1990—2016年若尔盖高原荒漠化时空变化分析

2017-11-15游宇驰李志威黄草曾杭

生态环境学报 2017年10期

游宇驰，李志威,*，黄草,，曾杭,

1. 长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410114；2. 青海大学三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海西宁 810016；3. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410114；4. 水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州 450003

游宇驰1，李志威1,2*，黄草1,3，曾杭1,4

近几十年若尔盖高原的荒漠化呈明显增长趋势，威胁着当地草原生态环境。为获取并定量分析若尔盖高原荒漠化的最新动态及趋势，探讨不同区域的荒漠化变化机制，利用ENVI和ArcGIS对多时相Landsat遥感数据（1990—2016年）进行处理。通过计算NDVI和Albedo，建立荒漠化指数（DDI）模型，开展若尔盖高原荒漠化等级划分以及时空分布特征的定量评估及分析。研究表明，1990—2016年荒漠化面积以2.17 km2·a-1速率呈增加趋势，1990—2004年主要以轻度和重度荒漠化的面积增加为主，其增幅分别为1.27 km2·a-1和1.36 km2·a-1；2004—2011年荒漠化整体呈逆转趋势，7年间荒漠化总面积减少33.44%，其中轻度荒漠化减少速率最快，为2 km2·a-1；2011—2016年荒漠化又趋于严重，总面积增加幅度达58.43%，仍以轻度和重度荒漠化为主，增长幅度分别为2.59 km2·a-1和4.04 km2·a-1。荒漠化的空间分布及扩张范围为：采日玛乡北部的成片泥炭沼泽的边缘处、河流附近的河漫滩与江心洲、阿西乡西南方向泥炭沼泽范围、若尔盖县西北方向沿泥炭沼泽边缘、阿西乡南部及西南方向相距12.8～18.0 km区域。荒漠化因治沙措施的作用发生短期逆转，但总体上仍呈扩张趋势，其内因是河流地貌过程及其地表以下分布疏松易破碎的堆积物和粒径细的湖相沉积物，外因是气候变化和沟渠排水引起湿地萎缩退化，以及高强度的人类活动（如过度放牧）对地表植被的破坏。

若尔盖高原；荒漠化；荒漠化差值指数；湿地萎缩；人类活动

土地荒漠化是在人类活动干扰和自然外力的作用下，陆地表面植被破坏后，形成不同程度的裸露沙化地表，并进一步扩大或形成新的荒漠土地，直接威胁人类的生存环境并影响社会可持续发展。中国干旱半干旱区多发生荒漠化或沙化（Lu et al.，2013；Yu et al.，2016），然而拥有较充沛降雨量的若尔盖高原仍出现荒漠化（Dong et al.，2010），这一现象近十几年引起了一定的关注（涂军，1990；徐刚等，2007；Hu et al.，2015；Yu et al.，2017）。若尔盖高原作为中国重要湿地和草原生态系统，其对区域的生物多样性、水文循环、碳循环、水资源保障等方面具有重要的作用，直接影响着黄河上游水源涵养、生态保护以及区域社会经济发展。然而，近几十年由于自然因素与人类活动的双重影响，若尔盖高原发生了显著的湿地萎缩、草地退化及荒漠化等严重生态问题。其中，荒漠化的发展速度和荒漠化的逆转速度极不协调的现状是该地区出现的新环境问题，对当地生态环境构成了极大的潜在威胁。已有研究表明（徐刚等，2007；Lehmkuhl等，1997），若尔盖高原荒漠化早在20世纪70年代就已出现（Lehmkuhl等，1997），在1980—2010年进入初期发展阶段（Hu et al.，2015），主要发生在黄河、黑河和白河两岸河谷以及沼泽边缘的退化地带，并且正以一定的速度和程度扩大和恶化。涂军（1990）总结得出若尔盖草原区分布着四大条带状沙地，王文丽等（2008）发现沙地变化趋势及空间分布具有阶段性及地带性规律，Dong et al.（2010）研究表明沙地面积以每年4.07%的速率扩张且主要以中轻度沙漠化为主。若尔盖荒漠化成因一般归为降雨、气温等气候要素，过度放牧，挖沟排水，草原鼠害等原因（Guo et al.，2013；Hu et al.，2017；Sun et al.，2017）。

