近40a海西蒙古族藏族自治州沙漠化时空变化及驱动力分析

丁文广，耿怡颖，张慧琳，陈利珍

（兰州大学资源环境学院；西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000）

近40a海西蒙古族藏族自治州沙漠化时空变化及驱动力分析

丁文广，耿怡颖，张慧琳，陈利珍

（兰州大学资源环境学院；西部环境教育部重点实验室，甘肃兰州 730000）

通过对海西蒙古族藏族自治州1975—2015年Landsat卫星遥感影像进行解译，获取了该州近40 a沙漠化土地动态变化特征。结果表明：（1）研究区近40 a沙漠化土地面积先增加后减少，1975—1995年为沙漠化发展时期，1995—2015年为沙漠化逆转时期，1995年沙漠化程度最高，沙漠化土地面积17 1591.42 km2；（2）沙漠化变化集中在研究区高海拔地区，柴达木盆地内部一直以重度沙漠化为主；沙漠化明显发展和明显逆转分别集中在1985—1995年和1995—2005年；（3）各类型沙漠化土地重心迁移总体表现为1975—1995年向东迁移，1995—2015年向西折返。通过对海西蒙古族藏族自治州沙漠化时空变化的驱动因素进行分析，表明人为因素是造成20世纪90年代之前研究区沙漠化显著发展的主导因素，而气候因素和人为因素共同促进了之后的沙漠化逆转。

沙漠化；遥感解译；时空变化；驱动力

沙漠化是指干旱、半干旱及亚湿润干旱区生态环境受到自然因素或人类活动的影响出现土地退化的过程，是全球面临的最为严重的生态环境问题之一。据统计，全球已经受到或预计受到沙漠化影响的土地面积超过全球土地面积的1/3，沙漠化土地在干旱和半干旱区可占到土地面积的90%以上[1-2]。我国是世界上沙漠化较为严重的国家之一，统计资料显示沙漠化土地面积占到我国国土面积的27.4%，受影响人口近4亿，在引发生态问题的同时也造成了巨大的经济损失[3-4]，因此沙漠化研究已经成为生态环境研究领域的热点问题。面对沙漠化的现实，开展沙漠化监测，研究沙漠化演化特征，分析沙漠化变化的驱动因素成为沙漠化研究的重要内容[5-8]。沙漠化时空变化的动态监测可实现沙漠化形成和演化趋势的定量分析，为预测未来变化趋势奠定基础，也可为沙区产业结构的调整和资源的合理配置提供科学依据；沙漠化驱动力分析研究则可为制定沙漠化治理方案和防沙治沙政策提供决策依据。近年来，遥感数据以其精度高、信息量大和观测范围广等优点被广泛地应用在沙漠化研究中[8-12]，通过对遥感数据信息的提取可实现对沙漠化土地分级的定量研究以及沙漠化时空变化的动态监测，也为沙漠化风险评估提供依据。本文利用Landsat卫星遥感数据对青海省海西蒙古族藏族自治州1975年以来沙漠化的时空演变过程进行分析，探索该地区沙漠化的时空变化规律和沙漠化变化的驱动因素，以期为制定研究区沙漠化防治对策、确定合理有效的治沙模式和国家防沙治沙的宏观战略提供科学依据。

1 研究区概况

海西蒙古族藏族自治州（以下简称海西州）位于青海省西北部，地处青海、新疆和甘肃三省交汇地带（图1），地理坐标位于90°006′～99°042′E、35° 001′～39°020′N之间，东西长837 km，南北宽486 km，总面积3.258×105km2，占青海省总面积的45.17%。海西州下辖德令哈和格尔木2个县级市，天峻、乌兰、都兰3个县以及大柴旦、冷湖、茫崖3个县级行委。由于唐古拉山地区隶属于格尔木市的飞地，为了保证研究区地块的完整性，本文的研究区不包括与海西州主体不相连的唐古拉山镇（图1）。海西州地处青藏高原东北缘，以柴达木盆地为主体，其面积占全州国土面积的78%，盆地被昆仑山、阿尔金山和祁连山所围绕，地势高差较大，最高海拔超过6000 m，最低海拔2675 m（图1）。海西州为典型的高原大陆性气候，全年平均日照时长近3000 h，太阳辐射强，昼夜温差大，常年干旱、多风、少雨；年平均气温4°C左右，年降水量约177 mm，其中柴达木盆地内年降水量和年平均气温均低于盆地周边高海拔区域，约90%以上降水集中在5—9月。

