2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地空間分布格局及驅動機制

張 潔, 秦富倉

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010020)

荒漠化是全球人類現如今所面對的一項重要的環境問題，是一種極為嚴重的土地退化現象。是全球性質上一項重要的生態環境問題之一[1-2]。由于荒漠化現如今的面積較大，分布廣泛，已經引起當代國際以及社會上的重點關注[3-4]。研究表明，21世紀初期由于環境的惡化沙塵暴在沙漠化地區頻繁發生[5-8]，阿拉善左旗處于土地沙漠化較為嚴重的環境下，研究者們也從許多的方面去探索土地沙漠化的過程，在這個過程中有許多的學者利用MODIS影像[9]作為數據源對土地沙漠化的發展趨勢進行研究分析，研究者們發現MODIS影像不僅可以對植被覆蓋率進行分析，還可以很好地監測土地荒漠化。在空間上，前人對阿拉善左旗的研究相對較少，對土地沙漠化重心遷移方面的報道也較為罕見，本文也將通過賈科利等[10]的研究對土地重心遷移變化偏移的方向與距離進行了進一步的分析與研究[11-15]。

本研究以阿拉善左旗土地沙漠化為重點研究對象，以ArcGIS 10.2，ENVI 5.3為基礎平臺，選取2009—2017年3期分辨率為500 m的MODIS影像數據與矢量數據進行空間疊加分析，提取出該地區不同沙漠化程度下的土地沙漠化面積，研究其空間分布，并結合土地利用數據分析幾年來沙漠化土地的變化情況以及在時間與空間上的變化趨勢，分析并討論影響近幾年土地沙漠化變化的驅動力因素，亦為阿拉善左旗生態脆弱區提供參考。

1 研究區概況

阿拉善左旗全旗南北長495 km，東西寬214 km，面積8.04萬km2，地處北緯37°24′—41°52′，東經103°21′—106°51′，是阿拉善盟下屬的一個行政區，位于內蒙古自治區西部阿拉善盟東部，國境線長約為188.28 km2。阿拉善左旗地勢東南高、西北低，平均海拔為800～1 500 m，最高海拔3 556 m。人口在近兩年在逐步上升，總人口近15萬人?？衫貌輬鲇?.6萬km2，主要為荒漠、半荒漠草原。沙漠面積約為3.4萬km2，主要是騰格里、烏蘭布和兩大沙漠。阿拉善左旗屬于溫帶干旱荒漠區，為典型的大陸性氣候，以風沙大、干旱少雨、日照充足、蒸發強烈為主要特點。太陽年平均輻射總量為646.32 J，年降雨量80～220 mm，年蒸發量2 900～3 300 mm。日照時間3 316 h，年平均氣溫7.2℃，無霜期120～180 d。地帶性土壤特征主要為棕鈣土、灰漠土、灰棕漠土，由于沙漠化的原因，大部分退化成為了風沙土[16-17]。阿拉善左旗幅員廣闊、地形地貌復雜，礦產資源豐富且擁著賀蘭山國家級自然保護區，具有獨特的生態系統、自然風光和人文景觀，系草原到荒漠的過渡地帶，是內蒙古自治區乃至西北的天然生態屏障。

2 數據源和方法

2.1 數據源及其處理

遙感數據選取采用的是NASA網站所提供的的MODIS產品，其中產品中包括MOD13A1植被指數16 d合成產品、MOD09A1地表反射率8 d合成產品，空間分辨率均為500 m，研究時間選擇的是2009年、2013年、2017年8月份的植被生長旺盛時期，這個時間下的地物輻射反射差異較為明顯，更有利于不同地表情況之間的對比分析。數據采取的軌道號分別是h25v04，h25v05，h26v04和h26v05，研究區的土地利用數據和矢量文件是通過內蒙古土地勘測院獲取得到。

將下載的MODIS數據基于WGS-84坐標系進行投影轉換并轉換為.tif的格式，依據研究區的矢量數據對影像進行拼接裁剪處理，在ArcGIS下創建2000×2000的柵格漁網，將漁網與NDVI值進行空間鏈接，把NDVI值賦到每一個柵格點上后按照植被覆蓋度及實地特征對沙漠化程度進行劃分并編輯處理，每一個柵格同一土地利用類型下的面積統計得到不同類型沙漠化程度的面積。

