石羊河流域荒漠化定量評(píng)價(jià)及驅(qū)動(dòng)機(jī)制

doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.003

摘 要：為了解石羊河荒漠化趨勢(shì)特征、掌握荒漠化過(guò)程驅(qū)動(dòng)機(jī)制，有效提高流域荒漠化監(jiān)測(cè)精度和為荒漠化趨勢(shì)預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。基于遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，反演植被降水利用率（RUE），結(jié)合同期氣象和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展數(shù)據(jù)，運(yùn)用Sen趨勢(shì)分析、Pearson相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，開(kāi)展2010—2019年植被生長(zhǎng)季石羊河流域荒漠化定量評(píng)價(jià)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究。結(jié)果表明：流域RUE值自南向北依次降低，研究時(shí)段內(nèi)流域荒漠化程度總體向好，改善的區(qū)域占流域總面積的48.5%，穩(wěn)定不變的占47.7%，退化面積僅占3.8%；驅(qū)動(dòng)荒漠化逆轉(zhuǎn)的自然因素變化主要為日照時(shí)數(shù)減少、平均氣溫升高和相對(duì)濕度增加，經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素變化主要為糧食產(chǎn)量和壓沙造林面積增加以及人口數(shù)量減少。

關(guān)鍵詞：石羊河；荒漠化；氣候；經(jīng)濟(jì)社會(huì)；驅(qū)動(dòng)力

中圖分類號(hào)：X24" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

土地荒漠化指發(fā)生在干旱、半干旱地區(qū)的土地退化現(xiàn)象，是一個(gè)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。土地荒漠化不僅造成土地生產(chǎn)能力下降、人口遷移、糧食資源緊張，還對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生巨大威脅。加強(qiáng)荒漠化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及成因分析，對(duì)推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)、加強(qiáng)荒漠化防治和加速經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等有著重要現(xiàn)實(shí)意義^[1-2]。

張志偉等^[3]建立了西藏高寒地區(qū)荒漠分類體系，奠定青藏高原高寒區(qū)荒漠分類研究的基礎(chǔ)；程小云等^[4]等通過(guò)趨勢(shì)分析、灰色關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)方程模型等方法分析河西走廊草地荒漠化的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)量化草地荒漠化的驅(qū)動(dòng)因素；高榮等^[5]研究了1994—2019年陜西榆林地區(qū)土地荒漠化、沙化現(xiàn)狀及其動(dòng)態(tài)規(guī)律，指出榆林地區(qū)荒漠化程度由極重度和重度向中度和輕度轉(zhuǎn)變，自然和人為因素是榆林荒漠化的雙重驅(qū)動(dòng)因素；張永^[6]采用1995—2015年 3 期 Landsat TM/OLI 遙感影像，研究了石羊河流域不同荒漠化程度的空間分布以及面積轉(zhuǎn)移變化情況；韓濤和王大為^[7]選用 EOS 遙感數(shù)據(jù)，對(duì)2000—2014年石羊河流域開(kāi)展了不同植被覆蓋等級(jí)面積轉(zhuǎn)移變化監(jiān)測(cè)后指出：低植被覆蓋面積縮減速度較快，而高植被覆蓋面積變化穩(wěn)定。本研究以石羊河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，分析提取2010—2019年MODIS衛(wèi)星植被生長(zhǎng)季NDVI數(shù)據(jù)，結(jié)合各氣象站同期降水量資料反演植被降水利用率（RUE），開(kāi)展流域荒漠化程度定量評(píng)價(jià)；運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度方法，探索不同氣象因子和經(jīng)濟(jì)社會(huì)因子對(duì)流域荒漠化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為流域荒漠化綜合治理、管理決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于烏鞘嶺以西、祁連山北麓，地勢(shì)南高北低，從地貌地形上劃分為南部祁連山區(qū)、中部平原區(qū)、北部低山丘陵區(qū)和荒漠區(qū)四大單元^[8]。由于流域深居大陸腹地，地勢(shì)由南向北降低且懸殊較大，受大陸性溫帶干旱氣候和青藏高原氣候的綜合影響，光、溫、水、熱分布較為不均，尤其是下游位于巴丹吉林與騰格里兩大沙漠之間，極易受到風(fēng)沙災(zāi)害影響。流域生態(tài)環(huán)境極其脆弱，干旱和荒漠化問(wèn)題一直是影響當(dāng)?shù)厣鐣?huì)發(fā)展和人類生存的重大難題，土地荒漠化對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有很大制約，也給地方生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作帶來(lái)很大壓力，同時(shí)對(duì)居民正常生產(chǎn)生活產(chǎn)生很大影響，是困擾區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和自然生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

