的影像补充主影像被大面积云干扰的部分，使得最终影像的云面积控制在5%以下，从而可以准确反映研究区沙漠化情况。各期影像参数如表1所示，所有影像来源于美国地质调查局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)，在使用前通过几何校正和辐射校正，保证了数据质量。

气象数据为1985—2015年正蓝旗及周边气象站的逐日数据，包括平均气温及降雨量，来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。年末牲畜存栏数据来自于1985—2015年逐年的《内蒙古统计年鉴》。

2.2 研究方法

1)沙漠化指数。对于草原沙漠化地区来说，植被的分布和沙漠化的分布是相对立的2种状态，可以通过反映植被状况，进而间接反映沙漠化情况；因此本研究利用NDVI(normalized difference vegetation index) 计算植被覆盖度[12-15]，并用1减去植被覆盖度，将得到的值定义为沙漠化指数，用沙漠化指数来表征研究区沙漠化程度[15]，并将这一指数按照值的大小分为未沙漠化(<0.15)、轻度沙漠化(0.15～0.45)、中度沙漠化(>0.45～0.65)、重度沙漠化(>0.65～0.85)及极重度沙漠化(>0.85)5个等级。

表1 所选用研究影像时间及传感器Tab.1 Study image time and sensor selected

注：TM为Landsat 5搭载专题制图仪,OLI为Landsat 8搭载陆地成像仪。“—”为无此数据。 Notes: TM is thematic mapper for Landsat 5, OLI is operational land imager for Landsat 8. “—” refers to data not available.

N=(R2-R1)/(R2+R1)。

(1)

V=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)。

(2)

D=1-V。

(3)

式中：N为NDVI值；R2是Landsat影像近红外波段的反射率，R1是影像红波段的反射率；Nsoil为裸土或无植被覆盖像元的NDVI值，Nveg代表完全被植被所覆盖像元的 NDVI值。在本次研究中取累积概率为5% 的NDVI值代替Nsoil，95% 的NDVI值代替Nveg；V为植被覆盖度；D为沙漠化指数。

2) Theil-Sen趋势分析。本次研究采用非参数化趋势分析Theil-Sen方法研究各沙漠化等级面积的年变化率及以像元为单位的沙漠化指数的变化趋势度，此方法不要求数据服从正态分布，且此方法允许缺失值，减少了数据不连续对于分析结果的影响[15-18]，适用于本次基于像元的时间序列遥感数据分析，并采用非参数检验方法Mann-Kendall趋势检验法作为Theil-Sen趋势度分析方法显著性的检验方法。

TSen=median((xi-xj)/(i-j))。

(4)

式中：TSen为变化趋势值；i、j为时间序数；xi、xj分别表示第i、j时间的研究值(各沙漠化等级面积、各像元沙漠化指数)。当TSen>0时，表明上升趋势；当TSen<0时，表明下降趋势。

3) Spearman等级相关分析。Spearman等级相关分析方法是常用的非参数统计分析方法，用来分析2组变量之间的相关关系，分析过程为：①对于所分析的n组数据中每组数据的n个变量的大小排序，对重复数据取平均等级；②检验n组数据的等级之间是否相关，此方法不要求数据符合正态性假设，适用于本研究基于像元的降雨量、平均气温与沙漠化指数时空上的相关性分析，且这一分析对异常值的敏感度降低，避免了异常值对分析结果的干扰[19]。

(5)

式中：r为相关系数，其值介于-1～1之间，r<0表示负相关，r>0表示正相关，r=0表示无相关关系；n为时间长度；i为时间序数；Ri和Qi为2组对比数据的数值次序。

3 结果与分析

3.1 沙漠化时空分布特征

从图2各等级沙漠化类型的空间分布来看，近30年正蓝旗沙漠化从西北部向全旗推进，结合表2正蓝旗1985—2015年各等级沙漠化面积和比例变化，近30年极重度、重度等级沙漠化面积在增加，年变化率分别为18.67 km2/a、15.75 km2/a，中度沙漠化、轻度沙漠化、未沙漠化面积减少，年变化率为-11.63 km2/a、-17.48 km2/a、-4.81 km2/a，说明近30年全旗沙漠化程度总体上在加重。

