石羊河流域荒漠化定量評價及驅動機制
2023-12-31 00:00:00李興宇任淑媛張鵬丁文魁楊曉玲
甘肅科技縱橫 2023年11期
doi：10.3969/j.issn.1672-6375.2023.11.003
摘 要：為了解石羊河荒漠化趨勢特征、掌握荒漠化過程驅動機制，有效提高流域荒漠化監測精度和為荒漠化趨勢預測奠定基礎。基于遙感（RS）和地理信息系統（GIS）技術，反演植被降水利用率（RUE），結合同期氣象和經濟社會發展數據，運用Sen趨勢分析、Pearson相關分析和灰色關聯度分析方法，開展2010—2019年植被生長季石羊河流域荒漠化定量評價和驅動機制研究。結果表明：流域RUE值自南向北依次降低，研究時段內流域荒漠化程度總體向好，改善的區域占流域總面積的48.5%，穩定不變的占47.7%，退化面積僅占3.8%；驅動荒漠化逆轉的自然因素變化主要為日照時數減少、平均氣溫升高和相對濕度增加，經濟社會因素變化主要為糧食產量和壓沙造林面積增加以及人口數量減少。
關鍵詞：石羊河；荒漠化；氣候；經濟社會；驅動力
中圖分類號：X24" " " " " " " " 文獻標志碼：A
土地荒漠化指發生在干旱、半干旱地區的土地退化現象，是一個長期動態變化過程。土地荒漠化不僅造成土地生產能力下降、人口遷移、糧食資源緊張，還對生態環境保護產生巨大威脅。加強荒漠化動態監測及成因分析，對推動生態文明建設、加強荒漠化防治和加速經濟社會發展等有著重要現實意義[1-2]。
張志偉等[3]建立了西藏高寒地區荒漠分類體系，奠定青藏高原高寒區荒漠分類研究的基礎；程小云等[4]等通過趨勢分析、灰色關聯和結構方程模型等方法分析河西走廊草地荒漠化的動態變化規律，并以此為基礎量化草地荒漠化的驅動因素；高榮等[5]研究了1994—2019年陜西榆林地區土地荒漠化、沙化現狀及其動態規律，指出榆林地區荒漠化程度由極重度和重度向中度和輕度轉變，自然和人為因素是榆林荒漠化的雙重驅動因素；張永[6]采用1995—2015年 3 期 Landsat TM/OLI 遙感影像，研究了石羊河流域不同荒漠化程度的空間分布以及面積轉移變化情況；韓濤和王大為[7]選用 EOS 遙感數據，對2000—2014年石羊河流域開展了不同植被覆蓋等級面積轉移變化監測后指出：低植被覆蓋面積縮減速度較快，而高植被覆蓋面積變化穩定。本研究以石羊河流域為研究對象，分析提取2010—2019年MODIS衛星植被生長季NDVI數據，結合各氣象站同期降水量資料反演植被降水利用率（RUE），開展流域荒漠化程度定量評價；運用灰色關聯度方法，探索不同氣象因子和經濟社會因子對流域荒漠化的驅動機制，以期為流域荒漠化綜合治理、管理決策提供參考依據。
1 研究區概況
石羊河流域位于烏鞘嶺以西、祁連山北麓，地勢南高北低，從地貌地形上劃分為南部祁連山區、中部平原區、北部低山丘陵區和荒漠區四大單元[8]。由于流域深居大陸腹地，地勢由南向北降低且懸殊較大，受大陸性溫帶干旱氣候和青藏高原氣候的綜合影響，光、溫、水、熱分布較為不均，尤其是下游位于巴丹吉林與騰格里兩大沙漠之間，極易受到風沙災害影響。流域生態環境極其脆弱，干旱和荒漠化問題一直是影響當地社會發展和人類生存的重大難題，土地荒漠化對社會經濟發展有很大制約，也給地方生態環境保護工作帶來很大壓力，同時對居民正常生產生活產生很大影響，是困擾區域經濟增長和自然生態可持續發展的重要瓶頸。
2 數據來源及研究方法
2.1 數據來源
