基于MEDALUS模型的塔里木河流域土地荒漠化敏感性評估

摘要：塔里木河流域面臨植被退化、土地荒漠化等生態問題，為解決這一問題，需要開展荒漠化敏感性評估。采用遙感、全球定位系統和地理信息系統，構建土壤、植被、氣候和管理質量等指標定量評估，利用地中海荒漠化與土地利用（Mediterranean Desertification and Land Use，MEDALUS）模型計算敏感性指數獲取荒漠化敏感區，在此基礎上分析荒漠化敏感性的驅動因素。結果表明，塔里木河流域屬于極高敏感區。荒漠化敏感性的空間格局是中部高、北部低，主要由與人類活動有關的管理質量指數決定。從綠洲內至綠洲外，荒漠化敏感性逐漸升高，大致呈層狀分布，表明人類活動對荒漠化影響顯著，建議加強和鞏固綠洲外圍的防護體系建設。

關鍵詞：土地荒漠化；敏感性；地中海荒漠化與土地利用（MEDALUS）模型；塔里木河流域

中圖分類號：X171 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0662

Land Desertification Sensitivity Assessment in Tarim River Basin Based on MEDALUS Model

TANG Mengying1，2， ZHANG Haijun2， DING Jianli1，3， LI Ling2， WANG Baocai2， ZHAO Juan2

（1. College of Geographical and Remote Sensing Science， Xinjiang University， Urumqi 830017， China;

2. Academy of Forest and Grassland lnvestigation and Planning， Xinjiang Uygur Autonomous Region， Urumqi 830049， China;

3. Xinjiang Institute of Technology， Aksu 843100， China）

Abstract： The Tarim River basin is facing ecological problems such as vegetation degradation and land desertification. To address these issues， it is necessary to conduct desertification sensitivity assessments. The remote sensing， global positioning system， and geographic information system are used to construct quantitative assessment of soil， vegetation， climate and management quality， and the Mediterranean Desertification and Land Use （MEDALUS） model is used to calculate sensitivity index to obtain desertification sensitive areas. On this basis， driving factors of desertification sensitivity are analyzed. The results show that the Tarim River basin belongs to the extremely sensitive area. The spatial pattern of desertification sensitivity is high in the central region and low in the northern region， which is mainly determined by the management quality index related to human activities. The sensitivity of desertification increased gradually from inside oasis to outside oasis， and the distribution was roughly stratified， indicating that human activities have a significant impact on desertification. It is suggested to strengthen and consolidate the protection system construction of the oasis periphery.

Keywords： land desertification; sensitivity; Mediterranean Desertification and Land Use（MEDALUS） model; Tarim River basin

土地荒漠化受氣候變化和人類活動共同影響，指發生在干旱、半干旱地區及一些半濕潤地區的土地退化現象[1-2]。土地退化不僅加速了生態環境的惡化，還減少了農業生產力的持續供應[3-4]，甚至增加了干旱的嚴重程度和頻率，對人類生存構成嚴重威脅。目前，針對這些問題，國內外學者已經提出不同方法和模型來進行土地荒漠化評估[5-7]。LADISA等[8]在谷歌地球引擎云平臺（MEDALUS-GEE）中開發了地中海荒漠化與土地利用（Mediterranean Desertification and Land Use，MEDALUS）模型，評估青尼羅河流域300 m網格處的環境敏感區指數。SHAO等[9]利用土壤、地貌、氣候等指標，構建干旱和半干旱地區荒漠化環境敏感性指數模型，以確定河西走廊潛在荒漠化風險的分布模式。

塔里木河位于中國西北地區，是中國內流河之一，總長度約2 030 km，流域面積約50萬km2，是中國少數沒有流入海洋的河流之一。塔里木河發源于喀喇昆侖山，流經新疆維吾爾自治區的哈密市、和田市、阿克蘇市、喀什市等地，最終注入塔里木盆地的鹽湖。塔里木河流域氣候干旱，水資源匱乏，生態環境面臨嚴重挑戰。同時，該地區沙漠化嚴重，環境脆弱，生態系統易受到破壞。

塔里木河流域是新疆典型的生態環境敏感區，荒漠化極為突出。近年來，塔里木河流域的生態環境問題得到了廣泛關注，相關部門和學者積極開展了一系列研究工作，旨在保護和恢復該地區的生態環境，促進可持續發展。本研究基于多源遙感數據，利用遙感、全球定位系統和地理信息系統，構建塔里木河流域生態環境敏感指數（Environmental Sensitivity Index，ESI）模型，評估土地沙化荒漠化情況，以期為流域生態文明建設、生態安全、荒漠化治理及經濟高質量發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

