齊雁冰，常慶瑞，劉夢云，劉京，陳濤

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

陜北農(nóng)牧交錯帶50年來土地沙漠化的自然和人為成因定量分析

齊雁冰，常慶瑞，劉夢云，劉京，陳濤

(西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌)

荒漠化的發(fā)生發(fā)展受自然及人為因素的共同作用，為了對自然及人為因素的貢獻進行定量化分析，以陜北農(nóng)牧交錯帶為研究對象，選擇該區(qū)1949—2000年7個自然和人為因子，運用主成分分析方法，對土地荒漠化過程中的自然與人為要素作用強度進行量化分析。結(jié)果表明:1)陜北農(nóng)牧交錯帶自1949年以來氣候呈現(xiàn)暖干、冷濕交替過程，而未來氣候?qū)⒅饾u趨于暖干，但平均風(fēng)速則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;人口和牲畜數(shù)量及工業(yè)總產(chǎn)值持續(xù)增長，人均耕地面積則持續(xù)下降，這些對荒漠化防治均是不利因素。2)在陜北農(nóng)牧交錯帶荒漠化的發(fā)展過程中，自然因素的貢獻率為13.06%，人為因素與自然因素綜合作用的貢獻率為73.51%。3)盡管自然及人為因素50年來的變化促進了荒漠化的發(fā)生發(fā)展，但自20世紀(jì)50年代開始的“三北防護林建設(shè)”和“退耕還林(草)工程”對阻止荒漠化的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。

沙漠化;自然因素;人為因素;定量分析;陜北農(nóng)牧交錯帶

在我國干旱半干旱地區(qū)，荒漠化自然發(fā)展的現(xiàn)象普遍存在。如河流灘地的自然風(fēng)蝕、流動沙丘前移、風(fēng)口植被的自然破壞等，均屬于自然成因的荒漠化［1］。自然成因的荒漠化包括:一是全球氣候變化異常，尤其是中緯度地區(qū)的氣候正朝著暖干方向發(fā)展，造成大尺度生態(tài)背景有利于荒漠化的發(fā)生;二是存在一些不利的自然因素，如氣候干旱、降水變率大、地表沙物質(zhì)豐富、地表植被蓋度低、土壤疏松易于流動等，尤其是強勁頻繁的起沙風(fēng)為荒漠化的發(fā)生提供了強大的動力［2］。但自然生態(tài)系統(tǒng)總是存在著一定的自我調(diào)節(jié)能力，當(dāng)生態(tài)系統(tǒng)受到輕微損傷時，會通過自然修復(fù)而保持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［3］。由于荒漠化在人類歷史時期，尤以近百年的發(fā)展為快［4］，自然條件的變化，主要是氣候的波動相對較小，不足以造成環(huán)境大的變化;而同期人口壓力的急劇增加和經(jīng)濟活動對環(huán)境的強烈干擾，是造成大面積生態(tài)惡化和荒漠化進一步發(fā)生發(fā)展的主要原因［5］。目前比較統(tǒng)一的認(rèn)識是在大的不利環(huán)境背景下，由于人口壓力持續(xù)增長和普遍采用濫墾、濫牧、濫櫵等粗放掠奪式生態(tài)經(jīng)營方式，造成植被破壞，荒漠化迅速發(fā)展［6］。