图1 海西州地理位置及地形图

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

本文中沙漠化动态监测信息源主要为Landsat卫星遥感影像，分别选择研究区1975年MSS影像及1985、1995、2005年和2015年TM/ETM影像作为数据源。为了减小季相和云量对监测的影响，尽量选择夏秋季云量小于10%的遥感影像。以研究区90 m分辨率DEM数据、土地利用图、植被图、地形图等为辅助数据，利用ENVI5.0软件对获取的遥感影像进行辐射定标、FLAASH大气校正、影像裁剪镶嵌等预处理。本研究利用反映植被覆盖度的归一化植被指数NDVI指示沙漠化程度，因为通常认为植被覆盖度是指示土地沙漠化的良好指标。对完成预处理的影像进行波段合成，其中MSS影像合成7、5、4波段，TM/ETM影像合成4、3、2波段，计算NDVI指数。为了更好地反映沙漠化情况，对研究区水体、居民地、农田等信息进行目视解译，解译过程中结合土地利用数据和Google Earth高分辨率影像对解译结果进行修正，对得到的上述解译信息进行擦除。最后采用像元二分模型计算植被覆盖度，并进行决策树分类得到5期研究区沙漠化分布图。为了检验解译精度，随机抽取了30个样点开展野外考察并与解译结果进行对比，结果显示解译正确率超过90%，满足研究要求。

2.2 沙漠化程度分级

本研究的沙漠化程度分级标准参照了丁文广[12-13]等制定的土地沙漠化遥感监测分类系统，根据植被覆盖情况将沙漠化土地分为轻度、中度、重度沙漠化3个等级，其余土地统一划分为非沙漠化土地（表1）。

表1 研究区土地沙漠化程度分级标准

2.3 沙漠化转移矩阵

沙漠化转移矩阵可以反映研究时段初期和末期各类型沙漠化土地之间相互转换的动态信息，该矩阵形式可以借鉴通用的土地利用转移矩阵[14]表示为：

式中S表示面积，n表示沙漠化土地的类型数，i、j分别表示研究初期和末期的沙漠化土地类型；Sij表示转移前的i类沙漠化土地转换成转移后的j类沙漠化土地的面积；矩阵中每行元素代表转移前i类沙漠化土地向转移后其他类型沙漠化土地流出的面积，每列元素则代表转移后的j类沙漠化土地由其他类型沙漠化土地流入的面积。

利用ENVI5.0软件中变化监测工具对研究时段内的沙漠化分布栅格数据进行变化统计，得到沙漠化转移矩阵。

为了更为直观地显示研究时段内沙漠化土地时空变化过程，基于5期沙漠化分布数据在ArcGIS10.2软件中制作研究区沙漠化土地发展与逆转图。图中发展和逆转类型的定义为：“发展”指由较轻程度沙漠化向较重程度沙漠化转变（如非沙漠化向轻度沙漠化转变），发展级别为两个或两个以上时定义为“明显发展”（如非沙漠化向中度或重度沙漠化转变）；“逆转”指由较重程度沙漠化向较轻程度沙漠化转变，逆转级别为两个或两个以上定义为“明显逆转”。沙漠化程度没有变化被定义为“稳定”。

2.4 沙漠化重心迁移模型

沙漠化重心迁移是研究沙漠化土地空间动态变化的重要内容[15-17]。为了表征近40 a海西州沙漠化空间迁移的方向和距离，本研究采取常用的重心迁移模型计算沙漠化土地空间变化的重心迁移方向及距离，其公式为：

式中，X、Y分别代表某年某种类型沙漠化土地重心的经纬度坐标；n代表某年某种类型沙漠化土地的斑块数；Ci代表某年某种类型沙漠化土地第i个斑块的面积；Xi、Yi代表某年该类型沙漠化土地第i个斑块的几何中心地理坐标。

3 结果与讨论

3.1 海西州沙漠化时空演化特征

3.1.1 沙漠化土地面积变化

海西州1975—2015年沙漠化土地面积表现为先增加后减少的特征，其中1995年沙漠化面积最大，达到171 591.42 km2，1975、1985、2005年和2015年沙漠化土地面积分别为161 251.73 km2、162 002.11 km2、167 507.81 km2和160 199.32 km2。研究区近40 a重度沙漠化土地面积一直多于其他类型沙漠化土地面积（图2），说明研究区沙漠化类型主要以重度沙漠化为主。研究区各类型沙漠化土地面积以1995年为界发生了显著改变（图2），其中非沙漠化和轻度沙漠化土地先减小后增加，而中度和重度沙漠化土地面积则先增加后减小。

