近20 a黑河下游核心綠洲區土地荒漠化特征及影響因素

馬 駿， 劉 蔚， 席海洋， 張 濤， 魚騰飛， 楊凱年

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所， 甘肅 蘭州 730000； 2.額濟納旗林業工作站， 內蒙古 額濟納旗 735400)

荒漠化是全球突出的生態環境問題，中國是世界上受荒漠化危害比較嚴重的國家之一?；哪侵溉祟悮v史時期以來，由于人類不合理的經濟活動和脆弱生態環境相互作用造成土地生產力下降，土地資源喪失，地表呈現類似荒漠景觀的土地退化過程[1]。額濟納三角洲是內蒙古自治區少有的綠洲之一，歷史上也存在生態系統平衡的時期，但隨現代發展對額濟納綠洲不合理的開發，造成了包括土地荒漠化在內的一系列生態環境問題。綠洲的荒漠化主要包括綠洲的干旱化、沙漠化和鹽漬化，如果綠洲水源完全斷絕，其綠洲將會消失，最終演變為風蝕劣地或沙質荒漠[2]。土地沙漠化和鹽堿化是黑河流域最為嚴重的生態環境問題，植被的退化貫穿于其中，其結果不僅直接威脅下游天然綠洲的存亡，而且制約中下游人工灌溉綠洲的穩定與發展[3]。對于荒漠化土地面積變化的研究便于分析內在的穩定性和復雜程度，揭示其空間結構變化過程[4]。遙感技術以其信息量大，觀測范圍廣，速度快等優勢已廣泛應用于土地沙漠化的監測，其在額濟納土地覆被變化的應用中也取得較好的效果[5-7]。本文重點對黑河下游的核心綠洲區進行研究，影像數據的時間根據河流水量的變化特征進行選取，更直觀地體現影響因子的作用，進而為內陸河土地荒漠化影響因子的判別提供數據支撐，為研究區綠洲的保護和土地生產服務。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區阿拉善盟額濟納旗，是黑河下游的核心綠洲區。額濟納三角洲為開闊平坦的盆地，海拔高程為900～1 100 m，地面坡降為1/1 000～1/1 200，整體地形向東北傾斜[8]，根據額濟納氣象站1959—2011年降水資料統計分析，多年平均降水量為35.4 mm，最少年份降水量和最多年份降水量分別為7，101.1 mm，區域內蒸發量大，多年平均蒸發量為3 505.7 mm，熱量豐富，多年平均氣溫8.2 ℃，是一個完全靠黑河上中游來水滋養的綠洲[9]。黑河發源于祁連山脈，干流長821 km，流域面積1.30×105km3，在狼心山處分流成東西兩支，其東河進入研究區域，形成內陸河三角洲，并最終發育為額濟納天然綠洲。

1.2 數據來源與研究方法

利用不同時期的Landsat影像數據，結合野外實地調查以及輔助信息對地物進行解譯分析。遙感影像數據為1990年9月的TM影像，2001年8月的ETM+影像，2006年9月的TM影像，2009年8月的ETM+影像和2010年8月的TM影像。選擇4，3，2波段作為RGB分量合成標準假彩色圖像，以利于區分植被與土地邊界特征。利用Erdas Imagine 9.2對影像數據進行幾何校正、空間數據增強等預處理，校正中選取30個控制點，其RMS小于一個像元，輔助數據為1983年版阿拉善盟額濟納旗1∶50 000地形圖以及從國家科學數據服務平臺下載的DEM數據。為便于目視解譯的判讀，用ENVI 4.5對研究區的植被信息進行提取，利用ArcGIS 10.0對處理后的數據進行分析，在人工目視解譯的基礎上，結合計算機自動識別進行地物的判讀，解譯中地物特征依據“數字黑河”提供的基礎地理信息和阿拉善荒漠生態水文實驗研究站的野外調查數據。通過野外61個采樣點的實測數據對解譯結果進行驗證與修正，解譯后的精度滿足調查要求。土地利用分類依據國家土地資源遙感宏觀調查采用的土地分類系統[10]，結合額濟納旗綠洲區的實際情況以及研究所要突出的地物信息進行分類。利用ArcGIS對圖層中相同屬性的區域進行融合，融合后的數據進行每兩期間的疊置分析，導出數據制作轉移矩陣，建立土地利用類型變動關系，得出黑河下游核心綠洲區的土地荒漠化特征，進一步明晰各驅動力的影響機制。