荒漠化處于發(fā)展與逆轉(zhuǎn)交替進行的過程中，近年來各國政府及學(xué)者對其成因，尤其是荒漠化過程中自然與人為因素的貢獻問題給予了充分的注意［6-10］。陜北農(nóng)牧交錯帶荒漠化土地是毛烏素沙地的一部分，該區(qū)是我國眾多荒漠化土地中水熱條件較好的地區(qū)，屬于農(nóng)業(yè)與牧業(yè)過渡地帶，原本是果香草豐的景觀;但由于歷史原因，這里農(nóng)業(yè)開發(fā)較早，特別是近代人為因素的干擾，天然植被破壞嚴(yán)重，成為我國現(xiàn)代荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一［10］。新中國成立以來，陜北農(nóng)牧交錯帶荒漠化呈現(xiàn)持續(xù)擴展的狀況，20世紀(jì)50年代進行自然綜合考察時陜北農(nóng)牧交錯帶荒漠化面積約40萬hm2，60年代約為60萬 hm2［10］。對研究區(qū) 1986、1993 和 2003 年遙感影像解譯的結(jié)果顯示［11］，這3個時期荒漠化面積分別為90萬9 683、92萬2 266和95萬5 990 hm2。筆者在對近50年(1949—2000年)來的人類經(jīng)濟活動和自然因素演化進行統(tǒng)計描述和指標(biāo)合成的基礎(chǔ)上，定量分析其人類經(jīng)濟活動和自然因素荒漠化之間的關(guān)系，其結(jié)果能為該區(qū)域開展社會經(jīng)濟活動以及制訂資源利用政策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于 E 107°35'～ 111°29'，N 37°35'～39°02'，地處陜西省北部，包括榆陽、神木、府谷、橫山、靖邊、定邊和佳縣，處于毛烏素沙漠南緣、陜北黃土高原北端(圖1)。土地總面積為361.36萬hm2。該區(qū)屬內(nèi)陸性半干旱氣候，多年平均氣溫7～9℃，無霜期短，降水量300～500 mm，集中在7—9月。地貌為毛烏素風(fēng)沙區(qū)向陜北黃土丘陵區(qū)的過渡地區(qū)，以風(fēng)成地貌為主，平均海拔為800～1 800 m。從東南到西北，地貌由黃土梁峁、黃土梁崗過渡到沙漠灘地。橫山以東地型走勢由西北向東南傾斜，橫山以西南高北低，地勢起伏平緩，沙丘綿延不斷，灘地、海子散布其間;西南部是黃土覆蓋的低山丘陵區(qū)，地面坡度較大;東北部為以梁為主的黃土丘陵，零星分布著流沙和裸露的基巖，地形破碎，水土流失強烈。植被從東南向西北由森林草原向干草原過渡，土壤主要為黃土和風(fēng)沙土。研究區(qū)土地利用方式在定邊、靖邊以干旱農(nóng)業(yè)為主，向東北過渡為榆林、佳縣、神木、府谷的半農(nóng)半牧區(qū)，是典型的農(nóng)牧交錯帶。

2 研究方法

在荒漠化影響因素定量分析中，主成分分析是最被廣泛采用的方法［12-14］，其突出的優(yōu)點是可以在關(guān)系錯綜復(fù)雜的多變量中找出影響它們的共同因素和特殊因素，從而用若干個數(shù)目較少的獨立新變量來表達所觀測、記錄的原始數(shù)據(jù)，取得良好的降維效果，同時用較少的變量指標(biāo)分析土壤荒漠化，簡化了分析因素，但又能反映盡量多的信息。為了便于與其他區(qū)域相比較，本次對陜北農(nóng)牧交錯帶土地荒漠化過程中自然與人為因素作用強度的定量分析也采用該方法。

圖1 陜北農(nóng)牧交錯帶的位置Fig．1 Location of the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

3 研究指標(biāo)選取

陜北農(nóng)牧交錯帶作為一個復(fù)雜的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，其沙漠化的發(fā)生發(fā)展受眾多因子的影響。荒漠化影響因子指標(biāo)的選取，雖然盡量考慮全面細(xì)致;但因子過多則工作量大且不易處理分析，同時許多因子數(shù)據(jù)不成系列不易調(diào)查獲取，且許多因子相關(guān)性極好，如人口數(shù)量與人口密度、耕地面積與耕地占地比例、牲畜頭數(shù)與每頭牲畜占有草場面積等，可選取其一為代表，因此，按照全面性、易得性和精簡性的原則，從土地沙漠化眾多影響因子中篩選出牲畜總數(shù)、人口數(shù)量、耕地面積、工業(yè)總產(chǎn)值、年平均氣溫、年降水量和年平均風(fēng)速7個影響因子作為分析因子。

選取的7個因子1949—2000年的數(shù)據(jù)均來自不同年份的榆林市統(tǒng)計年鑒［15］，各因子數(shù)據(jù)均是研究區(qū)7個縣的平均值。由于1978年以前一些年份的統(tǒng)計資料難以獲得，因此1949年到1978年僅統(tǒng)計了8年的數(shù)據(jù);但年份之間差異均不超過5年，對于分析結(jié)果影響不是很大，1978—2000年則是連續(xù)數(shù)據(jù)。不同年代荒漠化面積主要來自文獻［10］和［11］。

