2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地空间分布格局及驱动机制

张 洁, 秦富仓

(内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010020)

荒漠化是全球人类现如今所面对的一项重要的环境问题，是一种极为严重的土地退化现象。是全球性质上一项重要的生态环境问题之一[1-2]。由于荒漠化现如今的面积较大，分布广泛，已经引起当代国际以及社会上的重点关注[3-4]。研究表明，21世纪初期由于环境的恶化沙尘暴在沙漠化地区频繁发生[5-8]，阿拉善左旗处于土地沙漠化较为严重的环境下，研究者们也从许多的方面去探索土地沙漠化的过程，在这个过程中有许多的学者利用MODIS影像[9]作为数据源对土地沙漠化的发展趋势进行研究分析，研究者们发现MODIS影像不仅可以对植被覆盖率进行分析，还可以很好地监测土地荒漠化。在空间上，前人对阿拉善左旗的研究相对较少，对土地沙漠化重心迁移方面的报道也较为罕见，本文也将通过贾科利等[10]的研究对土地重心迁移变化偏移的方向与距离进行了进一步的分析与研究[11-15]。

本研究以阿拉善左旗土地沙漠化为重点研究对象，以ArcGIS 10.2，ENVI 5.3为基础平台，选取2009—2017年3期分辨率为500 m的MODIS影像数据与矢量数据进行空间叠加分析，提取出该地区不同沙漠化程度下的土地沙漠化面积，研究其空间分布，并结合土地利用数据分析几年来沙漠化土地的变化情况以及在时间与空间上的变化趋势，分析并讨论影响近几年土地沙漠化变化的驱动力因素，亦为阿拉善左旗生态脆弱区提供参考。

1 研究区概况

阿拉善左旗全旗南北长495 km，东西宽214 km，面积8.04万km2，地处北纬37°24′—41°52′，东经103°21′—106°51′，是阿拉善盟下属的一个行政区，位于内蒙古自治区西部阿拉善盟东部，国境线长约为188.28 km2。阿拉善左旗地势东南高、西北低，平均海拔为800～1 500 m，最高海拔3 556 m。人口在近两年在逐步上升，总人口近15万人。可利用草场有4.6万km2，主要为荒漠、半荒漠草原。沙漠面积约为3.4万km2，主要是腾格里、乌兰布和两大沙漠。阿拉善左旗属于温带干旱荒漠区，为典型的大陆性气候，以风沙大、干旱少雨、日照充足、蒸发强烈为主要特点。太阳年平均辐射总量为646.32 J，年降雨量80～220 mm，年蒸发量2 900～3 300 mm。日照时间3 316 h，年平均气温7.2℃，无霜期120～180 d。地带性土壤特征主要为棕钙土、灰漠土、灰棕漠土，由于沙漠化的原因，大部分退化成为了风沙土[16-17]。阿拉善左旗幅员广阔、地形地貌复杂，矿产资源丰富且拥着贺兰山国家级自然保护区，具有独特的生态系统、自然风光和人文景观，系草原到荒漠的过渡地带，是内蒙古自治区乃至西北的天然生态屏障。

2 数据源和方法

2.1 数据源及其处理

遥感数据选取采用的是NASA网站所提供的的MODIS产品，其中产品中包括MOD13A1植被指数16 d合成产品、MOD09A1地表反射率8 d合成产品，空间分辨率均为500 m，研究时间选择的是2009年、2013年、2017年8月份的植被生长旺盛时期，这个时间下的地物辐射反射差异较为明显，更有利于不同地表情况之间的对比分析。数据采取的轨道号分别是h25v04，h25v05，h26v04和h26v05，研究区的土地利用数据和矢量文件是通过内蒙古土地勘测院获取得到。

将下载的MODIS数据基于WGS-84坐标系进行投影转换并转换为.tif的格式，依据研究区的矢量数据对影像进行拼接裁剪处理，在ArcGIS下创建2000×2000的栅格渔网，将渔网与NDVI值进行空间链接，把NDVI值赋到每一个栅格点上后按照植被覆盖度及实地特征对沙漠化程度进行划分并编辑处理，每一个栅格同一土地利用类型下的面积统计得到不同类型沙漠化程度的面积。

