黄河中游地区荒漠化变化特征及影响因素

李红超，孙永军，李晓琴，毕二平

(1．中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083;2．中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

荒漠化是当前全球广泛关注的重大环境问题之一，对人类生存和发展构成极大威胁。根据荒漠化发生因素可将其划分为风蚀荒漠化(即沙质荒漠化或沙漠化)、土壤盐渍化、冻融荒漠化、石漠化和红漠化等类型。在各种荒漠化类型中，我国西北地区沙质荒漠化分布最为广泛，危害也最大，因此研究也较为深入。早期，国内外关于荒漠化的研究主要集中在等级划分、危险度评价、动态监测及影响因素的调查分析等几个方面［1－4］。近年来，遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等技术的迅速发展和其具有便于宏观、动态监测研究的优势，在荒漠化的调查研究中已受到越来越多学者的重视［5－8］。但大多关于荒漠化的研究，都采用分辨率较低的遥感图像，监测时间跨度小，研究区域的整体性较差。

黄河中游地区荒漠化问题十分突出，受到全球气候变化以及亚洲季风系统的影响，生态环境十分脆弱，干旱化趋势不可逆转。如果不加强监测与治理，荒漠化情况将会继续恶化，这必将严重威胁到社会稳定和人类的生存发展。有许多部门和学者对此进行过研究和探讨［9－10］，但缺乏对整个中游地区的动态分析。

因此本文选取黄河中游为研究区，利用Landsat MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的4期时间跨度较大的遥感图像为数据源，结合实地调查，获取了黄河流域1975—2007年土地荒漠化动态变化信息，并利用SPSS软件中的因子分析模块对影响荒漠化的因素进行了定量分析，以期为该区域土地荒漠化的监测与防治提供科学依据。

1 研究区概况

研究区范围以全国生态地质环境遥感调查与监测项目提供的黄河流域荒漠化遥感解译变化统计图为基础，以黄河河道和黄河流域为边界。同时为了将黄河中游地区的毛乌素沙地及周边地区作为一个整体进行研究，圈定了 E 107°～112°30'，N 37°30'～39°20'范围为研究区(图1红线范围)，包括内蒙古自治区南部、陕西省北部及宁夏回族自治区的东北部地区。

图1 研究区位置示意图Fig．1 Sketch map of study area location

研究区内地表水资源稀少，区内以流动和半流动沙丘、固定和半固定沙丘为主的风沙地貌广泛发育，植被以干旱草原、草甸草原为主，土地退化严重［11］。由于该区气候干燥、冷热剧变、大风频繁、日照强烈［12］，同时加上地表物质抗风蚀能力差、易沙漠化、原有沙地面积大等特征，荒漠化情况十分严峻。因此，对该区沙漠化发展程度作出分析和评价，将有助于对该区的自然环境进行治理与防护。

2 数据源与研究方法

研究数据包括MSS(1975年)、TM(1990年)、ETM+(2000年)和CBERS 02(2007年)的遥感图像;全国生态地质环境遥感调查与监测项目提供的1975年、1990年、2000年、2007年4期荒漠化遥感解译变化统计图、地貌统计图;由中国国家气象局网站提供的1975—2007年的气象资料;由内蒙古自治区统计局编撰的内蒙古自治区多年统计年鉴。

数据处理与分析基于ENVI和MapGIS软件平台。所有遥感图像数据经过几何纠正、融合、镶嵌和分幅等处理;以人机交互解译为主的解译方法，结合野外的现场勘查，经过分析判断、修改补充和整理，提取各期荒漠化信息;最后利用图像处理软件和GIS软件的空间分析技术提取黄河中游荒漠化变化信息，并对其进行分析。

结合研究区的实际情况及现有数据，着重分析地貌对荒漠化的影响，同时利用主成分分析法定量研究人类活动和气候等自然因素在荒漠化发展过程中所起的作用。本文选用SPSS软件中主成分分析程序对荒漠化进程的影响因子进行定量分析。影响荒漠化的因素可以归纳为人为因素和气候因素。不同因素对土地荒漠化的驱动力F［13］可表示为

式中:m为提取成分个数;h代表人为因素(或气候因素)的成分个数;λi与λj为特征根贡献百分率。

3 荒漠化变化特征

3．1 面积的总体变化特征

统计结果显示，研究区总面积为19．7万km2，土地荒漠化非常严重，以轻度和中度的沙质荒漠化(以下简称沙化)为主。32 a来土地荒漠化面积均超过了研究区总面积的60%，其中沙化面积均超过研究区总面积的55%。盐碱荒漠化(以下简称盐碱化)占研究区总面积的3%左右，主要分布在沙化的边缘、干涸的盐碱湖周围和地下水矿化度较高、易于盐碱化发生的地区［14］。32 a间研究区内不同类型的荒漠化面积统计如表1所示。

表1 1975—2007年不同类型荒漠化面积统计Tab．1 Area statistics of different desertification types from 1975 to 2007 (103 km2)

