基于GIS技術的拉薩市城關區荒漠分類研究

張志偉, 尹惠妍, 薛 杰, 余 波, 韓嘉華, 姜有為

〔1.西藏農牧學院 資源與環境學院, 西藏 林芝 860000; 2.西藏高原森林生態教育部重點實驗室(西藏農牧學院)， 西藏 林芝 860000； 3.中國科學院 新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830011; 4.新疆策勒荒漠草地生態系統國家

荒漠化被稱為地球的“癌癥”，它不僅造成土地資源流失，還威脅著全球的碳循環和生物多樣性，荒漠化如同全球變暖一樣[1]，已成為全球人類面臨的最嚴峻的環境問題之一[2-4]。據第5次全國荒漠化監測顯示[5]，截至2014年，全國荒漠化面積約為2.61×106km2，約占國土面積的27.20%。西藏自治區的荒漠化面積在全國第三位，面積約為4.33×105km2，約占整個西藏自治區面積的35.21%。

荒漠化也是青藏高原主要的生態環境問題之一，特別對當地居民的生產生活造成極大的危害，西藏地區的荒漠化的主要危害形式是沙害。目前有關荒漠化過程及其空間分異特征、植被蓋度、土壤侵蝕、微生物及防治有大量的研究[6-9]。在荒漠化分類方面的研究主要有，前蘇聯地理學家.奧布魯切夫[10]根據地面物質組成以及地表形態等因素，把荒漠分為5個類型；劉淑珍[11]提出以主導營力和表現形式為劃分指標，將全國劃分為4個類型和13個亞類；楊景春等[12]將干旱區荒漠類型劃分為沙漠、泥漠、礫漠和巖漠等4類；丁國棟[13]在荒漠化評價中提出以植被作為主要評價因子。楊昕等[14]將草原荒漠化分為輕度荒漠化、中度荒漠化、嚴重荒漠化和極嚴重荒漠化；朱剛等[15]分析了陜西省荒漠化多年動態變化；楊發相等[16]研究探討新疆干旱區的荒漠分類系統。王樹祥等[17]提出了一種荒漠化提取模型。對青藏高原的高寒地區荒漠以及荒漠化類型的研究相對較少，目前對于西藏地區荒漠化的研究主要集中于荒漠化動態監測、沙化土壤特性研究、沙漠化分布等，李森等[18]將青藏高原沙漠化區劃為9區23亞區；于海洋等[19]對西藏境內的荒漠化土地現狀及動態變化進行監測研究;李慶等[20]分析了青藏高原沙漠化土地的空間分布及分區；張志偉等[21]對堆龍德慶區荒漠進行區劃。周啟龍等[22]以西藏西部典型的沙化草地為研究對象，分析草地根系分布與土壤理化性質的關系。袁佩新等[23]將整個青藏高原的沙漠化區域進行區劃，在西藏土地沙漠化宏觀分區中，拉薩市城關區屬于嚴重沙漠化區，土地沙漠化僅是土地荒漠化的一種。本文在縣級尺度上對荒漠化區域進行劃分，并分析不同荒漠類型的物質組成、分布規律以及類型特征，為研究不同荒漠類型形成的過程，制定不同荒漠類型的防治措施提供參考。

1 區域概況

拉薩市城關區屬于西藏“一江兩河”流域(雅魯藏布江、拉薩河、年楚河的中部流域地區)，地處雅魯藏布江支流拉薩河中游河谷平原地帶，地勢南北高、中間低。地理位置為29°30′46.80″—29°48′3.60″N，91°1′15.60″—91°18′14.40″E，海拔為3 595～5 613 m。境內既有高俊的山脈，又有深切的溝谷，地形復雜多樣，且多冰川、戈壁、裸石等地貌。城關區主要有3種氣候類型[24]，分別為高原溫帶季風半干旱氣候區、高原亞寒帶季風半干旱氣候區、高原寒帶季風干旱氣候區。年日照時數3 000 h以上，故有“日光城”之美稱，冬季不冷夏季不熱。年降水量約為420 mm，年蒸發量2 344.6 mm，導致氣候環境長期干燥，有利于荒漠的形成。該區域內荒漠化土地類型眾多、分布廣泛、危害嚴重，是區內荒漠化問題較嚴重的地區之一[25]。

