渾善達克沙地正藍旗沙漠化時空格局

武 潔， 史明昌， 丁國棟

(北京林業大學水土保持學院,100083，北京)

渾善達克沙地位于內蒙古中部錫林郭勒草原南端，是我國沙漠化發展最嚴重的地區之一，也是典型的草原沙漠化地區。該沙地處于干旱半干旱草原地帶，沙漠化使得原本脆弱的生態系統敏感性升高，生態環境惡劣，且渾善達克沙地為我國北方農牧交錯帶的一部分，沙漠化的發展嚴重影響了當地社會經濟的發展，尤其是當地畜牧業的發展即依賴于生態環境的良好與穩定，又由于自身發展推動了沙漠化；因此對于渾善達克沙地經濟的可持續發展來說，沙漠化是急需解決的問題。此外，渾善達克沙地距離北京直線距離180 km，是京津地區北方生態屏障的重要部分，而草原沙漠化的發展破壞了其作為北方生態屏障的這一重要功能，使其成為京津地區沙塵暴的沙塵源區之一。因此研究該沙地沙漠化變化過程及主要成因，對渾善達克沙地沙漠化的治理，恢復生態環境，推動生態脆弱區經濟可持續發展，保持首都生態屏障功能具有重要價值[1-5]。

目前對于該區域沙漠化的研究多采用遙感影像數據分析，主要的研究手段有2種[2-9]：一是利用年際連續的中低分辨率遙感影像數據研究2000年后的沙地變化情況[6-7]，如李春蘭等[7]基于2000—2012年250 m分辨率的EOS-MODIS遙感數據分析了荒漠化面積與氣象要素的相關性；二是以30～40年為研究時段，以5～10年為研究周期，選用中高分辨率遙感影像數據為數據源[9-11]，如康相武等[8]利用20世紀70年代中期成像的30 m分辨率MSS、80年代中期和90年代后期的30 m分辨率TM數字影像進行了渾善達克沙地土地沙漠化時空演變規律研究。由于沙漠化的發展是長期的過程，較短時段及長時間間隔的研究難以完全掌握其變化規律，且渾善達克沙地面積廣闊，低分辨率的影像數據難以反映沙漠化細節的變化，如劉海江等[10]認為1987—2006年渾善達克沙漠化經歷了1987—2000年的快速發展期，2000—2006年的緩減期，而烏蘭圖雅等[11]認為1995—2000年渾善達克沙地在整體上基本穩定, 沙漠化沒有太大的擴展。鑒于目前渾善達克沙地的研究，本研究以位于渾善達克沙地腹地的正藍旗作為研究區，采用1985—2015年間時間相對連續的30 m分辨率的Landsat系列遙感影像數據，在時間和空間上精準研判沙漠化變化過程及主要成因，為渾善達克沙地沙漠化的治理、生態環境恢復提供依據。

1 研究區概況

正藍旗位于渾善達克沙地南緣，E 114°55′～116°38′，N 41°46′～43°7′之間，屬干旱半干旱中溫帶大陸性氣候，年降雨量360 mm，年均溫2.8 ℃，風沙活動劇烈，全旗草原退化，沙漠化情況嚴重。本次研究為準確反映正藍旗沙漠化情況，以2015年的Landsat 8遙感影像為數據源，對其進行土地利用分類，剔除了耕地、城鎮和湖泊，將余下部分作為本次研究的研究區(圖1)。

圖1 研究區位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

正藍旗植被在7、8月份是其茂盛期，這時植被分布區和沙漠化土地的對比明顯，獲取的沙漠化情況較為客觀準確；因此選取正藍旗1985—2015年7—8月份的14期空間分辨率為30 m的LandsatTM/OLI遙感影像為本次研究的數據源，并且以7.10～8.10之間的影像為主影像，用7.01～8.25之間的影像補充主影像被大面積云干擾的部分，使得最終影像的云面積控制在5%以下，從而可以準確反映研究區沙漠化情況。各期影像參數如表1所示，所有影像來源于美國地質調查局(https:∥earthexplorer.usgs.gov/)，在使用前通過幾何校正和輻射校正，保證了數據質量。

氣象數據為1985—2015年正藍旗及周邊氣象站的逐日數據，包括平均氣溫及降雨量，來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。年末牲畜存欄數據來自于1985—2015年逐年的《內蒙古統計年鑒》。

