高寒生態區沙漠化調查研究方案初探
——以瑪曲縣為例

王新源，王存祿，李玉霖，王小軍，馬仲武，高斌斌，龔丞馗

(1.甘肅省生態環境監測監督管理局,甘肅 蘭州 730020；2.中國科學院 西北生態環境資源研究院 奈曼沙漠化研究站,甘肅 蘭州 730000；3.蘭州市城關區建設局 濱河東路園林綠化管理所,甘肅 蘭州 730000)

瑪曲縣地處青藏高原東北緣，是黃河上游重要的水源涵養區與補給區[1-2]，相較周邊區域，具有較高的土地生產力和生物多樣性水平，是穩定與維護青藏高原和黃河上游生態系統的重要屏障。同時，基于其特殊的地貌和氣候特征，瑪曲縣生態系統脆弱且敏感，環境的微小擾動即可引起系統內部產生顯著變化。

荒漠化是指在氣候變化和人類活動等因素綜合作用下造成的干旱、半干旱及亞濕潤地區的土地退化，其中以風為主要營力產生的土地退化為沙漠化[3]。20世紀70年代以來，在區域氣候變暖和人類活動逐漸加劇的背景下，瑪曲縣地表徑流減少，草地退化，濕地萎縮，沙漠化土地擴張迅速[4-6]，已成為青藏高原沙漠化發展最為迅速的區域之一。沙漠化的發展導致區域內載畜生產、水土保持、物種生長繁衍等生態系統服務功能下降或喪失，嚴重影響當地乃至整個黃河流域的生態、社會及經濟安全[7-9]。目前，在以瑪曲縣為代表的高寒生態區，沙漠化研究已得到廣泛開展[4-9]，但就調查研究方法而言，仍多沿用高緯度低海拔干旱區的通行方案，在驅動因子選擇與數據分析方面缺乏區域特異性。鑒于此，本研究著眼于瑪曲縣特殊的高寒生態區位，針對風成荒漠化(沙漠化)的基本特性，提出適用于該區域沙漠化研究的分析方法，旨在為瑪曲縣乃至青藏高原地區沙漠化治理及生態環境恢復提供科學依據。

1 研究方向

沙漠化的本質是土地退化，一方面呈現出地理景觀的變化，如地表的風蝕風積產物、土壤團聚體的破壞、土壤粗粒化、地表徑流減少等[10]；另一方面表現為生態景觀的改變，如植被群落的逆向演替、生物多樣性減少、植被生產力下降等。因此，沙漠化的研究可從地理導向與生態導向兩方面入手。

2 研究數據的獲取

2.1 遙感影像數據

遙感數據可以直觀地反映沙漠化的現狀、趨勢與變化，是研究沙漠化進展的重要途徑。獲取等分時間序列的多期遙感影像(數據源未限定，以分辨率高、衛星型號或測定方式一致為佳)，應用ERDAS通過“多波段數據組合”及“圖像拼接”技術對瑪曲地區的遙感影像進行過濾與矯正，以利于解譯與分析。考慮到植被生長規律與影像分辨的精確性，遙感影像時相的選擇應以夏、秋兩季為宜。普通的遙感影像多屬于地理導向研究的范疇，如Landsat TM/ETM等[2]；而經過計算和處理的基于植被生長狀況的遙感數據則屬于生態導向研究的內容，如LP DAAC(Land Processes Distributed Active Archive Center)數據集中的歸一化植被指數(NDVI)、葉面積指數(LAI)等[11]。

2.2 驅動指標

沙漠化是多種因子共同驅動的土地退化過程，遙感影像作為重要基礎數據，僅反映了沙漠化的果，難以表征沙漠化的因。此外，瑪曲縣地處青藏高原高寒生態區，較其他沙漠化嚴重區域，自然環境方面具有降水量較高、氣溫偏低、海拔差異較大的特點，社會經濟方面，畜牧業是該區域的主導產業，農耕經濟比例極低[12-13]。鑒于此，合理地選取與分析引起瑪曲縣沙漠化產生、發展與消長的環境要素成為研究該區域生態退化內在機理的重要方面(下文環境要素中，屬于地理導向的后面加“*”號表示，屬于生態導向的后面加“#”號表示)。