2 結果與分析

2.1 不同時期土地荒漠化特征

2.1.1 1990年的土地覆被特征 1990年研究區域內的沙地面積為190.84 km2，占研究區域面積的9.63%，鹽堿地面積為383.68 km2，面積比重為19.37%；沙漠面積為178.96 km2，面積比重為9.03%；林草地、耕地、水體的面積分別為417.05，24.78 ，44.34 km2；居民地面積為3.01 km2，戈壁面積為738.53 km2。研究區總面積約1 980 km2，土地覆被特征如圖1所示。研究區的植被覆蓋區域被戈壁、沙漠環繞，圖中林地、草地統作為植被覆蓋區域，綠洲內有小面積的基巖，統計到戈壁范圍內，區域內干涸的河道以及裸地因植被覆蓋度低，在遙感影像中與沙地難以區分，統作為沙地處理。植被主要集中于東河下游河道兩側，臨近東居延海為大面積鹽堿地，沙漠位于研究區東側植被區與戈壁之間。居民地主要在研究區西南方向的額濟納旗，耕地和沙地在林草地間成點狀、帶狀分布。

圖1 1990年黑河下游核心綠洲區的土地覆被特征

2.1.2 2001年的土地覆被特征 2001年研究區域(圖2)的沙化面積明顯增大，其北部東居延海完全干涸，土地大范圍鹽堿化，額濟納旗城區西北部沙日淖爾處的水域干涸，附近林草地轉化為沙地，此時研究區的地表水體面積僅為0.17 km2。研究區的沙漠、沙地、鹽堿地的面積分別為190.27，228.26，465.97 km2，面積比重分別為9.6%，11.9%，23.5%。與1990年相比，沙漠面積增加11.31 km2，沙地增加37.42 km2，鹽堿地增加82.29 km2。沙地轉入125.52 km2，轉出88.11 km2，鹽堿地轉入160.71 km2，轉出78.51 km2，沙漠面積轉入21.81 km2，轉出8.3 km2。沙漠、沙地、鹽堿地的變化趨勢和狀態指數值分別為0.45，0.18，0.34，表明沙漠和鹽堿地的增長趨勢明顯，主要以其他類型轉入為主；沙地增長緩慢，且雙向轉換頻繁。林草地和耕地面積分別為309.38，27.51 km2，其中林草地減少107.67 km2，其變化趨勢和狀態指數為-0.42，呈現非平衡狀態，規模逐步萎縮，主要轉變為沙地和鹽堿地。耕地和居民地面積有一定程度增加，戈壁面積為754.49 km2，面積比重為38.1%。到2001年有89.07 km2的林草地轉變為沙地，60.7 km2的林草地轉變為鹽堿地，鹽堿地和沙地增加較多，林草地和水體面積都大量減少。轉移矩陣中變化幅度較大的為沙地、林草地，沙漠、鹽堿地和水體，面積變化的大小為：林草地>鹽堿地>水體>沙地。

2.1.3 2006年土地覆被特征 2006年研究區的河道內尚有流水(圖3)，主河道區域在圖2中顯示相對清晰，河道周圍的植被長勢良好，水體和耕地面積明顯增加。2006年的水體面積比2001年增加50.22 km2。沙地和沙漠的面積分別為235.56，203.21 km2，面積比重為11.89%，10.26%，分別比2001年增加了7.3 ，12.94 km2。林草地面積減少了16.33 km2，鹽堿地面積減少了89.17 km2。與2001年相比面積變化的大小為鹽堿地>水體>耕地>林草地。