2.2 研究方法

1)沙漠化指數。對于草原沙漠化地區來說，植被的分布和沙漠化的分布是相對立的2種狀態，可以通過反映植被狀況，進而間接反映沙漠化情況；因此本研究利用NDVI(normalized difference vegetation index) 計算植被覆蓋度[12-15]，并用1減去植被覆蓋度，將得到的值定義為沙漠化指數，用沙漠化指數來表征研究區沙漠化程度[15]，并將這一指數按照值的大小分為未沙漠化(<0.15)、輕度沙漠化(0.15～0.45)、中度沙漠化(>0.45～0.65)、重度沙漠化(>0.65～0.85)及極重度沙漠化(>0.85)5個等級。

表1 所選用研究影像時間及傳感器Tab.1 Study image time and sensor selected

注：TM為Landsat 5搭載專題制圖儀,OLI為Landsat 8搭載陸地成像儀。“—”為無此數據。 Notes: TM is thematic mapper for Landsat 5, OLI is operational land imager for Landsat 8. “—” refers to data not available.

N=(R2-R1)/(R2+R1)。

(1)

V=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)。

(2)

D=1-V。

(3)

式中：N為NDVI值；R2是Landsat影像近紅外波段的反射率，R1是影像紅波段的反射率；Nsoil為裸土或無植被覆蓋像元的NDVI值，Nveg代表完全被植被所覆蓋像元的 NDVI值。在本次研究中取累積概率為5% 的NDVI值代替Nsoil，95% 的NDVI值代替Nveg；V為植被覆蓋度；D為沙漠化指數。

2) Theil-Sen趨勢分析。本次研究采用非參數化趨勢分析Theil-Sen方法研究各沙漠化等級面積的年變化率及以像元為單位的沙漠化指數的變化趨勢度，此方法不要求數據服從正態分布，且此方法允許缺失值，減少了數據不連續對于分析結果的影響[15-18]，適用于本次基于像元的時間序列遙感數據分析，并采用非參數檢驗方法Mann-Kendall趨勢檢驗法作為Theil-Sen趨勢度分析方法顯著性的檢驗方法。

TSen=median((xi-xj)/(i-j))。

(4)

式中：TSen為變化趨勢值；i、j為時間序數；xi、xj分別表示第i、j時間的研究值(各沙漠化等級面積、各像元沙漠化指數)。當TSen>0時，表明上升趨勢；當TSen<0時，表明下降趨勢。

3) Spearman等級相關分析。Spearman等級相關分析方法是常用的非參數統計分析方法，用來分析2組變量之間的相關關系，分析過程為：①對于所分析的n組數據中每組數據的n個變量的大小排序，對重復數據取平均等級；②檢驗n組數據的等級之間是否相關，此方法不要求數據符合正態性假設，適用于本研究基于像元的降雨量、平均氣溫與沙漠化指數時空上的相關性分析，且這一分析對異常值的敏感度降低，避免了異常值對分析結果的干擾[19]。

(5)

式中：r為相關系數，其值介于-1～1之間，r<0表示負相關，r>0表示正相關，r=0表示無相關關系；n為時間長度；i為時間序數；Ri和Qi為2組對比數據的數值次序。

3 結果與分析

3.1 沙漠化時空分布特征

從圖2各等級沙漠化類型的空間分布來看，近30年正藍旗沙漠化從西北部向全旗推進，結合表2正藍旗1985—2015年各等級沙漠化面積和比例變化，近30年極重度、重度等級沙漠化面積在增加，年變化率分別為18.67 km2/a、15.75 km2/a，中度沙漠化、輕度沙漠化、未沙漠化面積減少，年變化率為-11.63 km2/a、-17.48 km2/a、-4.81 km2/a，說明近30年全旗沙漠化程度總體上在加重。

圖2 正藍旗1985—2015年各等級沙漠化類型空間分布Fig.2 Spatial distributions of each degree of desertification in Zhenglan banner during 1985 to 2015

結合正藍旗沙漠化的時空變化，可以將近30年正藍旗沙漠化的動態變化分解為4個階段：第1階段為1985—1989年，沙漠化開始從西北部向全旗擴張，沙漠化程度急劇加重，極重度沙漠化面積占總面積的比例從14.88%增加到21.79%(表2)；第2階段為1989—2000年，沙漠化程度等級在降低，極重度沙漠化面積所占比例從21.79%減少到16.02%，但其在空間上的擴張趨勢并未轉變，中度及重度沙漠化總面積占比從58.95%增加到65.63%，東部邊界區域已經達到重度沙漠化等級；第3階段為2000—