2.2.1 自然因子

依據瑪曲縣氣候與環境特點，并綜合考慮沙漠化形成的主要自然營力，選取以下指標作為瑪曲縣沙漠化的自然驅動因子。

(1)年均氣溫*#。瑪曲縣屬于高寒生態區，熱量是植被生長發育的主導要素[14]，同時土壤溫度、土壤水分、地表徑流等重要自然要素也受氣溫變化的深刻影響，因此，氣溫是瑪曲沙漠化研究的關鍵因子。

(2)年均降水量*#。降水與土壤水分、地表徑流及地下水位密切相關，是植被生長發育的關鍵因素。

(3)干燥指數*#。干燥指數是年均蒸發量與年均降水量的比值，干燥指數反映了區域內水分和熱量的收支狀況，是影響植被生長與物候的重要指標。

(4)年均風速*。風是沙漠化產生與發展的主要驅動力，塑造了沙漠中各類地貌景觀。

(5)植被蓋度#。植被蓋度是植被生長發育狀況的直觀體現，反映了陸地生態系統地表生產力水平[15]，能夠較好地表征土地退化水平。

(6)年均地表徑流量*。地表徑流量的多寡是區域內降水、土壤含水量與下墊面植被生長狀況綜合作用的結果。瑪曲縣地表水資源基本屬于黃河水系，因此，地表徑流量可用區內黃河年徑流量代替。

(7)海拔*#。不同于高緯度低海拔的干旱沙區，瑪曲縣地形起伏較大，海拔差異顯著。海拔不同導致的水熱分異強烈影響著區域內地理與生態景觀的塑造。

(8)樣地指標#：分為環境因子和植被生態因子兩部分，其中環境因子包括土壤溫度、土壤水分、電導率、土壤理化性質、土壤有機碳含量等，植被生態因子以物種豐富度、株高、生物量、物種多樣性指數等為主。樣地指標反映了種群及群落尺度上生態系統服務功能及土地生產力現狀，可直觀表征沙漠化過程對生態系統各組成單元的影響。

不難發現，大部分自然因子在空間尺度上以整個瑪曲縣為基準，時間尺度以年為單位，這主要是考慮與社會經濟指標在統計尺度上的一致性。

2.2.2 社會經濟因子

研究表明，瑪曲地區沙漠化發展和逆轉最強烈的區域多發生于人口密集區，說明沙漠化過程對人類活動的響應敏感[2]。因此，在參考相關研究后[6,16]，結合瑪曲縣實際，選取以下社會經濟要素作為研究指標。

(1)人口總數*。人口數量是區域內人類活動強度的宏觀把控，在給定時間內，人口數量愈多，生態環境承載的壓力愈大。

(2)地區生產總值*。地區生產總值反映了瑪曲縣整體的經濟發展水平，通常，經濟發展水平越高，人類對自然資源的需求強度越大。

(3)畜牧業產值*#。畜牧業是瑪曲縣的主導產業，其產值高低與當年牲畜出欄數密切相關，側面反映了區域內的放牧強度。

(4)大牲畜存欄數*#。在瑪曲縣，大牲畜種類以牦牛為主，其存欄數反映了當年牦牛的放牧數量及強度。

(5)羊只存欄數*#。其作用類似于大牲畜存欄數，研究證實，瑪曲縣給定區域內同等數量的羊和大牲畜對地表植被的作用存在明顯差異[17]。

(6)生態工程年度治理面積*#。生態工程的實施是人類活動對生態系統的正面干預，是沙漠化防治的重要手段，目前，將其作為沙漠化驅動因子進行定量分析的研究還較為缺乏，是今后恢復生態學需要關注的重要方面。