遥感影像因其覆盖范围广、信息丰富、多时相性等特点，20世纪70年代便开始被广泛应用于荒漠化的监测与评估（朱震达等，1994；王一谋，1989）。此后，随着遥感影像数据的丰富，处理方法和技术的发展与成熟，土地荒漠化的遥感定量研究得到快速发展，主要采用遥感数据解译、植被覆盖、土壤湿度等方法，利用荒漠化与地表生物物理特征之间的关系建立荒漠化遥感监测模型（徐梦珍等，2017；马宗义，2013）。近些年，荒漠化的遥感监测发展趋势特点为多空间尺度、多时相以及综合多指标化定量分析。其中，通过构造各种反映荒漠化特点及程度的指标是遥感荒漠化研究的热点之一（官雨薇，2015；李亚云等，2009），比如利用植被覆盖度（杜子涛等，2009）、降水利用率（Veron et al.，2010）、土壤湿度（罗君等，2013）、地表反照率（曾永年等，2006）、地表温度（曾永年等，2007）等单个指标或综合指标构建荒漠化监测模型（曾永年等，2005）。由于地表植被情况与地表反照率之间存在显著的相关关系，且在不同荒漠化程度的表现不同（朱震达等，1994；Li et al.，2000），因此“反照率（Albedo）-植被指数（NDVI）”模型常被用于划分荒漠化程度，因其简单便捷、易于获取的特点而被应用于荒漠化时空分布与动态变化的定量监测与研究（马宗义，2013；曾永年等，2006；潘竟虎等，2010；毋兆鹏等，2014；任艳群等，2014），这对若尔盖高原的沙漠化提取及分析具有参考价值。

针对若尔盖高原荒漠化问题的研究，目前较缺少多时相遥感影像分析、荒漠化最新动态及趋势分析。本文以若尔盖高原研究区域，利用多时相遥感数据，通过ENVI软件技术处理分析Albedo-NDVI定量指标，计算荒漠化差值指数（DDI），从而获取1990—2016年若尔盖高原荒漠化时空变化规律，并在前人的研究基础上进一步探讨不同区域的荒漠化变化特征与形成机制，为若尔盖高原生态环境的修复与治理提供一定的科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

若尔盖高原位于青藏高原东北部的黄河源区（图1），主要包括四川省阿坝藏族羌族自治州的若尔盖县、红原县和甘肃省的玛曲县等，面积22716 km²。本区湿润寒冷，长冷短暖，年平均降水量560～860 mm，降雨频率大但强度小，50%～80%的雨量集中在5—8月，年平均气温只有0.6～1.2 ℃，且年平均相对湿度达到 64%～73%，年蒸散发量1260～1290 mm（柴岫，1965）2-3,9。图 1表明若尔盖高原的地形地貌可概括为 2个类型：（1）以北部若尔盖县为中心的平坦高原地势，该区分布若尔盖高原主要泥炭沼泽和河谷；（2）以红原县为中心的西南部的丘状高原地势，该区地势相对较高，多分布着丘陵和宽谷。若尔盖高原的地表特征以河流沉积物、风成沉积物和湖相沉积物等为主。本地区地貌的主要特征为河谷阶地、低山丘陵和宽谷。河谷阶地主要分布在黑河与白河的中下游且成片的泥炭沼泽。低山丘陵主要分布在若尔盖高原的外围，尤其是黑河和白河的上游，且宽谷与丘陵相间出现（柴岫，1965）2-3,9。

图1 （a）若尔盖高原地理位置（b）若尔盖高原的DEMFig. 1 (a) Location of the Zoige Plateau (b) DEM of the Zoige Plateau

本地区主要支流黑河和白河均由南向北分别汇入黄河。黑河流域中下游地区，支流较少而闭流、伏流宽谷较多，地势较白河更为平坦，多分布着高原沼泽土，且沉积物的细颗粒含量高，排水能力差，地表长时间积水。白河流域支流少，河谷比降略大，沉积物颗粒粗，其排水状况比黑河流域要好，因此泥炭沼泽湿地分布也相对较少（柴岫，1965）2-3,9。社会经济发展的统计资料表明，红原县自建县至2005年，人口从500多人增长到3.9万人，若尔盖县则从几千人扩张到7万多人口。与此同时，人类活动越发频繁，自然资源消耗量增长，开沟排水以开辟草场，发展畜牧业。

