中亞1999—2012年間土地退化強度與趨勢分析

匡薇， 馬勇剛， 李宏， 劉超

(1. 新疆維吾爾自治區遙感中心，烏魯木齊 830011； 2. 新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局信息中心， 烏魯木齊 830011； 3.中國科學院新疆生態與地理研究所，烏魯木齊 830011； 4.新疆大學資源與環境科學學院，烏魯木齊 830046； 5.新疆維吾爾自治區地質調查院，烏魯木齊 830000)

0 引言

土地退化是指土地受到人為因素或自然因素或2種因素綜合的干擾、破壞，內部結構與理化性狀發生改變，逐步減少或失去原有綜合生產潛力的演替過程[1]。在漫長的社會發展過程中，人類通過各種途徑改善土地的質量，但土地退化現象仍頻繁出現，屢見不鮮[2-5]。有關研究數據顯示，從極為干旱地區到亞濕潤地區，正在退化的土地約占土地總面積的22%[6]。中亞地處干旱地區，由于氣候和人類活動影響，土地退化現象相當嚴重。因此，對中亞地區土地退化進行強度和趨勢評估，分析土地退化時空變化和驅動因素，對于掌握該地區土地退化現狀和開展科學治理工程具有重要意義。

與傳統方法相比，遙感技術以其獲取信息速度快、周期短、面積廣等優勢已成為大尺度土地退化評價的重要手段之一。土地退化的強度可以通過植被指數來衡量，植被減少或增加的趨勢是土地退化處于加劇或改善過程的反映。國內外學者主要選擇歸一化植被指數(normalized difference vegeration index,NDVI)或凈第一性生產力(又稱凈初級生產力，net primary production,NPP)作為土地退化的衡量標準。由于NPP計算方法復雜，因而NDVI以其方法簡單的優勢被大多數學者所使用[7-11]。分析的方法有很多，如徒手法、簡單移動平均值法、加權平均值法和最小二乘法[12-13]等。如Stefanie，Camberlin和Weiss分別采用坡度、相關系數法、回歸分析法來分析土地退化的趨勢，但是這些方法要么沒有歸一化，要么沒有對結果進行顯著性檢驗[14]。

本文采用Theil-Sen[15-16]提出的中值斜率估計法估算土地退化的強度，并結合Mann-Kendall[17-23]的非線性趨勢估計方法進行土地退化趨勢檢驗。由于中亞地區相對高差大，人類活動多數集中在高程低于2 000 m的區域。所以，本文還將統計各高程段土地退化的情況，以此分析人類活動對土地退化的影響。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

中亞即亞洲中部地區，包括哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、吉爾吉斯斯坦、土庫曼斯坦、塔吉克斯坦和中國新疆等地區，見圖1。面積約566.69萬km2。

圖1 中亞地區示意圖

中亞地處亞歐大陸中部，距海較遠。河流多為內流河，外流河有額爾齊斯河等。湖泊多為內流湖，西部瀕臨世界最大的內流湖——里海，中部有咸海。中亞地勢東高西低，地形以平原與丘陵為主。在塔吉克斯坦帕米爾地區、吉爾吉斯斯坦西部西天山地區以及中國新疆維吾爾自治區東天山和昆侖山地區山勢陡峭，海拔在4 000～5 000 m。中亞氣候大部分為溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱，氣溫年較差與日較差大，降水稀少。植被以草原植被和荒漠植被為主。

1.2 數據源

本文使用的SPOT-Vegetation數據(SPOT VGT)[24]下載自VITO網站(http: //free.vgt.vito.be)，時間跨度為19990101—20121221。Vegetation傳感器于1998年3月由 SPOT4 搭載升空，從1998年4月開始主要由瑞典的Kiruna地面站負責接收用于全球植被覆蓋觀測的SP0T-VGT數據，法國Toulouse圖像質量監控中心負責圖像質量并提供相關參數(如定標系數)，比利時VITO研究所的圖像處理與存檔中心負責全球Vegetation數據的存檔和按用戶訂單提供數據。

本文采用的VGT—S(synthesis)產品是經過大氣校正的地表反射率數據，并運用多波段合成技術獲得l km分辨率的歸一化植被指數數據集。該數據集包含每10 d合成的4個波段的光譜反射率及最大化的NDVI數據集(S10)。SPOT源數據的預處理包括大氣校正、輻射校正和幾何糾正，并將10 d最大化合成的NDVI 數據中-1～-0.1的值設置為-0.1，再通過

YDN=(JNDVI+0.1)/0.004

(1)

將NDVI轉換為0～250的YDN值。式中：JNDVI為逐旬合成并經過重新定義的NDVI數據；YDN為經過公式轉換形成的與NDVI對應的值。

1.3 研究方法

1.3.1 Theil-Sen斜率估計

Theil-Sen斜率(TSSlope)估計是一種非參數估計法，用于估計長時間序列數據的變化率，在本文中用于表征土地退化強度。通常TSSlope估計的顯著性通過Mann-Kendall顯著性檢驗，其表達公式為