(7)禁牧輪牧面積*#。該指標與瑪曲縣的縣情和生境特征密切相關，屬于瑪曲縣生態工程的重要組分，需要單獨給予關注。

3 研究方法

瑪曲縣沙漠化調查研究的方向不同，其研究方法亦存在差異，地理導向的研究方法多以區域數據為基礎，生態導向的研究則多為定點分析，需要現地設置樣方取樣(表1)。

表1 瑪曲縣不同導向沙漠化調查分析方法比較

3.1 野外調查與遙感影像處理

3.1.1 地理導向

基于地理導向的野外調查與遙感影像處理主要包括以下方面：根據沙漠化發展階段[18]與遙感影像光譜特征，結合地理與遙感知識，對瑪曲縣影像進行解譯，之后在現地做核定和調研，確保解譯精度達到0.95的置信水平。地理導向研究的關鍵是建立解譯標志庫，進而準確求算出不同沙漠化階段區域的面積，而隨著時間梯度的變化，不同沙漠化階段間存在轉化與替代，這種轉化與替代可應用ArcGIS疊加分析做定量化處理，建立沙漠化土地類型/程度轉移矩陣，從而能夠直觀地認識不同時期沙漠化土地變化的現狀與趨勢。

3.1.2 生態導向

在瑪曲縣，基于生態導向的沙漠化野外調查應遵循統計學分析規律，在典型土地利用類型區(如高寒草甸、高寒草原、濕地)設置采樣點，采集植被蓋度、物種豐富度、植被地上生物量等生物學指標。遙感數據應采集NDVI、凈初級生產力(NPP)等經過處理的能夠反映地表植被生長發育狀況的指標。

3.2 數據分析

3.2.1 地理導向數據分析方法

地理導向研究的數據在空間尺度上多以整個縣域為準，時間尺度則以年為單位。因此，本研究中的自然因子里，除植被蓋度、樣地指標和海拔外，均可作為地理導向研究的環境因子進行收集。目前，主成分分析法、通徑分析法和灰色關聯度分析法等方法能夠較好地刻畫沙漠化過程，測度年際和區域尺度下各環境因子的作用強度。這其中，主成分分析法是通過降維的方式將多個指標轉化為幾個綜合指標的多元統計方法，適用于驅動要素繁多且數據不符合正態分布的情況[19]；通徑分析法能直觀地反映變量間的相互關系與作用路徑，利于分析驅動要素對沙漠化的作用方向(促進或抑制)[20]；而灰色關聯度分析法可以對系統發展的狀態進行定量刻畫與對比，能夠反映不同驅動要素對沙漠化的貢獻程度[21]。

3.2.2 生態導向數據分析方法

不同于地理導向，生態導向研究數據在空間尺度上存在差異性，作為響應變量的NDVI、NPP等要素多為遙感柵格數據，是基于像元尺度的數據集，而作為驅動要素的生態學指標(來自于定點樣地)和氣象數據(來自于瑪曲縣內及周邊的氣象臺站)多屬于點要素。鑒于此，應采用ArcGIS對驅動要素進行反距離權重(IDW)插值分析，獲得氣象因子和生態指標的柵格數據，之后進行投影轉換與數據掩膜，提取出與響應變量坐標和分辨率一致的柵格數據。在此基礎上，應用柵格計算器進行相關分析，獲得像元尺度上驅動要素對響應變量的作用強度。此外，在時間尺度上，生態導向數據通常以旬變化、月變化或者季度變化為基準重復測量。

4 結 論

綜上可見，瑪曲縣沙漠化調查分析的研究方案可分為地理導向和生態導向兩大類。在研究尺度上，地理導向呈現出區域化和年際性的特征，利于在宏觀層面上掌握沙漠化發展趨勢；生態導向在空間上多為點數據，時間以年內或月變化為主，更適合小尺度、短時間序列的精細化分析。具體而言，當研究目的側重于沙漠化面積的增減、程度的變化、發展趨勢，以及地貌景觀變化特征時，應選取地理導向的分析方法；而當研究目的著眼于沙漠化過程中生態系統內部的一些變化，如物種的生長、繁衍與遷移，物種多樣性，以及地表生產力水平等，則以選取生態導向的研究方案為佳。因此，對于以瑪曲縣為代表的高寒生態系統，沙漠化研究方案的確定取決于科研人員具體的研究目的與需求。