1.2 数据来源

1990—2016年遥感影像采用地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn）提供的TM和OLI数据，数据的时间、条带号等信息如表1所示。因若尔盖高原大部分区域位于行列号为（131，37）的影像中，故表1中遥感影像时间以该幅影像时间为主。遥感影像选取的月份均为7—10月，该时段植被生长良好，裸露的荒漠土地的光谱反射率特征在遥感影像可得到充分的显示，与周围地表覆盖的类型差异较大，易于区分荒漠化和非荒漠化区域。由于研究区域面积较大，为保证数据质量，所下载数据的云量均保持在20%以下，若尔盖高原主要范围选择的数据基本为无云状态，部分数据选取同一季节或者相邻年份相同时像的影像镶嵌而成。

表1 遥感影像的基本信息Table1 Basic information of remote sensing images

2 研究方法

2.1 数据预处理

遥感影像处理主要应用 ENVI 5.1图像处理软件，对表1中数据的预处理过程具体包括辐射定标、FLASSH大气校正、影像镶嵌和裁剪等。曾永年等（2006）发现Albedo-NDVI构成的特征空间中可以将各种地物类别明显直观地进行反映和区分。为了得到Albedo-NDVI特征空间，利用ENVI中的Band Math对归一化植被指数 NDVI和反照率 Albedo（Liang，2001）进行计算，即：

式（1）中，NIR和RED分别为近红外波段和可见光红波段。ρTM1～ρTM7分别表示Landsat数据中的波段1到波段7。

利用Compute Statistics工具获取指数的最大最小值，并用Band Math工具将指数进行归一化处理，即：

式（3）和式（4）中，NDVI和Albedo分别为遥感影像中每个像元中的NDVI值和 Albedo值，NDVImin和NDVImax为计算得到NDVI的最小值与最大值，Albedomin和Albedomax同理。

2.2 Albedo-NDVI 空间下的荒漠化分级

Albedo-NDVI之间存在着显著的负相关性（曾永年等，2006），其空间分布特征可明确表现生态与物理因素驱动下的土地覆盖和物理变量的变化规律。综合植被指数与地表反照率对荒漠化程度的信息反映，并结合研究区荒漠化实际情况选择合理的荒漠化指数，便可提取并区分出不同程度的荒漠化土地，从而定量分析研究荒漠化时空分布规律与动态变化机制。地表反照率越强，植被覆盖度越低，则表示荒漠化程度越高。图2可很好地表示这种强弱高低关系，即Albedo-NDVI空间分布代表着不同土地覆盖程度，A点表征高反照率低植被率的裸地，B点表征低反照率低植被率的多水裸地，C点表征较高反照率高植被率的植被覆盖地表，D点表征多水高植被率的全覆盖地表。

图2 Albedo-NDVI空间特征Fig. 2 Albedo-Vegetation feature space

因此，利用ENVI的AOI工具建立1000个随机点数据，获取每个随机点对应的归一化后的Albedo和NDVI值，并在Excel中对两者点值进行统计回归分析，得到线性回归方程，获取参数a，即：

并 ENVI中进一步计算得到荒漠化分级指数DDI，即：

自然断裂法（Natural break）是基于统计学Jenk最优化法得出分界点，能够使各分组方差之和最小，该法再结合实地调查、资料收集与谷歌遥感影像数据将DDI值划分为3个等级，即轻度荒漠化、中度荒漠化、重度荒漠化，可反映区域土地荒漠化的过程（潘竟虎等，2010；毋兆鹏等，2014）。其中，轻度荒漠化植被盖度为 31%～50%，中度荒漠化植被盖度为11%～30%，重度荒漠化植被盖度低于10%（潘竟虎等，2010）。并在ArcMap 10.1软件中对1990—2016年的DDI值进行分级统计，即表2所示的1990年分级指标，同时对各等级荒漠化面积进行统计计算。

表2 1990荒漠化分级指标Table 2 Gradation indices of desertification in 1990

3 结果与分析

3.1 荒漠化时空分布

1990—2016年，若尔盖高原的荒漠化总面积和不同等级的荒漠化面积均呈增加趋势，而且增长速度也呈加快趋势。表3表明，1990—2004年荒漠化面积大幅增加，且主要以轻度和重度荒漠化的增加为主，其年增幅分别为1.27 km2和1.36 km2，而中度荒漠化增长速率为0.99 km2∙a-1。2004—2011年，荒漠化整体呈逆转趋势，7年间荒漠化总面积减少了 33.44%，其中轻度荒漠化减少速率最快，为 2 km2∙a-1，而重度荒漠化面积下降速率相对较慢，只有1.30 km2∙a-1。2011—2016年时期，荒漠化又趋于严重，总面积增加幅度达到58.43%，以轻度和重度荒漠化为主，增长幅度分别为 2.59 km2·a-1和 4.04 km2·a-1。