遙感資料來(lái)自美國(guó)地質(zhì)勘探局（http：//glovis.usgs.gov/）2010—2019年植被生長(zhǎng)季（3—9月）MOD13Q1數(shù)據(jù)，空間分辨率250 m，時(shí)間分辨率16 d。氣象資料（平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度）來(lái)自流域內(nèi)6個(gè)國(guó)家氣象站，通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行反距離加權(quán)插值，得到逐年氣象資料空間插值數(shù)據(jù)；經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展資料〔國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）、人口數(shù)量、糧食產(chǎn)量、壓沙造林面積〕取自《武威市統(tǒng)計(jì)年鑒》《金昌市統(tǒng)計(jì)年鑒》，利用ArcGIS軟件將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為柵格數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 降水利用率（RUE）的反演估算

利用NDVI數(shù)據(jù)和降水量數(shù)據(jù)反演研究區(qū)的降水利用率數(shù)據(jù)^[9]，首先對(duì)降水量數(shù)據(jù)作歸一化處理：

式中：X^*_i和X_i分別為歸一化后和歸一化前的值，x_max和x_min分別表示樣本中的最大值和最小值。

估算降水利用率：RUE=SNDVI/P，其中，SNDVI為植被生長(zhǎng)季累積NDVI，P為降水量。

2.2.2 RUE數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析

利用Sen趨勢(shì)分析法分析石羊河流域10年來(lái)植被生長(zhǎng)季內(nèi)RUE空間變化趨勢(shì)，具體計(jì)算公式為：

式中：Sen斜率用Q表示，M表示中位數(shù)。當(dāng)Qgt;0，表示序列呈上升的趨勢(shì)；當(dāng)Qlt;0，表示序列呈下降的趨勢(shì)。

2.2.3 相關(guān)性分析

通過(guò)相關(guān)性分析法分別分析10年來(lái)氣象條件、經(jīng)濟(jì)社會(huì)變化與RUE的相關(guān)性，公式如下：

2.2.4 灰色關(guān)聯(lián)度分析

（1）計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ_xi（t）。將植被降水利用率設(shè)置為參考數(shù)列X₀，將氣象因子和人為因子8個(gè)因子設(shè)置為比較數(shù)列，分別記為X₁，X₂，…， X_i（i=1，2，…，8）。計(jì)算出各比較數(shù)列與參考數(shù)列在各個(gè)時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)ζ_xi（t）：

式中：ρ表示分辨系數(shù)，一般取0.1-0.5，本文取0.1；|X₀（t）-X_i（t）|表示每一年各個(gè)影響因素Xi與植被降水利用率X₀同一年數(shù)值絕對(duì)差值；min_imin_t|X₀（t）-X_i（t）|表示兩層式取絕對(duì)差值中最小值計(jì)算，max_imax_t|X₀（t）-X_i（t）|為最大值計(jì)算。

（2）計(jì)算關(guān)聯(lián)度r_i。取10年關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作為各因素的關(guān)聯(lián)度r_i，公式如下：

最終按照灰色關(guān)聯(lián)度綜合分析的原則，分析石羊河流域荒漠化驅(qū)動(dòng)機(jī)制^[4]。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于RUE時(shí)間序列的荒漠化評(píng)價(jià)