2 數據來源及研究方法

在全面收集分析關于高寒荒漠研究資料的基礎上，兩次對城關區的不同土地利用類型進行實地調查，根據分類系統的分類原則及分類指標，初步建立的高寒地區荒漠分類體系。利用GIS制圖技術，對城關區遙感圖像進行處理，結合遙感影像解譯知識[26]，根據野外調查結果，建立不同荒漠類型解譯標志庫，完成城關區荒漠類型預解譯圖，再次到實地進行調查驗證，進一步校正高寒地區荒漠化分類結果。

2.1 資料收集

通過查閱有關青藏高原高寒地區荒漠、荒漠化研究資料。收集城關區的遙感影像(來源于USGS共享數據的2018年Landsat 7的TM影像，圖像空間分辨率為30 m；采用 Google Earth 15級數據(91衛圖企業版下載)，成像時間為2018年11月、2019年11月、2020年1月，影像分辨率為 4 m)，2000—2018年MODIS影像數據(https:∥modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/mod13.php)，分辨率為250 m，ALOS 12.5 m DEM數據(91衛圖企業版下載)、全國土地利用類型遙感監測空間分布數據(http:∥www.resdc.cn/Datalist1.aspx?FieldTyepID=1,3)，1∶100萬城關區數字地貌圖(來源于《中華人民共和國地貌圖集(1∶100萬)》)、氣候區劃圖(來源于《西藏自治區縣級氣候區劃》)、土壤圖(https:∥www.resdc.cn/data.aspx?DATAID=260)、植被圖(來源于《1∶10萬中國植被圖集》)等資料。

2.2 野外調查

通過對城關區的土地利用類型進行初步的分析，選擇有代表性、可行性高且安全的路線，于2019年8月，2020年9月兩次對城關區的不同荒漠類型進行實地調查，獲取沿線典型荒漠類型的基礎地理數據及地表物質組成數據。

2.3 荒漠劃分原則與指標

參考相關學者[4，27]提出的荒漠分類方法，以張志偉等[23]提出的高寒地區荒漠類型的劃分原則和指標的基礎上，以分級分類、主導因子、利于荒漠化防治及環境保護為原則，以氣候區劃、地表物質組成、地貌成因及類型、植被覆蓋度等為主要分類指標。

2.4 分類方法

本研究建立的荒漠化分類的劃分原則及指標，首先以氣候區劃作為劃分指標。城關區主要有3種氣候類型區，其中高原溫帶季風半干旱氣候區主要是海拔小于4 200 m的拉薩河等河流的河谷地帶及山前沖洪積平原，高原亞寒帶季風區主要是海拔在4 200～4 500 m的區域。高原寒帶季風干旱氣候區主要分布在海拔4 500 m以上的高山地區。將高原溫帶季風半干旱氣候區、高原亞寒帶季風半干旱區劃分為干旱荒漠區，將高原寒帶季風干旱氣候區劃分為高寒荒漠區。其次，以地表物質組成作為劃分指標，在一級荒漠類型的基礎上，通過野外調查，并結合TM影像、Google earth等數據資料，將基巖裸露的山地以及長期受重力、流水、凍融等作用下形成的大粒石等風化產物覆蓋的區域劃分為巖漠；將由砂、礫或卵石組成的沖積、洪積區域劃分為礫漠；將由地表物質主要由大于1 mm的粗砂和1～2 mm的極粗砂和較小的礫石組成的山地、丘陵等荒漠草原區域劃分為沙礫漠；將受季節性河流影響的泥沙沉積區，在旱季時，由于干旱和風的作用引起土地沙化的區域劃分為沙漠。第三步，以地貌類型及成因作為劃分指標，在二級分類結果的基礎上，不同的地貌成因，如沖積、洪積、沖積洪積、侵蝕剝蝕、冰緣作用、冰川冰緣作用等，結合不同地貌類型如：平原、丘陵、高山、極高山等劃分3級荒漠類型。最后，以植被蓋度為劃分指標，由于植被蓋度受到水熱變化的影響較大，結合分類體系，在三級分類的基礎上，將植被蓋小于30%的區域劃分為低植被蓋度荒漠區，將植被蓋度30%～50%的區域劃分為中等植被蓋度荒漠區，其中沙漠的分類和中國沙漠圖分類相同，植被蓋度在40%以上為固定型沙漠、植被蓋度在15%～40%為半固定型沙漠，植被蓋度在15%以下的為流動型沙漠。