表2 正藍旗1985—2015年各等級沙漠化面積比例Tab.2 Proportion of each degree of desertification in Zhenglan banner during 1985 to 2015 %

圖3 正藍旗1985—2015年沙漠化空間變化趨勢顯著性Fig.3 Significance of spatial changing trends of desertification in Zhenglan banner during 1985-2015

2004年，全旗沙漠化程度在平穩減輕，空間分布均勻，生態環境開始恢復，未沙漠化及輕度沙漠化面積總占比從18.35%增加到37.01%；第4階段為2004—2015年，經歷了20世紀初短暫的生態恢復后又轉向了沙漠化，在空間上呈現沙漠化蔓延的狀況，尤其在2009年沙漠化狀況最為嚴重，重度及以上沙漠化等級面積占比達到了研究時段最高的74.16%，說明近10年正藍旗的沙漠化問題依舊嚴峻 ，必須采取有效手段阻止這一變化態勢。

3.2 沙漠化時空趨勢特征

對1985—2015 年14期沙漠化指數以像元為單位進行Theil-Sen趨勢度分析，并使用Mann-Kendall檢驗其顯著性，將結果劃分為極顯著變化(P<0.01)、顯著變化(P<0.05)、非顯著變化3個等級(圖3)。結果表明：正藍旗非顯著變化趨勢面積總占比為69.92%(表3)且在全旗的分布均勻，是全旗沙漠化的主導趨勢，結合沙漠化的時空變化(圖2)分析，近30年正藍旗沙漠化在加重和恢復之間反復，非顯著的趨勢是這兩種狀態抵消的結果。

在正藍旗沙漠化顯著趨勢中，上升趨勢面積占全旗面積的18.46%，下降趨勢面積總占比11.62%(表3)，從空間分布來看，下降趨勢主要分布在西部(圖3)，且大部分極顯著下降區域無明顯的人類活動痕跡(圖3a)，上升趨勢主要分布在東部，在東北部邊界大面積分布的顯著及極顯著上升趨勢區域(圖3b)人類干擾跡象不明顯，應為自然擴張的結果，在中部及東南部的顯著及極顯著上升趨勢區域則大部分位于人類活動較集中的道路交叉區域(圖3c)、城鎮周邊(圖3d)及耕地周邊(圖3e)。

表3 正藍旗沙漠化趨勢各顯著性類型面積及比例Tab.3 Areas and percentages of significance type of desertification trends in Zhenglan banner

3.3 沙漠化影響因素關聯分析

1) 氣候變化對沙漠化的影響。近30年正藍旗年均氣溫上升趨勢明顯，從圖4來看，氣候的明顯變暖與近30年正藍旗沙漠化擴張且程度加重的情形一致，年降雨量的年際波動劇烈，變化趨勢不明顯；但與沙漠化的若干動態變化對比發現，1990年相比于1989年降雨量增多，沙漠化程度隨之明顯減輕，2009是沙漠化最嚴重的年份而這一年的降雨量為研究期降雨量的最低值。為了進一步分析平均氣溫和降雨量對沙漠化的影響程度，通過采用多元線性回歸克里金插值方法[20]，對正藍旗鄰近地區的氣象站點數據插值，得到了正藍旗沙漠化指數數據對應年份的平均氣溫與降雨量的空間分布數據，并在空間尺度上采用Spearman相關性分析方法分析了沙漠化指數與兩類氣象因子的相關性。

根據沙漠化指數與平均氣溫、降雨量在空間上的相關系數值，將結果劃分為顯著相關(P<0.05)、非顯著相關、無相關(r=0)3個等級，結果表明，降雨量、平均氣溫與沙漠化指數無相關的區域面積比例分別為3.53%、4.01%。從圖5的空間分布來看其輪廓為湖泊和河流，與實際情況相符，佐證了此次相關性分析的準確性，具有相關關系的區域，降雨與平均氣溫與沙漠化指數的相關性均以非顯著相關為主，所占面積比分別為91.97%和88.8%(表4)，這一弱相關關系表明氣候不是近30年正藍旗沙漠化變化最主要的原因。

圖4 正藍旗1985—2015年降雨量與年均氣溫Fig.4 Precipitation and annual average temperature in Zhenglan banner during 1985-2015