3.1.1 植被生長(zhǎng)季RUE的空間分布格局

植被降水利用率（RUE）對(duì)土地荒漠化指示作用較好，受降水量變化影響較小，能夠有效反映荒漠化態(tài)勢(shì)。如圖1，將RUE值分成5個(gè)等級(jí)揭示植被降水利用率相對(duì)大小^[10]。流域內(nèi)植被降水利用率空間分異明顯，生長(zhǎng)季RUE低于0.003的占流域總面積的14.31%，包括涼州區(qū)、古浪縣沙漠區(qū)、流域西北部金昌市境內(nèi)及流域東北部和西南邊緣個(gè)別地區(qū)；RUE值在0.003～0.004的占流域總面積的27.84%，主要在流域北部和東部沿沙區(qū)及荒灘地帶，以荒漠化草地為主；14.10%的區(qū)域RUE值在0.004～0.005，主要分布在民勤縣西部與金昌市接壤地帶，在古浪縣南部、永昌縣西部也有零散分布；RUE值在0.005～0.006的占7.27%，點(diǎn)狀散布在流域中北部的涼州區(qū)、古浪縣、民勤縣和金昌市境內(nèi)；RUE高于0.006的占流域總面積的36.67%，主要位于灌溉農(nóng)業(yè)綠洲區(qū)及南部海拔較高地區(qū)的林區(qū)和草地。

總體來(lái)看，植被降水利用率較小區(qū)域處于流域中北部，該區(qū)常年降水量少、土壤沙化或鹽漬化明顯，植物生產(chǎn)能力弱；植被降水利用率較大的多集中在流域南部和中部部分地區(qū)，南部山區(qū)降水量豐富，石羊河兩側(cè)沿線灌溉用水相對(duì)充足，另外得益于近年來(lái)引黃灌溉工程實(shí)施，植被生產(chǎn)力較強(qiáng)，農(nóng)作物生長(zhǎng)條件和生態(tài)環(huán)境向好^[11]。

3.1.2 石羊河流域植被生長(zhǎng)季RUE空間變化趨勢(shì)

圖2計(jì)算了10年中植被降水利用率空間變化趨勢(shì)，根據(jù)置信度檢驗(yàn)將變化趨勢(shì)分為五級(jí)^[12]，分別是顯著退化（Qlt;-1%）、輕微退化（-1%lt;Qlt;-0.5%）、穩(wěn)定（-0.5%lt;Qlt;0.5%）、輕微改善（0.5%lt;Qlt;1%）和顯著改善（Qgt;1%）。

植被降水利用率呈現(xiàn)改善的為荒漠化逆轉(zhuǎn)區(qū)域，呈現(xiàn)退化的則為荒漠化發(fā)展區(qū)域。近10年來(lái)，石羊河流域近一半土地荒漠化狀況以逆轉(zhuǎn)為主，顯著改善區(qū)域主要分布在涼州、古浪南部山區(qū)及天祝藏族自治縣北部和民勤縣境內(nèi)紅崖山水庫(kù)下游部分地區(qū)，占石羊河流域總面積的7.3%；輕微改善區(qū)域主要分布在流域中部、東北地區(qū)東部和東南地區(qū)大部分地區(qū)，占總面積的41.2%；保持原狀的面積占47.7%，主要位于民勤縣東北部、永昌縣西部、流域西南部及南部邊緣區(qū)；生態(tài)退化面積占比很少，約為3.8%，其中，輕微退化占3.4%、明顯退化占0.4%，主要散布在涼州區(qū)、天祝縣、永昌縣和民勤縣個(gè)別地方，說(shuō)明上述地方有一定的荒漠化發(fā)展趨勢(shì)，但規(guī)模很小。綜合看來(lái)，石羊河流域生態(tài)環(huán)境在近10年內(nèi)得到了較大改善，只有極少部分地區(qū)存在生態(tài)退化的現(xiàn)象。

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)度的荒漠化驅(qū)動(dòng)機(jī)制

3.2.1 荒漠化的主要驅(qū)動(dòng)力

植被降水利用率驅(qū)動(dòng)因子灰色關(guān)聯(lián)度分析顯示（表1），在第一影響因子中日照時(shí)數(shù)所占面積比例為37.58%，在所有影響因子中最大，幾乎遍布在石羊河流域各個(gè)地區(qū)，其次是氣溫和人口數(shù)量，分別占32.68%和15.61%；第二影響因子中排在前三位的依然是日照時(shí)數(shù)、人口數(shù)量和氣溫，分別占28.46%、23.94%和21.91%；在第三影響因子中，氣溫和日照時(shí)數(shù)仍然是主要影響因子，分別占21.92%和12.83%，而排在首位的是相對(duì)濕度，占比達(dá)39.98%，此外有12.06%的區(qū)域以人口數(shù)量為第三影響因子。

