代德磊，頡耀文，王浩宇

(蘭州大學(xué)西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)

土地沙漠化是指干旱半干旱及部分半濕潤地區(qū)由自然或人類因子作用形成的以風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的土地退化過程，發(fā)生沙漠化過程的土地稱為沙漠化土地[1]。我國沙漠化狀況總體上呈現(xiàn)“局部治理，整體惡化”的嚴(yán)峻態(tài)勢[2]，沙漠化給廣大沙漠化地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與群眾生產(chǎn)生活等造成了嚴(yán)重影響。高臺(tái)縣 20世紀(jì)50年代以來由于水資源緊缺、城市化進(jìn)程加快、土地開墾以及缺乏正確的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和科學(xué)的治理措施等原因，沙漠化防治工作遇到了極大困難?；诖耍狙芯坷?GIS和R S技術(shù)，對高臺(tái)縣1976—2009年沙漠化的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行了模擬，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測，并對造成沙漠化的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行了初步分析，這對當(dāng)?shù)氐纳衬乐喂ぷ骶哂兄匾默F(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

高臺(tái)縣位于河西走廊中部、黑河中游下段、祁連山脈以北、巴丹吉林沙漠南緣，隸屬張掖市，總面積 4459.68km2;介于東經(jīng) 98°57′27″—100°06′42″、北緯39°03′50″—39°59′52″之間，地勢南北高、中間低，海拔1260—3140m;冬季寒冷干燥，夏季干熱，春季多風(fēng)，年無霜期157 d，屬典型的沙漠干旱型氣候;年均氣溫 7.8°～ 8°C，年降水量110.4mm，年蒸發(fā)量1923.4mm，地表土層干燥，干燥度達(dá) 5.5。

1.2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究選用的影像數(shù)據(jù)為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，解譯時(shí)MSS影像采用 4、2、1波段，TM影像采用 4、3、2波段合成假彩色圖像，影像較為清晰，空間分辨率為30m。

遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要包括幾何校正配準(zhǔn)、相對輻射匹配和數(shù)據(jù)鑲嵌、色彩調(diào)整、拉伸、增強(qiáng)等。本研究的幾何校正配準(zhǔn)以1∶5萬的地形圖為基準(zhǔn)，利用二次多項(xiàng)式和最近鄰重采樣法，先完成1992年的遙感數(shù)據(jù)校正，然后以此為基礎(chǔ)完成其他年份的配準(zhǔn)。因研究區(qū)地處荒漠地區(qū)，控制點(diǎn)不易選取，幾何校正的平均誤差為1.5個(gè)像元，配準(zhǔn)誤差為0.5個(gè)像元。同時(shí)，對于以荒漠化土地為主體的遙感解譯圖像除進(jìn)行必要的增強(qiáng)、RGB合成以外，還采取了纓帽變換及波段之間的比值處理等來提高沙漠化土地的判讀精度。

1.3 研究方法及建立解譯標(biāo)志

由于沙漠化土地類型的自動(dòng)識(shí)別和分類精度還未達(dá)到所期望的水平，且需地物光譜庫的輔助[3]，因此本研究采用目視解譯法對沙漠化土地進(jìn)行識(shí)別。沙漠化等級劃分是進(jìn)行沙漠化土地評價(jià)的重要依據(jù)[4]，采用“四分法”將沙漠化分成輕度、中度、重度和嚴(yán)重 4級[5]，見表1。解譯時(shí)除根據(jù)光譜特性外，對于流動(dòng)沙丘以植被蓋度為標(biāo)準(zhǔn)確定其等級。解譯完成后，2009年10月研究人員對目視解譯結(jié)果進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，證明解譯結(jié)果基本符合實(shí)際情況。