進一步分析發現降雨量與沙漠化指數的負相關關系面積占比63.15%，正相關關系占比32.84%(表4)，考慮植被與降雨的關系來說，負相關符合降雨量對于植被生長的影響情況；但是正相關反映出的降雨量增多沙漠化增加或者降雨量減少沙漠化減少的情況卻與實際不相符。這說明在沙漠化指數與降雨量正相關的區域，降雨對沙漠化的影響作用被其他因素的影響作用覆蓋，這一區域降雨對于沙漠化的影響相比負相關區域更為微弱，且平均氣溫與沙漠化指數在空間上也存在正負兩種相關關系，其40.52%的區域為負相關，55.95%的區域為正相關。總體來說氣候與沙漠化的相關性正負差異分析說明近30年氣候對于沙漠化的影響程度在空間上存在強弱差異，這種差異是由于氣候因素和其他因素疊加影響沙漠化變化，但不同的區域各因素疊加程度的不同所致。

2) 人類活動對沙漠化影響。除氣候因素外，人類活動是影響沙漠化的另一大因素，因此氣候與沙漠化的弱相關關系也間接說明了人類活動是正藍旗近30年沙漠化變化最主要的影響因素，而這種影響的效應也有正負2個方面：正向方面來說退耕還林還草、京津冀風沙源治理工程等政府沙漠化防治政策的實施抑制了沙漠化的發展，且這些政策從2000年開始力度加大，這與沙漠化時空格局分析發現

圖5 降雨量及年均氣溫與沙漠化指數相關性Fig.5 Correlation between precipitation, annual average temperature and desertification index

相關性類型Correlation type年降雨量Annual precipitation年均氣溫Annual temperature顯著負相關 Significantly negative correlation3.013.35非顯著負相關 Non-significantly negative correlation60.1437.17無相關 No correlation4.013.53非顯著正相關 Non-significantly positive correlation31.8351.63顯著正相關 Significantly positive correlation 1.014.32

2000—2004年沙漠化程度減輕的情形相吻合；負向方面人類活動促進了沙漠化發展，從圖3沙漠化趨勢的空間分布可以十分明顯的看出這一負面影響。如圖3c道路周邊沙漠化趨勢上升，道路成為了新的風沙源，圖3d隨著河流上游城鎮擴張，工業和生活用水需求上升，河流水量減少導致下游高密度草原沙漠化上升趨勢顯著，圖3e河流下游的優良草地被開墾為耕地，農業用水進一步消耗河流水量使其周邊的草地逐漸向沙漠化發展。

此外，考慮到正藍旗處在北方農牧交錯帶，牧業是其主要產業，對沙漠化有重要影響，為了衡量這一影響的程度，將1985—2015年歷年的每一頭大牲畜折合為5只羊，計算得到年末牲畜數量，與重度及以上沙漠化等級的面積比例對比發現，兩者之間的變化趨勢十分相似(圖6)。將這一趨勢與氣候變化趨勢(圖4)結合分析近30年沙漠化4次動態變化驅動機制可以看出：1985—1989年氣溫升高，降雨量減少，暖干的氣候引發干旱促進了沙漠化擴張和加重，而牲畜數量增長達到了研究期最高則加劇了這一情形；1989—2000年降雨量增加，暖濕氣候抑制了沙漠化程度加重，但前一時期沙漠化程度的急劇加重導致生態環境極其脆弱，草原恢復緩慢，雖然牲畜數量波動性減少近一半，但其對于草原的壓力依舊超過了草原承載力，沙漠化繼續擴張；2000—2004年降雨量低于前一時期，氣候趨于暖干，牲畜數量減少到了研究時段的最低值，對于沙漠化的抑制作用超過了氣候對于沙漠化的促進，有效的控制了沙漠化的加重；2004—2015年水熱條件與前一時期相似，牲畜數量回升，其趨勢與重度及以上沙漠化的變化趨勢基本一致，是這一時期沙漠化快速發展最主要的原因。通過上述分析可以看出，在近30年正藍旗沙漠化演化的每一個階段牲畜數量的變化都對沙漠化的演化結果有直接影響，這說明牲畜數量所反映的載畜量問題是影響近30年正藍旗沙漠化變化最主要的人類活動因素，此外牲畜數量和氣候對各個時期沙漠化變化的影響也說明氣候和人類活動對于沙漠化的動態變化在時間上也存在疊加效應。

圖6 正藍旗1985—2015年重度及以上沙漠化面積及牲畜數量變化趨勢Fig.6 Changing trends of desertification area and livestock number in Zhenglan banner during 1985-2015