圖3 2006年黑河下游核心綠洲區的土地覆被特征

2.1.4 2009年土地覆被特征 2009年研究區的水分條件明顯改善，東居延海蓄水，東居延海附件鹽堿地向林草地轉變。城鎮和耕地面積增大，東側沙漠的面積明顯增大，林草地面積減少。其荒漠化土地增加，土地退化顯著。 2009年研究區的沙漠面積為213.02 km2，比2006年增加9.81 km2；與2001年相比，轉入37.85 km2，轉出15.1 km2，整體增加22.75 km2；與1990年相比，轉入45.18 km2，轉出11.12 km2，整體增加34.06 km2。沙地面積占總面積的13.67%，比2006年增加35.2 km2；比1990年增加79.92 km2，其中轉入164.3 km2，轉出84.34 km2。水體面積為44.09 km2，面積比重為2.2%。鹽堿地比2006年減少27.34 km2，面積比重為18.2%，比1990年減少34.22 km2。

2001—2009年，林草地的變化趨勢指數為-0.14，朝規模減小的狀態發展，有21.37 km2的林草地轉變為耕地，有80.7 km2的林草地轉變為沙地，林草地退化明顯(表1)。沙漠和沙地的變化趨勢指數分別為0.43，0.17，表明沙漠的增加趨勢明顯，以其他類型轉入為主；沙地的雙向轉換頻繁，轉換為其他類型的面積略小于其他類型轉換為沙地的面積。1990—2009年變動最大的為林草地，減少量達到研究區域的7.16%，其變化趨勢指數為-0.5，呈現較強的非平衡狀態，以向其他類型轉化為主。其中，有多達114.43 km2的林草地轉變為沙地，有48.06 km2的林草地轉變為鹽堿地，轉化為耕地的面積為26.61 km2。沙地的變化趨勢指數值為0.32，以其他類型轉入為主，呈穩步增加狀態。沙漠變化趨勢指數值為0.6，呈現極端非平衡狀態。鹽堿地轉入比重較大，轉入面積為27.74 km2，沙漠的轉出相對較小。近20 a的面積變化大小依次是：林草地>沙地>鹽堿地>沙漠。

表1 2001-2009年黑河下游核心綠洲區土地覆被變化轉移矩陣 km2

2.1.5 2010年土地覆被特征 與2009年相比，2010年研究區的水量增多(圖4)，存在較多的積水區域，東居延海水量增加，全年累計進水量4.8×107m3，最大水面面積40.0 km2。在2010年關鍵調度期，狼心山水文斷面實測下泄水量為2.26×108m3，在春季、夏季、秋季輸水中，東河均全線過水，有效補充了沿河地下水，保證了植被在主要生長期的需水。研究區的沙漠面積比重為10.6%，相比2009年面積減少3.15 km2。沙地面積減少23.65 km2，林草地面積有少量減少。1990—2010年黑河下游核心綠洲區土地覆被的面積及變化如表2所示。

2.2 荒漠化驅動力淺析

2.2.1 自然因素 自然因素是綠洲荒漠化的大背景，研究區額濟納三角洲的氣候極端干旱，1990—2000年的平均潛在蒸發量為3074.6 mm，1998年的潛在蒸發量最大為3271.1 mm。1990—2011年的年均降水量僅為39.95 mm，其中1995年的年降水量最多為77.3 mm，年降水量最少為9.2 mm，發生在2009年。1990—2011年的相對濕度為33.3%。額濟納旗的降水量總體呈下降趨勢。80年代降水明顯偏少，90年代有所回升，21世紀開始又進入偏少時期[11]。