3 荒漠分類結果

3.1 荒漠分級分類系統

根據高寒地區荒漠化分的原則和指標，通過實地調研與GIS技術相結合，將拉薩市城關區的荒漠進行四級劃分。城關區荒漠分類系統為2個Ⅰ級荒漠類型,7個Ⅱ級荒漠類型,18個Ⅲ級荒漠類型,31個Ⅳ級荒漠類型(表1)。

表1 拉薩市城關區荒漠分級分類系統

3.2 荒漠Ⅰ級分類結果

根據國家土地利用類型分類標準，將居民建筑物用地、耕地、濕地、林地、高寒草甸等劃分為非荒漠區域。以氣候區劃作為劃分指標，將城關區荒漠區劃分為干旱荒漠和高寒荒漠。通過對遙感影像進行解譯與修正，最終制作出城關區Ⅰ級荒漠類型與非荒漠區域圖(圖1)。從圖1統計得出，城關區的非荒漠區的面積約為357.57 km2，約占城關區總面積的68.77%；荒漠區域中高寒荒漠的面積約為88.52 km2，約占研究區域總面積的17.02%；干旱荒漠的面積為73.88 km2，所占城關區總面積的14.21%。

圖1 拉薩市城關區Ⅰ級荒漠類型分布

3.3 荒漠Ⅱ級分類結果

在Ⅰ級分類的基礎上，以地表物質組成作為劃分指標，將城關區荒漠區劃分為7個Ⅱ級荒漠類型。本研究在物質組成中，添加了沙礫漠類型，完善了荒漠分類的指標體系，拓展了地貌學研究的內容，各級荒漠類型如圖2所示，各級荒漠類型面積及比例表2所示。從圖2及表2中可以得出，高寒巖漠的面積比例最大，約占荒漠面積的50.84%；其次為干旱巖漠，面積比例約為21.34%；干旱沙礫漠的面積相對較大，而干旱礫漠、干旱沙漠、高寒沙礫漠及高寒礫漠的面積比例均低于10%。

表2 拉薩市城關區Ⅱ級荒漠類型數據表

圖2 拉薩市城關區Ⅱ級荒漠類型分布

3.4 荒漠Ⅲ級分類結果

在Ⅱ級分類的基礎上，以地貌類型及成因作為劃分指標，將荒漠類型進一步劃分為干旱沖積河谷平原礫漠、干旱沖積洪積平原礫漠、干旱沖積平原礫漠、高寒沖積河谷平原礫漠、高寒沖積洪積平原礫漠、高寒侵蝕剝蝕大起伏高山沙礫漠、高寒侵蝕剝蝕大起伏高山巖漠等18個Ⅲ級類型，城關區的Ⅲ級荒漠類型圖如圖3所示。不同荒漠類型面積及其占總面積比例詳見表3。從圖3及表3中可以看出，其中高寒冰川冰緣作用大起伏極高山巖漠的面積比例最大，約占荒漠面積的23.60%。其次為干旱侵蝕剝蝕大起伏高山巖漠的面積比例約為16.84%，另外高寒冰川冰緣作用中起伏極高山巖漠、高寒侵蝕剝蝕大起伏高山巖漠的面積比例大于10%，其余Ⅲ級荒漠類型的面積比例均小于10%。