2 沙漠化動(dòng)態(tài)變化分析

2.1 沙漠化現(xiàn)狀

根據(jù)遙感影像解譯，1976、1992和2009年高臺(tái)縣沙漠化土地面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。2009年全縣沙漠化土地面積103726.85hm2，占土地總面積的 23.26%，其中輕度、中度、重度和嚴(yán)重沙漠化土地分別分別占沙漠化土地總面積的 9%、13%、11%和67%，沙漠化程度較高。沙漠化土地主要分布于北部荒漠區(qū)(巴丹吉林沙漠邊界地區(qū))，鹽池南部(明海沙漠北部)，駱駝城的西部和西北部(明海沙漠東部和東北部)，小海子風(fēng)沙口，南華鄉(xiāng)東部和西部，八壩、九壩、十壩、胭脂堡和橋兒灣風(fēng)沙口以及西沙窩風(fēng)沙口，1976、1992、2009年沙漠化空間分布情況見圖1。

表1 遙感影像沙漠化解譯標(biāo)志

表2 高臺(tái)縣各沙漠化類型土地面積 hm2

圖1 1976、1992、2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的空間分布

2.2 沙漠化動(dòng)態(tài)分析

參考土地利用動(dòng)態(tài)變化研究模型[6]，建立了沙漠化動(dòng)態(tài)度模型

式中:K為沙漠化動(dòng)態(tài)度，%，K＞0時(shí)沙漠化面積呈減少趨勢，K＜0時(shí)呈增加趨勢;Ua、Ub分別為研究起始年和結(jié)束年的沙漠化面積;T為研究時(shí)間，a。

利用式(1)計(jì)算3個(gè)時(shí)段(1976—1992年、1992—2009年、1976—2009年)各沙漠化類型的動(dòng)態(tài)度(年變化率)，結(jié)果見表3。從表3可以看出，33年來基本上輕度沙漠化土地變化率絕對值的年均值最大，重度次之，中度再次，嚴(yán)重最小，其中輕度和重度沙漠化土地面積呈減少趨勢，而中度和嚴(yán)重卻呈增加趨勢;1976—2009年間沙漠化動(dòng)態(tài)度為0.3，沙漠化土地總面積呈減少趨勢，嚴(yán)重沙漠化盡管變化率最小，但是由于基數(shù)大，增加的面積還是相當(dāng)可觀的(3171.2hm2)。

表3 高臺(tái)縣3個(gè)時(shí)段各沙漠化類型的動(dòng)態(tài)度 %

運(yùn)用Arc GIS軟件對研究區(qū)3個(gè)時(shí)段沙漠化空間分布圖進(jìn)行空間疊置分析，得到沙漠化類型轉(zhuǎn)化圖，進(jìn)而得到動(dòng)態(tài)演變的數(shù)據(jù)矩陣，見表 4。