从各类型沙漠化土地空间分布（图3）来看，近40 a研究区沙漠化土地以重度沙漠化类型为主导，且多集中在柴达木盆地内部，而非沙漠化和轻度沙漠化土地则主要集中在研究区东部和西南部的高海拔地区。1995年与1985、1975年相比，中度以上沙漠化土地分布范围显著扩张，特别是研究区南部地区沙漠化程度较低的土地向沙漠化程度较高土地发展较为明显，德林哈地区轻度沙漠化土地大部分发展为中度和重度沙漠化土地；2005年和2015年，重度沙漠化土地分布范围较1995年显著缩小，特别是在研究区南部高海拔地区和德令哈地区沙漠化程度逆转较为显著，大部分重度沙漠化土地在2005年和2015年转为中度和轻度沙漠化土地。

图2 海西州近40 a各类型沙漠化土地面积

3.1.2 沙漠化土地类型转移

从沙漠化发展与逆转图（图4）中可以看出，研究区在1975—1995年以沙漠化的发展为主要特征，1985—1995年发展程度要强于1975—1985年；而1995—2015年沙漠化则主要以逆转为主。沙漠化明显发展和明显逆转分别集中在1985—1995年和1995—2005年。从区域分布看，沙漠化变化区域主要集中在柴达木盆地周边高海拔地区，盆地内部沙漠化较为稳定，基本上以重度沙漠化为主（图3），沙漠化总体呈现从柴达木盆地到外围山区由重变轻的特点。

1975—1985年，研究区沙漠化变化较小且以发展为主，沙漠化土地类型的转化主要为轻度沙漠化向中度沙漠化和非沙漠化向轻度沙漠化转变，变化面积分别为9 162.59 km2和699.24 km2，其余类型沙漠化土地之间转化面积均较小（表2）。

1985—1995年，研究区沙漠化发展较为显著，大部分沙漠化变化区域以发展为主，其中有23 369.61 km2中度沙漠化土地发展为重度沙漠化土地，22 774.19 km2轻度沙漠化土地发展为中度沙漠化土地，8 985.02 km2非沙漠化土地发展为轻度沙漠化土地。部分区域表现为明显发展，主要来自于9 903.44 km2轻度沙漠化土地发展为重度沙漠化土地的贡献。另外，部分区域表现为沙漠化的逆转，主要零星分布在研究区南部都兰县，其中有2 341.72 km2重度沙漠化土地逆转为中度沙漠化土地，4 118.22 km2中度沙漠化土地逆转为轻度沙漠化土地。

图3 海西州近40 a各类型沙漠化土地分布

图4 海西州近40 a沙漠化发展与逆转

表2 海西州沙漠化转移矩阵km2

1995—2005年，研究区沙漠化变化以逆转为主，说明研究区生态环境状况在1995年后有所改善。其中沙漠化变化较大的是23 749.56 km2重度沙漠化土地逆转为中度沙漠化土地，16 493.03 km2中度沙漠化土地逆转为轻度沙漠化土地，5 479.95 km2轻度沙漠化土地逆转为非沙漠化土地；部分地区出现明显逆转，其中有6 544.93 km2重度沙漠化土地逆转为轻度沙漠化土地，同时分别有1 447.99 km2重度沙漠化土地和1 396.53 km2中度沙漠化土地逆转为非沙漠化土地；该时段沙漠化发展仅在少部分区域零星出现，主要由3 118.27 km2的非沙漠化土地发展为轻度沙漠化土地所贡献。

2005—2015年，研究区沙漠化土地变化继续以逆转为主，但逆转程度要弱于1995—2005年。其中变化较大的是11 850.14 km2重度沙漠化土地逆转为中度沙漠化土地，23 088.28 km2中度沙漠化土地逆转为轻度沙漠化土地，8 167.90 km2轻度沙漠化土地逆转为非沙漠化土地；其他各类型沙漠化土地之间转变面积均较小。

3.1.3 沙漠化重心迁移

由沙漠化重心空间迁移图（图5）可知，研究区沙漠化总体重心变动跨度相对较小，但各类型沙漠化重心变动跨度较大，且沙漠化程度越轻，其重心迁移距离越大，可能是因为较轻程度的沙漠化土地通常位于沙漠化土地边缘区，对自然和人为影响因子的响应更敏感。沙漠化的重心迁移方向均呈“先向东后向西”的运动轨迹，重心最东端为1995年。根据研究区降水东南多西北少的空间分布规律，可知沙漠化重心向东迁移指示沙漠化扩张，向西指示沙漠化退缩，1995年沙漠化最为严重，其作为沙漠化扩张与退缩的界限与沙漠化面积变化和土地类型转移计算结果一致。从迁移距离来看，1975—1985年的重心迁移距离最短，这主要与同期沙漠化土地变动的面积相关，面积变化越小，重心迁移距离越短。