从变化速度上看，2000年是沙化变化的一个转折点，1975—2000年沙化面积以48．8 km2/a的速度递增。而在2000—2007年的7 a间，沙化得到缓解，面积由 11．922万 km2减少到 11．557万 km2。而在1975—2007年间，盐碱化面积以47．19 km2/a的速度逐年递增。

3．2 不同程度的荒漠化变化特征

荒漠化等级划分参考“全国沙化和荒漠化监测技术规定”中土地沙化和盐渍化程度分级方案，结合研究区实际情况和遥感数据的信息提取能力，将土地沙化和盐碱化程度分为轻度、中度、重度3个级别［15］。上文分析得出32 a来荒漠化的趋势为:沙化的总面积变化为先增加后减少，盐碱化逐年递增。但同一类型、不同等级的荒漠化变化是不同的，具体统计结果如图2所示。

图2 不同等级荒漠化面积变化Fig．2 Area change of different desertification levels

由图2可以看出，1975—2007年的32 a间，不同程度的沙化变化情况是不同的，但总体上轻度沙化的面积出现大幅度减少的现象，共减少了6 060 km2。沙化中度和重度的面积出现不同程度的增加，分别增加了2 214 km2、1 143 km2。可见，该区荒漠化程度有加重趋势，其中轻、中、重度盐碱化面积均逐年增加，尽管变化幅度不大，但是盐碱化的发生使土壤肥力降低、植被退化，这将进一步刺激沙化的扩张。

4 荒漠化变化的影响因素

荒漠化变化的原因是多方面的。从总发展情况来看，荒漠化与自然因素有直接根本的联系。而从人类历史和近代荒漠化发展趋势来看，人类活动对荒漠化的发展也起着不可忽视的作用［16］。

4．1 地貌因素

4．1．1 地貌类型与分布

地貌是荒漠化发生的最基本的自然地理要素之一，不同的地貌类型对荒漠化的发生、发展起到的作用也不尽相同［17］。研究区内地貌类型按成因分有:①构造地貌包括断(拗)陷堆积平原、褶断侵蚀山地丘陵、褶断侵蚀高原山地、褶断侵蚀高原平原;②风成地貌包括风积平原和风蚀地貌;③流水地貌包括河谷地貌和湖沼湿地。地貌类型的分布情况见图3。

图3 地貌类型分布情况Fig．3 Distribution of geomorphic types

研究表明:研究区中部以风积平原为主，占该区总面积的34．7%。四周广泛分布着褶断侵蚀山地丘陵、褶断侵蚀高原山地、褶断侵蚀高原平原等构造地貌类型，分别占研究区总面积的17．69%、18．75%、12．2%。在黄河河道附近的地貌类型主要有河谷地貌和湖沼地貌，二者占研究区总面积的2．67%。

4．1．2 地貌与荒漠化的相关性

地貌形态的差异影响着区域水文气象和生态条件。构造地貌所形成的山系控制着荒漠化的发育与演化。受到地貌影响的土地分布类型及特性，地表物质等决定了区域抵抗风蚀、抵御风搬运能力的大小，也决定了地表被搬运的松散物成分和数量。图4为2007年研究区内沙化及盐碱化分布情况。

图4 2007年沙化及盐碱化分布情况Fig．4 Distribution of desertification and salinization

为了进一步统计荒漠化变化情况，表2中列出了不同地貌类型上32 a间不同程度的沙化及盐碱化变化情况。从表2可见，风成地貌类型有超过85%的土地面积被沙化;构造地貌上的荒漠化程度受到地形及其位置的影响，其中地势较低并位于研究区西部的地貌类型(褶断侵断山地丘陵、断(拗)陷堆积平原)上荒漠化程度较严重，超过了50%;而流水地貌类型上由于水源相对充足，荒漠化进程相对缓慢，风沙危害相对较弱［18］。由于研究区内整体环境条件恶劣，流水地貌上沙化面积占了55%，但在32 a间，只有中度沙化面积有增加，轻度、重度沙化和盐碱化面积均呈减少趋势。

表2 不同地貌类型上荒漠化面积变化Tab．2 Desertification area change of different geomorphic types

湖沼湿地11．3 11．4 11 －2 3 45

不同程度荒漠化的变化在不同地貌类型上的变化没有明显规律，总体上处于中度沙化有所缓解，轻重度沙化持续加重的趋势。由此推知，地貌类型主要控制了荒漠化的分布，为荒漠化发展提供有利条件，但是未在短短的32a间对研究区荒漠化的变化表现出显著而直接的影响。

4．2 人为因素及气候因素

由于受青藏高原隆升、全球气候变化以及亚洲季风系统的影响，西北地区的干旱化趋势是研究区较长历史时期内荒漠化发生、发展的决定性因素［19］。在过去100 a中，全球平均气温上升了0．6℃。预计到2050年我国大部分地区将增暖0．5～1．0℃，年降水量也会有所减少，即未来我国气候呈变暖变干趋势。而我国西北广大地区与东部相比将会更暖、更干［20］。这无疑对我国西北广大地区生态环境带来更加不利的影响。