表4 1976—2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的空間轉(zhuǎn)化 hm2

由表 2—4及其分析結(jié)果可知，研究區(qū)的沙漠化發(fā)展趨勢有如下特點(diǎn):①沙漠化土地總面積在減少，但嚴(yán)重沙漠化比例有所增加。1976—1992年，沙漠化面積減少了 5640.66hm2，1992—2009年又減少了 5719.42hm2，但1976—2009年間嚴(yán)重沙漠化土地面積增加了3171.20hm2，1976年嚴(yán)重沙漠化面積占沙漠化面積的 57.67%，到2009年已增長到67.04%。②沙漠化土地類型結(jié)構(gòu)變化明顯，存在兩極分化現(xiàn)象。1976—1992年和1992—2009年沙漠化土地面積的統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明:一是輕度和重度沙漠化土地面積明顯減少，中度和嚴(yán)重卻有所增加;二是輕度沙漠化土地比較脆弱，向其他類型轉(zhuǎn)化明顯，嚴(yán)重沙漠化土地比較穩(wěn)定，向其他類型轉(zhuǎn)化較少。③沙漠化土地?cái)U(kuò)展和逆轉(zhuǎn)同時(shí)存在。沙漠化逆轉(zhuǎn)主要體現(xiàn)在沙漠化總面積在逐步減少，1976—2009年共減少11360.08hm2;擴(kuò)展主要表現(xiàn)為嚴(yán)重沙漠化面積增加，研究區(qū)嚴(yán)重沙漠化土地占沙漠化土地的比例很大，從1976年到2009年共增加了3171.20hm2。④沙漠化內(nèi)部轉(zhuǎn)化復(fù)雜。1976—2009年，輕度沙漠化土地中有39.74%轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧衬恋?，同時(shí)分別有11.16%、4.66%和7.47%的面積向中度、重度、嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化;中度沙漠化土地中有13.15%轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧衬恋?，?.80%、4.81%和7.27%的面積向輕度、中度和嚴(yán)重沙漠化轉(zhuǎn)化;重度沙漠化土地中有23.01%向非沙漠化土地轉(zhuǎn)化，有13.5%和17.72%向嚴(yán)重、中度轉(zhuǎn)化;嚴(yán)重沙漠化土地向其他類型轉(zhuǎn)化的面積不大。⑤沙漠化空間變化差異顯著。北部荒漠無人區(qū)絕大部分都是嚴(yán)重沙漠化土地，沙漠化面積有擴(kuò)張趨勢，但總體變化不大。局部地區(qū)，西沙窩風(fēng)沙口沙化土地正逐漸吞噬周邊的鹽堿地，沙化面積明顯增加;在駱駝城鄉(xiāng)西部和西北部地區(qū)因土地開墾，沙漠化面積明顯減少;羅城鄉(xiāng)、鹽池鄉(xiāng)南部和黑泉鄉(xiāng)西部地區(qū)沙漠化土地與鹽堿地交錯(cuò)分布，沙漠化面積有所減少，沙漠化程度也有所減輕;南華鄉(xiāng)西部和東部沙漠化面積有所減少;小海子風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，但增加幅度不大;八壩、九壩、十壩、胭脂堡、橋兒灣風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，并有向北擴(kuò)張的趨勢。

2.3 沙漠化動(dòng)態(tài)變化過程模擬與預(yù)測

沙漠化動(dòng)態(tài)過程模擬與預(yù)測的目的在于掌握未來沙漠化的變化趨勢[7]。將馬爾柯夫轉(zhuǎn)移矩陣用于模擬沙漠化的時(shí)空演變過程，其轉(zhuǎn)移矩陣模型可表達(dá)為[8-9]

式中:Pij為沙漠化類型i轉(zhuǎn)化為j的轉(zhuǎn)移概率，1，i、j=1，2，…，n。

根據(jù)馬爾柯夫過程的后無效性及 Bayes條件概率公式，假設(shè)初始的系統(tǒng)狀態(tài)是 S(0)，經(jīng)轉(zhuǎn)移后的系統(tǒng)狀態(tài)為S(1)，則有:S(1)=S(0)P。根據(jù)高臺(tái)縣33年來各沙漠化類型的分布情況(表4)，得出沙漠化類型的轉(zhuǎn)移概率(表 5)。設(shè)定 2009年各種沙漠化類型的面積比為S(0)，借助馬爾柯夫過程的運(yùn)算程序，預(yù)測2042年的面積比 S(1)，見圖 2。

表5 1976—2009年高臺(tái)縣各沙漠化類型的轉(zhuǎn)移概率 %

預(yù)測結(jié)果顯示，到2042年研究區(qū)輕度沙漠化土地面積將占到土地總面積的1.35%、中度為3.15%、重度為1.52%、嚴(yán)重為15.90%、其他土地為78.08%。從圖 2可以看出:如果保持1976—2009年的變化速度，那么研究區(qū)在未來33年內(nèi)輕度和重度沙漠化土地面積仍將呈下降趨勢，但減少的趨勢會(huì)逐漸減緩，中度和嚴(yán)重沙漠化土地面積將繼續(xù)增加;沙漠化總面積占土地總面積的比例將從 2009年的 23.26%下降到2042年的21.92%，呈減少趨勢。上述結(jié)果說明，如果不采取有效措施扭轉(zhuǎn)沙漠化趨勢，那么高臺(tái)縣盡管沙漠化總面積呈減少趨勢，但嚴(yán)重沙漠化比例將越來越大，因此控制嚴(yán)重沙漠化土地的擴(kuò)張是防沙治沙的關(guān)鍵。