表3 荒漠化程度的分级面积Table 3 Graded area of desertification km2

图3所示为野外考察发现的不同荒漠化程度的情况，图4表明，1966—2016年荒漠化面积的增加趋势非常明显，由1966年的24.14 km2（魏振海等，2010）扩张到2016年的110.71 km2，这50年间荒漠化面积增加了86.57 km2，增长了358.96%，增长速度为 1.73 km2∙a-1，相比 1966—2006 年间 1.81 km2∙a-1的增加速度略有减缓。

图4 1966—2016年荒漠化面积变化Fig. 4 Change of desertification area in 1966—2016

图3 不同程度的荒漠化Fig. 3 Photos of different degrees of desertification in the Zoige Plateau（a）轻度（b）中度（c）重度（拍摄于2012年7月）(a) slight (b) moderate (c) serirous (Photos in July, 2012)

从空间分布来看，荒漠化的分布范围可分为 4类型（图5），（1）从采日玛乡到玛曲县并沿黄河干流的西岸，主要分布在泥炭沼泽湿地周围以及河谷地带。荒漠化多为片斑状，其中连续的最大一块荒漠化形状规模达5.4 km×3.5 km。（2）从瓦切镇经唐克乡到辖曼乡之间沿白河支流的东岸，这部分荒漠化有流体状、片斑状或斑点状，大部分走向为由东南向西北方向扩散，且荒漠化连续性由连续到破碎。（3）从若尔盖县到玛曲县方向在黑河与黄河之间的区域，该区域也分布着大范围的泥炭沼泽，地势较平坦，荒漠化主要为相互独立的小面积的椭圆形或长条形。（4）从若尔盖县到嫩哇乡并沿黑河东岸零散分布，与其他类型不同的是，这部分范围内在1990年并没有成形的荒漠化痕迹，为近期新增荒漠化区域，分别在若尔盖南部沿黑河东岸呈三角结构、阿西乡西南方向呈长条状以及嫩哇乡东南方向零散分布的小斑块。本文提取的若尔盖沙漠化空间分布与前人研究基本一致（魏振海等，2010；Hu et al.，2015；Yu et al.，2017），即荒漠化主要分布于黄河两岸、沼泽边缘处以及河谷地带。

图5 1990—2016年荒漠化空间分布Fig. 5 Spatial pattern of desertification in 1990—2016

重度荒漠化主要分布在黄河第一弯的北岸泥炭沼泽边缘处，以及从若尔盖县到黑河、黄河交汇处的泥炭沼泽区，在研究时段内这2个局部均处于重度荒漠化状态，其他部分的重度荒漠化则分布较少或没有。中轻度荒漠化在荒漠化区域均有分布，其空间结构为以重度荒漠化为中心向周围发散，瓦切镇到唐克乡沿白河东岸处的荒漠化早期以重中度荒漠化为主，而2000年后以中轻度荒漠化为主。阿西乡西南方向的荒漠化出现于 1994年并以中重度荒漠化为主，2000年荒漠化程度有所减缓并以中轻度荒漠化为主，此后则又有一定程度的恶化。

3.2 荒漠化扩展特征

图6所示为1990年和2016年荒漠化面积变化的空间分布，表明荒漠化面积和范围发生了明显的增加和扩张现象，增加率达103.77%，以轻度和中度荒漠化面积增加为主，分别为 114.63%和115.89%，而重度荒漠化面积增加了84.73%。荒漠化的空间扩张特征主要表现为两个方面：（1）大部分荒漠化分布范围在 1990年的基础上都有一定程度的向外扩张、变大的趋势，图6中增加的荒漠化斑块的中间为空白，这种斑块表示已有的荒漠化范围向外扩张；（2）a～e在1990年并无荒漠化现象，之后则逐渐转化为荒漠化。其中，a位于采日玛乡北部的成片泥炭沼泽的边缘处，呈零散分布的小斑块；c在阿西乡西南方向泥炭沼泽处，呈长条状或斑块状；d则主要在若尔盖县的西北方向沿泥炭沼泽边缘，呈斑块状密集分布；e在阿西乡南部及西南方向相距12.8～18.0 km处零散分布着斑块状荒漠化。b代表着分布在河流附近的河漫滩与江心洲逐步荒漠化，主要分布在从黄河与白河交界处一直延伸到黄河与黑河交界处，以及黑河下游部分。图7所示为河流岸边已显露的大片河漫滩，布满了碎石沙砾且植被稀少。a和c～e均分布在泥炭沼泽湿地周围及河谷地带。