图2 正蓝旗1985—2015年各等级沙漠化类型空间分布Fig.2 Spatial distributions of each degree of desertification in Zhenglan banner during 1985 to 2015

结合正蓝旗沙漠化的时空变化，可以将近30年正蓝旗沙漠化的动态变化分解为4个阶段：第1阶段为1985—1989年，沙漠化开始从西北部向全旗扩张，沙漠化程度急剧加重，极重度沙漠化面积占总面积的比例从14.88%增加到21.79%(表2)；第2阶段为1989—2000年，沙漠化程度等级在降低，极重度沙漠化面积所占比例从21.79%减少到16.02%，但其在空间上的扩张趋势并未转变，中度及重度沙漠化总面积占比从58.95%增加到65.63%，东部边界区域已经达到重度沙漠化等级；第3阶段为2000—

表2 正蓝旗1985—2015年各等级沙漠化面积比例Tab.2 Proportion of each degree of desertification in Zhenglan banner during 1985 to 2015 %

图3 正蓝旗1985—2015年沙漠化空间变化趋势显著性Fig.3 Significance of spatial changing trends of desertification in Zhenglan banner during 1985-2015

2004年，全旗沙漠化程度在平稳减轻，空间分布均匀，生态环境开始恢复，未沙漠化及轻度沙漠化面积总占比从18.35%增加到37.01%；第4阶段为2004—2015年，经历了20世纪初短暂的生态恢复后又转向了沙漠化，在空间上呈现沙漠化蔓延的状况，尤其在2009年沙漠化状况最为严重，重度及以上沙漠化等级面积占比达到了研究时段最高的74.16%，说明近10年正蓝旗的沙漠化问题依旧严峻，必须采取有效手段阻止这一变化态势。

3.2 沙漠化时空趋势特征

对1985—2015 年14期沙漠化指数以像元为单位进行Theil-Sen趋势度分析，并使用Mann-Kendall检验其显著性，将结果划分为极显著变化(P<0.01)、显著变化(P<0.05)、非显著变化3个等级(图3)。结果表明：正蓝旗非显著变化趋势面积总占比为69.92%(表3)且在全旗的分布均匀，是全旗沙漠化的主导趋势，结合沙漠化的时空变化(图2)分析，近30年正蓝旗沙漠化在加重和恢复之间反复，非显著的趋势是这两种状态抵消的结果。

在正蓝旗沙漠化显著趋势中，上升趋势面积占全旗面积的18.46%，下降趋势面积总占比11.62%(表3)，从空间分布来看，下降趋势主要分布在西部(图3)，且大部分极显著下降区域无明显的人类活动痕迹(图3a)，上升趋势主要分布在东部，在东北部边界大面积分布的显著及极显著上升趋势区域(图3b)人类干扰迹象不明显，应为自然扩张的结果，在中部及东南部的显著及极显著上升趋势区域则大部分位于人类活动较集中的道路交叉区域(图3c)、城镇周边(图3d)及耕地周边(图3e)。

表3 正蓝旗沙漠化趋势各显著性类型面积及比例Tab.3 Areas and percentages of significance type of desertification trends in Zhenglan banner

3.3 沙漠化影响因素关联分析

1) 气候变化对沙漠化的影响。近30年正蓝旗年均气温上升趋势明显，从图4来看，气候的明显变暖与近30年正蓝旗沙漠化扩张且程度加重的情形一致，年降雨量的年际波动剧烈，变化趋势不明显；但与沙漠化的若干动态变化对比发现，1990年相比于1989年降雨量增多，沙漠化程度随之明显减轻，2009是沙漠化最严重的年份而这一年的降雨量为研究期降雨量的最低值。为了进一步分析平均气温和降雨量对沙漠化的影响程度，通过采用多元线性回归克里金插值方法[20]，对正蓝旗邻近地区的气象站点数据插值，得到了正蓝旗沙漠化指数数据对应年份的平均气温与降雨量的空间分布数据，并在空间尺度上采用Spearman相关性分析方法分析了沙漠化指数与两类气象因子的相关性。