圖2 高臺(tái)縣未來33年沙漠化變化過程模擬

3 沙漠化驅(qū)動(dòng)因素分析

沙漠化是氣候、土地、生物三大系統(tǒng)平衡被破壞的結(jié)果，適宜的氣候是誘發(fā)條件，廣泛存在的沙源地是沙漠化的物質(zhì)基礎(chǔ)，而人類和社會(huì)的發(fā)展促進(jìn)了沙漠的不斷變化。本文擬從自然因素和社會(huì)因素兩個(gè)方面分析沙漠化的驅(qū)動(dòng)因素。

3.1 自然因素

自然因素主要包括氣候、水資源和土壤，其中以氣候因素最為活躍，影響也最大。氣候因素中的年均氣溫、降水量、蒸發(fā)量和風(fēng)力狀況與沙漠化的關(guān)系最為密切[10]。

一是氣候變化。目前研究區(qū)的平均氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)升高趨勢。從依據(jù)《高臺(tái)縣統(tǒng)計(jì)年鑒》提供的1976—2009年的年均氣溫和典型年降水量及蒸發(fā)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表6)可以看出，研究區(qū)年均氣溫由1976年的 7℃上升到2008年的 8℃，在1998年甚至超過了 9℃，表明當(dāng)?shù)啬昃鶜鉁刈兓瘦^顯著的上升趨勢;降水量分布年際變化大，但整體上有增加的趨勢;年蒸發(fā)量在 2000年以前總體呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢，之后又有所減少，比較來說年蒸發(fā)量的增長速度明顯高于年降水量的增長速度?？偨Y(jié)起來，研究區(qū)氣溫顯著升高，降水量波動(dòng)大、不穩(wěn)定，而蒸發(fā)量又持續(xù)偏高。因此，氣候因素對研究區(qū)沙漠化變化的影響主要表現(xiàn)在:在氣候干旱化的背景下，土壤蒸發(fā)量增大加劇了地面的裸露程度，進(jìn)而加速了土地沙漠化的進(jìn)程。同時(shí)，研究區(qū)風(fēng)害嚴(yán)重，共有3大風(fēng)沙口，東為小海子風(fēng)沙口，西為西沙窩風(fēng)沙口，北為八壩、九壩、十壩、胭脂堡、橋兒灣風(fēng)沙口，由于沙漠化土地分布廣，遇到大風(fēng)天氣，塵沙飛揚(yáng)，加之戈壁面積廣闊，表土極易吹失，有的地方1年內(nèi)吹失表土厚達(dá)10cm，綠洲內(nèi)部的非沙漠化土地也易遭受風(fēng)沙侵害。

二是水資源短缺。研究區(qū)水體來源主要是祁連山高山降水、冰雪融水及相應(yīng)形成的地表徑流，水量大部分集中在夏季，冬季則極其短缺，再加上河流的分布是固定的，高臺(tái)縣北部廣大荒漠區(qū)的土地開發(fā)受到限制。同時(shí)，近年來由于氣候變暖，祁連山雪線上移，河流來水銳減，據(jù)有關(guān)資料[11]，祁連山冰川局部地區(qū)的雪線正在以每年2～6 m的速度上升，有些地區(qū)的雪線年均上升12.5～22.5m。受其影響黑河來水逐年減少，2001年來水量僅為8.9億 m3，比有水文記載的 40年來的平均值14.3億 m3減少了 5.4億 m3。

表6 高臺(tái)縣年均氣溫、降水量及蒸發(fā)量的變化情況

三是土質(zhì)差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1999年高臺(tái)縣未利用土地面積占全縣面積的 75%以上，其中戈壁面積130400.3hm2，占全縣面積的 29.24%，鹽堿地面積15624.8hm2，占全縣面積的3.5%。加上植物很難生長的沙漠化土地，高臺(tái)縣本身易開發(fā)的土地面積就比較少，氣候條件又比較惡劣，這就為沙漠化的擴(kuò)張創(chuàng)造了條件。