遙感資料來自美國地質勘探局（http：//glovis.usgs.gov/）2010—2019年植被生長季（3—9月）MOD13Q1數據，空間分辨率250 m，時間分辨率16 d。氣象資料（平均氣溫、降水量、日照時數、相對濕度）來自流域內6個國家氣象站，通過ArcGIS軟件進行反距離加權插值，得到逐年氣象資料空間插值數據；經濟社會發展資料〔國內生產總值（GDP）、人口數量、糧食產量、壓沙造林面積〕取自《武威市統計年鑒》《金昌市統計年鑒》，利用ArcGIS軟件將統計數據轉為柵格數據。
2.2 研究方法
2.2.1 降水利用率（RUE）的反演估算
利用NDVI數據和降水量數據反演研究區的降水利用率數據[9]，首先對降水量數據作歸一化處理：
式中：X*i和Xi分別為歸一化后和歸一化前的值，xmax和xmin分別表示樣本中的最大值和最小值。
估算降水利用率：RUE=SNDVI/P，其中，SNDVI為植被生長季累積NDVI，P為降水量。
2.2.2 RUE數據趨勢分析
利用Sen趨勢分析法分析石羊河流域10年來植被生長季內RUE空間變化趨勢，具體計算公式為：
式中：Sen斜率用Q表示，M表示中位數。當Qgt;0，表示序列呈上升的趨勢；當Qlt;0，表示序列呈下降的趨勢。
2.2.3 相關性分析
通過相關性分析法分別分析10年來氣象條件、經濟社會變化與RUE的相關性，公式如下：
2.2.4 灰色關聯度分析
（1）計算關聯系數ζxi（t）。將植被降水利用率設置為參考數列X0，將氣象因子和人為因子8個因子設置為比較數列，分別記為X1，X2，…， Xi（i=1，2，…，8）。計算出各比較數列與參考數列在各個時刻的關聯系數ζxi（t）：
式中：ρ表示分辨系數，一般取0.1-0.5，本文取0.1；|X0（t）-Xi（t）|表示每一年各個影響因素Xi與植被降水利用率X0同一年數值絕對差值；minimint|X0（t）-Xi（t）|表示兩層式取絕對差值中最小值計算，maximaxt|X0（t）-Xi（t）|為最大值計算。
（2）計算關聯度ri。取10年關聯系數的平均值作為各因素的關聯度ri，公式如下：
最終按照灰色關聯度綜合分析的原則，分析石羊河流域荒漠化驅動機制[4]。
3 結果與分析
3.1 基于RUE時間序列的荒漠化評價
3.1.1 植被生長季RUE的空間分布格局
植被降水利用率（RUE）對土地荒漠化指示作用較好，受降水量變化影響較小，能夠有效反映荒漠化態勢。如圖1，將RUE值分成5個等級揭示植被降水利用率相對大小[10]。流域內植被降水利用率空間分異明顯，生長季RUE低于0.003的占流域總面積的14.31%，包括涼州區、古浪縣沙漠區、流域西北部金昌市境內及流域東北部和西南邊緣個別地區；RUE值在0.003～0.004的占流域總面積的27.84%，主要在流域北部和東部沿沙區及荒灘地帶，以荒漠化草地為主；14.10%的區域RUE值在0.004～0.005，主要分布在民勤縣西部與金昌市接壤地帶，在古浪縣南部、永昌縣西部也有零散分布；RUE值在0.005～0.006的占7.27%，點狀散布在流域中北部的涼州區、古浪縣、民勤縣和金昌市境內；RUE高于0.006的占流域總面積的36.67%，主要位于灌溉農業綠洲區及南部海拔較高地區的林區和草地。
總體來看，植被降水利用率較小區域處于流域中北部，該區常年降水量少、土壤沙化或鹽漬化明顯，植物生產能力弱；植被降水利用率較大的多集中在流域南部和中部部分地區，南部山區降水量豐富，石羊河兩側沿線灌溉用水相對充足，另外得益于近年來引黃灌溉工程實施，植被生產力較強，農作物生長條件和生態環境向好[11]。
3.1.2 石羊河流域植被生長季RUE空間變化趨勢
