黃河中游地區荒漠化變化特征及影響因素

李紅超，孫永軍，李曉琴，畢二平

(1．中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083;2．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

荒漠化是當前全球廣泛關注的重大環境問題之一，對人類生存和發展構成極大威脅。根據荒漠化發生因素可將其劃分為風蝕荒漠化(即沙質荒漠化或沙漠化)、土壤鹽漬化、凍融荒漠化、石漠化和紅漠化等類型。在各種荒漠化類型中，我國西北地區沙質荒漠化分布最為廣泛，危害也最大，因此研究也較為深入。早期，國內外關于荒漠化的研究主要集中在等級劃分、危險度評價、動態監測及影響因素的調查分析等幾個方面［1－4］。近年來，遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)等技術的迅速發展和其具有便于宏觀、動態監測研究的優勢，在荒漠化的調查研究中已受到越來越多學者的重視［5－8］。但大多關于荒漠化的研究，都采用分辨率較低的遙感圖像，監測時間跨度小，研究區域的整體性較差。

黃河中游地區荒漠化問題十分突出，受到全球氣候變化以及亞洲季風系統的影響，生態環境十分脆弱，干旱化趨勢不可逆轉。如果不加強監測與治理，荒漠化情況將會繼續惡化，這必將嚴重威脅到社會穩定和人類的生存發展。有許多部門和學者對此進行過研究和探討［9－10］，但缺乏對整個中游地區的動態分析。

因此本文選取黃河中游為研究區，利用Landsat MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的4期時間跨度較大的遙感圖像為數據源，結合實地調查，獲取了黃河流域1975—2007年土地荒漠化動態變化信息，并利用SPSS軟件中的因子分析模塊對影響荒漠化的因素進行了定量分析，以期為該區域土地荒漠化的監測與防治提供科學依據。

1 研究區概況

研究區范圍以全國生態地質環境遙感調查與監測項目提供的黃河流域荒漠化遙感解譯變化統計圖為基礎，以黃河河道和黃河流域為邊界。同時為了將黃河中游地區的毛烏素沙地及周邊地區作為一個整體進行研究，圈定了 E 107°～112°30'，N 37°30'～39°20'范圍為研究區(圖1紅線范圍)，包括內蒙古自治區南部、陜西省北部及寧夏回族自治區的東北部地區。

圖1 研究區位置示意圖Fig．1 Sketch map of study area location

研究區內地表水資源稀少，區內以流動和半流動沙丘、固定和半固定沙丘為主的風沙地貌廣泛發育，植被以干旱草原、草甸草原為主，土地退化嚴重［11］。由于該區氣候干燥、冷熱劇變、大風頻繁、日照強烈［12］，同時加上地表物質抗風蝕能力差、易沙漠化、原有沙地面積大等特征，荒漠化情況十分嚴峻。因此，對該區沙漠化發展程度作出分析和評價，將有助于對該區的自然環境進行治理與防護。

2 數據源與研究方法

研究數據包括MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的遙感圖像;全國生態地質環境遙感調查與監測項目提供的1975年、1990年、2000年、2007年4期荒漠化遙感解譯變化統計圖、地貌統計圖;由中國國家氣象局網站提供的1975—2007年的氣象資料;由內蒙古自治區統計局編撰的內蒙古自治區多年統計年鑒。

數據處理與分析基于ENVI和MapGIS軟件平臺。所有遙感圖像數據經過幾何糾正、融合、鑲嵌和分幅等處理;以人機交互解譯為主的解譯方法，結合野外的現場勘查，經過分析判斷、修改補充和整理，提取各期荒漠化信息;最后利用圖像處理軟件和GIS軟件的空間分析技術提取黃河中游荒漠化變化信息，并對其進行分析。

結合研究區的實際情況及現有數據，著重分析地貌對荒漠化的影響，同時利用主成分分析法定量研究人類活動和氣候等自然因素在荒漠化發展過程中所起的作用。本文選用SPSS軟件中主成分分析程序對荒漠化進程的影響因子進行定量分析。影響荒漠化的因素可以歸納為人為因素和氣候因素。不同因素對土地荒漠化的驅動力F［13］可表示為

式中:m為提取成分個數;h代表人為因素(或氣候因素)的成分個數;λi與λj為特征根貢獻百分率。

3 荒漠化變化特征

3．1 面積的總體變化特征

統計結果顯示，研究區總面積為19．7萬km2，土地荒漠化非常嚴重，以輕度和中度的沙質荒漠化(以下簡稱沙化)為主。32 a來土地荒漠化面積均超過了研究區總面積的60%，其中沙化面積均超過研究區總面積的55%。鹽堿荒漠化(以下簡稱鹽堿化)占研究區總面積的3%左右，主要分布在沙化的邊緣、干涸的鹽堿湖周圍和地下水礦化度較高、易于鹽堿化發生的地區［14］。32 a間研究區內不同類型的荒漠化面積統計如表1所示。

表1 1975—2007年不同類型荒漠化面積統計Tab．1 Area statistics of different desertification types from 1975 to 2007 (103 km2)