研究所需指標的數據集來源不同，具體如表1所示。作為解決方案，研究采用了最廣泛的指標評估土地退化的相對敏感度。在流域范圍內，為有針對性地防治土地退化，需要評估荒漠化的環境敏感地區，并了解其主要驅動因素。利用ArcGIS軟件，評估塔里木河流域1 km網格的ESI。利用土壤、氣候、植被以及管理的10個關鍵指標評價土地敏感性。

1.2 研究方法

使用MEDALUS模型，監測荒漠化敏感性，開展荒漠化評估。FARAJZADEH M等[10]使用MEDALUS模型評估荒漠化。MEDALUS模型確定了環境敏感區域，涉及土壤、植被、氣候和人類活動指標。每個指標由一個指數表示，該指數由子指數的組合計算得出。

1.2.1 土壤質量指數

土壤有機質（Soil Organic Matter，SOM）含量、土壤含砂量（Soil Sand Content，SSC）、電導率（Electrical Conductance，EC）等數據來自國家青藏高原科學數據中心（http：//data.tpdc.ac.cn），數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數據集源自中國科學院資源環境科學與數據中心（http：//www.resdc.cn），利用DEM提取土壤坡度數據。這些土壤指標均納入土壤質量指數（Soil Quality Index，SQI）的計算。

自然間斷點分級法是基于數據分布特征的自然分組，能夠根據分類間隔進行最恰當的分組，并使各組之間的差異最大化。使用自然間斷點法分類各指標，并按照MEDALUS模型賦權重（見表2）[11-12]，土壤質量指數計算如式（1）所示。

S=（a×M×l×E）1/4（1）

式中：S為土壤質量指數；a為土壤砂粒含量；M為有機質含量；l為坡度；E為電導率。

1.2.2 植被質量指數

植被質量指數（Vegetation Quality Index，VQI）是評估植被生長狀況的指數，通常用遙感影像數據來計算。VQI可以反映植被的生長狀態、植被覆蓋度（Fractional Vegetation Cover，FVC）、植被密度等信息。VQI的計算方法有多種，常見的是基于歸一化植被指數（Normalized Vegetation Index，NVI）的計算方法。植被指標的類別及權重如表3所示[11-12]。

1.2.3 氣候質量指數

氣候指標解釋了氣候如何影響農業生態系統的水可用性、降雨侵蝕性以及小氣候條件的影響。氣候質量指數（Climate Quality Index，CQI）主要使用降水量、地表溫度、蒸散發量（Evapotranspiration，ET）指標，評估氣候質量的相對敏感性。氣候指標的類別及權重如表4所示[11-12]。

1.2.4 管理質量指數

管理質量指數（Management Quality Index，MQI）解釋了人類活動如何加速或緩解荒漠化和退化現象。MQI從土地利用和人口密度兩個方面進行評估。管理指標的類別及權重如表5所示[11-12]。

1.2.5 荒漠化敏感性指數

采用幾何平均法將SQI、CQI、VQI、MQI質量指數進行綜合，借助自然間斷點法將荒漠化敏感性分為極低、較低、較高以及極高敏感性4類，荒漠化敏感性分級如表6所示。

使用土地荒漠化評估方法將4個指標（SQI、CQI、VQI、MQI）組合在一起，并將其應用于GIS模型，以計算ESI和繪制荒漠化敏感性地圖。ESI評估計算如式（2）所示。

I=（S×C×V×Q）1/4（2）

式中：I為土地荒漠化敏感性指數；S為土壤質量指數；C為氣候質量指數；V為植被質量指數；Q為管理質量指數。

2 結果與分析

土壤質量荒漠化敏感性的空間分布如圖1（a）所示。高敏感區分布廣泛，主要在綠洲外圍、沙地、裸地，這些區域基本沒有人類活動，主要是風力侵蝕作用。圖1（b）為植被質量指數空間分布，塔里木河主要為綠洲地帶，新和縣、沙雅縣地帶植被覆蓋度較高，綠洲外圍及中下游區域植被蓋度整體較低。

圖1（c）的研究區氣候質量指數具有顯著的空間異質性，塔克拉瑪干沙漠地帶的氣候敏感性較低，恰與研究區降水量的分布格局相近，主要是因為山區海拔較高地帶與中部平原相比，降水較充沛。圖1（d）為研究區管理指數分布圖，管理指數高敏感區域主要為沙地和裸地，偏高區域主要分布在周邊人口密度較大的市縣，人類活動較為劇烈，易發生土地荒漠化。

土地荒漠化敏感性評估空間分布如圖2所示。土地荒漠化敏感性呈現出中部沙漠較低、環塔里木盆地較高的特征。荒漠化極高敏感區集中分布于研究區西南部、渭庫綠洲南部天山南脈地區、塔里木盆地中部、研究區北部河道干涸后形成的沙地、和田河流域西部以及克里亞河流域東部邊緣。