圖2計算了10年中植被降水利用率空間變化趨勢，根據置信度檢驗將變化趨勢分為五級[12]，分別是顯著退化（Qlt;-1%）、輕微退化（-1%lt;Qlt;-0.5%）、穩定（-0.5%lt;Qlt;0.5%）、輕微改善（0.5%lt;Qlt;1%）和顯著改善（Qgt;1%）。
植被降水利用率呈現改善的為荒漠化逆轉區域，呈現退化的則為荒漠化發展區域。近10年來，石羊河流域近一半土地荒漠化狀況以逆轉為主，顯著改善區域主要分布在涼州、古浪南部山區及天祝藏族自治縣北部和民勤縣境內紅崖山水庫下游部分地區，占石羊河流域總面積的7.3%；輕微改善區域主要分布在流域中部、東北地區東部和東南地區大部分地區，占總面積的41.2%；保持原狀的面積占47.7%，主要位于民勤縣東北部、永昌縣西部、流域西南部及南部邊緣區；生態退化面積占比很少，約為3.8%，其中，輕微退化占3.4%、明顯退化占0.4%，主要散布在涼州區、天祝縣、永昌縣和民勤縣個別地方，說明上述地方有一定的荒漠化發展趨勢，但規模很小。綜合看來，石羊河流域生態環境在近10年內得到了較大改善，只有極少部分地區存在生態退化的現象。
3.2 基于灰色關聯度的荒漠化驅動機制
3.2.1 荒漠化的主要驅動力
植被降水利用率驅動因子灰色關聯度分析顯示（表1），在第一影響因子中日照時數所占面積比例為37.58%，在所有影響因子中最大，幾乎遍布在石羊河流域各個地區，其次是氣溫和人口數量，分別占32.68%和15.61%；第二影響因子中排在前三位的依然是日照時數、人口數量和氣溫，分別占28.46%、23.94%和21.91%；在第三影響因子中，氣溫和日照時數仍然是主要影響因子，分別占21.92%和12.83%，而排在首位的是相對濕度，占比達39.98%，此外有12.06%的區域以人口數量為第三影響因子。
總體來看，影響石羊河流域荒漠化進程的主要驅動力為氣溫、日照時數和人口數量，相對濕度、糧食產量和壓沙造林面積次之。本研究通過引進植被降水利用率進行石羊河流域荒漠化評價，很好地剔除了降水量變化的干擾，比較準確地反映了流域近10年內荒漠化發展的態勢，在大部分地區，平均氣溫升高、日照時數和人口數量減少均對荒漠化演變有抑制作用。而相對濕度增大、糧食產量和壓沙造林面積增加對荒漠化演變貢獻率也不容小覷。
3.2.2 荒漠化的驅動機制
分析荒漠化的主要驅動力是為了識別出導致荒漠化的主要影響因子，將植被降水利用率變化趨勢圖與其驅動因子的灰色關聯度分析結果做疊加分析，得到植被生態環境顯著改善和顯著退化時各驅動因子所占的比例（表2），結合RUE與各影響因子間不同空間相關關系面積占比（表3），分析流域荒漠化的驅動機制。
在植被降水利用率改善區域，第一影響因子中氣溫占33.42%，在植被較為茂盛地區，較高氣溫有利于植被生長和干物質積累，對生態環境改善有積極作用；其次是人口數量和相對濕度，分別占14.45%和14.21%，日照時數（14.15%）、壓沙造林面積（13.12%）分列第四、第五位。第二影響因子中，所占比例最大的仍然是氣溫，為24.31%；其次，相對濕度與人口數量分別占23.27%和21.35%，壓沙造林面積（12.73%）和日照時數（8.46%）分列第四、第五位；第三影響因子中排名前三的主導因子為相對濕度、氣溫和人口數量，分別占33.64%、19.44%和14.41%，糧食產量（13.62%）和壓沙造林面積（11.14%）分列第四、第五位。結合表3可知，在改善區域中，植被降水利用率與日照時數主要呈負相關，與氣溫、相對濕度主要呈正相關，而10年內流域日照時數總體減少、氣溫升高、相對濕度略增大，很好地解釋了植被降水利用率顯著改善的自然原因；RUE與壓沙造林面積大部分改善區域呈正相關、與人口數量呈負相關，說明人類活動對生態環境改善的正向效應日趨明顯、不利影響顯著減少，10年來壓沙造林面積逐年增加和人口數量減少是荒漠化程度減輕和改善的主要經濟社會因素。