4 結(jié)果與分析

4.1 自然因素的變化特征

由圖2可以看出:1949—2000年，陜北農(nóng)牧交錯帶平均氣溫為8.9℃，但表現(xiàn)出在經(jīng)歷了20世紀(jì)70年代后半期和80年代初的低值期后，開始逐漸升高，進入90年代以后升高加快;50年來的多平均降水量為383 mm，其過程則呈拋物線型，從50年代開始逐漸升高，80年代末90年代初達到最高，進入90年代后期則逐漸下降。對溫度和降水資料進行多項式擬合分析，得到年均溫和年降水量的趨勢變化項T(t)和P(t):

式中:t=1，2，…，n(年序號)對應(yīng)1952 年，1957 年，…，2000年。利用上式計算的未來幾年趨勢值繪于圖2。從實際的水熱組合看，20世紀(jì)50—70年代為暖溫氣候，70—90年代為暖濕氣候，進入90年代之后呈現(xiàn)出暖干氣候，但在60—80年代表現(xiàn)出劇烈變化，大致呈現(xiàn)暖干、冷濕交替出現(xiàn);因此可以預(yù)測，研究區(qū)未來氣候逐漸趨于暖干，更加有利于荒漠化的發(fā)生和發(fā)展。

圖2 陜北農(nóng)牧交錯帶歷年平均氣溫、降雨量及其趨勢擬合圖Fig．2 Annual temperature and precipitation trends during 1949 to 2000 in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

研究區(qū)平均風(fēng)速為2.25 m/s，自新中國成立以來呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖3)，對于荒漠化的逆轉(zhuǎn)十分有利，這得益于研究區(qū)自20世紀(jì)50年代的大規(guī)模植被恢復(fù)工程，如建設(shè)“三北防護林”等，但進入20世紀(jì)90年代之后又有所提高，則主要由于研究區(qū)自80年代末開始的大規(guī)模礦產(chǎn)資源開發(fā)對地表植被的破壞［11］。

4.2 人為因素的變化特征

近50年間，陜北農(nóng)牧交錯帶的人口總數(shù)由68.98萬增至212.99萬(圖4)，人口密度從1949年的26.94人/km2提高到2000年的76.10人/km2，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過聯(lián)合國規(guī)定的20人/km2臨界值。牲畜數(shù)量自新中國成立以來也呈現(xiàn)持續(xù)增長狀態(tài)，較新中國成立初期增加了近2倍。耕地總面積則呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)，2000年較1949年減少了近15萬hm2。人口和牲畜數(shù)量的增加對區(qū)域資源環(huán)境造成更大的壓力，對荒漠化的治理產(chǎn)生不利的影響。

圖3 陜北農(nóng)牧交錯帶1949—2000年平均風(fēng)速變化Fig．3 Wind speed during 1949 to 2000 in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

圖4 人口、家畜數(shù)量和耕地面積變化情況Fig．4 Population，livestock and cultivated land area during 1949 to 2000 in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

從圖5可以明顯看出，近50年來，陜北農(nóng)牧交錯帶工業(yè)總產(chǎn)值迅速增長，從1949年的359萬元增至2005年的326.48億，增長上萬倍，特別是進入20世紀(jì)90年代以來，地下煤、石油和天然氣等礦產(chǎn)資源的開發(fā)，工業(yè)產(chǎn)值迅速增長，已經(jīng)成為陜西省名副其實的富裕地區(qū)。礦產(chǎn)資源的開發(fā)，表面上看只是對礦藏周圍土地的破壞，對荒漠化的發(fā)生發(fā)展沒有明顯影響，而且相關(guān)分析表明，工業(yè)產(chǎn)值的增長與荒漠化土地面積的增長并不具有十分明顯的相關(guān)關(guān)系［9］;但實際上，煤炭、石油和天然氣等礦產(chǎn)資源的開發(fā)必然伴隨著對環(huán)境的破壞和對資源環(huán)境壓力的加大。煤炭、石油和天然氣資源的開發(fā)，伴隨著耕地和林地資源的占用，煤塵的污染伴隨著對環(huán)境的污染，從而導(dǎo)致耕地的棄耕及植被的破壞。資源的外運必然導(dǎo)致道路的擴建，伴隨著耕地和植被的破壞，植被覆蓋度下將。這些資源的開發(fā)，必然導(dǎo)致一些輕工業(yè)的發(fā)展，比如化工、玻璃等等，又會占用大量的耕地。很顯然，資源的開發(fā)表面上是點源的利用，但實際上伴隨其而產(chǎn)生的是面源的利用，從而對荒漠化的發(fā)生發(fā)展提供有利的條件。