根据沙漠化指数与平均气温、降雨量在空间上的相关系数值，将结果划分为显著相关(P<0.05)、非显著相关、无相关(r=0)3个等级，结果表明，降雨量、平均气温与沙漠化指数无相关的区域面积比例分别为3.53%、4.01%。从图5的空间分布来看其轮廓为湖泊和河流，与实际情况相符，佐证了此次相关性分析的准确性，具有相关关系的区域，降雨与平均气温与沙漠化指数的相关性均以非显著相关为主，所占面积比分别为91.97%和88.8%(表4)，这一弱相关关系表明气候不是近30年正蓝旗沙漠化变化最主要的原因。

图4 正蓝旗1985—2015年降雨量与年均气温Fig.4 Precipitation and annual average temperature in Zhenglan banner during 1985-2015

进一步分析发现降雨量与沙漠化指数的负相关关系面积占比63.15%，正相关关系占比32.84%(表4)，考虑植被与降雨的关系来说，负相关符合降雨量对于植被生长的影响情况；但是正相关反映出的降雨量增多沙漠化增加或者降雨量减少沙漠化减少的情况却与实际不相符。这说明在沙漠化指数与降雨量正相关的区域，降雨对沙漠化的影响作用被其他因素的影响作用覆盖，这一区域降雨对于沙漠化的影响相比负相关区域更为微弱，且平均气温与沙漠化指数在空间上也存在正负两种相关关系，其40.52%的区域为负相关，55.95%的区域为正相关。总体来说气候与沙漠化的相关性正负差异分析说明近30年气候对于沙漠化的影响程度在空间上存在强弱差异，这种差异是由于气候因素和其他因素叠加影响沙漠化变化，但不同的区域各因素叠加程度的不同所致。

2) 人类活动对沙漠化影响。除气候因素外，人类活动是影响沙漠化的另一大因素，因此气候与沙漠化的弱相关关系也间接说明了人类活动是正蓝旗近30年沙漠化变化最主要的影响因素，而这种影响的效应也有正负2个方面：正向方面来说退耕还林还草、京津冀风沙源治理工程等政府沙漠化防治政策的实施抑制了沙漠化的发展，且这些政策从2000年开始力度加大，这与沙漠化时空格局分析发现

图5 降雨量及年均气温与沙漠化指数相关性Fig.5 Correlation between precipitation, annual average temperature and desertification index

相关性类型Correlation type年降雨量Annual precipitation年均气温Annual temperature显著负相关 Significantly negative correlation3.013.35非显著负相关 Non-significantly negative correlation60.1437.17无相关 No correlation4.013.53非显著正相关 Non-significantly positive correlation31.8351.63显著正相关 Significantly positive correlation 1.014.32

2000—2004年沙漠化程度减轻的情形相吻合；负向方面人类活动促进了沙漠化发展，从图3沙漠化趋势的空间分布可以十分明显的看出这一负面影响。如图3c道路周边沙漠化趋势上升，道路成为了新的风沙源，图3d随着河流上游城镇扩张，工业和生活用水需求上升，河流水量减少导致下游高密度草原沙漠化上升趋势显著，图3e河流下游的优良草地被开垦为耕地，农业用水进一步消耗河流水量使其周边的草地逐渐向沙漠化发展。

此外，考虑到正蓝旗处在北方农牧交错带，牧业是其主要产业，对沙漠化有重要影响，为了衡量这一影响的程度，将1985—2015年历年的每一头大牲畜折合为5只羊，计算得到年末牲畜数量，与重度及以上沙漠化等级的面积比例对比发现，两者之间的变化趋势十分相似(图6)。将这一趋势与气候变化趋势(图4)结合分析近30年沙漠化4次动态变化驱动机制可以看出：1985—1989年气温升高，降雨量减少，暖干的气候引发干旱促进了沙漠化扩张和加重，而牲畜数量增长达到了研究期最高则加剧了这一情形；1989—2000年降雨量增加，暖湿气候抑制了沙漠化程度加重，但前一时期沙漠化程度的急剧加重导致生态环境极其脆弱，草原恢复缓慢，虽然牲畜数量波动性减少近一半，但其对于草原的压力依旧超过了草原承载力，沙漠化继续扩张；2000—2004年降雨量低于前一时期，气候趋于暖干，牲畜数量减少到了研究时段的最低值，对于沙漠化的抑制作用超过了气候对于沙漠化的促进，有效的控制了沙漠化的加重；2004—2015年水热条件与前一时期相似，牲畜数量回升，其趋势与重度及以上沙漠化的变化趋势基本一致，是这一时期沙漠化快速发展最主要的原因。通过上述分析可以看出，在近30年正蓝旗沙漠化演化的每一个阶段牲畜数量的变化都对沙漠化的演化结果有直接影响，这说明牲畜数量所反映的载畜量问题是影响近30年正蓝旗沙漠化变化最主要的人类活动因素，此外牲畜数量和气候对各个时期沙漠化变化的影响也说明气候和人类活动对于沙漠化的动态变化在时间上也存在叠加效应。