圖4 2010年黑河下游核心綠洲區的土地覆被特征

表21990-2010年黑河下游核心綠洲區土地覆被面積變化km2

土地覆被類型199020012006200920101990-20012001-20061990-20092001-20092009-2010水 體44.340.1750.3944.0955.45-44.1750.22-0.2543.9211.36居民地3.014.108.1612.4212.421.094.069.418.320耕 地24.7827.5147.3451.0552.272.7319.8326.2723.541.22沙 地190.84228.26235.56270.76247.1137.427.3079.9242.50-23.65沙 漠178.96190.27203.21213.02209.8711.3112.9434.0622.75-3.15戈 壁738.53754.49766.93765.9765.3315.9612.4427.3711.41-0.57林草地417.05309.38293.05275.29269.14-107.67-16.33-141.76-34.09-6.15鹽堿地383.68465.97376.8349.46370.5782.29-89.17-34.22-116.5121.11

研究區氣溫從70年代起呈現上升趨勢，平均氣溫的升幅超過全國年平均氣溫升幅的2倍[12]。1990—2011年平均氣溫為9.72 ℃，1990—2000年的年平均氣溫為9.48 ℃，2000—2011年的年平均氣溫為9.95 ℃，氣溫的上升率約為0.5 ℃/10 a。其中，年平均氣溫最高值為10.6 ℃，發生在1998年，最低值為1993年的8.7 ℃。額濟納地區氣溫的增高，在影響蒸發量的同時，促進了植被的蒸騰作用，蒸騰是植物耗水的主要方式，水分供應的不足，限制了植被生長，進一步加速當地土地荒漠化面積的增加[13]。研究區的年太陽總輻射達6 800 MJ/m2，是中國日照時數和日照百分率最高的地區之一，輻射強度加劇了本區的干旱程度[14]。額濟納地區生態環境脆弱主要因為所處的地理環境惡劣，其降水量少，蒸發量大，重要的水源補給主要為中上游來水和該區的地下水，在輸水量減少的情況下，下游的生態環境面臨較大威脅，脆弱的生態系統使土地退化的速率增大。

2.2.2 人為因素 影響研究區土地荒漠化的因素較為復雜，在分析土地覆被變化的人為驅動因素時，結合驅動因子之間的相關關系，采用主成分分析法研究驅動因子的貢獻值。在影響土地荒漠化的因子中選取2個自然因子：降水(mm)，氣溫(℃)；選取9個人為因子：輸水量(108m3)，牲畜總頭數(只)，國民總產值(萬元)，第一產業產值(萬元)，第二產業產值(萬元)，第三產業產值(萬元)，人均產值(元)，工業總產值(萬元)，總人口數(人)，其因素包括自然因素、人口、畜牧業、城市化、工業化等因素。Y為沙漠化面積(km2)，以1990—2011年的數據為分析樣本。結果表明，前兩個主成分的累積貢獻率達到83%，結合指標特征對貢獻值進行分析，從第一主成分和第二主成分可知，社會經濟和人口因素為主要影響因素，其次為輸水量因素，畜牧業和自然因素變化的影響相對較低。

人口增長是土地利用、土地覆蓋變化和環境響應的本質驅動力[15]。1990年額濟納旗人口總數為15 102人，在2006年超過17 000人，2010年總人口為17 249人，在近20 a中增加了2 147人。自21世紀當地旅游產業迅速發展，流動人口增加，總人數超過常住人口數。其在2000年的旅游人數為3.80×104人次，2010年已達到2.48×105人次。流動人口和旅游在21世紀對當地生態的影響加劇。1990年農業總產值為5.84×106元，2001年生產總值為4.37×107元，增長3.78×107元，增幅達647.7%。2010年農業生產總值1.09×108元，比2006年增加5.70×107元。農業生產總值中很大程度反映當地畜牧養殖和耕地的發展程度。1990額濟納地區年末牲畜存欄頭數為1.596×105頭/只，2001年總數為1.28×105頭/只，2010年存欄頭數8.67×104頭/只。年末牲畜存欄頭數自2004年后低于10×104頭/只，平均每年存欄約7.40×104頭/只?；哪貐^地處內陸，長期處于封閉或半封閉的半農半牧狀態，重用輕養，在草地利用與管理方面比較落后[16]。從當地的人口和農牧業發展來講，其對耕地及林草地的需求在不斷增大，牧業對生態的破壞極大，牧民的過度放牧和任意開荒對當地環境造成嚴重的破壞。社會經濟發展對自然環境的擾動較大，屬于沙漠綠洲的額濟納表現更為明顯。在人口增長，農業發展的同時，其產業結構的變動在綠洲保護與破壞中動態影響土地沙漠化狀況。隨西部大開發的進行，額濟納綠洲獲得了前所未有的發展，第二、三產業投入加大，產業比例已由前期的第一、三、二的產業順序轉化成第二、三、一的產業順序[17]。1991年第二、三產業總值分別為1.18×107和1.54×107元，到2010年分別增長為1.86×109和1.19×109元， 額濟納旗在內蒙古縣域經濟發展中的經濟發展較快。第二、三的增長減少了農業對土地的直接破壞，但其給土地帶來的間接影響在研究區土地質量的變化中占較大比重。