圖5 陜北農(nóng)牧交錯帶1949—2005年工業(yè)總產(chǎn)值變化Fig．5 Industrial output during 1949 to 2005 in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

4.3 荒漠化變化與自然和人為因素變化的相關(guān)性

20世紀(jì)50年代以來荒漠化面積變化與自然及人為因素變化的相關(guān)性表明，自然及人為因素對荒漠化面積變化均具有極顯著(年均降雨量、年平均氣溫、人口數(shù)量、耕地面積、工業(yè)總產(chǎn)值)或顯著(年平均風(fēng)速、牲畜總頭數(shù))影響(表1)，表明陜北農(nóng)牧交錯帶50年代以來荒漠化發(fā)生受自然及人為因素的共同作用。其中年平均風(fēng)速和年均降雨量與荒漠化面積變化呈負(fù)相關(guān)，表明年平均風(fēng)速的降低對荒漠化的發(fā)生具有緩解作用，而年降雨量的減少則意味著氣候的干旱，利于荒漠化的進一步發(fā)展。

表1 陜北農(nóng)牧交錯帶50年代以來自然因素與人為因素與荒漠化面積的相關(guān)性Tab．1 Correlation of desertified land area and natural and human activity factors in northern Shaanxi Province in the near fifty years

4.4 自然和人為因子的定量分析

選取1949—2000年的牲畜總頭數(shù)(X1)、人口(X2)、耕地面積(X3)、工業(yè)總產(chǎn)值(X4)、年平均氣溫(X5)、年均降水量(X6)、年平均風(fēng)速(X7)進行荒漠化自然與人為因子的定量分析，其中X1～X4代表人為因子，X5～X7代表自然因子，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后輸入計算機，運行DPS軟件，調(diào)用主成分分析，得到所選因子的特征根及特征向量、貢獻率、累計貢獻率、因子負(fù)荷量等，結(jié)果如表2所示。

表2 特征根及特征向量Tab．2 Eigenvalue and eigenvector

由于前3個主成分累計貢獻率為86.58%＞85%，故取前3個主成分:

從Z1、Z2、Z3的因子載荷上看，第1主成分Z1主要綜合反映了X1(牲畜總頭數(shù))、X2(人口數(shù)量)、X3(耕地面積)、X7(年平均風(fēng)速)的變異信息(絕對值在0.4以上)。這些因素既有自然因素又有人為因素，反映荒漠化的發(fā)生發(fā)展是人為因素與自然因素綜合作用的結(jié)果;但以人為因素的作用最大，其中人口數(shù)量的增加和耕地面積的減少是最主要的原因。第2主成分Z2主要綜合反映了X4(工業(yè)總產(chǎn)值)、X5(年平均氣溫)和X6(年降水量)的變異信息(絕對值在0.48以上)，同樣為自然因素和人為因素的綜合作用，但以自然因素的作用為主。第3主成分Z3主要綜合反映了X5(年平均氣溫)的信息，為自然因素。

從主成分因子的信息貢獻看，第1～3主成分可解釋的總信息量的比例分別為52.64%、20.87%和13.06%，其貢獻能力逐漸降低。根據(jù)對表2的分析，在陜北農(nóng)牧交錯帶荒漠化發(fā)展過程中，人為因素與自然因素綜合作用的貢獻率為73.51%，自然因素作用的貢獻率為13.06%。

5 結(jié)論與討論

陜北農(nóng)牧交錯帶沙漠化的發(fā)生發(fā)展受自然及人為因素的共同作用，氣候變化表現(xiàn)為干暖化的趨勢，人口、牲畜數(shù)量的增加及礦產(chǎn)資源開發(fā)帶動的工業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展均對荒漠化的發(fā)生發(fā)展具有促進作用，自然因素的貢獻率為13.06%，人為因素與自然因素綜合作用的貢獻率為73.51%，而對荒漠化影響較大的因素包括人口數(shù)量的增加和耕地面積的減少。

在20世紀(jì)70年代之前，部分學(xué)者［9］認(rèn)為荒漠化是自然因素主導(dǎo)下發(fā)生發(fā)展的，人為因素僅起到一個推動作用，而更多的學(xué)者［12-14，16-17］認(rèn)為現(xiàn)代荒漠化的發(fā)生發(fā)展是在自然和人為因素共同作用下形成的，其中人為因素的作用則明顯高于自然因素。表3示出幾個典型區(qū)土地荒漠化自然與人為因素作用的貢獻率，可以看出，與研究區(qū)所得的結(jié)果相似，除藏北高原由于人口稀少人為因素貢獻率較低之外，其余區(qū)域均是人為因素在荒漠化的發(fā)生發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位。這是由于這些區(qū)域也通常處于農(nóng)牧業(yè)區(qū)域，生態(tài)本底比較脆弱，人口密度相對較大，人為活動強烈，經(jīng)濟上屬于農(nóng)牧交錯地帶，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的變動比較頻繁有關(guān)。