图5 海西州沙漠化土地重心迁移

1975—1985年，沙漠化整体重心迁移距离最短，其中重度沙漠化重心变化较小，中度沙漠化重心由东南向西北方向短距离迁移，轻度沙漠化重心由西北向东南短距离迁移，说明该时段研究区沙漠化土地面积总体变化不大。

1985—1995年，各类型沙漠化土地重心均呈由西向东迁移趋势，其中重度沙漠化重心由西北向东南短距离迁移，中度沙漠化重心由西南向东北方向长距离迁移，轻度沙漠化重心由西北向东南长距离迁移，指示该时期研究区沙漠化土地分布范围发生了显著扩张，表明了研究区生态环境的显著恶化。

1995—2005年，各类型沙漠化重心均为长距离迁移，但迁移方向与1985—1995年相反，呈由东向西迁移趋势，其中重度沙漠化重心由东南向西北迁移，中度沙漠化重心由东北向西南方向迁移，轻度沙漠化重心由东北向西南方向迁移，指示该时期研究区沙漠化土地分布范围发生了显著收缩，生态环境有所改善。

2005—2015年，各类型沙漠化重心继续呈由东向西迁移趋势，其中重度沙漠化重心由东南向西北迁移，中度沙漠化重心由东北向西南迁移，轻度沙漠化重心由东北向西南迁移。但是该时段迁移距离较1995—2005年要短，说明研究区沙漠化范围在1995—2005年基础上再次收缩，但收缩幅度要小于1995—2005年，指示了研究区生态环境的进一步改善。

3.2 海西州沙漠化变化驱动力分析

3.2.1 自然因素

自然因素是决定地貌景观的主要因素之一，也是推动沙漠化时空变化的首要因素，主要包括地形、地貌、温度和降水等。

首先，研究区位于青藏高原东北缘，以柴达木盆地为主体，这种特殊的地形条件形成的“雨影效应”导致来自印度洋的水汽难以到达该区，而深入西北内陆的地理位置使东亚季风携带水汽也难以到达该区。降水的缺乏是研究区形成干旱的气候条件，为土地沙漠化提供了基础条件。研究区地形起伏较大，海拔高差近3500 m（图1），复杂的地形地貌条件导致水热条件的分配在不同区域存在较大的差异，这种差异可能是决定不同类型沙漠化分布的主导因素，如柴达木盆地内部海拔相对较低，干热气候条件的形成要易于盆地周边高海拔区域，利于大型沙丘的形成，因此研究区重度沙漠化土地主要集中在盆地内部；而盆地周边高海拔区域温度较盆地内部要低，降水相对较多，但对气候因子变化较为敏感，因此沙漠化程度较轻的土地主要集中在这些地区，同时也是各类型沙漠化变化的主要区域。

其次，大量的研究结果证实全球气候变化是导致沙漠化加剧的重要因素之一[2，18-22]，因此气候因素可以显著地影响土地沙漠化的程度和变化过程，其中温度、降水和风速等气候因素则是影响沙漠化的主要因子。通常情况下，温度升高可以加剧地表水分的蒸发造成土地干裂，利于土地沙漠化；降水增多则可以增加土壤水分，促进成壤作用和植被生长，利于沙漠化逆转；风速增加会加速地表水分流失，加剧表土风化作用，利于土地沙漠化。通过收集和分析研究区各县区气象站温度、降水和风速等气候监测数据发现，研究区自20世纪70年代以来温度和降水均呈整体增加趋势，线性回归相关系数分别为0.71和0.024（图6），其中70、80、90年代及2000年以来年均温度分别为2.61±0.35、2.89±0.51、3.55±0.54℃和4.27±0.41℃，年降水量分别为105.97±16.22、120.01±29.60、107.23±14.39 mm和117.13±30.39 mm；另外，研究区平均风速和年大风天数均呈整体减小趋势，线性回归相关系数分别为0.87和0.51（图6），其中70、80、90年代及2000年以来平均风速分别为3.57±0.20、2.95±0.16、2.52±0.13 m/s和2.30± 0.12 m/s，年大风天数分别为57.9±8.68、43.4±5.48、40.4±3.31 d和38.7±5.08 d。因此，总体上看，研究区自1970年以来气候条件趋于暖湿少风，有利于土壤成壤和植被生长，会限制沙漠化的发展。研究区1995—2015年沙漠化逆转较为明显，与气候变化趋势相符，说明暖湿的气候条件可能在该时段促进沙漠化逆转方面发挥了重要作用。然而，研究区1975—1995年沙漠化发展较为明显，与气候变化趋势不一致，说明该时段内人类活动可能主导了沙漠化的发展。