在顯著退化地區，28.43%的區域以日照時數為第一影響因子，所占比例最大；人口數量和氣溫占比分別為20.18%和16.35%，此外平均相對濕度（11.45%）、壓沙造林面積（10.21%）、糧食產量（10.12%）合計占比31.78%；第二影響因子中氣溫占比為19.91%，其次是相對濕度和日照時數，分別為19.64%和17.24%，另外人口數量（16.34%）、壓沙造林面積（14.34%）、糧食產量（9.43%）合計占比40.11%；第三影響因子中位列前三的是日照時數（21.17%）、氣溫（18.32%）和相對濕度（17.62%），糧食產量（15.33%）、人口數量（14.31%）和壓沙造林面積（13.14%）合計占比42.78%。上述區域植被降水利用率與日照時數主要呈正相關，與氣溫、相對濕度主要呈負相關，日照時數較小，不利于植被光合作用，阻礙了植被的生長，造成植被生態功能下降；部分地方由于氣溫過高、相對濕度過大導致植被生長受到抑制、荒漠化程度加劇，北部荒漠區尤其明顯；另有個別區域植被降水利用率與糧食產量、壓沙造林面積呈負相關，與人口數量呈正相關，糧食產量和壓沙造林面積增加、人口數量減少反而引起RUE減少，是在一定程度上引起荒漠化加劇的主要經濟社會因素。
4 結論與討論
生長季RUE值由南向北依次降低。流域植被降水利用率較小的處于流域中北部沙漠區、荒漠區和植被稀疏地區，該區由于常年降水量偏少、土壤沙化或鹽漬化明顯，植物生產能力弱，RUE值偏低；農業灌溉綠洲區及南部海拔較高地區的林區和草地RUE值較高。
石羊河流域綜合治理和祁連山生態環境保護修復工程的開展，對流域生態環境改善成效顯著，10年中流域荒漠化進程呈逆轉趨勢，石羊河流域生態環境總體得到較大改善，荒漠化顯著改善區域占流域總面積7.3%，輕微改善區域占41.2%，穩定不變區域占47.7%，這些地區主要在流域中、南部，除天然降水量較多、光溫條件適宜外，與近年來黨和政府不斷通過調整經濟結構、科學分配水資源、實施規模化生態移民搬遷工程、保障跨流域調水工程穩定運行等舉措是密不可分的；生態退化面積僅占流域總面積的3.8%，主要是北部荒漠降水量稀少、土壤鹽漬化較為嚴重的地方，其中輕微退化占3.4%、明顯退化占0.4%。
10年中流域荒漠化主要驅動力為日照時數、氣溫、人口數量，相對濕度、糧食產量、壓沙造林面積次之。就驅動機制而言，在荒漠化趨勢改善的區域，引起荒漠化顯著改善的主要驅動力中自然因子依次為日照時數減少、氣溫升高和相對濕度增加，經濟社會因子依次為壓沙造林面積增加和人口數量減少；在個別荒漠化趨勢加劇的地區，日照時數減少、氣溫升高、相對濕度增大、糧食產量和壓沙造林面積增加及人口數量減少反而引起RUE降低，這與荒漠區植被和山區植被對光、溫、濕條件的響應機制不同有關外，可能還存在其他自然或人為因素影響，這將是我們今后研究的關注點。
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收稿日期：2023-05-26
基金項目：武威市市列科技計劃項目“石羊河流域荒漠化遙感監測及其驅動力研究”（項目編號：WW2002007）；中國氣象局蘭州干旱氣象研究所創新團隊“西北干旱與生態環境遙感監測”（項目編號：GHSCXTD-2020-4）。
作者簡介：李興宇（1990-），男，碩士，工程師，主要從事生態與農業氣象業務和科研工作。