(2)

式中： median表示中位數函數；xj,xi為序列數據；tj,ti為對應的時間序列數據，序列長度為n，i0時表示上升趨勢，反之，TSSlope<0表示下降趨勢； |TSSlope|值越大表示上升或下降的強度越大。

1.3.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall是一種非參數統計檢驗方法，最初由Mann在1945年提出，后由Kendall和Sneyers進一步完善，在長時間序列數據的趨勢檢驗和分析中得到了廣泛應用。其優點是不需要遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算比較方便。其統計檢驗方法為

(3)

(4)

(5)

式中： sign為符號函數；Z為標準化后的檢驗統計量；S為檢驗統計量；xj,xi為序列數據；n為序列長度。當n≥8時，S近似為正態分布，其均值E(S)和方差Var(S)為

(6)

Z為標準正態分布，是按時間序列(x1,x2,…,xn)計算出的統計量序列。對于給定顯著性水平α，如果|Z|>Z1-α/2(Z1-α/2為在顯著水平α下標準正態分布表對應的值)，表明沒有變化趨勢的假設被拒絕，序列存在著明顯的變化趨勢；Z>0表示增加趨勢;Z<0表示減少趨勢; |Z|≥1.28，1.64，2.32時表示分別通過了信度90%，95%，99%顯著性檢驗。

2 分析與討論

中亞地區高程差大，高程統計見表1。

表1 中亞地區高程統計

從表1中可看出，高程低于2 000 m的地區最廣，占總面積的87.68%。高程高于6 000 m終年積雪的地區分布較少，面積僅占0.06%，這些地區的土地退化幾乎沒有人類活動的影響，可以只考慮氣候因素的影響。

2.1 中亞1999—2012年間土地退化強度分析

根據值的大小，將土地退化的強度劃分了等級，見表2。

表2 土地退化強度分級

表3顯示了中亞1999—2012年間在各高程段土地退化強度的情況。

表3 中亞地區1999—2012年間土地退化強度統計

圖2顯示了中亞1999—2012年間土地退化強度的空間分布。

圖2 中亞地區1999—2012年間土地退化強度圖

從表3和圖2可以看出，中亞地區土地退化面積為58.78×104km2，占中亞總面積的10.37%。高程<2 000 m的地區面積廣，土地退化也較為嚴重，發生土地退化的面積約為57.24×104km2，占該類區域面積的11.52%，其中強烈退化區域面積為27.24×104km2，占該類區域面積的5.48%，較強退化區域面積為30.00×104km2，占該類區域面積的6.04%。高程為[2 000，4 000)m和高程為[4 000，6 000)m的區域土地退化面積較小。高程≥6 000 m的地區土地退化面積為0.02×104km2，占該類區域面積的5.25%。該類地區終年積雪，受全球氣候變暖的影響，冰雪融化導致TSSlope值朝正向變化，可以認為該類區域不可能發生土地退化。海拔較低的區域土地退化較為嚴重，可能是由于氣候和人類活動共同的影響。且在無積雪區域，隨著高程的增加，土地退化面積的百分比逐漸減小。

中亞地區土地改善面積為213.11×104km2，占中亞總面積的37.60%。從表3中可看出，在高程為[2 000，4 000)m的區域土地改善占百分比最多，在高程<2 000 m和高程為[4 000，6 000)m的區域也有明顯改善，且大部分土地改善的地區均為輕度改善。高程較高的地方，可能由于全球氣候變暖導致冰雪融化，某些地方也長出了植被； 海拔較低的地方，可能由于人工種植，仍然有較好的植被增勢。

空間上，土地退化嚴重的地區主要位于環卡拉庫姆沙漠和克孜勒庫姆沙漠邊緣的城市帶，以及哈薩克斯坦西部的鹽堿地帶。這表明，中亞的土地退化受到人類活動和自然因素的共同影響。尤其是土庫曼斯坦和烏茲別克斯坦近些年為了加快經濟發展和推動城市化進程，砍伐林木，對土地退化產生了直接的加速作用。土地改善的地區主要位于沿里海、各湖周邊、各沙漠邊緣以及山區雪線以下等地區； 各沙漠內也有小幅增加。這是由于人類活動和自然因素綜合作用的結果，一方面，全球變暖，中亞氣候由暖干向暖濕轉型，水循環加快，增強了降水和蒸發過程，使得沙漠地區的沙漠植被生長生理過程發生改變[25-28]。從圖2可看出，中亞地區土地改善的強度并不大，氣候變暖和冰雪融化又使得原先不適合植被生長的一些曾是苔原的地區可能被灌木叢覆蓋[29]。另一方面，由于人類更加注重環境保護和自身的發展，在水源充足的區域進行農業種植，在沙漠周邊開展了許多防風固沙工程。另外，咸海是一個特殊的區域，1918年，由于前蘇聯的“棉花計劃”，將流入咸海的河流改道用于灌溉農作物，使得以前排入咸海的河水不再流入，多年來咸海湖盆連續萎縮[30]，在湖盆萎縮區域可能有稀疏自然植被生長，同時也有部分湖盆萎縮區被圍湖造田。