2.2 沙漠化程度土地分级标准

沙漠化土地程度的分级主要是为了客观地反映沙区土地的变化，更好地监测沙漠化土地在时间和空间上的动态演变。本文中阿拉善左旗沙漠化程度的划分主要参考国家“973”项目“中国北方沙漠化过程及其防治研究”所制定的沙漠化遥感监测分类体系标准[18-19]以及大量土地沙漠化相关文献，在前人[20-22]的研究基础上根据植被覆盖率和影像解译特征将沙漠化土地程度分成轻度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和严重沙漠化4大类(表1)。

2.3 沙漠化土地变化重心迁移模型

沙漠化土地重心迁移模型是运用ArcGIS平台绘制出不同时期下不同程度沙漠化土地的重心坐标，根据重心坐标能够更加直观地反映出每个时期的迁移方向及迁移的距离等空间动态变化规律,本文对2009—2017年4种沙漠化土地类型进行计算，重心坐标的运算方式如下[23]：

(1)

(2)

式中：Xt为在第t年时某一种沙漠化程度土地的经度；Yt为在第t年时某种沙漠化程度土地的纬度；n为第t年时的某一种沙漠化土地类型的斑块数；Cti为第t年第i种沙漠化土地斑块的面积；Xi是第i个斑块在土地沙漠化类型当中的经度坐标；Yi是第i个斑块在土地沙漠化类型当中的纬度坐标。

表1 阿拉善左旗沙漠化土地分级指标体系

3 结果与分析

3.1 沙漠化现状及其空间分布

通过表2可知，在2009年沙漠化土地总面积为7 973 597.05 hm2，其中重度沙漠化所占比例最高，所占比例高达60.39%，其次是严重沙漠化，所占比例为38.21%；到2013年各类沙漠化程度面积在4 a间变化趋势不大，严重沙漠化相对2009年面积减少4.24%，在减少的面积当中有4.02%转化成为重度沙漠化；直至2017年沙漠化变化趋势幅度较为强烈，严重沙漠化与重度沙漠化面积的变化相对于前几年较为明显，其中重度沙漠化增加的比例最大，比2013年增加了11.11%，严重沙漠化比2013年减少11.46%，中度与轻度沙漠化变化不明显，可以明确严重沙漠化的减少是因为绝大部分转化为重度沙漠化。对比几年的数据严重沙漠化与重度沙漠化两者所占沙漠化总面积比例高达95%以上。

表2 2009-2017年阿拉善左旗沙漠化土地面积及比例

2009—2013年重度沙漠化面积增加了319 906.17 hm2，2013—2017年增加了885 883.25 hm2，在重度沙漠化的变化当中沙地类型与其他草地类型的面积变化是造成沙漠化程度变化显著的主要因素。其次变化范围较大的是严重沙漠化，在2009—2013年期间面积减少338 708.71 hm2，在2013—2017年面积减少885 889.25 hm2，中度沙漠化与轻度沙漠化比例在2009—2017年期间均有所提高，根据重度沙漠化比例大幅上升、严重沙漠化比例大幅下降可以看出沙漠化整体水平是在逐渐变缓，在2009—2017年期间，仅有严重沙漠化面积在减少，轻度、中度以及重度沙漠化面积均在增加。草地面积的变化是造成严重沙漠化面积减少的主要土地利用类型。由于轻度以及中度沙漠化程度的土地面积小幅度增加，重度沙漠化面积大幅度增加，严重沙漠化大幅度下降，说明几年以来土地沙漠化逐渐趋于良好，更易于后期治理与防护，但同时，轻度与中度沙漠化的比例依然很少，说明阿拉善左旗地区仍处于一个干旱、半干旱的生态脆弱的情况下，依然面临着随时会处于严重沙漠化的危险当中。

阿拉善左旗的土地沙漠化分布面积较为集中，在图1中可以明显看出严重沙漠化在3个时期中主要集中在阿拉善左旗的北部地区且北部地区沙漠化在2009—2017年期间一直处于严重程度下，重度沙漠化分布范围较广，大部分分布在阿拉善左旗的中部及北部地区，严重沙漠化与重度沙漠化之间的转化主要是西南地区与中部地区之间转化较为明显。轻度与中度沙漠化研究时段内大部分分布在东南地区，在4类沙漠化程度当中，各种土地利用类型用地相互交错分布，沙漠化程度也各不相同。