除了气候十分恶劣的区域的自然荒漠化以外，黄河中游地区大多数荒漠化均是首先由人类活动引发的，而后在外营力的作用下发展。气候未发生变化的条件下，当下垫面受到人类干扰，表层稳定性发生变化时，如植被的退化、草地的开垦、沙丘的移动，都会诱发荒漠化或加剧其进程。也就是说，人类活动无意中协助风力打破了土壤表层较脆弱的稳定，加速了荒漠化发生过程。

为了准确评估人类活动和气候变化对研究区荒漠化的影响，本文采用SPSS软件中的主成分分析法，定量评价人为因素和气候因素在荒漠化发展中起到的作用。

4．2．1 主成分分析指标选取

通过对一些学者在不同地区荒漠化影响因素研究成果［21－22］的分析，并根据研究区社会经济活动中资源利用特征，考虑到数据可获性和时间的一致性，选取了对荒漠化影响较大的总人口数、造林面积、年末耕地面积、大牲畜头数等人为指标，及年均温度、年平均相对湿度和平均年降雨量等气候指标来分析研究区荒漠化的影响因素。

4．2．2 荒漠化影响因素讨论

对原始数据经过零均值标准化处理后，用SPSS软件的主成分分析程序直接得出总方差解释表和主成分与影响因子对应表，其中因子提取根据数学理论以累积贡献率大于85%为基准要求。在表3中，第1，2，3 主分量的特征根分别为 3．351，1．987，1．121，其涵盖了整个变量信息的92%，因此取这3个主分量用于解释荒漠化的影响因素是可靠的。

从表4中可以看出，第1主分量主要是总人口数、年末耕地面积和大牲畜头数，皆属于人为因素指标。说明该地区人口压力的增加和农牧业发展对荒漠化有加速作用。随着人口的增加，对资源的需求越来越多，过度放牧，开荒种田等掠夺式的发展方式引起荒漠化的加剧和生态恶化。第2主分量与平均年降水量和平均相对湿度关系较密切，属于气候因素。第3主分量主要是年均温度，亦属于气候因素。

表3 总方差解释Tab．3 Total variance explained

表4 主成分载荷矩阵Tab．4 Component matrix

获取了成分结构的组成情况后，依据各主成分的方差贡献率，按式(1)计算人为因素和气候因素对土地荒漠化的贡献率。结果表明，该地区荒漠化发展中人为因素占52%，气候因素占48%，说明研究区荒漠化的短期发展中受到当地恶劣的气候因素与逐渐增加的人类活动的共同影响。此外通过对原始数据的分析发现，造林面积与总人口数、年末耕地面积和大牲畜头数的相关性均很差，表明当地造林面积并没有根据人口数量和农牧业的发展而做出适当的调整，人的主观能动性没有得到充分发挥。研究区气候因素的相对变化很小，但是人为因素时时都在发生改变。通过分析发现，尽管当地人为因素并不是影响荒漠化发展的最突出的影响因素，但是为了克服当地恶劣的自然条件，人们应当积极采取措施治理荒漠化。在第1主分量中，高载荷指标为总人口数和年末耕地面积，所以在荒漠化治理中人为因素的宏观调控应主要从这2方面入手，在严格执行相关的国家政策和控制人口数量的同时，采取有效措施防治过度垦荒，合理安排农业生产活动。与此同时，还应采取积极的态度进行合理放牧、保护植被和植树造林等。

5 结论与建议

本文采用4期遥感图像提取了黄河中游地区荒漠化信息，分析统计了32 a间黄河中游地区荒漠化的变化情况，并对荒漠化的变化与地貌因素、人为因素和气候因素的关系进行了定量分析。结果表明:①近年来局部地区荒漠化有所缓解，2007年的荒漠化总面积较1975年减少了2．43×103km2;②但总体形势依然严峻，荒漠化面积超过研究区总面积的60%;③风成地貌类型上的荒漠化最严重，占研究区总面积的43．1%，且荒漠化的治理难度最大;④在较长的时间范围内，易荒漠化的地貌类型及研究区所处的气候类型是荒漠化发生的最主要原因;⑤短期内，荒漠化发展中人为因素的影响占52%，气候因素的影响占48%，相对恶劣的气候条件和不断增强的人类活动共同影响着当地荒漠化的发展。

尽管当地人类活动并不是影响荒漠化发展的最突出的因素，但是为了克服当地恶劣的自然条件，人们应当积极采取措施治理荒漠化，积极协调与自然的关系，植树造林，合理放牧，在发展经济建设的同时保护环境，实现人与自然的和谐共处。

本文在分析荒漠化发展的影响因素时，选取的人为因素和气候因素还不尽完善，有些重要因素也未被列入分析范围，如地下水资源量、土壤肥力和农作物产量等。对这些因素还有待今后更全面系统地分析。

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