4 討論

本研究對正藍旗1985—2015年沙漠化的時空格局研究發現，該區域沙漠化經歷了加重和恢復，當下仍處于沙漠化擴張狀態，與以往研究結果有一致性[3-11,21-23]，但對詳細的發展過程研究有差異。如劉樹林等[21]通過解譯1987 、2000及2005年ETM+/TM 影像認為2000年是這一時期沙漠化分布面積最大的時期，而本研究數據分析結果則表明2000年相比80年代末期沙漠化嚴重程度是減輕的。楊婷婷等[23]以2002和2011年的TM影像為準認為2002—2011年正藍旗草原沙漠化趨勢得到了一定程度的逆轉，植被開始恢復；但本研究發現2002—2011年正藍旗沙漠化經歷了減緩和加重2個階段。對于上述沙漠化演化過程分析的差異，本研究認為是由于以往研究所選用的遙感影像時間間隔較長，采用的數據量較少導致了研究結果片面，而筆者采用的遙感影像時間較為連續，結果更準確。這一對比也說明對于沙漠化時空格局的研究，需結合多源遙感影像數據，用連續的時間序列進行分析，才能揭示沙漠化演化的真實過程。此外，本研究發現人類活動和氣候疊加影響正藍旗沙漠化變化，并且這一疊加效應在空間上有所差異，不同區域2類影響因素對沙漠化影響的強弱程度不同，這對于不同區域采用不同的沙漠化治理手段有重要意義；因此在接下來的研究中應當進一步定量分析不同區域各疊加因素對沙漠化影響的貢獻比例，為精準防治沙漠化提供依據。

筆者研究表明人類活動是沙漠化最重要的影響因素，因此減輕人類活動對于沙漠化的影響，保護生態環境十分迫切；但現下各產業的發展都依賴于對于環境資源的掠奪，如工業發展、城鎮建設及農業大量耗水導致河流周邊的優質草原逐漸萎縮，沙漠化風險上升，旅游業快速但不規范的發展導致游客肆意踐踏破壞草原，使得旅游路線附近沙漠化趨勢上升。尤其是牧業方面，根據歷年的統計年鑒數據，雖然正藍旗從上世紀90年代開始減少牲畜的飼養量，羊的數量下降，但是近些年大牲畜的飼養規模擴大，牲畜數量開始回升，載畜量超載的問題依舊值得關注，且據調研，近些年正藍旗的耕地及草場多承包給外來人員，這些人以短期的經濟收益為主要目的，在可生產范圍里最大程度的利用草原，忽略草原的休養生息，而通過統計年鑒發現人口數量最多的以農牧業為主的第一產業創造的經濟價值處于各產業的末端。考慮到上述情況，本研究認為正藍旗沙漠化治理的重點在于約束人類活動，制定科學合理的產業發展政策，規范旅游業發展，將工業轉型為清潔生產模式，規范農牧民生產活動，逐步取消農牧業承包，將傳統農牧業產業升級，打造特色農牧業副產品，通過產業升級轉型，輔以科學有效的治沙手段，阻止正藍旗沙漠化的發展，恢復當地生態環境。

5 結論

筆者基于正藍旗近30年的Landsat遙感影像數據，結合降雨量、平均氣溫及社會經濟的統計數據，以沙漠化指數作為表征指數，采用Theil-Sen趨勢度分析方法、Spearman相關性分析等方法，分析了研究區沙漠化時空變化規律及其影響因素，得到了如下結論。

1)近30年正藍旗沙漠化程度在加重，沙漠化從西北部向全旗推進，且在此過程中經歷了4度演化：1985—1989年沙漠化從西部開始擴張，程度加重；1989—2000年沙漠化繼續擴張但是嚴重程度減輕；2000—2004年沙漠化收縮，程度減輕；2004—2015年沙漠化逆轉，沙漠化程度加重，再次擴張。

2)1985—2015年正藍旗沙漠化主導趨勢為非顯著變化趨勢，面積占比69.92%，在顯著變化趨勢中，上升趨勢面積總占比18.46%，主要位于東部，下降趨勢面積總占比11.62%，主要位于西部。

3) 近30年正藍旗沙漠化的發展是氣候因素和人類活動因素疊加的結果，氣候與沙漠化的相關性在空間上以非顯著相關為主表明氣候不是該區沙漠化變化最主要的原因，最主要原因為人類活動，且載畜量是最關鍵的人類活動因素，此外氣候與人類活動的疊加程度在時空上均有所差異。