3.2 不同程度沙漠化转化特点

将3个时期的土地利用数据与土地沙漠化程度数据经过叠加分析，得到阿拉善左旗在2009—2017年期间土地沙漠化面积动态变化的转移矩阵(表3)，在表中可以得到2009—2013年期间重度沙漠化与严重沙漠化土地在减少，减少面积为18 002.53 hm2，轻度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，所增加的面积的来源是重度与严重沙漠化面积的减少。轻度沙漠化土地面积的增加主要是由中度沙漠化土地提供来源，中度沙漠化转化面积为14 303.78 hm2，共占轻度沙漠化面积所有来源的28.22%，剩余增加由重度沙漠化提供；中度沙漠化主要来源是由重度沙漠化转化而来；重度沙漠化中转化面积最大的是严重沙漠化，共737 972.1 hm2，占重度沙漠化转化面积所有来源的16.8%，其次是中度沙漠化转化占比较高；重度沙漠化主要是由严重沙漠化转化，相同严重沙漠化土地面积的增加主要也是由重度沙漠化提供，重度沙漠化向严重沙漠化转化了399 688.81 hm2，占严重沙漠化比例的17.32%。在2013—2017年期间重度沙漠化与严重沙漠化土地依然在减少，减少面积为27 775.07 hm2，轻度沙漠化和中度沙漠化土地有所增加，增加面积与减少面积一致。其中轻度沙漠化土地面积的增加主要是由中度沙漠化逆转而来，转化面积不大，中度沙漠化转化面积为4 619.62 hm2，占其来源的7.67%，重度及严重各有一小部分转化为轻度沙漠化；中度沙漠化大部分面积来源是由重度沙漠化转化，重度沙漠化转化面积为32 031.84 hm2，所占比例为68.29%；重度沙漠化在2013—2017年期间由严重沙漠化转化过来的面积较大，重度转为严重相比2009—2013期间较少，13—17 a的时间段内与2009—2013年时间段内相比呈稳定逆转趋势。

图1 2009-2017年阿拉善左旗土地沙漠化空间变化

表3 2009-2017年不同沙漠化土地转移矩阵 hm2

由表3可见，在2009—2017年期间大部分的转化都是由严重沙漠化与重度沙漠化两种程度类型的沙漠化相互转化得到，重度沙漠化与严重沙漠化也在逐渐向轻度沙漠化与中度沙漠化转移，面积也在逐渐的分散，阿拉善左旗的沙漠化整体，在逐步趋于良好。

3.3 土地沙漠化的重心迁移

为了更好地监测沙漠化的变化趋势，基于ArcGIS平台的重心迁移模型对2009—2017年每种土地沙漠化程度的中心坐标进行处理运算，并利用经纬网更明显地反映出偏移的方向(图2)。从图2中可以看出，严重沙漠化主要集中于研究区域的西北方向，重度沙漠化集中于研究区的中南方向，轻度与重度沙漠化均分布在研究区的东西方向。对比沙漠化程度图与重心迁移图可以看出沙漠化走向分布大致相同，说明土地重心迁移的变化可以体现出土地空间性的变化。严重沙漠化土地重心在2009—2013年期间向北偏移了0.08°，整体向东北方向偏移了24.53 km，2013—2017年明显往北折回偏移，折回偏移了0.08°，整体向西北方向折回偏移了25.46 km，从3个时间段来看，严重沙漠化土地随着时间的变化往北移动尤为明显且整体处于缩退的状态；重度沙漠化的土地重心2009—2013年期间向西偏移了0.06°，整体往西南方向偏移了10.06 km，2013—2017年期间又向北折回偏移了0.02°，向东北方向偏移了12.65 km；中度沙漠化在2009—2013年期间向南偏移了0.03°，整体向西南方向偏移了5.82 km，在2013—2017年期间向南偏移了0.07°，整体向西南方向偏移了12.55 km，逐步向轻度沙漠化在靠近；轻度沙漠化3年变化偏移不明显，中度与轻度两者之间的重心分布较为集中，且变化范围不大；在各种程度土地当中严重沙漠化的重心迁移尤为明显，主要原因是严重沙漠化在逐渐转化为其他程度类型的沙漠化，从而导致严重沙漠化土地类型所占比重的减少。所以，可以通过土地重心迁移模型更为直观地发现不同时期下土地迁移的趋势以及更好地进行下一步的观测处理。