图6 1990年和2016年荒漠化面积变化的空间分布Fig. 6 Spatial distribution of desertification area change from 1990 and 2016

图7 出露的河漫滩（拍摄于2012年7月）Fig. 7 Exposed floodplain and bars (Photo in July, 2012)

4 讨论

对于若尔盖荒漠化或沙漠化的研究，尽管选取的研究时段和研究方法不同，但得到的结论均为荒漠化面积呈逐年增加趋势（徐刚等，2007；李斌，2008；Dong et al.，2010；魏振海等，2010）。1997年北部沙丘东西分布最长达30 km（Lehmkuhl等，1997），而目前最长范围已扩张至40 km。总体而言，若尔盖高原荒漠化正在以一定的速度和程度扩大并恶化，对此大多学者均从气候要素与人类活动的宏观角度分析、阐述荒漠化进程，下文将从地质地貌、水文、社会经济与沙漠化治理进行探讨，以期从内因和外因两个角度阐明若尔盖沙漠化的变化特征及形成机制。

4.1 地质地貌因素

若尔盖高原外围是高低起伏的丘陵，内部是平坦的河谷平原以及交错的河系，以沼泽湿地、河流和草地植被为主要土地覆盖类型。沼泽湿地的地质构成主要为第四系沼泽有机质松散堆积物、河相和湖相沉积物以及风积物。草地下覆的地质情况主要是三叠系板岩、砂岩、粉砂岩，沉积物以黏性低、疏松易解体的砂土和粉砂土为主（Dewey et al.，1988；Lehmkuhl等，1997）。河流周边存在着以河相沉积物为主的河漫滩和江心洲。图6中b处的荒漠化主要是出露的河漫滩，类似这种荒漠化情况，沿干流河道出现很多。河流在枯水期径流量少，河道两侧、阶地及裸露河床表面松散易碎的沙质黄土、砂岩及水相沉积中的细粒物质易被风吹动迁移，因此干涸的河道是荒漠化的沙质来源之一（Dewey et al.，1988；Lehmkuhl等，1997）。图 8所示为 2016年荒漠化区域的高程情况，其平均高程达 3465 m，在荒漠化范围内，西北部的高程较低，位于平原上的泥炭沼泽以及河流两岸，这部分荒漠化的组成物质主要为黄色细沙和细沙质黄土，其他荒漠化区域地势相对高些，分布在泥炭沼泽边缘或丘状高原及斜坡，土壤为砂质土和砂壤土（Lehmkuhl等，1997）。

图8 若尔盖高原荒漠化区域地势变化Fig. 8 DEM of desertification area in the Zoige Plateau

此外，河流地貌的变化也是荒漠化扩张及沙土来源之一。若尔盖高原黄河干流及其支流白河、黑河的大部分河段，圴在发生河流溯源侵蚀，在纵向、横向及长度延伸上都有扩张。据研究，黑河上游的干流与支流河道下切深度可达0.5～3 m，溯源侵蚀速率达0.7～17.1 m∙a-1，河道细沟不断被切穿并易造成河岸崩塌，持续向两侧展宽并向前延伸，造成紧密构造的泥炭湿地破碎化、松散化，导致地表植被破碎退化，从而更加促进沟道下切及溯源侵蚀，其下伏细砂层和粉砂层极易暴露出表层，被水流冲刷形成沙源及沙化（Lehmkuhl等，1997；徐刚等，2007；Li et al.，2015）。同时，由于黄河、白河及黑河的古河道曾发生过多次不同强度的改道或裁弯，从而形成了不同程度退化的旧河床及河道，河床沙滩出露面积由 1986年的184.62 km2发展到 2000年的80.68 km2（徐刚等，2007）。例如，黄河河道多次变迁，除了留下很多牛轭湖，也在古河道处留下深厚的沙质沉积物（Sun，1987；魏振海等，2010）。这些河湖相沉积物中含有的大量的风动泥沙，在风力、水力以及人工植被破坏等作用下，汇聚成活动沙丘或逐渐演变成半固定、固定沙丘，然而这些风动沙仍可能在外力作用下再次被扰动而造成荒漠化（徐梦珍等，2017）。

若尔盖高原主要为各种风相、水相沉积物等，泥炭沼泽或草地等表层一旦被破坏或侵蚀，极易疏松崩解，导致沙层裸露进而转化为荒漠化的沙源，在各种外力作用下快速荒漠化并扩大。因此，若尔盖高原的地质地貌特点是荒漠化的内在原因，是荒漠化扩张的物质基础。