表3 幾個區(qū)域土地荒漠化自然與人為因素的貢獻率Tab．3 Contribution of the anthropogenic and natural factors in some regions

我國政府很早就認(rèn)識到農(nóng)牧交錯帶荒漠化的危害，并采取積極主動的防治措施。近些年我國政府在農(nóng)牧交錯帶實施了2項防治荒漠化的措施，分別為“三北防護林建設(shè)”和“退耕還林(草)工程”，這些人工措施對于荒漠化的發(fā)生發(fā)展起到了關(guān)鍵的阻止作用。

農(nóng)牧交錯帶是現(xiàn)代土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)，也是生態(tài)恢復(fù)重建工作開展較早、重點建設(shè)的區(qū)域。20世紀(jì)50年代以來，進行了大規(guī)模的以植樹種草和飛機撒播為主要措施的“三北防護林建設(shè)”，特別是“七·五”開始，國家啟動了一系列植樹造林、防風(fēng)治沙工程，取得舉世矚目的成就。植被重建對保護水土資源，防止生態(tài)衰退、土地荒漠化擴展發(fā)揮了重要作用。據(jù)賈科利等［18］在本區(qū)的研究，1986—2003年，研究區(qū)荒漠化土地向東南方向擴展，但荒漠化總面積減少了206萬6 551.2 hm2，其中9萬3 750 hm2荒漠化土地得到控制，1萬hm2沙地轉(zhuǎn)變成農(nóng)田，9萬4 000 hm2轉(zhuǎn)變成林地，4萬hm2轉(zhuǎn)變成草地。

1998年開始，我國開始在西部實施“退耕還林(草)工程”，在研究區(qū)大面積不適宜于農(nóng)業(yè)耕種的農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)榱值鼗虿莸兀@樣可以降低人為耕種對地表的強烈影響，從而更有利于荒漠化土壤的逆轉(zhuǎn)。

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Quantitative analysis of natural and anthropogenic effect on sandy desertification in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province in the near fifty years

Qi Yanbing，Chang Qingrui，Liu Mengyun，Liu Jing，Chen Tao
(College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi，China)

Desertification is a complicated process affecting by variety of natural conditions and human activities．In order to analyze the function of natural and human activity in desertification process，the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province was selected as a case study area．By employing principal component analysis method，the seven factors during 1949 to 2000 were chosen，including temperature，precipitation，wind speed，population quantity，livestock quantity，cultivated land area and industrial gross output，to analyze the intensity of nature and human activity factors quantificationally．The results showed that:1)Predictions call for the climate to become increasingly warmer and drier over the next several decades．The average wind speed decreased during the period．The population，livestock populations and gross industrial output increased significantly from 1949 to 2000，but the per capita cultivated land decreased significantly in the same period;2)In the desertification process，nature factors contributed to 13.6%，and human activity combining with nature factors contributed to 75.31%in the agro-pastoral transitional zone of northern Shaanxi Province;3)Fortunately，local officials have recognized the negative effects of desertification and paid more attention to controlling desertification．Planting shrubs to improve vegetation coverage is the main approach used for desertification control．Two projections have been applied to the agro-pastoral region of northern Shaanxi Province to control desertification:the“Three North Shelterbelt Program”and the“Grain-for-Green Project”．

sandy desertification;nature factor;anthropogenic factor;quantitative analysis;the agropastoral transitional zone of northern Shaanxi Province

2011-03-01

2011-07-23

項目名稱:教育部博士點基金“陜北能源化工基地高污染風(fēng)險區(qū)土壤地球化學(xué)壘研究”(20090204120036);國家自然科學(xué)基金“黃土高原植被恢復(fù)對有機碳影響機理及其碳儲量估算研究”(30872073)

齊雁冰(1976—)，男，副研究員。主要研究方向:資源環(huán)境與信息技術(shù)。E-mail:ybqi@nwsuaf．edu．cn。

(責(zé)任編輯:程 云)