图6 海西州近40 a气候因子变化

3.2.2 人类活动影响

人类活动是影响区域生态环境的重要因素之一，与沙漠化的变化存在紧密的联系，特别是在现代进程中，人为因素成为影响沙漠化变化的主导因素[8，23-24]。不合理的人类活动会破坏地表生态系统，导致沙漠化加剧，而自然资源的科学合理利用和自然条件的人为改善则会提高生态环境质量，促进沙漠化的逆转。

海西州人口从建国初的1.63万人增长到2015年的50.54万人，燃料和粮食的短缺使滥砍滥伐、过度放牧等问题较为严重，导致固沙植物破坏和草场退化较为严重。20世纪90年代之前，柴达木盆地矿产开发、交通建设、移民垦荒等造成了沙区植被面积迅速减小，同样导致了沙区面积的扩大。不合理的人类活动加上相对冷干多风的气候条件共同造成了研究区20世纪90年代以前沙漠化的显著发展。90年代后，随着国家西北大开发战略的实施，生态环境治理得到重视，海西州实施了国家重点公益林、三北防护林、天然林保护、退耕还林还草等林业生态工程建设，同时大力推进柴达木荒漠化生态治理工程，建立了一系列规章制度和采取了合理措施共同保障了生态工程的顺利实施，这些工程的实施提高了研究区植被覆盖率，改善了生态环境质量，在同期相对暖湿少风气候条件的共同作用下遏制了沙区扩张和土地沙漠化发展，促进了研究区90年代后沙漠化的显著逆转。

4 结论

海西州近40 a沙漠化土地面积呈先增加后减少的趋势，其中1975—1995年为沙漠化发展时期，1995—2015年为沙漠化逆转时期，1995年沙漠化程度最高。沙漠化变化区域集中在柴达木盆地周边高海拔地区，柴达木盆地内部沙漠化较为稳定，基本上以重度沙漠化为主。海西州总体沙漠化重心变化较小，但各类型沙漠化土地重心变化较大，迁移总体表现为1975—1995年向东迁移，1995—2015年向西折返；1975—1985年重心迁移距离最短。通过对比研究区沙漠化时空变化特征和温度、降水和风速等气候因子变化特点认为人类活动可能是导致研究区20世纪90年代之前沙漠化显著发展的主要驱动因素，而之后沙漠化的逆转则是暖湿气候条件和开展一系列生态环境保护措施的共同结果。

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Analysis on Spatial-Temporal Evolution of Desertification and Its Driving Force over Haixi Mongolian and Tibetan Autonomous Prefecture in Recent 40 Years

DING Wenguang,GENG Yiying,ZHANG Huilin,CHEN Lizhen
（Key Laboratory of Western China′s Environmental Systems（Ministry of Education），College of Earth and Environmental Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Based on the interpretation of Landsat satellite remote sensing images of Haixi Mongolian and Tibetan Autonomous Prefecture from 1975 to 2015,the dynamic changes of desert land in recent 40 years were obtained.The results showed that:（1）the area of the desert land in the study area was firstly increased and then decreased in recent 40 years in the study area. Desertification developed significantly from 1975 to 1995 while reversed from 1995 to 2015.It reached the highest level in 1995 with the area of 171591.42 km2；（2）Desertification changes concentrated in the high altitude area,and the interior of the Qaidam Basin has been dominated by severe desertification；Additionally,desertification significantly developed and retreated during 1985-1995 and 1995-2005,respectively；（3）The overall migration of various types desertification land shifted eastward during 1975-1995 while turned westward during 1995-2015.The analysis on driving factors of the temporal and spatial changes of desertification in Haixi Mongolian Tibetan Autonomous Prefecture showed that human activities were the dominant factor on the remarkable development of desertification before1990s,while the climate and human factors promoted the reversal of desertification after that.

desertification；remote sensing interpretation；temporal and spatial changes；driving force

F301

A

1002-0799（2017）03-0001-08

丁文广，耿怡颖，张慧琳，等.近40 a海西蒙古族藏族自治州沙漠化时空变化及驱动力分析[J].沙漠与绿洲气象，2017，11（3）：1-8.

10.12057/j.issn.1002-0799.2017.03.001

2017-04-01

国家科技支撑计划课题（2012BAC19B09）资助。

丁文广（1963-），男（回族），教授，主要从事气候变化应对方面的研究。E-mail：wgding@lzu.edu.cn