2.2 沙漠化程度土地分級標準

沙漠化土地程度的分級主要是為了客觀地反映沙區土地的變化，更好地監測沙漠化土地在時間和空間上的動態演變。本文中阿拉善左旗沙漠化程度的劃分主要參考國家“973”項目“中國北方沙漠化過程及其防治研究”所制定的沙漠化遙感監測分類體系標準[18-19]以及大量土地沙漠化相關文獻，在前人[20-22]的研究基礎上根據植被覆蓋率和影像解譯特征將沙漠化土地程度分成輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和嚴重沙漠化4大類(表1)。

2.3 沙漠化土地變化重心遷移模型

沙漠化土地重心遷移模型是運用ArcGIS平臺繪制出不同時期下不同程度沙漠化土地的重心坐標，根據重心坐標能夠更加直觀地反映出每個時期的遷移方向及遷移的距離等空間動態變化規律,本文對2009—2017年4種沙漠化土地類型進行計算，重心坐標的運算方式如下[23]：

(1)

(2)

式中：Xt為在第t年時某一種沙漠化程度土地的經度；Yt為在第t年時某種沙漠化程度土地的緯度；n為第t年時的某一種沙漠化土地類型的斑塊數；Cti為第t年第i種沙漠化土地斑塊的面積；Xi是第i個斑塊在土地沙漠化類型當中的經度坐標；Yi是第i個斑塊在土地沙漠化類型當中的緯度坐標。

表1 阿拉善左旗沙漠化土地分級指標體系

3 結果與分析

3.1 沙漠化現狀及其空間分布

通過表2可知，在2009年沙漠化土地總面積為7 973 597.05 hm2，其中重度沙漠化所占比例最高，所占比例高達60.39%，其次是嚴重沙漠化，所占比例為38.21%；到2013年各類沙漠化程度面積在4 a間變化趨勢不大，嚴重沙漠化相對2009年面積減少4.24%，在減少的面積當中有4.02%轉化成為重度沙漠化；直至2017年沙漠化變化趨勢幅度較為強烈，嚴重沙漠化與重度沙漠化面積的變化相對于前幾年較為明顯，其中重度沙漠化增加的比例最大，比2013年增加了11.11%，嚴重沙漠化比2013年減少11.46%，中度與輕度沙漠化變化不明顯，可以明確嚴重沙漠化的減少是因為絕大部分轉化為重度沙漠化。對比幾年的數據嚴重沙漠化與重度沙漠化兩者所占沙漠化總面積比例高達95%以上。

表2 2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地面積及比例

2009—2013年重度沙漠化面積增加了319 906.17 hm2，2013—2017年增加了885 883.25 hm2，在重度沙漠化的變化當中沙地類型與其他草地類型的面積變化是造成沙漠化程度變化顯著的主要因素。其次變化范圍較大的是嚴重沙漠化，在2009—2013年期間面積減少338 708.71 hm2，在2013—2017年面積減少885 889.25 hm2，中度沙漠化與輕度沙漠化比例在2009—2017年期間均有所提高，根據重度沙漠化比例大幅上升、嚴重沙漠化比例大幅下降可以看出沙漠化整體水平是在逐漸變緩，在2009—2017年期間，僅有嚴重沙漠化面積在減少，輕度、中度以及重度沙漠化面積均在增加。草地面積的變化是造成嚴重沙漠化面積減少的主要土地利用類型。由于輕度以及中度沙漠化程度的土地面積小幅度增加，重度沙漠化面積大幅度增加，嚴重沙漠化大幅度下降，說明幾年以來土地沙漠化逐漸趨于良好，更易于后期治理與防護，但同時，輕度與中度沙漠化的比例依然很少，說明阿拉善左旗地區仍處于一個干旱、半干旱的生態脆弱的情況下，依然面臨著隨時會處于嚴重沙漠化的危險當中。

阿拉善左旗的土地沙漠化分布面積較為集中，在圖1中可以明顯看出嚴重沙漠化在3個時期中主要集中在阿拉善左旗的北部地區且北部地區沙漠化在2009—2017年期間一直處于嚴重程度下，重度沙漠化分布范圍較廣，大部分分布在阿拉善左旗的中部及北部地區，嚴重沙漠化與重度沙漠化之間的轉化主要是西南地區與中部地區之間轉化較為明顯。輕度與中度沙漠化研究時段內大部分分布在東南地區，在4類沙漠化程度當中，各種土地利用類型用地相互交錯分布，沙漠化程度也各不相同。