下游綠洲區生態系統的穩定在很大程度上依賴進入本區的水量。中游地區農業發展和城市化速度的加快，農業用水、城市的工業、生活用水也隨之增加。中游地區的耗水量在1998年達到最大值1.04×109m3，之后開始減少，從2002年開始耗水量又增加。至2007年中游地區耗水量每年以1.97×106m3遞增，并且增加的速度不斷加快[18]。中游大量水利設施的興建，地表水、地下水的開發，從根本上改變了整個流域水資源在時空上的分配和轉化[19]。黑河流域水資源的利用率比較高，鶯落峽和正義峽的生態環境需水量均占到地表水資源來水量的30%左右[20]，中游河道生態環境的穩定本身需要大量來水量維持。在上游山區降水和冰川融水一定的情況下，下游的生態環境受到中游耗水量的制約。河流下泄量的減少造成下游地下水位的降低，進而土地干旱化，造成荒漠植被的死亡，導致下游綠洲區荒漠化面積的增大。

西北干旱區水資源短缺及其在時空分布的高度異質性決定了其生態系統的脆弱性[21]。在東居延海干涸的2001年，狼心山來水量僅為2.32×108m3，輸水量低的情境下，居民用水及生態用水對地下水的依賴性增大。河水對耕地、林草地的補給減少，加之研究區旺盛的蒸發量，使水分不足的區域轉變為旱地、鹽堿地，原沿河發育的河岸林、灌叢草場退化為旱生和鹽生草甸。維持額濟納綠洲的穩定與發展，必須保持5.78×108m3的生態水量，自2002年開始分水工程后，下游來水量增多，生態系統開始恢復，鹽漬化面積也大幅度減小[22-23]。

3 結 論

通過近20 a，5個不同時期土地覆被特征的解譯，研究區核心綠洲各土地類型的面積得到較新的分析結果，土地質量變化特征也得到較好的詮釋。額濟納綠洲作為沙漠綠洲，生態系統穩定性相對較弱。其2010年的沙漠面積為209.87 km2，在21 a中增加了近31 km2，1990—2010年沙地增加了近60 km2，以約30 km2/10 a速度的增加，林草地在快速減少，2002年后因分水政策對輸水量的調控，林草地退化速率減緩。鹽堿地面積從1990年呈增加趨勢，到2001年面積達最大值，之后呈減少趨勢。居民地和耕地的面積在穩步增加。

在不同的土地覆被類型中，林草地、鹽堿地、沙地和水體的變化較大，研究區生態質量呈下降趨勢，土地退化現象顯著。在自然因素的大背景下，人為因素在短期內對綠洲區的影響更為顯著，水資源的時空分布變化決定著研究區綠洲的演變方向。

本文利用RS與GIS手段對研究區進行研究，其解譯過程中存在一定的誤差，影響對地物的判讀精度，統計數據與實際面積存在差異。為此有待進一步的研究，以加強對研究區的分析，從而為減緩綠洲區土地荒漠化的速率提供科學依據，為研究區的土地生產服務。

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