4.2 水文因素

若尔盖高原气候寒冷潮湿，弯曲河流众多，泥炭湿地和河流湿地广布。因此，水文是该区湿地生态环境最重要的因子（刘厚田，1996）。从水文循环过程来看，影响着该区水量情况主要水文因素有降雨、蒸发、下渗以及径流等环节。降雨和蒸发分别是若尔盖高原水量的输入和输出，通过分析对比近几十年若尔盖高原的气候变化，发现若尔盖气候呈暖干化趋势，降水量变化趋势为-17.19 mm∙10 a-1，气温以0.52 ℃∙10 a-1的变化速率呈显著升高趋势，且若尔盖县和玛曲县的夏秋季节气温升高速率均大于红原县（Li et al.，2015 ），而全球平均速率只有 0.03～0.06 ℃∙10 a-1（Hu et al.，2015），玛曲和若尔盖县的风速每10年减小速率分别为0.1 m∙s-1和0.04 m∙s-1（李晓英等，2015）。降雨、气温以及风速的变化又影响着蒸发量的变化，研究表明，若尔盖湿地蒸发量近几十年来呈略微上升趋势（Li et al.，2014）。因此，微小变化趋势的气候要素减少了该地区的地表水分或对该区域的地表蒸发蒸腾的增量影响并不强烈（Hu et al.，2012；Li et al.，2015；Yu et al.，2017）。

除气候变化可引起若尔盖高原的水文变化外，还有河道、湖泊及人工沟渠的输水情况。若尔盖高原主要分布着黄河、黑河、白河等河流以及花湖、兴措湖、哈丘错干湖等湖泊。位于黄河干流的玛曲水文站流量和水位变化直接决定白河与黑河的河道水位，白河与黑河的河道水位又控制着整个湿地的地下水水位。1981—2002年白河与黑河的径流量变化趋势为-0.398×0.8m3·a-1和-0.514×108m3·a-1（Li et al.，2015），因此若尔盖高原内的径流量正呈下降趋势，并降低了地下水位，引起河漫滩和江心洲出露，湖泊干涸也很严重。1975—2001年仅26年区内的湖泊面积便萎缩了34.48%，而荒漠化面积增长了351.81%（高洁，2006）。魏振海等（2010）利用遥感解译发现若尔盖高原非牛轭湖湖泊数量从1966年的36个减少到2006年的18个，湖泊干涸后裸露的湖底受风蚀作用就地起沙。在脆弱敏感的若尔盖区域，地表水是沼泽湿地发育、维持的重要动力（柴岫，1965）2-3,9，除了自然河道及湖泊的水量下降之外，泥炭沼泽区域的人工沟渠排水输干对荒漠化形成的影响更大且更直接。早在 1955年，当地为开辟草场和发展牧业，在泥炭湿地范围内实施了大规模的人工开沟排水工程，若尔盖县和红原县累计开挖排水沟700多条，总长度超过1000 km。沟渠开挖所影响的沼泽面积达2000 km2，排水疏干胁迫下严重退化沼泽面积达648.3 km2，约占沼泽总面积的27%（Li et al.，2015）。人工沟渠直接改变了该区的水系分布及其水文连通性，并排走了大量的地表水，导致泥炭沼泽脱水，发生侵蚀、坍塌、裂缝及斑块化。沼泽疏干后土壤逐渐裸露变干，就地起沙，引起湿地萎缩及局部沙漠化（Kvarner et al.，2008；Dong e t al.，2010）。

总之，若尔盖高原的水文条件并不乐观，气候呈暖干化趋势，河流径流量趋于减少，湖泊干涸，地下水位下降，以“水源涵养地”著称的泥炭湿地和草地处于严重脱水状态。因此，该区的荒漠化逐年扩张并多分布于泥炭沼泽及河流湖泊周围。