從變化速度上看，2000年是沙化變化的一個轉折點，1975—2000年沙化面積以48．8 km2/a的速度遞增。而在2000—2007年的7 a間，沙化得到緩解，面積由 11．922萬 km2減少到 11．557萬 km2。而在1975—2007年間，鹽堿化面積以47．19 km2/a的速度逐年遞增。

3．2 不同程度的荒漠化變化特征

荒漠化等級劃分參考“全國沙化和荒漠化監測技術規定”中土地沙化和鹽漬化程度分級方案，結合研究區實際情況和遙感數據的信息提取能力，將土地沙化和鹽堿化程度分為輕度、中度、重度3個級別［15］。上文分析得出32 a來荒漠化的趨勢為:沙化的總面積變化為先增加后減少，鹽堿化逐年遞增。但同一類型、不同等級的荒漠化變化是不同的，具體統計結果如圖2所示。

圖2 不同等級荒漠化面積變化Fig．2 Area change of different desertification levels

由圖2可以看出，1975—2007年的32 a間，不同程度的沙化變化情況是不同的，但總體上輕度沙化的面積出現大幅度減少的現象，共減少了6 060 km2。沙化中度和重度的面積出現不同程度的增加，分別增加了2 214 km2、1 143 km2。可見，該區荒漠化程度有加重趨勢，其中輕、中、重度鹽堿化面積均逐年增加，盡管變化幅度不大，但是鹽堿化的發生使土壤肥力降低、植被退化，這將進一步刺激沙化的擴張。

4 荒漠化變化的影響因素

荒漠化變化的原因是多方面的。從總發展情況來看，荒漠化與自然因素有直接根本的聯系。而從人類歷史和近代荒漠化發展趨勢來看，人類活動對荒漠化的發展也起著不可忽視的作用［16］。

4．1 地貌因素

4．1．1 地貌類型與分布

地貌是荒漠化發生的最基本的自然地理要素之一，不同的地貌類型對荒漠化的發生、發展起到的作用也不盡相同［17］。研究區內地貌類型按成因分有:①構造地貌包括斷(拗)陷堆積平原、褶斷侵蝕山地丘陵、褶斷侵蝕高原山地、褶斷侵蝕高原平原;②風成地貌包括風積平原和風蝕地貌;③流水地貌包括河谷地貌和湖沼濕地。地貌類型的分布情況見圖3。

圖3 地貌類型分布情況Fig．3 Distribution of geomorphic types

研究表明:研究區中部以風積平原為主，占該區總面積的34．7%。四周廣泛分布著褶斷侵蝕山地丘陵、褶斷侵蝕高原山地、褶斷侵蝕高原平原等構造地貌類型，分別占研究區總面積的17．69%、18．75%、12．2%。在黃河河道附近的地貌類型主要有河谷地貌和湖沼地貌，二者占研究區總面積的2．67%。

4．1．2 地貌與荒漠化的相關性

地貌形態的差異影響著區域水文氣象和生態條件。構造地貌所形成的山系控制著荒漠化的發育與演化。受到地貌影響的土地分布類型及特性，地表物質等決定了區域抵抗風蝕、抵御風搬運能力的大小，也決定了地表被搬運的松散物成分和數量。圖4為2007年研究區內沙化及鹽堿化分布情況。

圖4 2007年沙化及鹽堿化分布情況Fig．4 Distribution of desertification and salinization

為了進一步統計荒漠化變化情況，表2中列出了不同地貌類型上32 a間不同程度的沙化及鹽堿化變化情況。從表2可見，風成地貌類型有超過85%的土地面積被沙化;構造地貌上的荒漠化程度受到地形及其位置的影響，其中地勢較低并位于研究區西部的地貌類型(褶斷侵斷山地丘陵、斷(拗)陷堆積平原)上荒漠化程度較嚴重，超過了50%;而流水地貌類型上由于水源相對充足，荒漠化進程相對緩慢，風沙危害相對較弱［18］。由于研究區內整體環境條件惡劣，流水地貌上沙化面積占了55%，但在32 a間，只有中度沙化面積有增加，輕度、重度沙化和鹽堿化面積均呈減少趨勢。

表2 不同地貌類型上荒漠化面積變化Tab．2 Desertification area change of different geomorphic types

湖沼濕地11．3 11．4 11 －2 3 45

不同程度荒漠化的變化在不同地貌類型上的變化沒有明顯規律，總體上處于中度沙化有所緩解，輕重度沙化持續加重的趨勢。由此推知，地貌類型主要控制了荒漠化的分布，為荒漠化發展提供有利條件，但是未在短短的32a間對研究區荒漠化的變化表現出顯著而直接的影響。

4．2 人為因素及氣候因素

由于受青藏高原隆升、全球氣候變化以及亞洲季風系統的影響，西北地區的干旱化趨勢是研究區較長歷史時期內荒漠化發生、發展的決定性因素［19］。在過去100 a中，全球平均氣溫上升了0．6℃。預計到2050年我國大部分地區將增暖0．5～1．0℃，年降水量也會有所減少，即未來我國氣候呈變暖變干趨勢。而我國西北廣大地區與東部相比將會更暖、更干［20］。這無疑對我國西北廣大地區生態環境帶來更加不利的影響。