總體來(lái)看，影響石羊河流域荒漠化進(jìn)程的主要驅(qū)動(dòng)力為氣溫、日照時(shí)數(shù)和人口數(shù)量，相對(duì)濕度、糧食產(chǎn)量和壓沙造林面積次之。本研究通過(guò)引進(jìn)植被降水利用率進(jìn)行石羊河流域荒漠化評(píng)價(jià)，很好地剔除了降水量變化的干擾，比較準(zhǔn)確地反映了流域近10年內(nèi)荒漠化發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在大部分地區(qū)，平均氣溫升高、日照時(shí)數(shù)和人口數(shù)量減少均對(duì)荒漠化演變有抑制作用。而相對(duì)濕度增大、糧食產(chǎn)量和壓沙造林面積增加對(duì)荒漠化演變貢獻(xiàn)率也不容小覷。

3.2.2 荒漠化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

分析荒漠化的主要驅(qū)動(dòng)力是為了識(shí)別出導(dǎo)致荒漠化的主要影響因子，將植被降水利用率變化趨勢(shì)圖與其驅(qū)動(dòng)因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果做疊加分析，得到植被生態(tài)環(huán)境顯著改善和顯著退化時(shí)各驅(qū)動(dòng)因子所占的比例（表2），結(jié)合RUE與各影響因子間不同空間相關(guān)關(guān)系面積占比（表3），分析流域荒漠化的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

在植被降水利用率改善區(qū)域，第一影響因子中氣溫占33.42%，在植被較為茂盛地區(qū)，較高氣溫有利于植被生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，對(duì)生態(tài)環(huán)境改善有積極作用；其次是人口數(shù)量和相對(duì)濕度，分別占14.45%和14.21%，日照時(shí)數(shù)（14.15%）、壓沙造林面積（13.12%）分列第四、第五位。第二影響因子中，所占比例最大的仍然是氣溫，為24.31%；其次，相對(duì)濕度與人口數(shù)量分別占23.27%和21.35%，壓沙造林面積（12.73%）和日照時(shí)數(shù)（8.46%）分列第四、第五位；第三影響因子中排名前三的主導(dǎo)因子為相對(duì)濕度、氣溫和人口數(shù)量，分別占33.64%、19.44%和14.41%，糧食產(chǎn)量（13.62%）和壓沙造林面積（11.14%）分列第四、第五位。結(jié)合表3可知，在改善區(qū)域中，植被降水利用率與日照時(shí)數(shù)主要呈負(fù)相關(guān)，與氣溫、相對(duì)濕度主要呈正相關(guān)，而10年內(nèi)流域日照時(shí)數(shù)總體減少、氣溫升高、相對(duì)濕度略增大，很好地解釋了植被降水利用率顯著改善的自然原因；RUE與壓沙造林面積大部分改善區(qū)域呈正相關(guān)、與人口數(shù)量呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境改善的正向效應(yīng)日趨明顯、不利影響顯著減少，10年來(lái)壓沙造林面積逐年增加和人口數(shù)量減少是荒漠化程度減輕和改善的主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素。

在顯著退化地區(qū)，28.43%的區(qū)域以日照時(shí)數(shù)為第一影響因子，所占比例最大；人口數(shù)量和氣溫占比分別為20.18%和16.35%，此外平均相對(duì)濕度（11.45%）、壓沙造林面積（10.21%）、糧食產(chǎn)量（10.12%）合計(jì)占比31.78%；第二影響因子中氣溫占比為19.91%，其次是相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)，分別為19.64%和17.24%，另外人口數(shù)量（16.34%）、壓沙造林面積（14.34%）、糧食產(chǎn)量（9.43%）合計(jì)占比40.11%；第三影響因子中位列前三的是日照時(shí)數(shù)（21.17%）、氣溫（18.32%）和相對(duì)濕度（17.62%），糧食產(chǎn)量（15.33%）、人口數(shù)量（14.31%）和壓沙造林面積（13.14%）合計(jì)占比42.78%。上述區(qū)域植被降水利用率與日照時(shí)數(shù)主要呈正相關(guān)，與氣溫、相對(duì)濕度主要呈負(fù)相關(guān)，日照時(shí)數(shù)較小，不利于植被光合作用，阻礙了植被的生長(zhǎng)，造成植被生態(tài)功能下降；部分地方由于氣溫過(guò)高、相對(duì)濕度過(guò)大導(dǎo)致植被生長(zhǎng)受到抑制、荒漠化程度加劇，北部荒漠區(qū)尤其明顯；另有個(gè)別區(qū)域植被降水利用率與糧食產(chǎn)量、壓沙造林面積呈負(fù)相關(guān)，與人口數(shù)量呈正相關(guān)，糧食產(chǎn)量和壓沙造林面積增加、人口數(shù)量減少反而引起RUE減少，是在一定程度上引起荒漠化加劇的主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素。