2.2 中亞1999—2012年間土地退化趨勢分析

根據Z值的大小，將土地退化的趨勢劃分了等級，見表4。

表4 土地退化趨勢分級

表5顯示了中亞1999—2012年間在各高程段土地退化趨勢的情況。

表5 中亞1999—2012年間土地退化趨勢統計

圖3顯示了中亞1999—2012年間土地退化趨勢的空間分布。

圖3 中亞地區1999—2012年間土地退化趨勢

由表5和圖3可知，中亞地區有土地退化趨勢地區總面積為27.00×104km2; 高程<2 000 m的地區，有明顯土地退化趨勢的面積為25.61×104km2,較強退化區域面積為11.44×104km2; 高程為[2 000，4 000) m和高程為[4 000，6 000) m區域分別僅有1.35%和2.96%的面積出現明顯土地退化趨勢，變化趨勢不明顯; 高程≥6 000 m的地區有明顯土地退化趨勢的面積僅發現有0.08×104km2，雖然占到該類區域總面積的24.05%，但由于高程≥6 000 m區域終年積雪，氣候變暖和冰雪融化導致Z值在較高正值范圍內變化，仍然可以認為該區域內總體上不可能有土地退化趨勢。

中亞地區有明顯土地改善趨勢區域的總面積為198.76×104km2，占中亞總面積的35.08%。從表5中可看出，在高程為[4 000，6 000) m的區域，一半以上的面積有明顯土地改善趨勢，在高程<2 000 m和高程為[2 000,4 000) m的區域也有較大比例面積有明顯土地改善趨勢，且大部分有土地改善的地區植被有較明顯增加。

空間上，強烈退化的地區仍然位于環卡拉庫姆沙漠、克孜勒庫姆沙漠邊緣的綠洲經濟帶和哈薩克斯坦西部鹽堿地帶，尤以土庫曼斯坦南部最為嚴重。表明人類毀林毀草開荒是個持續性活動，并對環境造成惡劣影響。顯著改善的地區位于沿里海、各湖周邊、各沙漠邊緣以及山區雪線以下等地區。在全球氣候變暖的大環境下，原先不適合植被生長的沙漠區和高海拔苔原區也逐漸長出了稀疏植被。沿里海和其他各湖周圍區域農業耕作面積增加，以及咸海萎縮區自然植被的生長，都使得土地顯著改善。需要說明的是，結合圖2、圖3可看出，沙漠地區雖為土地改善情況顯著區，但其變化強度非常小，對土地環境整體改善的作用還十分微弱。

3 結論

1)中亞地區土地強烈退化的區域主要位于環卡拉庫姆沙漠、克孜勒庫姆沙漠邊緣的城市帶和哈薩克斯坦西部鹽堿地帶。環卡拉庫姆沙漠、克孜勒庫姆沙漠邊緣的城市帶地區在注重發展經濟的同時忽視了對自然生態的保護，對環境造成了惡劣影響。哈薩克斯坦西部鹽堿地地區，由于自然條件惡劣，也導致土地強烈退化。上述地區土地退化強度大，退化趨勢顯著。

2)部分地區土地改善強度大。在沿里海、各湖周邊、各沙漠邊緣以及山區雪線以下等地區都有明顯改善。表明這些地區人們重視發展農業，圍湖造田已興起，沙漠周邊各項環境治理工程和防風固沙工程都在有效實施。高海拔地區冰雪融化，原先不適合植被生長的部分高海拔地區也逐漸有植被生長。這與前人研究的全球氣候變暖，中亞氣候逐漸轉向暖濕，植被“北侵”的認識相吻合。

3)各沙漠內部土地改善趨勢較顯著，但強度非常小。區域氣候的暖濕變化是造成這一變化的重要因素，由于區域溫度和降水發生的變化，沙漠稀疏植被的生長過程也發生了明顯變化； 然而由于沙漠天然的惡劣環境，其稀疏植被的變化強度十分有限。

4)總體上看，中亞地區人類生存的綠洲經濟帶的土地退化情況日益突出，人類的生存環境可能在惡化。

5)本文依據NDVI值，用Theil-Sen和Mann-Kendall方法定量評估了中亞地區土地退化的強度和趨勢。研究表明該方法簡單易行，對于大尺度區域長時間序列土地退化的研究具有較明顯優勢。受自然氣候變化和人類活動等因素的干擾，不同區域土地退化的變化情況的影響因素仍需要進行更深入的研究，特別是綠洲經濟帶區域的土地退化因素是復雜多變的。研究各區域影響土地退化趨勢變化的各種因素的影響機理是下一步需要開展的工作。

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