除了氣候十分惡劣的區域的自然荒漠化以外，黃河中游地區大多數荒漠化均是首先由人類活動引發的，而后在外營力的作用下發展。氣候未發生變化的條件下，當下墊面受到人類干擾，表層穩定性發生變化時，如植被的退化、草地的開墾、沙丘的移動，都會誘發荒漠化或加劇其進程。也就是說，人類活動無意中協助風力打破了土壤表層較脆弱的穩定，加速了荒漠化發生過程。

為了準確評估人類活動和氣候變化對研究區荒漠化的影響，本文采用SPSS軟件中的主成分分析法，定量評價人為因素和氣候因素在荒漠化發展中起到的作用。

4．2．1 主成分分析指標選取

通過對一些學者在不同地區荒漠化影響因素研究成果［21－22］的分析，并根據研究區社會經濟活動中資源利用特征，考慮到數據可獲性和時間的一致性，選取了對荒漠化影響較大的總人口數、造林面積、年末耕地面積、大牲畜頭數等人為指標，及年均溫度、年平均相對濕度和平均年降雨量等氣候指標來分析研究區荒漠化的影響因素。

4．2．2 荒漠化影響因素討論

對原始數據經過零均值標準化處理后，用SPSS軟件的主成分分析程序直接得出總方差解釋表和主成分與影響因子對應表，其中因子提取根據數學理論以累積貢獻率大于85%為基準要求。在表3中，第1，2，3 主分量的特征根分別為 3．351，1．987，1．121，其涵蓋了整個變量信息的92%，因此取這3個主分量用于解釋荒漠化的影響因素是可靠的。

從表4中可以看出，第1主分量主要是總人口數、年末耕地面積和大牲畜頭數，皆屬于人為因素指標。說明該地區人口壓力的增加和農牧業發展對荒漠化有加速作用。隨著人口的增加，對資源的需求越來越多，過度放牧，開荒種田等掠奪式的發展方式引起荒漠化的加劇和生態惡化。第2主分量與平均年降水量和平均相對濕度關系較密切，屬于氣候因素。第3主分量主要是年均溫度，亦屬于氣候因素。

表3 總方差解釋Tab．3 Total variance explained

表4 主成分載荷矩陣Tab．4 Component matrix

獲取了成分結構的組成情況后，依據各主成分的方差貢獻率，按式(1)計算人為因素和氣候因素對土地荒漠化的貢獻率。結果表明，該地區荒漠化發展中人為因素占52%，氣候因素占48%，說明研究區荒漠化的短期發展中受到當地惡劣的氣候因素與逐漸增加的人類活動的共同影響。此外通過對原始數據的分析發現，造林面積與總人口數、年末耕地面積和大牲畜頭數的相關性均很差，表明當地造林面積并沒有根據人口數量和農牧業的發展而做出適當的調整，人的主觀能動性沒有得到充分發揮。研究區氣候因素的相對變化很小，但是人為因素時時都在發生改變。通過分析發現，盡管當地人為因素并不是影響荒漠化發展的最突出的影響因素，但是為了克服當地惡劣的自然條件，人們應當積極采取措施治理荒漠化。在第1主分量中，高載荷指標為總人口數和年末耕地面積，所以在荒漠化治理中人為因素的宏觀調控應主要從這2方面入手，在嚴格執行相關的國家政策和控制人口數量的同時，采取有效措施防治過度墾荒，合理安排農業生產活動。與此同時，還應采取積極的態度進行合理放牧、保護植被和植樹造林等。

5 結論與建議

本文采用4期遙感圖像提取了黃河中游地區荒漠化信息，分析統計了32 a間黃河中游地區荒漠化的變化情況，并對荒漠化的變化與地貌因素、人為因素和氣候因素的關系進行了定量分析。結果表明:①近年來局部地區荒漠化有所緩解，2007年的荒漠化總面積較1975年減少了2．43×103km2;②但總體形勢依然嚴峻，荒漠化面積超過研究區總面積的60%;③風成地貌類型上的荒漠化最嚴重，占研究區總面積的43．1%，且荒漠化的治理難度最大;④在較長的時間范圍內，易荒漠化的地貌類型及研究區所處的氣候類型是荒漠化發生的最主要原因;⑤短期內，荒漠化發展中人為因素的影響占52%，氣候因素的影響占48%，相對惡劣的氣候條件和不斷增強的人類活動共同影響著當地荒漠化的發展。

盡管當地人類活動并不是影響荒漠化發展的最突出的因素，但是為了克服當地惡劣的自然條件，人們應當積極采取措施治理荒漠化，積極協調與自然的關系，植樹造林，合理放牧，在發展經濟建設的同時保護環境，實現人與自然的和諧共處。

本文在分析荒漠化發展的影響因素時，選取的人為因素和氣候因素還不盡完善，有些重要因素也未被列入分析范圍，如地下水資源量、土壤肥力和農作物產量等。對這些因素還有待今后更全面系統地分析。

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