3.2 不同程度沙漠化轉化特點

將3個時期的土地利用數據與土地沙漠化程度數據經過疊加分析，得到阿拉善左旗在2009—2017年期間土地沙漠化面積動態變化的轉移矩陣(表3)，在表中可以得到2009—2013年期間重度沙漠化與嚴重沙漠化土地在減少，減少面積為18 002.53 hm2，輕度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，所增加的面積的來源是重度與嚴重沙漠化面積的減少。輕度沙漠化土地面積的增加主要是由中度沙漠化土地提供來源，中度沙漠化轉化面積為14 303.78 hm2，共占輕度沙漠化面積所有來源的28.22%，剩余增加由重度沙漠化提供；中度沙漠化主要來源是由重度沙漠化轉化而來；重度沙漠化中轉化面積最大的是嚴重沙漠化，共737 972.1 hm2，占重度沙漠化轉化面積所有來源的16.8%，其次是中度沙漠化轉化占比較高；重度沙漠化主要是由嚴重沙漠化轉化，相同嚴重沙漠化土地面積的增加主要也是由重度沙漠化提供，重度沙漠化向嚴重沙漠化轉化了399 688.81 hm2，占嚴重沙漠化比例的17.32%。在2013—2017年期間重度沙漠化與嚴重沙漠化土地依然在減少，減少面積為27 775.07 hm2，輕度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，增加面積與減少面積一致。其中輕度沙漠化土地面積的增加主要是由中度沙漠化逆轉而來，轉化面積不大，中度沙漠化轉化面積為4 619.62 hm2，占其來源的7.67%，重度及嚴重各有一小部分轉化為輕度沙漠化；中度沙漠化大部分面積來源是由重度沙漠化轉化，重度沙漠化轉化面積為32 031.84 hm2，所占比例為68.29%；重度沙漠化在2013—2017年期間由嚴重沙漠化轉化過來的面積較大，重度轉為嚴重相比2009—2013期間較少，13—17 a的時間段內與2009—2013年時間段內相比呈穩定逆轉趨勢。

圖1 2009-2017年阿拉善左旗土地沙漠化空間變化

表3 2009-2017年不同沙漠化土地轉移矩陣 hm2

由表3可見，在2009—2017年期間大部分的轉化都是由嚴重沙漠化與重度沙漠化兩種程度類型的沙漠化相互轉化得到，重度沙漠化與嚴重沙漠化也在逐漸向輕度沙漠化與中度沙漠化轉移，面積也在逐漸的分散，阿拉善左旗的沙漠化整體，在逐步趨于良好。

3.3 土地沙漠化的重心遷移

為了更好地監測沙漠化的變化趨勢，基于ArcGIS平臺的重心遷移模型對2009—2017年每種土地沙漠化程度的中心坐標進行處理運算，并利用經緯網更明顯地反映出偏移的方向(圖2)。從圖2中可以看出，嚴重沙漠化主要集中于研究區域的西北方向，重度沙漠化集中于研究區的中南方向，輕度與重度沙漠化均分布在研究區的東西方向。對比沙漠化程度圖與重心遷移圖可以看出沙漠化走向分布大致相同，說明土地重心遷移的變化可以體現出土地空間性的變化。嚴重沙漠化土地重心在2009—2013年期間向北偏移了0.08°，整體向東北方向偏移了24.53 km，2013—2017年明顯往北折回偏移，折回偏移了0.08°，整體向西北方向折回偏移了25.46 km，從3個時間段來看，嚴重沙漠化土地隨著時間的變化往北移動尤為明顯且整體處于縮退的狀態；重度沙漠化的土地重心2009—2013年期間向西偏移了0.06°，整體往西南方向偏移了10.06 km，2013—2017年期間又向北折回偏移了0.02°，向東北方向偏移了12.65 km；中度沙漠化在2009—2013年期間向南偏移了0.03°，整體向西南方向偏移了5.82 km，在2013—2017年期間向南偏移了0.07°，整體向西南方向偏移了12.55 km，逐步向輕度沙漠化在靠近；輕度沙漠化3年變化偏移不明顯，中度與輕度兩者之間的重心分布較為集中，且變化范圍不大；在各種程度土地當中嚴重沙漠化的重心遷移尤為明顯，主要原因是嚴重沙漠化在逐漸轉化為其他程度類型的沙漠化，從而導致嚴重沙漠化土地類型所占比重的減少。所以，可以通過土地重心遷移模型更為直觀地發現不同時期下土地遷移的趨勢以及更好地進行下一步的觀測處理。