4 結(jié)論與討論

生長(zhǎng)季RUE值由南向北依次降低。流域植被降水利用率較小的處于流域中北部沙漠區(qū)、荒漠區(qū)和植被稀疏地區(qū)，該區(qū)由于常年降水量偏少、土壤沙化或鹽漬化明顯，植物生產(chǎn)能力弱，RUE值偏低；農(nóng)業(yè)灌溉綠洲區(qū)及南部海拔較高地區(qū)的林區(qū)和草地RUE值較高。

石羊河流域綜合治理和祁連山生態(tài)環(huán)境保護(hù)修復(fù)工程的開(kāi)展，對(duì)流域生態(tài)環(huán)境改善成效顯著，10年中流域荒漠化進(jìn)程呈逆轉(zhuǎn)趨勢(shì)，石羊河流域生態(tài)環(huán)境總體得到較大改善，荒漠化顯著改善區(qū)域占流域總面積7.3%，輕微改善區(qū)域占41.2%，穩(wěn)定不變區(qū)域占47.7%，這些地區(qū)主要在流域中、南部，除天然降水量較多、光溫條件適宜外，與近年來(lái)黨和政府不斷通過(guò)調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、科學(xué)分配水資源、實(shí)施規(guī)模化生態(tài)移民搬遷工程、保障跨流域調(diào)水工程穩(wěn)定運(yùn)行等舉措是密不可分的；生態(tài)退化面積僅占流域總面積的3.8%，主要是北部荒漠降水量稀少、土壤鹽漬化較為嚴(yán)重的地方，其中輕微退化占3.4%、明顯退化占0.4%。

10年中流域荒漠化主要驅(qū)動(dòng)力為日照時(shí)數(shù)、氣溫、人口數(shù)量，相對(duì)濕度、糧食產(chǎn)量、壓沙造林面積次之。就驅(qū)動(dòng)機(jī)制而言，在荒漠化趨勢(shì)改善的區(qū)域，引起荒漠化顯著改善的主要驅(qū)動(dòng)力中自然因子依次為日照時(shí)數(shù)減少、氣溫升高和相對(duì)濕度增加，經(jīng)濟(jì)社會(huì)因子依次為壓沙造林面積增加和人口數(shù)量減少；在個(gè)別荒漠化趨勢(shì)加劇的地區(qū)，日照時(shí)數(shù)減少、氣溫升高、相對(duì)濕度增大、糧食產(chǎn)量和壓沙造林面積增加及人口數(shù)量減少反而引起RUE降低，這與荒漠區(qū)植被和山區(qū)植被對(duì)光、溫、濕條件的響應(yīng)機(jī)制不同有關(guān)外，可能還存在其他自然或人為因素影響，這將是我們今后研究的關(guān)注點(diǎn)。

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收稿日期：2023-05-26

基金項(xiàng)目：武威市市列科技計(jì)劃項(xiàng)目“石羊河流域荒漠化遙感監(jiān)測(cè)及其驅(qū)動(dòng)力研究”（項(xiàng)目編號(hào)：WW2002007）；中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“西北干旱與生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)”（項(xiàng)目編號(hào)：GHSCXTD-2020-4）。

作者簡(jiǎn)介：李興宇（1990-），男，碩士，工程師，主要從事生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)和科研工作。