图6 正蓝旗1985—2015年重度及以上沙漠化面积及牲畜数量变化趋势Fig.6 Changing trends of desertification area and livestock number in Zhenglan banner during 1985-2015

4 讨论

本研究对正蓝旗1985—2015年沙漠化的时空格局研究发现，该区域沙漠化经历了加重和恢复，当下仍处于沙漠化扩张状态，与以往研究结果有一致性[3-11,21-23]，但对详细的发展过程研究有差异。如刘树林等[21]通过解译1987 、2000及2005年ETM+/TM 影像认为2000年是这一时期沙漠化分布面积最大的时期，而本研究数据分析结果则表明2000年相比80年代末期沙漠化严重程度是减轻的。杨婷婷等[23]以2002和2011年的TM影像为准认为2002—2011年正蓝旗草原沙漠化趋势得到了一定程度的逆转，植被开始恢复；但本研究发现2002—2011年正蓝旗沙漠化经历了减缓和加重2个阶段。对于上述沙漠化演化过程分析的差异，本研究认为是由于以往研究所选用的遥感影像时间间隔较长，采用的数据量较少导致了研究结果片面，而笔者采用的遥感影像时间较为连续，结果更准确。这一对比也说明对于沙漠化时空格局的研究，需结合多源遥感影像数据，用连续的时间序列进行分析，才能揭示沙漠化演化的真实过程。此外，本研究发现人类活动和气候叠加影响正蓝旗沙漠化变化，并且这一叠加效应在空间上有所差异，不同区域2类影响因素对沙漠化影响的强弱程度不同，这对于不同区域采用不同的沙漠化治理手段有重要意义；因此在接下来的研究中应当进一步定量分析不同区域各叠加因素对沙漠化影响的贡献比例，为精准防治沙漠化提供依据。

笔者研究表明人类活动是沙漠化最重要的影响因素，因此减轻人类活动对于沙漠化的影响，保护生态环境十分迫切；但现下各产业的发展都依赖于对于环境资源的掠夺，如工业发展、城镇建设及农业大量耗水导致河流周边的优质草原逐渐萎缩，沙漠化风险上升，旅游业快速但不规范的发展导致游客肆意践踏破坏草原，使得旅游路线附近沙漠化趋势上升。尤其是牧业方面，根据历年的统计年鉴数据，虽然正蓝旗从上世纪90年代开始减少牲畜的饲养量，羊的数量下降，但是近些年大牲畜的饲养规模扩大，牲畜数量开始回升，载畜量超载的问题依旧值得关注，且据调研，近些年正蓝旗的耕地及草场多承包给外来人员，这些人以短期的经济收益为主要目的，在可生产范围里最大程度的利用草原，忽略草原的休养生息，而通过统计年鉴发现人口数量最多的以农牧业为主的第一产业创造的经济价值处于各产业的末端。考虑到上述情况，本研究认为正蓝旗沙漠化治理的重点在于约束人类活动，制定科学合理的产业发展政策，规范旅游业发展，将工业转型为清洁生产模式，规范农牧民生产活动，逐步取消农牧业承包，将传统农牧业产业升级，打造特色农牧业副产品，通过产业升级转型，辅以科学有效的治沙手段，阻止正蓝旗沙漠化的发展，恢复当地生态环境。