根據變異系數計算VQI、SQI、MQI、CQI指標權重的結果（見圖3），SQI主要受MQI作用，因此人類壓力增加使得土壤質量變弱。近年來，塔里木河流域周邊人口聚集，致使該流域周邊農業人口激增，耕地面積擴大，水資源消耗增加，進一步加劇荒漠化[13]。氣候干旱、降水稀少是研究區土地荒漠化的潛在推動力。綜合而言，塔里木河流域土地荒漠化影響因子包括自然因素和人為因素，自然因素起加劇的作用。

3 討論

塔里木河流域是中國西部重要的經濟發展區域，也是重要的荒漠化和土地沙化區域。針對塔里木河流域的土地沙化和荒漠化問題，進行了敏感性評價，以期為該區域的環境治理和可持續發展提供支持。

3.1 土地沙化和荒漠化的原因與危害

土地沙化和荒漠化是氣候變化和人類活動引起的生態環境破壞現象，主要發生在沙漠化和半沙漠化地區。氣候暖干，降雨量減少，土地表面大量水分蒸發，引發土地干旱、缺水、草木枯死等現象。同時，人類活動進一步破壞了土地生態系統，如過度開墾土地、過度放牧、垃圾堆積等，導致荒漠化現象越來越嚴重。荒漠化和土地沙化對當地的生態和經濟都有嚴重的影響，特別是對當地農民的生計構成了極大的威脅。

3.2 敏感性評價的基本原則和程序

在荒漠化和土地沙化嚴重的情況下，開展敏感性評價至關重要。敏感性評價是基于多因素關系的復雜系統理論，考慮當前狀態、自然地理要素、人類活動、因果關系等因素的交互，以此評估當前情況下的局限性和潛在影響。敏感性評價有基本原則和程序。其中，基本原則包括綜合性、科學性、系統性以及實用性質量等；程序包括確定規模和手段的評價目標、收集數據和分析信息、建立評估模型以及大量試點分析等。

3.3 塔里木河流域土地沙化荒漠化敏感性評價

針對塔里木河流域的情況，進行了敏感性評價。根據該地區的自然屬性和生態系統狀況，確定了當前沙漠化和荒漠化的規模，并分析可能發生的潛在影響。通過數據分析，發現當地的極端氣候變化和人類活動（不合理的土地開墾、過度放牧等）是導致當地荒漠化和土地沙化的主要原因。過度放牧會引發土地缺水、生態破壞、垃圾堆積、浪費資源等問題。評估模型建立在評估目標的基礎上，通過大量試點分析，對流域歷史影響和可能的未來影響做出了綜合評估。

3.4 敏感性評價的結果和應對建議

敏感性評價的結果表明，塔里木河流域的土地沙化和荒漠化問題十分嚴重，需要采取一系列的應對措施。首先，政府和公眾需要更加關注當地的環境問題，加強生態環境保護。其次，加強信息共享和科技創新，提高當地生態環境治理和規劃的科學性和精確性。最后，開展大規模的保護和恢復土地生態系統工作，以鞏固當地的環境保護成果，實現塔里木河流域的可持續發展。

4 結論

敏感性評價是針對塔里木河流域土地沙化荒漠化現象，確定其局限性和潛在影響的重要手段。通過評估，可明確針對性措施，加強當地的生態保護和環境治理，為當地經濟發展提供有利的環境保障。氣候干旱、水資源短缺、過度放牧等因素導致土地荒漠化問題較嚴重。因此，利用MEDALUS模型評估該地區的土地荒漠化敏感性具有重要意義，可以更加全面地了解塔里木河流域土地荒漠化的情況和影響因素，為制定科學的防治對策提供參考。

參考文獻

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13 FERRARA A，KOSMAS C，SALVATI L，et al.Updating the MEDALUS-ESA framework for worldwide land degradation and desertification assessment[J].Land Degradation amp; Development，2020（12）：1593-1607.

基金項目：新疆維吾爾自治區林業和草原局林草科技項目“塔里木河流域土地沙化敏感性評估與治理模式及開發潛力研究”（XJLYKJ-2024-03）；科技部第三次新疆綜合考察——塔里木河流域荒漠河岸林生態系統健康調查與評估（2022xjkk030103）。

作者簡介：唐夢迎（1992—），女，新疆烏蘇人，碩士，工程師。研究方向：干旱區生態環境遙感監測。

通信作者：張海軍（1974—），男，河南正陽人，正高級工程師。研究方向：干旱區林草調查和規劃設計。