圖2 2009-2017阿拉善左旗不同沙漠化土地重心遷移

4 討 論

土地的變化一般情況下總是與相對應的自然因素與社會因素有所關聯，在近幾年的土地沙漠化程度的相互轉化當中，阿拉善左旗重度沙漠化變化最大，整體以重度沙漠化變化為主占整個荒漠化發生面積的60%以上，嚴重沙漠化次之，輕度沙漠化與中度沙漠化較少，在本文數據當中主要是重度沙漠化與嚴重沙漠化之間的相互轉化，其次是向中度與輕度沙漠化之間轉移，通過以上數據告訴人們，如果在今后荒漠化治理當中治理方法不得當很容易會造成荒漠化程度之間向嚴重與重度沙漠化大量轉移，加大荒漠化治理難度，并會讓之前的治理工作變得前功盡棄。在阿拉善左旗重度沙漠化中大面積變化的土地類型主要是草地，而造成草地變化的原因。根據劉樹林等[24-25]的研究結果表明各地草場因過度放牧、持續干旱等各種人為及自然原因還在持續惡化中，草地的退化導致被植被保護著的疏松土地裸露出來加上地區風沙較大草地沙漠化的發展為沙塵暴提供了足夠的來源。隨著逐漸的沙漠化土壤性質也會被降低，所生長植被條件也受到了一定的抑制；而在后期根據京津風沙林治理。退耕還林還草等制度、“三北”防護林工程等工程措施的實施使生態環境受到修復，植被覆蓋率增加，草地面積也有所提高重度沙漠化土地也向輕度與中度沙漠化土地移動。

在土地沙漠化重心遷移的過程當中嚴重沙漠化變化最為明顯，造成嚴重沙漠化整體向北部遷移的原因是在自然條件和人為因素的影響下，根據阿拉善左旗的退耕還林還草工程的落實[26]，以往裸露的土地現在已大面積覆蓋植被，使生態環境得到了改善，氣候在近幾年趨于良好，使得嚴重沙漠化土地在空間上向北部集中推進。而向北部推進的原因是在阿拉善左旗的北部與東北方向有著烏蘭布和沙漠，主要土地沙漠化形式是以嚴重與重度沙漠化為主。對于此類敏感的沙漠化更應該給予特別關注，在烏蘭布和沙漠周邊主要是以流沙、戈壁為主，而緊挨著這些流沙、戈壁的邊緣土地主要是以零散灌木、稀疏草地等植被為主，治理不得當邊緣土地都面臨著荒漠化形式趨勢嚴峻的危險[27]。輕度沙漠化與中度沙漠化在空間上變化有所推進兩類沙漠化所涉及的范圍邊緣變化不明顯，在這兩種程度的沙漠化土地中包含了城鎮等土地利用類型，這一類的土地利用情況改善了周邊人類所生存的環境狀況并帶動了經濟的發展，根據李嘉麟[28]和劉魁立等[29]的研究可以推論出輕度沙漠化與中度沙漠化變化在空間上有所增加有可能是隨著政策的要求人口在不斷增加的同時對城鎮市區周邊的綠化也有所改善，與此同時興起了許多對沙漠化有一定治理作用的企業，這些企業在自身發展的同時所遵守的理念就是對沙漠化土地的改良治理對沙漠化發生了潛移默化的影響。

5 結 論

(1) 在2009—2017年期間重度沙漠化是4大類型中所占比例最大的沙漠化類型，嚴重沙漠化和重度沙漠化兩者共占沙漠化面積的比例達到95%以上，重度沙漠化占60%以上，嚴重沙漠化占比30%以上。在各類沙漠化程度當中各種土地利用類型的土地沙漠化面積隨著年份也在變化，其中沙地和草地所占面積最大，在沙漠化變化當中起到了一定的作用。

(2) 阿拉善左旗沙漠化面積處于一個穩定逆轉趨勢，2009—2017年期間嚴重沙漠化面積明顯減少轉化為重度沙漠化，轉化了1 631 065.53 hm2，在重度沙漠化中也有289 523.28 hm2轉化為嚴重沙漠化，重度沙漠化面積有69 319.3 hm2轉化為中度沙漠化，32 508.3 hm2轉化為輕度沙漠化，由于重度沙漠化所占面積較大主要由重度沙漠化向其他沙漠化程度轉化，呈現出一個逐級轉化的趨勢，整體而言沙漠化程度趨于良好。

(3) 沙漠化土地重心從北向南依次是嚴重沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、輕度沙漠化。在2009—2017年嚴重沙漠化相對穩定僅向北遷移了43.91 km；重度沙漠化土地重心向東南方向遷移了9.91 km；中度沙漠化土地重心向東北方向遷移18.22 km；輕度沙漠化土地重心向東南方向遷移了5.32 km，根據重心遷移模型可以看出沙漠化土地在空間上的變化趨勢,嚴重沙漠化范圍最大，通過重心遷移模型對土地沙漠化可以進行更好地監測并進行及時控制。