图2 2009-2017阿拉善左旗不同沙漠化土地重心迁移

4 讨 论

土地的变化一般情况下总是与相对应的自然因素与社会因素有所关联，在近几年的土地沙漠化程度的相互转化当中，阿拉善左旗重度沙漠化变化最大，整体以重度沙漠化变化为主占整个荒漠化发生面积的60%以上，严重沙漠化次之，轻度沙漠化与中度沙漠化较少，在本文数据当中主要是重度沙漠化与严重沙漠化之间的相互转化，其次是向中度与轻度沙漠化之间转移，通过以上数据告诉人们，如果在今后荒漠化治理当中治理方法不得当很容易会造成荒漠化程度之间向严重与重度沙漠化大量转移，加大荒漠化治理难度，并会让之前的治理工作变得前功尽弃。在阿拉善左旗重度沙漠化中大面积变化的土地类型主要是草地，而造成草地变化的原因。根据刘树林等[24-25]的研究结果表明各地草场因过度放牧、持续干旱等各种人为及自然原因还在持续恶化中，草地的退化导致被植被保护着的疏松土地裸露出来加上地区风沙较大草地沙漠化的发展为沙尘暴提供了足够的来源。随着逐渐的沙漠化土壤性质也会被降低，所生长植被条件也受到了一定的抑制；而在后期根据京津风沙林治理。退耕还林还草等制度、“三北”防护林工程等工程措施的实施使生态环境受到修复，植被覆盖率增加，草地面积也有所提高重度沙漠化土地也向轻度与中度沙漠化土地移动。

在土地沙漠化重心迁移的过程当中严重沙漠化变化最为明显，造成严重沙漠化整体向北部迁移的原因是在自然条件和人为因素的影响下，根据阿拉善左旗的退耕还林还草工程的落实[26]，以往裸露的土地现在已大面积覆盖植被，使生态环境得到了改善，气候在近几年趋于良好，使得严重沙漠化土地在空间上向北部集中推进。而向北部推进的原因是在阿拉善左旗的北部与东北方向有着乌兰布和沙漠，主要土地沙漠化形式是以严重与重度沙漠化为主。对于此类敏感的沙漠化更应该给予特别关注，在乌兰布和沙漠周边主要是以流沙、戈壁为主，而紧挨着这些流沙、戈壁的边缘土地主要是以零散灌木、稀疏草地等植被为主，治理不得当边缘土地都面临着荒漠化形式趋势严峻的危险[27]。轻度沙漠化与中度沙漠化在空间上变化有所推进两类沙漠化所涉及的范围边缘变化不明显，在这两种程度的沙漠化土地中包含了城镇等土地利用类型，这一类的土地利用情况改善了周边人类所生存的环境状况并带动了经济的发展，根据李嘉麟[28]和刘魁立等[29]的研究可以推论出轻度沙漠化与中度沙漠化变化在空间上有所增加有可能是随着政策的要求人口在不断增加的同时对城镇市区周边的绿化也有所改善，与此同时兴起了许多对沙漠化有一定治理作用的企业，这些企业在自身发展的同时所遵守的理念就是对沙漠化土地的改良治理对沙漠化发生了潜移默化的影响。

5 结 论

(1) 在2009—2017年期间重度沙漠化是4大类型中所占比例最大的沙漠化类型，严重沙漠化和重度沙漠化两者共占沙漠化面积的比例达到95%以上，重度沙漠化占60%以上，严重沙漠化占比30%以上。在各类沙漠化程度当中各种土地利用类型的土地沙漠化面积随着年份也在变化，其中沙地和草地所占面积最大，在沙漠化变化当中起到了一定的作用。

(2) 阿拉善左旗沙漠化面积处于一个稳定逆转趋势，2009—2017年期间严重沙漠化面积明显减少转化为重度沙漠化，转化了1 631 065.53 hm2，在重度沙漠化中也有289 523.28 hm2转化为严重沙漠化，重度沙漠化面积有69 319.3 hm2转化为中度沙漠化，32 508.3 hm2转化为轻度沙漠化，由于重度沙漠化所占面积较大主要由重度沙漠化向其他沙漠化程度转化，呈现出一个逐级转化的趋势，整体而言沙漠化程度趋于良好。

(3) 沙漠化土地重心从北向南依次是严重沙漠化、重度沙漠化、中度沙漠化、轻度沙漠化。在2009—2017年严重沙漠化相对稳定仅向北迁移了43.91 km；重度沙漠化土地重心向东南方向迁移了9.91 km；中度沙漠化土地重心向东北方向迁移18.22 km；轻度沙漠化土地重心向东南方向迁移了5.32 km，根据重心迁移模型可以看出沙漠化土地在空间上的变化趋势,严重沙漠化范围最大，通过重心迁移模型对土地沙漠化可以进行更好地监测并进行及时控制。