4.3 社会经济因素

随着若尔盖区域人口的增长及经济发展，人类对当地自然资源的需求量随之增大，人口增长导致过度放牧，加重湿地排水和草地退化的压力。据统计，若尔盖高原 1978—2010年的人口总数净增长了80.4%，牲畜数量由153万上升到215万，增长了40.5%（Hu et al.，2015）。至2005年，该区的牛羊数量增长速度已超过草地的承载能力，红原县、阿坝县和若尔盖县均过度放牧（Dong et al.，2010）。调查研究表明（李晓英等，2015），牛羊啃食践踏草地且常磨蹭高于 30 cm的陡坎，Lehmkuhl 等（1997）野外观测到在高山草甸上分布着因牛羊啃食、践踏及栖息而造成的面积大小不等的裸地，其总面积占坡地面积的5%。Dong et al.（2010）通过实地考察发现牲畜对草地的啃食和践踏非常严重，而荒漠化的发生区域之一是过度放牧的草场。因此，超载的牲畜量使草地的利用过度并造成破坏，从而发生草地退化并难以恢复，为荒漠化提供发生与发展的条件（李晓英等，2015）。由图4可知，在阿西乡-玛曲县沿黑河区域是荒漠化密集分布区之一，这里分布着阿西牧场和黑河牧场两大牧场，可认为畜牧养殖是该区域发生荒漠化的关键因素之一。此外，鼠害也是草地进一步荒漠化的重要原因（Dong et al.，2010）。该区害鼠不喜欢潮湿的土壤和繁茂的植被而喜干旱平地，对土层具有很强的挖掘破坏能力，导致植被死亡、土壤松散破碎。若尔盖县政府官网县情概况公告表明（www.ruoergai.gov.cn），若尔盖高原鼠虫害分布面积高达5300 km²，占可利用草原面积的81.9%，危害面积达 3000 km²，每年因鼠虫危害损失牧草约1.2×108kg，每年直接经济损失 0.24亿元（www.ruoergai.gov.cn）。图9所示为害鼠（旱獭）挖洞刨出的土堆，其将地表破坏后使土壤裸露，从而为风沙运移活动提供沙物质。

图9 旱獭挖洞（拍摄于2012年7月）Fig. 9 Tarabagan and its holes in grassland (Photo in July, 2012)

4.4 荒漠化的治理措施

若尔盖湿地是黄河上游的重要“蓄水池”，也是中国五大牧区之一。自20世纪50年代挖沟排水工程之后，该地区的生态环境问题逐渐显露并恶化，目前正面临着湿地萎缩、草地退化、河湖减少等生态危机。国家及当地政府从20世纪90年代便开始实施一系列湿地与草地的保护、生态恢复等对策和措施。

早在 1992年若尔盖县便对阿西乡沙化草地进行了沙漠化治理试验，治理面积达0.67 km²（胡光印等，2011）。随后 1993年辖曼乡被列为全国治沙工程试点示范基地，在沙丘上种植了面积超过0.3 km²的高山柳固沙林（张晓云等，2005）。1994年若尔盖湿地被设立为国家湿地自然保护区（Hu et al.，2015），陆续对放牧、沟渠排水、草地退化等实行了一系列生态保护和恢复措施。1996年玛曲县推行草场产权制度改革，当地政府推出了“草场公有，承包到户，有偿使用，自主经营，三十年不变”的草场管理政策，并于 1999年基本完成（胡光印等，2011）。2000年左右，若尔盖湿地采取对部分排水沟渠填堵为主的恢复工程（蒲珉锴等，2010），使得部分沼泽得以恢复，但是绝大部分的人工沟渠系统仍在发挥排水作用。通过Google Earth可见，在瓦切镇北部一处大片荒漠化区域有封沙育草的措施（图10），能够发挥一定固沙作用。

图10 瓦切镇北部荒漠区工程措施——封沙育草（2010年9月Google Earth影像）Fig. 10 Fix sand and plant grass in northern desertification of Waqie Town (Image in September 2010 by Google Earth)

大多数若尔盖高原荒漠化研究的结果均表明，该区的荒漠化进程仍然呈扩张趋势，只是在其中某个时间段内或者局部区域内荒漠化有一定改善。比如胡光印等（2011）在 2007—2008年考察发现对退化的草场进行围栏封育1～2年后，草场可恢复到非常高的植被覆盖度，沙化草地封育5年左右即可完全恢复自然状况。魏振海等（2010）认为由于当地政府对防沙治沙的重视，在 2001—2006年间沙丘仅增长1.42 km2。本研究表明，2004—2011年荒漠化趋势发生逆转，这说明这段时间内的防沙治沙措施短期内发挥了一定的作用，使得荒漠化扩张速率减缓甚至逆转。但总体来说，若尔盖高原荒漠化面积、空间分布以及程度的变化规律仍呈明显的增加趋势，且荒漠化土地更加破碎化，分布形态复杂（胡光印等，2011），这说明该区脆弱的生态环境并未得到改善，荒漠化现象仍以一定的速度扩张。Jiang et al.（2017）也认为若尔盖高原生态退化正在恶化。因此，以上这些治理沙漠化或湿地恢复的生物及工程措施的效果还有待进一步监测，继续在若尔盖高原强化局部沙漠化治理措施是必要的。