3.2 社會(huì)因素

社會(huì)因素是高臺(tái)縣沙漠化變化的外在驅(qū)動(dòng)因素。影響高臺(tái)縣沙漠化變化的社會(huì)因素主要包括超載放牧、地下水的過度開采和其他社會(huì)因素3個(gè)方面。

一是超載放牧。高臺(tái)縣草地面積 2.07萬hm2，理論載畜量9.37萬個(gè)羊單位，1982年載畜量10.13萬只，超載放牧 8.11%，2003年載畜量達(dá)到18.85萬只，超載放牧101.17%，實(shí)際載畜量是理論載畜量的 2倍，屬嚴(yán)重超載放牧。尤其是小海子庫區(qū)，理論載畜量 2500只，而實(shí)際放牧 6000只左右，超載放牧140%[12]，長期的超載放牧，使草地不堪重負(fù)、嚴(yán)重退化。

二是地下水的過度開采。一方面，隨著退耕還林還草工程、開墾荒地以及耕地面積的擴(kuò)大，地表水資源供求緊張，原本用于澆灌林草地的地表水被用來澆灌耕地，導(dǎo)致草木枯死，形成荒漠;另一方面一些無地表水或地表水不足的地區(qū)，開墾荒地后采取打井提取地下水澆灌，無序開采導(dǎo)致地下水位迅速下降、干土層增厚、大量地表植物干旱死亡。據(jù)高臺(tái)縣水利局調(diào)查，近年來地下水資源的過度開采，使地下水位以每年40cm的速度下降。

三是其他社會(huì)因素。高臺(tái)縣出產(chǎn)甘草、麻黃、發(fā)菜等，由于濫挖濫采，植被遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致土地沙漠化。農(nóng)業(yè)灌溉方式落后，易形成耕地鹽漬化，作物不斷死亡也導(dǎo)致了土地沙漠化。草原鼠害對沙漠化也具有一定影響，鼠類不僅啃食植物根部，而且打洞致使地表裸露，嚴(yán)重破壞植被和影響牧草生長，導(dǎo)致植被蓋度下降。據(jù) 2006年統(tǒng)計(jì)結(jié)果，高臺(tái)縣草地鼠害面積達(dá)60200hm2。

4 結(jié) 語

(1)1976—2009年，高臺(tái)縣沙漠化土地的總面積在減少，但嚴(yán)重沙漠化面積有所增加。33年間，高臺(tái)縣共減少沙漠化面積11360.08hm2，其中輕度和重度沙漠化土地呈減少趨勢，中度和嚴(yán)重沙漠化土地呈擴(kuò)大趨勢，并且嚴(yán)重沙漠化土地?cái)U(kuò)張明顯，增加了3171.20hm2。

(2)高臺(tái)縣北部荒漠區(qū)的空間分布變化不大，具體來說，駱駝城鄉(xiāng)西部沙漠化面積減少明顯，西沙窩和小海子風(fēng)沙口沙漠化面積有所增加，八壩、九壩、十壩、胭脂堡和橋兒灣風(fēng)沙口沙漠化有向北移的趨勢，面積也呈增加趨勢。

(3)借助馬爾柯夫模型預(yù)測沙漠化的時(shí)空演變，結(jié)果表明:未來33年間高臺(tái)縣沙漠化面積會(huì)繼續(xù)減少，但減少幅度有所減緩，并且嚴(yán)重沙漠化面積仍將增加，到2042年將占到全縣面積的15.9%。

(4)高臺(tái)縣沙漠化變化的自然驅(qū)動(dòng)因素主要是氣溫升高導(dǎo)致的蒸發(fā)量增加，社會(huì)驅(qū)動(dòng)因素主要是超載過牧和對地下水資源的過度開采，雖然防沙治沙工作取得了顯著成效，但總體來說環(huán)境惡化的勢頭并沒有得到根本遏制。

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