圖3 拉薩市城關區Ⅲ級荒漠類型分布

表3 拉薩市城關區Ⅲ級荒漠類型數據

3.5 荒漠Ⅳ級分類結果

近20 a以來，隨著城鎮化加劇，人類活動范圍擴大及建筑物增多導致人口聚集地面積增大，在中國沙漠圖中的沙漠區域，部分已經開發為居民建筑用地。全球氣候變暖的大環境下，城關區年降水量也發生巨大變化，而降水量的變化直接導致植被生長情況及植被蓋度的變化。

圖4列出了城關區在2000和2018年NDVI變化及2018年植被蓋度分布。利用2018年的TM遙感影像為基礎，以植被覆蓋度作為劃分指標，將城關區的荒漠劃分為31個Ⅳ級類型。表4為城關區各Ⅳ級荒漠類型的面積及比例。

圖4 拉薩市城關區植被覆蓋情況

表4 拉薩市城關區Ⅳ級荒漠類型數據

4 結論與討論

在分析荒漠主要形成因素的基礎上，以2018年的TM影像為基礎圖件，利用GIS技術，結合長期野外調查資料，以氣候區劃、地表物質組成、地貌形態及成因、植被蓋度等作為劃分指標，將拉薩市城關區荒漠劃分為2個Ⅰ級類型，7個Ⅱ級類型，18個Ⅲ級類型，31個Ⅳ級類型；并確定了各級各類荒漠的面積，以及各類荒漠的空間分布。

青藏高原是中國乃至亞洲的重要生態安全屏障，但青藏高原的生態敏感且環境脆弱。全球氣候變化對青藏高原的生態環境產生極大的影響，并顯著影響青藏高原的生態系統服務功能及其生態屏障效能，特定條件下會加劇土地退化、荒漠化、沙漠化[27]以及增加生態災害風險。荒漠是青藏高原自然景觀的重要組成部分，不同荒漠類型對農業發展、基礎建設、礦產資源開發等有較大影響，需關注并重視青藏高原高寒區的生態環境問題及荒漠化問題。荒漠化分級分類研究是荒漠化研究中的重要內容，是指導土地荒漠化分類治理的重要依據。青藏高原的荒漠具有非地帶性分布的特點，對青藏高原高寒地區荒漠進行系統的類型劃分，旨在歸納和總結出青藏高原地區荒漠的分布規律與格局，為精確劃分青藏高原區的荒漠類型、荒漠成因、荒漠結構以及治理措施等方面提供參考，并為第三極環境變化與高寒地區環境保護與生態修復等提供基礎研究。本研究以拉薩市城關區為例，對城關區的荒漠區域進行分級分類，為青藏高原高寒區荒漠分類系統的研究做基礎，但對于整個青藏高原地區荒漠類型劃分及荒漠的判定需要進一步深入研究。自1977年在聯合國荒漠化會議上，“荒漠化”一詞被正式提出之后，世界上的大多數國家開始荒漠化分類系統的建立。國外學者多次提出具有代表性的荒漠化分級分類理論，中國權威性質的分級分類理論是20世紀90年代由原國家環保總局提出的。近幾十年以來，該理論不斷發展與完善，但是仍存在一些不足。例如分類系統的適用范圍，劃分指標的確定等，仍需要繼續進一步探討和研究。在荒漠分類系統中，分類指標的確定是一項重要內容。首先分類指標的選取，荒漠化是一種土地退化的一種表現，未來的研究中是否可以從土地生產力、土地資源喪失、土壤含鹽量、地表景觀綜合特征等選取合適的劃分指標。其次是各類指標的量化研究。如氣候區劃的量化、主要地表組成物質含量的量化以及植被覆蓋度的量化等，可以更客觀地對不同荒漠類型進行劃分。對各指標進行量化不僅可為荒漠形成過程的研究奠定基礎，而且可以針對性地為不同荒漠類型荒漠化防治，進行自然資源的綜合利用、環境保護與生態修復提供參考，并為區域發展奠定基礎。