5 结论

（1）若尔盖高原1990—2016年荒漠化面积变化趋势分为3个阶段：1990—2004年呈增加趋势，2004—2011年趋于减少，2011—2016年再次呈增加趋势，整体以2.17 km2·a-1的速率呈上升趋势；荒漠化主要分布在泥炭沼泽退化边缘、河流湖泊周围以及牧场附近。重度荒漠化主要分布在黄河第一弯的北岸泥炭沼泽边缘处以及从若尔盖县到黑河黄河交汇处的泥炭沼泽区。

（2）若尔盖高原荒漠化的形成与扩张内因是该区域地质构造均为疏松易破碎或稳定性差的堆积物和沉积物，一旦地表植被被破坏而裸露则便成为沙源并快速演变为荒漠化土地。外因是由于气候变化和区域排水导致水文条件不足，以及人类活动（过度放牧）、鼠害对地表植被的破坏。最为主要的因素是若尔盖高原的湿地与草地涵养的水量不断流失，导致荒漠化进一步扩张，其中人工沟渠排水是最为快速直接的外力因素。

（3）自 1994年开始的各种沙漠化治理与植被恢复措施，在短期产生了一定的改善作用，但后期效果并不显著甚至出现反弹。对此，应根据不同区域荒漠化的产生、扩张规律及机制，采用有针对性的围栏禁牧、生态修复或工程治理等措施。

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Spatial-temporal Evolution Characteristics of Land Desertification in the Zoige Plateau in 1990—2016

YOU Yuchi1, LI Zhiwei1,2, HUANG Cao1,3, ZENG Hang1,4
1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;
2. State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture, Qinghai University, Xining 810016, China;
3. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China;
4. Key Laboratory of Yellow River Sedimentation of the Ministry of Water Resources, Zhengzhou 450003, China

In recent decades, the desertification of the Zoige Plateau showed a significant growth trend, which is threatening the grassland ecological environment. Using ENVI and ArcGIS processing the Landsat (1990—2016) is to quantify the trend of desertification in Zoige Plateau, as well as desertification causes in different regions. Based on indexes of NDVI and Albedo, the classification of desertification grade was built to obtain the temporal and spatial distribution of desertification and desertification gradation. Results showed that the area of desertification increased at the rate of 2.17 km2·a-1in 1990—2016. From 1990 to 2004, the main change was the area of mild and severe desertification and the change rate was 1.27 km2·a-1and 1.36 km2·a-1, respectively.From 2006 to 2011, the changing trend of desertification was reversal, and the total area of desertification decreased by 33.44% in 7 years, with slight desertification decreasing at the fastest rate of 2 km2·a-1. The total area of desertification increased by 58.43% in the period of 2011—2016, with mild and severe desertification increasing by 2.59 km2·a-1and 4.04 km2·a-1. The spatial distribution and expansion of desertification was as follows: the edge of the peat swamp around the northern part of Cairima township, the river floodplain and mid-channel bars along the river, the peat swamp on southwest of A’xi township, along the edge of the peat swamp in northwest of Zoige County, about 12.8～18 km away from the southern and southwestern direction of A’xi township. Due to desertification controlling measures, desertification occurred changeover in the short term, while it still showed rising tendency overall. The internal causes of desertification expansion in the region are that there are the loose and fragile deposits and fine lake sediments below the ground surface. External causes is wetland shrinkage and degradation caused by climate change and excavated ditch drainage, as well as intensive human activity (e.g., over-grazing) on surface vegetation deterioration.

Zoige Plateau; desertification; desertification difference index; wetland shrinkage; human activity

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.10.05

P931.3; X144

1674-5906（2017）10-1671-10

游宇驰, 李志威, 黄草, 曾杭. 2017. 1990—2016年若尔盖高原荒漠化时空变化分析[J]. 生态环境学报, 26(10):1671-1680.

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国家自然科学基金项目（91547112）；省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室开放研究项目（2017-KF-01）；青海省科技厅项目（2016-ZJ-Y01）；黄河水利科学研究院院所长基金项目（HKY-JBYW-2016-03）

游宇驰（1993年生），女，硕士研究生，主要从事高原湿地演变研究。E-mail: 18711017497@163.com

*通信作者：李志威（1984年生），男，副研究员，博士，主要从事河流动力学与高原湿地研究。E-mail: lzhiwei2009@163.com

2017-08-27